Синтетическая МРТ

Синтетическая МРТ — это метод моделирования магнитно-резонансной томографии (МРТ) , предназначенный для создания контрастно-взвешенных изображений на основе измерения свойств тканей. Синтетические (моделированные) изображения создаются после МР-исследования на основе параметрических карт свойств тканей. Таким образом, можно сгенерировать несколько взвешиваний контраста на основе одного и того же сбора данных. Это отличается от традиционной МРТ, где сигнал, полученный от ткани, используется для непосредственного создания изображения, часто генерируя только одно контрастное взвешивание за каждое получение. Синтетические изображения по внешнему виду аналогичны тем, которые обычно получают с помощью МРТ-сканера.

Параметрические карты могут быть рассчитаны на основе конкретного МРТ-изображения, предназначенного для измерения параметров ткани, известного как количественная оценка . С помощью карт, содержащих измеренные параметры для каждого воксела , задаются настройки виртуального сканера, соответствующие тем, которые используются при обычном сканировании. Этими настройками могут быть время эхо-сигнала (TE) и время повторения (TR) для последовательности спин-эхо (SE) или TE, TR и время инверсии (TI) для восстановления после инверсии (IR, FLAIR , STIR, PSIR, FSE-IR). , TIRM) последовательность. Используя уравнения сигнала для различных типов МР-снимков, можно рассчитать, как будет выглядеть обычное изображение. Расчет изображений на основе карт и настроек сканера называется синтезом изображений.

История синтетической МРТ

Синтетическая МРТ была предложена еще в 1984 г. Bielke et al. ^[1] и 1985 г. Бобманом и др. ^[2]

Несмотря на научный интерес, этот метод оказался громоздким для клинического использования. Продолжительность сбора данных была слишком велика, чтобы пациент мог лежать неподвижно, а вычисления, необходимые для количественной оценки, были слишком трудоемкими для стандартных коммерческих компьютеров того времени.

Для компьютеров проблема заключалась как в общей скорости вычислений, так и в обработке чисел длиной более 16 бит . Чтобы выполнить синтез, Lee et al. предложил специально созданный компьютер, который сможет синтезировать изображения примерно за 600 мс. Он будет использовать справочную таблицу для экономии вычислений и сможет обрабатывать числа размером до 28 бит. ^[3] Однако это устройство не решило ни вычислительных задач для количественного определения, ни длительного времени сбора данных.

MR Image Expert — программное обеспечение для создания синтетических магнитно-резонансных изображений — было представлено в конце 1980-х годов. Он преследовал образовательные и исследовательские цели, в том числе применение контрастных веществ . С 1989 года было распространено более 12 000 лицензий этого программного обеспечения. ^[4]^[5]

В 2004 году был изобретен первый метод быстрого сбора и количественной оценки для создания параметрических карт. Этот новый метод сбора данных выполняет 8 измерений с 4 различными задержками возбуждения, давая 8 значений для оценки T1, T2, PD и M0 для каждого отображаемого воксела. ^[6]^[7]^[8]

Существуют и другие методы создания исследуемых параметрических карт. Наиболее примечательным является магнитно-резонансный отпечаток пальца . Этот метод использует рандомизированное получение данных, которое создает уникальный ответ в зависимости от значений T1-T2-PD воксела. Этот уникальный ответ затем сопоставляется с базой данных ответов всех возможных комбинаций T1-T2-PD. ^[9]^[10]

Особенности синтетической МРТ

Создание синтетического контрастно-взвешенного изображения происходит очень быстро, а параметры настройки сканера можно изменять в интерактивном режиме. Это отличается от получения изображений непосредственно на МРТ-сканере с помощью последовательности импульсов , при которой получение новых изображений с другими настройками может занять несколько минут. Синтетическая МРТ также дает возможность создавать новые значения контрастности изображения после завершения сканирования и выписки пациента из больницы. Проспективное многоцентровое клиническое исследование общего качества изображения синтетической МРТ по сравнению с обычной МРТ в общей популяции нейровизуализаторов показало, что синтетическая МРТ не уступает традиционной визуализации. ^[11]

Параметрические карты

Синтетическая МРТ основана на параметрических картах. Эти карты создаются с помощью МР-сканера не для получения изображения, а для измерения магнитных свойств ткани. ^[8]

Параметрическими картами могут быть, например, времена продольной ( T1 ) и поперечной ( T2 ) релаксации , а также плотность протонов (PD) или кажущаяся равновесная намагниченность (M0). Возможно использование других параметров в зависимости от моделируемой последовательности сбора данных, но их достаточно для сбора данных спин-эхо и восстановления инверсии.

