Improving the robustness of T1 weighted MRI using radial vibe
علیرغم پیشرفت های فوق العاده ای که تصویربرداری MRI در دهه های گذشته داشته است یکی از محدودیت های این روش تصویربرداری به صورت روتین حساسیت آن نسبت به حرکت است که این مسئله نیازمند عدم تحرک(بی حرکتی مطلق) بیمار در طول جمع آوری اطلاعات می باشد. با این حال اغلب توقف کامل حرکت در فعالیت های بالینی امکانپذیر نمی باشد در نتیجه، تصویر MRI به صورت شایع آرتیفکت های حرکتی را بروز می دهند که به صورت جا به جایی تصویر اشی، که بیشتر به عنوان آرتیفکت Ghosting شناخته شده اند، ظاهر می شوند و بسته به میزان و وسعت آرتیفکت به طور بالقوه می تواند اطلاعات تشخیصی مهم را پوشش دهد. آؤتفیکت ghosting یک مشکل خاص در اجرای آزمون های مربوط به ناحیه ی شکم و لگن است که با حبس انجام می شود. از آن جایی کخ بسیاری از بیماران سعی در این دارندنفس خود را به اندازه ی کافی حبس کنند تعداد آزمون های همراه با تصاویر با کیفیت بهینه نسبتا اندک است. این مسئله قابلیت تصویربرداری MRI را به عنوان یک روش تصویربرداری منتخب در بسیاری از اختلالات مربوط به ناحیه ی شکم و لگن از بین برده است. از دیگر کاربردهای MRI مانند تصویربرداری از سرو گردن نیز اغلب تحت تأثیر آرتیفکت ناشی از حرکت مانند زمانی که بیمار مضطرب (آژِیته) است یا نمی تواند بلع یا سرفه ی خود را کنترل کند می باشد.
طرح جمع آوری اطلاعات فضای K به شکل شعاعی (radial) حساسیت بالا نسبت به حرکت، ناشی از راهبردی است که در MRI روتین به منظور تصویربرداری از اشیا استفاده می شود. سکانس های متعارف، اطلاعات فضای K را با استفاده از یک طرح در امتداد خطوط موازی جمع آوری می کند.(شکل۱A ) که معمولا با عنوان روش نمونه برداری”کارتزین” (دکارتی) نامیده می شود.
شکل ۱A نمونه برداری دکارتی . شکل ۱B: نمونه برداری Radial
خطوط جمع آوری شده ی موازی به واسطه ی یک اختلاف فاز ثابت از یکدیگر جدا می شود و این موضوع دلیل آن است که به این طرح نمونه برداری اصل کدگذاری فازی می گویند. با این حال اگر شی در طول آزمون حرکت کند آشفتگی های فازی رخ داده که طرح کدگذاری فازی را به هم میریزد یا دچار بهم ریختگی می کند. با یک دید ساده این موضوع می تواند دلیل بر لرزش(jittering) خطوط نمونه برداری شود که سبب ایجاد فاصله هایی در سراسر فضای K و به تبع آن ایجاد آرتیفکت الایزینگ در راستای کدگذاری فازی ناشی از نمونه برداری نامناسب اطلاعات می شود.از این رو هندسه ی دکارتی به صورت ذاتی نستعد به هم ریختگی های فازی ناشی از حرکت می باشد. حتی اگر تکنیک های triggering و navigation برای به حداقل رساندن ناسازگاری های فازی در طول جمع آوری اطلاعات مورد استفاداه قرار گیرند مقداری آرتیفکت ghosting همیشه در تصاویر وجود خواهند داشت. این شرایط را می توان با تغییر هندسه ی جمع آوری اطلاعات فضای K تغییر داد. یک تغییر امیدوار کننده، طرح نمونه بردای رادیال است که اطلاعات در راستای نوارهای چرخان جمع آوری می کند(شکل ۱B). به دلیل روی هم افتادگی نوارها در مرکز، فاصله هایی که در روش قبل در فضای K ایجاد می گردید در این روش ایجاد نمی شود حتی اگر نوارهای منحصر به فردی جابه جایی داشته باشند. بنابراین از بروز آرتیفکت ghosting با این طرح نمونه برداری ممانعت می شود. علاوه بر این هم پوشانی ای که در این روش در فضای K ایجاد می شود دارای اثر میانگیری حرکت می باشد. لیکن ناسازگاری های اطلاعات می توانند سبب ایجاد آرتیفکت های خطی شوند. با این حال در بیشتر موارد این آرتیفکت های خطی دارای اثر کمی بر روی کیفیت تصویر می باشد و می تواند به صورت یک آرتیفکت، به دلیل ویژگی های ظاهری آنها، شناسایی شود(شکل ۳B).
