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Archivio digitale delle tesi discusse presso l'Università di Pisa

Tesi etd-09222020-125351


Tipo di tesi
Tesi di laurea magistrale
Autore
STRIGOLI, STEFANO
URN
etd-09222020-125351
Titolo
Sviluppo di metodi per l'analisi della suscettibilita magnetica da immagini MRI
Dipartimento
INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
Corso di studi
INGEGNERIA BIOMEDICA
Relatori
relatore Vanello, Nicola
relatore Martini, Nicola
Parole chiave
  • MRI
  • QSM
Data inizio appello
09/10/2020
Consultabilità
Non consultabile
Data di rilascio
09/10/2090
Riassunto
Questa tesi tratta lo studio di una particolare tecnica di ricostruzione di mappe quantitative di suscettibilità magnetica a partire da immagini di risonanza magnetica.
Tale tecnica conosciuta come quantitative susceptibility mapping (QSM), utilizza le immagini di fase ottenute dall’acquisizione MRI, per ricostruire immagini che quantifichino la concentrazione, per esempio, di ferro all’interno del cervello.
Gli sbilanciamenti di ferro o microstrutturali del cervello, sono riconducibili ad alterazioni del comportamento magnetico dei tessuti, ben caratterizzabile in termini di suscettività magnetica.
La tecnica protagonista di questa tesi è un metodo non invasivo, ripetibile ed effettuabile con i normali scanner clinici per RMI, che consente di stimare la suscettività magnetica scalare dei tessuti biologici con risoluzione spaziale e specificità elevate.
La suscettibilità magnetica è una proprietà che spiega il comportamento delle sostanze immerse in un campo magnetico, tramite un valore adimensionale differente per ogni tessuto.
Dalle immagini di fase di risonanza magnetica non si può direttamente misurare la suscettibilità, in quanto queste sono affette da artefatti che devo essere prima rimossi tramite passaggi specifici previsti dalla tecnica QSM denominati phase unwrapping e background removal.
Una volta che dalle immagini di fase si è ricavata l’immagine della perturbazione del campo, per ottenere la mappa di suscettibilità magnetica si deve affrontare un problema malcondizionato e malposto, corrispondente all’ultimo step della QSM.
Questo elaborato è entrato nel merito delle pipeline multi-step per giungere alla ricostruzione delle mappe quantitative di suscettibilità, tenendo presente anche l’esistenza di algoritmi single-step che però non sono stati trattati.
Per risolvere il problema inverso si è seguito la strada degli approcci con regolarizzazione, che sono svariati e differenti tra loro, scontrandoci con un aspetto fondamentale che è proprio quello della scelta dei parametri per ottenere il risultato ottimale.
Si è valutato il risultato degli algoritmi sia su fantocci numerici, che su immagini in vivo.
In questo caso si prendono come riferimento ricostruzioni di QSM ottenute con algoritmi multi-orientamento come COSMOS o STI che non prevedono l’utilizzo di parametri di regolarizzazione.
I metodi citati come riferimento danno risultati di livello superiore rispetto agli algoritmi a orientazione singola da noi utilizzati, ma non sono facilmente applicabili in un protocollo clinico, prevedendo l’orientazione del paziente all’interno dello scanner in diverse posizioni.
Questa operazione porta ad un aumento del tempo di acquisizione delle immagini notevole, oltre che ad ulteriori disagi per il paziente che potrebbero tradursi in aumento di artefatti.
Infine, vengono presentati dei risultati preliminari sulla ricostruzione di immagini QSM in pazienti sottoposti ad intervento di circolazione extra corporea.
L’obiettivo è quello di verificare se la CEC comporta delle differenze di flusso circolatorio rispetto a prima dell’intervento, ovviamente in questo caso, senza avere alcun tipo di riferimento.


Organizzazione del testo: la tesi è strutturata in cinque capitoli, l’ultimo è dedicato alle conclusioni in cui si commentano i risultati ottenuti e si elencano alcuni punti chiave che delineano i possibili sviluppi futuri.

CAPITOLO 1: nel primo capitolo si introduce la suscettibilità magnetica nel dettaglio, classificando i vari tessuti secondo questa proprietà ed evidenziando quelli che principalmente vengono tenuti in considerazione dal punto di vista della QSM.
Inoltre, viene anche descritto il legame tra Suscettibilità magnetica e MRI, andando a vedere come stimarla a partire da immagini di risonanza magnetica.

CAPITOLO 2: nel secondo capitolo si entra nel vivo della QSM, andando ad analizzare tutte le fasi della ricostruzione delle mappe di suscettibilità, affrontando sia i micro che i macro-passaggi necessari per raggiungere il risultato finale.
Degli step più importanti come lo scartamento della fase (phase unwrapping), la rimozione del campo di sfondo (background removal) e la risoluzione del problema inverso, ne vengono descritti tutti gli aspetti, oltre che citare e raccontare diversi metodi risolutivi per ognuno di essi.

CAPITOLO 3: nel terzo capitolo viene descritta la pipeline utilizzata sulle immagini dei pazienti sottoposti ad intervento con protocollo CEC, esplicitando tutte le difficoltà trovate durante il percorso realizzativo, a cominciare dal dataset a disposizione fino alle mappe di suscettibilità.
In questo capitolo si parla anche del challenge sulla QSM organizzato nel 2016 da un gruppo di studio dell’università di Graz, questo contest è risultato utile per alcuni spunti interessanti.

CAPITOLO 4: nel quarto capitolo si discutono i risultati ottenuti utilizzando un fantoccio numerico, le immagini del challenge 2016 e le immagini dei pazienti sottoposti a intervento con protocollo CEC.




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