Τεχνήματα και σημεία παραπλάνησης (Artifact & Pitfalls) στην CMRI

Τεχνήματα και σημεία παραπλάνησης (Artifact & Pitfalls) στην CMRI Γεωργάκης Απόστολος Τεχνολόγος-Ακτινολόγος Απεικονίσεις ΙΑΣΩ General e-mail: apostolos_g@hotmail.com

Τι συμβαίνει? Όταν ο σαρωτής δεν συμπεριφέρεται όπως αναμένεται δημιουργείται ένα τεχνούργημα ή τέχνημα (Artifact) Τεχνούργημα είναι μία ψευδή ένδειξη που προκαλείται στην διαδικασία σχηματισμού της εικόνας. Αυτή η ψευδής ένδειξη προβάλλεται στην αρχική αναμενόμενη εικόνα. Είναι αποτέλεσμα της κακής λειτουργίας της απεικόνισης: ή λόγο φυσικών διαδικασιών ή λόγο των ιδιοτήτων του ανθρώπινου σώματος ή από παραμέτρους που εισάγονται στο σύστημα από τον χρήστη.

Τι συμβαίνει? Είναι σημαντικό να είμαστε εξοικειωμένοι με την εμφάνιση των τεχνουργημάτων, διότι μπορεί να συγκαλύψουν και να μπερδέψουν μια παθολογία. Ως εκ τούτου, τα είδωλα ή τεχνήματα μπορεί να οδηγήσουν σε ψευδώς αρνητικά ή ψευδώς θετικά αποτελέσματα. Μπορεί να υπάρχει και συνδυασμός προβλημάτων για την δημιουργία τεχνημάτων. Η δυνατότητα να προσδιοριστεί η πηγή ενός τεχνουργήματος έχει σχέση με την κατανόηση για την παραγωγή της εικόνας από τον χρήστη του μαγνητικού τομογράφου.

Κατανόηση για την παραγωγή της εικόνας Με λίγα λόγια: Έχουμε τον κυρίως μαγνήτη που χρησιμοποιείται για να παράγει ένα εξωτερικό, ισχυρό και ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο, το οποίο είναι ικανό να προκαλέσει μετρήσιμη μαγνήτιση στους ιστούς Τα μαγνητικά πεδία πρέπει να είναι όσο το δυνατόν περισσότερο ομοιογενή, γιατί αυτή η ομοιογένεια καθορίζει την συχνότητα Larmor* Συχνότητα περιστροφής των πρωτονίων

Κατανόηση για την παραγωγή της εικόνας Η μαγνητική ροπή κάθε πρωτονίου είναι ένα διανυσματικό μέγεθος. Όσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο τόσο πιο γρήγορα περιστρέφονται τα πρωτόνια ιαφορετικοί πυρήνες υλικών εκτελούν μεταπτωτική κίνηση με διαφορετική συχνότητα Από αυτή την διαφορά της συχνότητας με την εξίσωση Larmor * παράγεται η εικόνα *Larmor Frequency : Η εξίσωση που περιγράφει την συχνότητα περιστροφής των πρωτονίων, ω=γ.βο Όπου ω = η συχνότητα περιστροφής γ = ο γυρομαγνητικός λόγος ο οποίος είναι διαφορετικός για κάθε υλικό Βο = η ένταση του εξωτερικού βασικού μαγνητικού πεδίου Gauss :Μονάδα μέτρησης της έντασης μαγνητικού πεδίου.1tesla=10000gauss. «Μαγνητική Τομογραφία» Φυσικές αρχές Ερμηνεία της εικόνας Απόστολος Χ. Καραντάνας

Κατανόηση για την παραγωγή της εικόνας Έλλειψη ομοιογένειας του κυρίως Μαγνητικού πεδίου (Βο) Οδηγεί σε μικρές διαφορές στην συχνότητα Larmor των πρωτονίων Οφείλεται σε: 1. Κατασκευαστικές ατέλειες 2. Παρουσία σιδηρομαγνητικού υλικού Μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας τα Shimming Coil (πηνία ομοιογένειας),μέσω μιας διαδικασίας η οποία ονομάζεται Shimming.

