atardamardaki fırılın etiketlenerek beyin tümörlerinin 3t manyetik

atardamardaki fırılın etiketlenerek beyin tümörlerinin 3t manyetik

ATARDAMARDAKİ FIRILIN ETİKETLENEREK BEYİN TÜMÖRLERİNİN
3T MANYETİK ALANDA MANYETİK REZONANS GÖRÜNTÜLENMESİ
İÇİN BİR GRAFİKSEL ARAYÜZ TASARLANMASI
A GRAPHICAL USER INTERFACE DESIGN FOR ARTERIAL SPIN
LABELLING MAGNETIC RESONANCE IMAGING OF BRAIN TUMORS
AT 3T
İpek Düzenli1, Çağıl Gümüş2, Hakan Cebeci3, Bahattin Hakyemez3, Esin Öztürk Işık 1
1.
Biyomedikal Mühendisliği Bölümü,
Yeditepe Üniversitesi
[email protected], [email protected]
2. Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü,
Yeditepe Üniversitesi
[email protected]
3.
Radyoloji Anabilim Dalı,
Uludağ Üniversitesi
[email protected], [email protected]
Özetçe
Atardamar fırıl etiketleme (arterial spin labeling (ASL))
tekniği ile manyetik rezonans görüntüleme ile serebral kan
akışının hesaplanması mümkündür. Teknik uygulanırken
radyoaktif madde veya kontrast madde yerine karotid arter
seviyesinde manyetik olarak işaretlenmiş kan kullanılarak
ölçüm yapılmaktadır. İlk olarak kontrol grubu görüntüleri
alınır, daha sonra karotid arter seviyesinde fırıllar
etiketlenerek belirli zaman aralıklarında işaretlenmiş
görüntüler alınır. Bu iki görüntü arasındaki farkla
oluşturulan yeni görüntü kan akış hızının hesaplanmasında
kullanılan modele oturtularak serebral kan akışı haritaları
oluşturulabilir. Serebral kan akışı genelde beyin
tümörlerinde artar, ve bu ASL tekniği ile gözlemlenebilir. Bu
projede, MATLAB programı kullanılarak ASL verilerini
işleyerek beyin kan akış görüntüleri oluşturabilen bir
grafiksel kullanıcı arayüzü tasarlanması amaçlanmıştır.
Abstract
Arterial spin labelling (ASL) magnetic resonance imaging
can measure cerebral blood flow. Instead of using an
intravenous contrast agent or a radioactive material, this
technique magnetically labels blood at carotid artery level.
First, a group of control images are acquired. Next, spins
are tagged at carotid artery level, and then the same slice is
acquired after several inversion times. The difference of
these two images is then fit into a model to solve for cerebral
blood flow. Cerebral blood flow often increases in brain
tumors, which can then be detected by using arterial spin
labelling magnetic resonance imaging. In this project, a
MATLAB graphical user interface (GUI) was designed to
analyze arterial spin labelling images to generate cerebral
blood flow.
1. Giriş
Beyindeki serebral kan akışı atardamar fırıl etiketleme
(arterial spin labeling (ASL)) ile manyetik rezonans
görüntüleme tekniği kullanılarak hesaplanabilmektedir [1].
Atardamar fırıl etiketleme tekniğinin insan sağlığına hiçbir
zararlı etkisi bulunmamaktadır, çünkü radyoaktif olarak
işaretlenmiş su yerine bu teknikte manyetik olarak
işaretlenmiş su kullanılmaktadır. Atardamar fırıl etiketleme
tekniğinde iki değişik görüntü grubu kulllanılmaktadır, ve bu
iki grup kontrol ve işaretlenmiş olarak adlandırılır.
İşaretlenmiş görüntülerde, karotid arter seviyesinde, fırıllar
180° bir evirme darbesi ile ters çevrilmektedir. Bu fırıllar kan
akışı ile beyine geldiğinde işaretlenmiş görüntülerde evirme
süresine bağlı bir sinyal düşüklüğüne sebep olmaktadır.
