Magnetic resonance elastography: design and implementation as a clinical tool

Tese de mestrado integrado em, Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia) apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012A viscoelasticidade é uma propriedade física dos tecidos, que se altera quando estes sofrem modificações. Desta forma, esta característica é uma propriedade importante no diagnóstico de doenças que alteram as capacidades elásticas dos tecidos. A palpação manual é uma técnica milenar que é geralmente utilizada para identificar lesões, como por exemplo nódulos e quistos. No entanto, esta técnica depende fortemente da experiência do médico e da região onde se encontra a lesão. Deste modo, na última década tem havido um esforço acrescido para serem desenvolvidas novas técnicas de imagem médica que forneçam informação sobre a elasticidade dos tecidos de uma forma quantitativa. Surge assim a elastografia. Esta técnica é baseada na detecção da deformação do tecido provocada por stresses internos ou externos e tem sido fortemente utilizada, combinada com outras técnicas como a ultrassonografia e a ressonância magnética, no diagnóstico de doenças que influenciam as propriedades elásticas dos tecidos. Inicialmente, a técnica de elastografia começou por ser combinada apenas com ultrassons. Porém, esta técnica apresenta algumas desvantagens devido à sua baixa resolução espacial e devido a apresentar resultados apenas na direcção de propagação da onda. Estas limitações têm servido de incentivo à exploração de técnicas alternativas, como a Elastografia por Ressonância Magnética (MRE, do inglês “Magnetic Resonance Elastography”) e à sua aplicação ao diagnóstico de doenças como a cirrose hepática ou a detecção de tumores. A MRE é uma técnica não invasiva, capaz de detectar a propagação de ondas em tecidos sujeitos a estimulação mecânica, permitindo assim o cálculo do módulo de elasticidade dos tecidos in vivo. Nesta nova modalidade, é usado um sistema convencional de ressonância magnética, em simultâneo com um sistema de actuação que provoca vibrações no tecido de interesse. De modo a que seja possível medir o deslocamento sofrido pelos spins em movimento devido à vibração induzida, é adicionado um gradiente sensível ao movimento (MEG, do inglês “Motion Encoding Gradient”) a uma simples sequência spin-echo EPI. Por fim, esta técnica usa um algoritmo de inversão que se baseia nos deslocamentos medidos, para calcular os mapas de elasticidade do tecido de interesse. O desenvolvimento de equipamentos para MRE representa um desafio devido às inúmeras considerações e limitações que é necessário ter em conta. Por exemplo, o hardware tem de possuir um design que permita uma excitação mecânica dos tecidos, adequada, dentro do campo magnético do equipamento de ressonância magnética e tem de ser confortável para o sujeito que está a ser submetido ao exame. Por outro lado, a optimização dos procedimentos de análise de dados é também uma questão crucial. É no âmbito do desenvolvimento de novas técnicas, métodos e equipamentos de MRE que surge o presente projecto. Este projecto foi desenvolvido no Wolfson Brain Imaging Center (WBIC), no Hospital de Addenbrooke’s, em Cambridge, e teve como objectivos o melhoramento de vários aspectos relacionados com o equipamento e os métodos de aquisição de imagens de um sistema de MRE de aquisição recente no WBIC. Estes melhoramentos traduziram-se em alterações ao nível do hardware e do software. Ao longo dos anos têm sido desenvolvidos vários tipos de actuadores que permitem a excitação dos tecidos. Entre os mais usados estão os actuadores piezoeléctricos, os actuadores pneumáticos e os actuadores electromagnéticos. O actuador piezoeléctrico, produzido pelo grupo do Charité do Instituto de Informática Médica, da Universidade de Berlim, e adquirido pelo WBIC possui dois tipos de set-up; um para a excitação do cérebro e um para a excitação do fígado. Com vista a ter uma perspectiva geral das vantagens e desvantagens dos actuadores piezoeléctricos e dos actuadores pneumáticos, as características de cada um destes, foram criteriosamente estudadas, o que permitiu melhorar e optimizar o actuador piezoeléctrico. Assim, algumas das alterações que foram efectuadas neste sistema