Κατανόηση για την παραγωγή της εικόνας Τι χρειάζεται για την παραγωγή της εικόνας? Τα πηνία Βαθμίδας (Gradient Coils) Τα πηνία ραδιοσυχνότητας (Radiofrequency Coils) Την Λυχνία παραγωγής ραδιοσυχνοτήτων (RF)

Κατανόηση για την παραγωγή της εικόνας Πηνία Βαθμίδας (Gradient coils) ημιουργούν τα βαθμιδωτά μαγνητικά πεδία στους τρεις ορθογώνιους άξονες του χώρου (Χ,Ψ,Ζ) για το σχηματισμό της εικόνας

Κατανόηση για την παραγωγή της εικόνας Πηνία Ραδιοσυχνότητας (RF coils) 1)πηνία Εκπομπής Χρησιμοποιούνται για να διεγείρουν τους ιστούς στέλνοντας μία ραδιοσυχνότητα,στην συχνότητα Larmor 2)πηνία Λήψης Χρησιμοποιούνται για να ανιχνεύσουν και συλλέξουν το σήμα το οποίο εκπέμπεται από τους ιστούς. 3)πηνία Εκπομπής και Λήψης Πολλές φορές το ίδιο το πηνίο κάνει και την εκπομπή και την λήψη οπότε χαρακτηρίζεται σαν πηνίο εκπομπής-λήψης. Συνήθως το πηνίο σώματος είναι ενσωματωμένο στο μηχάνημα, ενώ τα άλλα τοποθετούνται ανάλογα με την περίσταση.

Κατανόηση για την παραγωγή της εικόνας Λυχνία παραγωγής ραδιοσυχνοτήτων: παράγει τις συχνότητες που αποστέλλονται στα RF πηνία «Μαγνητική Τομογραφία» Φυσικές αρχές Ερμηνεία της εικόνας Απόστολος Χ. Καραντάνας

Κατανόηση για την παραγωγή της εικόνας Τοποθέτηση του ασθενή μέσα στο άνοιγμα του μαγνήτη Εκπέμπονται RF-παλμοί Ενεργοποιούνται τα πηνία βαθμίδας για την γραμμική μεταβολή της έντασης του πεδίου Τα πρωτόνια αρχίζουν να περιστρέφονται και επιστρέφοντας στην αρχική θέση ηρεμίας παράγουν σήμα. Γίνεται η συλλογή των σημάτων και η κατά Fourier μετατροπή τους σε ψηφιακή εικόνα Μετασχηματισμός Fourier Ο μετασχηματισμός Fourier είναι μια μαθηματική διαδικασία που γίνεται διαχωρισμός μεταξύ των συχνοτήτων των συστατικών ενός σήματος σε συνάρτηση με τον χρόνο. Η ανάλυση του μετασχηματισμού Fourier επιτρέπει να ανακατασκευαστούν οι χωρικές πληροφορίες από τα ανεπεξέργαστα δεδομένα. «Μαγνητική Τομογραφία» Φυσικές αρχές Ερμηνεία της εικόνας Απόστολος Χ. Καραντάνας

Οχώρος Στα πηνία βαθμίδας και τα πηνία ραδιοσυχνότητας οφείλεται η στενότητα του χώρου Ένας τόσο στενός χώρος περιορίζεται ακόμα περισσότερο διότι μόνο στο κεντρικό σημείο του μαγνήτη υπάρχει πλήρη ομοιογένεια του μαγνητικού πεδίου Αν σε έναν τέτοιο στενό χώρο καλούμαστε να πραγματοποιήσουμε μία CMRI σε εύσωμο ασθενή γνωρίζουμε εξ αρχής πως θα αντιμετωπίσουμε αρκετές δυσκολίες με την ποιότητα της εικόνας διότι το θέμα μας (καρδιά) θα βρίσκεται παράκεντρα λόγο σωματοδομής.

