За многие годы были идентифицированы и изучены различные типы артефактов, такие как артефакт Гиббса, который проявляется в виде линий на изображении, параллельных областям с резкими изменениями интенсивности, например, на границах между спинномозговой жидкостью и спинным мозгом, а также между черепом и мозгом. Распознавание и устранение этих артефактов стали предметом обширных исследований, что привело к разработке сложных методов, направленных на снижение их влияния. Артефакты МРТ в целом можно разделить на артефакты, связанные с пациентом, зависящие от обработки сигнала, и артефакты, связанные с оборудованием (аппаратные). Артефакты, связанные с пациентом, такие как артефакты движения, являются одними из самых распространенных и могут возникать из-за движений пациента во время получения изображения. Методы для минимизации этих артефактов включают использование быстрых последовательностей и применение таких методов, как последовательность уменьшения артефактов от металла (MARS). Артефакты, зависящие от обработки сигнала, такие как артефакт Гиббса, возникают из-за способов выборки и обработки данных. Аппаратные артефакты могут возникать из-за проблем, таких как искажения магнитного поля или несовершенства оборудования. Влияние артефактов МРТ на диагностику значительно, так как они могут скрывать или имитировать патологические состояния, что может привести к потенциальным ошибкам диагностики и избыточным процедурам. Передовые методы и технологии, включая системы обработки изображений на основе искусственного интеллекта, показали свою эффективность в снижении частоты появления этих артефактов и улучшении качества изображений. По мере развития технологии МРТ продолжаются исследования и разработки, направленные на дальнейшее повышение диагностических возможностей и устранение проблем, вызванных артефактами.

История

Изобретение магнитно-резонансной томографии (МРТ) восходит к началу 1970-х годов, когда американский врач и медицинский специалист Рэймонд Дамадиан разработал первый МРТ-сканер. Начальные работы Дамадиана заложили основу для последующих достижений в области МРТ, что оказало революционное влияние на медицинскую визуализацию и диагностику. Несмотря на его значительный вклад, Дамадиан не получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине, которая была присуждена в 2003 году за открытия, связанные с МРТ. С тех пор технология МРТ эволюционировала, включая различные типы артефактов, которые могут повлиять на качество изображения. Одним из заметных артефактов является артефакт Гиббса, также известный как артефакт усечения или звона. Этот артефакт проявляется в виде ряда линий на МРТ-изображении, обычно параллельных областям резкого изменения интенсивности, таким как границы между спинномозговой жидкостью (СМЖ) и спинным мозгом, а также между черепом и мозгом. Понимание и устранение таких артефактов важно для точного формирования изображений и диагностики. Развитие технологии МРТ и идентификация артефактов стали предметом обширных исследований и публикаций. Например, ранние исследования выявили артефакты усечения как потенциальные подводные камни при МР-визуализации менисков коленного сустава. Литература по артефактам МРТ продолжает расти, отражая прогресс в методах визуализации и сложности физики МРТ.

Типы артефактов МРТ

Артефакты магнитно-резонансной томографии (МРТ) — это визуальные аномалии, возникающие в процессе визуализации, которые не соответствуют фактической анатомии. Эти артефакты могут вводить в заблуждение и мешать диагностике, поэтому важно распознавать и устранять их, когда это возможно. Артефакты МРТ можно разделить на артефакты, связанные с пациентом, зависящие от обработки сигнала, и артефакты, связанные с оборудованием (аппаратные).

Артефакты, связанные с пациентом

Артефакты движенияАртефакты движения являются одними из самых распространенных артефактов, встречающихся в МРТ. Они возникают, когда пациент двигается во время получения изображения, вызывая призрачные изображения или рассеянный шум, преимущественно в направлении кодирования фазы. Это происходит потому, что кодирование фазы занимает несколько секунд или даже минут, что делает его уязвимым для физиологических движений, таких как сердечная деятельность или пульсация кровеносных сосудов. Методы устранения артефактов движения включают ориентацию длинной оси имплантата параллельно внешнему магнитному полю, использование быстрых последовательностей визуализации и применение таких методов, как последовательность уменьшения артефактов от металла (MARS).

Артефакты магнитной восприимчивостиАртефакты магнитной восприимчивости возникают из-за материалов с магнитными свойствами, отличными от окружающих тканей. Эти различия вызывают локальные искажения магнитного поля, что приводит к пропаданию сигнала или искажениям на изображении. Общие источники включают ферромагнитные материалы, такие как ортодонтические скобы, металлические ортопедические устройства, а также небольшие объекты, такие как пуговицы или молнии. Искажения возникают из-за изменений локальной частоты Лармора, которые могут влиять на удаленные области тела, такие как мозг.

