Příští generace – MR systémy pokročilého designu s nízkou silou pole (2. díl)

Kontrast snímků

Je důležité zmínit, že se časy T1, T2 a T2* mění podle magnetického pole. V závislosti na detailech to může pro nízkou sílu pole představovat výhodu, či nevýhodu (obr. 9). Čas T1 se u nízké síly pole v porovnání s 1,5 T sníží o třetinu, což je výhoda pro T1-vážené snímky. Mezi další výhody, zejména pak pro echoplanární a spirální akvizice, patří skutečnost, že čas T2 je o 25 % delší a T2* je téměř o 50 % delší. Nízkou sílu pole je možné využít také při snímkování plic, kdy se čas T2* prodlouží více než trojnásobně⁵.

Spirální zobrazování

Prodloužením času T2* lze dosáhnout lepší efektivity vzorkování signálu. Použitím spirálové akvizice (místo kartézského vzorkování) může vyrovnaná volná precese v ustáleném stavu společně s technikou spinového echa dosáhnout téměř dvojnásobného SNR5. Odůvodněním pro zobrazování využívající vysokou sílu pole byl nárůst SNR, který je teoreticky (i když s mnoha výhradami) lineární s růstem síly pole. Spirálová akvizice s použitím síly pole 0,55 T může nabídnout dvojnásobný nárůst SNR, což z velké části kompenzuje (teoreticky) třikrát vyšší SNR s použitím síly pole 1,5 T.

Technika simultánní akvizice více řezů (SMS)

Technika simultánní akvizice více řezů není omezena pouze na vysokou sílu pole a lze ji snadno uplatnit i u nízké síly pole. Jak bylo prokázáno v mnoha klinických aplikacích, techniku SMS je možné využít ke zkrácení doby skenování a ke zvýšení počtu prováděných řezů v rámci dané doby skenování⁶. Primární použití s nízkou silou pole velmi pravděpodobně zlepší SNR a zároveň zachová dobu skenování. Tuto techniku lze snadno využít jak pro single-shot EPI (pro difúzně vážené skeny), tak pro techniku turbo spinového echa (pro T1-, T2- a protondenzitně vážené skeny).

Iterativní potlačení šumu

Iterativní potlačení šumu představuje poměrně novou techniku, kterou lze uplatnit ke zlepšení kvality snímků u skenů s nízkým SNR7. Technika by tedy mohla být poměrně přínosná u skenování s využitím nízké síly pole. Iterativní potlačení šumu lze použít téměř u všech rutinních 2D a 3D MR akvizic. Má potenciál zvýšit SNR o 25 % nebo snížit dobu skenování o 30 % (při zachování SNR).

Následuje krátký popis iterativního potlačení šumu. Před interpolací a rekonstrukcí velikosti jsou exportována komplexní snímková data společně s dalšími informacemi o normalizaci snímku, filtrování k prostoru a použité kalibrace šumu. U těchto dat je následně iterativně potlačen šum prahováním – prostorově přizpůsobenému místní úrovni šumu – pomocí ortogonální wavelet transformace. Data jsou pak importována zpět do rekonstrukce a dojde ke kalkulaci velikosti snímků. Důležitým aspektem je fakt, že tento proces je automatický a jeho algoritmus se přizpůsobuje změnám v podmínkách akvizice a skenování.

Rekonstrukce pomocí umělé inteligence (deep learning)

Dalším velmi slibným, avšak poměrně novým přístupem, je využití neuronových sítí buď pro přímou transformaci naměřených (raw) dat do snímků, nebo k optimalizaci kvality jinak nediagnostických snímků. Zvažme na chvíli jednoduchý příklad rychlého skenu s nízkým rozlišením, pořízeným s použitím nízké síly pole. Jestli se neuronová síť učí na snímcích s vysokým rozlišením se stejnou či vyšší silou pole, může vytvořit „neuronová spojení“ k propojení vlastností na méně kvalitním snímku s vlastnostmi na snímku vyšší kvality. Po školení na pár tisících snímků může síť své „znalosti“ aplikovat ke zlepšení jejich rozlišení. Tomuto přístupu se běžně říká „super-resolution processing“. Vedle těchto strategií k optimalizaci snímků může být hloubkové učení přínosné také pro omezení vlivu vzorů artefaktů, například proužkování u radiálního zobrazování.