Σε μία CMRI απαιτούνται ακολουθίες Τ1-SE με καρδιακό σκανδαλισμό (Cardiac Triggering) και κράτημα αναπνοής. Απαιτείται μικρό πάχος τομής με αυξημένη χωρική διακριτική ικανότητα Στις ακολουθίες SE θα πρέπει να μειώσουμε το σήμα από το ρέον αίμα για την μείωση των σφαλμάτων και τη ανάδειξη των αγγείων Είναι χρήσιμη η εφαρμογή παλμών κορεσμού (saturation) εκατέρωθεν Απαιτούνται πολυφασικές τεχνικές όπως η cine(πολλαπλές εικόνες σε κάθε θέση τομής) Ακολουθίες με τεχνική EPI (Echo-Planar Imaging) ταχείες ακολουθίες παλμών και ακολουθίες GRE (Gradient Echo) παλμών βαθμιδωτής ηχούς Για όλες τις ανωτέρω λήψεις των ακολουθιών απαιτείται: Συνεργασία ασθενούς Μικρός χρόνος για κάθε ακολουθία (έως 20 sec?) Ανεκτή ποιότητα εικόνας (μήτρα με pixel το λιγότερο 128Χ128) Από τους περιορισμούς που έχουμε λόγο των συγκεκριμένων απαιτήσεων τωνακολουθιώνσεμίαcmri,τα τεχνήματα (artifact) αποτελούν δυστυχώς συνηθισμένο φαινόμενο.

Τεχνήματα (Artifact) Τα artifact στην Μαγνητική Τομογραφία είναι πολλά και η διαδικασία παραγωγής τους είναι πολύπλοκη. Όποιος ασχολείται με αυτήν την εξέταση πρέπει να τα γνωρίζει. Αυτό κρίνεται απαραίτητο για δύο λόγους: Ο ένας είναι ότι πολλά απ' αυτά είναι συνδεδεμένα με την καλή λειτουργία του μηχανήματος. Οποιοδήποτε από αυτά τα artifact πρέπει να καταγράφεται προσεκτικά (αν είναι δυνατόν να φωτογραφίζεται) και να γίνεται λεπτομερείς αναφορά στους τεχνικούς της εταιρίας που κάνει το service στο μηχάνημα. Ο άλλος λόγος είναι ότι πολλές φορές αυτά τα artifacts δημιουργούν πρόβλημα στην διαγνωστική επάρκεια των εικόνων μας. Αναγνωρίζοντας την διαδικασία παραγωγής τους έχουμε την δυνατότητα να μεταβάλουμε κατάλληλα την εξέταση για να πετύχουμε διαγνωστικές εικόνες.

Τεχνήματα (Artifact) κίνησης Κάθε κίνηση με σχετικά μικρότερη περίοδο από τον χρόνο που απαιτείται για την διαδικασία δειγματοληψίας οδηγεί σε τέχνημα (artifact). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η ανατομική δομή η οποία αντιστοιχεί στο συγκεκριμένο pixel να βρίσκεται σε διαφορετικές θέσεις κατά την διάρκεια του χρόνου δειγματοληψίας. Τα τεχνήματα (artifact) κίνησης μπορεί να προέρχονται από ακούσιες ή εκούσιες κινήσεις του εξεταζόμενου.

Τεχνήματα (Artifact) κίνησης Εκούσια: Ακούσια : Μη συνδεμένο σύστημα καρδιακού σκανδαλισμού (ECG trigger) Βλάβη στο ECG trigger Συνδεμένο σύστημα καρδιακού σκανδαλισμού (ECG trigger) αλλά αδυναμία κρατήματος αναπνοής (breath hold). ιόρθωση: Συνδεμένο σύστημα καρδιακού σκανδαλισμού (ECG trigger) και σωστό κράτημα της αναπνοής (breath hold).