Инородные материалыПовседневные предметы, такие как пряжки ремней, ключи и определенные виды одежды (например, спортивные шорты из нейлона), также могут вызывать артефакты. Эти материалы нарушают локальное магнитное поле, что приводит к искажениям сигнала в окружающих тканях. Убедившись, что пациенты снимают такие предметы перед сканированием, можно уменьшить эти артефакты.

Артефакты, зависящие от обработки сигнала

Артефакты обработки изображенияЭти артефакты возникают из-за способов выборки, обработки и отображения данных на матрице изображения. Примером является артефакт Гиббса, вызванный недостаточной выборкой высоких пространственных частот на резких границах, что приводит к колебаниям, известным как артефакты звона. Методы исправления включают фильтрацию данных k-пространства перед преобразованием Фурье и увеличение размера матрицы для заданного поля зрения.

АлиасингАлиасинг возникает, когда структуры за пределами поля зрения ошибочно отображаются внутри изображения, часто проявляясь как артефакты перетекания. Это можно устранить, используя более широкие поля зрения или применяя методы антиалиасинга во время реконструкции изображения.

Артефакты, связанные с оборудованием

Радиочастотные (РЧ) артефактыРЧ-артефакты, такие как артефакты типа "молния", появляются в виде полос через центр изображения из-за несовершенств клетки Фарадея, позволяющих РЧ-загрязнению проникнуть в среду визуализации. Обеспечение надлежащего экранирования и устранение источников РЧ-шума могут помочь уменьшить эти артефакты.

Искажения магнитного и радиочастотного поляМРТ требует высокооднородного магнитного поля. Искажения могут возникать из-за таких проблем, как плохо настроенный магнит, неправильная калибровка градиентного магнитного поля или наличие инородных материалов у пациента. Достижение и поддержание однородности магнитного поля имеет решающее значение для минимизации этих артефактов.

Градиентные артефактыАртефакты, связанные с градиентами магнитного поля, включают вихревые токи и геометрические искажения. Вихревые токи, вызванные быстрым переключением градиентов, могут приводить к искажению изображения.

Основные физические принципы артефактов МРТ

Артефакты МРТ — это визуальные аномалии, которые появляются на магнитно-резонансных изображениях, но отсутствуют в исходном сканируемом объекте. Эти артефакты могут снижать диагностическое качество изображений и иногда имитировать патологические состояния, поэтому важно понимать их происхождение и способы их устранения. Артефакты в МРТ можно разделить на артефакты, связанные с пациентом, зависящие от обработки сигнала, и аппаратные (оборудование).

Искажения магнитного и радиочастотного поля

МРТ требует исключительно однородного и однородного основного магнитного поля для получения точных изображений. Однородность магнитного поля в ±1 часть на миллион (ppm) в сферическом объеме диаметром 20 см достижима с помощью многих современных систем МРТ. Однако искажения могут возникать из-за различных факторов, включая плохо настроенные магниты, неправильную калибровку градиентного магнитного поля, химические сдвиги частоты Лармора, магнитную восприимчивость тканей и наличие инородных материалов у пациента или на нем.

Обнаружение артефактов

Обнаружение артефактов в МРТ включает распознавание паттернов или структур на изображениях, которые не соответствуют фактической анатомии, а вызваны искажениями сигнала, связанными с методом визуализации. Артефакты могут возникать из нескольких источников, включая оборудование МРТ, экранирование помещения, движение пациента, неоднородность тканей, инородные тела, разрешение выборки и ошибки k-пространства. Эти артефакты иногда можно легко идентифицировать, особенно опытными радиологами и техниками, которые распознают их характерные признаки. Артефакты можно классифицировать, изучая общие характеристики, такие как тип последовательности (например, быстрая спин-эхо, градиент, объемная съемка), направление фазы и частоты, наличие сигналов жира или жидкости, анатомия за пределами поля зрения и металлические инородные тела. Эта классификация помогает в диагностике типа артефакта и определении возможных корректирующих действий. Например, артефакт алиасинга, также известный как артефакт перетекания, возникает, когда анатомия за пределами поля зрения (FOV) ошибочно отображается внутри изображения, часто появляясь в направлении кодирования фазы. Это происходит из-за выборки ниже частоты Найквиста, что вызывает видимое снижение частоты за счет алиасинга. Многие сканеры устраняют это, используя передискретизацию или применяя низкочастотный фильтр перед аналого-цифровым преобразованием.

