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Viene descritto un protocollo per la generazione di immagini strutturali ad alta risoluzione dei polmoni utilizzando la risonanza magnetica (MRI) a tempo di eco ultra-breve (UTE). Questo protocollo consente di acquisire immagini utilizzando una semplice sequenza di impulsi MRI durante la respirazione libera.
La risonanza magnetica polmonare di alta qualità è messa alla prova dalla bassa densità dei tessuti, dal rapido rilassamento del segnale RM e dal movimento respiratorio e cardiaco. Per questi motivi, l'imaging strutturale dei polmoni viene eseguito quasi esclusivamente utilizzando la tomografia computerizzata (TC). Tuttavia, l'imaging TC eroga radiazioni ionizzanti e quindi è meno adatto per alcune popolazioni vulnerabili (ad esempio, la pediatria) o per applicazioni di ricerca. In alternativa, la risonanza magnetica che utilizza tempi di eco ultra-brevi (UTE) sta attirando l'interesse. Questa tecnica può essere eseguita durante la respirazione libera nel corso di una scansione di ~5-10 minuti. Le informazioni sul movimento respiratorio sono codificate insieme alle immagini; Queste informazioni possono essere utilizzate per il "self-gate" delle immagini. L'auto-gating elimina quindi la necessità di una programmazione avanzata della sequenza di impulsi MRI o l'uso di soffietti respiratori, semplificando l'acquisizione delle immagini. In questo protocollo vengono presentati metodi di acquisizione e ricostruzione semplici, robusti ed efficienti dal punto di vista computazionale per l'acquisizione di una risonanza magnetica UTE di alta qualità dei polmoni. Questo protocollo è stato sviluppato per l'uso su uno scanner MRI 3T, ma gli stessi principi possono essere implementati con un'intensità del campo magnetico inferiore. Il protocollo include le impostazioni dei parametri raccomandate per l'acquisizione di immagini UTE radiali 3D, nonché le indicazioni per la ricostruzione dell'immagine self-gated per generare immagini in fasi respiratorie distinte. Attraverso l'implementazione di questo protocollo, gli utenti possono generare immagini UTE ad alta risoluzione dei polmoni con artefatti di movimento minimi o minimi o nulli. Queste immagini possono essere utilizzate per valutare la struttura polmonare, che può essere implementata per l'uso di ricerca in una varietà di condizioni polmonari.
L'imaging ad alta risoluzione della struttura polmonare è una parte essenziale degli esami diagnostici per molte condizioni polmonari. In genere, questo viene eseguito utilizzando la tomografia computerizzata (TC), che è ideale per generare immagini ad alta risoluzione dei polmoni1. Tuttavia, l'imaging TC fornisce una dose non banale di radiazioni ionizzanti, il che lo rende inadatto per l'imaging ripetuto regolare, l'imaging in più fasi respiratorie diverse o l'imaging di determinate popolazioni (ad esempio, pediatria). La risonanza magnetica per immagini (MRI) non comporta lo stesso rischio di radiazioni ionizzanti ed è quindi suscettibile di tali attività di imaging. Tuttavia, è difficile visualizzare i polmoni utilizzando la risonanza magnetica a causa della bassa densità dei tessuti, del movimento respiratorio e cardiaco e del rilassamento del segnale molto rapido 2,3,4.
Una tecnica di risonanza magnetica in grado di mitigare queste sfide è la risonanza magnetica a tempo di eco ultra-breve (UTE) 4,5,6. Nella risonanza magnetica UTE, il segnale MRI viene campionato immediatamente dopo l'eccitazione del segnale, riducendo l'impatto del rilassamento rapido del segnale. Inoltre, questa tecnica campiona lo spazio k dal centro verso l'esterno, il che porta a un significativo sovracampionamento al centro dello spazio k. Questo sovracampionamento al centro dello spazio k rende questa tecnica di imaging robusta al movimento. Oltre a questa robustezza intrinseca al movimento, il campionamento ripetuto del centro dello spazio k codifica le informazioni sul movimento respiratorio, il che consente l'auto-gating delle immagini 7,8,9. Questo self-gating può essere utilizzato per generare immagini in una varietà di fasi respiratorie. Poiché gli esseri umani trascorrono la maggior parte della fase respiratoria all'espirazione, è comune generare un'immagine per la fine dell'espirazione, poiché questa fase ha la maggior parte dei dati di imaging acquisiti.