Από την ροή του αίματος Τεχνήματα (Artifact) Ροής Η κίνηση του αίματος μέσα στα αγγεία προκαλεί τεχνήματα. Η θέση των πρωτονίων του αίματος κατά την στιγμή της διέγερσής τους από τον ραδιοπαλμό(rf) είναι διαφορετική από την θέση τους κατά την δειγματοληψία Εξαιτίας των διαφορετικών ταχυτήτων που έχουν τα πρωτόνια μέσα σ' ένα αγγείο,προκύπτει μία διαφορά στην δειγματοληψία κατά τον άξονα της φάσης Αυτή η διαφορά παράγει και το γνωστό ghost artifact, το οποίο είναι ιδιαίτερα εμφανές. ιόρθωση Η τεχνική που χρησιμοποιείται συνήθως για να ξεπεραστεί ή να ελαττωθεί αυτό το πρόβλημα είναι η χρήση ακολουθιών προκορεσμού (presaturation). Η τεχνική αυτή είναι πιο αποτελεσματική σε εγκάρσιες τομές. Τοποθετούνται,συνήθως,δύο περιοχές προκορεσμού,μία πάνω και μία κάτω από το επίπεδο τομής.

Σφάλματα κατά την διαδικασία των υπολογισμών και η δημιουργία τεχνημάτων Αναδίπλωση -Wrap around Σφάλμα ανεπαρκούς δειγματοληψίας Aliasing ή fold over Χημική μετατόπιση (Chemical shift)

Αναδίπλωση -Wrap around Το artifact αυτό συμβαίνει όταν τμήματα της ανατομίας που απεικονίζεται,επεκτείνονται και έξω από το πεδίο παρατήρησης(fov) που χρησιμοποιούμε. Αυτά τα τμήματα της υπό εξέταση ανατομικής περιοχής αναδιπλώνονται και επιπροβάλουν μέσα στο πεδίο παρατήρησης(fov). Μπορεί να συμβεί και κατά την κατεύθυνση της φάσης ιόρθωση Σ αυτήν την τεχνική διπλασιάζεται το πεδίο παρατήρησης(fov) Κατά την επεξεργασία της εικόνας απορρίπτεται το πρώτο και τελευταίο τέταρτο των δεδομένων. Αυτό που απομένει είναι τα δύο μεσαία τέταρτα τα οποία αντιστοιχούν στο FOV που επιλέξαμε.

Σφάλμα ανεπαρκούς δειγματοληψίας Aliasing ή fold over Τοτεχνικόαυτόσφάλμαοφείλεται σε ανεπαρκή συλλογή δεδομένων στον άξονα κωδικοποίησης φάσης. Στην CMRI παρουσιάζεται στις ακολουθίες Ροής (Flow). ιόρθωση Αντιμετωπίζεται με αύξηση των δεδομένων ροής (αύξηση των βημάτων κωδικοποίησης φάσης)

Χημική μετατόπιση (Chemical shift) Η μετατόπιση αυτή εμφανίζεται συνήθως σε περιοχές όπου υπάρχουν γειτονικές δομές Εμφανίζεται στην διαχωριστική επιφάνεια των δύο δομών σαν γραμμή υψηλής έντασης σήματος η οποία ακολουθεί τα όρια της μιας δομής και είναι κάθετη στον άξονα της συχνότητας. ιόρθωση Ο τρόπος γιά να διακρίνουμε αν πρόκειται για παθολογία ή για τέχνημα, είναι να επαναλάβουμε την εξέταση αλλάζοντας την κατεύθυνση του άξονα της συχνότητας και της φάσης

Φαινόμενο του Gibbs Ο λόγος για τον οποίο συμβαίνει αυτό το τέχνημα είναι η αδυναμία του συστήματος ν ανιχνεύσει αλλαγές στην ένταση του σήματος, εξαιτίας ανεπαρκούς χρόνου δειγματοληψίας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ο μετασχηματισμός Fourier των πρωτογενών δεδομένων(raw data) να μην μπορεί ν αναπαραστήσει αυτές τις αλλαγές στην ένταση του σήματος.

Ανομοιογένειες του Μαγνητικού Πεδίου Το τέχνημα αυτό έχει να κάνει με ανομοιογένειες στο κυρίως Βο στατικό μαγνητικό πεδίο Το εύρος των ραδιοπαλμών δεν είναι το ίδιο σ όλο την έκταση του πεδίου παρατήρησης(fov),τότε κάποια τμήματα του εξεταζόμενου σώματος θα δέχονται ραδιοπαλμούς που δεν θα είναι ακριβώς 90 ή 180 μοιρών.

