Kantitatif MRI için geliştirilmiş metroloji

Aynı hastanın MR görüntüsü, çekildiği cihaza göre farklı çıkabilir; bu yüzden farklı hastanelerdeki sonuçlar doğrudan karşılaştırılamaz. iMet-MRI, MR'ı yalnızca görüntü üreten bir cihazdan güvenilir ölçüm yapan bir cihaza dönüştürmek için gereken metrolojik temeli kurdu. T1, T2, yağ fraksiyonu, demir içeriği ve difüzyon olmak üzere beş ölçülenin tamamı için SI'ya izlenebilir fantom malzemeleri, standart ölçüm prosedürleri ve belirsizlik analizleri geliştirildi; daha önce dünyada yalnızca NIST, bu ölçülenlerin üçü için izlenebilirlik sunabiliyordu. Yöntemler üç büyük üreticinin 0,55–7 T arasındaki tarayıcılarında, dört ülkede yürütülen çok merkezli bir çalışmayla sınandı. Proje sonunda IEC, kantitatif MRI için yeni standartlara ihtiyaç olduğunu kabul etti.

Künye


Proje no	20NRM05
Kısa adı	iMet-MRI
Program	EMPIR, 2020 çağrısı (Normatif)
Süre	Haziran 2021 – Mayıs 2024 (36 ay)
Koordinatör	Matt G. Hall, NPL (Birleşik Krallık)
Baş paydaş	Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC)

Neden gerekliydi?

Kanser, kalp hastalıkları, demans ve inme MRI ile teşhis edilip izlenebilir. Avrupa’daki sağlık kurumları farklı üreticilere ait, farklı yaşta ve alan şiddetinde binlerce tarayıcı kullanır. Geleneksel MR görüntüleri nitel kalır: dokular arasındaki göreli kontrastı gösterir ve bu kontrast cihazdan cihaza büyük ölçüde değişir. Bu yüzden farklı merkezlerde çekilen görüntüler doğrudan karşılaştırılamaz.

Kantitatif MRI (qMRI) ise görüntüyü fiziksel büyüklükleri ölçerek oluşturur. Bu sayede tarayıcılar kalibre edilebilir ve performansları doğrudan karşılaştırılabilir. Veri değişkenliği azaldıkça klinik çalışmalar için gereken hasta sayısı da azalır. Ancak bunun için iyi karakterize edilmiş test nesnelerine (fantomlara) ve ölçüm protokollerine ihtiyaç vardır. Mevcut standartlar ise ya nicel ölçümleri hiç ele almıyor (IEC 62464-1) ya da MRI’ı ölçüm gerekliliklerinden muaf tutuyordu (IEC 60601-2-33).

Hedefler

T₁, T₂, yağ fraksiyonu, demir içeriği ve difüzyon ölçümleri için izlenebilir fantom malzemeleri ve üretim yöntemleri ile bu malzemelere izlenebilirlik sağlayan referans yöntemler geliştirmek.
qMRI parametre haritalarının veri analizi ve ölçüm belirsizliği için deneysel ve sayısal yöntemlere dayanan standart ölçüm prosedürleri ve kullanım kılavuzları hazırlamak.
Geliştirilen yöntemlerin tekrarlanabilirliğini en az beş merkezin katıldığı çok merkezli bir çalışmada göstermek.
Yöntemleri ve en az iki iyi uygulama kılavuzunu yayımlamak; standart kuruluşları ve klinik çalışma düzenleyicileri için uyumlaştırma rehberi hazırlamak.
IEC TC62/SC62A ve BSI CH/62/2 teknik komiteleriyle çalışarak proje çıktılarının gelecekteki standartlara girmesini sağlamak.

Sonuçlar

İzlenebilir fantom malzemeleri

Beş qMRI ölçüleni için malzemeler ve karakterizasyon yöntemleri geliştirildi. Her çözünenden insan dokusunu temsil eden aralıkta çözeltiler hazırlandı ve hedef derişimler NMR spektroskopisiyle doğrulandı. T₁ ve T₂ durulma süreleri 60 MHz’lik masaüstü bir NMR cihazıyla ölçüldü; bu ölçümlerin izlenebilirliği TÜBİTAK’ın rubidyum atom saatine dayanıyor. Yağ fantomlarında iç standart olarak NIST PS1 benzoik asit referans malzemesi kullanıldı.

Malzeme	Formül	Ölçülen
Nikel(II) klorür hekzahidrat	NiCl₂·6H₂O	T₁
Mangan(II) klorür tetrahidrat	MnCl₂·4H₂O	T₂
Demir(III) klorür hekzahidrat	FeCl₃·6H₂O	Demir içeriği
Nitrik asit	HNO₃	Demir içeriği (çözücü)
tert-Bütanol	(CH₃)₃COH	Yağ fraksiyonu
Ultra saf su	H₂O	Demir dışındaki tüm ölçülenlerde çözücü

Malzemeler, su geçirmez bir dış kap ve yönlendirilebilir referans işaretli, 3B yazıcıyla basılabilen iki iç tutucudan oluşan bir fantomun içine yerleştirildi. Difüzyon görüntülemesi manyetik duyarlılık kaynaklı bozulmalara daha hassas olduğu için daha büyük şişeler alan ikinci bir tutucu tasarlandı. On fantom seti üretilip konsorsiyuma dağıtıldı.

Ölçüm prosedürleri ve analiz

Beş ölçülenin tamamı için standart çekim prosedürleri yazıldı. Demir içeriği dışındaki her ölçülen için hem en iyi sonucu veren hem de klinik çekim süresine sığan birden fazla sekans karşılaştırıldı:

Ölçülen	Darbe sekansı
T₁	Inversion recovery, variable flip-angle, MOLLI
T₂	Tek eko, çok eko
ADC	PGSE
Yağ fraksiyonu	2, 3 ve 6 noktalı Dixon
Demir içeriği	Gradyan eko

Parametreleri görüntülerden çıkaran analiz kodları Python ile yazıldı ve her ölçülen için belirsizlik analizi yapıldı. Ayrıca Bloch denklemlerine dayanan, sekansın ve okuma sürecinin tamamını modelleyen bir MR simülatörü ile fantomun sayısal ikizi geliştirildi. Bu sayısal model, analiz yöntemlerinin sınanmasında “gerçek değeri bilinen” bir karşılaştırma ölçütü sağladı.

Çok merkezli çalışma

Fantomlar ve prosedürler Birleşik Krallık, İtalya ve İrlanda’daki klinik merkezlerde Siemens, Philips ve GE’ye ait 1,5 T ve 3 T’lık on tarayıcıda denendi. Bunlara İngiltere ve İsviçre’de 7 T, İsviçre’de 0,55 T çekimler de eklendi. Başlıca bulgular:

600 ms’nin üzerindeki T₁ değerleri alan şiddetinden bağımsız, daha kısa T₁ değerlerinde ise anlamlı farklar var. MRI ve NMR ile bulunan T₁ değerleri iyi uyuşuyor.
T₂ ölçümleri alan şiddetine göre anlamlı biçimde değişiyor ve NMR değerleriyle uyumu zayıf.
T₂* ile demir derişimi arasındaki ilişki, aynı alan şiddetindeki farklı tarayıcılarda benzer.
Yağ fraksiyonu 3 T’da tüm tarayıcılarda nominal değerlerle uyumlu; 1,5 T’da ise %40’ın altındaki yağ oranları olduğundan düşük ölçülüyor.
Temel klinik sekanslarla ölçülen ADC değerleri nominal değerlerle iyi uyuşuyor.

Çalışma, doğruluk ile çekim süresi arasında denge kurmanın ve bobin yükü gibi DICOM başlıklarında her zaman yer almayan bilgilerin kaydedilmesinin önemini de ortaya koydu.

Kılavuzlar ve standartlar

Tüm sonuçlar, qMRI’da tarayıcı performansını değerlendirmek için test nesnelerini ve test prosedürlerini anlatan bir İyi Uygulama Kılavuzu’nda toplandı ve görüşe açıldı. Yağ fraksiyonu ve durulma parametrelerinde belirsizlik hesabı için NPL’nin eğitim portalında iki ücretsiz e-öğrenme kursu hazırlandı. Proje sonuçlarının IEC SC62 MT40 çalışma grubuna sunulmasının ardından IEC, kantitatif MRI için yeni standartlar geliştirilmesi gerektiğini kabul etti; qMRI’daki standart boşluğu IEC 60601-1’in yeniden yazım çalışmasına da dahil edildi.

Etki

Projeden önce MR ile ölçülebilen büyüklükler için izlenebilir karakterizasyon sunabilen tek ulusal metroloji enstitüsü NIST’ti ve bu yalnızca beş ölçülenin üçünü kapsıyordu. iMet-MRI ile beş ölçülenin tamamı için izlenebilirlik yolları tanımlandı ve Avrupa’da MRI için izlenebilir referans malzemeleri kullanılabilir hâle geldi. Geliştirilen fantom, piyasadaki benzerlerinden daha düşük maliyetli. Sonuçlar RSNA QIBA, EIBALL ve ISMRM’ye sunuldu, ISMRM toplantısında bir sempozyum düzenlendi ve üç paydaş çalıştayı yapıldı. NPL, projenin yarattığı ilgi üzerine yeni bir laboratuvar için 2 milyon sterlinin üzerinde yatırım kararı aldı.

Ortaklar

Ulusal metroloji enstitüleri: NPL (Birleşik Krallık, koordinatör), TÜBİTAK UME (Türkiye), LGC (Birleşik Krallık), INRIM (İtalya), IMBiH (Bosna-Hersek)
Diğer ortaklar: AOUC (İtalya), BHSCT (Birleşik Krallık), UCL (Birleşik Krallık), UHBW (Birleşik Krallık), Verlab (Bosna-Hersek)

Yayınlar

Hall, M. G. ve ark. (2023). The perfect diagnostic imaging machine and what it means for quantitative MRI reproducibility. IPEM-Translation, 1, 100019. doi:10.1016/j.ipemt.2023.100019
Tofts, P. S. (2024). Realistic phantoms for quantitative MR: the need and a proposal (the B1 sleeve). IPEM-Translation, 9, 100026. doi:10.1016/j.ipemt.2024.100026