Analisi dei dati

Per il lavoro di tesi è stato elaborato un programma in MATLAB che resti- tuisce automaticamente le misure dei parametri dettati dal protocollo. Tutti i parametri sono stati valutati in maniera identica sia per la sequenza pesata in T1 che in T2 a partire dalle denizioni teoriche del paragrafo 2.2.3. Accuratezza geometrica (GD): per questo parametro, per ciascuna mi- sura richiesta, il programma satura l'immagine, identica le estremità del fantoccio, calcola la distanza tra di esse e la converte in millimetri a partire dal valore identicato come "pixel spacing2_{" all'interno delle speciche del} le DICOM delle immagini. Le misure eettuate sono:

ˆ Altezza del fantoccio in sagittale a partire dall'immagine del localizza- tore (Figura 3.2a).

2_{Tale parametro è calcolato dividendo il FOV dell'immagine per la matrice di}

ˆ Diametro del fantoccio nelle due direzioni alto-basso (AP) e destra- sinistra (RL), utilizzando la slice assiale 1 (Figura 3.2b).

ˆ Diametro del fantoccio nelle quattro direzioni: alto-basso (AP), destra- sinistra (RL) e le due diagonali alto/sinistra basso/destra (NG) e al- to/destra basso/sinistra (PG) utilizzando la slice assiale 3 (Figura 3.2 c-d).

Si ricorda che il protocollo ACR prevede una tolleranza limite di ±2mm rispetto ai valori di riferimento di 100mm. In Tabella 3.2 è riportata in ma- niera riassuntiva l'analisi fatta sui parametri appena descritti. Per ciascuna misura sono riportati il valor medio calcolato sulle acquisizioni nel tempo, la deviazione standard e i valori massimi e minimi registrati su 19 controlli di qualità eseguiti mensilmente. Si può notare come, per la macchina in esame, la tolleranza prevista (98-102mm) sia n troppo generosa in confronto a un range registrato sulle misure eettuate che va da 99.4mm a 100.6mm.

Media Dev. Std. Max Min (mm) (mm) (mm) (mm) Localizzatore SI 99.9 0.2 100.0 99.4 T1w slice 1 RL 99.6 0.3 100.0 99.4 AP 100.0 0.0 100.0 100.0 T1w slice 3 RL 99.6 0.3 100.0 99.4 AP 100.0 0.3 100.6 99.4 NG 100.1 0.2 100.6 100.0 PG 100.2 0.3 100.6 100.0 T2w slice 1 S1 RL 99.7 0.3 100.0 99.4 AP 100.0 0.1 100.6 100.0 T2 slice 3 RL 99.7 0.3 100.0 99.4 AP 99.9 0.3 100.6 99.4 NG 100.1 0.2 100.6 100.0 PG 100.2 0.3 100.6 100.0

Tabella 3.2: Misure di accuratezza geometrica con ACR acquisite mensilmente per 19 mesi.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3.2: Output del programma MATLAB utilizzato per la valutazione dell'accuratezza geometrica. In rosso sono riportate le distanze calcolate tra gli estremi del fantoccio con la relativa misura in millimetri: (a) misura dell'altezza del fantoccio sul localizzatore; (b) diametri del fantoccio lungo la direzione orizzontale (RL) e verticale (AP) calcolati sulla slice 1; (c) diametri del fantoccio nelle direzioni verticali (AP) e orizzontali (RL) calcolati sulla slice 3; (d) diametri del fantoccio nelle direzioni diagonali (NG e PG) calcolati sulla slice 3 e visualizzati ruotando il fantoccio di -45°.

