Publicação

Design of a diffusion phantom for quality control of spinal cord DTI and EPI distortion improvement

Detalhes bibliográficos
Resumo:	A imagem ponderada em difusão (DWI) é uma técnica de ressonância magnética (MR) capaz de medir a magnitude da difusão de moléculas de água nos tecidos. A extensão desta técnica, a imagem por tensor de difusão (DTI) utiliza gradientes aplicados ao longo de pelo menos seis direções diferentes no espaço e deste modo é capaz de estimar também a principal direção de difusão das moléculas de água nos tecidos. Consequentemente é possível obter informações sobre a microestrutura de órgãos complexos como o cérebro e a medula espinhal. Estruturas como a substância branca do cérebro e da medula espinhal, que são compostas por microfibras orientadas de forma coerente, são os principais alvos de estudo de DTI, visto que esta técnica é mais sensível a alterações que possam ocorrer na microestrutura de nervos ou neurónios. Contudo, a medula espinhal é um órgão que apresenta vários desafios em MR, especialmente em DTI. Em primeiro lugar, a medula espinhal tem uma dimensão relativamente pequena quando comparada com outros órgãos e isto impõe dificuldades em termos da razão sinal-ruído (SNR). Para além disso, as diferenças de suscetibilidade magnética entre diferentes tipos de tecidos (medula espinhal, líquido cefalorraquidiano - LCR, osso, etc.) faz com que o campo magnético seja menos homogéneo nessas regiões, o que por sua vez tem influência na origem de artefactos e distorções da imagem. Outras complicações estão relacionadas com movimentos fisiológicos (batimento cardíaco, respiração e fluxo do LCR). Em suma, estas complicações podem resultar em estimativas erróneas dos parâmetros de DTI, o que pode influenciar o diagnóstico. Com a evolução do hardware de MR e o desenvolvimento de novas sequências de impulsos, e a implementação de técnicas de imagem rápidas fez com que o DTI fosse praticável em ambiente clínico. A echo-planar imaging (EPI) é a principal sequência utilizada em DTI e permite a obtenção de uma imagem em menos de cem milissegundos. Contudo, a EPI é muito sensível a erros de fase e heterogeneidades do campo magnético que causam erros durante a reconstrução de imagem, fazendo com que a presença de artefactos ghost, distorções geométricas e de intensidade sejam frequentes. Deste modo, os passos necessários para a melhoria da qualidade de imagem não podem ser ignorados. Isso pode ser conseguido durante a aquisição, modificando as sequências, com a aplicação de técnicas como partial Fourier e parallel imaging que reduzem a quantidade de linhas do espaço-k que são preenchidas, e consequentemente diminuem a acumulação de erros relacionados com a EPI. Outra alternativa foca-se na melhoria da imagem após a aquisição, através da aplicação de métodos para correção de distorções e remoção de artefactos. Deste modo, quando as dificuldades do DTI da medula espinhal são ultrapassadas, este torna-se numa ferramenta de grande importância para o estudo de diversas patologias que afetam o sistema nervoso central (CNS), como é o caso da esclerose múltipla (MS). O principal objetivo deste estudo foi a otimização da sequência standard de DTI para a medula espinhal utilizada em ambiente clínico, utilizando uma antena head-neck-spine recentemente instalada. Para isso, foi construído um fantoma para simular as propriedades de difusão da água na substância branca da medula espinhal. O fantoma é composto por fibras de acrílico inseridas num tubo de plástico com dimensões semelhantes à medula espinhal. Posteriormente, o tubo foi mergulhado em água de modo a que ocorra perfusão das fibras, sendo assim possível simular algumas propriedades de difusão na medula espinhal. O fantoma foi mantido na sala de MR a uma temperatura estável e foi submetido a várias sessões de MR com o objetivo de determinar a configuração ideal da antena para a obtenção de imagens da medula espinhal, bem como para a obtenção de imagens de DTI que iriam ser utilizadas no pós-processamento. Problemas como a redução de ruído e minimização de artefactos foram abordados durante a aquisição das imagens e durante o pós-processamento. No pós-processamento, foi aplicado um método baseado na aquisição de duas imagens com gradiente invertido para correção de distorções provocadas por diferenças de suscetibilidade do campo magnético. Este método utiliza duas imagens de DTI obtidas nas mesmas condições e com os mesmos parâmetros, com a exceção do gradiente de codificação de fase que apresentam polaridades opostas, para calcular o mapa de deslocamento dos pixéis. Neste método, durante o cálculo do mapa de deslocamento (DM) dos pixéis responsável pelas distorções, foram aplicadas algumas inovações, nomeadamente um ajuste