US8570040B2 MRI image distortion reduction for MRI images of a recipient having an implantable medical device

摘要

• 问题:人工耳蜗的变压器铁芯、外壳与电子件的磁导率与组织不同,在 B0 中扰乱局部场,使同侧一片区域的图像出现信号丢失与几何畸变,遮蔽其中的病灶。既有对策都动器件:少用铁磁材料、用低磁导率件配平、把铁磁件做成术前可取出。
• 方案:不改器件,改扫描协议——同一批层面用两个近似相反的 fat shift 方向各扫一遍,其余参数不动;伪影在两套图像中落在不同层面。逐层比较同一层面的两幅图,取伪影较小者拼成第三套。
• 效果:Philips Intera 1.5 T、22 层 T2W TSE 下,伪影所在层由第 8–10 层移到第 11–13 层,拼合后各层伪影消失或减小。迁移量被概括为”typically 25 mm”,专利称其与人工耳蜗伪影的平均半径相当,故须与缩小伪影的手段合用。全篇无伪影尺寸的测量值。
• 形态:15 项权利要求,全部为方法项(独立项 claim 1、9、13);可调维度为 fat shift 的一对方向、接收带宽档位、序列与相位编码方向、层面取向(横断面或矢状面),以及选取步骤由操作者执行还是由 MRI 机/图像处理器自动执行。

原理与方案

标注:引号内英文 = 专利 raw 原文;[推导] = 由专利给出的参数与成像关系推出的结论,非专利原文;[推断] = 按 MRI 成像常识的判断,专利未述;[待确认] = 专利未给、需另行定夺的输入或判断。

失效机理

MRI 用频率编码梯度把接收信号的频率读作位置(“mapped to a position based on its frequency”),前提是同一体素内的质子都”resonate at the same frequency”[1]。人体的磁导率与水相近,而植入体带”components with permeability different to that of water”——专利点名人工耳蜗的变压器铁芯,以及刺激器/接收器的外壳与电子件。这些材料在 B0 中被磁化,在自身周围叠加一层附加场,把该处质子的进动频率推离标称值;信号或被映射到错误像素、或在体素内失相而丢失,读出为”dramatic loss of signal”与几何畸变[2]。后果落在诊断上:伪影”obscure features, resulting in misdiagnosis”,专利举的例子是肿瘤在畸变区内无法分辨。

同一场扰动在不同序列下的读出差别很大:T2W FFE、T1W SE、PDW-TSE、T2W-TSE、T2W FLAIR 五个序列扫同一层(FIG. 3A–3E),梯度回波的 T2W FFE 伪影最重(“the artifact is very significant”),专利把差别归给”the characteristics of the sequences and parameters”。[推断] 自旋回波的 180° 脉冲重聚静态场不均匀所致的相位离散,梯度回波没有这一步,故对同一场扰动更敏感[3],这也是采集基线取快速自旋回波的物理依据。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 3A–3E —(同一受试者第 8 层在五个扫描序列下的图像,五幅均含人工耳蜗伪影。)

器件侧的既有路线是把伪影源做小:把植入体做成”with a minimum of ferromagnetic materials”、用低磁导率件配平高磁导率件、或把铁磁件做成”removable through a minor medical procedure”。库内的代表分别是以陶瓷替代金属冲击保护罩以缩小磁化率失配[4]、以多层导电壳互补配平磁化率[5],以及把线圈定位磁体做成可经小切口反复取放[6]。

解决机理

物理层只有一条:偏共振自旋的位置误差沿读出梯度方向,其符号随该梯度方向反号而反号。水与脂肪质子的共振频率相差”approximately 3.5 ppm (220 Hz at 1.5 T)“,脂肪频率低,于是沿频率编码方向被”mapped to a lower frequency pixel”[7];扫描仪把这一位移的方向做成操作者可选的 fat shift 设定,其可选方向”constrained by the direction of the frequency encoding gradient”。植入体造成的频率偏移与脂肪的化学位移共用同一条映射通道,同一个设定因此同时决定伪影的落位——“fat shift signal processing”在专利里被反用,理由是它对植入体伪影同样有”an effect on the registration of image artifacts”,把方向反过来即可控制”the appearance and orientation of the artifact”。

[推断] fat shift 方向是读出梯度极性在操作界面上的名字。FIG. 7 的协议单给出水脂位移 0.981 像素、每像素带宽 221.5 Hz,即 1.5 T 下 220 Hz 的化学位移只搬动约一个像素[推导];植入体的频率偏移把伪影铺开到几个层面,两者量级悬殊而共用同一个符号旋钮。

