インプラントの適合性とパルス シーケンスの脆弱性を評価するためにインプラントの金属による MRI アーチファクトの評価のためのプロトコル

磁気共鳴イメージングのためのインプラントの適合性および/または金属アーティファクトに対する異なるパルス シーケンスの脆弱性を推定するためのインプラントに磁気共鳴画像アーチファクトを評価する標準化された手法について述べる同時に。

磁気共鳴画像 (MRI) スキャナー、医療用インプラント症例の数が増え続けて、放射線科医はますます縮小画像品質の結果、MRI に金属インプラント関連成果物を発生します。したがって、イメージのアーティファクトを軽減するパルス シーケンスの開発と同様、アーティファクト ボリュームの面でインプラントの MRI 適合性は、ますます重要になって。ここでは、MRI 上のインプラントのアーティファクト ボリュームの標準化された評価を可能にする包括的なプロトコルを提案する.さらに、このプロトコルは、成果物に対する異なるパルス シーケンスの脆弱性を分析する使用できます。提案プロトコルは、T1 と T2 強調画像脂肪抑制およびすべて受動的なインプラントの有無に適用できます。さらに、このストアド プロシージャは、信号の損失と盛り上がりのアーチファクトの別と三次元の識別できます。前の調査はすこぶる評価方法とその結果の比較可能性は限られていた。したがって、MRI アーチファクト ボリュームの標準化された測定がよりよい比較を提供するために必要です。これは、インプラントの MRI 適合性の開発を改善しより良い最終的に患者のケアを改善するためにシーケンスをパルスします。

MRI は、診断に欠かせないツールになっています。その結果、定期的な診断に使用される MRI システムの数には、¹が一層強まっています。同時に、インプラントの患者数は^2,3も高まっています。2012 年に、例えば、以上 100 万の膝と関節置換術で行われている米国だけで⁴。このようなインプラントの有病率は約 700 万 2010年では、年齢グループの 80 ~ 89 歳⁵女性の 10% 以上に相当します。その結果、画像品質と MRI 検査の診断的意義は、金属製インプラントは、診断精度を低下の結果による成果物によってしばしば障害者します。したがって、インプラントの MRI 適合性とパルス シーケンスのアーティファクトの脆弱性は、ますます重要になっています。多数のアプローチは、これらの特性を評価するために公開されています。使用される評価の方法で厳密な差異は、それぞれの結果が、比較するは難しいです。

材料の MRI 適合性の評価は、その磁化率⁶を計算することによって実行できます。ただし、成果物に対する異なるパルス シーケンスの脆弱性は、与えられたインプラントのアプローチでは比較できません。その逆、与えられたパルス シーケンスのアーティファクト ボリュームのみ概算できます別のインプラント。さらに、分析はしばしば人工的に形をしたインプラント^7,8で実行されます。材料の容積や形状、アーティファクト サイズ⁶に影響を及ぼすが、これらの機能に同様にアカウントが考慮必要があります。帯磁する代わりに、アイテムのサイズを評価できます。頻繁に研究はインプラント アーティファクト^10,11の 1 つのスライスをカバーして二次元アイテム サイズ焦点またはアーティファクト サイズ⁹の定性的な評価に依存します。また、マニュアルでのセグメンテーションのアプローチは、時間がかかるだけでなく、イントラ間読みだし違い¹¹にもなりやすいですしばしば、使用されます。最後に、プロトコルよくできないように同じ時間¹²- 脂肪-飽和脂肪飽和し、シーケンスをテストします。これは、ただし、望ましいでしょう、応用脂肪抑制法深くアーティファクトのサイズに影響を与えるので。

ここでは、プロトコルは、信頼性の高い、半自動を信号の損失と盛り上がりの成果物の全体のインプラントやインプラントの目に見える成果物を含むすべてのスライスの閾値に基づく、三次元定量化を提案します。さらに、T1 と T2 強調画像脂肪飽和の有無をテストできます。プロトコルは、異なるインプラントの MRI 適合性または特定のインプラントの金属の人工物に異なるパルス シーケンスの脆弱性を評価する使用することができます。