Влияние на диагностику

Артефакты МРТ могут значительно повлиять на диагностическое качество сканирований, потенциально приводя к ошибочным диагнозам и избыточным процедурам. Артефакты возникают из-за различных факторов, включая движение пациента, несовершенства оборудования и ошибки обработки сигнала. Высокая чувствительность МРТ-сканирований к даже незначительным движениям требует строгих протоколов контроля движения, особенно для пациентов с состояниями, связанными с непроизвольными движениями, такими как неврологические расстройства. В некоторых случаях пациентам требуется ограничить дыхание или пройти анестезию, чтобы минимизировать движение; однако эти меры не всегда осуществимы. Последствия артефактов МРТ распространяются на диагностику и мониторинг критических медицинских состояний. Например, артефакты могут скрывать или имитировать патологию, затрудняя точное толкование сканирований. В неврологической визуализации МРТ предпочтительнее КТ для таких состояний, как деменция, цереброваскулярные заболевания и эпилепсия, из-за ее превосходного контраста мягких тканей. Однако наличие артефактов может снизить надежность этих оценок. Распространенность артефактов движения, связанных с пациентом, является особенно важной проблемой в клинической практике. Исследования подчеркивают необходимость стратегий для минимизации таких артефактов, чтобы улучшить диагностические результаты. Например, движение пациента во время клинических МР-исследований является значительной проблемой, что приводит к призывам к стандартизированным протоколам визуализации и лучшим методам коррекции движения. Более того, проблемы, вызванные артефактами, не ограничиваются только пациентом. Аппаратные и артефакты, связанные с обработкой сигнала, также играют важную роль. Эти артефакты могут возникать из-за неисправности оборудования или неоптимальных параметров визуализации, что подчеркивает необходимость надежных мер контроля качества в МРТ-установках.

Методы уменьшения артефактов

Используется множество методов для уменьшения металлических артефактов в МРТ, направленных как на артефакты в плоскости (артефакты, вызванные наличием металла в плоскости изображения), так и на артефакты вне плоскости (артефакты, вызванные металлом в смежной плоскости).

Уменьшение артефактов в плоскости

Несколько простых корректировок протокола МРТ-сканирования могут значительно уменьшить артефакты в плоскости:

Снижение силы магнитного поля: Использование магнитного поля силой 1,5 Тл вместо 3 Тл может быть полезным.

Увеличение ширины полосы: Расширение ширины полосы во время выбора среза и считывания помогает минимизировать артефакты.

Увеличение размера матрицы: Использование матрицы размером 512 пикселей улучшает качество изображения.

Поддержание отношения сигнал/шум (SNR): Увеличение количества возбуждений (NEX) помогает поддерживать хорошее отношение сигнал/шум.

Последовательности спинового эха: Предпочтение последовательностей спинового эха перед последовательностями градиентного эха, когда это возможно.

STIR для подавления жира: Использование короткой инверсии восстановления (STIR) для подавления жира выгодно, так как оно работает лучше в однородном поле по сравнению с спектрально-частотным подавлением жира.

Сокращение интервала эхо: Уменьшение интервала эхо может помочь устранить артефакты.

Меньший сдвиг воды-жира: Настройка параметров для достижения меньшего сдвига воды-жира также может быть полезной.

Более тонкие срезы: Использование более тонких срезов уменьшает объем артефакта.

Наклон угла обзора (VAT): Этот метод также может помочь в уменьшении артефактов.

Уменьшение артефактов вне плоскости

Для устранения металлических артефактов вне плоскости были разработаны специализированные последовательности:

MAVRIC (Multiacquisition Variable-Resonance Image Combination): Разработанная компанией GE, MAVRIC минимизирует металлические артефакты вокруг металлических протезов, используя 3D-последовательности быстрого спинового эха (FSE) с несколькими перекрывающимися объемами при различных частотных смещениях.

SEMAC (Slice-Encoding for Metal Artifact Correction): Разработанная компанией Siemens, эта техника добавляет дополнительный градиент кодирования среза к стандартной последовательности быстрого спинового эха. Сочетание методов MAVRIC и SEMAC известно как MAVRIC-SL.

