Advanced computational algorithms for the estimation of quantitative MRI parameters via 2D/3D parametric mapping
Authors: Καλαϊτζάκης Γεώργιος 
Published: September 2021

Η χρήση της μαγνητικής τομογραφίας ως ποσοτικού εργαλείου έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον και έχει σημαντικό αντίκτυπο στη διάγνωση παθολογικών ιστών. Σε συμβατική μαγνητική τομογραφία, η αντίθεση της εικόνας βασίζεται στον Τ1 (διαμήκης χρόνος αποκατάστασης ), στον Τ2 (εγκάρσιος χρόνος αποκατάστασης), στον T2* (συνολικός χρόνος εγκάρσιας αποκατάστασης) και στη μοριακή διάχυση και ροή νερού / αίματος. Το τελικό σήμα voxel εικόνας 2D / 3D MR λαμβάνεται από τις έμμεσες συνεισφορές όλων των παραπάνω παραμέτρων και παρουσιάζεται ως εικόνα 2D / 3D MR με αντίθεση με βάση το σχετικό βάρος παραμέτρων (T1-W, T2-W, T2 * W, Diffusion-W κ.λπ.). Ένας παραμετρικός χάρτης, είναι το αποτέλεσμα μιας μαθηματικής προσαρμογής του σήματος για κάθε μια από αυτές τις παραμέτρους. Συνεπώς, η ακρίβεια της μεθόδου για την προσαρμογή αυτή είναι υψηλής σημασίας ώστε να είναι ακριβής η μέτρηση. Επίσης, αρκετές προηγμένες τεχνικές και μέθοδοι μέτρησης υπάρχουν στην βιβλιογραφία αλλά δεν συμπεριλαμβάνονται στα πρωτόκολλα εξετάσεων των νοσοκομείων. Συνεπώς, οι προκλήσεις στην ποσοτική μαγνητική τομογραφία μπορούν να χωριστούν σε προκλήσεις ανάλυσης, όπου το ερώτημα είναι η ακρίβεια των μεθόδων υπολογισμού και σε προκλήσεις συστήματος, δεδομένου πως μέχρι στιγμής χρειάζεται ένα τρίτο λογισμικό, υψηλού κόστους για τον υπολογισμό μεμονομένων μετρήσεων για κάθε μια παράμετρο. Δεν υπάρχει μέχρι στιγμής ένα εργαλείο να μπορεί να ενσωματωθεί στο υπάρχων σύστημα στο νοσοκομείο, ώστε να περιλαμβάνει όλες αυτές τις βελτιστοποιημένες και προηγμένες τεχνικές μαζί. Μετά από ανάλυση του θεωρητικού υπόβαθρου, για να αντιπετωπίσουμε αυτές τις προκλήσεις, η διατριβή και η μεθοδολογία μπορεί να χωριστεί σε τέσσερα μέρη. 1. Mελέτες ομοιωμάτων. Kατασκευάστηκαν ειδικά ομοιώματα προσομοίωσης ιστών. Αυτά τα ομοιώματα προσομοιάζουν τα χαρακτηριστικά χρόνων αποκατάστασης και διάχυσης των επιλεγμένων παθολογιών και ασθενειών. Τα ομοιώματα μετρήθηκαν επανειλημμένα για περίοδο έξι μηνών. Όλοι οι αλγόριθμοι υπολογισμών χρόνων και διάχυσης χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση των Τ1, Τ2, Τ2 * και ADC των ομοιωμάτων μέσω των τεχνικών παραμετρικής χαρτογράφησης 2D / 3D. Παρατηρήθηκαν βραχυπρόθεσμα και μακροπρόθεσμα στοιχεία ακρίβειας για τις μεθοδολογίες μέτρησης. Διαφορετικοί αλγόριθμοι δοκιμάστηκαν όσον αφορά την ακρίβεια της μέτρησης, την επαναληψιμότητα, την αξιοπιστία και την ταχύτητα. 2. Βελτιστοποίηση των αλγορίθμων, για τη μέτρηση γρήγορων και αξιόπιστων μετρήσεων T2 και T2* μέσω των παραμετρικών χαρτών T2 και T2*. Στην περίπτωση των μετρήσεων Τ2, εκτός από τις συνηθισμένες προσεγγίσεις όπως η απλή εκθετική συμπεριφορά, εκτελέστηκε μια πληρέστερη και πολύπλοκη ανάλυση θεωρώντας την πολυεκθετική ανάλυση Τ2 και τους χάρτες κατανομής Τ2. Αυτός ο κατάλληλος και σύγχρονος αλγόριθμος που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στο πλαίσιο αυτής της εργασίας, έδωσε πολύτιμες επιπλέον πληροφορίες για τις τιμές κατανομής Τ2, περιγράφοντας διαφορετικά μοριακά περιβάλλοντα από ένα ενιαίο σύνολο τιμών TE. 3. Εφαρμογή σε ασθενείς. Οι πολυεκθετικές αναλύσεις Τ2 και οι παραμετρικοί χάρτες κατανομής Τ2 χρησιμοποιήθηκαν για τον ποσοτικό προσδιορισμό των δεσμευμένων σε μυελίνη και ελεύθερων δομών νερού σε ασθενείς με πολλαπλή σκλήρυνση (MS). Επιπρόσθετα, οι εφαρμογές της παραμετρικής χαρτογράφησης 2D / 3D T2 και T2* περιελάμβαναν επίσης εφαρμογές στην αιμοσιδήρωση του ήπατος για την εκτίμηση του σιδήρου σε ασθενείς με πολλαπλή μετάγγιση θαλασσαιμίας. Επιπλέον, εφαρμόστηκαν καινοτόμες μέθοδοι για τον υπολογισμό του συντελεστή μοριακής διάχυσης (ADC) χρησιμοποιώντας πολλαπλές ακολουθίες EPI και HASTE MRI. Κατασκευάστηκαν παραμετρικοί χάρτες μικρο-αιμάτωσης (D*) και πραγματικής διάχυσης (D) με τη χρήση διπλών εκθετικών αλγορίθμων ανάλυσης αποσύνθεσης που εφαρμόστηκαν σε σήματα μαγνητικής τομογραφίας πολλαπλών b (10b) διάχυσης. Οι εφαρμογές της παραμετρικής χαρτογράφησης 2D ADC (D *) και ADC (D) επικεντρώθηκαν στην πολλαπλή σκλήρυνση. Οι χάρτες ADC (D *) συσχετίστηκαν με τους παραμετρικούς χάρτες DCE-MRI και με τους παραμετρικούς χάρτες DSC-MRI. Στο τελευταίο μέρος, αυτοί οι αλγόριθμοι υλοποιήθηκαν σε ένα 4. PACS - Workstation για την καθημερινή κλινική πράξη.