ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ -ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ - PDF

Description
ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ -ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΨΕΥΔΟΕΙΚΟΝΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΟΡΘΟΠΑΙΔΙΚΩΝ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ

Please download to get full document.

View again

of 64
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Information
Category:

Creative Writing

Publish on:

Views: 23 | Pages: 64

Extension: PDF | Download: 0

Share
Transcript
ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ -ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΨΕΥΔΟΕΙΚΟΝΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΟΡΘΟΠΑΙΔΙΚΩΝ ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΒΡΑΧΝΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΤΡΑ 2014 - 2 - UNIVERSITY OF PATRAS DEPARTMENT OF MEDICINE - DEPARTMENT OF PHYSICS INTERDEPARTMENTAL COURSE OF POSTGRADUATE STUDIES IN MEDICAL PHYSICS STUDY OF IMAGE ARTIFACTS OF METAL ORTHOPAEDIC IMPLANTS IN NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE TOMOGRAPHY VRACHNIS IOANNIS,MD MASTER THESIS PATRAS 2014 - 3 - SUPERVISOR ASSOCIATE PROFESSOR L. COSTARIDOU DEPARTMENT OF MEDICAL PHYSICS, MEDICAL SCHOOL, UNIVERSITY OF PATRAS THREE MEMBER EXAMINATION COMITTEE ASSOCIATE PROFESSOR L. COSTARIDOU DEPARTMENT OF MEDICAL PHYSICS, MEDICAL SCHOOL, UNIVERSITY OF PATRAS ASSOCIATE PROFESSOR TH. MARIS DEPARTMENT OF MEDICAL PHYSICS, MEDICAL SCHOOL, UNIVERSITY OF CRETE PROFESSOR EL. PANAGIOTOPOULOS DEPARTMENT OF ORTHOPAEDICS, MEDICAL SCHOOL, UNIVERSITY OF PATRAS - 4 - ACKNOWLEDGMENTS I wish to express my gratitude to my supervisor Prof.L. Costaridou who offered me the opportunity to deal with the interesting and evolving area of medical image processing. Her support and scientific guidance contributed the best to the completion of this research work. I am grateful to Prof. Th. Maris for accepting the invitation to participate in my examination committee, for his assistance in the accomplishment of all the experimental measurements, his expert advice and his hospitality during my stay at Crete. I am thankful to Prof. El. Panagiotopoulos for accepting the invitation to participate in my examination committee, for his scientific support and for the supply some of the implants used during the experimental procedure. I am also thankful to G Vlachopoulos, for his valuable contribution to image processing and constructive recommendations during this work. Furthermore I would like to thank him for his trip to Crete in order to help me in the experimental procedure. I express my warm thanks to T. Jaber, K. Karaindros and F. Papadopoulos, orthopaedic surgeons at the general Hospital of Amaliada, for the supply some of the orthopedic prostheses used in the experiments. I would like to thank T. Boursianis and S. Veneti, for their help in the experiments at Crete and their hospitality and S. Skiadopoulos and A. Karahaliou for their assistance in the experiments that took place at Patras. I would like to acknowledge the Director of the Postgraduate Course Prof. G Nikiforidis