Development of quality control protocol and software tool for the correction of geometric distortions and signal inhomogeneities in nagnetic resonance images
Authors: Παππάς Ελευθέριος 
Published: September 2021

Η Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (ΑΜΣ) χρησιμοποιείται ευρύτατα στις σύγχρονες ακτινοθεραπευτικές εφαρμογές και ιδιαίτερα στο σχεδιασμό πλάνου θεραπείας στη Στερεοτακτική Ακτινοχειρουργική (ΣΑ) για ενδοκρανιακές θεραπείες. Η επιλογή αυτή δικαιολογείται από την εξαιρετική αντίθεση μαλακού ιστού που προσφέρει η ΑΜΣ σε σχέση με την Υπολογιστική Τομογραφία (ΥΤ) καθώς επίσης και την ευελιξία στην αντίθεση εικόνας. Έτσι, με τη βοήθεια εικόνων ΑΜΣ επιτυγχάνεται καλύτερη περιγραφή και χαρακτηρισμός του όγκου-στόχου. Ειδικότερα για θεραπείες εγκεφαλικών μεταστάσεων και άλλων βλαβών, η ΑΜΣ αποτελεί την πρώτη επιλογή απεικονιστικής τεχνικής τόσο για τον όγκο-στόχο όσο και τους υγιείς ιστούς. Αυτή η επιλογή όμως έρχεται σε βάρος της γεωμετρικής ακρίβειας καθώς είναι ευρέως γνωστό ότι οι εικόνες ΑΜΣ φέρουν γεωμετρική παραμόρφωση. Μετά από μία σύντομη παράθεση του σχετικού θεωρητικού υποβάθρου, στο δεύτερο μέρος της παρούσας εργασίας διενεργήθηκε αξιολόγηση των γεωμετρικών παραμορφώσεων που σχετίζονται με τις εικόνες ΑΜΣ. Για το σκοπό αυτό, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένα ειδικό ομοίωμα για τον χαρακτηρισμό τους και εφαρμόστηκε σε ακολουθίες και παραμέτρους απεικόνισης ΑΜΣ που χρησιμοποιούνται κλινικά κατά το σχεδιασμό πλάνου θεραπείας στην ΣΑ, σύμφωνα με πρωτόκολλα θεραπείας που βασίζονται είτε στην ΑΜΣ μόνο, είτε επικουρικά. Το ομοίωμα φέρει 947 σημεία ελέγχου (ΣΕ) και σχεδιάστηκε ώστε να είναι συμβατό με το πηνίο κεφαλής καθώς και το Leksell στερεοτακτικό πλαίσιο που χρησιμοποιείται για την ακινητοποίηση του ασθενούς και τον ορισμό του στερεοτακτικού χώρου σε εφαρμογές ΣΑ. Οι παραμορφώσεις που επάγονται από το σύστημα αξιολογήθηκαν με και χωρίς την παρουσία του στερεοτακτικού πλαισίου. Μετά από απαλοιφή των παραμορφώσεων που σχετίζονται με τις ανομοιογένειες του στατικού μαγνητικού πεδίου, απουσία του στερεοτακτικού πλαισίου η μετρούμενη μέση παραμόρφωση που σχετίζεται με τη μη-γραμμικότητα των βαθμιδωτών πεδίων ήταν 0.53 mm. Αντίθετα, παρουσία του πλαισίου, ανιχνεύθηκε αύξηση της παραμόρφωσης αυτής (μέχρι και 5 mm) στην περιοχή γύρω από τη βάση του πλαισίου, λόγω των δεινορευμάτων που επάγονται στον κλειστό της βρόγχο από αλουμίνιο. Αν και η περιοχή μέγιστης παραμόρφωσης δεν βρίσκεται εντός του όγκου που μπορεί να ακτινοβοληθεί με ΣΑ, η εν λόγω παραμόρφωση εξαλείφεται σε απόσταση περίπου 90 mm από τη βάση του πλαισίου. Οι έντονες παραμορφώσεις που παρατηρήθηκαν εκτός του όγκου που δύναται να ακτινοβοληθεί, μπορεί όμως να υποβαθμίσουν την ακρίβεια ακτινοβόλησης μέσω του επηρεασμού της χωρικής ευθυγράμμισης (π.