Esistono diverse strategie per l'auto-gating respiratorio nella risonanza magnetica polmonare. La prima distinzione da fare è basata sull'immagine vs. gating basato sullo spazio k10 (Figura 1). Nel gating basato su immagini, un insieme di immagini con un'alta risoluzione temporale viene generato ricostruendo piccoli sottoinsiemi temporali dei dati di imaging. Successivamente, la posizione del diaframma in queste immagini viene utilizzata per identificare la fase respiratoria per un dato insieme di proiezioni di immagini10,11. Nel gating basato sullo spazio k, i dati provenienti dal centro dello spazio k ("k0") vengono esaminati 8,9,12. L'intensità del segnale dell'immagine è codificata in k0 e, quindi, l'intensità del punto k0 varia con la respirazione. Le proiezioni possono quindi essere raggruppate in diverse fasi respiratorie in base all'intensità di k0. Sia nel gating basato su immagini che in quello basato sullo spazio k, le proiezioni con fasi respiratorie simili sono raggruppate per la ricostruzione dell'immagine. È stato suggerito che il gating basato su immagini fornisca una migliore fedeltà nella stima della fase respiratoria, fornendo così immagini con sfocatura ridotta 10,13.
Figura 1: Tecniche di self gating basate su immagini e sullo spazio k. (A) Nel gating basato su immagini, le immagini a bassa risoluzione spaziale e ad alta risoluzione temporale che mostrano il diaframma sono generate da sottoinsiemi temporali dei dati complessivi. Utilizzando una linea sopra il diaframma, il movimento respiratorio può essere visualizzato e suddiviso per la ricostruzione dell'immagine. (B) Nel gating basato sullo spazio k, il primo punto su una proiezione dello spazio k al centro ("k0") viene utilizzato per visualizzare il movimento respiratorio. Dopo la levigatura k0, le differenze di intensità del segnale in base al ciclo respiratorio sono chiaramente visibili e possono essere utilizzate per identificare diverse fasi respiratorie. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Sia il gating basato su immagine che quello basato sullo spazio k possono essere eseguiti utilizzando sia l'hard gating che il soft gating11,14. Nell'hard gating, vengono ricostruite solo le proiezioni corrispondenti alla fase respiratoria desiderata. Tuttavia, l'eliminazione delle proiezioni indesiderate può portare a una riduzione del rapporto segnale/rumore (SNR) dell'immagine e a un aumento degli artefatti di sottocampionamento. Questi effetti indesiderati possono essere mitigati utilizzando il soft gating. Nel soft gating, tutte le proiezioni vengono utilizzate per la ricostruzione dell'immagine, ma le proiezioni da una fase respiratoria indesiderata vengono ponderate in modo tale da avere un impatto minore sull'immagine finale. In tal modo, le immagini possono essere ricostruite con artefatti minimi e SNR elevato, pur sopprimendo l'impatto del movimento respiratorio.
Attraverso la combinazione dell'acquisizione UTE MRI con l'auto-gating post-acquisizione, è possibile generare immagini di alta qualità che, pur non essendo equivalenti alla TC, hanno un contrasto e una risoluzione che si avvicinano a quelli dell'imaging TC 6,15,16,17,18,19. In questo documento, viene fornito un semplice protocollo per la raccolta e la ricostruzione di immagini UTE MRI per generare immagini di alta qualità della struttura polmonare.
Questo protocollo è scritto principalmente per gli scanner MRI 3T; 3T è l'intensità di campo più comune utilizzata per la risonanza magnetica di ricerca. Intensità del campo magnetico inferiori, come 1,5 T o 0,55 T20 , disponibili di recente, possono fornire una migliore qualità dell'immagine e intensità del segnale all'interno dei polmoni, poiché il rilassamento del segnale all'interno dei polmoni è più lento a queste intensità di campo.
Sebbene sia stato fatto ogni tentativo per fornire chiarezza e semplicità in questo protocollo e nel codice di ricostruzione dell'immagine fornito, il protocollo richiederà probabilmente un fisico di risonanza magnetica dedicato (o un esperto di risonanza magnetica simile) per stabilire una sequenza di risonanza magnetica UTE appropriata sullo scanner MRI. La sequenza MRI dovrebbe implementare una strategia di codifica 3D non cartesiana con traiettorie nello spazio k Center-out. Gli esempi includono sequenze di imaging radiali 3D o a spirale 3D (ad esempio, "FLORET")21,22. È importante sottolineare che l'ordine delle proiezioni dovrebbe avere una buona stabilità temporale: in un dato sottoinsieme di tempo, le proiezioni dovrebbero coprire l'intero intervallo dello spazio k23. Esempi di strategie di ordinamento delle proiezioni con una buona stabilità temporale sono le medie auree o la spirale di Archimede randomizzata di Halton. Se viene utilizzato un ordine di proiezione con scarsa stabilità temporale, l'auto-gating post-acquisizione ometterà ampie regioni dello spazio k, portando ad artefatti dell'immagine. Infine, la sequenza dovrebbe essere in grado di raggiungere un tempo di eco (TE) di <100 μs. Il tempo di rilassamento polmonare T2* a 3T è di <1 ms24, quindi l'utilizzo di un TE molto breve è essenziale per generare immagini di alta qualità.
