Réalisation d`un fantôme de vérification des performances globales

SETIT 2005
3rd International Conference: Sciences of Electronic,
Technologies of Information and Telecommunications
March 27-31, 2005 – TUNISIA
Réalisation d’un Fantôme
de Vérification des Performances Globales
d’une Machine IRM
Hatem BESBES et Ridha BEN SALAH
Faculté de médecine de Tunis
[email protected]
Résumée : La multitude des appareils et la complexité de la technique d’imagerie par résonance magnétique
nucléaire (IRM) ainsi que l’appareillage associé, ont exigé la mise au point de protocoles standard de contrôle de
qualité. Ces protocoles sont réalisés généralement en utilisant un arsenal de fantômes. Ceci nécessite un temps
assez long pour réaliser les opérations de contrôle de qualité. Pour abréger ces opérations, nous avons réalisé un
fantôme multi-tâches. Nous l’avons fabriqué en polyamide et nous l’avons rempli d’une solution aqueuse de
sulfate de cuivre (produit de contraste). Le caractère multi-tâches est garanti par plusieurs compartiments
présentant des formes géométriques spécifiques. Ainsi, il permet la réalisation d’un bon nombre de contrôles
suite à une seule acquisition
1 Introduction :
L’IRM est devenu durant les deux dernières
décennies un des piliers majeurs de l’imagerie
médicale in vivo. C’est une technique d’imagerie
qui fait appels aux propriétés magnétique de la
matière. Les images sont formées à partir des
signaux qu’on recueillie à la suite d’un échange
d’énergie avec les moments magnétiques
nucléaires. Les noyaux sollicités en IRM sont ceux
de l’hydrogène (proton). L’imagerie par résonance
magnétique est considérée comme un repère pour la
précision et la bonne qualité d’image. Cette qualité
est acquise de la multitude de mode d’acquisition
(T1, T2, écho de spin) (Kastler & al, 2000).
2 La machine d’IRM :
Le dispositif d’IRM est composé principalement
d’une bobine principale générant le champ
r
magnétique statique B0 à l’origine de l’apparition
d’une aimantation induite, de bobine de gradient de
champs selon X, Y et Z permettant la localisation
spatiale et d’une antenne radiofréquence générant
r
un champ magnétique excitateur B1 radiofréquence
(fig. 1) (Kastler & al, 2000).
Le champ magnétique à l’intérieur du volume
d’une bobine n’est pas uniforme. Pour obtenir une
uniformité de champ, on ajoute d’autres bobines au
voisinage de la bobine principale dites bobines de
r
Shim. Ainsi que le champs excitateur B1 est
délivré par des antennes adaptées au volume de la
structure à examiner (Kastler & al, 2000).
L’association de ce grand nombre de bobines
montre bien que la mise au point d’un dispositif
d’IRM nécessite la vérification de la conformité
d’un certain nombre de paramètres. Ceci est garanti
par un ensemble de protocoles de contrôle de
qualité.
3 Contrôle de qualité en IRM :
Généralement, Le contrôle de qualité est
l’ensemble des opérations visant l’amélioration ou le
maintient des performances d’un système. En IRM,
comme pour toutes les techniques d’imagerie
médicale, les protocoles de contrôle de qualité
garantissent l’obtention d’images décrivant avec un
certain degré de fidélité les structures anatomiques
internes explorées. Ainsi, les contrôles concernent la
fréquence de résonance, le rapport signal sur bruit,
l’uniformité de champ, la linéarité spatiale, la
résolution spatiale, l’épaisseur de coupe, l’intervalle
entre les coupes, la linéarité du gradient de champ et
les temps de relaxation T1 et T2. Les contrôles sont
réalisés par l’intermédiaire d’acquisitions faites sur
des fantômes adéquats, remplis d’une solution
aqueuse contenant un produit de contraste
(paramagnétique) comme le CuSO4, le NiCl2 et le
MnCl2. Les considérations fondamentales qui dictent
le choix des matériaux de conception des fantômes
sont les stabilités chimique et thermique avec une
densité de proton dans la gamme biologique (Price
& al, 1990).