Risoluzione spaziale (HC): il programma satura l'immagine e trova il centro del fantoccio. Per ogni matrice il codice produce un prolo di in- tensità lungo le direzioni orizzontali e verticali e valuta la distinguibilità dei picchi. Un esempio è riportato in Figura 3.3. La localizzazione spaziale dei picchi all'interno dell'immagine, identicati come distinti, viene associata al diametro del foro corrispondente in modo che l'output sia uno dei tre valori indicati (0.7 per le matrici di sinistra, 0.8 per quelle centrali o 0.9 per quelle di destra). Per lo scanner utilizzato è auspicabile che la misura ricercata non superi 0.9mm ovvero che almeno una delle griglie di fori sia distinguibile. Nell'istogramma in Figura 3.4 è possibile osservare la distribuzione statistica dei valori ottenuti nelle due direzioni alto-basso (UL) e destra-sinistra (RL) sia per le acquisizioni pesate in T1 (T1w) che in T2 (T2w). La risoluzione spaziale in un caso ideale dovrebbe dipendere esclusivamente dalla dimen- sione del pixel, ovvero dalla scelta del FOV e dalla matrice. I dati indicano una diminuzione della risoluzione spaziale (valori più alti misurati) nelle im- magini T2w. Ciò potrebbe dipendere dal più basso rapporto segnale/rumore nelle immagini3 _{T2w. Le dierenze invece tra le misure ottenute nella dire-} zione verticale e orizzontale sono da ricondurre alla dierenza nella codica spaziale , ovvero tra la codica di fase e la codica in frequenza, eettuate dai gradienti con i quali viene ricostruita l'immagine.

3_{In generale la pesatura in T2 implica che le immagini vengano acquisite con un TE più}

lungo rispetto a quelle pesate in T1, con un'intrinseca penalizzazione del segnale dovuta al suo rilassamento. A parità di acquisizione, in termini di parametri geometrici e di ricezione della radiofrequenza (BW), il rapporto segnale rumore dipende dai parametri di imaging TR e TE in relazione ai tempi T1 e T2 caratteristici della sostanza investigata.

Figura 3.3: Immagini del programma MATLAB per la valutazione della ri- soluzione spaziale: a sinistra immagine saturata dal programma; a destra esempio di proli tracciati lungo le strutture orizzontali e verticali per l'i- denticazione dei picchi iperintensi. In alto (azzurro) il prolo della seconda riga orizzontale della matrice corrispondente a 0.8 mm di diametro dei fori in cui si distinguono i 4 picchi e che fornisce il valore conteggiato (Figura 3.4) di risoluzione spaziale in direzione orizzontale, in basso (arancione) il prolo della prima riga della matrice corrispondente a 0.7 mm in cui si distinguono solo 3 picchi, il valore conteggiato di risoluzione spaziale in direzione orizzon- tale corrisponderà quindi alla matrice di fori successiva (0.8 mm) in cui tutti e 4 i picchi appaiono risolti.

Figura 3.4: Distribuzione statistica dei valori di risoluzione spaziale su 17 misure: il numero di conteggi in cui la dimensione sica del diametro dei fori corrisponde a 0.7mm in blu, a 0.8mm in rosa e a 0.9mm in arancione; UL e RL indicano rispettivamente la direzione verticale e orizzontale per la valutazione del parametro.

Spessore della slice (ST): per valutare questo parametro si considera l'inserto per la misura dello spessore saturando l'immagine della slice 1 e misurando la lunghezza delle due rampe (top e bottom), che appaiono in Figura 3.5b come 2 barre iperintense di lunghezza variabile al di sotto delle matrici di fori utilizzate per la misura di risoluzione. Per riuscire ad ottenere delle misure corrette, il valore di saturazione delle immagini risulta essere un punto delicato. Nello specico, il programma costruisce un istogramma dei livelli di grigio dell'intera immagine, trova il secondo minimo assoluto e sa- tura a partire da esso. L'operatore che esegue il programma può, attraverso un'apposita nestra, scegliere se fare eseguire la misura con il livello di satu- razione proposto, o chiedere al programma di scegliere un valore maggiore. Ciò consente di mettere in evidenza, nell'immagine saturata, i valori di grigio corrispondenti alle rampe. In Figura 3.5a si mostra il punto sull'istogramma idoneo alla saturazione. Successivamente il programma identica il centro del fantoccio e i due estremi delle rampe in modo da poterne calcolare la