Tutto l'imaging di soggetti umani è stato eseguito con l'approvazione del KUMC IRB. Il consenso informato scritto è stato ottenuto da tutti i partecipanti. Le immagini in questo studio sono state ottenute nell'ambito di un protocollo di sviluppo tecnico generico e i criteri di inclusione/esclusione erano deliberatamente ampi. Criteri di inclusione: Età ≥ 18 anni. Criteri di esclusione: Risonanza magnetica controindicata in base alle risposte al questionario di screening MRI e alla gravidanza. Gli accessori e le attrezzature utilizzate per questo studio sono elencati nella Tabella dei Materiali.
1. Acquisizione di immagini UTE
Parametro | Impostazioni consigliate generiche | Impostazioni implementate nel presente documento |
Sequenza di imaging | 3D non cartesiano con traiettorie dello spazio k al centro | Radiale 3D con medie auree Ordinamento della proiezione |
Campo visivo | 400 x 400 x 400 mm3 | 400 x 400 x 400 mm3 |
Dimensione matrice | Come desiderato per la risoluzione target | 320 x 320 x 320 (risoluzione isotropa 1,25 mm) |
Larghezza di banda | In base alle esigenze per la durata della lettura < 1,0 ms | 888 Hz/pixel |
TE | < 0,1 ms | 0,07 ms |
TR | Minimo (target 3 – 4 ms) | 3,5 metri quadrati |
Angolo di ribaltamento | Circa 5° | 4.8° |
Numero di proiezioni | Minimo 100.000 | 1,35,386 |
Durata dell'immagine | Minimo 5 min | 7 minuti, 54 secondi |
Tabella 1: Impostazioni consigliate per l'imaging UTA. Vengono fornite impostazioni consigliate generiche che possono essere utilizzate per guidare l'impostazione del protocollo. Vengono fornite anche le impostazioni consigliate specifiche utilizzate per i dati, come mostrato come risultati rappresentativi. Le specifiche dei parametri sono generiche tra i fornitori, ad eccezione della larghezza di banda. Alcuni dei principali fornitori di risonanza magnetica specificano la larghezza di banda come Hz/Pixel. Altri importanti fornitori di risonanza magnetica specificano la larghezza di banda assoluta. La larghezza di banda consigliata (888 Hz/Pixel) corrisponde a una larghezza di banda assoluta di 284.160 Hz.
2. Ricostruzione dell'immagine UTE mediante soft-gating respiratorio basato su immagini
NOTA: il codice MATLAB per completare i seguenti passaggi è fornito all'https://github.com/pniedbalski3/UTE_Reconstruction.
Figura 2: Self gating basato su immagini. (1) Utilizzando un'immagine a bassa risoluzione ricostruita da un piccolo numero di proiezioni (per l'efficienza computazionale), identificare una fetta coronale che mostri chiaramente il diaframma. (2) Esaminando le immagini dei singoli elementi della bobina, selezionare gli elementi della bobina più vicini al diaframma. (3) Esecuzione di una ricostruzione a finestra scorrevole solo degli elementi della bobina più vicini al diaframma (per l'efficienza computazionale). Le immagini possono essere generate da sottoinsiemi di 200 proiezioni (corrispondenti a ~0,8 s); Mediante proiezioni sovrapposte, è possibile ottenere una risoluzione pseudo-temporale di ~0,5 s nelle immagini. (4) Identificazione di una linea perpendicolare al diaframma da utilizzare come navigatore respiratorio. (5) La visualizzazione dei dati dell'immagine su questa linea mostra il movimento respiratorio, che può essere utilizzato per raggruppare le immagini. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. Ricostruzione dell'immagine UTE mediante soft-gating respiratorio basato sullo spazio k
I risultati rappresentativi (Figura 3) sono stati generati utilizzando le impostazioni mostrate nella Tabella 1. La durata dell'imaging utilizzata fornisce immagini di alta qualità tollerabili dalla maggior parte dei partecipanti.
Figura 3: Immagini ...
Quando si esegue l'imaging UTE dei polmoni, è possibile utilizzare molte varianti sia di acquisizione che di ricostruzione per generare immagini dei polmoni. Questo protocollo si concentra sulla facilità di implementazione e sull'efficienza computazionale. L'imaging con UTE radiale 3D è relativamente semplice, con sequenze di imaging generalmente disponibili presso i principali fornitori di risonanza magnetica. Vengono forniti strumenti basati su MATLAB per la gestione dei dati e l'au...
Peter Niedbalski riceve finanziamenti per la ricerca dalla National Scleroderma Foundation, dall'American Heart Association e dal NIH. È consulente per Polarean Imaging Plc., un'azienda che sviluppa la tecnologia MRI iperpolarizzata 129Xe.
Lo sviluppo di questo protocollo e le immagini mostrate come risultati rappresentativi sono stati supportati dalla 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 |
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