方法据此展开:同一批层面扫两遍,fat shift 取近似相反的两个方向(实例为 P 与 A),其余参数不动;伪影在两套图像中落在不同层面。逐层比较同一层面的两幅图,取伪影较小者、弃较大者,拼成第三套(claim 1、13)。FIG. 5A–5C 给出记账:第一套 22 层中伪影出现在 1.7–1.11 层,第二套里这几层”no sign of the artifact”而伪影移到 2.12–2.16 层,第三套逐层取小。claim 9–11 是同一逻辑退化到单层——先扫一幅,判定含伪影则反向重扫一幅,取伪影小者。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 5A–5C —(两套各 22 幅图像及其伪影所在层,以及逐层选小拼成的第三套。)

方法搬动伪影而不缩小它,适用条件因此写在专利末段:要与缩小伪影的手段合用,前提是那些手段把伪影缩到”less than the amount the artifact is shifted”;给出的例子正是取下线圈定位磁体。

工程实现

采集基线是 T2 加权快速自旋回波配”a widened receive bandwidth”与 R-L 相位编码,ETL 约 19、echo spacing/shot 约 10/190 ms、5 mm 层厚下取最小体素。接收带宽给三档:“greater than about 108 Hz/pix”、约 233 Hz/pix、约 476 Hz/pix。相位编码取 R-L 使读出方向落在 A-P,与实例中 fat shift 的 P/A 两向一致[推导]。

两套图像不必出自同一次就诊:专利允许第二套由”a different MRI center”的”a different party”用相同扫描参数、“an approximately opposite fat shift setting”取得,也允许只重扫部分层面(claim 3)。

选取步骤可交人也可交机器。自动化版本由图像处理器 450 经链路 460 接 MRI 机 400,“automatically measuring the diameter of the artifacts”并选直径小者、弃直径大者。除选取外,专利还留了两条替换分支:把同层的两幅合并成一幅(claim 11),以及把伪影区”replaced with computer generated images”。

参数集的载体是本篇给方法配的落地手段:存进植入体存储器 11、外部单元存储器 21 或遥控器存储器 33,以分步指示单、协议参数表、屏显、打印或语音形式交给操作者,或以机器可读形式交 MRI 机按器件型号预置执行。

主模块与电池模块分处头侧不同位置时,横断面层面里难以得到”MRI images which are free of artifact”——两个模块落在不同的横断层内;专利改用矢状面序列,前提是两模块处在相近的矢状面内。方法本身与器件无关,专利把它外推到 ABI(Cochlear Nucleus 24R Multichannel ABI)、FES 与 SCS(Medtronic RESTOREPRIME)。

取舍

• 机时翻倍且层位须可复现:同一批层面扫两遍,T2W TSE 合计 5:28[推导];逐层选小要求两套的层面一一对应,跨中心跨时段采集时被试姿态与层堆栈定位的重复性成为前提[推断],专利未给容差。
• 适用面由位移量与伪影铺展的相对大小界定:伪影在层方向的铺展须小于反向带来的迁移量,否则两套图像的伪影落位重叠,该层无小者可选[推导]。
• 加宽带宽两头见效:每像素带宽越大,同一频率偏移换算出的像素位移越小,伪影的面内铺展随之收窄[推导];代价是接收带宽加宽使信噪比按 $1/\sqrt{\text{BW}}$ 下降[推断],专利只给三档带宽值。
• 相位编码方向被锁死:取 R-L 使读出落在 A-P,fat shift 的两个可选方向随之定为 P 与 A[推导];卷褶方向同时被固定,其方向不再可调[推断]。
• 矢状面变体改变迁移方向:换层面取向使读出轴与层选轴一并改变,伪影的迁移方向随之改变[推断];专利只给”两模块落在相近矢状面”这一前提。
• 依赖操作者对 fat shift 的可及性:方法要求扫描仪允许技师选定”the direction in which fat shift occurs”;把参数集预置进植入体存储器是专利为此给出的补偿手段。
• 与器件侧路线的分工:器件侧改的是伪影源(磁化率失配、磁体剩磁)因而缩小伪影,本篇改的是读出方向因而挪动伪影;专利把两者叠用写进末段的组合条件。

效果与证据

全篇证据只有 1.5 T 上的实拍图像,判读一律为目视措辞;各组的序列、层号与 fat shift 设定不同,不可互比,分列如下。设备与主场条件对全部图像相同:Philips Intera 1.5 T,主场不均匀度 <0.27 ppm,最大梯度幅度 33 mT/m,梯度爬升率 80 mT/m/ms。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 7–9 —(22 层 T2W TSE 的两套实测图像与其拼合结果,伪影所在层在两套之间移动。)