Μαγνητική εκτικότητα Η Μαγνητική εκτικότητα(magnetic Susceptibily) ενός υλικού είναι ένα μέτρο για το πόσο αυτό το υλικό μαγνητίζεται. Για μη μαγνητικά υλικά η τιμή είναι ίση με μηδέν, για παραμαγνητικά και σιδηρομαγνητικά υλικά η τιμή είναι μεγαλύτερη από το μηδέν Ο λόγος για την εμφάνισή του είναι οι τοπικές μεταβολές στο μαγνητικό πεδίο Το τέχνημα αυτό συμβαίνει, συνήθως, σε περιοχές του σώματος στις οποίες υπάρχουν προσθετικά παραμαγνητικά ή σιδηρομαγνητικά υλικά. (Magnetic Susceptibily)

Εξωτερικές Ραδιοσυχνότητες Ο χώρος μέσα στον οποίο βρίσκεται ο Μαγνητικός Τομογράφος (Scan Room) είναι μονωμένος όσον αφορά τις διάφορες ραδιοσυχνότητες που μπορεί να προέρχονται από το εξωτερικό περιβάλλον. Αν παρ όλα αυτά περάσουν μέσα ραδιοσυχνότητες εμφανίζονται στην εικόνα παράσιτα.

Τεχνήματα σχετιζόμενα με την Ραδιοσυχνότητα(RF) και τα Πηνία Βαθμίδας (Gradients coils) συνδεδεμένα με την καλή λειτουργία του μηχανήματος.

..στην πράξη.. Περιορισμοί για την βελτίωση της εικόνας: Λόγο κρατήματος αναπνοής δεν μπορούμε να υπερβούμε τα 20sec. εν μπορούμε να αυξήσουμε την επαναληψημότητα (averaging) εν μπορούμε να αυξήσουμε την μήτρα των Pixel (phase resolution) εν μπορούμε να αυξήσουμε τομές εν μπορούμε να αυξήσουμε τη υπερδειγματοληψία (phase oversampling)

..στην πράξη.. Μπορούμε όμως για την βελτίωση της εικόνας: Να μειώσουμε έως και 20% τα στοιχεία της δειγματοληψίας (base resolution). Να αυξήσουμε το πεδίο παρατήρησης (FOV) Να μειώσουμε την μήτρα των Pixel (phase resolution) Να πάρουμε έως και τα 6/8 των δεδομένων του μετασχηματισμού Fourier Να αυξήσουμε τη υπερδειγματοληψία (phase oversampling) Να βάλουμε φίλτρο (image filter) Σε μη συνεργάσιμους ασθενείς ή σε απρόβλεπτες συνθήκες έχουμε βελτιωμένη παραγωγή εικόνας και σημαντική μείωση του χρόνου παραγωγής της

..στην πράξη.. Αύξηση πεδίου παρατήρησης (FOV)

..στην πράξη.. Αύξηση πεδίου παρατήρησης (FOV) Προσοχή στην αύξηση του FOV Όταν αυξάνουμε μόνο το FOV δεν αυξάνουμε και την μήτρα των Pixel (Phase resolution) Μειωμένη λεπτομέρεια

..στην πράξη.. με ακολουθίες κορεσμού

..στην πράξη.. με χρήση φίλτρου (image filter) Προσοχή στην χρήση του φίλτρου (image filter) Έχουμε μείωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας Μειωμένη λεπτομέρεια

..στην πράξη.. με μείωση των pixel της μήτρας -Phase resolution. μήτρα 320 (breath hold 20 sec) μήτρα 256 (breath hold 12 sec) Αισθητή μείωση της προσπάθειας κρατήματος αναπνοής με αποδεκτό αποτέλεσμα στην καθαρότητα στην πληροφορία της παραγόμενης εικόνας