از آن جا که این آرتیفکت ها به طور عمده به صورت تکسچر به اشیای مورد نظر به اشیای مورد نظر اضاقه می شود و احتمال این که ضایعات به واسطه ی ایجاد این آرتیفکت ها پوشانده شوند به صورت قابل ملاحظه ای کمتر از زمانی است مه آرتیفکت های ghosting ناشی از روش دکارتی غالب هستند.
جالب است که اگرچه مزیت های این تکنیک در برنامه های کاربردی بالینی به وضوح قابل رویت است و اگرچه نمونه برداری radial از همان روزهای ابتدایی شناخت تصویربرداری MRI به وجود آمد، این تکنیک تا کنون به صورت به صورت گسترده در فعالیت های بالینی کاربرد نداشته است. نمونه برداری Radial ابتدا توسط Lauterbur در مقاله ی seminal اش در سال ۱۹۷۳ شرح داده شد. با این حال از آن جا که اجرای این تکنیک نیازمند به کارگیری تعدادی از تکنیک های پیچیده بود، این تکنیک به سرعت با طرح جمع آوری اطلاعات دکارتی که به آسانی و بسیاری Robustly در سیستم های MRI اولیه اجرا می شد، مورد جایگزینی قرار گرفت.
این پیچیدگی های تکنیکی شامل بازسازی تصویر پیچیده تر ضرورت یکنواختی بیشتر میدان مگنت و تولید میدان های گرادیان متغییر با زمان دقیق تر و مختصر تر می باشد، در نتیجه نمونه برداری radial تنها در موارد تحقیقاتی مورد استفاده قرار میگرفت. در حالی که به صورت بالینی، تکنیک های معرفی شده به صورت رایج بر روی طرح نمونه برداری دکارتی بنا شده اند.
در طی چند سال اخیر در حالی که امکان حل اکثر مسألی که از کاربرد عملی روش نمونه برداری Radial ممانعت می نمودند که شامل پیشرفت های فراوانی در طراحی سخت افزار های سیستم های MRI و پیشرفت های الگوریتمی جدید هستند امکان پذیر شده است، کاربرد این روش امکان پذیر شده است. بنابراین این اولین بار است که استفاده از نمونه برداری Radial به صورت روتین در دستگاه های MRI بالینی اصلاح شده با اعتبار و Robustness کافی برای کاربردهای بالینی و تهییه ی تصاویر با کیفیت قابل مقایسه با اسکن های معمول دکارتی، امکان پذیر شده است.
Radial VIBE Sequence
سکانس VIBE Radial
این سکانس اولین سکانس در حال پیشرفت در سیستم های زیمنس است که این تجهیزات را برای جمع آوری اطلاعات به صورت حجمی و نمونه برداری شعاعی فضای K بدون هیچ شکافی به کار می گیرد ودر فرایند دستیابی به Robustness بیشتر نسبت به حرکت و تاثیرات جریان در آزمون های روزانه کمک کننده است.