Основные уравнения для синтетической МРТ

Синтетические изображения рассчитываются с использованием сигнального уравнения типа синтезируемого изображения. Уравнение сигнала представляет собой формулу для расчета интенсивности сигнала , то есть числового значения пикселя изображения. Интенсивность сигнала S в пикселе зависит от свойств ткани T1, T2 и PD соответствующего воксела, а также времени эха TE и времени повторения TR. ^[12]

Уравнение для синтеза изображения быстрого спин-эха (FSE): ^[13]

$S=PD\cdot \exp(-TE/T_{2})\cdot (1-\exp(-(TR-ETL\cdot ESP)/T_{1}))$

Здесь ETL — длина последовательности эхо-сигналов, а ESP — расстояние между эхо-сигналами в последовательности эхо-сигналов. Если при моделировании сбора данных эхо находится в середине ETL, используемого для центрального k-пространства , тогда $ETL\cdot ESP=2\cdot TE$ . Параметры сканера TE и TR одинаковы по всему синтезируемому срезу/объему, но параметры T1, T2, PD и результирующий сигнал S различны для разных вокселей. Параметры T1, T2 и PD соответствуют физическим свойствам ткани внутри вокселя.

Для последовательности инверсии-восстановления (IR) уравнение выглядит следующим образом: ^[13]

$S=PD\cdot \exp(-TE/T_{2})\cdot (1-2\exp(-TI/T_{1})+\exp(-(TR-ETL\cdot ESP)/T_{1}))$

Обратите внимание, что настройка $TI=TR-ETL\cdot ESP$ означает, что уравнение сигнала становится идентичным уравнению для FSE. Это связано с тем, что инверсионный импульс выполняется в конце сбора данных, когда продольная намагниченность равна 0, поскольку импульс возбуждения воспроизводится перед сбором данных.

Для последовательности восстановления с двойной инверсией (DIR) уравнение выглядит следующим образом: ^[13]

$S=PD\cdot \exp(-TE/T_{2})\cdot (1-2\exp(-TI_{1}/T_{1})+2\exp(-TI_{2}/T_{1})-\exp(-(TR-ETL\cdot ESP)/T_{1}))$

Обратите внимание, что настройка $TI_{2}=TR-ETL\cdot ESP$ делает уравнение сигнала идентичным уравнению IR, и установка $TI_{1}=TI_{2}$ дает то же уравнение, что и для FSE (поскольку инверсионные импульсы компенсируются). Уравнение получено в предположении, что $TI_{1}\leq TI_{2}$ .

Для IR и DIR сигнал в некоторых вокселах может быть отрицательным. В реальном МРТ-сканере сигнал является сложным, и из-за нерезонансных эффектов и других несовершенств сканера фаза комплексного значения может различаться между разными вокселами, что приводит к тому, что отличить положительный от отрицательного сигнала становится сложнее. Обычно восстанавливают только изображение магнитуды. Для синтетических изображений легко сохранить знак синтезированного сигнала и тем самым эффективно создать контрастный вес, соответствующий фазочувствительному восстановлению с помощью инверсии (PSIR), которое также можно назвать IR Real или Corrected Real.

Если вместо истинного ЧР используется кажущаяся равновесная намагниченность (M0), на изображениях могут присутствовать эффекты чувствительности катушки (центральное затенение) и диэлектрическое затенение.

