Design of a diffusion phantom for quality control of spinal cord DTI and EPI distortion improvement

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016A imagem ponderada em difusão (DWI) é uma técnica de ressonância magnética (MR) capaz de medir a magnitude da difusão de moléculas de água nos tecidos. A extensão desta técnica, a imagem por tensor de difusão (DTI) utiliza gradientes aplicados ao longo de pelo menos seis direções diferentes no espaço e deste modo é capaz de estimar também a principal direção de difusão das moléculas de água nos tecidos. Consequentemente é possível obter informações sobre a microestrutura de órgãos complexos como o cérebro e a medula espinhal. Estruturas como a substância branca do cérebro e da medula espinhal, que são compostas por microfibras orientadas de forma coerente, são os principais alvos de estudo de DTI, visto que esta técnica é mais sensível a alterações que possam ocorrer na microestrutura de nervos ou neurónios. Contudo, a medula espinhal é um órgão que apresenta vários desafios em MR, especialmente em DTI. Em primeiro lugar, a medula espinhal tem uma dimensão relativamente pequena quando comparada com outros órgãos e isto impõe dificuldades em termos da razão sinal-ruído (SNR). Para além disso, as diferenças de suscetibilidade magnética entre diferentes tipos de tecidos (medula espinhal, líquido cefalorraquidiano - LCR, osso, etc.) faz com que o campo magnético seja menos homogéneo nessas regiões, o que por sua vez tem influência na origem de artefactos e distorções da imagem. Outras complicações estão relacionadas com movimentos fisiológicos (batimento cardíaco, respiração e fluxo do LCR). Em suma, estas complicações podem resultar em estimativas erróneas dos parâmetros de DTI, o que pode influenciar o diagnóstico. Com a evolução do hardware de MR e o desenvolvimento de novas sequências de impulsos, e a implementação de técnicas de imagem rápidas fez com que o DTI fosse praticável em ambiente clínico. A echo-planar imaging (EPI) é a principal sequência utilizada em DTI e permite a obtenção de uma imagem em menos de cem milissegundos. Contudo, a EPI é muito sensível a erros de fase e heterogeneidades do campo magnético que causam erros durante a reconstrução de imagem, fazendo com que a presença de artefactos ghost, distorções geométricas e de intensidade sejam frequentes. Deste modo, os passos necessários para a melhoria da qualidade de imagem não podem ser ignorados. Isso pode ser conseguido durante a aquisição, modificando as sequências, com a aplicação de técnicas como partial Fourier e parallel imaging que reduzem a quantidade de linhas do espaço-k que são preenchidas, e consequentemente diminuem a acumulação de erros relacionados com a EPI. Outra alternativa foca-se na melhoria da imagem após a aquisição, através da aplicação de métodos para correção de distorções e remoção de artefactos. Deste modo, quando as dificuldades do DTI da medula espinhal são ultrapassadas, este torna-se numa ferramenta de grande importância para o estudo de diversas patologias que afetam o sistema nervoso central (CNS), como é o caso da esclerose múltipla (MS). O principal objetivo deste estudo foi a otimização da sequência standard de DTI para a medula espinhal utilizada em ambiente clínico, utilizando uma antena head-neck-spine recentemente instalada. Para isso, foi construído um fantoma para simular as propriedades de difusão da água na substância branca da medula espinhal. O fantoma é composto por fibras de acrílico inseridas num tubo de plástico com dimensões semelhantes à medula espinhal. Posteriormente, o tubo foi mergulhado em água de modo a que ocorra perfusão das fibras, sendo assim possível simular algumas propriedades de difusão na medula espinhal. O fantoma foi mantido na sala de MR a uma temperatura estável e foi submetido a várias sessões de MR com o objetivo de determinar a configuração ideal da antena para a obtenção de imagens da medula espinhal, bem como para a obtenção de imagens de DTI que iriam ser utilizadas no pós-processamento. Problemas como a redução de ruído e minimização de artefactos foram abordados durante a aquisição das imagens e durante o pós-processamento. No pós-processamento, foi aplicado um método baseado na aquisição de duas imagens com gradiente invertido para correção de distorções provocadas por diferenças de suscetibilidade do campo magnético. Este método utiliza duas imagens de DTI obtidas nas mesmas condições e com os mesmos parâmetros, com a exceção do gradiente de codificação de fase que apresentam polaridades opostas, para calcular o mapa de deslocamento dos pixéis. Neste método, durante o cálculo do mapa de deslocamento (DM) dos pixéis responsável pelas distorções, foram aplicadas algumas inovações, nomeadamente um ajuste a uma curva sigmoide seguida por um ajuste a uma superfície polinomial. O método modificado foi otimizado e comparado com o original em termos de robustez na redução de distorções. Por fim, o mesmo protocolo de imagiologia e métodos de melhoria de qualidade de imagem foram aplicados a imagens de voluntários saudáveis. Os resultados demonstraram que o fantoma se manteve estável e as imagens obtidas foram reprodutíveis durante o decorrer do estudo. Os parâmetros de DTI como a anisotropia fracionada (FA) e o coeficiente de difusão aparente (ADC) foram