Nuevas perspectivas sobre imágenes de alta resolución en resonancia magnética musculoesquelética mediante aprendizaje profundo
Takahide Kakigi, MD, PhD
Las imágenes 2D de corte fino y de alta resolución que utilizan tecnología de aprendizaje profundo son útiles para diagnosticar enfermedades musculoesqueléticas. Este informe describe la utilidad del motor Clear-IQ inteligente avanzado (AiCE) en imágenes de corte fino 2D de la articulación del hombro como se realizó anteriormente en el Hospital Universitario de Kyoto y también analiza la nueva tecnología de alta resolución conocida como Precise IQ Engine (PIQE) para obteniendo imágenes de mayor resolución en un tiempo de adquisición más corto. Ambas tecnologías fueron desarrolladas por Canon Medical Systems Corporation. Finalmente, este informe presenta imágenes 2D de corte fino de la articulación del hombro que se pueden realizar con mayor resolución y tiempos de adquisición más cortos mediante el uso de PIQE.
Utilidad de AiCE en imágenes 2D de corte fino de la articulación del hombro
AiCE es una tecnología avanzada basada en el aprendizaje profundo que permite crear imágenes con una relación señal-ruido (SNR) alta a partir de imágenes con una SNR baja. Específicamente, se emplean imágenes de enseñanza de alta calidad para entrenar una red neuronal convolucional profunda (DCNN). Cuando se instala AiCE en un sistema de resonancia magnética, el ruido contenido en las imágenes de baja SNR recién adquiridas se puede reducir sustancialmente, lo que permite obtener imágenes de alta SNR similares a las imágenes de enseñanza de alta calidad utilizadas para entrenar la DCNN. Debido a que el entrenamiento se realiza utilizando únicamente componentes de alta frecuencia, AiCE es aplicable a una amplia gama de secuencias.
En el Hospital Universitario de Kioto, nos hemos centrado en la adquisición de imágenes 2D de corte fino con alta resolución en el plano. Cuando se comparan imágenes 2D ponderadas por densidad de protones con supresión grasa con un grosor de corte de 1 mm (FS-PDWI 2D de 1 mm) obtenidas con y sin AiCE (Fig. 1), se puede ver que AiCE elimina el ruido que generado al aumentar la resolución en el plano o reducir el grosor del corte (a), lo que resulta en un marcado aumento en la SNR (b). También investigamos la posibilidad de utilizar imágenes 2D de corte fino obtenidas con AiCE para generar imágenes MPR. Se descubrió que la clave para aumentar la SNR de las imágenes reconstruidas era el uso de una configuración de espacio de corte negativo. Descubrimos que la resolución superior de las imágenes 2D permitió visualizar claramente estructuras extremadamente pequeñas, con mejor contraste de tejido que en las imágenes 3D-MPR.
Figura 1: Efectividad de AiCE en FS-PDWI 2D de 1 mm
Por otro lado, hay una serie de desafíos que deben superarse para ampliar la aplicación clínica de AiCE. El tiempo de adquisición es ligeramente mayor cuando se adquieren imágenes con un espacio de −0,3 mm para generar imágenes MPR con un espesor de corte de 1 mm. En exámenes donde se requiere un campo de visión (FOV) relativamente pequeño, como las articulaciones de la mano y el codo, la SNR puede ser insuficiente incluso cuando se utilizó AiCE para obtener una resolución en el plano equivalente a la de la articulación del hombro. Además, cuando se utiliza SPEEDER, SPEEDER comprimido (CS), imágenes de Fourier avanzadas (AFI), etc., un aumento excesivo en la velocidad de aceleración puede provocar una disminución de la SNR y una mala calidad de imagen y, además, un aumento del número de ecos. por TR da como resultado una mayor borrosidad. Esto presenta una especie de dilema en el establecimiento de condiciones. Sin embargo, PIQE puede superar estos problemas.
Utilidad clínica de PIQE
1. Ventajas de una mayor resolución mediante el uso de PIQE
Para generar imágenes de alta SNR y resolución a partir de imágenes de baja SNR y resolución, PIQE emplea dos tecnologías de reconstrucción de aprendizaje profundo (DLR): eliminación de ruido y muestreo ascendente. PIQE, al igual que AiCE, puede compensar la reducción de la SNR cuando se aumenta la resolución. Además, PIQE tiene las siguientes características además de las de AiCE: 1) la matriz se puede aumentar en un factor de 3×3 para mejorar la resolución, 2) se puede mantener el contraste porque se puede reducir la resolución de la imagen original y 3 ) la reducción del contraste provocada por una resolución excesivamente alta se puede minimizar porque la exploración se realiza con una resolución más baja, mejorando así el contraste del tejido.
