Магнитно-резонансная томография с подавлением сигналов от нормальной ткани.

Магнитно-резонансная томография с подавлением сигналов от нормальной ткани.
Бабич П. В.
Научные руководители:
профессор, д.ф.-м.н. Ю.А. Пирогов,
с.н.с., к.ф.-м.н. Н.В. Анисимов

МР-томограф
Tomikon S50. (0.5 Тесла)
Максимальный ток в катушке электромагнита - 260.64 Ампер.
Охлаждение с использованием жидкого гелия (T=37.3 К).
Резонансная частота для протонов – 21 МГц.
Неоднородность поля < 5 м.д. в области до 40 см.
Напряженность РЧ поля достигает 1.6 мкТл.
Длительность 90° прямоугольного импульса – 325 мкс.
Максимальное значение градиентного поля – 16 мТ/м.
Время нарастания импульса – 0.5 мс.
Программное обеспечение - пакет ParaVision ™ v.1.036 – надстройка к пакету XWINNMR 1.0.

Постановка задачи
Задача исследования
Разработка и реализация методик подавления сигналов от нормальных тканей в МРТ
Направление исследования
Задание режимов МРТ-сканирования и разработка методов преобразования данных от этих режимов для многокомпонентного подавления сигналов от нормальной ткани с целью лучшей визуализации патологически измененной ткани
Основная цель исследования - хорошая визуализация патологически изменённой ткани.
Основная стратегия оператора - подавление сигналов от нормальной ткани.
Актуальность темы

Постановка задачи
Задача исследования
Разработка и реализация методик подавления сигналов от нормальных тканей в МРТ
Направление исследования
Задание режимов МРТ-сканирования и разработка методов преобразования данных от этих режимов для многокомпонентного подавления сигналов от нормальной ткани с целью лучшей визуализации патологически измененной ткани
Актуальность темы
Cтандартный набор средств включает :
химсдвиговое подавление
перенос намагниченности
дифференциация по временам релаксации
алгебраические преобразования
комбинированные методы

Постановка задачи
Задача исследования
Разработка и реализация методик подавления сигналов от нормальных тканей в МРТ
Направление исследования
Задание режимов МРТ-сканирования и разработка методов преобразования данных от этих режимов для многокомпонентного подавления сигналов от нормальной ткани с целью лучшей визуализации патологически измененной ткани
Актуальность темы
Актуальность двух последних направлений следует из их основных преимуществ:
Сокращение времени стандартного исследования.
Разгрузка производительных мощностей томографа.

Постановка задачи
Задача исследования
Разработка и реализация методик подавления сигналов от нормальных тканей в МРТ
Направление исследования
Задание режимов МРТ-сканирования и разработка методов преобразования данных от этих режимов для многокомпонентного подавления сигналов от нормальной ткани с целью лучшей визуализации патологически измененной ткани
Цели и задачи
Произвести математический анализ
А) МРТ-сигналов для стандартных режимов сканирования, включая режимы с подавлением одного или двух типов нормальных тканей.
Б) МРТ-изображений, получаемых в результате алгебраических преобразований данных, получаемых от стандартных режимов сканирования.

Постановка задачи
Задача исследования
Разработка и реализация методик подавления сигналов от нормальных тканей в МРТ
Направление исследования
Задание режимов МРТ-сканирования и разработка методов преобразования данных от этих режимов для многокомпонентного подавления сигналов от нормальной ткани с целью лучшей визуализации патологически измененной ткани
Цели и задачи
Произвести математический анализ методики
Провести экспериментальную проверку
А) получить данные от сканирования с подавлением нормальных тканей.
Б) разработать математический аппарат для алгебраических операций с данными от разных режимов МРТ-сканирования.
В) провести сопоставление получаемых результатов для нескольких типов нормальной и патологически измененной тканей.

Постановка задачи
Задача исследования
Разработка и реализация методик подавления сигналов от нормальных тканей в МРТ
Направление исследования
Задание режимов МРТ-сканирования и разработка методов преобразования данных от этих режимов для многокомпонентного подавления сигналов от нормальной ткани с целью лучшей визуализации патологически измененной ткани
Цели и задачи
Произвести математический анализ методики
Провести экспериментальную проверку
Провести обработку данных МРТ-исследований
А) разработать и реализовать алгоритм сегментации зоны повышенного МР-сигнала (зоны поражения) и методику оценки площади сегментируемой зоны.
Б) произвести оценку изменения объёма злокачественного образования за продолжительный промежуток времени.