Коммерческая доступность

Специальное приобретение для создания параметрических карт доступно на некоторых сканерах GE и Philips под торговыми марками MAGiC и SyntAc. ^[14]^[15]

Программное обеспечение постобработки для Synthetic MRI доступно в коммерческом продукте SyMRI от SyntheticMR AB, который включен в качестве опции под названием MAGiC на консоль MR для сканера MRI SIGNA Pioneer 3T компании GE. С 2017 года синтетическая МРТ доступна и в аппаратах Siemens. ^[16]

Olea Medical предлагает продукт, аналогичный синтетическому МРТ, под названием Olea Nova+. Он предлагает метод автоматического вычисления обычных изображений по стандартному протоколу: сопоставление T1 и T2. Пользователи имеют возможность создавать любые контрастно-взвешенные изображения в Т1, Т2 (...) или карты, комбинирующие различные ТЕ, ТР, ТИ. ^[17]

См. также

Ссылки

^ Бильке Г; Мевес М; Мейндл С; Брюкнер А; Ринк П; фон Зеелен В; Пфанненштиль П (1984). «Систематический подход к оптимизации последовательностей импульсов в ЯМР-изображениях с помощью компьютерного моделирования». В: Эссер П.Д., Джонстон Р.Э. (ред.): Технология ЯМР. Нью-Йорк. Советы Общества ядерной медицины по компьютерам и приборам : 109–117.
^ Бобман С.А.; Ридерер С.Дж.; Ли Дж. Н.; Суддарт С.А.; Ван Х.З.; Драйер БП; Макфолл-младший (1985). «Синтез церебрального магнитно-резонансного изображения» . Американский журнал нейрорадиологии . 6 (март/апрель): 265–269. ПМЦ 8332877 . ПМИД 2984911 .
^ Ли Дж. Н.; Ридерер С.Дж.; Бобман С.А.; Фарзане Ф; Ван Х.З. (1986). «Приборы для быстрого синтеза МР-изображений». Магнитный резонанс в медицине . 3 (1): 33–43. дои : 10.1002/mrm.1910030106 . ПМИД 3959888 . S2CID 24778125 .
^ Ринк П.А.; Торхейм Г. (1994). «MR Image Expert. Тренажер для обучения контрастности МР-изображений. Версия 1.0». Блоне, Швейцария: MCS Sicomarc .
^ Торхейм Г; Ринк П.А.; Джонс Р.А.; Квернесс Дж (1994). «Симулятор для обучения контрастному поведению МР-изображений». Магнитные материалы . 2 : 515–522.
^ Гулани В; Шмитт П; Грисволд М.А.; Уэбб АГ; Якоб П.М. (2004). «На пути к однопоследовательному неврологическому магнитно-резонансному исследованию: многоконтрастные изображения из эксперимента IR TrueFISP». Исследовательская радиология . 39 (12): 676–774. дои : 10.1097/00004424-200412000-00008 . ПМИД 15550838 . S2CID 22562889 .
^ Деони СК; Питерс ТМ; Ратт Б.К. (2005). «Картирование Т1 и Т2 головного мозга высокого разрешения в клинически приемлемое время с помощью DESPOT1 и DESPOT2» . Магнитный резонанс в медицине . 53 (1): 237–241. дои : 10.1002/мрм.20314 . ПМИД 15690526 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Варнтьес Дж.Б.; Лейнхард О.Д.; Вест Дж; Лундберг П. (2008). «Быстрая количественная оценка магнитного резонанса головного мозга: оптимизация для клинического использования» . Магнитный резонанс в медицине . 60 (2): 320–329. дои : 10.1002/mrm.21635 . ПМИД 18666127 .
^ Европейское общество радиологии (2015). «Магнитно-резонансная дактилоскопия - новый многообещающий подход к получению стандартизированных биомаркеров визуализации с помощью МРТ» . Информационная визуализация . 6 (апрель): 163–165. дои : 10.1007/s13244-015-0403-3 . ПМЦ 4376817 . ПМИД 25800993 .
^ Бадве С; Ю А; Роджерс М; Безумный; Лю Ю; Шлухтер М; Саншайн Дж; Грисволд М; Гулани В. (2015). «Одновременная релаксометрия мозга Т1 и Т2 у бессимптомных добровольцев с использованием магнитно-резонансной дактилоскопии» . Томография . 1 (2): 136–144. дои : 10.18383/j.tom.2015.00166 . ПМЦ 4727840 . ПМИД 26824078 .
^ Таненбаум Л.Н.; Циурис А.Дж.; Джонсон А.Н.; Найдич Т.П.; ДеЛано МС; Мельхем Э.Р.; Квартермен П; Парамесваран SX; Шанкаранараянан А; Гойен М; Полевой АС (27 апреля 2017 г.). «Синтетическая МРТ для клинической нейровизуализации: результаты проспективного многоцентрового многосчитывающего исследования компиляции магнитно-резонансных изображений (MAGiC)» . AJNR Am J Нейрорадиол . 38 (6): 1103–1110. дои : 10.3174/ajnr.A5227 . ПМК 7960099 . ПМИД 28450439 . Проверено 24 мая 2017 г.
^ Хорнак, Джозеф П. Основы МРТ .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Меара С.Дж.; Баркер Дж.Дж. (2005). «Эволюция продольной намагниченности для последовательностей импульсов с использованием быстрого считывания спин-эхо: применение к последовательностям инверсии-восстановления с ослаблением жидкости и двойным последовательностям инверсии-восстановления» . Магнитный резонанс в медицине . 54 (1): 241–245. дои : 10.1002/мрм.20541 . ПМИД 15968670 . S2CID 8895376 .
^ «Программное обеспечение SyMRI от SyntheticMR будет совместимо с большинством МРТ-сканеров Philips» . www.SyntheticMR.com . СинтетическийMR . Проверено 23 сентября 2016 г.
^ «MAGiC (компиляция магнитно-резонансных изображений)» . www3.gehealthcare.co.uk . Компания GE Healthcare . Проверено 23 сентября 2016 г.
^ «SyntheticMR и Siemens Healthineers подписывают соглашение о сотрудничестве в отношении программного пакета SyMRI» . www.itnonline.com . Новости технологий обработки изображений. 28 октября 2016 г. Проверено 30 июля 2018 г.
^ «Байесовская сага» (PDF) . www.olea-medical.com . Оля Медикал . Проверено 23 сентября 2016 г.