Bobine de
gradient selon Y
Bobine de
gradient selon Z
Antenne
radiofréquence
Bobine de gradient
selon X
Bobine principale générant un
champ magnétique statique
Patient
Figure 1 : Schéma synoptique d’une machine d’IRM.
3.1 Fréqence de résonance
3.2 Rapport signal/bruit (SNR)
la fréquence de résonance f0 d’un moment
magnétique nucléaire est proportionnelle à
l’intensité B0 du champ magnétique principale.
Le signal est défini comme l valeur moyenne
des pixels dans une région d’intérêt (ROI) moins
l’offset. Alors que le bruit est défini comme une
variation aléatoire de l’intensité des pixels (Price &
al, 1990 ; Edelstein & al, 1986).
f0 =
γ
B
2π 0
Pour la détermination du SNR, on peut réaliser
deux acquisitions consécutives sans changement
des paramètres d’acquisition. La soustraction pixel
par pixel des deux images donne une image de
différence. Alors que le signal est mesuré sur une
ROI de l’une des deux images, le bruit est défini
comme l’écart type (déviation standard (DS)) dans
la même ROI sur l’image différence. Ainsi :
Avec γ : rapport gyromagnétique caractérisant le
noyau résonant.
Ce paramètre doit être vérifié à chaque mise en
marche de l’appareil. Le fantôme utilisé est un
cylindre produisant un signal uniforme (fig. 2). Ce
fantôme est également utilisé pour le contrôle du
rapport signal/bruit ainsi que l’uniformité du champ
(Price & al, 1990 ; Brateman & al, 1986).
D
SNR= S 2
DS
3.3 Uniformité de champ
D ≤ 80% champ
de vue.
elle exprime la capacité du système à produire
une réponse uniforme tout le long du volume à
examiner quand le matériau présente des
caractéristiques
de
résonance
magnétique
homogènes . En pratique, on évalue l’uniformité sur
des images présentant un SNR supérieure à 80:1.
En effet, on détermine les valeurs maximales et
minimales du signal Smax et Smin (Price & al, 1990 ;
Condon & al, 1987 ; O’Donnell & al, 1987 )
L ≥ 2 épaisseurs
de coupe
L
Figure 2 : fantôme utilisé pour le
contrôle de la fréquence de résonance, le
rapport signal/bruit et l’uniformité du
champ.
2
∆=
S=
S max −S min
2
2
S max +S min
1,5
2
1,25
L’uniformité intégrale :
1
U Σ = 1− ∆ .100%
 S
0,75
3.4 Linéarité spatiale
0,5
ce terme décrit le degré de distorsion
géométrique produit par tout système d’imagerie.
Cette distorsion est liée soit à un déplacement des
points dans l’image par rapport à leurs positions
réelles, soit à une distance incorrecte entre les
points sur l’image.
Figure 4 : fantôme utilisé pour la
résolution spatiale à haut contraste.
Le motif consiste en une alternance de
régions productrice et non productrice de signaux
avec une distance de séparation égale au diamètre
du trou (fig. 4).
Le fantôme utilisé consiste en une matrice
régulière de motif unique (trou, rainure, baguette ou
tube) (fig. 3) (Price & al, 1990).
L’image sera évaluée visuellement et
l’analyse consiste à dégager la plus petite rangée de
motifs identifiable (Price & al, 1990).
Le pourcentage de distorsion spatiale est donné
par :
3.6 Epaisseur de coupe
dimension réelle - dimension observé .100%
dimension réelle
Elle est définie comme la largeur à mis hauteur
(FWHM) du profil de coupe. Par ailleurs, le profil
de coupe est défini comme la réponse du système à
une source ponctuelle en mouvement à travers le
plan de reconstruction (Price & al, 1990 ;
McRobbie & al, 1986 ; Selikson & al, 1988 ).
