А.А. Тарасова1, Н.В. Анисимов2, О.С. Павлова3, М.В. Гуляев4, Ю.А. Пирогов5

1–5 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (Москва, Россия)

1 arina.tarasova99@mail.ru, 2 anisimovnv@mail.ru, 3 pavlova.olga@physics.msu.ru, 4 gulyaev@physics.msu.ru, 5 yupi937@gmail.com

Рассмотрены проблемы магнитно-резонансного (МР) сканирования при низком отношении сигнал/шум, электромагнитных помехах (ЭМП) и несовершенствах аппаратуры. Уделено внимание импульсным помехам, а также помехам, представленным непрерывным излучением, частота и амплитуда которых хаотично изменяются во времени. Отмечены проявления аппаратурных и программных несовершенств, приводящих к искажениям МР-изображений. К ним, в частности, относятся сбои в алгоритмах цифровой обработки сигналов и коррекции дрейфа нулевой линии. Эти сбои могут быть вызваны различными причинами: ошибки программного обеспечения, плохое экранирование, старение оборудования и др. В последнее время появились работы, в которых рекомендуется обнаруживать ЭМП на основе анализа электромагнитной связи между источниками и распределенными в пространстве приемными катушками, подключенных к многоканальному приемнику, и на основе этой информации устранять ЭМП из данных МРТ. Если подобные ресурсы отсутствуют при проведении МРТ-исследований, то для подавления помех можно использовали простые процедуры, описываемые в данной работе. Они предполагают планирование времени исследования с учетом динамики помеховой обстановки, установку предельно узкой полосы пропускания приемника, а также редактирование точек k-пространства, искаженных помехами и аппаратурными факторами. Рассмотрены вопросы оптимизации параметров сканирования, связанные с заданием размера матрицы и частоты дискретизации, а также практические аспекты обработки данных, в частности, применение аподизации в k-пространстве. Описанные в работе методики применены при 23Na МР-томографии головы человека на клиническом 0,5 Тл томографе, адаптация которого для детектирования сигналов натрия свелась лишь к модификации фирменной приемной катушки. Показано, что при стандартной обработке данных МР изображения неинформативны. Но если перед преобразованием Фурье отредактировать данные k-пространства, то информативность натриевых изображений становится сравнимой с протонными, при условии, что сканирования проводятся с одинаковым пространственным разрешением и схожим тканевым контрастом.

Тарасова А.А., Анисимов Н.В., Павлова О.С., Гуляев М.В., Пирогов Ю.А. Магнитно-резонансная томография при низком отношении сигнала к шуму, электромагнитных помехах и аппаратурных несовершенствах // Электромагнитные волны и электронные системы. 2024. Т. 29. № 3. С. 30−40. DOI: https://doi.org/ 10.18127/j15604128-202403-04