foram: alteração da head cradle (set-up do cérebro) para aumentar o conforto do paciente e a eficiência, e a alteração do controlo remoto do amplificador e gerador de ondas, de modo a não ser necessário o deslocamento do técnico na modificação dos parâmetros de MRE. De modo a poder comparar os dois tipos de actuação nos tecidos, foi também um dos objectivos deste projecto desenvolver um sistema pneumático e comparar a sua performance com o equipamento piezoeléctrico comercial desenvolvido pela Mayo-Clinic, Mayo Foundation for Medical Education and Research, e com o actuador piezoeléctrico do WBIC. Com esse fim, foi desenvolvido um actuador pneumático de raiz, a custo reduzido, e o seu desempenho foi avaliado. Para comparar os dois tipos de actuação, efectuaram-se testes de deflexão de movimento num fantoma de gelatina, através do uso de um acelerómetro comercial, para várias frequências de excitação. Três sistemas diferentes foram testados: o piezoeléctrico e dois sistemas pneumáticos: entre eles o actuador desenvolvido no WBIC e o actuador pneumático comercial, desenvolvido na clínica Mayo. A utilização de dois tipos de actuadores pneumáticos permitiu testar se a propagação da onda nos tecidos depende somente do tipo de actuação utilizada (se é através de um actuador pneumático ou piezoeléctrico) ou se está também relacionada com características específicas de hardware de cada actuador. Com este estudo concluiu-se que, tal como seria esperado, o set-up desenhado para o fígado, do actuador piezoeléctrico, induziu um maior deslocamento nos tecidos do que qualquer um dos outros actuadores, quer para baixas frequências (20Hz), quer para altas frequências (80-100 Hz). No entanto, o set-up pneumático da Clínica Mayo induziu um maior deslocamento no fantoma do que o actuador piezoeléctrico para frequências entre os 30 e os 50 Hz. Estes resultados comprovaram a consistência e reprodutibilidade do actuador piezoeléctrico, bem como a sua precisão e controlo para altas frequências. O actuador pneumático desenvolvido no WBIC provou ter pouca potência e induziu um pequeno deslocamento no material comparativamente com os outros actuadores. Contudo, este sistema é de fácil aplicação e introdução no ambiente e na sala de Ressonância Magnética, a custo reduzido. O módulo de elasticidade para um fantoma de gelatina, para o fígado e para o cérebro, foi também calculado através de MRE, quer com o actuador piezoeléctrico quer com o actuador pneumático desenvolvido no WBIC. Concluiu-se que, apesar das desvantagens do actuador pneumático desenvolvido no WBIC, obtiveram-se valores de elasticidade, com este actuador, consistentes e na mesma ordem de grandeza que os valores obtidos com o actuador piezoeléctrico. A literatura de MRE apresenta contradições em diversos estudos, sendo indicados diferentes valores do módulo da elasticidade para o mesmo tecido. Esta incongruência é em parte devida à grande variedade de parâmetros que influencia os resultados de MRE e às condicionantes e limitações do hardware. Desta forma, torna-se essencial a utilização de métodos de validação desta nova modalidade de diagnóstico médico. Neste projecto, foram utilizados modelos de elementos finitos (FEM, do inglês “Finite Element Modelling”) e foi efectuada uma análise dinâmica da elasticidade (DST, do inglês “Dynamic Shear Testing”) de modo a validar os resultados obtidos experimentalmente pela MRE. Identificaram-se dois tipos de parâmetros que influenciam os resultados de MRE: os parâmetros puramente computacionais e os parâmetros experimentais. A validação através de FEMs foi dividida em dois estudos principais: um primeiro estudo que examinou a influência dos parâmetros puramente computacionais e um segundo estudo que examinou a influência dos parâmetros experimentais nos resultados. Em ambos os estudos, desenvolveram-se modelos simétricos relativamente a um eixo e rectangulares prismáticos que representam uma secção semi-axial de um fantoma de gelatina cilíndrico. A face inferior dos modelos foi restringida na direcção y e aplicou-se uma análise dinâmica transiente. O primeiro estudo de FEMs efectuado teve como principal objectivo estudar a influência dos parâmetros puramente computacionais e tentar eliminar a sua influência nos resultados