Hiperpolarize Ksenon-129 Kullanarak Manyetik Rezonans Görüntülemede Spiral K-uzayı Artefaktlarının Giderilmesi ve Darbe Sekansı Stratejilerinin Geliştirilmesi
Reconstruction of Spiral K-Space Artefacts and Improving Pulse Sequence Strategies in Magnetic Resonance Imaging Using Hyperpolarized Xenon-129
Yazar: ÖZGÜN BORAY YURDAKOŞ
Danışman: DOÇ. DR. ÖZKAN DOĞANAY
Ege Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Temel Onkoloji Ana Bilim Dalı / Kanser Biyolojisi ve İmmünolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Biyofizik = Biophysics ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Amaç: Bu tezde HpXe-129 Manyetik Rezonans(MR) görüntülerindeki bulanıklık artefaktını en aza indirmek için spiral k-uzayı üzerinden yapılan düzeltme yöntemlerini geliştirmek ve bu tekniklerin fantom görüntülerdeki etkinliğini göstermenin yanı sıra farklı tekniklerle de yapılan düzeltmeler sonucu bulanıklık seviyelerinin ölçüm tekniklerinin tespiti amaçlamaktadır.
Materyal-Metod: Çalışmada, kontrast ajan olarak HpXe-129 kullanılarak MRG ile elde edilen üç varyant fantom görüntü analiz edilmiştir. Referans görüntü, temel frekansa eklenen 20 Hz ve 100 Hz frekans kaymalarıyla ayrı ayrı bulanıklaştırılarak aynı fantoma ait üç farklı görüntü elde edilmiştir. İlk olarak bu üç görüntü arasındaki ilişki incelenmiştir. Bu bulanıklığa sahip görüntülerin hem görüntü düzlemindeki karakteristikleri hem de ham verilerine ait zamanda ve frekans ortamındaki karakteristikleri karşılaştırılmış, farklılıklar belirlenmeye çalışılmıştır. Bu farklılıkların yine zamanda ve frekans ortamında giderilmesine yönelik filtreleme ve kaydırma yöntemleri uygulanmış, ardından bu ham veriler görüntü düzlemine aktarılıp karşılaştırılmıştır. Burada rekonstrüksiyon ile yeniden oluşturulan görüntüler alçak geçiren filtreden geçirilmiş ve filtre derecesi boyunca değişimi çizdirilmiştir. Buna ek olarak doğrudan görüntü düzlemi üzerinden geliştirilen teknikle de ham veri ve k-uzayı olmadan bulanıklık seviyesinin giderilip giderilmediği araştırılmıştır. Tezdeki en yenilikçi bulanıklık düzeltme yöntemi olarak ise doğrudan spiral k-uzayı yörüngeleri üzerinden yapılan düzeltmeler öne çıkmıştır. Yapılan çok sayıda fonksiyon denemelerinin sonucunda merdiven ve Dirac-Delta fonksiyonlarını içeren iki düzeltme fonksiyonu belirlenmiştir. Bu fonksiyonlarla düzeltilmiş k-uzayları, düzeltilmiş görüntüleri oluşturmak üzere yeniden oluşturulmuş ve bulanıklık içermeyen referans görüntü ile karşılaştırılmıştır. Bir fantom görüntünün kenarlarındaki bulanıklık iyileşmesini nicel olarak tespit etmek için, bulanık ve düzeltilmiş görüntülerden çizgi profilleri çıkarılarak bulanık ve referans görüntüler arasındaki aynı çizgi profillerinin karakterizasyonu Spearman korelasyon katsayısı hesaplanarak karşılaştırılmıştır. Ek olarak, bulanıklık seviyeleri ölçüm yöntemlerini değerlendirmek için bu üç görüntünün analizi yapılmış ve karşılaştırılmıştır. Ölçüm yöntemi olarak histogram analizi, korelasyon analizi, bulanıklık yüzdesi hesaplama, görüntü kalitesi değerlendirme(Image Quality Assessment-IQA) metrikleri ve segmentasyon analizi görüntülere uygulanmıştır. 
