Uniformità a campo ultra alto

Come accennato nel paragrafo 4.1.3, l'uniformità è un punto critico per quan- to riguarda i protocolli di qualità del tomografo a 7T. Dipende, infatti, prin- cipalmente dalle disomogeneità del campo magnetico statico e del campo elettromagnetico RF. Ritenendo poco consistente la misura proposta dal pro- tocollo ACR, a causa delle disomogeneità intrinseche alla sica del 7T, si sono implementate due procedure,per l'analisi dell'uniformità: un primo approc- cio, denominate metodo NEMA, inspirato appunto al protocollo NEMA e basato sulla suddivisione dell'immagine in piccole aree di interesse, e un se- condo, denominato metodo CORONA, che modica la forma della regione di interesse su cui fare l'analisi. L'obiettivo è quello di valutare l'uniformità dell'immagine al di là dell'intrinseca disomogeneità del segnale dovuta al- la lunghezza d'onda a radiofrequenza. Per entrambe le tipologie sono state utilizzate le immagini già acquisite del fantoccio FUNSTAR.

Per il metodo NEMA è stato implementato un programma MATLAB che crea la mappa di segnale, mediando, voxel a voxel, tutte le immagini acquisite nel tempo, identica il centro del fantoccio e seleziona 17 ROI di 7x7 pixel (Figura 4.15). Per ognuna di esse identica il segnale massimo Si

maxe minimo Si

min per poi calcolare l'uniformità percentuale (PIUi): P IUi = 100 ∗ (1 − Si max− Smini Si max− Smini ) (4.1)

con i che va da 1 a 17. L'uniformità percentuale dell'immagine si calcola inne come media quadratica su tutte le ROI. A dierenza dell'approccio ACR questa tipologia di analisi si basa sulla suddivisione dell'immagine in aree abbastanza piccole da non risentire singolarmente delle disomogeneità tipiche del campo, restituendo infatti valori superiori al 73% con costanza nel tempo e con una media su 15 misure mensili di (80±3)%.

Figura 4.15: Immagine generata dal programma MATLAB per il calcolo della percentuale di uniformità con il metodo NEMA. In rosso le ROI selezionate. Il secondo approccio invece utilizza la stessa ROI a forma di corona circo- lare impiegata per le analisi del protocollo FBIRN: il programma MATLAB seleziona la ROI sulla mappa di segnale medio ed estrapola il valore medio (Mean) e la deviazione standard del segnale (Dev.Std) all'interno di essa per poi applicare la formula:

P IU = 100 ∗ (1 − Dev.Std

M ean ) (4.2)

Con questo metodo, per la PIU, sono stati registrati un valore minimo di 78% e un valore medio di (84±3)%.

Entrambi i metodi di analisi mostrano una costanza nel tempo che dimostra come essi producano una misura consistente e riproducibile all'interno di un protocollo di qualità. In Figura 4.16 è possibile osservare l'andamento temporale della percentuale di uniformità per entrambi i metodi messi a confronto. Come limite per la valutazione delle misure nel tempo (in verde

nel graco) si è scelto arbitrariamente di utilizzare la media sulle prime cinque misure (eseguite con il metodo NEMA) diminuita del doppio della deviazioni standard calcolata sulle stesse misure. Si è scelto di utilizzare le immagini del fantoccio FUNSTAR ma, nel contesto di modicare il protocollo ACR standard al ne di renderlo idoneo a uno scanner a campo ultra alto, la stessa analisi può essere riprodotta sulla slice 5 del fantoccio ACR.

Figura 4.16: Andamento temporale su 14 mesi della percentuale di uniformità a 7T, misurata con il metodo NEMA (rosa) e il metodo CORONA (in blu). In verde il limite scelto in base al metodo NEMA, messo a confronto con i limiti imposti dal protocollo ACR per gli scanner a 3T (in azzurro) e 1.5T (in marrone).