obtidos pelos FEMs. Neste estudo, as condições de fronteira (BC: do inglês “Boundary Conditions”) e a densidade da malha de elementos finitos foram alterados. Para estudar as BC, foram criados dois modelos com dimensões diferentes (100x10 mm e 100x20 mm) e concluiu-se que o modelo com espessura de 20 mm apresentou resultados mais próximos da curva teórica do comprimento de onda em função do módulo de Young. Para estudar a densidade da malha de elementos finitos, foram também criados dois modelos com elementos de dimensões diferentes (1x1 mm e 2x2 mm). As imagens de propagação da onda, ao longo da direcção x do modelo, e o respectivo perfil de deslocamento ao longo da mesma direcção da face superior do fantoma, revelaram que o modelo com elementos de dimensões 2x2mm não foi capaz de detectar a propagação da onda, ao contrário do que aconteceu com o modelo com elementos de dimensões 1x1 mm. Este estudo comprovou a importância da escolha criteriosa quer das condições de fronteira, quer da densidade da malha na criação de modelos finitos, e mostrou que os resultados sofrem modificações importantes aquando da modificação destes dois parâmetros. As conclusões obtidas neste estudo foram aplicadas no segundo estudo com FEMs de modo a eliminar a influência dos parâmetros computacionais. O segundo estudo de FEMs teve como principal objectivo estudar a influência dos parâmetros experimentais, como por exemplo a densidade do material. Para tal, foram criados modelos com diferentes densidades e módulos de Young. Com este estudo, concluiu-se que a propagação da onda nos tecidos (modelo de FEMs) e o correspondente comprimento de onda variam bastante consoante a densidade dos tecidos. Constatou-se que os resultados obtidos para o modelo com densidade de 1kg/mm3 foram os que mais se aproximaram da curva teórica. Por fim, concluiu-se que a densidade dos tecidos altera grandemente os resultados obtidos. A validação através da DST permitiu comparar os resultados obtidos através de MRE com os resultados obtidos através desta técnica de validação, para amostras de três fantomas de gelatina com diferentes concentrações. A análise dinâmica da elasticidade já provou ser, em estudos anteriores, uma técnica capaz de medir o módulo de elasticidade dos tecidos de forma precisa e viável, apesar das suas limitações na vibração a elevadas frequências (frequências em que a MRE opera). Com ambas as técnicas (MRE e DST), obtiveram-se resultados do módulo da elasticidade com a mesma ordem de magnitude. No entanto, com MRE os valores obtidos foram significativamente mais elevados para os três fantomas de concentração de gel diferente. Este resultado deve-se à dependência de ambas as técnicas, relativamente a factores que dificilmente podem ser controlados, como sejam: a espessura das amostras e a sua não uniformidade no caso da DST; e, no caso da MRE, todos os parâmetros que foram descritos e avaliados ao longo deste projecto como as limitações do hardware e possíveis erros induzidos pelo algoritmo de inversão. Em suma, é importante realçar a importância que este projecto teve no desenvolvimento da técnica de MRE no WBIC. É ainda de salientar que este trabalho representou um passo adicional no caminho da aprovação do projecto de MRE na prática clínica, pelo comité ético do hospital de Addenbrooke’s, e uma contribuição para a aceitação desta técnica como método de diagnóstico em meio clínico.Palpation has been used for centuries to detect changes in elasticity in several body regions. However, this technique is clearly limited to regions that are accessible to physician’s hands. Therefore, over the last decades there has been an attempt to develop methods for imaging tissue stiffness that are not hindered by this limitation, such as Magnetic Resonance Elastography (MRE). MRE is a non-invasive technique that can directly measure propagating strain waves due to harmonic mechanical excitation, hence allowing for the in vivo computation of the shear modulus of tissues. One main issue with MRE is the design of an actuation system that enables adequate mechanical excitation within the magnetic field of the magnetic resonance scanner. Pneumatic, electromagnetic, and piezoelectric actuation systems have been employed for MRE examinations