Optimization of Scan Time in MRI for Total Hip Prostheses: SEMAC Tailoring for Prosthetic Implants Containing Different Types of Metals

Abstract

Introduction: Magnetic resonance imaging (MRI) of soft tissues after total hip arthroplasty is of clinical interest for the diagnosis of various pathologies that are usually invisible with other imaging modalities. As a result, considerable effort has been put into the development of metal artifact reduction MRI strategies, such as slice encoding for metal artifact correction (SEMAC). Generally, the degree of metal artifact reduction with SEMAC directly relates to the overall time spent for acquisition, but there is no specific consensus about the most efficient sequence setup depending on the implant material. The aim of this article is to suggest material-tailored SEMAC protocol settings.

Materials and Methods: Five of the most common total hip prostheses (1. Revision prosthesis (S-Rom), 2. Titanium alloy, 3. Müller type (CoNiCRMo alloy), 4. Old Charnley prosthesis (Exeter/Stryker), 5. MS-30 stem (stainless-steel)) were scanned on a 1.5 T MRI clinical scanner with a SEMAC sequence with a range of artifact-resolving slice encoding steps (SES: 2 – 23) along the slice direction (yielding a total variable scan time ranging from 1 to 10 min). The reduction of the artifact volume in comparison with maximal artifact suppression was evaluated both quantitatively and qualitatively in order to establish a recommended number of steps for each case.

Results: The number of SES that reduced the artifact volume below approximately 300 mm³ ranged from 3 to 13, depending on the material. Our results showed that although 3 SES steps can be sufficient for artifact reduction for titanium prostheses, at least 11 SES should be used for prostheses made of materials such as certain alloys of stainless steel.

Conclusion: Tailoring SES to the implant material and to the desired degree of metal artifact reduction represents a simple tool for workflow optimization of SEMAC imaging near total hip arthroplasty in a clinical setting.

Key Points:

• Five of the most common total hip prostheses have been investigated in vitro.

• Tailored SEMAC protocols – in terms of scan duration – have been determined.

• Tailoring was similar for T_1-weighted and inversion recovery SEMAC MRI.

• The suggested prosthesis-related SEMAC adaptation shortens clinical scan times.

Citation Format:

• Deligianni X, Bieri O, Elke R et al. Optimization of Scan Time in MRI for Total Hip Prostheses: SEMAC Tailoring for Prosthetic Implants Containing Different Types of Metals. Fortschr Röntgenstr 2015; 187: 1116 – 1122

Zusammenfassung

Einführung: Die Magnetresonanztomografie (MRT) der periprothetischen Weichteile nach Hüftendoprothetik ist von grosser klinischer Relevanz für die Diagnose verschiedenster Erkrankungen, die mit anderen bildgebenden Verfahren nicht darstellbar sind. Aus diesem Grund wird viel Forschungsarbeit in die Entwicklung von MRT-Techniken zur Reduzierung von Metallartefakten investiert. Ein Beispiel hierfür ist SEMAC – eine Methode, die mittels Schichtkodierung dazu beiträgt, metallinduzierte Artefakte abzuschwächen. Grundsätzlich korreliert die Stärke der Artefaktverringerung bei der Anwendung von SEMAC direkt mit der Messzeit. Es ist jedoch bis anhin unklar, wie die Parameter der MRT-Sequenz abhängig vom Material des Implantats am effizientesten eingestellt werden sollten. Das Ziel dieser Arbeit ist es, SEMAC MRT-Protokolle zu optimieren, sodass sie auf die jeweiligen Implantatmaterialien zugeschnitten sind.

Material und Methoden: Fünf der am häufigsten verwendeten Hüftprothesen (1. Revisionsprothese (S-Rom), 2. Titanium-Legierung, 3. Müller-Typ (CoNiCrMo-Legierung), 4. Old Charnley-Prothese (Exeter / Stryker), 5. MS-30-Schaft (Edelstahl) wurden in einem 1,5 Tesla MRT-Scanner mit einer klinischen SEMAC-Sequenz und unterschiedlicher Anzahl an Schichtkodierungsschritten (SES) gemessen (2 – 23 Schritte). Die Verkleinerung der von Artefakten betroffenen Fläche im Vergleich zur maximalen Artefaktunterdrückung wurde quantitativ und qualitativ ausgewertet mit dem Ziel, für jede der fünf gemessenen Prothesen eine optimale Anzahl an Schichtkodierungsschritten zu finden. Die resultierende Scanzeit variierte von 1 bis 10 min.

Ergebnisse: Die Anzahl der SES, die das Artefaktvolumen auf unter 300 mm³ reduzierte, reichte von 3 bis 13 abhängig vom Implantatmaterial. Die Ergebnisse zeigten, dass für Titanprothesen bereits 3 SES ausreichen können, um Metallartefakte effektiv zu reduzieren, während für Prothesen aus anderen Materialien wie Legierungen aus rostfreiem Stahl mindestens 11 SES verwendet werden sollten.

Schlussfolgerung: Das Abstimmen der SES auf das verwendete Implantatmaterial und auf den gewünschten Grad an Artefaktunterdrückung ist ein einfaches Mittel, um die klinische SEMAC-Bildgebung bei Vorliegen einer Totalendoprothese des Hüftgelenks zu optimieren.

Kernaussagen:

• In vitro-Untersuchung der fünf gebräuchlichsten Totalendoprothesen für das Hüftgelenk.

• Bestimmung optimaler SEMAC-Protokolle hinsichtlich der Messzeit.

• Die Optimierungen der T1-gewichteten und der „Inversion Recovery“ SEMAC MRT-Protokolle waren vergleichbar.

• Die vorgeschlagene Anpassung der SEMAC-Protokolle abhängig von den verwendeten Prothesen führt zu kürzeren klinischen Messzeiten.

Key words

prostheses - imaging sequences - femur

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