این روش بر اساس سکانس متعارف VIBE می باشد که یک سکانس ۳D-GRE با وزن T1 به همراه اشباع چربی می باشد. نمونه برداری Radial با استفاده از رویکرد ۳D”stack of stars” (ساختمان ستارگان) اجرا می شود و صفحه – را در امتداد نوارهای شعاعی و سپس محورZ را با نمونه برداری دکارتی جمع آوری می کند که سبب شکل بندی استوانه ای فضای K می شود(شکل۲).این طرح می تواند در روش های اشباع چربی با زمان موثر و کارآمد مانند Quick f.s یا STAIR با حداقل بروز آرتیفکت مورد استفاده قرار می گیرد و این خود موضوع مهمی است که این سکانس همراه با اشباع چربی اجرا شود. اگرچه گام های جمع آوری اطلاعات به صورت دکارتی در امتداد راستای Z ،مورد استفاده قرار می گیرد، درجات بالایی از Robustness حرکتی به دلیل استفاده از یک محدوده ی جمع آوری اطلاعات incoherent زمانی حاصل می شود.سکانس radial VIBE می تواند در تمام گستره ی دستگاه های MRI زیمنس، شامل سیستم های خط تولید B (مانند ,VERIO , TRIO Magnetom AVANTO ) و خط تولید D (مانند nMR-MR PET و سیستم های ۷ تسلای زیمنس)مورد استفاده قرار می گیرد.از آنجا که این سکانس نیازمند هیچ گونه اصلاح در سخت افزارها و سیستم های بازسازی نیست، می تواند در سیستم ها نصب و توسعه یابد و به صورت بالینی برای آزمون های T1-f.s به عنوان یک سکانس robust نسبت به حرکت و همچنین برای آزمون های ۳D-GRE، VIBE،MP-RAGE یا ۲D-TSE مورد استفاده قرار گیرد.
شکل ۲ . مسیر stack of stars که در سکانس Radial VIBE اجرا می شود و نمونه برداری در صفحه ی x-y به صورت Radial و در راستای z به صورت دکارتی انجام می شود.
Clinical application and results
در طول دو سال احیر این سکانس به صورت گسترده در مرکز بالینی MY Langone به منظور بررسی کیفیت تصویر قابل دستیابی در سیستم های مختلف MRI برای کاربردهای روزانه و روتین مورد آزمایش قرار گرفت. اسکن های Radial VIBE در بیش از ۵۰۰۰ آزمون-بیمار،به پروتکل های مورد تایید IRB اضافه شده و نتایج آن ها با هم مقایسه شدند تا پروتکل های مرجع ارائه شوند.چندین مطالعه ی بالینی اجرا شده یا در حال اجرا می باشند که به بررسی بهبود دقت تشخیصی ناشی از عدم وجود آرتیفکت ghosting بپردازند.
Free-breathing Abdominal Imaging
تصویربرداری از شکم بدون حبس نفس و همراه با تنفس آزاد
یک کاربرد کلیدی سکانس Radial VIBE تصویربرداری از شکم یا لگن با و بدون مواد کنتراست است که به صورت روتین همراه با حبس نفس انجام می شود. با استفاده از سکانس Radial VIBE، امکان جمع آوری اطلاعاتدر طول تنفس معمولی وجود دارد که بنابراین می تواند به عنوان یک راهبرد اسکن از بیمارانی که نمی توانند به اندازه ی کافی نفس خود را حبس نمایند، مانند افراد مسن و کسانی که صدمات شدید به آن ها وارد شده است، اتخاذ گردد. یک مطالعه ی blinded-reader توسط Chandarana و همکارانش نشان داد که میانگین کیفیت تصاویر حاصل از جمع آوری اطلاعات به صورت Radial و همراه با حبس نفس با تصاویر آزمون های همراه با حبس نفس و جمع آوری اطلاعات به صورت Radial قابل مقایسه بوده و به صورت قابل ملاحظه ای بهتر از کیفیت تصاویر حاصل از جمع آوری اطلاعات به صورت دکارتی و همراه با حبس نفس می باشد. برای مثال شکل ۳ یک آزمون Radial VIBE همراه با نفس تنفس آزاد را با یک آزمون معمول دکارتی از یک بیمار با ظرفیت تنفسی کافی نشان می دهد. تصاویر Radial VIBE تحت تاثیر مقدار معینی آرتیفکت خطی قرار گرفته است اما به وضوح یک ضایعه را در لوب راست کبد نشان می دهد که در آزمون همراه با جمع آوری دکارتی داده ها به طور کامل پوشانده شده است.
