JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

Geometric distortions and spatial inaccuracies in magnetic resonance imaging are an important concern especially in image-guided high accuracy operations, such as radiotherapy or stereotactic surgeries. Geometric distortions in the images are in principle caused by erroneous spatial encoding of the signal echo. Errors in the spatial encoding are caused by different physical factors, such as static field inhomogeneity, gradient field nonlinearities, chemical shift, and magnetic susceptibility. The distortion shifts can be quantitatively evaluated as the amount of distance or pixels that a signal source has shifted in the mapping from real space to the image space. By studying the distortions and the causing mechanisms, corrective measures can be taken to minimize spatial errors in the images.

In this thesis the geometric distortions of one MRI scanner are evaluated with four different grid phantom objects. The scanner was a 3 Tesla scanner at the Oulu University Hospital. The phantoms included two commercial readily available MRI quality assurance phantoms and two in-house produced prototype phantoms. The methods consisted of imaging the phantoms with different two- and three- dimensional sequences. Image and distortion analysis was performed with one commercial distortion check software for the respective commercial phantom, and with an in-house developed Matlab program for all four phantoms.

Results for the magnitude and direction of the distortion as a function of distance from the scanner isocenter were acquired. Three-dimensional distortion shifts up 4 mm within a radius of 200 mm from the isocenter were measured, with occasional shifts up to 9 mm between 100 and 200 mm from the isocenter. Distortion field maps and contour plots produced with both analysis methods seemed to be in accordance with each other, and the geometry and behaviour of the field was found to be as expected. As to the prototype phantoms, a result with respect to the grid density was found. A 5 mm grid separation was too dense with respect to the achievable resolution for the Matlab analysis script to function, or more generally for any distortion check at all.

Tiivistelmä

Magneettikuvien geometriset vääristymät ja epätarkkuudet ovat tärkeitä huomioon otettavia asioita erityisesti sädehoitoihin tai kirurgisiin operaatioihin liittyvissä kuvantamisissa. Kuvien vääristymät aiheutuvat virheistä signaalien paikkakoodauksessa. Paikkakoodaukseen aiheutuu virheitä eri fysikaalisista tekijöistä, kuten staattisen magneettikentän epähomogeenisuuksista, gradienttikenttien epälineaarisuuksista, kemiallisesta siirtymästä tai magneettisesta suskeptibiliteetistä. Geometrinen vääristymä voidaan määrittää kvantitatiivisesti tutkimalla signaalin paikan siirtymää kuvauksessa todellisesta koordinaatistosta, eli kuvattavasta kohteesta, kuvan koordinaatistoon. Kuvia voidaan myös korjata vääristymien osalta tutkimalla vääristymien luonnetta ja niiden aiheuttajia.

Tässä tutkielmassa tutkittiin Oulun yliopistollisen sairaalan yhden 3 Teslan kenttävoimakkuuden magneettikuvauslaitteen geometrista vääristymää. Kuvauksissa käytettiin neljää erilaista fantomia, kahta valmista kaupallisesti saatavilla olevaa sekä kahta kokeellista prototyyppiä. Fantomeita kuvattiin eri kaksi- ja kolmiulotteisilla kuvaussekvensseillä. Kuva- ja vääristymäanalyysiä varten käytettiin yhtä kaupallista ohjelmaa, joka on tarkoitettu sitä vastaavalle fantomille, sekä itse sairaalassa kehitettyä Matlab-pohjaista ohjelmaa.

Mittausten perusteella saatiin kvantitatiiviset tulokset vääristymän suuruudelle ja suunnalle, etäisyyden funktiona skannerin keskipisteestä. Kolmiulotteisten vääristymien suuruudet olivat 4 mm tai alle 200 mm säteelle asti, suurimpien yksittäisten vääristymien ollessa noin 9 mm tai alle 100 mm ja 200 mm etäisyyksien välillä. Molemmilla analyysiohjelmilla vääristymien suuntien perusteella luodut vektorikentät olivat toistensa mukaisia ja vääristymän käyttäytyminen vaikutti odotetulta. Prototyyppifantomien suhteen päädyttiin tulokseen, jonka mukaan 5 mm ruudukko oli liian tiheä suhteessa resoluutioon, eikä Matlab-pohjainen analyysi toiminut. Tarpeeksi leveä ruudukko oli siten oleellinen osa vääristymän määrittämistä.