χ., η θέση του κατώτερου μέρους του ειδικού σημαδιού σχήματος Ν που ορίζει τον στερεοτακτικό χώρο μπορεί να είναι χωρικά στρεβλωμένο). Οι παραμορφώσεις που σχετίζονται με το σύστημα απεικόνισης ανιχνεύθηκαν και σε εικόνες ασθενούς. Χρησιμοποιώντας αγγειογραφία ΥΤ ως εικόνα αναφοράς του ασθενούς, μια απόκλιση 1.1 mm εντοπίστηκε σε δύο αγγεία που βρίσκονται σε μικρή απόσταση από τη βάση του πλαισίου, ενώ εξαιρετική χωρική συμφωνία είχε ένα άλλο αγγείο ευρισκόμενο σε μεγάλη απόσταση από αυτήν. Το ίδιο ομοίωμα απεικονίστηκε σε 1.5 και 3.0Τ με χρήση τριών διαφορετικών κλινικών πρωτοκόλλων ΑΜΣ για χρήση σε σχεδιασμό πλάνου θεραπείας στην ΣΑ. Αξιολογήθηκαν οι παραμορφώσεις που σχετίζονται με την ανομοιογένεια του Β0 μαγνητικού πεδίου και τη μη-γραμμικότητα των βαθμιδωτών πεδίων. Περιοχές αυξημένης παραμόρφωσης καταγράφηκαν στις παρυφές του χαρτογραφούμενου όγκου, ο οποίος ήταν συγκρίσιμος με μια τυπική σάρωση κεφαλής. Αν και η μέση απόλυτη παραμόρφωση δεν ξεπέρασε τα 0.5 mm σε κανένα χωρικό άξονα, η μέγιστη απόκλιση ΣΕ έφτασε τα 2 mm. Στη συνέχεια, το ομοίωμα τροποποιήθηκε καταλλήλως ώστε να φέρει δύο κυλινδρικές δομές που προσομοιάζουν εγκεφαλικές μεταστάσεις. Οι δομές γεμίστηκαν με διάφορες συγκεντρώσεις (0-20 mM) του σκιαγραφικού Gd-DTPA (συχνά χορηγούμενο στην ΑΜΣ για ΣΑ εγκεφάλου) με σκοπό τον χαρακτηρισμό των παραμορφώσεων που επάγονται από το ίδιο το σκιαγραφικό. Η μέθοδος αναστροφής της πολικότητας της βαθμίδας κωδικοποίησης της συχνότητας συνδυάστηκε με την τεχνική χαρτογράφησης πεδίου ώστε να είναι δυνατός ο διαχωρισμός μεταξύ των πηγών παραμόρφωσης. Το σκιαγραφικό βρέθηκε ότι επηρεάζει σημαντικά τη θέση των δομών, με την απόκλιση να φτάνει κατά μέσο όρο τα 0.067 mm/mM (0.204 ppm/mM). Μετά από χορήγηση κλινικής δόσης του ίδιου σκιαγραφικού, εικόνες ΑΜΣ ασθενών με συνολικά 10 εγκεφαλικές μεταστάσεις/στόχους μελετήθηκαν εφαρμόζοντας παρόμοια μεθοδολογία. Η συνολική αβεβαιότητα στο χωρικό εντοπισμό των όγκων ήταν κατά μέσο όρο 0.54 mm (2.24 ppm) για το πρωτόκολλο ΑΜΣ που χρησιμοποιήθηκε, σε συμφωνία με τα αποτελέσματα του ομοιώματος. Σε μια προσπάθεια να καθοριστεί ποια γεωμετρική αβεβαιότητα μπορεί να είναι