a uma curva sigmoide seguida por um ajuste a uma superfície polinomial. O método modificado foi otimizado e comparado com o original em termos de robustez na redução de distorções. Por fim, o mesmo protocolo de imagiologia e métodos de melhoria de qualidade de imagem foram aplicados a imagens de voluntários saudáveis. Os resultados demonstraram que o fantoma se manteve estável e as imagens obtidas foram reprodutíveis durante o decorrer do estudo. Os parâmetros de DTI como a anisotropia fracionada (FA) e o coeficiente de difusão aparente (ADC) foram calculados várias vezes e o seu valor foi sempre dentro dos limites espectáveis. Para além disso, os mapas de codificação de cores FA mostram que foi conseguida uma difusão anisotrópica nas fibras de acrílico, sendo que a difusão ocorre predominantemente na direção paralela à orientação das fibras tal como acontece no caso da substância branca da medula espinhal. As imagens de tractografia também mostram que as fibras são claramente distinguíveis das outras estruturas. Nas imagens de DTI não corrigidas, existem distorções geométricas e de intensidade, sendo que na região das fibras existem curvaturas e erros na estimativa da direção das fibras, fazendo com que a imagem não seja uma representação fidedigna do fantoma físico. Após a aplicação, na sua implementação original, do método de gradiente invertido para a correção de distorções, as regiões com baixa intensidade de sinal continuam a apresentar curvaturas e são mal representadas. Quando são aplicados o ajuste sigmoide e o ajuste à superfície polinomial, o método torna-se mais eficiente, sendo capaz de minimizar as distorções em regiões de baixo sinal, bem como no resto da imagem. Quando o mesmo método é aplicado às imagens de humanos, verifica-se que nas regiões da imagem em que apenas existem distorções e não ocorrem artefactos ghost, o método de correção é capaz de minimizar essas distorções. Contudo, na presença de artefactos que não sejam apenas distorções, a correção é menos eficiente. Em suma, o fantoma apresentado, apesar de ser uma simplificação da estrutura complexa da medula espinhal, é um objeto estável que permitiu o estudo e otimização de uma sequência de DTI para a medula espinhal, bem como o teste de métodos de pós-processamento para a melhoria da qualidade de imagem.
Autores principais:	Robalo, Bruno Miguel de Brito
Assunto:	Fantoma de difusão Imagem por tensor de difusão Medula espinhal Distorções de suscetibilidade magnética Tractografia Substância branca Teses de mestrado - 2016
Ano:	2016
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	A imagem ponderada em difusão (DWI) é uma técnica de ressonância magnética (MR) capaz de medir a magnitude da difusão de moléculas de água nos tecidos. A extensão desta técnica, a imagem por tensor de difusão (DTI) utiliza gradientes aplicados ao longo de pelo menos seis direções diferentes no espaço e deste modo é capaz de estimar também a principal direção de difusão das moléculas de água nos tecidos. Consequentemente é possível obter informações sobre a microestrutura de órgãos complexos como o cérebro e a medula espinhal. Estruturas como a substância branca do cérebro e da medula espinhal, que são compostas por microfibras orientadas de forma coerente, são os principais alvos de estudo de DTI, visto que esta técnica é mais sensível a alterações que possam ocorrer na microestrutura de nervos ou neurónios. Contudo, a medula espinhal é um órgão que apresenta vários desafios em MR, especialmente em DTI. Em primeiro lugar, a medula espinhal tem uma dimensão relativamente pequena quando comparada com outros órgãos e isto impõe dificuldades em termos da razão sinal-ruído (SNR). Para além disso, as diferenças de suscetibilidade magnética entre diferentes tipos de tecidos (medula espinhal, líquido cefalorraquidiano - LCR, osso, etc.) faz com que o campo magnético seja menos homogéneo nessas regiões, o que por sua vez tem influência na origem de artefactos e distorções da imagem. Outras complicações estão relacionadas com movimentos fisiológicos (batimento cardíaco, respiração e fluxo do LCR). Em suma, estas complicações podem resultar em estimativas erróneas dos parâmetros de DTI, o que pode influenciar o diagnóstico. Com a evolução do hardware de MR e o desenvolvimento de novas sequências de impulsos, e a implementação de técnicas de imagem rápidas fez com que o DTI fosse praticável em ambiente clínico. A echo-planar imaging (EPI) é a principal sequência utilizada em DTI e permite a obtenção de uma imagem em menos de cem milissegundos. Contudo, a EPI é muito sensível a erros de fase e heterogeneidades do campo magnético que causam erros durante a reconstrução de imagem, fazendo com que a presença de artefactos ghost, distorções geométricas e