ПОРІВНЯННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ 3Т І 7Т МРТ КЛІНІЧНИХ ПОСЛІДОВНОСТЕЙ ІМПУЛЬСІВ ДЛЯ ВІЗУАЛІЗАЦІЇ ГОМІЛКОВОСТОПНОГО СУГЛОБА

Метою даного дослідження було проведення порівняння відношення сигнал/шум і контраст/шум 3Т і 7Т сигналів клінічних послідовностей імпульсів для візуалізації гомілковостопного суглоба з оптимізованими послідовностями і спеціальними котушками.

Vladimir Juras, Goetz Welsch, Peter Bar, Claudia Kronnerwetter, Hiroyuki Fujita, Siegfried Trattnig

Реферат

Метою даного дослідження було проведення порівняння відношення сигнал/шум і контраст/шум 3Т і 7Т сигналів клінічних послідовностей імпульсів для візуалізації гомілковостопного суглоба з оптимізованими послідовностями і спеціальними котушками.

Десять здорових добровольців були обстежені послідовно на обох системах в трьох клінічних режимах томографії: (1) 3D градієнт-ехо, T1-зважений; (2) 2D фаст спін-ехо, PD-зважений і (3) 2D спін-ехо, Т1-зважене. Відношення сигнал/шум ― signal-to-noise ratio (SNR) ― було розраховано для шести регіонарних зон: хрящ; кістки; м’язи; синовіальна рідина; Ахіловий сухожилок і жирова подушка Kager. Співвдношення контраст/шум ― contrast-to noise ratio (CNR) ― було отримано для хряща/кістки, хряща/рідини, хряща/м’язів і м’язів/жирової подушки Kager, а також було проведено порівняння за допомогою одностороннього ANOVA тесту для повторних вимірів.

Середнє SNR значення значно зросло на 7Т в порівнянні з 3T для 3D GRE і 2D TSE ― 60,9% і 86,7%, відповідно. На відміну від цього, середнє значення CNR знизилося майже на 25% при вивченні послідовності 2D SE. Збільшення значення CNR спостерігалося на 2D TSE зображеннях, а також у більшості зображень 3D GRE.

Таким чином, були встановлені суттєві переваги ультра-сильного поля МРТ візуалізації гомілковостопного суглоба в порівнянні зі звичайною клінічною послідовністю сигналів при 7T порівняно з 3Т. Більш високі значення SNR і CNR в сканерах з ультра-сильним полем МРТ можуть бути корисні в клінічній практиці для роботи із зображеннями гомілковостопного суглоба. Тим не менш, для отримання оптимальних результатів необхідне застосування ретельно оптимізованих протоколів та спеціальних котушок.

ВСТУП

Останнім часом почався бурхливий розвиток сканерів МРТ з ультра-сильним полем. У теорії, якщо котушка і предмет вважаються еквівалентними, то відношення сигнал/шум ― signal-to-noise ratio (SNR) і відношення контраст/шум ― contrast-to noise ratio (CNR) будуть майже лінійно залежати від статичного магнітного поля B0. Однак, зміна SNR, мабуть, є більш складною, особливо при застосуванні додатків, розрахованих для людей в 7T (в основному через артефакти, чутливість і розширений хімічний зсув).

У теорії, значення SNR між 3Т і 7Т має збільшуватися на коефіцієнт 2,3. Цього, однак, не повністю досягають в практичному застосуванні МРТ. Однією з головних проблем візуалізації за допомогою сканерів МРТ з ультра-сильним полем є обмеження питомої швидкості поглинання ― specific absorption rate (SAR), яке обмежує передачу послідовностей зі сканерами з ультра-сильним полем. Останнім часом розроблені паралельні методи візуалізації, які володіють великим потенціалом для подолання проблеми SAR. Для зменшення спотворень необхідна правильна настройка імпульсних властивостей і пропускної здатності приймача. Збільшена пропускна здатність використовується для того, щоб зменшити ймовірність артефактів хімічного зсуву між частотою жиру і води. Незважаючи на значні досягнення в дизайні магнітної котушки для роботи із зображеннями ультра-сильних полів, все ще немає спеціальних котушок для зображення опорно-рухового апарату, які необхідні для отримання реальних переваг від сильніших значень полів. У цьому сенсі, мульти-елементна фазова котушка є перспективним рішенням.