distanza e trasformarla in millimetri a partire dal valore del "pixel spacing". Applicando inne la formula descritta nel paragrafo 2.2.3 si ottengono i valori richiesti di spessore. Il protocollo prevede che la misura dello spessore sia di 5mm (come impostato in fase di acquisizione) con un margine di accettazio- ne di ±0.7mm. Dalle analisi eettuate, la media su tutte le misure eseguite risulta essere di (4.9±0.4)mm per l'acquisizione pesata in T1 e (5.0±0.5)mm per quella in T2, con un valore massimo registrato di 5.5mm per entrambe e un valore minimo di 4.4mm e 4.3mm, rispettivamente per T1w e T2w. Vale la pena far notare inoltre come il programma, per un numero ristretto di casi, 2 per il T1 e 5 per il T2, fallisca nella saturazione delle rampe resti- tuendo un valore completamente errato. Questa criticità comporta un errore sistematico del programma nell'identicare gli estremi delle rampe e quindi nella misura del parametro. I risultati della procedura automatica sono stati controllati e, nel caso di errori di questo tipo, sostituiti con il calcolo manua- le eseguito utilizzando il software ImageJ4_{. In ultima analisi, in Figura 3.6} si può osservare l'andamento temporale dei risultati ottenuti per la misura dello spessore della slice.

(a) (b)

Figura 3.5: Immagini del programma relative al calcolo dello spessore della slice: (a) istogramma dei livelli di grigio della slice 1 in esame: la freccia rossa indica il secondo minimo utilizzato come soglia per la saturazione; (b) slice 1 saturata a partire dal valore ricavato dall'istogramma.

Figura 3.6: Andamento nel tempo dei valori di spessore della slice per l'ac- quisizione standard a 1.5T: in blu l'acquisizione T1w e in rosa quella T2w. La banda color viola indica i limiti di tolleranza imposti dal protocollo. Posizione della slice (SP): Il programma, ancora una volta, satura l'im- magine della slice 1 e identica l'altezza dei margini ipointensi appartenenti alle strutture cuneiformi di destra e di sinistra e ne misura la dierenza. Il dettaglio della slice utile allo scopo è osservabile nella parte superiore del fantoccio in riferimento nuovamente alla Figura 3.5b. I risultati ottenuti rientrano nel criterio imposto dal protocollo, riportato nella banda viola sul graco, con una media in valore assoluto di (0.6±0.5)mm per le immagini pe- sate in T1 e (0.5±0.4)mm per quelle in T2, con un valore massimo registrato di 1.25mm e minimo di 0mm per entrambi i set di misure. Come osservabile anche nell'andamento in Figura 3.7, si riscontra in primo luogo un corretto posizionamento del fantoccio per tutte le acquisizioni eettuate nel tempo e la capacità dello scanner di riprodurre la posizione richiesta all'interno della struttura di cui si vuole fare l'imaging.

Figura 3.7: Andamento nel tempo dei valori di posizione della slice per l'ac- quisizione standard a 1.5T: in blu l'acquisizione T1w e in rosa quella T2w. La banda color viola indica i limiti di tolleranza imposti dal protocollo. Uniformità dell'immagine (PIU): il programma identica il centro del- la slice 4 e considera una ROI di area pari a 55cm2 _{centrata in esso. All'inter-} no di quest'ultima disegna una serie di piccole ROI da 1 cm2 _{di area (Figura} 3.8) al ne di identicare, una volta saturata l'immagine, quelle con il mas- simo e il minimo segnale medio, per poi applicare la formula descritta nel paragrafo 2.2.3. Si ricorda che il protocollo prevede un'uniformità percentua- le maggiore dell'87.5%. Le immagini analizzate rientrano con costanza nel tempo (Figura 3.9) il limite imposto: la media risulta essere (94.4±0.7)% per le immagini pesate in T1 con un minimo registrato di 93.2% e (94.5±0.6)% per le immagini pesate in T2 con un minimo di 93.3%.

