In een Best-in-Physics-presentatie op de AAPM Jaarvergadering, beschreef Sihao Chen hoe een enkele MRI-scan kan worden gebruikt voor bewegingsmanagement tijdens MR-geleide radiotherapie
in vivo ademhalingscurve (a). Gegevens van de eerste 200 spaken (rood gemarkeerd) werden gebruikt voor MRI-reconstructies met een korte scan: met MCNUFFT zonder bewegingscorrectie (b) en met MOTIF met P2P (c). De reconstructie met behulp van MOTIF met MCNUFFT van MRI met reguliere scan (2000 spaken) dient als de gouden standaard (d). (Met dank aan: Sihao Chen)” width=”635″ height=”347″>
Ademhalingsbewegingen kunnen de werkzaamheid en veiligheid van bestralingstherapie in de thorax en de buik beïnvloeden. Voor behandelingen waarbij gebruik wordt gemaakt van een MRI-geleide linac, is vrij ademende 4D-MRI een veelbelovend alternatief voor 4D-CT voor bewegingsmanagement, met een uitstekend weke delen-contrast zonder ioniserende straling. Hoogwaardige MR-beelden zonder bewegingsartefacten zijn nodig om laesies van normaal weefsel af te bakenen. Momenteel vereisen echter op MR gebaseerde benaderingen meerdere scans met aanzienlijke scantijden.
Om aan deze behoeften te voldoen, Sihao Chen, Hongyu An en collega's van de Washington University in St. Louis ontwikkelen een manier om een enkele MRI-scan te gebruiken voor bewegingsdetectie, bewegingsopgeloste 4D-MRI en bewegingsgeïntegreerde 3D-MRI-reconstructie. Tijdens de AAPM-jaarvergadering van vorige week liet Chen zien dat dit mogelijk is met een acquisitietijd van minder dan een minuut, met behulp van een zelfnavigerende MR-methode met op deep learning gebaseerde beeldreconstructie.
De drietrapstechniek begint met een zelf-genavigeerde sequentie voor het detecteren van ademhalingsbewegingen, CAPTURE genaamd, die een variant is van de stapel-van-sterren MRI-reeks. De onderzoekers implementeerden CAPTURE op de 0.35 T BekijkRay MRI-geleide linac en evalueerden hun voorgestelde techniek door een ademhalingsbewegingsfantoom en 12 gezonde vrijwilligers in beeld te brengen. Ze voerden regelmatig MRI-scans uit met 2000 radiale spaken, met een acquisitietijd van 5-7 minuten. Ze evalueerden de volledige scan (2000 radiale spaken), evenals de eerste 10% van de gegevens, die slechts 30-40 s duurde.
Chen deelde enkele voorbeelden van CAPTURE-gedetecteerde ademhalingscurven, die het vermogen van CAPTURE aantoonden om ademhalingsbewegingen te detecteren ondanks verschillende ademhalingspatronen tussen proefpersonen en tijdens individuele scans. De bijbehorende frequentiespectra identificeerden duidelijk de afzonderlijke frequentiecomponenten.
Vervolgens gebruikte het team de gemeten ademhalingssignalen om 4D-MRI's te creëren via drie reconstructietechnieken: multi-coil niet-uniforme inverse snelle Fourier-transformatie (MCNUFFT); gecomprimeerde detectie; en op deep learning gebaseerde Phase2Phase (P2P) reconstructie.
In een bewegingsfantoomstudie reconstrueerde het team 4D-MR-beelden met behulp van 5 min of 30 s aan gegevens. De CAPTURE-bewegingsdetectie verbeterde de zichtbaarheid van ingebedde bollen in het fantoom tot het niveau dat te zien is in grondwaarheidsbeelden. In de korte MRI-scan herstelde P2P-reconstructie de beeldscherpte en verminderde onderbemonsteringsartefacten in vergelijking met de niet-gecorrigeerde basislijn.
Voor de patiëntscans gebruikten de onderzoekers de eerste 200 spaken voor reconstructie met een korte scan (30 s), waarbij ze constateerden dat P2P duidelijk beter presteerde dan de andere twee methoden voor 4D-MRI-reconstructie. Vervolgens gebruikten ze 4D-MRI's die waren gemaakt op basis van scans van zowel 30 s als 5 minuten om bewegingsvectorvelden af te leiden. Chen merkte op dat het verschil tussen de twee "matig was in vergelijking met het totale bewegingsbereik".
In de laatste stap worden deze bewegingsvectorvelden gebruikt om 3D-MRI's te reconstrueren met behulp van een bewegingsgeïntegreerde reconstructie (MOTIF) model. 3D-MR-beelden van het fantoom toonden aan dat MOTIF bewegingsartefacten verminderde en de beeldkwaliteit verbeterde. In het patiëntenonderzoek hadden door MOTIF gereconstrueerde korte-scanbeelden (200 spaken) een betere signaal-ruisverhouding en minder bewegingsartefacten dan de niet-gecorrigeerde basislijn, en vertoonden ze een "bescheiden beeldkwaliteit" vergeleken met beelden met een normale scan (2000). spaken) gereconstrueerd door MOTIF.
Beste in de natuurkunde: multidimensionale MRI en FLASH protonentherapie
Het team voerde ook een geblindeerde radiologische beoordeling uit van de 12 proefpersonen. Afbeeldingen gereconstrueerd door MOTIF met gebruikmaking van de volledige dataset scoorden meer dan 8/10 punten wanneer beoordeeld op scherpte, contrast en gebrek aan artefacten. "Voor korte scans kreeg MOTIF met P2P een relatief bevredigende beoordelingsscore van 5/10, terwijl geen enkele bewegingscorrectie minder dan 3/10 scoorde", aldus Chen.
Chen concludeerde dat een snelle enkele MRI-scan, gebruikt met CAPTURE, P2P en MOTIF, hoogwaardige 4D-MR-beelden kan genereren voor het bepalen van het bewegingsbereik van laesies en 3D-MR-beelden voor het afbakenen van laesies op een low-field MRI-geleide linac.