Plusieurs fantômes peuvent être utilisés pour
évaluer l’épaisseur de coupe, la plupart utilisent des
variantes de surfaces inclinées. Le fantôme typique
est celui à rampe (fig. 5) . La paire de rampe doit
garder un angle d’inclinaison θ constant.
coupe
θ = 90°
(Vue de face)
(Vue de côté)
Figure 3 : fantôme en rainures
orthogonales dans une plaque
d’acrylique
3.5 La résolution spatiale à haut contraste
cette qualité décrit la capacité d’un système
d’imagerie a distinguer les différents détails d’une
structure en absence de bruit significatif.
Image acquise et
profil du signal
Les fantômes usuels de la résolution spatiale
sont composés soit de motif en barreaux ou d’une
matrices de trous (fig. 4) (Price & al, 1990).Les
trous peuvent avoir une section carré ou circulaire.
Figure 5 : fantôme utilisé pour le
contrôle de l’épaisseur de coupe.
3
3.7 Position et intervalle entre les coupes
3.9 Temps de relaxation T1 et T2
la position d’une coupe (offset) est définie
comme le point milieu du FWHM du profil du
signal. Alors que l’intervalle entre les coupes est
définie comme la distance entre deux positions
successives.
T1 et T2 sont respectivement les temps de
relaxation longitudinal et transversal. Ils constituent
des constantes caractéristiques d’une substance
donnée.
La vérification de ce paramètre est faite par la
réalisation de mesures sur des substances standard
de temps de relaxation connus (Kraft & al, 1990).
Généralement, on utilise le même fantôme que
celui utilisé pour le contrôle de l’épaisseur de coupe
(fig. 6) (Price & al, 1990 ; McRobbie & al, 1986).
4 Réalisation du fantôme de contrôle
des performances générales
coupe 2
coupe 1
coupe 3
La multitude des protocoles de contrôle de
qualité en IRM fait qu’ils nécessitent un certain
nombre de fantômes et différentes modalités
d’acquisition. Ceci implique que la vérification des
performances globales demande beaucoup de
temps. D’où la nécessité de réduire le nombre
d’acquisitions. Ceci passe impérativement par la
réalisation d’un fantôme qui peut jouer le rôle des
différents fantômes évoqués précédemment. Ainsi
nous avons réalisé un fantôme qui rempli le
maximum de ces caractéristiques.
θ = 90°
O2
O3
4.1 Choix des matériaux de conception :
D3
D2
Coupe 1
Coupe 2
Pour la réalisation de notre fantôme nous avons
utilisé comme matériau de conception de l’enceinte
du fantôme du polyamide car c’est un matériau non
magnétique (fig. 7). Alors que le remplissage de
l’enceinte est réalisé par l’intermédiaire d’une
solution paramagnétique de sulfate de cuivre
(CuSO4) 20 mM.
Coupe 3
Figure 6 : fantôme utilisé pour le
contrôle de la position et de
l’intervalle de coupe.
Pour un angle θ quelconque entre les deux
rampes l’offset de la coupe est donné par :
O= D
tg( θ)
2
Figure
7:
Les
différentes
composantes de l’enceinte du
fantôme.
Les mesures sont faites par rapport à l’isocentre
et par rapport au entre de l’image.
3.8 Linéarité du gradient de champ
Le fantôme, comme le montre la figure 7, est
composé de plusieurs compartiments remplissant
chacun un rôle propre dans les opérations de
contrôle. Il est composé d’un couvercle et d’une
base constituée de quatre compartiments différents :
- Un modèle en étoile sur un secteur d’angle
120°.
- Deux rampes à escaliers tournants sur deux
secteurs symétriques d’angle 60°.
- Six tubes sur un secteur d’angle 60°.