Постановка задачи
Задача исследования
Разработка и реализация методик подавления сигналов от нормальных тканей в МРТ
Направление исследования
Задание режимов МРТ-сканирования и разработка методов преобразования данных от этих режимов для многокомпонентного подавления сигналов от нормальной ткани с целью лучшей визуализации патологически измененной ткани
Цели и задачи
Произвести математический анализ методики
Провести экспериментальную проверку
Провести обработку данных МРТ-исследований
Дополнительно
Цели и задачи предэкспериментального этапа

Постановка задачи
Дополнительно
Цели и задачи предэкспериментального этапа
Провести обработку данных МРТ-исследований
Разработать пакет программ прикладного характера с открытым кодом и возможностью модификации и модернизации, для выполнения следующих функции
Конвертация
Конвертация данные исходных сигналов (К-пространство), матриц 3D изображений в матрицы для работы в среде Matlab, для визуализации и в пользовательские форматы изображений (JPEG, TIFF,PNG) как в прямом направлении так и в обратном, по необходимости вышепоставленных задач.
К-пространство

Постановка задачи
Цели и задачи предэкспериментального этапа
Разработать пакет программ прикладного характера с открытым кодом и возможностью модификации и модернизации выполняющего следующие функции
Конвертация
Математический редактор
Математический редактор и просмоторщик К-пространства (эксперименты по определению информативности К-пространства и математической корректировки К-пространства для создания алгоритмов устранения искажений изображений).

Постановка задачи
Цели и задачи предэкспериментального этапа
Разработать пакет программ прикладного характера с открытым кодом и возможностью модификации и модернизации выполняющего следующие функции
Конвертация
Математический редактор
Модуль графического редактора
Модуль для использования графического редактора Microsoft Paint в качестве редактора слоёв трёхмерного МРТ-изображения (для устранения искажений из изображения, связанных с аппаратурными несовершенствами).

Постановка задачи
Цели и задачи предэкспериментального этапа
Разработать пакет программ прикладного характера с открытым кодом и возможностью модификации и модернизации выполняющего следующие функции
Сегментация
Конвертация
Математический редактор
Модуль графического редактора
Сегментация трёхмерных областей и определения их объёма.

Постановка задачи
Цели и задачи предэкспериментального этапа
Разработать пакет программ прикладного характера с открытым кодом и возможностью модификации и модернизации выполняющего следующие функции
Сегментация
Конвертация
Математический редактор
Модуль графического редактора
Математические операции
Математические операции над матрицами МРТ-изображений.

Постановка задачи
Цели и задачи предэкспериментального этапа
Разработать пакет программ прикладного характера с открытым кодом и возможностью модификации и модернизации выполняющего следующие функции
Сегментация
Конвертация
Математический редактор
Модуль графического редактора
Математические операции
Другие приложения
Для достижения некоторых целей дипломной работы дополнительно разрабатывалось прикладное программное обеспечение.

Постановка задачи
Цели и задачи предэкспериментального этапа
Разработать пакет программ прикладного характера с открытым кодом и возможностью модификации и модернизации выполняющего следующие функции
Сегментация
Конвертация
Математический редактор
Модуль графического редактора
Математические операции
Другие приложения
Параллельно с решением вышеперечисленных задач разрабатывалось
прикладное программное обеспечение для коррекции аппаратурных артефактов на МРТ-изображениях

Постановка задачи
Цели и задачи предэкспериментального этапа
Разработать пакет программ прикладного характера с открытым кодом и возможностью модификации и модернизации выполняющего следующие функции
Сегментация
Конвертация
Математический редактор
Модуль графического редактора
Математические операции
Другие приложения
Параллельно с решением вышеперечисленных задач разрабатывалось
прикладное программное обеспечение для коррекции аппаратурных артефактов на МРТ-изображениях
Данное прикладное программное обеспечения должно конвертировать МРТ-данные из специализированного фирменного формата, разработанного для ОС IRIX на платформе SiliconGraphics, в форматы, пригодные для графических редакторов в среде MS Windows на платформе PC. Благодаря этому предполагалось решать задачи:
А) анализа и обработки исходных МРТ-сигналов
Б) коррекции аппаратурных артефактов на МРТ-изображениях
В) обратная конвертация данных для работы в среде IRIX

T2 (~150 сек)
Практическая часть: математический анализ: МРТ-сигналов
Т2 (T2 – взвешенного изображения)
График зависимости максимально возможной интенсивности регистрации сигнала вещества от параметра T1: Mz(T1)
(параметр спин-решёточной релаксации)

