Background and Objective: Plane reformatting for four-dimensional phase contrast MRI (4D flow MRI) is time-consuming and prone to inter-observer variability, which limits fast cardiovascular flow assessment. Deep reinforcement learning (DRL) trains agents to iteratively adjust plane position and orientation, enabling accurate plane reformatting without the need for detailed landmarks, making it suitable for images with limited contrast and resolution such as 4D flow MRI. However, current DRL methods assume that test volumes share the same spatial alignment as the training data, limiting generalization across scanners and institutions. To address this limitation, we introduce AdaPR (Adaptive Plane Reformatting), a DRL framework that uses a local coordinate system to navigate volumes with arbitrary positions and orientations. Methods: We implemented AdaPR using the Asynchronous Advantage Actor-Critic (A3C) algorithm and validated it on 88 4D flow MRI datasets acquired from multiple vendors, including patients with congenital heart disease. Results: AdaPR achieved a mean angular error of 6.32 +/- 4.15 degrees and a distance error of 3.40 +/- 2.75 mm, outperforming global-coordinate DRL methods and alternative non-DRL methods. AdaPR maintained consistent accuracy under different volume orientations and positions. Flow measurements from AdaPR planes showed no significant differences compared to two manual observers, with excellent correlation (R^2 = 0.972 and R^2 = 0.968), comparable to inter-observer agreement (R^2 = 0.969). Conclusion: AdaPR provides robust, orientation-independent plane reformatting for 4D flow MRI, achieving flow quantification comparable to expert observers. Its adaptability across datasets and scanners makes it a promising candidate for medical imaging applications beyond 4D flow MRI.


翻译:背景与目的:四维相位对比磁共振成像(4D flow MRI)的平面重建过程耗时且易受观察者间差异影响,限制了心血管血流快速评估。深度强化学习(DRL)通过训练智能体迭代调整平面位置与方向,无需依赖详细解剖标志即可实现精确平面重建,适用于4D flow MRI等对比度与分辨率有限的影像。然而,现有DRL方法假设测试数据与训练数据具有相同的空间配准,限制了其在跨扫描设备与机构的泛化能力。为突破此局限,我们提出AdaPR(自适应平面重建)——一种采用局部坐标系在任意位置与方向数据中导航的DRL框架。方法:我们基于异步优势演员-评论家(A3C)算法实现AdaPR,并在包含先天性心脏病患者的88组多厂商4D flow MRI数据集上进行验证。结果:AdaPR实现了平均角度误差6.32±4.15度、距离误差3.40±2.75毫米的性能,优于全局坐标系DRL方法及其他非DRL方法。在不同数据方位与位置下,AdaPR均保持稳定的精度。基于AdaPR重建平面的血流测量结果与两位人工观察者无显著差异,且相关性优异(R^2=0.972与R^2=0.968),达到观察者间一致性水平(R^2=0.969)。结论:AdaPR为4D flow MRI提供了稳健且方位无关的平面重建方案,其血流量化结果与专家观察者相当。该框架对多源数据与扫描设备的适应能力,使其在4D flow MRI之外的医学影像应用中也具有广阔前景。

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