شکل ۳A آزمون VIBE روتین از بیماری که نتوانسته است نفس خود را حبس نماید.
شکل ۳B جمع آوری اطلاعات به صورت Radial VIBE در طول تنفس آزاد.
High Resolution Abdominopelvic Imaging
تصویربرداری با رزولوشن بالا از شکم و لگن
توانایی جمع آوری اطلاعات در طول تنفس ممتد، همچنین مزیت هایی را برای اسکن بیمارانی با ظرفیت تنفسی مناسب، می باشد. با سکانس های روتین دکارتی رزولوشن فضایی قابل دستیابی در آزمون های شکم و لگن به وسیله ی مقدار اطلاعات قابل جمع آوری در طول زمان حبس نفس (محدوده ی ۲۰ ثانیه) محدود می شود.
از آنجایی که سکانس Radial VIBE ضرورت حبس نفس در طول جمع آوری اطلاعات را از بین برده است، این امکان وجود دارد که اطلاعات در زمان های طولانی تری جمع آوری شده و متعاقب آن رزولوشن فضایی به صورت قابل ملاحظه ای افزایش یابد.
شکل ۴ مزیت بالا را برای یک آزمون با رزولوشن بالا به ضخامت ۱ میلی متر و ۲۰ ثانیه پس از تزریق Gadoxetate Disodium نشان می دهد که وضوح بیشتری را در تصویر برداری از مجاری بیلیاری در مقایسه با پروتکل دکارتی نشان می دهد. در شکل ۵ قابلیت دستیابی به رزولوشن بالاتر در آزمون MR Entergraphy را نشان میدهد که یکی دیگر از مزایای سکانس Radial VIBE (به دلیل Robustness سراسری نسبت به حرکات روده) می باشد.
شکل ۴A آزمون Radial VIBE روتین همراه با حبس نفس از یک بیمار ۲۰ دقیقه پس از تزریق Gadoxetate Sodium.
شکل ۴B بهبود رزولوشن فضایی تصویر به دلیل افزایش زمان نمونه برداری که ناشی از استفاده از سکانس Radial VIBE می باشد.
شکل ۵A : MR Enterography با استفاده از سکانس VIBE معمول.
شکل ۵B: جمع آوری اطلاعات به صورت Radial VIBE. Robustness بیشتر حرکتی در سکانس Radial VIBE سبب شده است تا این تصویر وضوح بالاتر و آرتیفکت حرکتی کمتری داشته باشد.
Pediatric Imaging
در طول مراحل ارزیابی بالینی سکانس Radial VIBE، این سکانس ارزش به سزایی را در تصویربرداری کودکان از خود نشان داده است. آزمون های مربوط به کودکان اغلب همراه با بیهوشی عمومی یا استفاده از آرامش بخش های عمیق انجام می شود که این موضوع توقف تنفس به صورت فعال را غیر ممکن می نماید. بنابراین آزمون های روتین مربوط به شکم و لگن کودکان در اغلب موارد تحت تاثیر آرتیفکت های حرکتی قرار می گیرند که امکان دستیابی به رزولوشن موثر و دقت در تشخیص را دشوار میکند. به دلیل Robustness حرکتی ذاتی در سکانس Radial VIBE،تصاویر حاصل از آن شفاف و واضحتر هستند.شکل ۶ شواهدی مبنی بر وجود Tuberous Sclerosis را در کلیه های بیمار نشان می دهد. یک مطالعه ی retrospective blinded-reader از مجموعه ی آزمون های ما نشان داد که ۸ درصد از ضایعات تنها در سکانس Radial VIBE شناسایی شده اند. در بیماران نوزاد باید از بیهوشی به دلیل تاثیرات بالقوه ی جانبی آن اجتناب نمود.تصویربرداری از این بیماران چالش برانگیز است، زیرا آن ها به صورت ناخودآگاه درون اسکنر(گانتری مگنت) حرکت می کنند. در این بیماران سکانس Radial VIBE تصاویر بهتر و قابل اطمینان تری را فراهم می کند. شکل ۷ یک آزمون مغز از یک نوزاد ۴ روزه با سکانس Radial VIBE را نشان می دهد که در این مورد با پروتکل MP-RAGE دکارتی مقایسه شده است.
