Quality assurance in modern techniques of functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) based on BOLD using special anthropomorphic phantoms: applications in the stimulation of the motor and visual cerebral cortex

Abstract

Magnetic Resonance Imaging is one of the most advanced techniques used worldwide for the human body imaging nowadays. Different physiological mechanisms are used to perform advanced examinations such as functional MRI (f MRI) which depends on BOLD(Blood Oxygen Level Dependant) contrast. The results of BOLD measurements rely on statistical analysis of the acquired signal and are sensitive to noise, SNR and even the examination conditions of the patientwith the use of stimulation devices. Quality Assurance protocols and Clinical studies are needed to compare and optimize the imaging parameters. QA protocols are implementing the use of phantoms to ensure imaging quality and rigid quantitative results from the systems. The existing quality assurance protocols for MRI do not include any method for measuring and evaluating the BOLD contrast, as it would suggest the use of a dynamic phantom to simulate the 2 states(baseline-activation) of the fMRI examination. Such phantoms have been presented in the literature with several limitations such as complexity, high cost of manufacturing and a lack of BOLD physical basis simulation.The first chapter includes a historical overview and a brief description of the MRI systems and the physical principles of the imaging.In the second chapter of the thesis a new method for BOLD contrast simulation is proposed. This method uses a dynamic, easy to construct and operate, low-cost physical phantom.A structure of thin pipelines passing through a gel volume was used to simulate blood vessels in human tissue. Quantitative T2*, R2* measurements were used to study the signal change of the phantom. BOLD fMRI experiments and analysis were performed to evaluate its potential use as an fMRI simulator. Experimental T2*, R2* measurements showed similar behavior with published references. BOLD contrast was successfully achieved with the proposed method. In addition, there were several proposed parameters, like the angle of the phantom relative to B0, which can easily adjust the signal change and the activation area. Coefficients of variation showed good reproducibility within a month period. Statistical t-maps were produced with in-house software for the BOLD measurements. T2*maps and BOLD images confirm the potential use of this phantom as an fMRI simulator and as a tool for studying sensitivity and specificity of BOLD sequences/algorithms. In chapter 3, the new method for BOLD effect simulation is applied on an anthropomorphic head phantom trying to further simulate the fMRI examination. 3D printing technology and a calcium-based material is used to manufacture a head phantom to accommodate the previously proposed BOLD feature. The constructed dynamic head phantom provides a more realistic simulation of the fMRI experiment in terms of Β0 susceptibility effects and B1 uniformity. In order to demonstrate the phantom’s usefulness, the phantom was MRI scanned and the acquired images were compared to a human’s images in terms of susceptibility effects and homogeneity distortions. Additionally, the phantom was used to evaluate the SNR and BOLD strength dependence on the fMRI hardware commonly used during the examination to apply visual and auditory stimulations to the examined human subject.After visual inspection of the fieldmap images, it can be noticed that the head phantom is very similar to a real patient as its overall shape and size was the outcome of a real patient CT dataset.BOLD activation was successfully achieved with great timing during the states’ alternations as seen in the signal difference vs time graphs.The measured SNR and SSNR values show that neither the off-center positioning nor the presence of the goggles, headphones and cables affect drastically the T1 image quality. The 4 cm off center positioning does not seem to affect the SNR or SSNR. The hardware presence reduces the SNR by 9.6% and SSNR by 10.4% when it’s switched off. But when the devices were switched on, the same values were reduced to approximately 50% and even more when the cables were looped. The area of activation is strongly affected in a similar way from the different condition of examination. The MoCo area of activation appears reduced from the off-center positioning by 10% and reduced even more in the other scenarios. Almost half area appears activated when the stimulation devices are on and the cables looped. The mean and maximum t-values of the statistical difference between the states are not affected by any of the 5 conditions examined. The BOLD strength though is affected as it can be expressed by the t-value and area product. This dynamic head phantom is proved to be an excellent means for studying fMRI protocols and procedures in order to optimize them and evaluate the dependence of image quality and BOLD strength on the use of hardware devices inside the imaging area of an fMRI examination.Finally, in chapter 4 a clinical study is performed. This study, evaluates the dependence of fMRI results on echo time (TE) during concurrent activation of the visual and motor cortex at 1.5 T in a large sample of 21 healthy volunteers. The experiment was repeated using two different TE values (50 and 70 ms) in counterbalanced order. Furthermore, T2* measurements of the gray matter were performed. Results indicated that both peak beta value and number of voxels were significantly higher using TE=70ms compared to TE=50 ms in primary motor, somatosensory and supplementary motor cortices (p<.007). In addition, the amplitude of activation in visual cortices and the dorsal premotor area was also higher using TE=70 ms (p<.001). Gray matter T2* of the corresponding areas did not vary significantly. In conclusion, the optimal TE value (between the two studied) for visual and motor activity is 70 ms affecting both the amplitude and extent of regional hemodynamic activation.