4.4 Controllo di qualità sulle bobine multica-

nale

Lo scanner di risonanza magnetica a 7T utilizza, per le misure mostrate, una bobina per la testa a 32 canali di ricezione. La stessa procedura imple- mentata per il calcolo del rapporto segnale/rumore di ogni singolo elemento della bobina multicanale a campo clinico è stata quindi modicata per avere la medesima misura anche a 7T. Il fantoccio utilizzato in questo caso è il FUNSTAR. La procedura prevede l'acquisizione di due set di immagini iden- tiche (sequenza standard T1w del protocollo ACR) a una minima distanza di tempo richiedendo allo scanner di ricostruire separatamente le immagini provenienti da ciascun singolo canale oltre all'immagine ottenuta dalla loro combinazione. Un esempio di immagini del fantoccio ottenute è riportato in Figura 4.17. Con 32 elementi della bobina si ottiene un set di dati da 231 immagini (7 slice per ognuno dei 32 canali e 7 slice per l'immagine combina- ta ottenuta dallo scanner). La Figura 4.18 mostra un esempio della misura dell'SNR per ciascun singolo canale della bobina di ricezione.

Figura 4.17: Immagini del fantoccio FUNSTAR ottenute dai singoli elementi della bobina a 32 canali dello scanner a 7T.

Figura 4.18: Misura dell'SNR di ciascuno dei 32 elementi della bobina di ricezione del segnale a 7T.

Analogamente a quanto descritto a campo clinico, è stata ripetuta anche a 7T la simulazione di rottura degli elementi della bobina, al ne di vericare come la rottura di un numero denito di elementi possa inuire sull'unifor- mità delle immagini già di per sè inferiore in partenza. In Figura 4.19 si riporta l'esempio con la simulazione della rottura di un solo elemento della matrice, è possibile notare che, a 7T, con una bobina a 32 canali, la rottura di un singolo elemento non risulta visivamente apprezzabile.

Figura 4.19: Confronto tra le immagini simulate ottenute dalla combinazione degli elementi della bobina, considerando un elemento rotto (sinistra), o tutti gli elementi funzionanti (gold standard, a destra) dal quale non si evincono dierenze apparenti.

Per avere un riscontro quantitativo la Figura 4.20 mostra l'andamento dell'SNR al variare del numero di elementi consecutivi di cui si è simulata la rottura.

Figura 4.20: Andamento dell'SNR al variare del numero di elementi consecutivi di cui si è simulata la rottura.

Le immagini ottenute dalla simulazione di rottura di elementi diversi della bobina sono state inne analizzate con il programma MATLAB utilizzato per la valutazione dell'uniformità con il metodo NEMA. Infatti, per il medesimo controllo di qualità a campo clinico il parametro di uniformità è stato iden- ticato come il primo a fornire un'indicazione quantitativa attraverso valori numerici diversi dall'andamento nel tempo in caso di malfunzionamento di uno o più canali di ricezione della bobina. Nel caso del sistema a 7T non si hanno dei valori di riferimento per il fallimento del test, percui si è fatta una valutazione a partire dall'andamento riscontrato nel tempo dei valori di uniformità. Dall'analisi dati si è potuto constatare come, con la simulazione no a 8 elementi rotti, il parametro non abbia subito variazioni apprezzabili. Simulando la rottura di 10 elementi consecutivi si nota una perdita di 9 punti percentuali rispetto alla media delle misure ottenute nel tempo, scendendo al di sotto del minimo registrato. Per quanto riguarda la rottura di canali non consecutivi della bobina, il primo valore di uniformità signicativamente basso rispetto all'andamento temporale si è registrato con 12 canali rotti con la perdita di 10 punti percentuali rispetto alla media delle misure. In Figura 4.21 si osservano le immagini del fantoccio FUNSTAR al variare del numero

di elementi di cui si è simulata la rottura sia nel caso di elementi consecu- tivi che di elementi non consecutivi scelti in maniera casuale. Si riportano, inoltre, i valori di uniformità percentuali (PIU) calcolati.