آزمون شکم از یک کودک بیمار بیهوش شده که مبتلا به Tuberous Sclerosis می باشد.
شکل ۶A:به دلیل این که در حالت بیهوشی عمیق شخص نمی تواند نفس خود را حبس نماید، در آزمون VIBE روتین تصاویر دارای آرتیفکت های تنفسی می باشند.
شکل ۶B:سکانس Radial VIBE به صورت قابل ملاحظه ای تصاویر واضحتر و با رزولوشن فضایی بیشتری را فراهم می کند،همانگونه که کیست های کوچک درون کلیه ها در این تصویر قابل مشاهده هستند.
تصویربرداری از یک نوزاد ۴ روزه با استفاده از سکانس MP-RAGE روتین (A) و سکانس B) Radial VIBE) . به دلیل فعالیت های شدید بیمار، سکان MP-RAGE به شدت تحت تاثیر آرتیفکت های Ghosting قرار گرفته است در حالی که سکانس Radial VIBE تصویری با کیفیت تشخیصی ایجاد نموده است.
Imaging of Neck and Upper chest
تصویربرداری از گردن و قسمت فوقانی قفسه ی سینه
اگرچه تصویربرداری از ناحیه ی سر و گردن کم اهمیت تر باشد اما آرتیفکت های شدید حرکتی اغلب در آزمون های روتین این ناحیه رخ می دهد. پروتکل های روتین گردن معمولا شامل سکانس های ۲D-T1-TSE می باشد که نسبت به حرکت و جریان حساسیت دارند. همچنین اگر بیماران نتوانند سرفه یا بلع خود را در طول جمع آوری اطلاعات کنترل کنند تصاویر قابل تشخیصی ایجاد نمی شود. علاوه براین بررسی کافی از ناحیه ی فوقانی قفسه ی سینه اغلب غیرممکن است چرا که آرتیفکت های شدید حرکتی در این ناحیه ایجاد می شود که ناشی از تنفس و جریان شدید خون در مجاورت قلب هستند. آزمون های Radial VIBE یک جایگزین امیدوار کننده برای این برنامه ها می باشد و بسیار کمتر تحت تاثیر بلع، حرکات کوچک سر و جریان قرار می گیرد(شکل ۸). این سکانس همچنین حساسیت کمتری را نسبت به نسبت به حرکات تنفسی نشان می دهد. از آن جا که سکانس Radial VIBE نسبت به آرتیفکت ghosting ایمن است این آزمون ها می توانند با رزولوشن فضایی بالا و همگن اجرا شوند و بازسازی های MPR را امکان پذیر نماید. به این ترتیب با انجام یک آزمون Radial VIBE می توان بازسازی را در صفحات مختلف انجام داد.یک مثال از این روش در شکل ۹ نشان داده شده است.
تصویربرداری از گردن و قسمت فوقانی قفسه ی سینه با استفاده از یک سکانس ۲D-TSE (A) و سکانس Radial VIBE(B). به دلیل تنفس و جریان خون شدید، سکانس ۲D-TSE آرتیفکت های شدیدی را نشان می دهد در حالی که دو ضایعه در تصویر حاصل از سکانس Radial VIBE به صورت واضح تری قابل مشاهده هستند.