Degradace snímku kvůli susceptibilitě

Odlišná susceptibilita tkání způsobuje na jejich rozhraní na MR snímcích jak geometrické zkreslení, tak oblasti s artefakty s vysokou a nízkou intenzitou signálu. Susceptibilita je výrazně nižší u nízké síly pole, neboť je úměrná síle magnetického pole. Výrazné artefakty susceptibility, které překážejí při stanovování klinické diagnózy, jsou dobře známé v oblasti očnic, vnitřního zvukovodu, báze lební, plic a střev a v blízkosti kovových implantátů. Při samostatném posouzení tohoto problému se proto při použití nízké síly pole kvalita snímků v těchto oblastech výrazně zvýší (obr. 10). To bude možné využít zejména při zobrazování plic, u kterého nabízí MR vyšší potenciální klinickou hodnotu než CT vzhledem ke kontrastu měkkých tkání, a zejména pak pokud jde o schopnost prostorově rozlišeného vyhodnocení funkce plic (obr. 11). Nejnovější klinické snímky pořízené prototypem o síle pole 0,55 T ukazují velký potenciál při zobrazování parenchymatózního onemocnění plic⁵. Konkrétní výhodou MR při tomto použití by byla a také eliminace vysoké dávky radiace, které by byl pacient vystaven během svého života při vyhodnocování chronické nemoci s využitím CT vyšetření, zejména pak u dětí, například při onemocnění cystickou fibrózou. Zobrazování kovových implantátů je další oblastí, která by měla z nízké síly pole profitovat, a to díky omezeným susceptibilním artefaktům.

Akustický hluk

Hluk během MR vyšetření je způsoben činností gradientních cívek. Zůstane-li vše ostatní konstantní, zdvojnásobení síly magnetického pole zvýší akustický hluk (měřený na logaritmické stupnici) o 6 dB(L)⁸. Pro představu: hlasitost běžné konverzace je 60 dB, vysavače 75 dB, zvuky nad 85 dB jsou škodlivé a hlasitost metra je mezi 90 a 95 dB. V historii MR bylo představeno mnoho návrhů pro potlačení hluku, využitelných bez ohledu na sílu pole. Při srovnání jednotky s nízkou silou pole a jednotky o síle pole 1,5 T (na začátku současného tisíciletí) dosáhla hodnota akustického hluku 77 dB u jednotky s nízkou silou pole (nejtišší sken) a 98 dB s použitím vysoké síly pole (na nejhlučnější frekvenci). Pokud vše ostatní zůstane stejné u skenování, které produkuje mírný hluk, může změna síly pole z 1,5 T na 0,5 T snížit hluk gradientů například z úrovně hlasitosti metra na hlasitost zvonku u dveří.

Intervenční MR

Na intervenční MR je kladeno mnoho zvláštních požadavků. Vzhledem k používání bioptických jehel a naváděčů může být problémem RF zahřívání. Zahřívání při MR všeobecně roste s Larmorovou frekvencí, a tedy provozní silou pole. Nízká síla pole nabízí oproti vysoké síle pole výrazné výhody. To platí zejména u kardiologické katetrizace. Nedávná studie, při které byla použita jednotka o síle pole 0,55 T, ukázala, že zahřívání s podskupinou momentálně dostupných přístrojů nepředstavovalo žádné omezení a během dvou minut nepřetržitého snímání se teplota nezvýšila o více než 1 °C⁵. Další výraznou výhodou pro intervenční systém by byl lepší přístup do tunelu (díky jeho větším rozměrům).

Nižší cena systému s nízkou silou pole (s náklady obsahujícími cenu samotného systému, instalaci a servis/kryogeny) by pomohla zřízení mnohem praktičtějších dedikovaných instalací pro intervenční zákroky. Monitorování pacienta by mělo být jednodušší vzhledem k nižší síle pole, a mělo by tak docházet k menšímu počtu problémů způsobených magnetickým polem (například u monitorovacích přístrojů). Snazší instalace a nižší náklady by mohly vést k dedikovaným systémům, které doposud v mnoha odděleních nebylo možné mít, obdobně jako tomu bylo v případě CT.

Výrazně nižší hlavní magnetické pole také snižuje artefakty susceptibility, zejména pak artefakty způsobené katétry a jehlami. Také TrueFISP, pulsní sekvence využívaná pro intervenční navádění, funguje u nižší síly pole lépe. Limity SAR představují menší omezení a další artefakty na snímcích (například ohnutí) se také vyskytují méně často. Nízká síla pole tedy celkově nabízí významnou výhodu pro intervenční zákroky v porovnání s vyššími silami pole, například 1,5 T.