- Un modèle comportant une succession de
trous de diamètres variables (60°).
pour la localisation spatiale, on additionne au
champ excitateur un champ colinéaire de module
proportionnel à la position selon les direction X, Y
et Z avec des coefficient de proportionnalité Gx, Gy
et Gz. Ces coefficients doivent rester constants dans
le long du volume d’acquisition (Condon & al,
1987).
Pour la vérification de ce paramètre, on peut
utiliser le même fantôme à rampe. On réalise
plusieurs acquisitions tout en changeant
l’orientation du fantôme à chaque acquisition
4
même profondeur (9mm) mais de diamètres variant
de 0,5 à 1,5mm (fig. 11). L’analyse visuelle de
l’image d’acquisition transversale au niveau des
trous permet d’évaluer la résolution spatiale.
4.2 Le couvercle
Le couvercle est constitué de trois segments
coniques concentriques et de même angle au
sommet (30°). Il permet de vérifier l’homogénéité
du champ magnétique statique et la linéarité du
gradient de champ ainsi que l’uniformité de
l‘épaisseur de coupe (fig. 8).
9° x8
φ 23
1
6
φ 0,6x6
5,2
1,5
1,2
30°
1,2
3
Figure 9 : Vues en coupe du
modèle en étoile.
Figure 8 : Vue en coupe du
couvercle.
4.3 Modèle en étoile
4.6 Secteur de calibrage de T1 et T2
La section qui contient le groupement en étoile
est répartie sur un secteur d’angle 120°. Elle est
constituée de 9 plaques de longueur
6 cm et de
hauteur 3 cm déviées l’une de l’autre d’un angle de
9° (fig. 9). Ce secteur permet la vérification de la
résolution spatiale axiale et transversale ainsi que
l’épaisseur, la position et l’intervalle entre les
coupes pour les coupes longitudinale et sagittales.
Ce secteur comprend normalement trois tubes
étanches de volume interne 10cm3 et de hauteur
45mm (fig. 12). Ces tubes seront remplis par des
substances de T1 et T2 connus et tabulés.
5 Mise en œuvre du fantôme :
La mise en œuvre du fantôme nous a permis la
mise en évidence de nos prévisions en ce qui
concerne ça fonctionnalité. Faute de disponibilité
de l’appareil, nous n’avons pu réaliser que des
acquisitions transversales avec des épaisseurs de
coupes de 3mm qui vont servir, en première étape,
à quelques appréciations qualitatives.
4.4 Rampes à escaliers tournants
Les deux rampes à escaliers tournant sont
constituées chacune de 36 marches de pas 1mm
(fig. 10). Elle sert à contrôler l’épaisseur de coupe,
l’orientation des coupes et l’intervalle entre les
coupes pour les coupes transversales.
5.1 Acquisitions au niveau du couvercle
4.5 Secteur d’évaluation de la résolution
spatiale
Vu la profondeur des motifs coniques (15mm) et
l’épaisseur de coupe choisie (3mm), nous avons pu
réaliser 5 images de coupes transversales à ce
niveau (fig. 13). Les images obtenues sont sous
forme d’anneau concentrique de diamètre variables.
Ce secteur permet l’évaluation de la résolution
spatiale en faisant des acquisitions transversales sur
une plaque comportant quatre séries de trous de
5
L’artéfacts enregistré sur les images est dû à une
fuite de solution lors de l’acquisition.
1
+0.1 x 35
1
Figure 12 : Vues de face et de
profil en coupe de la plaque à
trous de diamètres variables.
1
C1
C2
C3
C4
Figure 10 : Vues de face et de profil
de la rampe à escaliers tournants.
C5
φ 1,5
φ1
φ 0,8
φ 0,5
Figure 13 : Acquisitions de coupes
transversales au niveau du
couvercle.
Nous avons réalisé une analyse quantitative des
images en mesurant les diamètres intérieurs et
extérieurs des différents anneaux (tableau 1). Nous
avons constaté une certaine régularité de variations
(fig. 14). Ce qui montre une linéarité du gradient.