Внешние ссылки

[1] Бильке Г; Мевес М; Мейндл С; Брюкнер А; Ринк П; фон Зеелен В; Пфанненштиль П (1984). «Систематический подход к оптимизации последовательностей импульсов в ЯМР-изображениях с помощью компьютерного моделирования». В: Эссер П.Д., Джонстон Р.Э. (ред.): Технология ЯМР. Нью-Йорк. Советы Общества ядерной медицины по компьютерам и приборам : 109–117.

[2] Бобман С.А.; Ридерер С.Дж.; Ли Дж. Н.; Суддарт С.А.; Ван Х.З.; Драйер БП; Макфолл-младший (1985). «Синтез церебрального магнитно-резонансного изображения» . Американский журнал нейрорадиологии . 6 (март/апрель): 265–269. ПМЦ 8332877 . ПМИД 2984911 .

[3] Ли Дж. Н.; Ридерер С.Дж.; Бобман С.А.; Фарзане Ф; Ван Х.З. (1986). «Приборы для быстрого синтеза МР-изображений». Магнитный резонанс в медицине . 3 (1): 33–43. дои : 10.1002/mrm.1910030106 . ПМИД 3959888 . S2CID 24778125 .

[4] Ринк П.А.; Торхейм Г. (1994). «MR Image Expert. Тренажер для обучения контрастности МР-изображений. Версия 1.0». Блоне, Швейцария: MCS Sicomarc .

[5] Торхейм Г; Ринк П.А.; Джонс Р.А.; Квернесс Дж (1994). «Симулятор для обучения контрастному поведению МР-изображений». Магнитные материалы . 2 : 515–522.