Bulgular: 20 Hz ve 100 Hz olan frekans kaymalarının neden olduğu bulanıklıklar zaman ortamında yapılan eşleştirme işlemleri yerine frekans ortamında yapılan frekans kaydırma ile düzeltilmiştir. Düzeltilen görüntü ile referans görüntü arasındaki çizgi profil boyunca hesaplatılan korelasyon katsayısı, bulanık görüntüler ile referans görüntü arasındaki katsayıya göre iyileşmiştir. Doğrudan k-uzayı yörüngesi üzerinden yapılan düzeltmelerde referans ve bulanık görüntüler arasındaki çizgi profili analizi, düzeltilmiş görüntüde fantom ve arka plana geçiş bölgesindeki bulanıklık seviyesinin %30 ve %50 oranında iyileştirildiğini göstermiştir. Doğrudan görüntü düzlemi üzerinden geliştirilen teknikle düzeltilen görüntü gözle yapılan değerlendirmede olumlu sonuç vermiş gibi gözükse de sayısal ölçüm sonucu oluşturamamıştır. Ek olarak başta verilen üç görüntüye ait bulanıklık seviyeleri, ölçüm teknikleri sonucu çıkan değerlerle tartışılmış, her bir tekniğe ait çıktılar birbirlerini doğrulamıştır.
Sonuç: Bu çalışmada frekans ortamındaki k-uzayı verisine bağlı olarak yapılan düzeltmenin yanı sıra önerilen k-uzayı yörüngesi üzerinden düzeltmesi yapılarak bulanıklığa dayalı bozulmaların düzeltilebileceği ve başarıyla optimize edilebileceği gösterilmiştir. Burada fonksiyon seçimlerinin önemi büyük rol oynamakta ve k-uzayının merkez noktalarındaki yörünge değişiminin sınırlı olması gerektiği gösterilmiştir. Ayrıca bulanıklık ölçüm yöntemleri ile de önerilen beş farklı teknikle herhangi bir tıbbi görüntünün bulanıklık seviyesini başarılı bir şekilde hesaplamanın oldukça mümkün olduğunu açıkça göstermiştir.

Abstract:
Objective: This thesis aims to develop correction methods for minimizing blurring artifacts in HpXe-129 Magnetic Resonance (MR) images through spiral k-space and to demonstrate the effectiveness of these techniques in phantom images. Additionally, it seeks to identify techniques for measuring the levels of blurring resulting from corrections made with different methods.
Materials and Methods: In this study, three variant phantom images obtained through MRI using HpXe-129 as a contrast agent were analyzed. The reference image was blurred by adding frequency shifts of 20 Hz and 100 Hz to the fundamental frequency, resulting in three different images from the same phantom. First, the relationships among these three images were examined. The characteristics of these blurred images in both the image plane and in the time and frequency domains of the raw data were compared to identify differences. Filtering and shifting methods were then applied to correct these differences in the time and frequency domains, and the corrected raw data were reconstructed and compared in the image plane. The images reconstructed from this process were passed through a low-pass filter, and the changes across the filter degree were plotted. Additionally, a technique developed directly in the image plane was explored to determine whether the blurring could be reduced without the need for raw data or k-space. The most innovative blurring correction method in this thesis emerged from corrections made directly on the spiral k-space trajectories. As a result of multiple function trials, two correction functions incorporating step and Dirac-Delta functions were identified. The k-spaces corrected with these functions were reconstructed into images and compared with the blurring-free reference image. To quantitatively assess the improvement in edge blurring of a phantom image, line profiles were extracted from the blurred and corrected images, and the characterization of the same line profiles between the blurred and reference images was compared using Spearman correlation coefficients. Furthermore, the three images were analysed and compared to evaluate methods of measuring blurring levels. The methods applied to the images included histogram analysis, correlation analysis, blurring percentage calculation, Image Quality Assessment (IQA) metrics, and segmentation analysis.

Results: Blurring caused by frequency shifts of 20 Hz and 100 Hz was corrected through frequency shifting in the frequency domain rather than matching processes in the time domain. The correlation coefficient calculated along the line profile between the corrected image and the reference image showed improvement compared to the coefficient between the blurred images and the reference image. In corrections made directly on the k-space trajectory, line profile analysis between the reference and blurred images demonstrated that the blurring level in the transition region between the phantom and the background improved by 30% and 50% in the corrected image. Although the technique developed directly in the image plane seemed to yield positive results upon visual inspection, it did not produce a numerical measurement. Additionally, the blurring levels of the three images were discussed based on the values obtained from measurement techniques, with the outputs from each technique validating one another.
Conclusion: This study demonstrated that, in addition to corrections made based on k-space data in the frequency domain, corrections made directly on the k-space trajectory could successfully optimize and correct blurring-related distortions. The importance of function selection was shown to play a significant role, and it was established that the trajectory change at the central points of k-space should be limited. Moreover, the study clearly showed that the proposed five different techniques for measuring blurring levels could successfully quantify the blurring level of any medical image.