• ① 单层、单序列、仅反 fat shift(PDW-TSE):FIG. 3C 与 FIG. 4C 同为第 8 层,唯一实质差别是 fat shift 由 P 改为 A,专利报告 FIG. 4C 的伪影”far less pronounced”。同一设置下的第 12 层(FIG. 4D)伪影反而重,与 FIG. 3C 同档。T2W-TSE 一组同构:FIG. 3D(第 8 层)→ FIG. 4E(第 8 层,fat shift 反向)伪影变轻,FIG. 4F(第 12 层)变重。
• ② 整套 22 层、T2W TSE、协议逐项相同、仅反 fat shift(FIG. 7 / FIG. 8):采集条件为 TE 100 ms、TR 4708 ms、TSE factor 19、层厚 5 mm、层间隙 1.2 mm、体素 0.55×0.71×5.00 mm、矩阵 420×323、NSA 2、单套扫描 2:44。fat shift 为 P 时伪影落在第 8、9、10 层;改为 A 后落在第 11、12、13 层,迁移 3 层,折合约 18.6 mm[推导]。FIG. 9 为逐层选小的拼合结果,专利对其各层的判读是”no or at least reduced artifact as compared to”两套原图的对应层。
• ③ 迁移量的另外三处出处:正文两处给概括值”about 25 mm”与”typically 25 mm”,并称其大致等于”artifacts produced by typical cochlear implants”的平均半径;示意图 FIG. 5A/5B 与 FIG. 6A/6B 画的是”shifted upwards by 5 slices”;PDW-TSE 一组的文字描述给的是第 8 层到第 12 层。三者分别是概括值、示意图与单序列描述,与 ② 的 3 层实测各有出处。
• ④ 有无植入体的对照(FIG. 2A–2E 无植入体 / FIG. 3A–3E 佩戴人工耳蜗):两组的五个序列逐一对应,除有无植入体外参数相同,fat shift 同为 P;带植入体的五幅均含伪影。该组给出的是危害基线与序列敏感性,方法效果由 ①② 承担。
• ⑤ 全部人工耳蜗图像的共同前置条件:所示器件均”with a coil locating magnet removed”。各实拍组(①②④)的伪影因此来自变压器铁芯、外壳与电子件。

严谨性缺口:

• 伪影无量化:全篇没有一个伪影尺寸、面积或信号丢失比例的测量值,判读用的是”far less pronounced”一类目视措辞;自动化环节要求”automatically measuring the diameter of the artifacts”,却未给分割算法、直径定义或判定阈值。
• 迁移量四个数不自洽:概括值 25 mm、示意图 5 层、PDW-TSE 描述 4 层、T2W TSE 实测 3 层;25 mm 的统计口径(取自几例、什么器件、什么序列)未给。
• 机理链在层方向断开:专利自述 fat shift 方向受频率编码梯度方向约束,而 FIG. 7/8 的相位编码为 R-L、读出落在 A-P;伪影却在层方向(F-H)迁移。面内读出方向反号如何导致跨层位移,专利未给链条,按频率编码机理也推不出[推断]。
• 未排除位置变化:FIG. 7 与 FIG. 8 是两次独立采集,FIG. 8 的协议单给出层堆栈偏置三向均为 0,FIG. 7 的对应项在 raw 中缺值;两次之间被试头部位置是否复位到同一处,专利未说明,而 3 层的迁移量与此同量级[推断]。
• 磁体已取下:展示的伪影不含线圈定位磁体,而磁体是人工耳蜗中磁性最强的部件;方法在磁体在位时能否满足”迁移量大于伪影铺展”的适用条件,本篇无数据。
• 样本单一:全部图像来自单一受试者、单台 1.5 T 扫描仪、单一型号人工耳蜗;无 3 T、无重复例、无器件间对比。
• 无对照臂与无模型:未把”两套选小”与单纯加宽带宽或单纯改用自旋回波序列做对照;全篇不含磁化率/场扰动的计算或仿真,也无位移量的解析式,伪影随 fat shift 反向而迁移停在观察层面。
• 两条替换分支无示例:claim 11 的合并与”replaced with computer generated images”均无算法、无结果图。
• 临床终点未闭合:方法的立论是伪影遮蔽病灶致漏诊,而效果只做到图像层面,无被遮蔽病灶因此得以检出的病例。

关联

• Google Patents:https://patents.google.com/patent/US8570040B2/en
• 危害:image-artifact

1. frequency-encoding——频率编码梯度把接收信号频率映射为位置,偏共振自旋沿读出方向被移位,位移量为频率偏移除以每像素带宽(概念卡)。
2. magnetic-susceptibility-artifact——磁化率失配使局部场偏移,自旋偏离标称共振频率,读出为信号丢失与几何畸变(概念卡)。
3. t2-star-dephasing——静态场不均匀致体素内相位离散,自旋回波的 180° 脉冲可重聚该部分,梯度回波不能(概念卡)。
4. US8532783B2_MED-EL——器件侧路线:以陶瓷替代金属冲击保护罩降低磁化率失配,库内卡。
5. US11419674B2_St.-Jude——器件侧路线:多层导电壳互补配平磁化率,库内卡。
6. US11426593B2_MED-EL——取出磁体路线:U 形夹使线圈定位磁体可经小切口反复取放,库内卡。
7. chemical-shift——水与脂肪质子的共振频率差 3.5 ppm(1.5 T 下 220 Hz)及其在频率编码方向上的位移(概念卡)。