de intensidade sejam frequentes. Deste modo, os passos necessários para a melhoria da qualidade de imagem não podem ser ignorados. Isso pode ser conseguido durante a aquisição, modificando as sequências, com a aplicação de técnicas como partial Fourier e parallel imaging que reduzem a quantidade de linhas do espaço-k que são preenchidas, e consequentemente diminuem a acumulação de erros relacionados com a EPI. Outra alternativa foca-se na melhoria da imagem após a aquisição, através da aplicação de métodos para correção de distorções e remoção de artefactos. Deste modo, quando as dificuldades do DTI da medula espinhal são ultrapassadas, este torna-se numa ferramenta de grande importância para o estudo de diversas patologias que afetam o sistema nervoso central (CNS), como é o caso da esclerose múltipla (MS). O principal objetivo deste estudo foi a otimização da sequência standard de DTI para a medula espinhal utilizada em ambiente clínico, utilizando uma antena head-neck-spine recentemente instalada. Para isso, foi construído um fantoma para simular as propriedades de difusão da água na substância branca da medula espinhal. O fantoma é composto por fibras de acrílico inseridas num tubo de plástico com dimensões semelhantes à medula espinhal. Posteriormente, o tubo foi mergulhado em água de modo a que ocorra perfusão das fibras, sendo assim possível simular algumas propriedades de difusão na medula espinhal. O fantoma foi mantido na sala de MR a uma temperatura estável e foi submetido a várias sessões de MR com o objetivo de determinar a configuração ideal da antena para a obtenção de imagens da medula espinhal, bem como para a obtenção de imagens de DTI que iriam ser utilizadas no pós-processamento. Problemas como a redução de ruído e minimização de artefactos foram abordados durante a aquisição das imagens e durante o pós-processamento. No pós-processamento, foi aplicado um método baseado na aquisição de duas imagens com gradiente invertido para correção de distorções provocadas por diferenças de suscetibilidade do campo magnético. Este método utiliza duas imagens de DTI obtidas nas mesmas condições e com os mesmos parâmetros, com a exceção do gradiente de codificação de fase que apresentam polaridades opostas, para calcular o mapa de deslocamento dos pixéis. Neste método, durante o cálculo do mapa de deslocamento (DM) dos pixéis responsável pelas distorções, foram aplicadas algumas inovações, nomeadamente um ajuste a uma curva sigmoide seguida por um ajuste a uma superfície polinomial. O método modificado foi otimizado e comparado com o original em termos de robustez na redução de distorções. Por fim, o mesmo protocolo de imagiologia e métodos de melhoria de qualidade de imagem foram aplicados a imagens de voluntários saudáveis. Os resultados demonstraram que o fantoma se manteve estável e as imagens obtidas foram reprodutíveis durante o decorrer do estudo. Os parâmetros de DTI como a anisotropia fracionada (FA) e o coeficiente de difusão aparente (ADC) foram calculados várias vezes e o seu valor foi sempre dentro dos limites espectáveis. Para além disso, os mapas de codificação de cores FA mostram que foi conseguida uma difusão anisotrópica nas fibras de acrílico, sendo que a difusão ocorre predominantemente na direção paralela à orientação das fibras tal como acontece no caso da substância branca da medula espinhal. As imagens de tractografia também mostram que as fibras são claramente distinguíveis das outras estruturas. Nas imagens de DTI não corrigidas, existem distorções geométricas e de intensidade, sendo que na região das fibras existem curvaturas e erros na estimativa da direção das fibras, fazendo com que a imagem não seja uma representação fidedigna do fantoma físico. Após a aplicação, na sua implementação original, do método de gradiente invertido para a correção de distorções, as regiões com baixa intensidade de sinal continuam a apresentar curvaturas e são mal representadas. Quando são aplicados o ajuste sigmoide e o ajuste à superfície polinomial, o método torna-se mais eficiente, sendo capaz de minimizar as distorções em regiões de baixo sinal, bem como no resto da imagem. Quando o mesmo método é aplicado às imagens de humanos, verifica-se que nas regiões da imagem em que apenas existem distorções e não ocorrem artefactos ghost, o método de correção é capaz de minimizar essas distorções. Contudo, na presença de artefactos que não sejam apenas distorções, a correção é menos eficiente. Em suma, o fantoma apresentado, apesar de ser uma simplificação da estrutura complexa da medula espinhal, é um objeto estável que permitiu o estudo e otimização de uma sequência de DTI para a medula espinhal, bem como o teste de métodos de pós-processamento para a melhoria da qualidade de imagem.