Kontrol grubu ile işaretlenmiş görüntü grubunun birbirinden
çıkarılması ile fark grubu görüntüleri oluşturulur. Fark
görüntülerinden elde edilen sinyal yüksekliği ile serebral kan
akış hızı doğru orantılıdır. Elde edilen fark görüntüleri
bağlayıcı modellere oturtularak serebral kan akış haritaları
oluşturulabilmektedir [2].
Bu projede bir grafiksel kullanıcı arayüzü (GKA)
tasarlanılarak atardamar fırıl etiketleme tekniği ile manyetik
rezonans görüntüleme aracılığı ile beyin tümörlerindeki
serebral kan akış haritaları oluşturulmuştur.
2. Metodlar
ASL MR görüntüleri almaşık radyofrekans darbeleri ile
sinyal
hedefleyen
eko-planar
görüntüleme
tekniği
kullanılarak altı farklı kesitte ve her kesit için sekiz ayrı fazda
farklı evirme süreleri kullanılarak alınmıştır. Her bir görüntü
alımı sinyal gürültü oranını arttırmak için 30 defa
tekrarlanmıştır.
Serebral kan akışı hesaplanması için Matrix Laboratory
(MATLAB) kullanılarak bir
program yazılmış ve bu
programla başlangıç olarak alınan görüntülerin aşağıda
belirtilen formül ile ortalamaları alınmıştır.
𝑜𝑟𝑡𝑎𝑙𝑎𝑚𝑎 𝑔ö𝑟ü𝑛𝑡ü = 𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚(𝐺ö𝑟ü𝑛𝑡ü 1: 30 )
30
(1)
Ortalamaları alınarak bire indirgenenen her kesitteki
kontrol görüntülerinin içinden beyin dokusu maskelenmiştir
ve görüntünün çevresi çıkarılmıştır. Şekil 1’de bir kesitin
maskelenme örneği verilmiştir.
Maskelenen kontrol grubu görüntülerinin değişik
fazlardaki görüntüleri kullanılarak her kesitteki ana
mıknatıslama, M0, değerleri aşağıda belirtilen modele
oturtularak bulunmuştur.
𝑀 𝑇𝐼 = 𝑀! (1 − 𝑒 !"/!! )
(2)
Formül 2’de TI değişik evirme sürelerini sembolize etmek
için kullanılmıştır ve T1 olarak kanın T1 değeri olan 1.664s
olarak
kullanılmıştır.
Ana
mıknatıslama
değerleri
bulunduktan sonra kontrol ve işaretlenmiş görüntülerin
çıkarımı ile oluşturulan fark görüntüleri (ΔM) alınmış, ve
atardamar kan hacmi (arterial blood volume (aBV)) de
hesaplanalarak aşağıda belirtilen formül ile çoklu evirme
serebral kan akışı modellenmiştir [3,4].
𝑇!!"" =
!
!!
+
!"#
!
(3)
Formül 3’de CBF ml/100 g doku/dakika cinsinden serebral
kan akışını, α ters çevirme yeterliğini (0.95), ∆t bolusun
kesite gelme süresini (0.3s), T1 (1.3s) ve T1a (1.664s) doku ve
kanın T1 relaksasyon zamanlarını, ve λ kan/doku su bölünme
katsayısını (0.91) temsil etmektedir.
Son olarak her bir evirme süresinde kontrol ve
işaretlenmiş görüntülerin çıkarımıyla oluşturulan fark
görüntüleri kullanılarak serebral kan akışı aşağıda belirtilen
formül kullanılarak hesaplanmıştır.
𝐶𝐵𝐹 =
!!(!")! !"/!!! ! !/!!!
!! !!"
(4)
Formül 4’de TE eko zamanını (15.99 ms), τ ise zamansal
bolus genişliğini (0.6s) [5] temsil etmektedir.
Ek olarak, serebral kan akışı hesaplanmadan önce net
serebral kan akışı haritaları elde etmek için fark
görüntülerinin 3x3 pikselde ortalamaları alınarak modele
oturtulmuştur.
Yapılan uygulamaların hepsi MATLAB programının
içerisinde yer alan grafiksel kullanıcı arayüzü (GKA) ile
gösterilmiştir. Her bir görüntü grubu ve serebral kan akış
haritaları için farklı eksenler kullanılmıştır. Görüntülerden
alınan bilgiler (evirme süresi, görüntünün kesit ve faz
numarası) görüntünün üst kısmında gösterilmiştir.