as well as all the professors of the Course, who gave me the opportunity to work in the fascinating area of Medical Physics - 5 - TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGMENTS...4 TABLE OF CONTENTS...5 LIST OF FIGURES...6 LIST OF TABLES...8 ABSTRACT...9 INTRODUCTION...13 LITERATURE REVIEW...14 THEORY Basic MRI principles...22 Image acquisition and formation...25 Magnetic properties of materials...26 MRI compatibility...38 Mechanism of susceptibility artifact generation...40 MATERIALS AND METHODS Materials...48 Methods...51 RESULTS...65 DISCUSSION...70 REFERENCES...72 - 6 - LIST OF FIGURES Front cover: Susceptibility artifact from titanium plate embedded in phantom FIG.1: Cloverleaf artifact derived from titanium and stainless steel screws...14 FIG.2:Measurement of cloverleaf artifact...15 FIG.3 MR image from the data set analysed. Axial view of a stainless steel Gamma nail acquired at 1.5 T. The two images differ only at the window level settings...16 FIG.4: Signal intensity profile of biomaterial in phantom. The arrows depict the outer borders of the artifact. The region between the two arrows represents the D artifact+implant...16 FIG.5: Image acquired from titanium alloy implant. The bitmap images that follow, correspond to the low intensity and high intensity (misregistration) artifact, after the two thresholds have been applied. The total susceptibility artifact area equals to the sum of the two last images...17 FIG. 6: (a) the metal implant in gel phantom. (b) MRI acquisition. The vertical lines represent the limits of the artifact free area. The circular ROIs used for background intensity estimation are placed at the intersection of the vertical lines. (c) 3D artifact model...18 FIG.7:Edge detection in phantom grid...18 FIG.8: The four subregions formed in the grid...19 FIG. 9: Metal orthopaedic implants (hip arthroplasty) and corresponding wax replica...19 FIG.10: MR Image acquired from the metal implant (a) and the wax replica(b). The wax replica presents no artifact...20 FIG.11:Precession of nucleus in the presence of external magnetic field H FIG.12: Energy transfer during excitation...22 FIG.13: Flip angle...23 FIG.14: Free induction decay and T2 decay in Spin Echo sequence...24 FIG.15: Free induction decay and TR...25 FIG.16: Slice selection and thickness...26 FIG.17:Magnetic Flux...27 FIG.18:Bar magnet in magnetic field...27 FIG.19: Orbiting electron perpendicular to magnetic field H...30 FIG.20:Fraction of paramagnetic moments between angles θ and dθ, around an axis...32 FIG.21: Susceptibility vs temperature. Below the critical Curie temperature the paramagnetics become ferromagnetic...34 FIG.22: Density of states in a free electron gas...35 FIG.23: Hysteresis loop of soft and hard ferromagnetic materials...36 FIG.24: Susceptibility spectrum...39 FIG.25: MRI gradient...40 FIG.26: Frequency position mapping in the presence (solid line) and in absence (dotted line) of field inhomogeneities...41 FIG.27: Signal pill ups & signal loss...42 FIG.28: The effect of bandwidth in slice selection...42 - 7 - FIG.29: Mechanism of susceptibility artifact generation...44 FIG.30: Field distortion resulting from the presence