of the brain, and abdominal organs such as the liver. One of the goals of the current project was the comparison between the setup already in use at the host laboratory (based on a piezoelectric actuator, connected to a wave generator and a high voltage amplifier), a custom-made pneumatic device developed from scratch during the project and a commercial pneumatic actuator developed by Mayo-Clinic. The comparison involved motion deflection tests carried out in a gelatine phantom with a commercial accelerometer, and obtaining elasticity maps of the gelatine phantom, liver and brain. It was shown that the piezoelectric actuator is more powerful and enables a higher degree of control than the pneumatic actuator. Despite the disadvantages of the custom-made pneumatic system presented, shear elasticity measurements obtained with this system were consistent with the values for elasticity obtained with the piezoelectric set-up for phantom and liver experiments. Another goal of the project was the validation and reliability test of MRE results using two different methods: Finite Element Modelling (FEM) and Dynamic Shear Testing (DST). In spite of the frequency limitations inherent to the DST technique, it was concluded that DST results can be extrapolated to higher frequencies and compared with experimental MRE. The results obtained with both techniques showed good agreement, confirming the validity of MRE for measuring tissue elasticity parameters. This project was crucial in the development of the MRE technique at the host institution and represents a step further towards the acceptance of this new and promising diagnostic technique in clinical practice

Design and evaluation of an MRI-compatible linear motion stage.

PURPOSE: To develop and evaluate a tool for accurate, reproducible, and programmable motion control of imaging phantoms for use in motion sensitive magnetic resonance imaging (MRI) appli cations. METHODS: In this paper, the authors introduce a compact linear motion stage that is made of nonmagnetic material and is actuated with an ultrasonic motor. The stage can be positioned at arbitrary positions and orientations inside the scanner bore to move, push, or pull arbitrary phantoms. Using optical trackers, measuring microscopes, and navigators, the accuracy of the stage in motion control was evaluated. Also, the effect of the stage on image signal-to-noise ratio (SNR), artifacts, and B0 field homogeneity was evaluated. RESULTS: The error of the stage in reaching fixed positions was 0.025 ± 0.021 mm. In execution of dynamic motion profiles, the worst-case normalized root mean squared error was below 7% (for frequencies below 0.33 Hz). Experiments demonstrated that the stage did not introduce artifacts nor did it degrade the image SNR. The effect of the stage on the B0 field was less than 2 ppm. CONCLUSIONS: The results of the experiments indicate that the proposed system is MRI-compatible and can create reliable and reproducible motion that may be used for validation and assessment of motion related MRI applications

Analysis in magnetic resonance elastography: study and development of image processing techniques

Tese de mestrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012The term “Elastography‖” unifies biomechanics with imaging sciences and was driven by the well-documented effectiveness of palpation as a diagnostic technique for detecting cancer and other diseases. Notoriously, during the last decade Magnetic Resonance Elastography (MRE) has emerged as the most accurate imaging modality to non-invasively assess the rheological properties of tissue. Using a phase-contrast MRI technique together with an external mechanical actuation device, it is possible to detect propagating shear waves inside the human body. Viscoelastic properties can then be extracted by applying inversion methods to the acquired phase data. Due to the richness and significance of the data, and in spite of enduring challenges related to the complexity of the computations involved, MRE attracted strong interest and is now a thriving area of research. The computations necessary to calculate maps of viscoelastic tissue properties are indeed substantial and are generally done on remote computers after completion