Η μαγνητική τομογραφία είναι μια από τις πιο προηγμένες τεχνικές που χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για την απεικόνιση του ανθρώπινου σώματος στις μέρες μας. Διαφορετικοί φυσιολογικοί μηχανισμοί χρησιμοποιούνται για τη διενέργεια προηγμένων εξετάσεων όπως η λειτουργική μαγνητική τομογραφία που εξαρτάται από την αντίθεση BOLD. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων BOLD βασίζονται στη στατιστική ανάλυση του ληφθέντος σήματος και είναι ευαίσθητα στο θόρυβο, στο SNR ακόμα και στις συνθήκες εξέτασης του ασθενούς με τη χρήση εξοπλισμού οπτικοακουστικών ερεθισμάτων. Απαιτούνται πρωτόκολλα διασφάλισης ποιότητας και κλινικές μελέτες για τη σύγκριση και τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων απεικόνισης. Τα πρωτόκολλα Διασφάλισης Ποιότητας χρησιμοποιούν ομοιώματα για να διασφαλίσουν την ποιότητα της εικόνας και βάσιμα ποσοτικά αποτελέσματα από τα συστήματα. Τα υπάρχοντα πρωτόκολλα διασφάλισης ποιότητας για τη μαγνητική τομογραφία δεν περιλαμβάνουν καμία μέθοδο για τη μέτρηση και την αξιολόγηση της αντίθεσης BOLD, καθώς είναι απαραίτητη η χρήση ενός δυναμικού ομοιώματος για την προσομοίωση των 2 καταστάσεων (ηρεμίας-ενεργοποίησης) της εξέτασης fMRI. Τέτοια ομοιώματα έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία με κάποιους περιορισμούς και ο πιο συνηθισμένος ήταν η πολυπλοκότητα και το υψηλό κόστος κατασκευής.Το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει μια ιστορική επισκόπηση και μια σύντομη περιγραφή των συστημάτων MRI και των φυσικών αρχών της απεικόνισης.Στο δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής, προτείνεται μια νέα μέθοδος για την προσομοίωση BOLD αντίθεσης. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί ένα δυναμικό, εύκολο στην κατασκευή και λειτουργία, χαμηλού κόστους φυσικό ομοίωμα. Μια δομή λεπτών αγωγών που διατρέχουν έναν όγκο γέλης χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση αιμοφόρων αγγείων στον ανθρώπινο ιστό. Ποσοτικές μετρήσεις T2*, R2* χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη της αλλαγής σήματος του ομοιώματος. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα και αναλύσεις BOLD fMRI για την αξιολόγηση της πιθανής χρήσης του ως προσομοιωτή fMRI. Οι πειραματικές μετρήσεις T2*, R2* έδειξαν παρόμοια συμπεριφορά με δημοσιευμένες αναφορές. Η BOLD αντίθεση επιτεύχθηκε με επιτυχία με την προτεινόμενη μέθοδο. Επιπλέον, υπήρχαν πολλές προτεινόμενες παράμετροι, όπως η γωνία του ομοιώματος σε σχέση με το B0, που μπορούν εύκολα να ρυθμίσουν την ένταση της αλλαγής του σήματος και την περιοχή ενεργοποίησης. Οι συντελεστές διακύμανσης έδειξαν καλή αναπαραγωγιμότητα μέσα σε ένα μήνα. Παρήχθησαν στατιστικοί t-χάρτες με εσωτερικό λογισμικό για τις μετρήσεις BOLD. Οι χάρτες T2* και οι εικόνες BOLD επιβεβαιώνουν την πιθανή χρήση αυτού του ομοιώματος ως προσομοιωτή fMRI και επίσης ως εργαλείο για τη μελέτη της ευαισθησίας και της χωρικής ταύτισης των ακολουθιών/αλγορίθμων BOLD.Στο κεφάλαιο 3, η νέα μέθοδος για την προσομοίωση BOLD εφαρμόζεται σε ένα ανθρωπόμορφο ομοίωμα κεφαλής που προσομοιώνει περαιτέρω την εξέταση fMRI. Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης και ένα υλικό με βάση το ασβέστιο χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ενός ομοιώματος κεφαλής στο οποίο προσάπτεται η νέα μέθοδος για την αντίθεση BOLD. Το δυναμικό ομοίωμα κεφαλής που κατασκευάστηκε παρέχει μια πιο ρεαλιστική προσομοίωση του πειράματος fMRI όσον αφορά τη μαγνητική επιδεκτικότητα (διαστρέβλωση του πεδίου Β0) και την ομοιομορφία του Β1. Προκειμένου να αποδειχθεί η χρησιμότητα του ομοιώματος, αυτόαπεικονίστηκε στο σύστημα MRIμε ακολουθία gradientecho απεικόνισης της μεταβολής του πεδίου Β0 και οι ληφθείσες εικόνες συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες ενός ανθρώπου για την παραμόρφωση της ομοιογένειας. Επιπλέον, το ομοίωμα χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση της εξάρτησης του SNR και της αντίθεσης BOLD από τον εξοπλισμό fMRI που χρησιμοποιείται συνήθως κατά τη διάρκεια της εξέτασης για την εφαρμογή οπτικών και ακουστικών ερεθισμάτων στον εξεταζόμενο. Μετά από οπτική επιθεώρηση των εικόνων του χάρτη πεδίου, μπορεί να παρατηρηθεί ότι το ομοίωμα μοιάζει πολύ με έναν πραγματικό ασθενή, καθώς το συνολικό σχήμα και το μέγεθός του σχεδιάστηκαν με αυτό τον στόχο Η ενεργοποίηση BOLD επιτεύχθηκε επιτυχώς με ακριβή συγχρονισμό κατά τις εναλλαγές των καταστάσεων, όπως φαίνεται στα γραφήματα διαφοράς σήματος - χρόνου.Οι μετρημένες τιμές SNR και SSNR δείχνουν ότι ούτε η τοποθέτηση εκτός κέντρου ούτε η παρουσία των διοπτρών, των ακουστικών και των καλωδίων επηρεάζουν σημαντικά την ποιότητα εικόνας T1. Η θέση 4 cm εκτός κέντρου δεν φαίνεται να επηρεάζει το SNR ή το SSNR. Η παρουσία εξοπλισμού μειώνει το SNR κατά 9,6% και το SSNR κατά 10,4% όταν είναι απενεργοποιημένο. Αλλά όταν ενεργοποιήθηκαν οι συσκευές, οι ίδιες τιμές μειώθηκαν στο 50% περίπου και ακόμη περισσότερο όταν τα καλώδια ήταν κυκλικά τοποθετημένα.Η περιοχή ενεργοποίησης επηρεάζεται έντονα με παρόμοιο τρόπο από τη διαφορετική συνθήκη εξέτασης. Η περιοχή ενεργοποίησης στις MoCo (διόρθωση κίνησης)εικόνες φαίνεται μειωμένη από την τοποθέτηση εκτός κέντρου κατά 10%. Και μειώθηκε ακόμη περισσότερο στα άλλα σενάρια. Σχεδόν η μισή περιοχή εμφανίζεται ενεργοποιημένη όταν οι συσκευές διέγερσης είναι ενεργοποιημένες και τα καλώδια είναι κλειστά. Η μέση και η μέγιστη τιμή t της στατιστικής διαφοράς μεταξύ των καταστάσεων δεν επηρεάζονται από καμία από τις 5 συνθήκες που εξετάστηκαν. Ωστόσο, η ισχύς BOLD επηρεάζεται καθώς μπορεί να εκφραστεί από την τιμή t και το γινόμενο εμβαδού. Το δυναμικό ομοίωμα που κατασκευάστηκε αποδεικνύεται ότι είναι ένα εξαιρετικό μέσο για τη μελέτη των πρωτοκόλλων και των διαδικασιών fMRI προκειμένου να βελτιστοποιηθούν και να αξιολογηθεί η εξάρτηση της ποιότητας εικόνας και της ισχύος BOLD από τη χρήση εξοπλισμού μέσα στην περιοχή απεικόνισης μιας εξέτασης fMRI.Στο κεφάλαιο 4 πραγματοποιείται μια κλινική μελέτη. Αυτή η μελέτη, αξιολογεί την εξάρτηση των αποτελεσμάτων fMRI από τον χρόνο ηχούς (TE) κατά την ταυτόχρονη ενεργοποίηση του οπτικού και κινητικού φλοιού στους 1,5 Τ σε ένα μεγάλο δείγμα 21 υγιών εθελοντών. Το πείραμα επαναλήφθηκε χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικές τιμές ΤΕ (50 και 70 ms) με αντισταθμισμένη σειρά. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις Τ2* της φαιάς ουσίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τόσο η μέγιστη τιμή b όσο και ο αριθμός των voxel ήταν σημαντικά υψηλότεροι χρησιμοποιώντας TE=70 από TE=50 ms σε πρωτογενείς κινητικούς, σωματοαισθητικούς και συμπληρωματικούς κινητικούς φλοιούς (p<.007). Επιπλέον, το εύρος ενεργοποίησης στους οπτικούς φλοιούς και στην περιοχή του προκινητικού φλοιού ήταν επίσης υψηλότερο χρησιμοποιώντας TE=70 ms (p<.001). Η T2* της φαιάς ουσίας των αντίστοιχων περιοχών δεν διέφερε σημαντικά. Συμπερασματικά, η βέλτιστη τιμή ΤΕ (μεταξύ των δύο που μελετήθηκαν) για οπτική και κινητική δραστηριότητα είναι 70 ms επηρεάζοντας τόσο το πλάτος όσο και την έκταση της περιφερειακής αιμοδυναμικής ενεργοποίησης.