Problematiche tecniche nell impiego di sequenze per fmri.

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1 Sviluppo di metodi per lo studio della funzione e dell architettura cerebrale C I S B Palazzo Baleani ROMA 3 maggio 2002 Girolamo Garreffa Enrico Fermi Center Problematiche tecniche nell impiego di sequenze per fmri.

2 Problematiche tecniche di sistema?: -perizia nella fase di installazione dell apparecchiatura RM -condizioni ambientali del sito di installazione (qualità delle schermature magnetiche/elettriche, pannello filtri, sorgenti di disturbo interne alla sala magnete o introdotte dall operatore ) -tipologia di apparecchiatura RM (generazione, magnete, età dell hardware) -configurazione apparecchiatura RM (in particolare prestazioni dei gradienti, catena di ricezione..) -stato di salute dell apparecchiatura RM (molto dipendente dalla frequenza del servizio di manutenzione ma soprattutto dalla QUALITA del servizio. Problematiche tecniche di metodo?: -collaborazione del soggetto in esame e accurato controllo del medesimo; -tipologia di sequenza, scelta dei parametri di acquisizione, conoscenza degli aspetti fisici in MRI; -Conoscenza degli aspetti tecnici che caratterizzano il processo di acquisizione dei dati; -Procedure per l analisi dei dati.

3 La sequenza EPI Scansione dello spazio k mediante sequenza ordinaria (sinistra) e con sequenza EPI (destra)

4 OFF RESONANCE EFFECTS Le sequenze EPI sono sensibili particolarmente a due tipologie di effetti off resonace: 1 effetto off-resonance grasso; 2 effetto off-resonance acqua. Sotto l azione del gradiente di lettura gli spin accumulano un errore progressivo di fase: Gli spin del GRASSO hanno una differente frequenza di risonanza rispetto a quelli dell acqua, pari a 220 Hz (a 1,5T). Di conseguenza lo shift di fase risulta essere (chemical shift artifact): 220 Hz x durata ETL Dove la durata ETL rappresenta l estensione temporale di tutte le rifocalizzazioni in un singolo TR. L artefatto da chemical shift si manifesta, contrariamente alle sequenze ordinarie, lungo la direzione del gradiente di codifica di fase: Immagine A acquisita senza alcuna soppressione, B con soppressione. Lo shift in A è circa ¼ del FOV e costituisce un notevole artefatto. Generalmente la seq. EPI è fat-suppressed

5 Altra tipologia di artefatto off-resonance è quello dei degli spin dell acqua in prossimità di interfacce del tipo aria-tessuto. Purtroppo questo tipo di artefatto lo dobbiamo tenere ed al più è possibile fare qualcosa per ridurlo, (se sopprimo il grasso e poi l acqua chi risuona???). Queste regioni produrranno un notevole artefatto che si manifesta sottoforma di una relativamente forte distorsione geometrica: Single shot EPI con ETL 256 acquisita su uno scanner base con gradienti di ampiezza max 10 mt/m e Slew Rate di 17 T/m/s fase EFFETTI DI SUSCETTIVITA E DISTORSIONI GEOMETRICHE POSSONO SOLO ESSERE RIDOTTI MA NON ELIMINATI!!!

6 RAPPORTO SEGNALE RUMORE IN EPI Le sequenze EPI hanno intrinsecamente un basso rapporto segnale rumore. La principale ragione di ciò è imputabile alla necessaria larghezza di banda del ricevitore. Con opportuni accorgimenti è possibile riequilibrare il S/N rispetto alle metodiche convenzionali: -impiego di bobine di superficie; -Scelta opportuna dei parametri: FOV, TR, TE, NEX, spessore strato ECHO SPACING: ESP Il controllo di questo parametro ha una importante rilevanza sulla qualità dell immagine acquisita. In EPI questo parametro ha un effetto rilevante sull entità della distorsione geometrica. I valori caratteristici sono in un range di 250 microsecondi a 3000 microsecondi. La diminuzione di ESP comporta una riduzione dell artefatto di distorsione geometrica.