МРТ широко використовується для візуалізації гогмілковостопного суглоб та різних анатомічних структур, таких як: хрящ, сухожилок або кістки. Для більшості з цих опцій високе значення SNR є необхідною умовою для успішної діагностики або при застосуванні передових кількісних методів оцінки. Більш силові поля через вище значення SNR і кращу роздільну здатність можуть забезпечити переваги в біохімічній оцінці хряща, надають вірогідні дані для трабекулярної сегментації кістки або для розширеної візуалізації сухожилків.

Метою даного дослідження було вивчення ефективності клінічних МРТ послідовних імпульсів в природних умовах візуалізації гомілковостопного суглоба при застосуванні надсильного поля (7Т), а також порівняння їх з 3T аналогами. Також були проведені порівняльні дослідження різних анатомічних регіонів для SNR і CNR. Використання МРТ візуалізації з надсильними полями може мати значну перевагу в зв’язку з більш високими значеннями SNR і кращою просторовою роздільною  здатністю.

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ

Десять здорових добровольців (середній вік 28,3 ± 6,4) були послідовно обстежені на 3Т (Tim Trio, Siemens Healthcare, Ерланген, Німеччина) та 7Т (Siemens Healthcare, Ерланген, Німеччина) МРТ сканерах. Комісія з етики Віденського медичного університету дала дозвіл на дослідження, а також було отримано письмово інформовану згоду від всіх добровольців щодо їх включення в дослідження. При 3Т режимі використовувалася восьмиелементна спеціальна колінна котушка (In Vivo, OR, USA)) і при режимі 7T, була використана двадцативосьмиканальна колінна котушка (QED, USA).

Протокол вимірювань для обох магнітних полів складався з трьох послідовностей імпульсів, які широко використовуються в клінічній практиці для магнітно-резонансної томографії гомілковостопного суглоба: (1) тривимірна Т1-зважене градієнтне ехо в сагітальній площині (3D GRE), (2) двовимірне PD-зважене жиронасичене швидкоспінове ехо у фронтальній площині (2D-TSE) і PD-зважене, а також (3) двовимірне T1 зважене спін-ехо в сагітальній площині (2D SE). У разі використання 2DTSE, піксельна роздільна здатність була схожою між 3Т і 7Т режимами, що є результатом зниження загального часу захоплення при 7T режимі. Для 3D GRE і 2D SE, загальний час захоплення був майже ідентичним, а піксельна роздільна здатність була вищою на 7Т зображеннях. Інформація про всі параметри послідовностей імпульсів представлена в таблиці 1. Крім того, кожна послідовність імпульсів була використана з імпульсом нульової напруги на обох магнітних полях для отримання зображення розподілу шуму.

Значення SNR різних анатомічних структур розраховували як співвідношення середнього сигналу і стандартного відхилення шуму. Стандартне відхилення шуму відрізняли від зображень чистого шуму шляхом розміщення галузі дослідження відповідних зображень, скопіювавши галузі дослідження з сигнальних зображень. Визначення всіх областей досліджень були виконані за допомогою галузевого стандарту створення, зберігання, передачі та візуалізації медичних зображень і документів обстежених пацієнтів DICOM JiveX (Visus GmbH, Бохум, Німеччина).

Анатомічні області для обробки були визначені таким чином: хрящ; кістка; синовіальна рідина; жирова подушка Kager; м’яз; Ахіловий сухожилок (Рис. 1).

Рис. 1. Визначення області інтересу для оцінки значень SNR і CNR. Оцінювалася внутрішня площа області, що цікавить, при цьому краї не були включені в дослідження.

Ахіловий сухожилок не видно на TSE зображеннях через корональну орієнтацію, тому ділянка дослідження для сухожилка була опущена для цієї конкретної послідовності. Для кожної послідовності імпульсів області дослідження були розміщені на трьох послідовних зрізах і усереднені. Співвідношення контраст-шум (CNR) були розраховані для хряща/кістки, хряща/рідини, хряща/м’язів і м’язів/жирової подушки (Рис. 2-4).

Для перевірки відтворюваності та варіабельності даних між операторами у визначенні області дослідження, групу з трьох добровольців неодноразово оцінювали фахівці з 25-річним досвідом роботи у рентгенології опорно-рухового апарату (ST), і ту ж групу оцінювали три незалежні експерти з 25- (ST), 10- (GW) і 5- (VJ) річним досвідом роботи у рентгенології опорно-рухового апарату відповідно. Відтворюваність вимірювань була оцінена за допомогою внутрішньокласового коефіцієнта кореляції ― intra-class correlation coefficient (ICC). Варіабельності даних між операторами була виражена, як коефіцієнт варіації внутрішньокласового коефіцієнта кореляції ― coefficient of variation (CV) в процентах.