Shrnutí

Příští generace MR jednotek s nízkou silou pole bude výrazně těžit ze znalostí získaných při vývoji systému během posledních 35 let. Vysoká kvalita snímků závisí na magnetické homogenitě, rychlých gradientech s minimálními vířivými proudy, vícekanálových cívkách pro přijímání signálu a pokročilé rekonstrukci snímků (včetně techniky compressed sensing) – toho všeho lze dnes dosáhnout s nízkonákladovým systémem s nízkou silou pole. Pokud by navíc došlo k vývoji ultra širokého tunelu, pak by byl k dispozici jedinečný komfort pro pacienta a jeho snadný monitoring, podávání sedativ a zákroky. Snížený akustický hluk, neoddělitelně spjatý s nízkou silou pole, nabízí další zlepšení komfortu pro pacienta i obsluhující personál.

MRI s nízkou silou pole je nákladově efektivnější vzhledem k nižším nákladům na magnet, gradienty, RF vysílač a umístění. Požadavky na instalaci a infrastrukturu (hmotnost, velikost) jsou výrazně nižší. Potřeba doplňování helia a potrubí nouzového odvětrání by mohla být eliminována pokročilým designem magnetu, což by náklady ještě více snížilo. To všechno jsou důležité faktory pro rozšiřování technologie – jak v rozvinutých ekonomikách, tak v rozvojových oblastech⁴ – a tedy i pro přístup k lékařské péči.

Opomenout bychom neměli ani specifické výhody zobrazování s použitím nízké síly pole. Nižší susceptibilita má za následek zlepšení akviziční strategie a lepší kvalitu snímků mnoha anatomických oblastí. Nižší SAR přidává flexibilitu sekvenci skenování a snižuje obtíže s kovovými implantáty a intervenčními technikami. Možné jsou pokročilé akviziční strategie s vyšším SNR, například spirální zobrazování. Použít lze prodloužené načítací strategie účinné na SNR díky snížené době T2*, což také nabízí menší zkreslení a rozostření snímků.

Nově navržená, pokročilá generace MR zobrazovacích systémů s nízkou silou pole výrazně zvýší přístup k diagnostice onemocnění a sledování jak v rozvinutých zemích, tak na celém světě. MR systémy o síle pole 0,5 T byly v polovině 80. let 20. století, v prvopočátcích MR technologie, vyhodnoceny jen krátce. Vzhledem k 35 letům následného vývoje hardwaru a softwaru byly tyto jednotky poměrně primitivní a nereflektovaly takovou kvalitu snímků, jakých lze dosáhnout dnes. Potenciální dopad nové, nízkonákladové pokročilé generace MR zobrazovacích systémů je extrémně vysoký. Povede k dalšímu rozšíření zdravotní péče – jak v zemích G20, tak v rozvojových zemích. Nízké náklady na systém, nízké náklady na instalaci, snadná údržba a schopnost pro-vozu i při problémech s elektřinou v kombinaci s vysokou kvalitou snímků – to vše ukazuje na zářivou budoucnost tohoto vývoje.

Reference:

1) Lee DH, Vellet AD, Eliasziw M, et al. MR imaging field strength: prospective evaluation of the diagnostic accuracy of MR for diagnosis of multiple sclerosis at 0.5 and 1.5 T. Radiology. 1995;194(1):257-62.

2) Vellet AD, Lee DH, Munk PL, et al. Anterior cruciate ligament tear: prospective evaluation of diagnostic accuracy of middle- and high-field-strength MR imaging at 1.5 and 0.5 T. Radiology. 1995;197(3):826-30.

3) Rutt BK, Lee DH. The impact of field strength on image quality in MRI. J Magn Reson Imaging. 1996;6(1):57-62.

4) Geethanath S, Vaughan JT, Jr. Accessible magnetic resonance imaging: A review. J Magn Reson Imaging. 2019;49(7):e65-e77.

5) Campbell-Washburn AE, Ramasawmy R, Restivo MC, et al. Opportunities in Interventional and Diagnostic Imaging by Using High-Performance Low-Field-Strength MRI. Radiology. 2019;293(2):384-93.

6) Runge VM, Richter JK, Heverhagen JT. Motion in Magnetic Resonance: New Paradigms for Improved Clinical Diagnosis. Invest Radiol. 2019;54(7):383-95.

7) Kang HJ, Lee JM, Ahn SJ, et al. Clinical Feasibility of Gadoxetic Acid-Enhanced Isotropic High-Resolution 3-Dimensional Magnetic Resonance Cholangiography Using an Iterative Denoising Algorithm for Evaluation of the Biliary Anatomy of Living Liver Donors. Invest Radiol. 2019;54(2):103-9.

8) Moelker A, Wielopolski PA, Pattynama PM. Relationship between magnetic field strength and magnetic-resonance-related acoustic noise levels. MAGMA. 2003;16(1):52-5.

Obrázky jsou se svolením částečně přetištěny z: Runge VM, Heverhagen JT, Advocating development of next generation, advanced design low-field MR systems, Invest Radiol 2020;55(12).