of a sphere of susceptibility 1 at magnetic field B FIG.31:Image distortion by sphere at 1.0 and 4.0 in Spin Echo imaging...47 FIG.32: The acrylic frame used to support the implants...48 FIG.33: Stryker stainless steel cephalomedullary nail placed inside the tank...49 FIG.34: Synthes titanium femoral LCP...49 FIG.35:The same objects as seen from above inside the tank...50 FIG.36: The phantom placed inside the head coil...50 FIG.37 :Three-dimensional plots of the gray level and segmented image through the minimum cross entropy method used...52 FIG.38 :Three-dimensional plots of the gray level and segmented image through the minimum cross entropy method used...53 FIG.39: Representative axial slice of the stainless steel implant at BW =50Hz/pixel (TSE)..58 FIG.40:The same axial slice of the stainless steel implant at BW=780Hz/pixel (TSE)...58 FIG.41:. Subtracting FIG.40 from FIG39. In this image we calculate mean gray value. The remaining signal is considered to be the difference between the artifact in the two images...58 FIG. 42: Gradient magnitude of FIG.39 - axial slice of the stainless steel implant BW =50Hz/pixel (TSE)...59 FIG. 43: Gradient magnitude of FIG.40 - axial slice of the stainless steel implant at BW=780Hz/pixel (TSE)...59 FIG. 44: Minimum cross entropy application in FIG.42 axial slice of the stainless steel implant BW =50Hz/pixel (TSE)...59 FIG. 45: Minimum cross entropy application in FIG.43 - axial slice of the stainless steel implant at BW=780Hz/pixel (TSE)...60 FIG. 46: FIG.44 Converted to mask (binary image) BW =50Hz/pixel (TSE)...60 FIG. 47: FIG.45 Converted to mask (binary image) BW=780Hz/pixel (TSE)...60 FIG. 48: Subtraction of FIG.45 from FIG.44 (high BW acquisition from low). The resulting area has to correlate with the mean gray value from the subtraction of the original images (FIG.41)...61 FIG.49: Original acquisitions of titanium LCP plate at 100 and 780 Hz/pixel...61 FIG.50: The image that results when we subtract the high BW image from the low BW image. In this image we measure the mean gray value...62 FIG. 51: Applying gradient magnitude (low BW /high BW ) - titanium LCP plate...62 FIG.52: Applying minimum cross entropy threshold (low BW /high BW), at FIG FIG.53: Conversion to mask (low BW /high BW...63 FIG.54: The binary image resulting from the subtraction of the thresholded images of FIG.53 (lowbw -high BW)...64 - 8 - LIST OF TABLES Table 1: Magnetic compatibility for MRI applications...39 Table 2: STAINLESS STEEL GAMMA NAIL ACQUISITION PARAMETERS...56 Table 3: TITANIUM PLATE ACQUISITION PARAMETERS...57 Table 4: TITANIUM PLATE ARTIFACT QUANTIFICATION BY THE PROPOSED AND THE REFERENCE METHOD: single slice...65 Table 5: STAINLESS STEEL GAMMA NAIL ARTIFACT QUANTIFICATION BY THE PROPOSED AND REFERENCE METHOD: single slice...65 Table 6: Correlations (parametric) - STAINLESS STEEL GAMMA NAIL & TITANIUM LCP PLATE: single slice...66 Table 7:Correlations (non parametric) - STAINLESS STEEL GAMMA NAIL & TITANIUM LCP PLATE: single slice...66 Table 8: STAINLESS STEEL GAMMA NAIL ARTIFACT QUANTIFICATION BY THE PROPOSED AND THE REFERENCE METHOD: All slices for the axial TSE sequence...67 Table 9: Correlations (parametric)- STAINLESS STEEL GAMMA NAIL: all slices...67 Table 10: Correlations (non parametric) - STAINLESS STEEL GAMMA NAIL: all slices...68 Table 11: TITANIUM PLATE ARTIFACT QUANTIFICATION BY THE PROPOSED AND THE REFERENCE METHOD: All slices for the axial TSE sequence...68 Table 12: Correlations (parametric) - TITANIUM LCP PLATE: all slices...69 Table 13: Correlations (non parametric) - TITANIUM LCP PLATE: all slices...69 - 9 - ΠΕΡΙΛΗΨΗ H εξέλιξη της ιατρικής και ειδικότερα της ορθοπαιδικής έχει κάνει ολοένα και περισσότερο συχνή την ύπαρξη ασθενών που φέρουν μεταλλικά εμφυτεύματα. Η απεικόνιση με μαγνητικό συντονισμό πλεονεκτεί σε σχέση με άλλες απεικονιστικές μεθόδους εξαιτίας της καλύτερης αντίθεσης που προσφέρει στους μαλακούς ιστούς και στην ευαισθησία στην ανάδειξη της φλεγμονής που συνοδεύει τις μολύνσεις και τις κακοήθειες. Η ύπαρξη μεταλλικών εμφυτευμάτων συνήθως υποβαθμίζει την ποιότητα της εικόνας και την καθιστά πολλές φορές μη διαγνωστική, ειδικά αν η περιοχή ενδιαφέροντος είναι κοντά στο μεταλλικό εμφύτευμα ή στην περίπτωση που αυτό είναι αρκετά μεγάλο. Μια σειρά από μεθόδους ή ακόμη και ειδικές ακολουθίες έχει προταθεί κατά καιρούς για να αντιμετωπιστεί η ύπαρξη των τεχνημάτων επιδεκτικότητας, όπως ονομάζονται τα artifact που έχουν σαν αιτία τους τις τοπικές στρεβλώσεις στο μαγνητικό πεδίο εξαιτίας μεταλλικών προθέσεων. Οι πιο αποτελεσματικές από αυτές παραμένουν μη διαθέσιμες για το ευρύ κοινό. Η ανάγκη για βελτιστοποίηση των συνθηκών απεικόνισης κάνει επιτακτική την ανάγκη για ποσοτικοποίηση του artifact στις διαφορετικές συνθήκες λήψεις. Οι τεχνικές ποσοτικοποίησης του artifact που έχουν προταθεί μέχρι σήμερα βασίζονται στην ποιοτική ακτινολογική εκτίμηση (οπτική παρατήρηση) είτε σε μεθόδους τμηματοποίησης της περιοχής εικόνας του artifact που συνήθως στηρίζονται στην επιλογή αυθαίρετων τιμών κατωφλίου τόνων του γκρι. Μια πιο αντικειμενική και ακριβής μέθοδος αφορά στην αφαίρεση εικόνων γεωμετρικού αναλόγου (αντικείμενο ελέγχου- ομοίωμα) του εμφυτεύματος από την εικόνα που απεικονίζει το ίδιο το εμφύτευμα. Το ανάλογο είναι κατασκευασμένο από υλικό με παρόμοια μαγνητική επιδεκτικότητα προς το περιβάλλον του εμφυτεύματος. Η απεικόνιση ενός τέτοιου ομοιώματος, λαμβανομένης υπόψη και της συνεισφοράς του θορύβου, παρουσιάζει μηδενικό artifact επιδεκτικότητας σε σχέση με το πραγματικό εμφύτευμα. Το artifact στην περίπτωση αυτή ποσοτικοποιείται ως διαφορά ενέργειας εικόνας στην περιοχή του περιβάλλοντος υλικού [Kolind S et al,2004]. Η τελευταία αυτή μέθοδος ενώ ποσοτικοποιεί με ακρίβεια το artifact δεν παρέχει πληροφορίες για τη θέση του στο χώρο. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία, προτείνεται μία νέα, με βάση τα όσα γνωρίζουμε, μέθοδος ποσοτικοποίησης του artifact. Η μέθοδος αυτή βασίζεται στη γενεσιουργό αιτία του artifact, που είναι οι στρεβλώσεις του μαγνητικού πεδίου από την παρουσία του μεταλλικού αντικειμένου. Οι στρεβλώσεις αυτές εκφράζονται ως βαθμιδώσεις του μαγνητικού πεδίου. Οι βαθμιδώσεις του Μ.