SNR і CNR значення порівнювали між 3Т і 7Т за допомогою в одностороннього ANOVA тест для повторюваних вимірювань. Значення р ― менше, ніж 0,05 розглядалося як статистично значуще.

РЕЗУЛЬТАТИ

ICC показав дуже хорошу узгодженість для майже всіх вимірювань для 3Т і 7Т (0,95 у середньому). Варіабельності даних між операторами була менше ніж 8%. Загальна середнє значення SNR для 3T було 23.64 ± 4.65, а для 7Т ― 57.11 ± 13,7. Значення SNR було значно вищим при 7Т порівняно з 3Т в більшості випадків при використанні послідовності імпульсів GRE і TSE.

Середнє збільшення значення SNR для 3D GRE і 2D TSE було 60, 9% і 86, 7% відповідно. Для 2D SE зниження SNR спостерігалося майже на 25%. Несуттєві відмінності були в основному знайдені при використанні SE послідовності, зокрема в кістковій тканині (р = 0,207), жировій тканині (р = 0,51) і сухожиллі (р = 0,401). Значення SNR для обох потужностей полів наведені в таблиці 2. Значення CNR було значно вищим в 7T в більшості анатомічних областей для послідовності імпульсів TSE. Менша кількість значущих відмінностей було виявлено для послідовностей GRE і SE. Резюмоване значення CNR для різних комбінацій анатомічних областей наведені в таблиці 3.

Таблиця 1. Результати параметрів трьох клінічних режимів томографії

Рис. 2. 3D GRE гомілковостопного суглоба здорової людини ― волонтер, 25 років, сагітальна проекція, порівняння (А) 3Т і (В) 7Т. Роздільна здатність 7Т, мабуть, краща. Значення SNR було в середньому на 60% вище при 7Т в порівнянні з 3T зображеннями.

Рис. 3. 2D TSE гомілковостопного суглоба здорової людини ― волонтер, 25 років, коронарні проекції. При 7T (B), більше значення SNR було виявлено у всіх обумовлених анатомічних ділянках, а також більш високе CNR в більшості випадків у порівнянні з 3T (A).

Рис. 4. 2D SE гомілковостопного суглоба здорової людини ― волонтер, 25 років, сагітальна проекція. Більшість значень SNR і CNR суттєво не відрізняються один від одного при 3Т (А) і 7Т (В).

Таблиця 2. Аналіз значень SNR для різних анатомічних структур при 3Т і 7Т.

Таблиця 3. Співвідношення контраст/шум (CNR) окремих тканин і їх порівняння між двома потужностями поля (3Т і 7Т). Значення р означає статистичну значущість середньої різниці CNR, яка розраховується за допомогою одностороннього ANOVA тесту для повторюваних вимірювань.

ОБГОВОРЕННЯ

У цьому дослідженні, зображення стандартних клінічних послідовностей порівнювалися між 3Т і 7Т МРТ. При візуалізації гомілковостопного суглоба при 7T було показано перевагу в порівнянні зі стандартними протоколами МРТ при 3Т. Дослідження показало значно вищу інформативність клінічних послідовностей МРТ в зображенні гомілковостопного суглоба при 7Т в порівнянні з 3T у двох із трьох досліджуваних послідовностей імпульсів.

Найбільша перевага в підвищенні значення SNR при 7T була раніше продемонстрована при візуалізації головного мозку для діагностики вогнищ розсіяного склерозу, а також для оцінки перфузії головного мозку. Останні дослідження також показали переваги формування зображень х-ядер в 7Т, таких як натрій або фосфор. На сьогоднішній день існує невелика кількість статей, які присвячені зображенню опорно-рухового апарату при застосуванні МРТ з надсильних полем. Regatte і Schweitzer показали можливість отримання зображення опорно-рухового апарату з високою роздільною здатністю в природних умовах при використанні 7T і вказали на важливість використання спеціальної котушки і оптимізованих протоколів. Період релаксації, контрастність і SNR в різних анатомічних областях в колінному суглобі були досліджені при 7T Pakin та ін. Збільшення значень SNR і CNR зображень зап’ястя між 3Т і 7Т виявлені в дослідженні Chang та ін. Вони також продемонстрували зв’язок між SNR і фактором прискорення при оцінці паралельних зображень. Також було досягнуто прогресу в візуалізації спинного мозку при 7T за допомогою спеціальних окремих котушок.