Si è dimostrato quindi che la procedura descritta per il controllo di qua- lità delle bobine multicanale è ancora più importante a 7T che a campo cli- nico: sia perché la minore uniformità delle immagini a 7T fa sì che eventuali asimmetrie di intensità di segnale siano meno apprezzabili a una valutazione visiva; sia perché anche la valutazione quantitativa necessita che si verichi la rottura simultanea di più elementi della bobina (no a 12) perché si possa individuare la problematica a partire dai controlli di qualità di routine.

Figura 4.21: Misura della percentuale di uniformità (PIU) a 7T, misurata secondo il metodo NEMA, nelle immagini ottenute simulando un numero va- riabile di elementi rotti della bobina multicanale. A sinistra, misure ottenute con la simulazione della rottura di elementi consecutivi, a destra di elementi casuali.

Conclusioni

Nell'ambito della garanzia della qualità delle immagini in RM, la prima parte del lavoro di tesi ha riguardato l'implementazione dei protocolli sugli scanner di RM a disposizione (1.5T e 7T) e l'elaborazione di software dedicati per l'analisi dei parametri di imaging raccomandati dai protocolli internazionali. Sono state ottimizzate le procedure di analisi attraverso lo sviluppo di un co- dice scritto in MATLAB in grado di estrarre in modo automatico la maggior parte dei parametri, in modo da massimizzare la loro riproducibilità sia in studi di ricerca longitudinali che multicentrici.

I risultati dei controlli di qualità eseguiti secondo quanto previsto dal pro- tocollo ACR hanno fornito, per i parametri di imaging considerati, a campo clinico valori sempre all'interno dei limiti di accettabilità, dimostrando buo- ne performance dello scanner in termini di geometria, omogeneità e contra- sto. Questo risulta essere un aspetto fondamentale per garantire prestazioni diagnostiche accurate e riproducibili.

Le misure eettuate sul fantoccio FUNSTAR, secondo quanto previsto dal protocollo FBIRN, hanno messo in luce, inoltre, la stabilità dei gradien- ti e delineato degli andamenti di riferimento per i tre parametri principali (percentuale di uttuazione, SNR e SNRF) che lo scanner RM è tenuto a mantenere con costanza nel tempo. Si tratta infatti di un aspetto fondamen- tale per quanto riguarda l'imaging quantitativo e in particolare l'imaging funzionale. Esso, infatti, basandosi sul fenomeno BOLD, che produce una variazione dell'intensità del segnale di risonanza, a campo magnetico a 1.5T, dell'ordine del 5%, richiede una buona stabilità del segnale, sia in termini di SNR che di uttuazione percentuale del segnale.

Per quanto riguarda il campo ultra alto, come previsto, si è dimostrato il fallimento di alcune procedure di analisi denite nei protocolli di qualità standard per i campi clinici. Si è quindi intervenuti per adattare i proto- colli, aumentandone la versatilità, e per estrarre parametri signicativi e

riproducibili.

Nel dettaglio il protocollo ACR, se da un lato ha dimostrato la superio- rità dello scanner a campo ultra alto in termini di risoluzione e contrasto in confronto allo scanner a 1.5T, dall'altro ha mostrato criticità soprattut- to per quanto riguarda il parametro di uniformità. Si è dimostrato infatti come l'analisi standard prevista dal protocollo non sia adatta alle immagi- ni a campo ultra alto che mostrano la peculiare caratteristica di avere forti disomogeneità di segnale. Si è lavorato quindi per riuscire a dare una valu- tazione quantitativa dell'uniformità dell'immagine nella zona più omogenea, che quindi non tiene conto della problematica nota, ma che consente una maggiore riproducibilità della misura nel tempo del parametro in questio- ne e che quindi è maggiormente informativa sulle prestazioni dello scanner. Le due procedure utilizzate (metodo NEMA e metodo CORONA) si sono dimostrate consistenti, caratterizzando quantitativamente l'uniformità per- centuale delle immagini con un valore che si aggira sull'80% con costanza nel tempo.