FLAIR(~210 сек)
Практическая часть: математический анализ: МРТ-сигналов
FLAIR (T2 – взвешенного изображения с подавлением жировой ткани)
График зависимости максимально возможной интенсивности регистрации сигнала вещества от параметра T1: Mz(T1)
(параметр спин-решёточной релаксации)

STIR (~210 сек)
Практическая часть: математический анализ: МРТ-сигналов
STIR (T2 – взвешенного изображения с подавлением свободной воды)
График зависимости максимально возможной интенсивности регистрации сигнала вещества от параметра T1: Mz(T1)
(параметр спин-решёточной релаксации)

DIR (~330 сек)
Практическая часть: математический анализ: МРТ-сигналов
DIR (одновременное подавление жировой ткани и воды)
График зависимости максимально возможной интенсивности регистрации сигнала вещества от параметра T1: Mz(T1)
(параметр спин-решёточной релаксации)

Графики рассчитаны по приближённым формулам:
при значениях пар-в: TR/TIw /TIf = 5600 / 1300 / 80 ms .
Практическая часть: математический анализ: МРТ-сигналов
Основу методики анализа способов эмуляции составляют
данные об операциях над режимами сканирования:

Практическая часть: математический анализ: МРТ-сигналов

Практическая часть: математический анализ: МРТ-сигналов

Практическая часть: математический анализ: МРТ-сигналов

Практическая часть: математический анализ: МРТ-сигналов

Практическая часть: математический анализ: МРТ-сигналов
Более качественный анализ включает в себя:
1) Анализ информативности сигнала отрицательных значений пикселей после операции на примере экспериментальных данных

Практическая часть: математический анализ: МРТ-сигналов
Более качественный анализ включает в себя:
1) Анализ информативности сигнала отрицательных
значений пикселей после операции на примере экспериментальных данных.
2) анализ контрастности изображения.

Практическая часть: математический анализ: МРТ-сигналов
Более качественный анализ включает в себя:
1) Анализ информативности сигнала отрицательных
значений пикселей после операции на примере экспериментальных данных.
2) анализ контрастности изображения.
3) оценка возможности и целесообразности применения данной операции в медицинской диагностике.
4) сравнение результатов с результатами стандартного исследования.

Методика сегментации области

Увеличение точности определения координаты.
производится путём повторного указания координаты точки на изображении окрестности точки, которая была зафиксирована при первом нажатии.

Корректировка параметров
Решение данной задачи предполагает использование алгоритмов интерактивного взаимодействия с пользователем, при котором нахождение параметра необходимого для сегментации разбивается на несколько шагов, с каждым из которых увеличивается точность определения параметра.

Фильтрация
Для увеличения стабильности работы методики был дополнительно разработан алгоритм фильтрации сегментируемого изображения. Фильтр-матрица было подобрана с учётом следующих критерий:
Стабильность работы основной программы.
Быстродействие алгоритма.
Сходимость алгоритма сегментации с данным фильтром.

Фильтр

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Критерий детектирования

Определение границы указанной области
Для объяснения принципа работы алгоритма рассмотрим граф, имеющий следующие свойства:
Все вершины строятся только на ячейках полученной матрицы.
Все рёбра одинаковой длины, ориентированны, и могут принимать только одну из четырёх ориентаций (право, лево, верх, низ).
Все вершины имеют нумерацию (1,2,3,4, и т.д.)
Каждая вершина имеет одно входящее (из вершины с меньшим номером) и одно выходящее ребро (в вершину с большим номером).

Граница сегментации выделена и может быть скорректирована
Есть возможность настройки яркости и контрастности
Есть возможность настройки яркости и контрастности
Исследование протоколируется
Проверяется форма и размер сегментируемой области
Проверяется форма и размер сегментируемой области

ОПИСАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Эмуляция режима DIR

ОПИСАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Эмуляция режима STIR

Эмуляция режима двухкомпонентного подавления сигналов (DIR) используя данные режимов STIR и Т2.
Используя ранее введённые схемы:
А) T2 - FLAIR = STIR
Б) STIR x FLAIR = DIR
Получаем:
(T2 - FLAIR) x FLAIR = STIR x FLAIR = DIR
Это означает, что существует методика эмуляции режима DIR из режимов FLAIR и Т2:

T2
Практическая часть: математический анализ МРТ-изображений
FLAIR (под. воды)
DIR (жира и воды)
STIR (под. жира)
Параметры сканирования:
TSE: TR/TEeff=5600/100 ms, ETL=8,
NS=22 (6mm)
FOV=160x180 mm, Matrix=160(antialise) x180,
(in plane res.=1x1 mm)
Особенности сканирования:
Необходимое условие – одинаковые параметры
сканирования перечисленные выше.

