Development of quality control protocol and software tool for the correction of geometric distortions and signal inhomogeneities in nagnetic resonance images

Abstract

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is widely used in advanced radiotherapy applications and, especially, in stereotactic radiosurgery (SRS) treatment planning for intracranial applications. This is justified by the superior soft tissue contrast it exhibits as compared to Computed Tomography (CT) and its multi-contrast capability, which result in better tumor delineation and characterization. Especially for brain lesions, MRI has been established as the imaging modality of choice for both target and normal tissue delineation. This choice, however, comes at the expense of geometric accuracy since it is well known that MR images are geometrically distorted. Following an analysis of the underlying theoretical background, in the second part of this thesis an evaluation of the MR-related geometric distortions is performed. To this end, a prototype phantom was designed and constructed to facilitate distortion characterization for the MR pulse sequences and imaging parameters clinically employed in SRS treatment planning, in MRI-based or MRI-only protocols. The phantom incorporates 947 Control Points (CPs) and was designed to accurately fit in a typical head coil, as well as the Leksell stereotactic frame, used for patient immobilization in SRS applications. System-related distortions were characterized both with and without the presence of the frame. In the absence of the frame and following compensation for field inhomogeneities, measured average CP displacement owing to gradient nonlinearities was 0.53 mm. In presence of the frame, contrarily, detected distortion was greatly increased (up to about 5 mm) in the vicinity of the frame base due to eddy currents induced in the closed loop of its aluminum material. Although the region with the maximum observed distortion may not lie within the SRS treatable volume, frame-related distortion was obliterated at approximately 90 mm from the frame base. Severe distortions observed outside the treatable volume could possibly impinge on the delivery accuracy mainly by adversely affecting the registration process (e.g., the position of the lower part of the N-shaped fiducials used to define the stereotactic space may be miss-registered). System-related distortion was also identified in patient MR images. Using corresponding CT angiography images as a reference, an offset of 1.1 mm was detected for two vessels lying in close proximity to the frame base, while excellent spatial agreement was observed for a vessel far apart from the frame base. The same phantom was scanned at 1.5 and 3.0T and using three clinical MR imaging protocols for SRS treatment planning. B0 inhomogeneity and gradient nonlinearity related geometric distortions were assessed in this study. Areas of increased distortion were identified at the edges of the imaged volume which was comparable to a brain scan. Although mean absolute distortion did not exceed 0.5 mm on any spatial axis, maximum detected CP displacement reached 2 mm. Furthermore, the phantom was modified to incorporate two cylindrical inserts, simulating small brain metastases. The inserts were filled with various concentrations (0-20 mM) of Gd-DTPA (commonly administered in cranial SRS) in order to characterize contrast agent induced distortion. The reversed read gradient polarity was combined with the field mapping technique to distinguish between sources of distortion. Contrast agent was found to significantly affect insert position, with the centroid offset reaching on average 0.067 mm/mM (0.204 ppm/mM). Following Gd-DTPA administration, patient MR images involving a total of 10 brain metastases/targets were also studied using a similar methodology. Total target localization uncertainty was on average 0.54 mm (2.24 ppm) with the Gd-DTPA induced distortion being of the order of 0.5 mm for the MRI protocol used, in agreement with the phantom study. In an effort to establish what could be considered as acceptable geometric uncertainty, highly conformal plans were utilized to simulate irradiation of targets of different diameters (5 to 50 mm). The targets were deliberately mispositioned by 0.5 up to 3 mm. Dose Volume Histograms (DVHs) and plan quality indices clinically used for plan evaluation and acceptance were derived and used to investigate the effect of geometrical uncertainty (distortion) on dose delivery accuracy and plan quality. The latter was found to be strongly dependent on target size. For targets less than 20 mm in diameter, a spatial displacement of the order of 1 mm could significantly affect (>5%) plan acceptance/quality indices. For targets with diameter greater than 2 cm the corresponding displacement was found greater than 1.5 mm. In the last part of this thesis, distortion correction schemes were developed and/or evaluated. In specific, the efficacy of vendor-supplied distortion correction algorithms (accounting for gradient nonlinearity only) was initially assessed for a variety of scanners, following development of an advanced version of the prototype phantom for high-resolution distortion detection, incorporating nearly 2000 CPs. Moreover, the novel average-image distortion correction methodology was developed and evaluated in both phantom and patient studies. The proposed technique is based on read gradient polarity reversal and, therefore, requires two MR scans. In specific, a new image is created after averaging the signal intensities of corresponding forward and reversed polarity images, on a pixel-by-pixel basis. The method was found efficient for sequence dependent distortion minimization. Furthermore, a comparison study was also conducted involving the more well-established signal integration method. All necessary custom routines were developed in-house. Both distortion correction techniques perform equally well, minimizing the mean and median residual distortions. However, the signal integration method requires a few hours of post-imaging computational time while the average-image method is simple and efficient.