ανεκτή, πλάνα θεραπείας υψηλής συμμόρφωσης χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση ακτινοβόλησης στόχων διαφόρων διαμέτρων (5 έως 50 mm). Χωρικές μεταθέσεις από 0.5 έως 3 mm εφαρμόστηκαν εσκεμμένα στους στόχους. Στη συνέχεια, υπολογίστηκαν ιστογράμματα δόσης-όγκου και δείκτες ποιότητας πλάνου που χρησιμοποιούνται κλινικά για την αξιολόγηση και αποδοχή πλάνων θεραπείας. Τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για τη διερεύνηση της επιρροής της γεωμετρικής αβεβαιότητας (παραμόρφωσης) στην ακρίβεια της εναπόθεσης της δόσης και στην ποιότητα του πλάνου. Η τελευταία βρέθηκε ότι εξαρτάται ισχυρά από τις διαστάσεις του στόχου. Για στόχους μικρότερους των 20 mm σε διάμετρο, μια χωρική μετατόπιση της τάξης του 1 mm μπορεί να επιφέρει σημαντική μεταβολή (>5%) στα κριτήρια ποιότητας/αποδοχής του πλάνου. Για στόχους διαμέτρου πάνω από 2 cm, η αντίστοιχη μετατόπιση βρέθηκε ότι είναι πάνω από 1.5 mm. Στο τελευταίο μέρος αυτής της εργασίας, αξιολογήθηκαν ή/και αναπτύχθηκαν τεχνικές και αλγόριθμοι διόρθωσης της γεωμετρικής παραμόρφωσης. Συγκεκριμένα, η αποτελεσματικότητα των αλγορίθμων διόρθωσης (μόνο για τη μη-γραμμικότητα βαθμίδων) που παρέχονται από τους κατασκευαστές αξιολογήθηκε αρχικά για ποικιλία συστημάτων ΑΜΣ, μετά από το σχεδιασμό και κατασκευή μιας εξελιγμένης έκδοσης του ομοιώματος χαρτογράφησης παραμόρφωσης, με υψηλή διακριτική ικανότητα, το οποίο φέρει σχεδόν 2000 ΣΕ. Επίσης, η μεθοδολογία διόρθωσης μέσης-εικόνας αναπτύχθηκε και αξιολογήθηκε τόσο σε εικόνες ομοιώματος όσο και σε ασθενών. Η προτεινόμενη τεχνική βασίζεται στη μέθοδο αναστροφής της πολικότητας και για το λόγο αυτό απαιτεί δύο σαρώσεις ΑΜΣ. Συγκεκριμένα, η νέα εικόνα συντίθεται από τις μέσες τιμές των εντάσεων σήματος των αντίστοιχων εικόνων αντίθετης πολικότητας, υπολογισμένες πίξελ-προς-πίξελ. Η μέθοδος διόρθωσης αυτή βρέθηκε αποδοτική στην ελαχιστοποίηση παραμορφώσεων που εξαρτώνται από την ακολουθία που χρησιμοποιείται. Επιπλέον, διεξήχθη μια συγκριτική μελέτη που περιλάμβανε την πιο καλά καθιερωμένη μέθοδο διόρθωσης που βασίζεται στην ολοκλήρωση του σήματος, αφού αναπτύχθηκαν όλες οι απαραίτητες σχετικές ρουτίνες για την εφαρμογή της. Και οι δύο μέθοδοι διόρθωσης βρέθηκαν να αποδίδουν εξίσου καλά, ελαχιστοποιώντας τη μέση και διάμεσο εναπομείνουσα παραμόρφωση. Η μέθοδος ολοκλήρωσης σήματος, όμως, απαιτεί μερικές ώρες υπολογιστικού χρόνου μετά τη λήψη των εικόνων, ενώ η μέση-εικόνα είναι πιο αποδοτική και πιο απλή στην εφαρμογή της.