Para generar imágenes de alta SNR y resolución a partir de imágenes de baja SNR y resolución, PIQE emplea dos tecnologías de reconstrucción de aprendizaje profundo (DLR): eliminación de ruido y muestreo ascendente. PIQE, al igual que AiCE, puede compensar la reducción de la SNR cuando se aumenta la resolución. Además, PIQE tiene las siguientes características además de las de AiCE: 1) la matriz se puede aumentar en un factor de 3×3 para mejorar la resolución, 2) se puede mantener el contraste porque se puede reducir la resolución de la imagen original y 3 ) la reducción del contraste provocada por una resolución excesivamente alta se puede minimizar porque la exploración se realiza con una resolución más baja, mejorando así el contraste del tejido.
Figura 2: Resolución mejorada en imágenes con FOV pequeño con PIQE
La Figura 2 muestra FS-PDWI 2D de 1 mm de la articulación de la muñeca. Con AiCE (a) se ve una reducción de la SNR debido al pequeño FOV, pero con PIQE (b) la SNR se mantiene y la resolución de la imagen original con una matriz de 320×320 se aumenta a 960×960, lo que acorta el tiempo de adquisición. La delimitación del complejo de fibrocartílago triangular (TFCC) también mejora con PIQE.
Figura 2: Resolución mejorada en imágenes con FOV pequeño con PIQE
La Figura 3 muestra FS-PDWI 2D de 1 mm adquirida con PIQE en un paciente con fractura de semilunar y lesión de TFCC. Se observa edema de médula ósea en el hueso semilunar y una imagen sagital (a) muestra un fragmento de hueso libre (flecha naranja) en la cara dorsal del hueso semilunar. En una imagen coronal (b) y una imagen sagital (c), se ve líquido (flechas azules) en el disco articular del TFCC, lo que indica la presencia de lesión. La lesión se puede observar tanto desde dirección coronal como sagital en imágenes 2D de 1 mm.
La Figura 4 muestra imágenes ponderadas en T2 (T2WI) de un paciente con abultamiento y hernia de disco cervical. En comparación con la imagen original (a), los detalles estructurales se representan con mayor precisión con PIQE (b). La médula cervical también se visualiza claramente y se pueden identificar fácilmente hallazgos anormales como edema cervical y mielomalacia.
La Figura 4 muestra imágenes ponderadas en T2 (T2WI) de un paciente con abultamiento y hernia de disco cervical. En comparación con la imagen original (a), los detalles estructurales se representan con mayor precisión con PIQE (b). La médula cervical también se visualiza claramente y se pueden identificar fácilmente hallazgos anormales como edema cervical y mielomalacia.
Figura 3: FS-PDWI 2D de 1 mm con PIQE en un paciente con fractura de semilunar y lesión de TFCC
Figura 3: FS-PDWI 2D de 1 mm con PIQE en un paciente con fractura de semilunar y lesión de TFCC
Figura 4: Comparación de imágenes con y sin PIQE para evaluar el abultamiento y la hernia del disco cervical
Figura 4: Comparación de imágenes con y sin PIQE para evaluar el abultamiento y la hernia del disco cervical
2. Aplicación de PIQE a reducciones en el tiempo de adquisición
AiCE elimina el ruido causado por la disminución de la SNR debido al aumento de la tasa de aceleración de SPEEDER o CS y la reducción del número de adquisiciones para lograr reducciones en el tiempo de adquisición. Con PIQE, por otro lado, se puede aumentar la resolución en el momento de la reconstrucción de la imagen, permitiendo acortar el tiempo de adquisición al reducir la matriz en la dirección de codificación de fase durante la adquisición. Esto también significa que se puede reducir la tasa de aceleración de SPEEDER o CS, lo que da como resultado una calidad de imagen más estable.
AiCE elimina el ruido causado por la disminución de la SNR debido al aumento de la tasa de aceleración de SPEEDER o CS y la reducción del número de adquisiciones para lograr reducciones en el tiempo de adquisición. Con PIQE, por otro lado, se puede aumentar la resolución en el momento de la reconstrucción de la imagen, permitiendo acortar el tiempo de adquisición al reducir la matriz en la dirección de codificación de fase durante la adquisición. Esto también significa que se puede reducir la tasa de aceleración de SPEEDER o CS, lo que da como resultado una calidad de imagen más estable.
Figura 5: Visualización de fractura ósea y hematoma óseo en imágenes adquiridas en un tiempo de adquisición corto con PIQE
La Figura 5 compara imágenes STIR (a) adquiridas con un espesor de corte de 2 mm y un tiempo de adquisición de 3 minutos y 13 segundos y FS-PDWI (b) adquiridas con un tiempo de adquisición corto de 55 segundos usando PIQE en un paciente con múltiples fracturas. y hematomas óseos en la articulación de la muñeca. Pseudoartrosis (flechas naranjas) y edema de médula ósea debido a un hematoma óseo (flechas azules) en el hueso escafoides, edema de médula ósea en el hueso semilunar (flechas verdes), edema de médula ósea debido a un hematoma óseo del hueso grande (círculos), y el edema de la médula ósea debido a la fractura de las bases metacarpianas de los dedos índice y medio (flechas amarillas) también se visualizan tan claramente en las imágenes PIQE como en las imágenes STIR. Las imágenes PIQE adquiridas con un tiempo de adquisición más corto se consideran muy útiles para detectar fracturas óseas y hematomas óseos.