7 RIDURRE ESP? COME?? Più breve risulta essere il Flat Top minore sarà l ESP. Ma è necessario fare i conti con quanti sono i punti da campionare e quanto dura il campionamento!..a meno che Per il momento sono individuate due soluzioni: Performance dei gradienti e frequenza di campionamento

8 IN SINTESI: PRESTAZIONI DEL SISTEMA GRADIENTI Le prestazioni dei gradienti sono riconducibili sostanzialmente a tre elementi: -Ampiezza - tempo di salita - Slew Rate

9 Gradienti con medesima ampiezza ma differente Slew Rate I due gradienti hanno le stesse prestazioni nel minimo FOV e nello spassore di fetta, ma hanno un diverso ESP In Sintesi:

10 LARGHEZZA DI BANDA DEL RICEVITORE La larghezza di banda del ricevitore gioca un ruolo fondamentale nella riduzione dell ESP: Maggiore è la larghezza di banda minore è l ETL ma a costo di una riduzione del rapporto segnale rumore.

11 RAMP SAMPLING: alias campionamento non uniforme RAMP SAMPLING: alias campionamento non uniforme A non usa RS, B si e presenta una distorsione ridotta sulle rocche, ESP in A è 832 us mentre in B è 576 us

12 MULTI SHOT O SINGLE SHOT? Nel caso Multishot si ha una riduzione dell ESP, si parla di ESP effettivo. La durata dell acq è: TR x N.shot x Nex Nella multi shot EPI ogni linea dello spazio k è percorsa in modo interlacciato Es. EPI multi shot Con n.shot = 2

13 Riduzione dell ESP in modalità EPI Multi shot Nel primo TR è evidente il reale ESP, nel secondo i gradienti di codifica sono azionati in modo da avere la situazione in figura dalla quale è possibile intuire il significato dell ESP effettivo La soluzione Multi shot EPI risponde efficacemente alle problematiche di distorsione geometrica ma ha un notevole costo dal punto di vista della durata dell acquisizione. Inoltre impone il passaggio single/multi con tutte le conseguenze sulla dinamica della magnetizzazione.

14 Scelta del tempo di eco In EPI la scelta del valore del tempo di eco ha una ripercussione sulla modalità di scansione (parziale) dello spazio k: FOV Contrariamente al senso comune, la scelta del FOV ha un effetto notevole sull ESP: -l area sottesa dal gradiente di codifica di frequenza è inversamente proporzionale al FOV, ciò significa che per un dato slew rate la diminuzione del FOV comporta l aumento dell ampiezza del gradiente di lettura.

15 IN SINTESI: SHIMMING? YES!!!! Le procedure di prescansione sono fondamentali per una buona riuscita della misura. Queste procedure sono tanto più efficaci quanto migliori sono le condizioni iniziali (omogeneità statica)

16 3 LELEMENTI FONDAMENTALI PER L IMPIEGO DI SEQUENZE EPI: -OMOGENEITA STATICA del campo magnetico (Shimming statico e dinamico); -OMOGENEITA DINAMICA del campo magnetico (Eddy Currents); -Timing preciso nello switching dei gradienti (stabilità dell hardware, controllo temperatura dell elettronica) ARTEFATTO N/2 Questo tipo di artefatto è uno dei più caratteristici in EPI, è determinato dal fatto che le righe nello spazio k sono acquisite sotto l azione di gradienti di polarità opposta (echi pari/dispari). Ciò comporta la necessità di riordinare temporalmente la successione dei campioni delle righe alterne. Questo artefatto è spesso responsabile di false attivazioni

17 L artefatto N/2 ha prevalente origine da modulazioni del segnale da linea a linea. Ciò comporta la comparsa di una immagine fantasma che è traslata di ½ FOV. -Le Eddy Currents sono le principali responsabili di queste modulazioni. Le E.C. determinano una indesiderata alterazione nella relazione: corrente nella bobina - campo di gradiente L effetto è un ritardo (anticipo) sul valore nominale del campo di gradiente che comporta una differente fase del segnale tra echi pari ed echi dispari.

18 Metodo Buonocore Ricostruzione di due immagini dividendo echi pari e disari, applicando uno zero filling. Si ottengono due immagini con artefatto negativo e positivo. La somma delle due immagini restituisce una immagine priva di artefatto. Ciò è possibile se l artefatto non entra nell immagine. Diversamente le cose sono un po più complicate ed è necessario procedere ad una stima della fase.