of experiments. The need for higher flexibility in large scale clinical studies led to the development, in the current project, of an automated toolbox for real time MRE data processing implemented within the scanner environment. The most commonly used direct inversion methods, Algebraic Helmholtz Inversion (AHI) and Local Frequency Estimation, show considerable performance differences under similar initial conditions. Assumptions underlying such algorithms were studied by comparing noise sensitivity and resolution on synthetic, phantom and in vivo brain datasets. Finally, a clinical application of the AHI approach was performed on brain and abdominal data from healthy individuals. The ensuing values of brain viscoelasticity suggest higher stiffness in white matter compared to grey matter. Preliminary results also show a pronounced age-related decrease in brain stiffness and viscosity. The liver, kidney and spleen were assessed with abdominal MRE and the results support a statistically significant higher stiffness in the spleen compared to liver and kidney.A rigidez e viscosidade são das propriedades mecânicas intrínsecas dos tecidos com maior relevância fisiopatológica. Segundo as fontes conhecidas, desde 400 a.C., a palpação tem sido o método mais utilizado como primeira fonte de avaliação médica, de forma a detectar pequenas massas ou tumores em tecidos moles. No entanto, a experiência profissional do médico e a própria localização da massa têm um grande impacto na qualidade do diagnóstico efectuado. Sabendo que o módulo de elasticidade possui uma variabilidade nos tecidos moles superior à de outras propriedades físicas, como a absorção de raios X ou o tempo de relaxamento em ressonância magnética nuclear, e que a ressonância magnética é das técnicas que, até à data, foi capaz de produzir imagens com maior qualidade e resolução espacial, surgiu uma forte motivação para unificar a biomecânica com a imagiologia por ressonância magnética. Deste modo, a Elastografia por Ressonância Magnética (MRE, do inglês “Magnetic Resonance Elastography‖” apareceu em meados dos anos 90 do século passado, permitindo avaliar e medir com um elevado grau de exactidão as propriedades reológicas dos tecidos, de modo não invasivo. Utilizando uma técnica de contraste de fase em MRI, em conjunto com um dispositivo dinâmico de oscilação mecânica, a MRE mostra um potencial muito grande para detectar a propagação de ondas mecânicas no corpo humano, com uma precisão da ordem de grandeza dos mícrons. Posteriormente à aquisição das chamadas “imagens de fase”, o processamento de imagem, através da aplicação de algoritmos de inversão, permite quantificar o comportamento reológico do meio. Esta nova modalidade de diagnóstico deu até hoje lugar a um conjunto de estudos pré-clínicos que permitiram a investigação das condições mecânicas associadas a alterações fisiológicas e patológicas, em tecidos nos quais esta abordagem nunca tinha sido possível. Éntre esses tecidos, é de destacar o caso do cérebro, um órgão onde a palpação ou aplicação de elastrografia convencional, associada a ultrassons, é inviável devido à presença da caixa craniana. Podem-se, assim, enumerar alguns estudos empreendidos com esta técnica até hoje, de inquestionável impacto científico e clínico: a fibrose hepática, o envelhecimento do cérebro, a esclerose múltipla, a hidrocefalia e os tumores cerebrais. Uma das áreas que actualmente atrai maior interesse consiste na correcta quantificação da viscoelasticidade a partir dos dados adquiridos no scanner. Tendo como base premissas diferentes, muitos algoritmos foram propostos para inverter a equação de ondas, calculando parâmetros relevantes a partir da simples propagação das ondas nos tecidos. Os métodos mais intuitivos designam-se por métodos directos, sendo os mais comuns a Inversão Algébrica da equação de Helmholtz (AHI, do inglês “Algebraic Helmholtz Inversion‖” e a Estimação da Frequência Local (LFE, do inglês “Local Frequency Estimation‖”. O primeiro tem por base uma origem matemática, realizando a inversão local em cada ponto da matriz da imagem segundo a equação de Helmholtz. A técnica de LFE, por outro lado, resolve o problema através de métodos de processamento, onde a aplicação de uma cadeia de