[6] Гулани В; Шмитт П; Грисволд М.А.; Уэбб АГ; Якоб П.М. (2004). «На пути к однопоследовательному неврологическому магнитно-резонансному исследованию: многоконтрастные изображения из эксперимента IR TrueFISP». Исследовательская радиология . 39 (12): 676–774. дои : 10.1097/00004424-200412000-00008 . ПМИД 15550838 . S2CID 22562889 .

[7] Деони СК; Питерс ТМ; Ратт Б.К. (2005). «Картирование Т1 и Т2 головного мозга высокого разрешения в клинически приемлемое время с помощью DESPOT1 и DESPOT2» . Магнитный резонанс в медицине . 53 (1): 237–241. дои : 10.1002/мрм.20314 . ПМИД 15690526 .

[WarntjesRapid-8] Перейти обратно: ^а ^б Варнтьес Дж.Б.; Лейнхард О.Д.; Вест Дж; Лундберг П. (2008). «Быстрая количественная оценка магнитного резонанса головного мозга: оптимизация для клинического использования» . Магнитный резонанс в медицине . 60 (2): 320–329. дои : 10.1002/mrm.21635 . ПМИД 18666127 .

[9] Европейское общество радиологии (2015). «Магнитно-резонансная дактилоскопия - новый многообещающий подход к получению стандартизированных биомаркеров визуализации с помощью МРТ» . Информационная визуализация . 6 (апрель): 163–165. дои : 10.1007/s13244-015-0403-3 . ПМЦ 4376817 . ПМИД 25800993 .

[10] Бадве С; Ю А; Роджерс М; Безумный; Лю Ю; Шлухтер М; Саншайн Дж; Грисволд М; Гулани В. (2015). «Одновременная релаксометрия мозга Т1 и Т2 у бессимптомных добровольцев с использованием магнитно-резонансной дактилоскопии» . Томография . 1 (2): 136–144. дои : 10.18383/j.tom.2015.00166 . ПМЦ 4727840 . ПМИД 26824078 .

[11] Таненбаум Л.Н.; Циурис А.Дж.; Джонсон А.Н.; Найдич Т.П.; ДеЛано МС; Мельхем Э.Р.; Квартермен П; Парамесваран SX; Шанкаранараянан А; Гойен М; Полевой АС (27 апреля 2017 г.). «Синтетическая МРТ для клинической нейровизуализации: результаты проспективного многоцентрового многосчитывающего исследования компиляции магнитно-резонансных изображений (MAGiC)» . AJNR Am J Нейрорадиол . 38 (6): 1103–1110. дои : 10.3174/ajnr.A5227 . ПМК 7960099 . ПМИД 28450439 . Проверено 24 мая 2017 г.

[12] Хорнак, Джозеф П. Основы МРТ .

[Meara-13] Перейти обратно: ^а ^б ^с Меара С.Дж.; Баркер Дж.Дж. (2005). «Эволюция продольной намагниченности для последовательностей импульсов с использованием быстрого считывания спин-эхо: применение к последовательностям инверсии-восстановления с ослаблением жидкости и двойным последовательностям инверсии-восстановления» . Магнитный резонанс в медицине . 54 (1): 241–245. дои : 10.1002/мрм.20541 . ПМИД 15968670 . S2CID 8895376 .

[14] «Программное обеспечение SyMRI от SyntheticMR будет совместимо с большинством МРТ-сканеров Philips» . www.SyntheticMR.com . СинтетическийMR . Проверено 23 сентября 2016 г.

[15] «MAGiC (компиляция магнитно-резонансных изображений)» . www3.gehealthcare.co.uk . Компания GE Healthcare . Проверено 23 сентября 2016 г.

[16] «SyntheticMR и Siemens Healthineers подписывают соглашение о сотрудничестве в отношении программного пакета SyMRI» . www.itnonline.com . Новости технологий обработки изображений. 28 октября 2016 г. Проверено 30 июля 2018 г.

[17] «Байесовская сага» (PDF) . www.olea-medical.com . Оля Медикал . Проверено 23 сентября 2016 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]