Quality assurance in modern techniques of functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) based on BOLD using special anthropomorphic phantoms
Authors: Μπουρσιάνης Θεμιστοκλής 
Published: September 2022

Η μαγνητική τομογραφία είναι μια από τις πιο προηγμένες τεχνικές που χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για την απεικόνιση του ανθρώπινου σώματος στις μέρες μας. Διαφορετικοί φυσιολογικοί μηχανισμοί χρησιμοποιούνται για τη διενέργεια προηγμένων εξετάσεων όπως η λειτουργική μαγνητική τομογραφία που εξαρτάται από την αντίθεση BOLD. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων BOLD βασίζονται στη στατιστική ανάλυση του ληφθέντος σήματος και είναι ευαίσθητα στο θόρυβο, στο SNR ακόμα και στις συνθήκες εξέτασης του ασθενούς με τη χρήση εξοπλισμού οπτικοακουστικών ερεθισμάτων. Απαιτούνται πρωτόκολλα διασφάλισης ποιότητας και κλινικές μελέτες για τη σύγκριση και τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων απεικόνισης. Τα πρωτόκολλα Διασφάλισης Ποιότητας χρησιμοποιούν ομοιώματα για να διασφαλίσουν την ποιότητα της εικόνας και βάσιμα ποσοτικά αποτελέσματα από τα συστήματα. Τα υπάρχοντα πρωτόκολλα διασφάλισης ποιότητας για τη μαγνητική τομογραφία δεν περιλαμβάνουν καμία μέθοδο για τη μέτρηση και την αξιολόγηση της αντίθεσης BOLD, καθώς είναι απαραίτητη η χρήση ενός δυναμικού ομοιώματος για την προσομοίωση των 2 καταστάσεων (ηρεμίας-ενεργοποίησης) της εξέτασης fMRI. Τέτοια ομοιώματα έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία με κάποιους περιορισμούς και ο πιο συνηθισμένος ήταν η πολυπλοκότητα και το υψηλό κόστος κατασκευής.Το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει μια ιστορική επισκόπηση και μια σύντομη περιγραφή των συστημάτων MRI και των φυσικών αρχών της απεικόνισης.Στο δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής, προτείνεται μια νέα μέθοδος για την προσομοίωση BOLD αντίθεσης. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί ένα δυναμικό, εύκολο στην κατασκευή και λειτουργία, χαμηλού κόστους φυσικό ομοίωμα. Μια δομή λεπτών αγωγών που διατρέχουν έναν όγκο γέλης χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση αιμοφόρων αγγείων στον ανθρώπινο ιστό. Ποσοτικές μετρήσεις T2*, R2* χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της αλλαγής σήματος του ομοιώματος. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα και αναλύσεις BOLD fMRI για την αξιολόγηση της πιθανής χρήσης του ως προσομοιωτή fMRI. Οι πειραματικές μετρήσεις T2*, R2* έδειξαν παρόμοια συμπεριφορά με δημοσιευμένες αναφορές. Η BOLD αντίθεση επιτεύχθηκε με επιτυχία με την προτεινόμενη μέθοδο. Επιπλέον, υπήρχαν πολλές προτεινόμενες παράμετροι, όπως η γωνία του ομοιώματος σε σχέση με το B0, που μπορούν εύκολα να ρυθμίσουν την ένταση της αλλαγής του σήματος και την περιοχή ενεργοποίησης. Οι συντελεστές διακύμανσης έδειξαν καλή αναπαραγωγιμότητα μέσα σε ένα μήνα. Παρήχθησαν στατιστικοί t-χάρτες με εσωτερικό λογισμικό για τις μετρήσεις BOLD. Οι χάρτες T2* και οι εικόνες BOLD επιβεβαιώνουν την πιθανή χρήση αυτού του ομοιώματος ως προσομοιωτή fMRI και επίσης ως εργαλείο για τη μελέτη της ευαισθησίας και της χωρικής ταύτισης των ακολουθιών/αλγορίθμων BOLD.Στο κεφάλαιο 3, η νέα μέθοδος για την προσομοίωση BOLD εφαρμόζεται σε ένα ανθρωπόμορφο ομοίωμα κεφαλής που προσομοιώνει περαιτέρω την εξέταση fMRI. Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης και ένα υλικό με βάση το ασβέστιο χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ενός ομοιώματος κεφαλής στο οποίο προσάπτεται η νέα μέθοδος για την αντίθεση BOLD. Το δυναμικό ομοίωμα κεφαλής που κατασκευάστηκε παρέχει μια πιο ρεαλιστική προσομοίωση του πειράματος fMRI όσον αφορά τη μαγνητική επιδεκτικότητα (διαστρέβλωση του πεδίου Β0) και την ομοιομορφία του Β1. Προκειμένου να αποδειχθεί η χρησιμότητα του ομοιώματος, αυτόαπεικονίστηκε στο σύστημα MRIμε ακολουθία gradientecho απεικόνισης της μεταβολής του πεδίου Β0 και οι ληφθείσες εικόνες συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες ενός ανθρώπου για την παραμόρφωση της ομοιογένειας. Επιπλέον, το ομοίωμα χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση της εξάρτησης του SNR και της αντίθεσης BOLD από τον εξοπλισμό fMRI που χρησιμοποιείται συνήθως κατά τη διάρκεια της εξέτασης για την εφαρμογή οπτικών και ακουστικών ερεθισμάτων στον εξεταζόμενο. Μετά από οπτική επιθεώρηση των εικόνων του χάρτη πεδίου, μπορεί να παρατηρηθεί ότι το ομοίωμα μοιάζει πολύ με έναν πραγματικό ασθενή, καθώς το συνολικό σχήμα και το μέγεθός του σχεδιάστηκαν με αυτό τον στόχο Η ενεργοποίηση BOLD επιτεύχθηκε επιτυχώς με ακριβή συγχρονισμό κατά τις εναλλαγές των καταστάσεων, όπως φαίνεται στα γραφήματα διαφοράς σήματος - χρόνου.Οι μετρημένες τιμές SNR και SSNR δείχνουν ότι ούτε η τοποθέτηση εκτός κέντρου ούτε η παρουσία των διοπτρών, των ακουστικών και των καλωδίων επηρεάζουν σημαντικά την ποιότητα εικόνας T1. Η θέση 4 cm εκτός κέντρου δεν φαίνεται να επηρεάζει το SNR ή το SSNR. Η παρουσία εξοπλισμού μειώνει το SNR κατά 9,6% και το SSNR κατά 10,4% όταν είναι απενεργοποιημένο. Αλλά όταν ενεργοποιήθηκαν οι συσκευές, οι ίδιες τιμές μειώθηκαν στο 50% περίπου και ακόμη περισσότερο όταν τα καλώδια ήταν κυκλικά τοποθετημένα.Η περιοχή ενεργοποίησης επηρεάζεται έντονα με παρόμοιο τρόπο από τη διαφορετική συνθήκη εξέτασης. Η περιοχή ενεργοποίησης στις MoCo (διόρθωση κίνησης)εικόνες φαίνεται μειωμένη από την τοποθέτηση εκτός κέντρου κατά 10%. Και μειώθηκε ακόμη περισσότερο στα άλλα σενάρια. Σχεδόν η μισή περιοχή εμφανίζεται ενεργοποιημένη όταν οι συσκευές διέγερσης είναι ενεργοποιημένες και τα καλώδια είναι κλειστά. Η μέση και η μέγιστη τιμή t της στατιστικής διαφοράς μεταξύ των καταστάσεων δεν επηρεάζονται από καμία από τις 5 συνθήκες που εξετάστηκαν. Ωστόσο, η ισχύς BOLD επηρεάζεται καθώς μπορεί να εκφραστεί από την τιμή t και το γινόμενο εμβαδού. Το δυναμικό ομοίωμα που κατασκευάστηκε αποδεικνύεται ότι είναι ένα εξαιρετικό μέσο για τη μελέτη των πρωτοκόλλων και των διαδικασιών fMRI προκειμένου να βελτιστοποιηθούν και να αξιολογηθεί η εξάρτηση της ποιότητας εικόνας και της ισχύος BOLD από τη χρήση εξοπλισμού μέσα στην περιοχή απεικόνισης μιας εξέτασης fMRI.Στο κεφάλαιο 4 πραγματοποιείται μια κλινική μελέτη. Αυτή η μελέτη, αξιολογεί την εξάρτηση των αποτελεσμάτων fMRI από τον χρόνο ηχούς (TE) κατά την ταυτόχρονη ενεργοποίηση του οπτικού και κινητικού φλοιού στους 1,5 Τ σε ένα μεγάλο δείγμα 21 υγιών εθελοντών. Το πείραμα επαναλήφθηκε χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικές τιμές ΤΕ (50 και 70 ms) με αντισταθμισμένη σειρά. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις Τ2* της φαιάς ουσίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τόσο η μέγιστη τιμή b όσο και ο αριθμός των voxel ήταν σημαντικά υψηλότεροι χρησιμοποιώντας TE=70 από TE=50 ms σε πρωτογενείς κινητικούς, σωματοαισθητικούς και συμπληρωματικούς κινητικούς φλοιούς (p<.007). Επιπλέον, το εύρος ενεργοποίησης στους οπτικούς φλοιούς και στην περιοχή του προκινητικού φλοιού ήταν επίσης υψηλότερο χρησιμοποιώντας TE=70 ms (p<.001). Η T2* της φαιάς ουσίας των αντίστοιχων περιοχών δεν διέφερε σημαντικά. Συμπερασματικά, η βέλτιστη τιμή ΤΕ (μεταξύ των δύο που μελετήθηκαν) για οπτική και κινητική δραστηριότητα είναι 70 ms επηρεάζοντας τόσο το πλάτος όσο και την έκταση της περιφερειακής αιμοδυναμικής ενεργοποίησης.