Figura 5: Visualización de fractura ósea y hematoma óseo en imágenes adquiridas en un tiempo de adquisición corto con PIQE
La Figura 6 muestra T2WI en un paciente con espondilosis cervical y hernia discal. Se observa que una imagen PIQE (b) adquirida con un tiempo de adquisición de 59 segundos tiene una calidad de imagen comparable a la de una imagen convencional (a) adquirida con un tiempo de adquisición de 2 minutos 59 segundos, mientras que una imagen CS (c) adquirida con un tiempo de adquisición de 57 segundos muestra una ligera degradación en la calidad de la imagen. PIQE es una técnica útil para emergencias y otros exámenes urgentes porque ayuda a mantener una calidad de imagen estable al reducir la tasa de aceleración. Además, en pacientes con afecciones como hernia de disco lumbar y estenosis del canal espinal lumbar, se pueden obtener imágenes comparables a las adquiridas mediante T2WI convencional utilizando PIQE en un tiempo de adquisición mucho más corto.
Figura 6: Comparación entre imágenes adquiridas en un tiempo de adquisición corto con PIQE y con CS (paciente con espondilosis cervical y hernia discal)
Nuevas perspectivas sobre imágenes 2D de corte fino de la articulación del hombro: lograr una mayor resolución con tiempos de adquisición más cortos
En el Hospital Universitario de Kioto, todavía se requería un tiempo de adquisición de 6 minutos y 15 segundos para FS-PDWI 2D de 1 mm del hombro, incluso cuando se usaba AiCE en combinación para garantizar una buena calidad de imagen. Pero con PIQE, el tiempo de adquisición podría reducirse a sólo 4 minutos y 57 segundos. Hemos descubierto que la capacidad de obtener imágenes de mayor resolución en un tiempo de adquisición más corto es de gran valor clínico en nuestro hospital.
Figura 7: Alta resolución y tiempos de adquisición cortos con PIQE (lesiones condrales en ambos lados de las articulaciones glenohumerales)
La Figura 7 muestra imágenes PIQE (FS-PDWI) de un paciente con sospecha de lesión del cartílago de la articulación glenohumeral. Estas imágenes de alta resolución podrían adquirirse en un tiempo de adquisición muy corto. Las lesiones condrales en ambos lados de la articulación glenohumeral (flechas naranjas) se visualizan claramente en la imagen coronal (a), así como en la imagen axial (b).
Figura 7: Alta resolución y tiempos de adquisición cortos con PIQE (lesiones condrales en ambos lados de las articulaciones glenohumerales)
Conclusión
AiCE nos permite obtener imágenes 2D de 1 mm e imágenes MPR que pueden aportar información clínica de gran utilidad. Además, la introducción de PIQE ha dado lugar a una mayor resolución y tiempos de adquisición más cortos incluso en campos de visión pequeños, lo que ha sido durante mucho tiempo un gran desafío. Con el uso de PIQE, ahora podemos lograr alta resolución y alto contraste con tiempos de adquisición cortos, lo que facilita mucho la realización de imágenes musculoesqueléticas de alta resolución. Se anticipan con impaciencia nuevas perspectivas sobre tecnologías avanzadas.//
Takahide Kakigi, MD, PhD
Departamento de Diagnóstico por Imágenes y Medicina Nuclear,
Facultad de Medicina de la Universidad de Kyoto, Japón
Departamento de Diagnóstico por Imágenes y Medicina Nuclear,
Facultad de Medicina de la Universidad de Kyoto, Japón
Este artículo es una traducción de la revista INNERVISION, Vol.38, No.6, 2023.
Aclaraciones
El contenido de este informe incluye las opiniones personales del autor basadas en su experiencia y conocimiento clínico. La tecnología de aprendizaje profundo se utiliza en la etapa de diseño del procesamiento de reconstrucción de imágenes para AiCE y PIQE. El sistema en sí no tiene capacidades de autoaprendizaje.
Aclaraciones
El contenido de este informe incluye las opiniones personales del autor basadas en su experiencia y conocimiento clínico. La tecnología de aprendizaje profundo se utiliza en la etapa de diseño del procesamiento de reconstrucción de imágenes para AiCE y PIQE. El sistema en sí no tiene capacidades de autoaprendizaje.
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