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 Düzenli 1, Çağıl Gümüş 2, Hakan Cebeci 3, Bahattin Hakyemez 3, Esin Öztürk Işık 1 1. Biyomedikal Mühendisliği Bölümü, Yeditepe Üniversitesi ipekduzenli@gmail.com, esin.ozturk@yeditepe.edu.tr 2. Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Yeditepe Üniversitesi cagilgumus@gmail.com 3. Radyoloji Anabilim Dalı, Uludağ Üniversitesi hcebeci16@gmail.com, bhakyemez@uludag.edu.tr 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, M 0, değerleri aşağıda belirtilen modele oturtularak bulunmuştur. M TI = M (1 e "/ ) (2) Formül 2 de TI değişik evirme sürelerini sembolize etmek için kullanılmıştır ve T 1 olarak kanın T 1 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]. ΔM(TI)= 2α "# "" e " e + 2αM e abv R = 1 T "" 1 T T "" = + "# 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), T 1 (1.3s) ve T 1a (1.664s) doku ve kanın T 1 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 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. (3) 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, Beyaz ve Tümörlü Alanda Çoklu TI CBF Değerleri Kesit Gri X=25 Y=56 Beyaz Tümör 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 Çoklu Evirme Gri X=26 Beyaz X=26 Tümör X=24 Y=48 Süresinde CBF Y=38 Y=38 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. 702-8, 1998.