Π προκαλούν αντίστοιχες βαθμιδώσεις στην ένταση των τόνων του γκρι στην εικόνα. Αυτές οι βαθμιδώσεις μπορούν να αναδειχθούν αν εφαρμόσουμε κατάλληλο φίλτρο στην εικόνα που ανιχνεύει το μέγεθος/ πλάτος της βαθμίδωσης. Με αυτό τον τρόπο θα ανιχνευτούν τόσο περιοχές με υψηλό όσο και περιοχές με χαμηλό σήμα, απλοποιώντας έτσι τη διαδικασία, αφού δε χρειάζεται να ανιχνευτούν με ξεχωριστό αλγόριθμο περιοχές του artifact με πολύ διαφορετικές τιμές τόνων του γκρι. Στη συνέχεια η εικόνα που προκύπτει κατωφλιώνεται με αυτόματή μέθοδο που έχει προταθεί [Li & Lee 1993] και είναι διαθέσιμη στο περιβάλλον ανάλυσης εικόνας Image J. Στο πρώτο τμήμα της παρούσας εργασίας αναπτύσσονται, συνοπτικά βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού και του τρόπου με τον οποίο δημιουργείται η δισδιάστατη εικόνα στο MRI. Ακολουθεί επίσης μια σύντομη περιγραφή του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρονται τα πιο κοινά υλικά όταν βρεθούν εντός του μαγνητικού πεδίου. Όλα αυτά είναι αναγκαία για γίνει κατανοητός ο τρόπος που δημιουργείται το artifact μαγνητικής επιδεκτικότητας στην εικόνα που λαμβάνουμε. Στη συνέχεια αναπτύσσεται με λεπτομέρεια ο μηχανισμός και η φυσική που εμπλέκεται στη δημιουργία των artifact μαγνητικής επιδεκτικότητας. Στο πειραματικό μέρος, εφαρμόζεται ο προτεινόμενος αλγόριθμος σε απεικονίσεις δύο εμφυτευμάτων (τιτανίου και αντιμαγνητικού χάλυβα) στις πιο κοινά χρησιμοποιούμενες ακολουθίες του μυοσκελετικού. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος ελέγχεται ως προς την ικανότητα του να ποσοτικοποιεί το artifact με μία παραλλαγή της μεθόδου διαφοράς ενεργειών εικόνων [Kolind Sh,2004]. H μέθοδος αυτή ποσοτικοποιεί το artifact ως διαφορά ενέργειας της εικόνας του πραγματικού εμφυτεύματος από εικόνα γεωμετρικού αναλόγου με μηδενικό artifact (εικόνα αναφοράς). Στην περίπτωση μας χρησιμοποιήσαμε ως εικόνα αναφοράς την εικόνα με το ελάχιστο artifact (η οποία βάσει θεωρίας αντιστοιχεί στη λήψη με το υψηλότερο bandwindth). Επίσης θεωρήσαμε τη διαφορά θορύβου των διαφορετικών λήψεων αμελητέα ως προς τις τιμές έντασης (τόνοι του γκρι) του artifact, ώστε να μπορούμε να αξιοποιήσουμε το πεδίο των τιμών των τόνων του γκρι και όχι αυτό της ενέργειας της εικόνας. Η στατιστική επεξεργασία αναδεικνύει μέτρια ως ισχυρή θετική συσχέτιση των 2 αλγορίθμων. Πιθανοί λόγοι που δεν έχουμε σε όλες τις μετρήσεις ισχυρή ή πολύ ισχυρή συσχέτιση αποδίδονται πρωτίστως στην περιοχή της εικόνας που ποσοτικοποιεί η προτεινόμενη μέθοδος. Τμηματοποιώντας τις βαθμιδώσεις της εικόνας εστιάζουμε σε περιοχές που υπάρχει έντονη μεταβολή των τιμών του γκρι. Παρόλα αυτά το artifact μπορεί κατά περιπτώσεις να περιλαμβάνει και ομοιογενείς περιοχές εικόνας με παραπλήσιες τιμές του γκρι. Αυτές είναι περιοχές που δεν τμηματοποιεί (ανιχνεύει) η προτεινόμενη προσέγγιση. Μια ακόμη αιτία θα μπορούσε να είναι η μη αξιολογήση της συνεισφοράς του θορύβου στις διαφορετικές λήψεις (bandwidths). Η απώλεια τέτοιων περιοχών δεν μειώνει την αξία του αλγορίθμου, αφού αποτελεί μια αντικειμενική μέθοδο, ανεξάρτητη από τον παρατηρητή, επαναλήψιμη και ικανή να οριοθετήσει το artifact στο χώρο. Δεν της επιτρέπει παρόλα αυτά να χρησιμοποιηθεί σαν μέθοδος απόλυτης ποσοτικοποίησης του artifact. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πραγματοποίηση συγκρίσεων ιδανικ
Related Search
Similar documents
View more...
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks