A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
פרוטוקול מתואר ליצירת תמונות מבניות ברזולוציה גבוהה של הריאות באמצעות זמן הד אולטרה קצר (UTE) דימות תהודה מגנטית (MRI). פרוטוקול זה מאפשר לקבל תמונות באמצעות רצף דופק MRI פשוט במהלך נשימה חופשית.
MRI באיכות גבוהה של הריאות מאותגר על ידי צפיפות רקמות נמוכה, הרפיית אותות MRI מהירה ותנועה נשימתית ולבבית. מסיבות אלה, הדמיה מבנית של הריאות מתבצעת כמעט אך ורק באמצעות טומוגרפיה ממוחשבת (CT). עם זאת, הדמיית CT מספקת קרינה מייננת, ולכן פחות מתאימה לאוכלוסיות פגיעות מסוימות (למשל, רפואת ילדים) או ליישומי מחקר. כחלופה, MRI באמצעות זמני הד אולטרה קצרים (UTE) מושך עניין. טכניקה זו יכולה להתבצע במהלך נשימה חופשית במהלך סריקה ~ 5-10 דקות. מידע על תנועה נשימתית מקודד לצד תמונות; מידע זה יכול לשמש ל"שער עצמי" של תמונות. בכך מבטל העצמי את הדרישה לתכנות מתקדם של רצף דופק MRI או שימוש במפוח נשימתי, מה שמפשט את רכישת התמונה. בפרוטוקול זה מוצגות שיטות רכישה ושחזור פשוטות, חזקות ויעילות מבחינה חישובית לרכישת MRI UTE באיכות גבוהה של הריאות. פרוטוקול זה פותח לשימוש בסורק MRI 3T, אך ניתן ליישם את אותם עקרונות בעוצמת שדה מגנטי נמוכה יותר. הפרוטוקול כולל הגדרות פרמטרים מומלצות לרכישת תמונות UTE רדיאליות תלת-ממדיות, כמו גם הנחיות לשחזור תמונה במגודר עצמי כדי ליצור תמונות בשלבי נשימה נפרדים. באמצעות יישום פרוטוקול זה, משתמשים יכולים ליצור תמונות UTE ברזולוציה גבוהה של הריאות עם חפצי תנועה מינימליים עד מינימליים עד ללא תנועה. תמונות אלה יכולות לשמש להערכת מבנה ריאתי, אשר ניתן ליישם לשימוש מחקרי במגוון מצבים ריאתיים.
הדמיה ברזולוציה גבוהה של המבנה הריאתי היא חלק חיוני בבדיקות אבחון למצבים ריאתיים רבים. בדרך כלל, זה מבוצע באמצעות טומוגרפיה ממוחשבת (CT) הדמיה, אשר מתאים באופן אידיאלי כדי ליצור תמונות ברזולוציה גבוהה של הריאות1. עם זאת, הדמיית CT מספקת מנה לא טריוויאלית של קרינה מייננת, מה שהופך אותה ללא מתאימה להדמיה חוזרת רגילה, הדמיה במספר שלבי נשימה שונים, או הדמיה של אוכלוסיות מסוימות (למשל, רפואת ילדים). דימות תהודה מגנטית (MRI) אינו נושא את אותו הסיכון של קרינה מייננת, ולכן הוא מקובל על משימות הדמיה כאלה. עם זאת, מאתגר לדמיין את הריאות באמצעות MRI בשל צפיפות רקמות נמוכה, תנועה נשימתית ולבבית, והרפיית אותות מהירה מאוד 2,3,4.
