Segmentation of the Cervical Spine based on 7T MRI
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3106117Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for fysikk [2698]
Sammendrag
Ultrahøyfelt-MR (UHF-MR), som 7T, har potensial til å forbedre bildekvaliteten i MR-undersøkelsergjennom økt oppløsning og forbedret signal-til-støy-forhold (SNR). Imidlertid introduserer UHF-MR også mer markante susceptibilitetsartefakter på grunn av økt magnetfeltstyrke. Magnetisksusceptibilitet, betegnet som χ, er en måling av et materials tendens til å bli magnetisert når det ut-settes for et magnetisk felt, og dets fordeling gjennom kroppen forårsaker ujevnheter i det primæremagnetiske feltet, noe som resulterer i artefakter som signaltap og geometriske forvrengninger.Dette er spesielt en bekymring i nakkeområdet, som består av raskt skiftende susceptibilitets-verdier fra nakkevirvler og mykt vev mellom virvlene. Våre nåværende shimming-teknikker er ikkei stand til å korrigere disse feltforvrengningene. Evnen til å oppnå pasientspesifikke B0-feltkartkan gi verdifull innsikt for å forbedre pasientspesifikke shimming-teknikker. Et fremtidig mål forforskningen utført i denne masterstudien er å forbedre bildekvaliteten i MRI av ryggmargen ogdermed forbedre diagnosen av sykdom og skader i ryggmargen.
I denne masteroppgaven ble segmenteringer av nakkevirvlene fra 7T-MR på friske frivillige brukttil å beregne det induserte magnetiske feltet basert på susceptibilitetsfordelingen i nakkevirvlene.Den første delen av oppgaven innebar valg av egnet programvare for å segmentere nakkevirvlenefra MR-bildene. Et litteraturstudie som undersøkte segmenteringsprogramvarer for MRI ble bruktsom retningslinje for valg av segmenteringsprogramvare. Artikkelen rangerte segmenteringspro-gramvaren ITK-SNAP som det beste valget for MR-segmentering. ITK-SNAP ble brukt i denneoppgaven for å oppnå og sammenligne manuelle, halvautomatiske og automatiske segmenteringer.En kvantitativ analyse ble utført for å evaluere de automatiske segmenteringsmetodene i forholdtil den manuelle segmenteringen. I den andre delen ble en Fourier-basert metode benyttet for rasktå beregne magnetiske feltforvrengninger basert på susceptibilitetskart generert gjennom manuellsegmentering av MR-bildene. Modellens nøyaktighet ble vurdert ved å sammenligne de simulertefeltkartene med feltkartene generert av skanneren. I tillegg ble det utført en kvantitativ analyseav numeriske verdier fra begge feltkartene.
Den manuelle segmenteringen blir brukt som referanse for å sammenligne de raskere halvauto-matiske og automatiske segmenteringsmetodene. De automatiske metodene er delvis vellykkede iå segmentere områder med tilstrekkelig kontrast, spesielt virvelkroppene. I den fremre delen avnakkevirvlene har begge metodene vanskeligheter med å skille mykt vev fra nakkevirvlene, noesom resulterer i segmentering av uønskede områder. Signalet i disse områdene er svakere enn sig-nalet i den bakre delen av nakkevirvlene siden MR opptaket er gjort med en overflatespole. Øktkontrast i disse regionene bør forbedre de automatiske segmenteringsmetodene. Simuleringer avdet induserte magnetfeltet fra en uniform susceptibilitetsfordeling i nakkevirvlene ble utført påfire deltakere. De simulerte feltkartene og de målte feltkartene viser en bemerkelsesverdig likhet.Lineær regresjonsanalyse mellom de simulerte og målte feltkartene viser lignende trender og blebrukt til å beregne gjennomsnittet av susceptibilitetsforskjellen mellom bein og bløtvev til å væreomtrent -1,28 ppm.
Arbeidet i denne masteroppgaven kan bidra til økt kunnskap om segmentering av bein fra MR-bilder og hvordan susceptibilitetsfordeling i nakkevirvlene skaper forvrengninger i det magnetiskeB0-feltet, noe som påvirker bildekvaliteten i MR-bilder av ryggmargen. Det endelige målet er åforbedre pasientspesifikke shimming-teknikker basert på direkte segmentering fra MR-skanneren,noe som har potensiale til å forbedre bildekvaliteten og nøyaktigheten i fremtidige studier avryggmargen ved bruk av 7T MRI. Ultra high field (UHF) MRI, such as 7T, has the potential to improve image quality of MRI throughbetter signal-to-noise ratio (SNR) and increased resolution. However, UHF MRI also introducesmore pronounced susceptibility artifacts from the increased B0 field strength.Magnetic susceptibility, denoted as χ, is a measure of a material’s tendency to be magnetized whenexposed to a magnetic field, and its distribution throughout the body induces inhomogeneities inthe main magnetic field, resulting in artifacts such as signal loss and geometric distortions. This isespecially a concern in the neck region, which consists of rapidly changing susceptibility values fromthe cervical vertebrae and soft tissue in between the vertebrae. Our current shimming techniquesare not able to correct these field distortions. The ability to attain patient specific B0 field mapscan offer valuable insight to enhance patient specific shimming techniques.The work performed in this thesis can improve image quality of MRI of the spinal cord, and thusimproving diagnosis of diseases and conditions involving the spinal cord.
In this master thesis, segmentations of the cervical spine from 7T MR images of five healthyvolunteers were utilized to compute the induced magnetic field from the susceptibility distributionin the cervical spine. The first part of the thesis involved selection of a suitable software to extractthe cervical spine from the MRI data. A comprehensive review article studying segmentationsoftware of MRI was used as a guideline for choosing the segmentation software. The articleranked the segmentation software ITK-SNAP as the overall best choice for MRI segmentation.ITK-SNAP was used in this thesis to obtain manual, semi-automatic and automatic segmentations.A quantitative analysis was conducted to evaluate the automatic segmentation methods, using themanual segmentation as the gold standard. In the second part, a Fourier-based method wasemployed to quickly calculate magnetic field distortions based on susceptibility maps generatedthrough the manual segmentation of the MR images. The accuracy of the model was evaluatedby comparing the simulated field maps with the field maps measured from the 7T MR system.Additionally, a quantitative analysis of the numerical values from both field maps was conducted.
The automatic segmentation methods are partly successful in segmenting areas with sufficientcontrast, particularly the vertebral bodies. In the anterior part of the cervical spine, both methodsshow difficulties in distinguishing soft tissue from the cervical spine, resulting in segmentation ofunwanted areas. The signal in these areas is weaker than the signal in the posterior part of thecervical spine, due to the use of a surface coil. Increased contrast in these regions should improvethe automatic segmentation methods. Simulation of the induced magnetic field from a uniformsusceptibility distribution in the cervical spine were performed for four subjects. The simulatedfield maps and the measured field show remarkable resemblance. The linear regression analysisbetween the simulated and measured field maps show similar trends, and was used to calculate themean of the susceptibility difference between bone and soft tissue to be approximately -1.28 ppm.
The work in this master’s thesis can contribute to increased knowledge about segmentation ofbones from MRI, and how the susceptibility distribution in the cervical spine creates distortions inthe B0 magnetic field, affecting image quality in MRI of the spinal cord. The ultimate goal is toimprove patient-specific shimming techniques based on direct segmentation from the MRI scanner,which have the potential to enhance image quality and accuracy in future studies of the spinalcord using 7T MRI.