Uyguladığımız modelin eğrilerini görebilmek için piksel
seçerek eldeki verilerle modelden elde edilen veriler grafiksel
olarak çizdirilmiş ve farklı bir eksende gösterilmiştir.
3. Sonuçlar
ΔM(TI)=
2α!! !"#!
!
!
!
!!!""
𝑒 !∗!" − 𝑒 !∗!! + 2α𝑀! 𝑒
𝑅=
1
1
−
𝑇!!"" 𝑇!!
!
!
!!!
𝑎𝐵𝑉
Atardamar fırıl etiketleme tekniği ile manyetik
rezonansın kombinasyonundan elde edilen kontrol ve
işaretlenmiş görüntü grupları kullanılarak modelleme
yapılmıştır ve bu modellemeler tasarlanmış olan grafiksel
kullanıcı arayüzünde gösterilmiştir. Şekil 2’de bir hasta için
modellemeden sonra oluşturulan CBF haritaları grafiksel
kullanıcı arayüzünde gösterilmektedir.
Şekil 1. ASL MR Görüntülerinin Maskelenmesi Örneği
Şekil 2. Modellemelerden sonra Grafiksel Kullanıcı Arayüzü (GKA)
Serebral kan akışı hem çoklu evirme süresinde hem de
her bir evirme süresi için ayrı ayrı hesaplanmıştır. Şekil 3’te
ilk kesit için oluşturulan her bir evirme süresindeki serebral
kan akış görüntüleri gösterilmektedir. Kesit 1 için evirme
süreleri (TI) 300ms, 550ms, 800ms, 1050ms, 1300ms, ve
1550ms olarak kullanılmıştır. TI=300ms’de iken, CBF
görüntüleri net değildir, fakat TI=800ms’de, CBF görüntüsü
daha iyi gözlemlenmektedir. Atardamarlardan gelen yüksek
sinyallerin TI=1550 ms’de iken oldukça azaldığı
gözlemlenmiştir. Şekil 4’de çoklu TI süresinin modellenmesi
ile oluşturulan CBF haritası kesit 1 için gösterilmektedir.
Çoklu TI CBF modellenmesi her bir evirme süresi için
hesaplanan CBF hesaplanmasında TI=1550 ms’deki görüntü
ile benzer nitelik göstermektedir.
CBF görüntüleri her kesit için incelenmiştir ve CBF
değerleri beyaz cevher, gri cevher ve tümör için kaydedilmiş
ve Tablo 1’de gösterilmiştir. Bu hastada, gri cevherde
oldukça yüksek CBF değerleri görülmüş ve bu değerleri
tümörlü alan daha sonrada beyaz cevher takip etmiştir.
Tablo 2’de çoklu evirme süresi ve her bir evirme süresi
için yapılan CBF modellemeleri sonucunda elde edilen CBF
değerlerini her kesit için göstermektedir. CBF değerleri bu iki
metodla oldukça farklılık göstermektedir.
4. Tartışma
Serebral kan akışı, Pozitron Emisyon Tomografi (PET),
perfüzyon MR görüntüleme veya ASL MR görüntüleme
kullanılarak hesaplanabilir. Serebral kan akışının, PET
tekniğini kullanarak görüntülenmesi radyoaktif madde
enjeksiyonu gerektirir, ve bu radyoaktif maddenin
yarılanması
gözlenerek
serebral
kan
akışı
hesaplanabilmektedir. Perfüzyon MR görüntüleme kontrast
madde kullanılarak yapılır, fakat yaygın bir kontrast maddesi
olan gadolinyum kullanımı böbrek rahatsızlığına sebep
olabilmektedir. Bir diğer teknik olan atardamar fırıl
etiketleme insan sağlığı açısından en az risk taşıyan serebral
kan akış hesaplama tekniğidir, ve bu sebeple daha çok tercih
edilmektedir. Atardamar fırıl etiketleme tekniğinde manyetik
olarak işaretlenmiş su kullanılır bu da insan sağlığı açısından
risk taşımaz. Çoklu evirme süresi kullanılarak yapılan ASL
MR görüntüleme ile atardamardan gelen intravasküler MR
sinyalleri elimine edilebilir, bu da geniş damarlardan gelen
kontaminasyonu önlemeye yardımcı olmaktadır.