calculados várias vezes e o seu valor foi sempre dentro dos limites espectáveis. Para além disso, os mapas de codificação de cores FA mostram que foi conseguida uma difusão anisotrópica nas fibras de acrílico, sendo que a difusão ocorre predominantemente na direção paralela à orientação das fibras tal como acontece no caso da substância branca da medula espinhal. As imagens de tractografia também mostram que as fibras são claramente distinguíveis das outras estruturas. Nas imagens de DTI não corrigidas, existem distorções geométricas e de intensidade, sendo que na região das fibras existem curvaturas e erros na estimativa da direção das fibras, fazendo com que a imagem não seja uma representação fidedigna do fantoma físico. Após a aplicação, na sua implementação original, do método de gradiente invertido para a correção de distorções, as regiões com baixa intensidade de sinal continuam a apresentar curvaturas e são mal representadas. Quando são aplicados o ajuste sigmoide e o ajuste à superfície polinomial, o método torna-se mais eficiente, sendo capaz de minimizar as distorções em regiões de baixo sinal, bem como no resto da imagem. Quando o mesmo método é aplicado às imagens de humanos, verifica-se que nas regiões da imagem em que apenas existem distorções e não ocorrem artefactos ghost, o método de correção é capaz de minimizar essas distorções. Contudo, na presença de artefactos que não sejam apenas distorções, a correção é menos eficiente. Em suma, o fantoma apresentado, apesar de ser uma simplificação da estrutura complexa da medula espinhal, é um objeto estável que permitiu o estudo e otimização de uma sequência de DTI para a medula espinhal, bem como o teste de métodos de pós-processamento para a melhoria da qualidade de imagem.Diffusion tensor imaging (DTI) is a magnetic resonance imaging (MRI) technique capable of measuring the magnitude and direction of diffusion of water molecules within tissue and, consequently, give an insight into the microstructure of complex organs such as the brain or the spinal cord. However, DTI of the spinal cord is arguably one of the most challenging applications of MRI to the human body. Problems such as the small size of the spine, magnetic susceptibility differences between surrounding tissues, local field inhomogeneities and bulk motion can cause image deterioration, artifacts and distortions that ultimately result in erroneous estimations of DTI parameters. With the evolution of coil technology, MR pulse sequences and the employment of fast imaging techniques, DTI is becoming an important tool in clinical settings for the study of pathologies that affect the central nervous system (CNS), such as multiple sclerosis (MS). However, the steps necessary to improve image quality cannot be ignored: during acquisition with methods such as partial Fourier and parallel imaging or after acquisition with post-processing methods. The main goal of this work was to optimize the standard DTI sequence for the spine using a newly installed coil. First, a diffusion phantom was built to simulate the diffusion properties of white matter in the spine. The phantom is composed by acrylic fibers tightened inside a plastic tube with dimensions similar to those of the spine and then perfused with water. Several scans were performed on the phantom in order to determine the optimal coil configuration as well as to obtain DTI images for post-processing. Here, a distortion correction method based on the reversed gradient correction was applied to minimize susceptibly distortions. The correction method uses two DTI datasets with opposite phase-encoding directions in order to estimate the pixel displacement map (DM) that causes the intensity and geometric distortions. Here, some novelties were applied to the reversed gradient method in the calculation of the DM, namely a sigmoid fit followed by a polynomial surface fit. Finally, the same protocol and processing steps were applied to images from healthy volunteers. The results show that the phantom was stable and the obtained images displayed a good reproducibility over time. DTI metrics such as FA (fractional anisotropy) and ADC (apparent diffusion coefficient) were within the expected range and the fibers were clearly distinguishable in color maps and tractography images. The phantom allowed a continuous study and optimization of the distortion correction method. As expected, when no correction is applied, the DTI images present severe geometric and intensity distortions. When the original reversed gradient correction is applied, regions of the image with low signal, namely the fiber bundles, are still not accurately represented since the noise influences the calculation of the DM. When the sigmoid and surface fit are added to the original method, the distortions in the regions of low signal are minimized. Finally, when the method is applied to human data, regions that are only affected by susceptibility distortions are corrected but in the presence of ghost artifacts and motion, the method is less robust and cannot fully improve the distorted regions. In summary, the phantom is a simplification of the spinal cord, but nevertheless it is a reliable object that allows the study and optimization of DTI protocols for the spine, as well as processing methods for the improvement of image quality