Передовые методы

Также используются передовые методы, такие как генеративно-состязательные сети (GAN). GAN стремятся изучить скрытое представление данных для синтеза новых примеров, неотличимых от реальных данных. В частности, для коррекции артефактов движения в МРТ генераторная сеть создает изображения без артефактов движения из изображений с артефактами, а дискриминаторная сеть различает эти синтезированные изображения от реальных данных. Различные исследования показали, что GAN чрезвычайно эффективны в коррекции артефактов движения.

Коррекция неравномерности РЧ (B1)

Для уменьшения артефактов неравномерности РЧ длинная ось имплантата или устройства может быть выровнена параллельно длинной оси внешнего магнитного поля, что возможно при мобильной визуализации конечностей и открытых магнитах. Дополнительные методы включают выбор подходящего направления кодирования частоты, использование меньших размеров вокселей, применение быстрых последовательностей визуализации, увеличение ширины полосы считывания и избегание градиентного эхо-изображения, когда присутствует металл. Техника уменьшения артефактов от металла (MARS) применяет дополнительный градиент вдоль градиента выбора среза, когда применяется градиент кодирования частоты.

Артефакты, зависящие от обработки сигнала

Системы обработки изображений на основе искусственного интеллекта, продемонстрировали эффективность в обработке после сканирования, улучшая качество изображений и морфометрический анализ за счет снижения шума.

Будущие исследования и разработки

Недавние достижения в технологии МРТ открыли новые возможности для исследований и разработок, особенно в улучшении качества изображения и диагностических возможностей. Одно из многообещающих инноваций — это последовательность MPnRAGE (Magnetization Prepared rapid Gradient Echo), которая вызвала интерес у исследователей в различных учреждениях. Хотя в настоящее время она оптимизирована для МРТ-аппаратов General Electric, существует потенциал для адаптации MPnRAGE для использования с другими системами МРТ, расширяя ее применимость. Финансирование со стороны ведущих учреждений, таких как Национальный институт здравоохранения (NIH) и Waisman Center, сыграло ключевую роль в этих разработках. Такое финансовое обеспечение позволило провести обширные исследования, направленные на то, чтобы сделать технологию МРТ более доступной и эффективной в клинических условиях. Исторический контекст развития МРТ также подчеркивает важную роль прогресса в полупроводниковой технологии, который значительно увеличил вычислительную мощность, необходимую для эффективной визуализации. Этот прогресс подтверждается присуждением Нобелевской премии по физиологии или медицине 2003 года Полю Лаутербуру и Питеру Мэнсфилду за их новаторскую работу в области МРТ. В области искусственного интеллекта и машинного обучения недавние исследования сосредоточены на улучшении интерпретируемости моделей ИИ, используемых в анализе МРТ-изображений. Например, исследование конвейера оценки возмущения участков в ИИ-анализе рентгеновских снимков COVID-19 предоставляет информацию, которая может быть адаптирована для технологий МРТ. Кроме того, исследования смоделированных артефактов МРТ направлены на выявление и устранение режимов отказа в приложениях машинного обучения, тем самым повышая надежность диагностических инструментов. По мере развития этих технологий они обещают не только повысить диагностическую точность МРТ, но и расширить ее применение в различных медицинских областях. Будущие исследования, вероятно, будут продолжать сосредоточиваться на этих направлениях, поддерживаемых постоянными инновациями и междисциплинарным сотрудничеством.

[2]: Gibbs and truncation artifacts | Radiology Reference Article  

[3]: MR Artifacts - Questions and Answers in MRI

[4]: MRI artifact - Wikipedia[5]: Magnetic Resonance Imaging Artifacts | Radiology Key

[6]: Artifacts in MRI | Radiology Key

[7]: MRI Artifacts | Oncology Medical Physics

[8]: MRI artifacts | Radiology Reference Article | Radiopaedia.org

[9]: MRI results affected by movement? MIT researchers have an AI-powered ... 

[10]: Prospective Motion Correction for Brain MRI Using an External ... - PubMed 

[11]: 42 MRI Patient-Related Motion Artifacts | Radiology Key

[12]: Metal artifact reduction sequence | Radiology Reference Article

[13]: Managing hardware-related metal artifacts in MRI: current and| PubMed 

[14]: Researchers unveil new strategy to correct for motion during MRI scans ... 

[15]: Artifacts in body MR imaging: their appearance and how to eliminate