filtros permite extrair a frequência espacial local das ondas de shear, estando esta relacionada com o módulo da elasticidade através de uma simples relação algébrica. Neste contexto, a tese apresentada prende-se com os métodos de análise de imagem em MRE, nomeadamente tanto no estudo como no desenvolvimento de técnicas que permitem uma avaliação das propriedades dinâmicas do meio, com precisão, exactidão e flexibilidade. Um dos problemas da baixa aplicabilidade da técnica de MRE a grandes estudos clínicos é, de facto, a falta de flexibilidade na obtenção de mapas de elasticidade. O volume de cálculos necessários para a construção desses mapas é muito grande, e por isso esses cálculos são geralmente efectuados em computadores independentes, depois de terminada a etapa da aquisição dos dados. Desta forma, o primeiro projecto consistiu no desenvolvimento de uma toolbox que permitisse o processamento de imagem em tempo real, embutido no proprio scanner. Assim, aquando da aquisição de uma experiência de elastografia, será possível obter não só a disposição espacial e intensidade da propagação das ondas mecânicas, mas também um mapa adicional correspondente à elasticidade do tecido, directamente na sala de controlo. Para este efeito, foi desenvolvido um algoritmo de reconstrução codificado num ambiente compatível com o sistema de computação de scanners da Siemens. Depois de várias fases de avaliação, desenvolvimento, debugging e validação do algoritmo, tanto offline como inline em simuladores, foram realizados testes no próprio scanner em fantomas e no cérebro de um voluntário saudável, utilizando várias frequências de oscilação. Desta forma, pôde-se verificar o sucesso global da toolbox implementada. Ainda assim, será necessária uma fase de optimização no sentido de criar uma toolbox de uso mais familiar e melhorar o algoritmo em si, corrigindo alguns problemas da versão actual. Os dois algoritmos de reconstrução mais utilizados a nível clínico, AHI e LFE, anteriormente apresentados e contextualizados, revelam um desempenho surpreendentemente diferente, sob condições iniciais idênticas e não obstante os princípios físicos subjacentes serem semelhantes. Estas inconsistências reflectem-se numa vasta gama de valores para o módulo de elasticidade verificados na literatura. Por conseguinte, foi efectuado um estudo para testar a qualidade das reconstruções em termos de sensibilidade, resolução espacial e eficácia na reconstrução em fantomas gerados sinteticamente, onde ruído, atenuação, ondas de compressão e padrões de interferência foram adicionados a uma equação de ondas básica. Para avaliar o desempenho dos algoritmos em dados de MRE extraídos do scanner, utilizaram-se jogos de dados obtidos com fantomas de gel sem e com inclusões de elasticidade dissemelhante entre regiões, assim como dados cerebrais de indivíduos saudáveis. Em geral, os resultados demonstram que o método LFE é mais eficaz em condições ideais, mas carece de precisão na análise de imagens sintéticas com artefactos tal como em dados reais. Isto é devido essencialmente a uma filtragem excessiva, assim como ao facto de o algoritmo não considerar a atenuação como uma premissa do modelo. Pelo contrário, os mapas obtidos pelo método AHI são mais nítidos mas são altamente susceptíveis a ruído. Mais se concluiu, que certas metodologias que antecedem a inversão são de extrema importância, destacando-se o processo de filtragem espacial. Finalmente, a medição das propriedades físicas dos fantomas através de reometria convencional permitiu verificar uma disparidade nas duas técnicas, podendo levar à conclusão de que as reconstruções obtidas em MRE são sobrestimadas. No entanto, deve ser efectuada uma análise mais profunda em condições experimentais tão idênticas quanto possível, para que se possam confirmar estes efeitos. O método AHI foi escolhido para estudar o cérebro de nove indivíduos saudáveis com idades compreendidas entre os 19 e os 62 anos. Neste estudo foram identificadas diferenças significativas, tanto na elasticidade como na viscosidade da matéria branca e cinzenta em todos os indivíduos, constatando-se que a última é a menos rígida. Além disso, um modelo linear regressivo foi ajustado aos valores obtidos com o método AHI tendo em conta