Yapılan gözlemlerde, çoklu faz evirme süresinde yapılan
CBF modellemesinin daha hassas olduğu ve bu sebeple
model oturtma seçenekleri kullanılarak alt–üst sınır
belirlenmesi gerektiği tespit edilmiştir. Sonuç olarak, çoklu
fazda hesaplanan CBF modelinin görüntülerinin daha iyi
olduğu ve CBF hesaplanmasında daha kullanışlı olduğu tespit
edilmiştir.
Bu çalışmada, ASL MR görüntüleme sonucu CBF
haritalarının
hesaplanmasına
yardımcı
bir
GKA
tasarlanmıştır. CBF haritaları çoklu ve her bir evirme süresi
için iki ayrı şekilde oluşturulmuştur. Bu grafiksel kullanıcı
arayüzünün Radyoloji uzmanlarına ASL MR görüntülerini
kullanarak CBF hesaplamada yardımcı olması amaçlanmıştır.
Şekil 3. Her Bir Evirme Süresi İçin İlk Kesitteki CBF Görüntüleri
Şekil 4. İlk Kesit Çoklu Evirme CBF Modellesi Görüntüsü
Tablo 1. Her Kesitteki Gri Cevher, Beyaz Cevher ve Tümörlü
Alanda Çoklu TI CBF Değerleri
Kesit
Gri Cevher
Beyaz
Tümör
X=25 Y=56
Cevher
X=30 Y=51
X=29 Y=54
1
114,7
9,732
33,0632
2
104
3,406
5,4455
3
54,46
8,132
27,2707
4
100,3
13,3
13,3660
5
98,56
7,995
40,6500
6
47,47
8,682
25,8231
Tablo 2. Çoklu CBF Ve Her Bir Evirme Süresi İçin CBF
Değerleri
Kesit
Tekli ve
Gri
Beyaz
Tümör
Çoklu
Cevher
Cevher
X=24
Evirme
X=26
X=26
Y=48
Süresinde
Y=38
Y=38
CBF
1
Tekli CBF
42,43
12,03
13,2580
TI=1550
Çoklu CBF
116,1
13,67
16,1134
2
Tekli CBF
59,39
8,116
4,0258
TI=1832
Çoklu CBF
98,37
8,5
6,8885
3
Tekli CBF
49,86
16,13
18,9261
TI=1614
Çoklu CBF
104,8
18,83
37,8562
4
Tekli CBF
34,38
5,198
1,6306
TI=1145
Çoklu CBF
114
9,758
14,8123
5
Tekli CBF
44,42
16,7
51,7949
TI=1177
Çoklu CBF
98,56
13,23
39,7330
6
Tekli CBF
31,52
9,76
4,4711
TI=1959
Çoklu CBF
30,93
9,543
9,5383
5. Kaynakça
[1] Detre, J.A., et al., "Tissue specific perfusion imaging
using arterial spin labeling", NMR Biomed, 7(1-2), p. 75-82,
1994.
[2] Arterial Spin Labelling Technique. Available:
http://fmri.research.umich.edu/. Accessed on : 12 May 2013.
[3] Chappell, M.A., et al., "Separation of macrovascular
signal in multi-inversion time arterial spin labelling MRI".
Magn Reson Med, 63(5), p. 1357-65, 2010.
[4] Gevers, S., et al., "Intra- and multicenter reproducibility
of pulsed, continuous and pseudo-continuous arterial spin
labeling methods for measuring cerebral perfusion.", J Cereb
Blood Flow Metab, 31(8), p. 1706-15, 2011.
[5] Wong, E.C., R.B. Buxton, ve L.R. Frank, 2011.
"Quantitative imaging of perfusion using a single subtraction
(QUIPSS and QUIPSS II) ". Magn Reson Med, 39(5), p. 7028, 1998.