dc.contributor.advisor | Vannesjö, Johanna | |
dc.contributor.advisor | Grinde, Maria Tunset | |
dc.contributor.author | Sandbu, Sebastian Albert Dahl | |
dc.date.accessioned | 2023-12-05T18:19:54Z | |
dc.date.available | 2023-12-05T18:19:54Z | |
dc.date.issued | 2023 | |
dc.identifier | no.ntnu:inspera:146719720:38089444 | |
dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/11250/3106117 | |
dc.description.abstract | Ultrahøyfelt-MR (UHF-MR), som 7T, har potensial til å forbedre bildekvaliteten i MR-undersøkelser
gjennom økt oppløsning og forbedret signal-til-støy-forhold (SNR). Imidlertid introduserer UHF-
MR også mer markante susceptibilitetsartefakter på grunn av økt magnetfeltstyrke. Magnetisk
susceptibilitet, 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 primære
magnetiske 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 ikke
i stand til å korrigere disse feltforvrengningene. Evnen til å oppnå pasientspesifikke B0-feltkart
kan gi verdifull innsikt for å forbedre pasientspesifikke shimming-teknikker. Et fremtidig mål for
forskningen utført i denne masterstudien er å forbedre bildekvaliteten i MRI av ryggmargen og
dermed forbedre diagnosen av sykdom og skader i ryggmargen.
I denne masteroppgaven ble segmenteringer av nakkevirvlene fra 7T-MR på friske frivillige brukt
til å beregne det induserte magnetiske feltet basert på susceptibilitetsfordelingen i nakkevirvlene.
Den første delen av oppgaven innebar valg av egnet programvare for å segmentere nakkevirvlene
fra MR-bildene. Et litteraturstudie som undersøkte segmenteringsprogramvarer for MRI ble brukt
som retningslinje for valg av segmenteringsprogramvare. Artikkelen rangerte segmenteringspro-
gramvaren ITK-SNAP som det beste valget for MR-segmentering. ITK-SNAP ble brukt i denne
oppgaven for å oppnå og sammenligne manuelle, halvautomatiske og automatiske segmenteringer.
En kvantitativ analyse ble utført for å evaluere de automatiske segmenteringsmetodene i forhold
til den manuelle segmenteringen. I den andre delen ble en Fourier-basert metode benyttet for raskt
å beregne magnetiske feltforvrengninger basert på susceptibilitetskart generert gjennom manuell
segmentering av MR-bildene. Modellens nøyaktighet ble vurdert ved å sammenligne de simulerte
feltkartene med feltkartene generert av skanneren. I tillegg ble det utført en kvantitativ analyse
av 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 i
å segmentere områder med tilstrekkelig kontrast, spesielt virvelkroppene. I den fremre delen av
nakkevirvlene har begge metodene vanskeligheter med å skille mykt vev fra nakkevirvlene, noe
som 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. Økt
kontrast i disse regionene bør forbedre de automatiske segmenteringsmetodene. Simuleringer av
det induserte magnetfeltet fra en uniform susceptibilitetsfordeling i nakkevirvlene ble utført på
fire deltakere. De simulerte feltkartene og de målte feltkartene viser en bemerkelsesverdig likhet.
Lineær regresjonsanalyse mellom de simulerte og målte feltkartene viser lignende trender og ble
brukt til å beregne gjennomsnittet av susceptibilitetsforskjellen mellom bein og bløtvev til å være
omtrent -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 magnetiske
B0-feltet, noe som påvirker bildekvaliteten i MR-bilder av ryggmargen. Det endelige målet er å
forbedre pasientspesifikke shimming-teknikker basert på direkte segmentering fra MR-skanneren,
noe som har potensiale til å forbedre bildekvaliteten og nøyaktigheten i fremtidige studier av
ryggmargen ved bruk av 7T MRI. | |
dc.description.abstract | Ultra high field (UHF) MRI, such as 7T, has the potential to improve image quality of MRI through
better signal-to-noise ratio (SNR) and increased resolution. However, UHF MRI also introduces
more 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 when
exposed to a magnetic field, and its distribution throughout the body induces inhomogeneities in
the main magnetic field, resulting in artifacts such as signal loss and geometric distortions. This is
especially a concern in the neck region, which consists of rapidly changing susceptibility values from
the cervical vertebrae and soft tissue in between the vertebrae. Our current shimming techniques
are not able to correct these field distortions. The ability to attain patient specific B0 field maps
can 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 thus
improving diagnosis of diseases and conditions involving the spinal cord.
In this master thesis, segmentations of the cervical spine from 7T MR images of five healthy
volunteers were utilized to compute the induced magnetic field from the susceptibility distribution
in the cervical spine. The first part of the thesis involved selection of a suitable software to extract
the cervical spine from the MRI data. A comprehensive review article studying segmentation
software of MRI was used as a guideline for choosing the segmentation software. The article
ranked 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 the
manual segmentation as the gold standard. In the second part, a Fourier-based method was
employed to quickly calculate magnetic field distortions based on susceptibility maps generated
through the manual segmentation of the MR images. The accuracy of the model was evaluated
by 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 sufficient
contrast, particularly the vertebral bodies. In the anterior part of the cervical spine, both methods
show difficulties in distinguishing soft tissue from the cervical spine, resulting in segmentation of
unwanted areas. The signal in these areas is weaker than the signal in the posterior part of the
cervical spine, due to the use of a surface coil. Increased contrast in these regions should improve
the automatic segmentation methods. Simulation of the induced magnetic field from a uniform
susceptibility distribution in the cervical spine were performed for four subjects. The simulated
field maps and the measured field show remarkable resemblance. The linear regression analysis
between the simulated and measured field maps show similar trends, and was used to calculate the
mean 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 of
bones from MRI, and how the susceptibility distribution in the cervical spine creates distortions in
the B0 magnetic field, affecting image quality in MRI of the spinal cord. The ultimate goal is to
improve 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 spinal
cord using 7T MRI. | |
dc.language | eng | |
dc.publisher | NTNU | |
dc.title | Segmentation of the Cervical Spine based on 7T MRI | |
dc.type | Master thesis | |