1. Brown R.W., Cheng Yu-Ch.N., Haacke E.M., Thompson M.R., Venkatesan R. Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design. Ed. 2. NY: John Wiley & Sons, Inc. 2014. 944p. DOI 10.1002/9781118633953.
2. Ibrahim M., Parrish D.J., Brown T.W.C., McDonald P.J. Decision Tree Pattern Recognition Model for Radio Frequency Interference Suppression in NQR Experiments // Sensors. 2019. V. 19. № 14. P. 3153. DOI 10.3390/s19143153.
3. Ibrahim M., Pardi C.I., McDonald P.J., Brown T.W.C. Active elimination of radio frequency interference for improved signal-to-noise ratio for in-situ NMR experiments in strong magnetic field gradients // Journal of Magnetic Resonance. 2018. V. 287. P. 99–109. DOI 10.1016/j.jmr.2018.01.002.
4. Timms W.E. Interference problems and screening in NMR and MRI // Journal of Medical Engineering & Technology. 1992. V. 16. № 2. P. 69–78. DOI 10.3109/03091909209021963.
5. Andris P., Frollo I. Noise and interference in measured NMR images // Measurement. 2016. V. 77. P. 29–33. DOI 10.1016/j.measure­ment.2015.09.003.
6. Liu Y., Leong A.T.L., Zhao Y., Xiao L., Mak H.K.F., Tsang A.C.O., Lau G.K.K., Leung G.K.K., Wu E.X. A low-cost and shielding-free ultra-low-field brain MRI scanner // Nature Communications. 2021. V. 12. № 1. P. 7238. DOI 10.1038/s41467-021-27317-1.
7. Srinivas S.A., Cauley S.F., Stockmann J.P., Sappo C.R., Vaughn C.E., Wald L.L., Grissom W.A., Cooley C.Z. External dynamic interference estimation and removal (EDITER) for low field MRI // Magnetic Resonance in Medicine. 2022. V. 87. № 2. P. 614–628. DOI 10.1002/mrm.28992.
8. Zhao Y., Xiao L., Liu Y., Leong A.T., Wu E.X. Electromagnetic interference elimination via active sensing and deep learning prediction for radiofrequency shielding-free MRI // NMR in Biomedicine. 2023. P. e4956. DOI 10.1002/nbm.4956.
9. Eck B.L., Liu K., Lo W.-C., Jiang Y., Gulani V., Seiberlich N. Feasibility of Magnetic Resonance Fingerprinting on Aging MRI Hardware // Tomography. 2022. V. 8. № 1. P. 10–21. DOI 10.3390/tomography8010002.
10. Anisimov N.V., Pavlova O.S., Agafonnikova A.G., Kosenkov A.V., Fomina D.V. Multinuclear Applications on 0.5T Magnetic Resonance Scanner // Applied Magnetic Resonance. 2019. V. 50. № 1–3. P. 17–27. DOI 10.1007/s00723-018-1081-3.
11. Anisimov N.V., Pavlova O.S., Tarasova A.A., Usanov I.A., Gulyaev M.V., Pirogov Yu.A. Multinuclear MRI and MRS at 0.5 Tesla // Applied Magnetic Resonance. 2022. V. 53. № 12. P. 1575–1585. DOI 10.1007/s00723-022-01489-5.
12. Tarasova A.A., Anisimov N.V., Pirogov Yu.A. 19F MRI for recognizing RF coil circuits and constructing their sensitivity maps // Abstracts of International Conference "Modern Development of Magnetic Resonance". Kazan. 2023. P. 176–178.
13. Anisimov N.V., Tarasova A.A., Pavlova O.S., Fomina D.V., Makurenkov A.M., Pavlovskaya G.E., Pirogov Yu.A. MRI Coils Optimized for Detection of 1H and 23Na at 0.5 T // Applied Magnetic Resonance. 2021. V. 52. № 3. P. 221–233. DOI 10.1007/s00723-020-01306-x.
14. Анисимов Н.В., Тарасова А.А., Усанов И.А., Павлова О.С., Чешков Д.А., Пирогов Ю.А. Обнаружение сигнала ядерного магнитного резонанса при наличии внешних помех // Электромагнитные волны и электронные системы. 2021. Т. 26. № 5. С. 50–59. DOI 10.18127/j15604128-202105-06.
15. Ernst R.R., Bodenhausen G., Wokaun A. Principles of nuclear magnetic resonance in one and two dimensions. New York: Oxford University Press, 1987. 610 p.
16. Madelin G., Lee J.-S., Regatte R.R., Jerschow A. Sodium MRI: methods and applications // Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 2014. V. 79. P. 14–47. DOI 10.1016/j.pnmrs.2014.02.001.
17. Mellon E.A., Pilkinton D.T., Clark C.M., Elliott M.A., Witschey W.R., Borthakur A., Reddy R. Sodium MR imaging detection of mild Alzheimer disease: preliminary study // American Journal of Neuroradiology. 2009. V. 30. № 5. P. 978–984. DOI 10.3174/ajnr.A1495.
18. Reetz K., Romanzetti S., Dogan I., Saβ C., Werner C.J., Schiefer J., Schulz J.B., Shah N.J. Increased brain tissue sodium concentration in Huntington's Disease – a sodium imaging study at 4 T // Neuroimage. 2012. V. 63. № 1. P. 517–524. DOI 10.1016/j.neuroimage. 2012.07.009.
19. Karg M.V., Bosch A., Kannenkeril D., Striepe K., Ott C., Schneider M.P., Boemke-Zelch F., Linz P., NagelA.M., Titze J., Uder M., Schmieder R.E. SGLT-2-inhibition with dapagliflozin reduces tissue sodium content: a randomised controlled trial // Cardiovascular Diabetology. 2018. V. 17. № 1. P. 5. DOI 10.1186/s12933-017-0654-z.
20. Christa M., Weng A.M., Geier B., Wormann C., Scheffler A., Lehmann L., Oberberger J., Kraus B.J., Hahner S., Störk S., Klink T., Bauer W.R., Hammer F., Kostler H. Increased myocardial sodium signal intensity in Conn’s syndrome detected by 23Na magnetic resonance imaging // European Heart Journal. Cardiovascular Imaging. 2019. V. 20. № 3. P. 263–270. DOI 10.1093/ehjci/jey134.
21. Veliyulin E., Aursand I.G. 1H and 23Na MRI studies of Atlantic salmon (Salmo salar) and Atlantic cod (Gadus morhua) fillet pieces salted in different brine concentrations // Journal of the Science of Food and Agriculture. 2007. V. 87. № 4. P. 2676–2683. DOI 10.1002/ jsfa.3030.
22. Kim R.J., Lima J.A., Chen E.L., Reeder S.B., Klocke F.J., Zerhouni E.A., Judd R.M. Fast 23Na magnetic resonance imaging of acute reperfused myocardial infarction: potential to assess myocardial viability // Circulation. 1997. V. 95. № 7. P. 1877–1885. DOI 10.1161/ 01.CIR.95.7.1877.
23. Zbýň Š., Brix M.O., Juras V., Domayer S.E., Walzer S.M., Mlynarik V., Apprich S., Buckenmaier K., Windhager R., Trattnig S. Sodium magnetic resonance imaging of ankle joint in cadaver specimens, volunteers, and patients after different cartilage repair techniques at 7 T: initial results // Investigative Radiology. 2015. V. 50. № 4. V. 246–254. DOI 10.1097/RLI.0000000000000117.
24. Schneider C.A., Rasband W.S., Eliceiri K.W. NIH Image to ImageJ: 25 Years of Image Analysis // Nature Methods. 2012. V. 9. № 7. P. 671–675. DOI 10.1038/nmeth.2089.
25. Wetterling F., Corteville D.M., Kalayciyan R., Rennings A., Konstandin S., Nagel A.M., Stark H., Schad L.R. Whole body sodium MRI at 3T using an asymmetric birdcage resonator and short echo time sequence: first images of a male volunteer // Physics in Medicine and Biology. 2012. V. 57. № 14. P. 4555–4567. DOI 10.1088/0031-9155/57/14/4555.
26. Tarasova A.A., Anisimov N.V., Pavlova O.S., Gulyaev M.V., Usanov I.A., Pirogov Yu.A. Fluorine and Sodium MRI on 0.5 T Clinical Scanner // Abstracts of International Conference "Modern Development of Magnetic Resonance". Kazan. 2021. P. 234–235.