Figure 11 : Vues de face et de
profil en coupe de la plaque à
trous de diamètres variables.
6
Tableau 1 : diamètre intérieur et
extérieur des différents anneaux de
chaque image de la figure 1.
C1
C2
C3
C4
C5
D1
87
86
82,5
81,5
78
D2
75,6
74,5
71
70,5
67
D3
65
64
61
60
56,5
D4
54
53
50
49
45,5
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
D5
44
43
40,5
39,5
35,5
90
80
Diamètre
70
60
50
40
30
0
1
2
3
4
5
6
Coupe
Figure 14: Courbe de variation
des diamètres des anneaux en
fonction des coupes.
Figure 15 : Acquisitions de coupes
transversales au niveau de la base.
5.2 Acquisitions au niveau de la base du fantôme
5.3 Acquisitions au niveau de zone homogène
Les acquisitions au niveau de la base du
fantôme (fig. 15) nous ont donnés des résultats
intéressant surtout en ce qui concerne l’épaisseur de
coupe et la résolution latérale. En effet, nous avons
pu confirmer une résolution latérale optimale au
niveau du modèle en étoile (fig. 15-B1-7). Alors
que sur la figure 15-B3,6 on peut distinguer
distinctement quatre marches de la rampe ce qui
montre qu’à ce niveau l’épaisseur de coupe est bien
supérieure à 3mm. Pour la résolution spatiale, nous
avons pu observer les traces des différents trous sur
la figure 15-B5. Ceci ne nous permet pas de lancer
des conclusions à propos de la résolution spatiale
du moment que ce facteur dépend également de la
qualité du film utilisé.
L’acquisition au milieu du fantôme au niveau de la
zone homogène ne contenant que la solution de
CuSO4 (fig. 16) montre une image d’une
homogénéité acceptable.
6 Conclusion :
Les différentes acquisitions, bien que leur
nombre soit relativement faible, ont montré un
degré très avancé de la fiabilité de notre fantôme
malgré un certain manque au niveau de
l’étanchéité. Mais ce problème est facile à résoudre.
Entre autre, notre fantôme est actuellement entrain
de subir une mise à jour en apportant des
amélioration au niveau de la majorité des
compartiment.
7
Edelstein WA, Glover GH, Hardy CJ, Redington RW.
The intrinsic signal-to-noise ratio in NMR imaging.
Magn Reson Med 1986; 3:604–618.
Kastler B, Vetter D, Patay Z, Germain P. "Comprendre
l’IRM" : Collection d’imagerie radiologique, ISBN 3ème
édition : 2-294-00059-5, Masson, 2000.
Kraft KA, Fatouros PP, Clarke GD, Kishore PRS. An
MRI phantom material for quantitative relaxometry.
Magn Reson Med 1987; 5:555-562.
McRobbie DW, Lerski RA, Straughan K. Investigation of
slice characteristics in nuclear magnetic resonance
imaging. Phys Med Biol 1986; 31:613–626.
O’Donnell M, Edelstein WA. NMR imaging in the
presence of magnetic field inhomogeneities and gradient
field nonlinearities. Med Phys 1985; 12:20–26.
Figure 16 : Acquisitions de
coupes transversales au niveau de
la base.
Référence
Price RR, Axel L, Morgan T, Newman R, Perman W,
Schneiders N, Selikson M, Wood ML, Thomas SR.
Quality assurance methods and phantoms for magnetic
resonance imaging. AAPM Report #28. Med Phys 1990;
17(2):287-295.
Brateman L, Jennings LW, Nunnally RL, Evaluations of
magnetic resonance imaging parameters with simple
phantoms. Med Phys 1986; 13:441–448.
Selikson M, Fearon T. Averaging error in NMR slice
profile measurements. Magn Reson Med 1988; 7:280284.
Condon BR, Patterson J, Wyper D, et al. Image
nonuniformity in magnetic resonance imaging: its
magnitude and methods for correction. Br J Radiol 1987;
60:83–87
8