1. ファントムの準備

1. インプラントのボリューム (例えば、水変位法を用いた) を決定します。
   注: CCT T サンプルと Z T サンプル量測定 0.65 mL と 0.73 mL は、それぞれ。
2. 非磁性、プラスチック、防水ボックスの真ん中に細い糸を使用してインプラントの位置を修正します。予想される MRI 成果物よりも大きいボックスを使用します。
   注: 興味のインプラントおよび/またはパルス シーケンスのアーティファクト ボリュームの概算値を使用できない場合は、テスト スキャンを実行ボックスに、約 10 倍にもファントム、ファントムを配置することによって、水で満たされました。このアーティファクト ボリュームは研究 (CCT T サンプル) の 7.3 ミリリットルから 0.09 mL (Z T サンプル) の範囲。
3. 慎重に 50 ° C の水浴を使用して半合成脂肪 (58.8%)、水 (40%)、ステアリン酸マクロゴール-8 (1.2%) の混合物を溶融します。
   注意: 本研究でサンプルは、各サンプルの埋め込みを 500 mL の混合物を使用しました。
   1. 混合物では、液体になると、暖房を停止、ゆっくり攪拌しながら、開始し、加熱を停止します。脂肪と水の段階の分離がないことを確認します。
4. すぐに凝固が始まると、徐々 に混合物でインプラントを埋め込むことが開始されます。インプラントとファントムのボックスに埋め込みの混合物をゆっくり注ぐ。
   注: は、空気混入を避けるためにゆっくりと実行する必要があります注ぐ。
5. 4 ° c 乾燥で一晩冷蔵庫に埋め込まれたインプラントに幻のボックスを配置します。次の日は、デカンテーションによって任意の残留流体部品を削除します。

2. MRI 検査

1. 体内の状況のように同じ向きで MRI ファントム (埋め込まれたインプラントとボックス) を配置します。MRI のアイソ センターの中の幻の中間を位置します。
2. 測定、(例えば、頭部コイル) の重度かつ明白な信号低下なし画像ボリューム内で均一信号分布を可能にするコイルを使用します。
3. MRI コンソールでスキャン、MRI を計画するときは、ボックスの端にいくつかの空気を含む幻のボックスがイメージングのボリューム内にあるを確認します。
4. 次に、MRI 検査を実行します。

3. 画像解析と後処理

1. MRI のコンソール (例えば、DICOM 形式を使用して) から (例えば、圧縮によって) の品質を損なうことがなく画像をエクスポートします。後処理ソフトウェア評価 (材料の表を参照してください) 分割ボリュームの定量化、しきい値に基づくセグメンテーション、ROI 信号強度の利益率 (ROI) の領域を配置することができます MRI で画像をインポートします。
2. パイルアップ アーティファクトのしきい値を定義して、イメージング ボリューム内で均一な信号の分布を確認、線目に見える人工物の外側の境界線に隣接して互いに垂直に配置最大アイテム サイズ (スライス図 1 a)。
   注: パイルアップ アーティファクト、変位成果物、人工的に高い信号強度とエリアを呈したします。彼らは、スライス方向読み出し方向に発生します。
   1. それぞれ 4 つの交点 (図 1 a) の外の直径で 10 mm 背景 ROI (投資収益率の_背景) を配置します。行と興味セグメンテーション エディターを使用して背景領域を配置します。
   2. 平均信号強度とすべてボクセルごとの投資収益率の_背景これら 4 つの投資収益率_の背景値内の標準偏差 (SD) を個別に測定します。プロジェクト ビューでマテリアルの統計ツールを使用します。
   3. それぞれの投資収益率の_背景の平均信号強度が均一な信号の流通を保証する他の 3 つの対応のそれぞれの平均信号の ± 1.5 SD の範囲内にあることを確認します。
   4. パイルアップ アーティファクトのしきい値を計算するには、これらの 4 つの投資収益率_の背景値のすべての画素の平均信号強度に 3 SD の関心領域の_背景をします。パイルアップ成果物の半自動閾値に基づく領域分割を実行するには、すべてのスライスの信号損失アーティファクトに隣接するしきい値より大きい信号強度を持つすべての画素を選択します。セグメンテーション エディターのマスキング ツールを使用して、事前定義されたシグナル強度の範囲を視覚化し、それを分割を制限します。
3. 信号損失アーチファクトのしきい値を定義するには、利益 (ROIs) の 4 地域が、含気領域 (ROI_空気; 各直径 10 mm) 幻のボックスのコーナーで、これら 4 ROI 内すべてのボクセルの SD 平均信号強度を測定_空気手順 3.2、セグメンテーション エディターと「材料統計」、をそれぞれ使用。
   注: 人工低信号強度を有するボクセルと信号損失の成果物を提示します。位相緩和と変位の成果物によって引き起こされます。
   1. 低信号強度 (図 1 a) の最も大きい接続された領域によって定義される信号損失アーティファクト (ROI_コア) のコアに ROI を配置します。手動で平均信号強度が平均投資収益率_空気+ それぞれの SD の 3 倍より低い信号損失の成果物の内で可能な最大サイズが見つかるまでは、投資収益率_コアのサイズを増やします。最後に、平均信号強度を測定、投資収益率_コアの SD。
   2. 3 を追加することによって信号損失アーチファクトの信号強度閾値を計算する投資収益率_コアの平均に投資収益率_コアの SD。信号損失アーチファクトの半自動閾値に基づく領域分割を実行するには、しきい値を下回る信号強度と ROI_コアに接続されているすべての画素を選択します。
   3. セグメンテーション エディターのマスキング ツールを使用して、事前定義されたシグナル強度の範囲を視覚化し、それを分割を制限します。可能であれば、タップ セグメンテーション エディターの「選択」で「塗りつぶし」関数を使用して、選択されていない分割内すべてのボクセルを含めます。該当する場合は、手動で追加の明確な信号損失アーチファクトをセグメンテーションに追加します。
4. 真のアーティファクトのボリュームを取得する計算されたアーティファクト ボリュームから物理的なインプラント ボリュームを減算します。少なくとも 3 解析を繰り返す x。少なくとも 2 週間の間隔学習バイアスを除外する複数の読み取りを分ける必要があります。

上記プロトコルを評価したアーティファクト 2 異なる歯科インプラント製チタン (T; 参照テーブルの材料) サポート異なる樹冠量 [金属磁器非貴金属合金 (CCT T) とモノリシックジルコニア (Z T);図 1 bと1 c]。CCT T サンプルを表す大きな成果物の予測高常磁性材料組成 (コバルト 61%、クロム 21%、およびタングステン 11%;CCT)。Z T サンプルのクラウン素材を表す低磁性材料 (ジルコニア 92年%;Z). さらに、4 つの異なる、非脂肪飽和、T2 強調のシーケンスは金属アーチファクトへの脆弱性を比較する評価しました。具体的には、アプリケーションに最適化されたコントラストの異なるフリップ角進化 (MSVAT 領域)、金属アーチファクトのエンコーディング スライスを使用してサンプリング完璧に基づいてビュー角度傾斜勾配を有する複数のスラブ獲得のテクニック訂正 (SEMAC)、従来対応スペースとターボ スピンエコー (TSE) を行った (詳細なシーケンス パラメーターの表 1を参照)。3 t MRI システムの MRI スキャンを行った (材料の表を参照) と 16 チャネルの多目的表面コイルが使用されました。パルス シーケンスのパラメーターの変化は、成果物のサイズに強い影響を及ぼします。したがって、パルス シーケンスのパラメーターは、結果の伝達性を高めるため、生体内で歯科, MRI スキャンで使用されるものにできるだけ近くに選ばれました。分析が実行される 3 x の 2 つの独立した評価で。複数の比較、差異とアドホックの記事テューキー テストの双方向分析を使用しました。

データの分析では、サンプルおよび応用のシーケンス間の相違点を明らかにします。すべてのシーケンスで CCT T サンプルの複合アーティファクト ボリューム (信号損失と盛り上がりの合計) が大きかった Z T 例と比べると (P < 0.001;図 2および図 3)。同じシーケンス内でアーティファクト CCT T サンプル量は 19.3 (SEMAC) x 39.6 に (MSVAT 領域) x Z T 相手のアーティファクトの体積より大きい。