Η Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (ΑΜΣ) χρησιμοποιείται ευρύτατα στις σύγχρονες ακτινοθεραπευτικές εφαρμογές και ιδιαίτερα στο σχεδιασμό πλάνου θεραπείας στη Στερεοτακτική Ακτινοχειρουργική (ΣΑ) για ενδοκρανιακές θεραπείες. Η επιλογή αυτή δικαιολογείται από την εξαιρετική αντίθεση μαλακού ιστού που προσφέρει η ΑΜΣ σε σχέση με την Υπολογιστική Τομογραφία (ΥΤ) καθώς επίσης και την ευελιξία στην αντίθεση εικόνας. Έτσι, με τη βοήθεια εικόνων ΑΜΣ επιτυγχάνεται καλύτερη περιγραφή και χαρακτηρισμός του όγκου-στόχου. Ειδικότερα για θεραπείες εγκεφαλικών μεταστάσεων και άλλων βλαβών, η ΑΜΣ αποτελεί την πρώτη επιλογή απεικονιστικής τεχνικής τόσο για τον όγκο-στόχο όσο και τους υγιείς ιστούς. Αυτή η επιλογή όμως έρχεται σε βάρος της γεωμετρικής ακρίβειας καθώς είναι ευρέως γνωστό ότι οι εικόνες ΑΜΣ φέρουν γεωμετρική παραμόρφωση. Μετά από μία σύντομη παράθεση του σχετικού θεωρητικού υποβάθρου, στο δεύτερο μέρος της παρούσας εργασίας διενεργήθηκε αξιολόγηση των γεωμετρικών παραμορφώσεων που σχετίζονται με τις εικόνες ΑΜΣ. Για το σκοπό αυτό, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένα ειδικό ομοίωμα για τον χαρακτηρισμό τους και εφαρμόστηκε σε ακολουθίες και παραμέτρους απεικόνισης ΑΜΣ που χρησιμοποιούνται κλινικά κατά το σχεδιασμό πλάνου θεραπείας στην ΣΑ, σύμφωνα με πρωτόκολλα θεραπείας που βασίζονται είτε στην ΑΜΣ μόνο, είτε επικουρικά. Το ομοίωμα φέρει 947 σημεία ελέγχου (ΣΕ) και σχεδιάστηκε ώστε να είναι συμβατό με το πηνίο κεφαλής καθώς και το Leksell στερεοτακτικό πλαίσιο που χρησιμοποιείται για την ακινητοποίηση του ασθενούς και τον ορισμό του στερεοτακτικού χώρου σε εφαρμογές ΣΑ. Οι παραμορφώσεις που επάγονται από το σύστημα αξιολογήθηκαν με και χωρίς την παρουσία του στερεοτακτικού πλαισίου. Μετά από απαλοιφή των παραμορφώσεων που σχετίζονται με τις ανομοιογένειες του στατικού μαγνητικού πεδίου, απουσία του στερεοτακτικού πλαισίου η μετρούμενη μέση παραμόρφωση που σχετίζεται με τη μη-γραμμικότητα των βαθμιδωτών πεδίων ήταν 0.53 mm. Αντίθετα, παρουσία του πλαισίου, ανιχνεύθηκε αύξηση της παραμόρφωσης αυτής (μέχρι και 5 mm) στην περιοχή γύρω από τη βάση του πλαισίου, λόγω των δεινορευμάτων που επάγονται στον κλειστό της βρόγχο από αλουμίνιο. Αν και η περιοχή μέγιστης παραμόρφωσης δεν βρίσκεται εντός του όγκου που μπορεί να ακτινοβοληθεί με ΣΑ, η εν λόγω παραμόρφωση εξαλείφεται σε απόσταση περίπου 90 mm από τη βάση του πλαισίου. Οι έντονες παραμορφώσεις που παρατηρήθηκαν εκτός του όγκου που δύναται να ακτινοβοληθεί, μπορεί όμως να υποβαθμίσουν την ακρίβεια ακτινοβόλησης μέσω του επηρεασμού της χωρικής ευθυγράμμισης (π.