Розрахунок SNR при оцінці паралельних зображень з використанням мульти-елементної котушки ― не просто співвідношення сигналу і стандартного відхилення, які виміряні в області без сигналу. Просторовий розподіл шуму залежить від профілів чутливості окремих елементів котушки і, крім того, результуюче комбіноване зображення обчислюється нелінійними операціями. Кілька комплексних методів для розрахунку SNR були розроблені в минулому, серед них методика множинного захоплення даних (з 100 і більше повторними вимірами). Тим не менш, цей підхід вимагає стійкої системи MРТ, що не є практичним в природних умовах. Більш оптимальна продуктивність забезпечує генерування псевдо-мульти повторення, яке використовує кілька реконструкцій генерованого шуму; однак це займає досить багато часу і обчислень. Інший шлях ― отримання зображення чистого шуму при використанні імпульсу при нульовій напрузі, а потім розраховувати шум від обраної області дослідження (так само методика, яка використовується для розрахунку SNR). Останній метод ― отримання зображення чистого шуму ― був використаний в даному дослідженні. Рівень шуму було виміряно окремо для всіх трьох послідовностей імпульсів в обох магнітних полях для збереження надійності оцінки шуму.

В процесі передачі клінічних послідовностей в більш сильному магнітному полі, існують два можливих сценарії: або залишити роздільну здатність зображень на тому ж рівні і отримати перевагу від поліпшеної часової роздільної здатності, або отримати більш сильний сигнал в межах одного і того ж загального часу захоплення. Для 3D GRE роздільна здатність була на 33% вищою при 7Т порівняно з 3Т. При 2D TSE послідовності було встановлено, що на отриманих зображеннях роздільна здатність була вищою на 25% при 7Т. При оцінці спін-ехо послідовності вимірювання мали ті ж параметри роздільної здатності при 3Т і 7Т, але результуючий загальний час захоплення зменшився з 4:33 хвилини до 2:57 хвилин.

При оцінці зображень з послідовності 2D SE ми не спостерігали збільшення значення SNR при 7Т порівняно з 3Т; навпаки, значення SNR в кістоках, жировій подушці і сухожиллях були трохи нижче при 7Т. Значення SNR хряща, м’яза та рідини були навіть значно вищими при 3T у порівнянні з 7Т. Причиною цьому може бути ручне налаштування частоти для отримання оптимальних T1 зважених зображень. Для отримання оптимальних T1-зважених зображень з параметрами, аналогічними 3T необхідне зменшення отриманого сигналу в тканинах, які являють собою область інтересу (хрящ, м’язи), через різні умови досліджень, обумовлених відмінностями в режимі T1.

Для послідовності TSE значення CNR були вищими для всіх комбінацій режимів. Це також підтвердилося для зображень, отриманих при 3D GRE, за винятком контрасту між хрящем і м’язами. CNR в цьому випадку, як і раніше, було вище при 7T (21,17, порівняно із 25,54), але без статистичної значущості.

Одним з можливих обмежень даного дослідження може бути різниця між параметрами відповідних послідовностей при 3Т і 7Т. Проте, при передачі послідовності імпульсів в більш високому магнітному полі, вирішальне значення має оптимізація параметрів. У цьому дослідженні ми спробували порівняти клінічно оптимізовані послідовності, а не оцінити 3T послідовності, які просто перенесені на 7Т. Тим не менш, деякі параметри (такі як: смуга пропускання або піксельна роздільна здатність) необхідно брати до уваги при інтерпретації SNR, оскільки вони можуть істотно впливати на підсумкові значення. Застосування ультрависокого поля MРТ має безліч проблем, які необхідно подолати (наприклад, межі поглинання енергії). Це зазвичай здійснюється шляхом зміни параметрів (зменшення фліп кута і кількості зрізів, або збільшенням часу повторень). Іншим обмеженням може бути використання котушок з різною геометрією і числом елементів. З цією метою було оцінено рівень чистого шуму. При цьому була знайдена висока однорідність розподілу просторового шуму, порівняна між обома котушками.

ВИСНОВОК

Суттєва перевага була показано для ультрависокого поля МРТ гомілковостопного суглоба зі звичайними клінічними послідовностями імпульсів при 7T порівняно з 3Т. Більш високі значення SNR і CNR на МРТ сканерах з ультрависокими полями можуть бути корисними в клінічній практиці для візуалізації гомілковостопного суглоба. Тим не менш, для отримання оптимальних результатів необхідні ретельно оптимізовані протоколи та спеціальні котушки, призначені для кінцівок.