تصویربرداری از گردن به صورت عرضی با رزولوشن همگرای ۱ میلی متر.به دلیل Robustness نسبت به بلع و حرکات کوچک سر، اسکن های ۳D با رزولوشن بالا امکان پذیر است که می توانند در MPR بازسازی شوند.
Imaging of Orbits, Inner Auditory Canal and Full Brain
تصویربرداری از اوربیت ها، کانال شنوایی داخلی و Full Brain
در نهایت، این سکانس همچنین در ازمون های Orbits کیفیت و وضوح بهتری را ارائه می دهد.هنگامی که بیمار چشمانش را حرکت می دهد یا موقعیت پلک ها را در طول آزمون تغییر می دهد،پروتکل های روتین یک سری از آرتیفکت های Ghosting را در جهت فاز نشان می دهند که می تواند شناسایی پاتولوژی ها را دشوار نماید.سکانس Radial VIBE تصویر واضحی از اعصاب Optic را فرا هم می کند و اشباع چربی را در خارج و داخل کانال چشم بهبود می بخشد.اثرات جریان عروق بزرگ اطراف می تواند سبب ایجاد الگوی خطی شود، اما این موضوع موضوع در سکانس Radial VIBE تظاهرات کمتری(کمتر از ۱ درصد) نسبت به اغلب پروتکل های دکارتی دارد و امکان وجود دارد که با استفاده از نوارهای اشباع موازی این اثر را تضعیف نمود.امکان ایجاد تصاویر MPR با رزولوشن بالا یکی دیگر از مزایای استفاده از سکانس Radial VIBE می باشد.
شکل ۱۰ تصویری از یک بیمار مبتلا به مننژیومای غلاف عصب بینایی را نشان می دهد.در یک روش مشابه این سکانس می تواند برای تصویربرداری از کانال گوش داخلی و Full Brain مورد استفاده قرار گیرد که به طور ویژه در آن ساختاری عروقی با وضوح بالا حاصل می شود.
تصاویر MPR حاصل از یک آزمون Radial VIBE با رزولوشن ۰٫۸ میلی متر.این سکانس چربی را به خوبی اشباع نموده و تصویر واضحی از عصب Optic بدون بروز آرتیفکت های ناشی از حرکات چشم ایجاد کرده است.
افزایش جذب ماده ی حاجب در عصب Optic چپ قابل مشاهده است(پیکان ها) که نشاندهنده ی مننژیومای غلاف عصب Optic می باشد.
Conclusion
نتیجه گیری
در طول دو سال اخیر تعداد زیادی آزمون از بیماران مختلف با سکانس Radial VIBE اجرا شده است که نشان می دهد نمونه برداری به شیوه ی Radial اکنون در سیستم های کلینیکی MRI برای تصویربرداری های روتین ، Robust و قابل اطمینان است.
به دلیل مقاومت بالای این سکانس نسبت به آرتیفکت های Ghosting، امکان ایجاد تصاویر با کیفیت بهتر، در برنامه هایی که این آرتیفکت ها ایجاد مشکل می کنند،وجود دارد. با استفاده از این سکانس می توان نواحی شکم و قسمت فوقانی قفسه ی سینه را در طول تنفس ممتد و آزاد مورد بررسی قرار داد که این خود یک مزیت چشمگیر در آزمون های MRI بیمارانی است که نمی توانند تنفس خود را کنترل کنند یا در صورت حبس نفس دچار مشکل می شوند. از آنجا که این سکانس به صورت Robust برروی سخت افزارهای MRI نصب و فعال است، پتانسیل کاریرد گسترده به عنوان سکانس motion-robust T1 را داراست و طیف پروتکل های تصویربرداری ارائه شده را تکمیل تر خواهد نمود.
تهیه کننده مطلب: جناب آقای میلاد زرجینی