T2
Практическая часть: математический анализ МРТ-изображений
FLAIR (под. воды)
DIR (жира и воды)
STIR (под. жира)
Два варианта:
Операция вычитания
Стандартное
сканирование

Практическая часть: математический анализ МРТ-изображений

T2
Практическая часть: математический анализ МРТ-изображений
FLAIR (под. воды)
DIR (жира и воды)
STIR (под. жира)
Два варианта:
Операция вычитания
Стандартное
сканирование

T2
Практическая часть: математический анализ МРТ-изображений
FLAIR (под. воды)
DIR (жира и воды)
STIR (под. жира)
Два варианта:
Стандартное
сканирование
Операция умножения

Практическая часть: математический анализ МРТ-изображений

T2
Практическая часть: математический анализ МРТ-изображений
FLAIR (под. воды)
DIR (жира и воды)
STIR (под. жира)
Два варианта:
Стандартное
сканирование
Операция умножения

T2
Практическая часть: математический анализ МРТ-изображений
FLAIR (под. воды)
DIR (жира и воды)
STIR (под. жира)
Эмуляция режимов:
d=bx(a-b)
c=a-b
d=bxc

Практическая часть: сопоставление получаемых результатов
Т2
FLAIR (TI=1300 ms)

Практическая часть: сопоставление получаемых результатов
«Т2» - «FLAIR»
(Эмуляция STIR)
STIR
(Истинный STIR)

Практическая часть: сегментация зоны повышенного МР-сигнала

Практическая часть: сегментация зоны повышенного МР-сигнала

Выводы
Результаты проделанной работы сводятся к следующему:
1) Разработан новый метод обработки данных МРТ путём алгебраических операций с МРТ-изображениями, полученных при разных режимах сканирования. Метод сводится к получению новых изображений, представляющих собой эмуляцию особых режимов сканирования, включая режимы с подавлением сигналов от нормальной ткани.
2) Для теоретического обоснования метода проведен расчёт величин сигналов для исходных и эмулированных режимов сканирования.

Выводы
Результаты проделанной работы сводятся к следующему:
4) Проведено сопоставление расчетных и экспериментально данных, благодаря чему выявлена корреляция между изменениями контраста на изображениях, полученных при разных режимах сканирования, проведенных для одной и той же зоны сканирования и одинаковой схемы регистрации МРТ-сигналов. Показана возможность использования эмулированных изображений в диагностических исследованиях.
3) Для экспериментального обоснования метода проведены алгебраические операции с МРТ-изображениями и дана оценка тканевого контраста на исходных и эмулированных МРТ-изображениях.

Выводы
Результаты проделанной работы сводятся к следующему:
5) Разработан оригинальный алгоритм автоматической сегментации для обработки МРТ-изображений, полученных с подавлением сигналов от нормальных тканей, который обладает широкими возможностями для подбора параметров сегментации, что позволяет его использовать в условиях слабого контраста и малого соотношения сигнал/шум.
6) Проведён расчёт динамики роста зоны поражения при астроцитоме за пятилетний период. Для расчета использованы изображения, полученные с подавлением сигналов от нормальной ткани. Для объемной обработки данных применён оригинальный алгоритм сегментации и разработанная в рамках задач данной дипломной работы методика коррекции артефактов.

7) Разработан пакет программ для обработки МРТ-данных, который позволяет проводить следующие операции:
а) сегментацию и измерение объёма исследуемой структуры;
б) математические операции над МР-изображениями;
в) проекционные преобразования с матрицами данных;
г) коррекцию артефактов на МР-изображении;
д) визуализацию и обработку (включая Фурье-преобразование) исходных МРТ-данных (К-пространства);
е) пакетные операции по интерполяции МРТ данных и конвертации изображений из специализированного в форматы, приемлемые для широкого круга пользователей персональных компьютеров.
С помощью данного пакета программ были решены задачи, поставленные в дипломной работе. Программы могут быть адаптированы для решения других задач, связанных с обработкой МРТ-данных.
Выводы
Результаты проделанной работы сводятся к следующему: