Avancerad segmentering av hjärntumörer från MRT-bilder

1.2. Magnetisk resonanstomografi (MRI)

MRI är ett diagnostiskt verktyg som används för att analysera och studera den mänskliga anatomin. Huang , Zhan et al. och Yang et al. förklarade de medicinska bilder som förvärvats i olika band av det elektromagnetiska spektrumet. Det stora utbudet av sensorer som används för att förvärva bilder och fysiken bakom dem gör att varje modalitet lämpar sig för ett specifikt ändamål.

I MRI produceras bilderna med hjälp av ett magnetfält som är cirka 10 000 gånger starkare än jordens magnetfält (Armstrong , Stark , och Steen ). MRT ger mer detaljerade bilder än andra tekniker, till exempel CT eller ultraljud. MRT ger också kartor över anatomiska strukturer med hög mjukdelskontrast. I princip mäts den magnetiska resonansen hos vätekärnor (1H) i vatten och lipider av en MRT-skanner. Eftersom signalvärdena är 12-bitars kodade kan 4096 nyanser representeras av en pixel . MRI-skannrar kräver ett magnetfält och det finns tillgängligt vid 1,5 eller 3 T. I jämförelse med jordens magnetfält (~50 μT) är magnetfältet i en 3 T MRI-skanner ungefär 60 000 gånger större än jordens magnetfält. Patienten placeras i ett starkt magnetfält, vilket får protonerna i kroppens vattenmolekyler att rikta sig antingen parallellt eller antiparallellt mot magnetfältet. En radiofrekvenspuls introduceras, vilket får de snurrande protonerna att flytta sig från inriktningen. När pulsen stoppas återställer protonerna sin inriktning och avger en radiofrekvent energisignal som lokaliseras av magnetfälten och som varieras rumsligt och snabbt slås på och stängs av. En radioantenn i skannern registrerar signalen och skapar bilden. Termer som används inom MRT visas i tabell 1 .

MR-baserade avbildningstekniker används för att karakterisera hjärntumörer enligt deras anatomi och fysiologi. Kliniker är särskilt intresserade av att bestämma tumörens läge, omfattning, mängden nekros, kärlförsörjning och tillhörande ödem. Det finns olika avbildningstekniker som är användbara för att ge en relevant differentialdiagnos. De olika tekniker som används idag för att avbilda hjärntumörer är kontrastmedel, fettundertryckning, MR-angiografi, funktionell MRT, diffusionsvägd avbildning (DWI), MR-spektroskopi och snabb fluid-attenuated inversion-recovery (FLAIR). Olika avbildningsmetoder tillämpas i den kliniska miljön beroende på tumörtyp och diagnostiska krav. De metoder som används i diagnosarbetet beskrivs i detalj .

Kontrastmedelstekniken ger en utmärkt mjukdelskontrast. Ibland finns det ett behov av att administrera exogen kontrast vanligtvis en intravenös injektion av något paramagnetiskt medel, oftast Gd-DTPA. Effekten av detta medel är att förkorta relaxationstiden för lokala spins vilket leder till en minskning av signalen på T2-viktade bilder och en ökning på T1-viktade bilder. MRI-hjärnbilden före och efter kontrastförstärkning visas i figur 1 .

Den ökade vaskulariteten hos tumörer ger ett föredraget upptag av kontrastmedel och det kan användas för att bättre observera tumörerna från den omgivande normala vävnaden. Om MRT-skanningar förvärvas upprepade gånger efter kontrastinjektionen kan den dynamiska karaktären hos kontrastupptaget undersökas, vilket kan förbättra differentieringen av godartad och malign sjukdom.

MR-angiografi är ett av de största tillväxtområdena inom MRT. Under normala omständigheter kan flödeseffekter orsaka oönskade artefakter. Men i MRA används dessa fenomen med fördel för att möjliggöra icke-invasiv avbildning av kärlträdet. Teknikerna kan generellt delas in i metoder för ”vitt” eller ”svart” blod beroende på om rörliga spinnämnen framstår som ljusare eller mörkare än den stationära vävnaden. Vid signalförlust med hög hastighet kommer det blod som har rört sig mellan 90- och 180°-pulserna inte att ge någon signal och kommer att framstå som mörkt. Om en kort TR används blir spinnarna i den avbildande skivan snabbt mättade och ”färska” spinn som flödar in i denna skiva har sin fulla magnetisering tillgänglig för att avge en hög signal. Den här tekniken fungerar bäst över tunna snitt när blodflödet är vinkelrätt mot det avbildande planet. Även om de nuvarande kliniska medlen är extracellulära distribueras de snabbt i det extra vaskulära utrymmet och den exakta tidpunkten för bildsekvensen efter kontrastinjektionen kan ge utmärkta resultat. En bra timing av den arteriella bolusen med centrum av k-space-förvärvet är avgörande för att undvika artefakter. Detta kan uppnås genom att använda en liten ”testbolus” eller genom att övervaka kontrastflödet med hjälp av snabba 2D-bilder innan den riktiga bildsekvensen inleds. Den angiografi som MRI-avbildning ger visas i figur 2 .

Funktionell MRT är en teknik för att undersöka hjärnans aktivering, som till skillnad från PET är icke-invasiv och har relativt hög rumslig upplösning. Den vanligaste metoden använder en teknik som kallas blodsyrenivåberoende kontrast. Detta är ett exempel på endogen kontrast som utnyttjar de inneboende signalskillnaderna i blodets syrehalt. I normalt viloläge dämpar en hög koncentration av deoxyhemoglobin MRT-signalen på grund av dess paramagnetiska natur. Den neuronala aktiviteten, som svar på någon uppgift eller stimulus, skapar dock ett lokalt behov av syretillförsel, vilket ökar fraktionen oxihämoglobin och orsakar en signalökning på T2- eller T2*-viktade bilder. I ett typiskt experiment utsätts patienten för en rad vilo- och uppgiftsintervaller, under vilka MRT-bilder tas upprepade gånger. Signalförändringarna under tiden undersöks sedan pixel för pixel för att testa hur väl de korrelerar med det kända stimulusmönstret. De pixlar som uppvisar en statistiskt signifikant korrelation markeras i färg och överlagras på en MRI-bild i gråskala för att skapa en aktiveringskarta över hjärnan. Aktiveringens plats och omfattning är kopplad till typen av stimulus. En enkel rörelseuppgift med tummen och fingret kommer således att ge upphov till aktivering i den primära motoriska hjärnbarken. Den funktionella studien och aktiveringskartan från MRT visas i figur 3 .

Diffusionsviktad avbildning är en MRI-teknik, där kontrasten i bilden baseras på vattenmolekylernas rörelse. Diffusionen avser molekylernas slumpmässiga rörelse längs en koncentrationsgradient. Den diffusionsviktade MRT är ett annat exempel på endogen kontrast, där man använder rörelsen av spins för att åstadkomma signalförändringar. Den vanligaste metoden använder Stejskal-Tanner bipolära gradientschema. Gradienter med samma amplitud, men motsatt polaritet, appliceras över ett givet intervall. Den stationära vävnaden defasas och refasas lika mycket, medan de spins som har rört sig under intervallet drabbas av en nettodefasning och signalförlust. Genom att använda gradienter med tillräckligt hög amplitud görs sekvensen känslig för rörelse på mikroskopisk nivå. Signalförsvagningen beror på graden av diffusion, styrkan och tidpunkten för gradienterna. Genom att ta bilder med olika värden på b-faktorn kan ett värde för den skenbara diffusionskoefficienten beräknas. Experimentet utförs med diffusionsgradienter i vilken riktning som helst. För att få en fullständig tredimensionell beskrivning av diffusionen beräknas dock en tensor utifrån en ny gradientbild och kombinationer av gradientpar. Detta gör det möjligt att urskilja anisotropi på grund av preferentiell diffusion längs strukturerna eller fibrerna. Spåren i den vita substansen i en normal MRT-hjärnbild visas i figur 4 .

MRI-spektroskopi är en teknik för att visa den metaboliska informationen från en bild. Den bygger på de inneboende skillnaderna i resonansfrekvensen. MRI-signalen mäts och ett spektrum visas. Genom att använda en standardreferens bestäms de kemiska arterna i varje topp. För MRI-signalen för protoner är referensföreningen tetrametylsilan. Alla kemiska skift uttrycks som frekvensskillnader från denna förening, vilket ger en fältoberoende del per miljon skala. I denna standard har vattnet ett karakteristiskt toppvärde på 4,7 ppm. De flesta metoder använder skärningspunkten mellan tre skivselekterade RF-pulser för att excitera en volym av intresse som kallas voxel.

De multipla voxlarna kan förvärvas med hjälp av fas-kodning i var och en av de önskade dimensionerna. Denna teknik, som kallas kemisk skiftbildtagning, är användbar för att isolera enskilda toppar och visa den integrerade ytan som en färgskala för att producera en metabolisk karta. Spektrumet när det förvärvats från en normal frisk hjärnvävnad visar den karakteristiska toppsignalen som definieras som NAA; det ger bilder med utmärkt kontrast till mjuka vävnader. Om ett spektrum tas från en något förstorad, men i övrigt normal utseende, del av märgen visar det ingen förstärkning med gadolinium. I detta fall saknas NAA-toppen (N-acetyl-aspartat), vilket tyder på förlust av livskraftig vävnad, och kolintoppen är förhöjd, vilket tyder på hög cellproliferation i tumörer. Single voxel proton MRI av hjärnan i normal och malign vävnad visas i figur 5 .

MRI-bilderna är beroende av absorptionen av radiovågor av vätekärnorna, 1H som har ett inneboende kärnspinn i tillräckliga mängder för att möjliggöra framställning av en användbar bild av människokroppen. Många av protonerna i människokroppen finns i vattenkärnorna. MRI-bilderna är ett resultat av det sofistikerade samspelet mellan de elektroniska komponenterna, radiofrekvensgeneratorerna, spolarna och gradienten, som är kopplade till en dator för kommunikation mellan de olika elektronikdelarna. Magneten, gradientspolarna och RF-spolarna som finns i MRT-skannern är de grundläggande delar som hjälper till att skapa en bild. Det schematiska diagrammet över MRI-skannern och de grundläggande delarna i MRI-skannern visas i figur 6 .

Magneten används för att bilda det ”yttre” magnetfältet i vilket patienten eller föremålet placeras. Tre typer av magneter kan användas vid MR-avbildning: permanenta, resistiva och supraledande. De supraledande magneterna är de vanligaste som används i de senaste MR-skannrarna. De supraledande magneterna med en fältstyrka på 1,5-3,0 T ger god bildkontrast på grund av energiutbytet mellan protonerna och deras miljöer.

Väteprotonen är den primära kärnan som används för MRT eftersom den ger den starkaste signalen. Protonerna kan i avsaknad av ett externt magnetfält vara orienterade i vilken riktning som helst. I avsaknad av ett yttre magnetfält kommer nettomagnetiseringsvektorn att vara noll. När protonerna placeras i ett starkt yttre magnetfält orienterar sig protonens magnetiska moment längs de magnetiska flödeslinjerna. Protonernas magnetiska moment orienterar sig längs riktningen för det faktiska magnetfältet B0. Jämviktsvärdet för magnituden av protonernas magnetisering M0 i närvaro av ett magnetfält ges i ekv (1).

där B0 är det statiska magnetfältet, N är antalet protonspinn per volymenhet, γ är det gyro-magnetiska förhållandet, en konstant som är unik för varje kärna, h är Plancks konstant, I är protonspinnet, Ts är den absoluta prosentemperaturen i Kelvin och k är Boltzmanns konstant.

Magnetiseringen M0 är alltså proportionell mot det yttre magnetfältet B0. De magnetiska momenten uppvisar egenskapen att bearbetas runt fältet B0. Larmorfrekvensen i MRT avser hastigheten för precession av spinnet under påverkan av protonens magnetiska moment runt det yttre magnetfältet. Larmorfrekvensens precession fL ges i Eq (2).

För protonen är γ2π lika med 42,58 MHz/Tesla. Larmorfrekvensen kommer att ligga i radiofrekvensområdet (40-50 MHz).

För att erhålla en MRI-signal appliceras radiofrekventa (RF) pulser vid Larmorfrekvensen fL vinkelrätt mot huvudmagnetfältet B0 som stör protonernas magnetiska moment från deras jämviktsläge. Protonerna är inriktade längs det statiska magnetfältet. Denna inriktning störs av en 90° RF-puls och den totala förskjutningen är proportionell mot RF-pulsenergin och även mot Larmorfrekvensen. Om RF-pulsenergin är tillräcklig för att tippa magnetiseringsvektorn (M) med 90°, tippas den in i tvärplanet. Magnetiseringsvektorn fortsätter att snurra runt B0 i tvärplanet. Den tidsvarierande magnetiseringen inducerar flödesförändringar som detekteras i RF-spolen. Relaxationskonstanterna är viktiga parametrar för MRT. MRI-skiktdata genereras med hjälp av en röntgenkälla som roterar runt objektet. De tidigaste sensorerna var scintillationsdetektorer med fotomultiplikatorrör som exciterades av cesiumjodidkristaller. Cesiumjodid ersattes under 1980-talet av jonkammare som innehåller xenongas under högt tryck. Dessa system ersattes i sin tur av scintillationssystem baserade på fotodioder i stället för fotomultiplikatorer. Många dataskanningar tas successivt när objektet gradvis passerar genom portalen. Det typiska MRI-systemet med det schematiska diagrammet över MRI-utrustningen består huvudsakligen av fem delar: huvudmagnet, gradientsystem, RF-system, datorsystem och annan extrautrustning enligt figur 7 .

Riktningsvalet för MRI-skivor och MRI-skanningsprotokollet för hjärntumörpatienter visas i figur 8 och tabell 2 .

I MRT-skannern kallas en sektion av skivan som är vinkelrät mot z-axeln för axialt plan. Det plan som delar hjärnan i vänster och höger delar kallas sagittal- eller medianplan. Det vertikala plan som delar hjärnan i bakre och främre delar kallas koronalt eller frontalt plan. MRI-hjärnbilden i olika plan visas i figur 9 .

MRI-pixelrepresentation främst för att öka kontrasten mellan patologi och frisk vävnad kan förstärkningsmedel som gadolinium (Gd) användas (Kim et al. 2013). Gd har ett stort magnetiskt moment, vilket utlöser fluktuationer i det lokala magnetfältet nära Larmorfrekvensen. MRI-bilderna är rutnät av pixlar med 512 rader och 512 kolumner. Varje pixel i en MR-bild motsvarar en voxel, ett volymelement, vars värde representerar vävnaden och MR-signalen. Volymen för en voxel beror på MRI-skanningsparametrarna som skivtjocklek och pixelavstånd. MR-bilderna levereras vanligtvis i DICOM-format. Förutom hjärnbilden innehåller DICOM-filerna information om undersökningen och patienten. Vid en MRI-skanning tas normalt mer än ett skikt upp, vilket leder till en bildsekvens med 5,5 mm mellanrum mellan skikten . MRI-sekvensen för 256 skikt visas i figur 10 med 5,5 mm avstånd mellan skikten.

I denna avhandling tillämpas segmenteringsalgoritmen på MRI-hjärnavbilder med tumörer. För att förstå de kliniskt viktiga egenskaperna hos tumörvävnaderna beaktas hjärnans anatomi i nästa avsnitt.