טכניקת MRI אחת שמסוגלת להקל על אתגרים אלה היא זמן הד קצר במיוחד (UTE) MRI 4,5,6. ב- MRI UTE, אות ה- MRI נדגם מיד לאחר עירור האות, מה שמפחית את ההשפעה של הרפיית אות מהירה. יתר על כן, טכניקה זו דוגמת k-space מהמרכז החוצה, מה שמוביל לדגימת יתר משמעותית במרכז k-space. דגימת יתר זו במרכז מרחב k הופכת את טכניקת ההדמיה הזו לעמידה לתנועה. בנוסף לחוסן האינהרנטי הזה לתנועה, דגימה חוזרת ונשנית של מרכז מרחב k מקודדת מידע על תנועה נשימתית, מה שמאפשר גאט עצמי של תמונות 7,8,9. ניתן להשתמש בגירוי עצמי זה כדי ליצור תמונות במגוון שלבי נשימה. מכיוון שבני אדם מבלים את רוב שלב הנשימה בתפוגה, מקובל ליצור תמונה לתפוגה הסופית, מכיוון שלשלב זה יש את רוב נתוני ההדמיה שנרכשו.
קיימות מגוון אסטרטגיות לריפוי עצמי נשימתי ב-MRI ריאתי. ההבחנה הראשונה שיש לעשות היא מבוססת תמונה לעומת gating10 מבוסס מרחב k (איור 1). בחיתוך מבוסס תמונה, קבוצת תמונות ברזולוציה טמפורלית גבוהה נוצרת על-ידי בנייה מחדש של תת-קבוצות זמניות קטנות של נתוני ההדמיה. לאחר מכן, מיקום הסרעפת בתמונות אלה משמש לזיהוי השלב הנשימתי עבור קבוצה נתונה של הקרנות תמונה10,11. ב gating מבוסס k-space, נתונים ממרכז k-space ("k0") נבדקים 8,9,12. עוצמת האות של התמונה מקודדת ב- k0, ולכן עוצמת נקודת k0 משתנה עם הנשימה. כך ניתן לקשור את ההקרנות לשלבי נשימה שונים בהתבסס על העוצמה של k0. הן בחיתוך מבוסס תמונה והן בגטינג מבוסס מרחב k, הקרנות עם שלבים נשימתיים דומים מקובצות לשחזור תמונה. הוצע כי gating מבוסס תמונה מספק נאמנות משופרת בהערכת השלב הנשימתי, ובכך מספק תמונות עם טשטוש מופחת10,13.
איור 1: טכניקות גאטינג עצמי מבוססות תמונה ו-k-space. (A) בחיתוך מבוסס תמונה, ברזולוציה מרחבית נמוכה, תמונות ברזולוציה טמפורלית גבוהה המציגות את הסרעפת מופקות מתת-קבוצות זמניות של הנתונים הכוללים. באמצעות קו מעל הסרעפת, ניתן להמחיש תנועה נשימתית ולקשור אותה לשחזור תמונה. (B) בגטינג מבוסס מרחב k, הנקודה הראשונה בהיטל k-space במרכז ("k0") משמשת להמחשת תנועה נשימתית. לאחר החלקת k0, הבדלי עוצמת האות המבוססים על מחזור הנשימה נראים בבירור וניתן להשתמש בהם לזיהוי שלבי נשימה שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
ניתן לבצע גם gating מבוסס תמונה וגם gating מבוסס k space באמצעות gating קשיח או gating רך 11,14. בגידור קשה, רק התחזיות המתאימות לשלב הנשימה הרצוי משוחזרות. עם זאת, השלכה זו של הקרנות לא רצויות עלולה להוביל לירידה ביחס אות לרעש (SNR) של התמונה ולהגדלת תוצרי תת-הדגימה. ניתן למתן את ההשפעות הבלתי רצויות הללו באמצעות גידור רך. בגידור רך, כל ההקרנות משמשות לשחזור תמונה, אך הקרנות משלב נשימתי לא רצוי משוקללות כך שהשפעתן על התמונה הסופית פחותה. בכך, ניתן לשחזר תמונות עם מינימום חפצים ו-SNR גבוה תוך דיכוי ההשפעה של תנועת הנשימה.
באמצעות השילוב של רכישת MRI UTE עם גידור עצמי לאחר הרכישה, ניתן ליצור תמונות באיכות גבוהה, שאמנם אינן שוות ערך ל- CT, אך בעלות ניגודיות ורזולוציה המתקרבת לזו של הדמיית CT 6,15,16,17,18,19. כאן, פרוטוקול פשוט מסופק לאיסוף ושחזור תמונות MRI UTE כדי ליצור תמונות באיכות גבוהה של מבנה ריאתי.