Analogamente al protocollo ACR, anche il protocollo FBIRN è stato adat- tato per le misure sullo scanner a 7T. Nell'analisi dei dati si è scelto di modi- care la ROI utilizzata, sostituendo la classica forma quadrata con una ROI a forma di corona circolare che tiene conto quindi della sica del segnale RM a 7T. La valutazione dei parametri ha dimostrato, come atteso, la superiorità dello scanner a 7T anche in termini di rapporto segnale/rumore in confron- to allo scanner clinico. In fase di acquisizione, oltre al protocollo standard FBIRN, è stata implementata una seconda acquisizione, denominata ISO, con caratteristiche speciche degli studi di RM funzionale a 7T, ovvero uti- lizzando un voxel isotropico ad alta risoluzione (1.5x1.5x1.5 mm3). Uno dei principali vantaggi connessi all'aumento del campo magnetico è infatti il po- ter accedere ad elevate risoluzioni spaziali. A tal proposito il protocollo ISO riduce il volume del voxel di circa 13 volte in confronto al protocollo standard (volume del voxel pari a 3.4x3.4x4 mm3_{). Le misure eettuate in confronto} al protocollo standard hanno mostrato prestazioni ottimali, infatti si assiste a una minima riduzione del rapporto segnale/rumore nonostante le ridotte dimensioni del voxel e una maggiore stabilità dei valori nel tempo rispetto all'acquisizione standard.

Inne gli scanner di risonanza magnetica di ultima generazione utilizzano generalmente bobine multicanale per la ricezione del segnale. Ciò comporta la necessità di introdurre un controllo di qualità sulle bobine che dia infor- mazioni sul funzionamento di ciascun suo singolo canale. A tal proposito

in questo lavoro di tesi è stata sviluppata una procedura di acquisizione e analisi del rapporto segnale/rumore per ciascun singolo elemento della bo- bina. Gli scanner RM utilizzati nel lavoro in particolare sono dotati di una bobina multicanale per lo studio dell'encefalo, a 8 canali indipendenti per il tomografo a 1.5T, e a 32 canali indipendenti per quello a 7T. L'analisi dati delle acquisizioni eseguite per valutare i singoli elementi delle bobine multicanale, eettuata su un arco temporale di sei mesi, ha permesso di ot- tenere un andamento tipico del rapporto segnale/rumore in funzione della posizione spaziale del singolo elemento all'interno della bobina. Attraverso la simulazione di rottura degli elementi della bobina, si è dimostrato che il parametro di imaging sul quale il malfunzionamento di uno o più canali si riette maggiormente è l'uniformità. La valutazione di tale parametro al va- riare del numero di canali funzionanti ha reso possibile quindi dimostrare che sulla bobina a 8 canali dello scanner RM a 1.5T non è valutabile, attraverso gli altri protocolli e senza una misura specica, la rottura no a 2 elementi (non consecutivi) della bobina multicanale. Per la bobina in ricezione a 32 canali dello scanner RM a 7T il numero arriva a 12, sempre considerando elementi non consecutivi. Si può quindi concludere che è necessario inserire questa misura nei controlli di qualità dei sistemi RM e che essa andrebbe eseguita per ogni bobina utilizzata nella pratica clinica.

In conclusione, il lavoro svolto nell'ambito di questa tesi ha visto lo stu- dio di diversi protocolli internazionali per il controllo della qualità in RM e l'implementazione di alcuni di essi su scanner a diversi campi magnetici, esplorando potenzialità e problematiche speciche. Lo studio sistematico dei parametri importanti in ambito RM ha permesso di identicare carenze nei protocolli standard che hanno necessitato di denire nuove misure. Sono sta- ti quindi implementati protocolli di acquisizione dei parametri rilevanti per la qualità delle immagini, e si è lavorato alla loro ottimizzazione e ecacia a diversi campi magnetici .

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