パルス シーケンスの選択があった (図 2および図 3) アーティファクト ボリューム上大きな影響を与える。CCT T サンプルに関する最小アイテム ボリューム最大の成果物と SEMAC、東証のスペースの観察された (P < 0.001)。さらに、MSVAT スペースがスペースに比較してアーティファクトの体積を大幅に削減 (P < 0.001; 3.8対7.3 mL)。対照的に、有意差は認められなかった MSVAT スペース、東証は、SEMAC の Z T サンプル.Z T のアーティファクト ボリューム空間で最大だったし、MSVAT スペースによって有意に減少した (P < 0.05; 0.26対0.1 mL)。

図 1: ROI 位置とインプラント サンプル。(、) このパネル パイルアップ アーティファクトと信号の分布のしきい値を測定する利益 (ROIs) の地域の典型的な位置を示しています (ROI_B = 投資収益率_の背景) と信号の損失の成果物 (投資収益率_A = 投資収益率_空気;投資収益率_C = ROI_コア)。青の輪郭そのスライス内の信号損失アーチファクトの半自動領域分割結果に似ています。小さな赤い領域は、パイルアップ アーティファクトの結果に対応しています。(bとc) これらのパネルは別の単独冠を支援に使用されるインプラントの画像を表示します。コバルト-クロム-タングステン-チタン (CCT T);チタン製ジルコニア (T)この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 2: 成果物のボリューム計測します。(aとb)これらは、全体の三次元アイテム ボリュームの標準偏差と平均値インプラント インプラントの物理ボリュームを削除した後のすべて 4 評価されたシーケンスのサンプルを示す棒グラフです。該当する場合は、別標準偏差エラーバーの信号損失と盛り上がりアイテムのとおりです。P ≦ 0.05;P≦ 0.001この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 3: 成果物の外観。これらのパネルは、全体のインプラント (上段) のアーティファクト ボリュームをレンダリングします。青い色のエリアを表す信号損失アーチファクトと赤色の領域を表すパイルアップ アーティファクト。パネルは、すべて評価された T2 強調シーケンス用着色されたソース イメージ (下段) を表示します。コバルト-クロム-タングステン-チタン (CCT T) サンプルのパネル (、) は、ジルコニア ・ チタン (Z T) サンプルのパネル (b)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

表 1: すべてに使用する一連のパラメーターです。

金属と患者数のインプラントし、MRI 検査数は現在^1,2,3を増加しています。過去には、関節置換術後後 MRI 検査は避けた。今日、MRI はこのような患者をイメージングのみ要求されませんしかし、また合併症の評価のため人工関節置換術に隣接できるはず。したがって、MRI の安全や金属アーチファクト抑制のため堅牢なパルス シーケンスと同様に、インプラントの MRI 適合性は、ますます重要な¹³をなっています。アーティファクト ボリュームの面で MRI 適合性の評価、包括的な時間効率的なプロトコルを提案する.脂肪抑制し、非脂肪抑制 T1-T2 強調パルス シーケンスのスライスの歪みの指標として信号損失と盛り上がり成果物の信頼性の高い、三次元評価が可能です。

いくつかのプロトコルについては、特別な注意が最良の結果を達成するために必要です。埋め込みの物質を融解後、インプラントを埋め込む前に、それはその脂肪と水の段階でさえ、簡単に分離として十分な冷却を開始しながら長い埋め込み物質とその集計状態の変化 (固体を液体) をかき混ぜることが大切乳化剤の存在。さらに、ゆっくりと気泡を避けるために埋め込みの物質をファントムのボックスに入力することが重要です。空気と信号損失アーティファクト両方発生ゼロの信号は、アーティファクトの過大評価につながるために、これは重要です。

アーティファクト ボリュームの正確な評価を許可する必要が高い、均一な信号です。最高の信号対雑音比 (SNR) 表面コイルにより、均質信号 (前述)、ファントム内にあるので、プロファイルとコイルの位置決めの感度を可能に、あらかじめテストすることが重要だ、しきい値に基づくセグメンテーションは、セグメンテーション エラーなしに実行できます。