..στην πράξη.. με αλλαγή φοράς της φάσης (Gradient coil x,y,z). από A-P (y coils) σε R-L (x coils) από R-L (x coils) σε H-F (z coils)

..στην πράξη..τέχνημα ροής με αλλαγή φοράς της φάσης (Gradient coil x,y,z). από H-F (z coils) σε A-P (y coils) από R-L (x coils) σε H-F (z coils)

..στην πράξη..τέχνημα μαγνητικής δεκτικότητας

..στην πράξη.. με συνδυασμούς όλων των ανωτέρω για διόρθωση των τεχνημάτων. Μείωση των Pixel της μήτρας Εφαρμογή φίλτρου Μείωση των δεδομένων Fourier Αισθητή μείωση του χρόνου

..στην πράξη.. Μη γνώση και εφαρμογή των ανωτέρω για διόρθωση των τεχνημάτων μπορεί να μας οδηγήσει σε πλήρη αποτυχία και λάθος αποτέλεσμα.

..στην πράξη.. Προσοχή Όχι στη αλόγιστη χρήση όλων των ανωτέρω. Οι ακολουθίες είναι φτιαγμένες από τον κατασκευαστή για βέλτιστη παραγωγή εικόνας Κάθε παρέμβαση του χρήστη σε αυτές διαταράσσει τις ισορροπίες Πρέπει να κάνουμε αλλαγές με σύνεση Κάθε παρέμβαση δική μας για βελτίωση της εικόνας και μείωση των τεχνημάτων αλλά και ακόμα οι συνθήκες για την παραγωγή τεχνημάτων έχουν άμεση σχέση με τον χώρο όπου συντελούνται oι συνθήκες του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) τον κ-χώρο (k-space)

Φιλτράρισμα-Image Filter. Χωρίς φίλτρο για το k-χώρο Low - pass φίλτρο για το k-χώρο Λιγότερα δεδομένα Μειωμένη χωρική διακριτική ικανότητα Χωρίς περιγράμματα High - pass φίλτρο για το k-χώρο Electronics Engineering Departament, Universitat Politècnica de València, Camino de Vera, ES-46022, Valencia, Spain. Moratal D, Vallés-Luch A, Martí-Bonmatí L, Brummer ME, k-space tutorial: an MRI educational tool for a better understanding of k- space, Biomed Imaging Interv J 2008; 4(1):e15

Αναδίπλωση (Ghosting). Μειωμένος μετασχηματισμός (5/8 Fourier). Electronics Engineering Departament, Universitat Politècnica de València, Camino de Vera, ES-46022, Valencia, Spain. Moratal D, Vallés-Luch A, Martí-Bonmatí L, Brummer ME, k-space tutorial: an MRI educational tool for a better understanding of k- space, Biomed Imaging Interv J 2008; 4(1):e15

Μη συνεργάσιμος ασθενής κίνηση. Παρεμβολές από εξωτερικές πηγές. Electronics Engineering Departament, Universitat Politècnica de València, Camino de Vera, ES-46022, Valencia, Spain. Moratal D, Vallés-Luch A, Martí-Bonmatí L, Brummer ME, k-space tutorial: an MRI educational tool for a better understanding of k- space, Biomed Imaging Interv J 2008; 4(1):e15

Μειωμένη δειγματοληψία (base resolution). Λιγότερα δεδομένα ~1/3 του δείγματος Ανεπαρκή στοιχεία Η κατανόηση του κ-χώρου(k-space) μπορεί να βοηθήσει στην επίτευξη υψηλού επιπέδου παραγωγής εικόνας με μειωμένα τεχνήματα (Artifacts) και όσο το δυνατόν περισσότερα στοιχεία. Electronics Engineering Departament, Universitat Politècnica de València, Camino de Vera, ES-46022, Valencia, Spain. Moratal D, Vallés-Luch A, Martí-Bonmatí L, Brummer ME, k-space tutorial: an MRI educational tool for a better understanding of k- space, Biomed Imaging Interv J 2008; 4(1):e15

e-mail: apostolos_g@hotmail.com