Figura 3.8: Esempio di calcolo dell'uniformità, eseguito sulla slice 4. Sono visibili le piccole ROI utilizzate per identicare le zone di massima e minima intensità.

Figura 3.9: Andamento nel tempo della percentuale di uniformità (PIU) per l'acquisizione standard a 1.5T: in blu l'acquisizione T1w e in rosa quella T2w. La banda color viola indica i limiti di tolleranza imposti dal protocollo.

Ghosting (PSG): considerando nuovamente l'immagine saturata della sli- ce 4 e la ROI centrale precedentemente costruita per il calcolo dell'uniformi- tà, il programma disegna 4 ROI ellittiche di 10 cm2_{, posizionate ai bordi del} campo di vista (Figura 3.10). Applicando la formula descritta nel paragrafo 2.2.3 si ottiene, per le immagini pesate in T1, un valor medio percentuale di ghosting di (0.82±0.09)% con un massimo registrato di 0.91%. Le immagi- ni pesate in T2 invece mostrano un valor medio pari a (1.3±0.2)% con un massimo di 1.5%. In ogni caso i risultati rientrano nel limite imposto dal protocollo che prevede una percentuale di ghosting inferiore al 2.5% come mostra anche l'andamento temporale riportato in Figura 3.11.

Figura 3.10: Esempio delle ROI utilizzate per il calcolo della percentuale di ghosting sull'immagine saturata della slice 4.

Figura 3.11: Andamento nel tempo della percentuale di ghosting per l'acqui- sizione standard a 1.5T: in blu l'acquisizione T1w e in rosa quella T2w. La banda color viola indica i limiti di tolleranza imposti dal protocollo.

Rilevabilità di oggetti a basso contrasto (LCOD): a dierenza dei parametri precedenti, questo è l'unico per cui non è ancora stato implemen- tato un metodo di misura automatizzato. Nel programma appare una nestra tramite la quale l'operatore può cambiare il livello di saturazione e contrasto dell'immagine (Figura 3.12) in modo da mettere in evidenza i dischi ed eet- tuare il conteggio visivamente. Quindi appare un'interfaccia in cui inserire manualmente il numero di raggi contati. La Figura 3.13 mostra le due slice, a diverso contrasto, a partire dalle quali si eettua il conteggio. Il protocollo prevede che il numero di raggi per ogni slice sia maggiore di 7. L'istogram- ma in Figura 3.14 mostra i risultati ottenuti su tutti i 18 punti di misura. Il contrasto peggiore si riscontra per la slice 6 delle immagini pesate in T2 a dierenza della slice 7 pesata in T1 che mantiene con costanza il valore massimo di conteggio di 10 raggi su 10.

Figura 3.12: Finestra di interfaccia del programma che consente di aggiustare il livello di saturazione e contrasto dell'immagine, per favorire il conteggio dei dischi.

(a) (b)

Figura 3.13: Esempio delle slice utilizzate per il conteggio dei raggi nella misura di rilevabilità di oggetti a basso contrasto di una acquisizione pesata in T1: (a) slice 7 nella quale si contano 10/10 raggi completi; (b) slice 6 nella quale si contano, a partire dalle ore 12, 8/10 raggi completi in senso orario.

Figura 3.14: Istogramma dei conteggi ottenuti per la misura di rilevabilità di oggetti a basso contrasto, per le 18 misure eettuate nel tempo. Il colore blu indica le misure eseguite sulla slice 7 con pesatura in T1 (T1 S7), il colore rosa quelle sulla slice 6 con pesatura in T1 (T1 S6), l'arancione quelle sulla slice 7 con pesatura in T2 (T2 S7) e il grigio quelle sulla slice 6 pesata in T2 (T2 S6). Per ognuna delle 4 misure il conteggio massimo è di 10.