פרוטוקול זה נכתב בעיקר עבור סורקי MRI 3T; 3T הוא חוזק השדה הנפוץ ביותר המשמש למחקר MRI. עוצמות שדה מגנטי נמוכות יותר, כגון 1.5T או 0.55 T20 שהיו זמינות לאחרונה, יכולות לספק איכות תמונה משופרת ועוצמת אות בריאות משופרות, מכיוון שהרפיית האותות בריאות איטית יותר בעוצמות שדה אלה.
בעוד שנעשה כל ניסיון לספק בהירות ופשטות בפרוטוקול זה ובקוד שחזור התמונה שסופק, סביר להניח שהפרוטוקול ידרוש פיזיקאי MRI ייעודי (או מומחה MRI דומה) כדי לקבוע רצף MRI UTE מתאים בסורק MRI. רצף ה-MRI צריך ליישם אסטרטגיית קידוד תלת-ממדית לא קרטזית עם מסלולי מרחב k של מרכז. דוגמאות לכך כוללות רצפי הדמיה רדיאליים תלת-ממדיים או תלת-ממדיים (לדוגמה, "FLORET")21,22. חשוב לציין, סדר ההטלות צריך להיות בעל יציבות טמפורלית טובה: על פני כל תת-קבוצה נתונה של זמן, התחזיות צריכות לכסות את הטווח המלא של מרחב k23. דוגמאות לאסטרטגיות הזמנת הקרנה עם יציבות טמפורלית טובה הן אמצעי זהב או ספירלה ארכימדית אקראית של הלטון. אם נעשה שימוש בהזמנה של היטל עם יציבות טמפורלית ירודה, הגאטינג העצמי שלאחר הרכישה ישמיט אזורים גדולים של מרחב k, מה שיוביל לתוצרי תמונה. לבסוף, הרצף צריך להיות מסוגל להשיג זמן הד (TE) של <100 μs. זמן ההרפיה של T2* בריאות ב-3T הוא <1ms24, כך ששימוש ב-TE קצר מאוד חיוני ליצירת תמונות באיכות גבוהה.
כל הדמיות הנבדקים האנושיים בוצעו באישור KUMC IRB. התקבלה הסכמה מדעת בכתב מכל המשתתפים. התמונות במחקר זה התקבלו תחת פרוטוקול פיתוח טכני גנרי, וקריטריוני ההכללה/אי-הכללה היו רחבים בכוונה. קריטריונים להכללה: גיל ≥ 18. קריטריוני אי-הכללה: MRI התווית נגד על סמך תשובות לשאלון בדיקת MRI, והריון. האביזרים והציוד ששימשו למחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.
1. רכישת תמונות UTE
פרמטר | הגדרות כלליות מומלצות | הגדרות המיושמות במסמך זה |
רצף הדמיה | תלת-ממד לא קרטזי עם מסלולי k-space במרכז | רדיאל תלת ממדי עם הזמנת הקרנה של אמצעי זהב |
שדה ראייה | 400 x 400 x 400 מ"מ3 | 400 x 400 x 400 מ"מ3 |
גודל מטריצה | כרצונך לרזולוציית היעד | 320 x 320 x 320 (רזולוציה איזוטרופית של 1.25 מ"מ) |
רוחב פס | לפי הצורך למשך הקריאה < 1.0 אלפיות השנייה | 888 הרץ/פיקסל |
טה | < 0.1 מטר/שניה | 0.07 מטר/שניה |
ת"ר | מינימום (יעד 3 – 4 אלפיות השנייה) | 3.5 מטר/שניה |
זווית היפוך | כ-5° | 4.8° |
מספר תחזיות | מינימום 100,000 | 1,35,386 |
משך התמונה | מינימום 5 דקות | 7 דקות, 54 שניות |
טבלה 1: הגדרות מומלצות עבור הדמיית UTE. הגדרות כלליות מומלצות מסופקות שניתן להשתמש בהן כדי להנחות את הגדרת הפרוטוקול. הגדרות מומלצות ספציפיות ששימשו עבור הנתונים מסופקות גם כן, כפי שמוצג כתוצאות מייצגות. מפרטי הפרמטרים הם כלליים בין ספקים, למעט רוחב פס. חלק מספקי ה-MRI הגדולים מציינים רוחב פס כ-Hz/Pixel. ספקי MRI גדולים אחרים מציינים רוחב פס מוחלט. רוחב הפס המומלץ (888 הרץ/פיקסל) מתאים לרוחב פס מוחלט של 284,160 הרץ.
2. שחזור תמונה UTE באמצעות Respiratory soft-gating מבוסס תמונה
הערה: קוד MATLAB להשלמת השלבים הבאים מסופק בשלב https://github.com/pniedbalski3/UTE_Reconstruction.
איור 2: גידור עצמי מבוסס תמונה. (1) באמצעות תמונה ברזולוציה נמוכה המשוחזרת ממספר קטן של הקרנות (ליעילות חישובית), זהה פרוסת עטרה המציגה בבירור את הסרעפת. (2) על ידי בחינת תמונות מרכיבי סליל בודדים, בחר את רכיבי הסליל הקרובים ביותר לסרעפת. (3) ביצוע שחזור חלון הזזה רק של רכיבי הסליל הקרובים ביותר לסרעפת (ליעילות חישובית). ניתן להפיק תמונות מתת-קבוצות של 200 הקרנות (המקבילות ל~0.8 שניות); על ידי תחזיות חופפות, ניתן להשיג רזולוציה פסאודו-טמפורלית של ~0.5 שניות בתמונות. (4) זיהוי קו המאונך לסרעפת שישמש לנווט נשימתי. (5) הדמיה של נתוני התמונה בקו זה מראה תנועה נשימתית, אשר ניתן להשתמש בה כדי לסלק תמונות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
3. שחזור תמונה UTE באמצעות k-space מבוסס נשימה רכה gating
תוצאות מייצגות (איור 3) נוצרו באמצעות ההגדרות המוצגות בטבלה 1. משך ההדמיה המשמש מספק תמונות באיכות גבוהה שהן נסבלות על ידי רוב המשתתפים.
איור 3
בעת ביצוע הדמיה UTE של הריאות, וריאציות רבות של רכישה ושחזור ניתן להשתמש כדי ליצור תמונות של הריאות. פרוטוקול זה מתמקד בקלות היישום וביעילות חישובית. הדמיה באמצעות UTE רדיאלי תלת ממדי היא פשוטה יחסית, עם רצפי הדמיה הזמינים בדרך כלל מספקי ה- MRI הגדולים. כלים מבוססי MATLAB מסופקים...
פיטר נידבלסקי מקבל מימון מחקר מהקרן הלאומית לסקלרודרמה (National Scleroderma Foundation), איגוד הלב האמריקאי (American Heart Association) וה-NIH. הוא יועץ עבור Polarean Imaging Plc., חברה המפתחת טכנולוגיית MRI 129Xe היפרפולרית.
הפיתוח של פרוטוקול זה והתמונות המוצגות כתוצאות מייצגות נתמכו על ידי הקרן הלאומית לסקלרודרמה (National Scleroderma Foundation).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Chest MRI Coil | Siemens, GE, Philips,, Other Clinical MRI Imaging Coil Vendor | N/A | A 26 - 32 channel Chest coil should be used |
High Performance Workstation | HP, Apple, or other Computer Hardware company | N/A | A computer with a minimum of 64 GB of Memory is needed for image reconstruction |
Matlab | Mathworks | R2016A or newer | A Matlab license is needed to run the provided computer code |
MRI Phantom | Siemens, GE, Philips, or Other MRI Phantom Vendor | N/A | Any Phantom can be used to test the MRI sequence prior to its use in human subjects. |
MRI Scanner | Siemens, GE, Philips, or Other Clinical MRI Scanner Vendor | N/A | The protocol was developed on a 3T scanner, but 1.5T or 0.55T would also work with minimal adaptation |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved