Weronika Kubarek, Piotr Winiarczyk
Philips Healthcare
Sztuczna inteligencja staje się ważnym elementem nowoczesnych systemów rezonansu magnetycznego. W podsumowaniu premier Philips z Kongresu RSNA 2021 pojawiła się informacja o technologii SmartSpeed, której warto się przyjrzeć dokładniej.
Niniejszy artykuł, oprócz przybliżenia techniki obrazowania SmartSpeed, pokrótce opisuje historię implementacji algorytmów sztucznej inteligencji w rezonansach Philips. Historia sięga roku 2006 i dotyka wszystkich etapów powstawania obrazu MR. Oczywiście największe emocje budzą techniki rekonstrukcji, zacznijmy więc od nowości z Kongresu RSNA 2021.
SmartSpeed – inteligentny Compressed SENSE
System SmartSpeed jest odpowiedzią firmy Philips na coraz większe zapotrzebowanie na szybkie i precyzyjne badanie rezonansem magnetycznym. Cały czas rośnie liczba pacjentów problematycznych i wymagających natychmiastowej precyzyjnej diagnozy. Na Kongresie RSNA przedstawiono rozwiązanie wykorzystujące techniki obrazowania równoległego SENSE, możliwości przyśpieszenia Compressed SENSE oraz algorytmy z zakresu uczenia głębokiego w celu polepszenia wydajności badania rezonansem magnetycznym oraz poprawy satysfakcji pacjentów i personelu.
Aby skutecznie zredukować czas trwania badania, należy skoncentrować się na skróceniu czasu skanowania oraz zminimalizowaniu potrzeby powtórzeń skanów. Nawet 20% badań lub skanów należy powtórzyć ze względu na powstałe artefakty ruchowe na obrazie. Krótszy czas badania zapewnia mniejszy stres dla pacjenta i pozwala pozostać w bezruchu podczas trwania skanowania.
Technika Compressed SENSE zapewnia szybszy czas skanowania w obrazowaniu 3D o 50% i o 20-30% w przypadku skanów 2D, przy jednoczesnym zachowaniu lub poprawie jakości dla wszystkich anatomii. Pozwala to obsłużyć większą liczbę pacjentów i zlikwidować opóźnienia. System Smart Speed jest kolejnym krokiem pozwalającym rozszerzyć obecne możliwości wykorzystywanych technik. Techniki obrazowania równoległego SENSE wraz z rozrzedzonym próbkowaniem (typu Compressed Sensing) umożliwiły przyśpieszenie badania poprzez wykorzystanie podpróbkowania. Dodatkowe zastosowanie algorytmów rekonstrukcyjnych sztucznej inteligencji zapewniają przywrócenie brakujących danych z przestrzeni k oraz zmniejszenie wymaganej ilości danych do wykonania rekonstrukcji obrazów. Zastosowanie tych dwóch elementów pozwala uzyskać szybkie i dobrej jakości skany.
Ryc. 1 Porównanie obrazowania serca przy pomocy technik: obrazowania równoległego, Compressed SENSE i SmartSpeed
Źródło: Własne.
Ryc. 2 Widok łańcucha rekonstrukcji z zastosowaniem metod uczenia głębokiego
Źródło: Własne.
Podczas wprowadzania rozwiązań wykorzystujących sztuczną inteligencję pojawił się lęk, że maszyna i algorytmy całkowicie zastąpią pracownika. Na szczęście odchodzi się od takich myśli i przyjmuje się chętnie nowe rozwiązania, które pozwalają poprawić wyniki i komfort pracy. Sztuczna inteligencja zapewnia wsparcie w podejmowaniu decyzji diagnostycznych i poprawia wydajność pracy. Uczenie maszynowe i głębokie wykorzystywane jest do tworzenia algorytmów rekonstrukcyjnych, analizy dużej ilości otrzymywanych danych i działania na nich poprzez wykorzystanie konwolucyjnych sieci neuronowych.
Rozwiązanie firmy Philips jest innowacyjne i różni się od innych dostępnych systemów na rynków poprzez zastosowanie algorytmów uczenia na każdym etapie wykonywania badania. Zaczynając od wyboru strategii próbkowania, akwizycji i rekonstrukcji danych po postprocessingu obrazów (Ryc. 2).
W systemie SmartSpeed wykorzystano konwolucyjną sieć neuronową Adaptive-CS-Net. Po raz pierwszy sieć Adaptive CS-Net wykorzystano podczas wyzwania FastMRI 2019 dotyczącego obrazowania kolana, organizowanego przez New York Langone Health i Facebook AI Research. Stworzona sieć konwolucyjna wspierająca technologię Compressed SENSE została najlepiej oceniona przez siedmiu niezależnych jurorów biorących udział w konkursie.
Trenowanie sieci zastosowanej w systemie SmartSpeed obejmowało ponad 700 tysięcy obrazów 2D i 3D w celu przystosowania do rozpoznawania wszystkich anatomii i kontrastów wykonywanych badań. Dodatkowo sieć Adaptive-CS-Net zastosowana jest na początku skanowania, zapewniając integrację z akwizycją i rekonstrukcją danych. Powoduje to przyśpieszenie poszczególnych etapów skanowania i zapewnia pokrycie dla wszystkich anatomii pacjenta. Połączenie algorytmów sztucznej inteligencji jako sieci neuronowej i technologii Compressed SENSE zapewniają bezkonkurencyjne rozwiązanie zapewniające najlepszą jakość i szybkość obrazowania.
Ryc. 3 Proponowana architektura sieci adaptacyjnej Adaptive-CS-Net
Źródło: Pezzotti N., Yousefi S., Elmahdy M.S., et al. An Adaptive Intelligence Algorithm for Undersampled Knee MRI Reconstruction. IEEE Access. 2020;8:204825-204838.
System SmartSpeed działa na podstawie technologii Compressed SENSE i przenosi ją na kolejny wyższy poziom poprzez rozszerzenie jej zakresu o dodatkowe protokoły obrazowania i optymalizację procesu rekonstrukcji danych. Wybrane protokoły, które zawierają się w SmartSpeed, to:
• Philips SmartSpeed MotionFree: rozwiązanie stosowane do szybkiego obrazowania z eliminacją artefaktów ruchowych. Zastosowano połączenie szybkiej rekonstrukcji Compressed SENSE i akwizycję MultiVane XD, która gwarantuje dobrą jakość obrazowania w przypadku poruszającego się pacjenta. Artefakty ruchowe powstałe poprzez ruch lub oddech pacjenta zostały zredukowane w 90% przypadków w porównaniu z konwencjonalnym obrazowaniem kartezjańskim.
• Philips SmartSpeed Implant: rozwiązanie umożliwiające obrazowanie wokół implantów metalowych tak szybko, jak zwykłe obrazowanie MSK, bez pogorszenia jakości obrazu. Zastosowano sprawdzone oprogramowanie O-MAR XD w połączeniu z możliwościami szybkiego obrazowania SmartSpeed, dzięki czemu możliwe jest znaczne skrócenie czasu skanowania w kompleksowym badaniu (T1w, T2w, PDw, STIR) przy zachowaniu jakości obrazu.
• Philips SmartSpeed Diffusion: przyspieszenie obrazowania dyfuzji i poprawa jakości diagnostyki za pomocą redukcji szumów związanych ze współczynnikiem g. Używane jest w celu poprawy współczynnika SNR poszczególnych pomiarów obrazowania dyfuzyjnego, skrócenia czasu skanowania i poprawy rozdzielczości.
• Philips SmartSpeed 3D FreeBreathing: skracanie czasu skanowania przy swobodnym oddychaniu 3DT1w, umożliwiając skanowanie po podaniu kontrastu. Trójwymiarowa akwizycja T1 bez konieczności wstrzymywania oddechu przez pacjenta jest możliwa dzięki zintegrowaniu technologii 3DVane XD z przyśpieszeniem możliwym do uzyskania dzięki SmartSpeed.
Pełna wersja artykułu dostępna w TUTAJ .
WYDANIE 1/2022