他の研究は、大規模なインプラント (例えば、股関節または膝関節の置換または spondylodesis) を分析と比較して、このプロトコルは、1 mL をはるかに下回るアイテム ボリュームを引き起こしているいくつかのケースで小さなインプラントを使用しました。このような厳しい条件下でもさまざまなサンプルと異なるパルス シーケンスのアーティファクト ボリュームで有意差を検出でした。したがって、このプロトコルの優れた計測確度が想定される場合、その材質や形状に関して複雑なインプラントの MRI アーチファクト ボリュームの正確な評価を可能にします。さらに、プロトコルは、異なるパルス シーケンスの指定されたインプラント金属によるアーチファクトに脆弱性の比較に適用できます。

金属アーティファクトの評価のため異なる量で多数の方法が提案されています。異なるパルス シーケンスの比較のためフリッツらは各シーケンス¹¹の脆弱性を評価するのに質的なランクを使用しました。その他、Zhoら、アーティファクト¹⁰に影響されるスライスの数を数えることによって最大距離を測定することにより、平面の人工物を介した平面アーティファクト (信号損失と盛り上がり) ボリュームの決定など。両方の方法は、ただし、可能性があります完全アイテムのボリュームを考慮していないの下で- またはアーティファクト ボリュームの過大評価。また、マニュアルでのセグメンテーション¹¹を使用するいくつかの研究に適用されます。これは非常に時間のかかるアプローチは、頻繁にだけ 1 つまたは 2 つの中央のスライス、残りのアーティファクトの比率を無視して、視覚的に評価されます。

生体外で研究、著者は多くの場合埋め込み物質^14,15としてアガロースまたはゼラチンを使用します。両方の材料は簡単に処理することができます、T2、T1 強調画像で十分な信号を保証します。ただし、任意の重みで脂肪抑制シーケンスの評価のためにはできないようにします。脂肪抑制アイテム ボリュームに深遠な影響を持ってし、インプラント関連の合併症 (例えば浮腫、感染のケースでインプラントに隣接する流体のコレクションを識別するために定期的に使用されて以来、これは主要な欠点を表します粒子病、あるいは無菌のリンパ球支配血管炎・ アソシエイツ病変)^13,16,17。

このプロトコルのいくつかの制限を承認しなければなりません。最初に、完全なアーティファクト ボリュームの分化が均一な背景信号を必要とは、アーティファクト ボリュームの生体内で定量化を許可しません。生体内の評価のため、磁化率を測定などの他の方法を使用できます。第二に、このプロトコルは、(スライス歪みの指標) としてパイルアップ成果物の検出のみ信号損失の成果物に直接隣接します。ただし、信号損失のアーティファクトをも超えて追加スライス歪みが期待できます。だからこそ、それは歪みの量は過小評価されている可能性が高いです。

結論としては、このプロトコルは、将来研究インプラントの MRI アーチファクトのボリュームと金属アーティファクトに対するパルス シーケンスの脆弱性評価の標準化を助けることができます。これはインプラントの MRI 適合性を最適化し、最終的に患者のケアを改善するために技術をシーケンスを助けるかもしれない。

ティム ・ Hilgenfeld、フランツ ・ s ・ Schwindling、アレクサンドル ・ Juerchott、ハイデルベルク大学医学部ポスドク研究員プログラムから資金を受けてください。研究は、ディートマー ・ ホップ 【 (プロジェクト号 23011228) によって部分的に支えられました。著者は、この記事に関連して利益相反がないことを明示的に述べています。

著者は、ステファニー ザウアー、薬剤師、薬局ハイデルベルク大学病院、MRI ファントムへの彼女の貢献のために感謝したいです。さらに、16 チャンネル多目的コイルのプロトタイプを提供するため NORAS MRI 製品 GmbH (ドイツ、Höchberg)、特にダニエル Gareis に感謝したいと思います。さらに、シーメンス医療 GmbH (ドイツ ・ エアランゲン) と特にマティアス Nittka 順序の設定に彼らの支援の協力に感謝しております。