χ., η θέση του κατώτερου μέρους του ειδικού σημαδιού σχήματος Ν που ορίζει τον στερεοτακτικό χώρο μπορεί να είναι χωρικά στρεβλωμένο). Οι παραμορφώσεις που σχετίζονται με το σύστημα απεικόνισης ανιχνεύθηκαν και σε εικόνες ασθενούς. Χρησιμοποιώντας αγγειογραφία ΥΤ ως εικόνα αναφοράς του ασθενούς, μια απόκλιση 1.1 mm εντοπίστηκε σε δύο αγγεία που βρίσκονται σε μικρή απόσταση από τη βάση του πλαισίου, ενώ εξαιρετική χωρική συμφωνία είχε ένα άλλο αγγείο ευρισκόμενο σε μεγάλη απόσταση από αυτήν. Το ίδιο ομοίωμα απεικονίστηκε σε 1.5 και 3.0Τ με χρήση τριών διαφορετικών κλινικών πρωτοκόλλων ΑΜΣ για χρήση σε σχεδιασμό πλάνου θεραπείας στην ΣΑ. Αξιολογήθηκαν οι παραμορφώσεις που σχετίζονται με την ανομοιογένεια του Β0 μαγνητικού πεδίου και τη μη-γραμμικότητα των βαθμιδωτών πεδίων. Περιοχές αυξημένης παραμόρφωσης καταγράφηκαν στις παρυφές του χαρτογραφούμενου όγκου, ο οποίος ήταν συγκρίσιμος με μια τυπική σάρωση κεφαλής. Αν και η μέση απόλυτη παραμόρφωση δεν ξεπέρασε τα 0.5 mm σε κανένα χωρικό άξονα, η μέγιστη απόκλιση ΣΕ έφτασε τα 2 mm. Στη συνέχεια, το ομοίωμα τροποποιήθηκε καταλλήλως ώστε να φέρει δύο κυλινδρικές δομές που προσομοιάζουν εγκεφαλικές μεταστάσεις. Οι δομές γεμίστηκαν με διάφορες συγκεντρώσεις (0-20 mM) του σκιαγραφικού Gd-DTPA (συχνά χορηγούμενο στην ΑΜΣ για ΣΑ εγκεφάλου) με σκοπό τον χαρακτηρισμό των παραμορφώσεων που επάγονται από το ίδιο το σκιαγραφικό. Η μέθοδος αναστροφής της πολικότητας της βαθμίδας κωδικοποίησης της συχνότητας συνδυάστηκε με την τεχνική χαρτογράφησης πεδίου ώστε να είναι δυνατός ο διαχωρισμός μεταξύ των πηγών παραμόρφωσης. Το σκιαγραφικό βρέθηκε ότι επηρεάζει σημαντικά τη θέση των δομών, με την απόκλιση να φτάνει κατά μέσο όρο τα 0.067 mm/mM (0.204 ppm/mM). Μετά από χορήγηση κλινικής δόσης του ίδιου σκιαγραφικού, εικόνες ΑΜΣ ασθενών με συνολικά 10 εγκεφαλικές μεταστάσεις/στόχους μελετήθηκαν εφαρμόζοντας παρόμοια μεθοδολογία. Η συνολική αβεβαιότητα στο χωρικό εντοπισμό των όγκων ήταν κατά μέσο όρο 0.54 mm (2.24 ppm) για το πρωτόκολλο ΑΜΣ που χρησιμοποιήθηκε, σε συμφωνία με τα αποτελέσματα του ομοιώματος. Σε μια προσπάθεια να καθοριστεί ποια γεωμετρική αβεβαιότητα μπορεί να είναι ανεκτή, πλάνα θεραπείας υψηλής συμμόρφωσης χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση ακτινοβόλησης στόχων διαφόρων διαμέτρων (5 έως 50 mm). Χωρικές μεταθέσεις από 0.5 έως 3 mm εφαρμόστηκαν εσκεμμένα στους στόχους. Στη συνέχεια, υπολογίστηκαν ιστογράμματα δόσης-όγκου και δείκτες ποιότητας πλάνου που χρησιμοποιούνται κλινικά για την αξιολόγηση και αποδοχή πλάνων θεραπείας. Τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για τη διερεύνηση της επιρροής της γεωμετρικής αβεβαιότητας (παραμόρφωσης) στην ακρίβεια της εναπόθεσης της δόσης και στην ποιότητα του πλάνου. Η τελευταία βρέθηκε ότι εξαρτάται ισχυρά από τις διαστάσεις του στόχου. Για στόχους μικρότερους των 20 mm σε διάμετρο, μια χωρική μετατόπιση της τάξης του 1 mm μπορεί να επιφέρει σημαντική μεταβολή (>5%) στα κριτήρια ποιότητας/αποδοχής του πλάνου. Για στόχους διαμέτρου πάνω από 2 cm, η αντίστοιχη μετατόπιση βρέθηκε ότι είναι πάνω από 1.5 mm. Στο τελευταίο μέρος αυτής της εργασίας, αξιολογήθηκαν ή/και αναπτύχθηκαν τεχνικές και αλγόριθμοι διόρθωσης της γεωμετρικής παραμόρφωσης. Συγκεκριμένα, η αποτελεσματικότητα των αλγορίθμων διόρθωσης (μόνο για τη μη-γραμμικότητα βαθμίδων) που παρέχονται από τους κατασκευαστές αξιολογήθηκε αρχικά για ποικιλία συστημάτων ΑΜΣ, μετά από το σχεδιασμό και κατασκευή μιας εξελιγμένης έκδοσης του ομοιώματος χαρτογράφησης παραμόρφωσης, με υψηλή διακριτική ικανότητα, το οποίο φέρει σχεδόν 2000 ΣΕ. Επίσης, η μεθοδολογία διόρθωσης μέσης-εικόνας αναπτύχθηκε και αξιολογήθηκε τόσο σε εικόνες ομοιώματος όσο και σε ασθενών. Η προτεινόμενη τεχνική βασίζεται στη μέθοδο αναστροφής της πολικότητας και για το λόγο αυτό απαιτεί δύο σαρώσεις ΑΜΣ. Συγκεκριμένα, η νέα εικόνα συντίθεται από τις μέσες τιμές των εντάσεων σήματος των αντίστοιχων εικόνων αντίθετης πολικότητας, υπολογισμένες πίξελ-προς-πίξελ. Η μέθοδος διόρθωσης αυτή βρέθηκε αποδοτική στην ελαχιστοποίηση παραμορφώσεων που εξαρτώνται από την ακολουθία που χρησιμοποιείται. Επιπλέον, διεξήχθη μια συγκριτική μελέτη που περιλάμβανε την πιο καλά καθιερωμένη μέθοδο διόρθωσης που βασίζεται στην ολοκλήρωση του σήματος, αφού αναπτύχθηκαν όλες οι απαραίτητες σχετικές ρουτίνες για την εφαρμογή της. Και οι δύο μέθοδοι διόρθωσης βρέθηκαν να αποδίδουν εξίσου καλά, ελαχιστοποιώντας τη μέση και διάμεσο εναπομείνουσα παραμόρφωση. Η μέθοδος ολοκλήρωσης σήματος, όμως, απαιτεί μερικές ώρες υπολογιστικού χρόνου μετά τη λήψη των εικόνων, ενώ η μέση-εικόνα είναι πιο αποδοτική και πιο απλή στην εφαρμογή της.