a idade do sujeito, de forma a verificar tendências relativas esta variável.Resultados preliminares evidenciam uma distribuição linear com um declive negativo indicativo de um decréscimo pronunciado da elasticidade do tecido cerebral com a idade: a percentagem de decréscimo anual previsto foi de 0,75%. Apesar de não ser estatisticamente significativo, foram ainda identificadas pequenas diferenças nas taxas de decréscimo da elasticidade e viscosidade da matéria branca e cinzenta. No entanto, os resultados obtidos fazem parte de um estudo em curso e, como tal, será necessário testar um amostra superior para confirmar os resultados mencionados, assim como métodos mais sofisticados para analisar os dados. Por fim, realizou-se um estudo sobre as propriedades viscoelásticas de tecidos do abdómen. Sendo a sequência utilizada baseada em “Echo Planar Imaging” (EPI), as inomogeneidades do campo magnético e artefactos de ghosting são mais pronunciados na aquisição de imagem em tecidos moles no abdómen. Foi necessário assim, numa primeira fase, optimizar o protocolo de aquisição: o uso de bandas de saturação para suprimir o tecido adiposo, ajustes no “Field of View”, o uso de técnicas de shimming e aquisição de imagem apenas durante apneia expiratória. O dispositivo que permite a distribuição de propagação das ondas nos tecidos também foi explorado, de forma a obter uma propagação uniforme com elevada amplitude ao longo da totalidade do corte. A aquisição de dados de cinco voluntários saudáveis permitiu avaliar três tecidos com níveis de elasticidade distintos: o fígado, os rins e o baço. As principais conclusões retiradas indicam que o fígado e rins apresentam uma elasticidade menor que o baço, sob o modelo linear de tensão-deformação no qual se baseia o método AHI. Ainda assim, todo o processo de optimização está longe de se dar por concluído, pretendendo-se obter uma reprodutibilidade entre experiências com um protocolo de implementação expedito para ser possível aumentar a quantidade de dados e fazer uma análise estatística com um nível de confiança superior. Em conclusão, a técnica de MRE mostra um enorme potencial para detectar alterações na elasticidade dos tecidos através de pequenas deformações periódicas induzidas durante a aquisição de imagem numa ressonância magnética. A tese apresentada aborda pontos importantes relativos à fase do processamento e análise de dados, contribuindo para a evolução da MRE no sentido da aceitação desta técnica em ambiente clínico. Soluções concretas para uma análise rápida a tempo real foram dadas através do desenvolvimento da toolbox. Numa outra perspectiva, foram estudados nesta tese aspectos técnicos relevantes relativos aos algoritmos de inversão, críticos para a obtenção de um processamento profundo e correcto dos dados obtidos. Por fim, os trabalhos desta tese resultaram na identificação e reconhecimento de diferenças entre a viscoelasticidade dos tecidos, medida in vivo, a um nível pré-clínico, deixa em aberto todo um conjunto de ideias para estudos inovadores na área da biomecânica aplicada ao ser humano em conjunção com imagiologia

Neurological Disease Diagnosis and Treatment via Precise Robotic Intervention

This work focuses on the development and application of mechatronic systems for measurement, diagnosis and treatment of acute and chronic neurological conditions. The development of an automated tendon reflex stimulation device, as well as analysis and classification methods for both automated and manual stimulus delivery will provide the groundwork for improvements to both diagnosis and treatment of neurological injuries. In a similar vein, development of a variable resonance actuator for Magnetic Resonance Elastography imaging enables tissue property measurement of the intervertebral discs, hopefully providing an early marker and better understanding of degeneration. In addition to MRI based spinal tissue property measurements, an MRI guided high precision robot is developed for direct injection into the spinal cord, along with an accompanying image guided control scheme. The novel parallel plane mechanism enables control of 4 degrees of freedom, while the linear piezoelectric actuators in a direct drive configuration enables superior accuracy. Taken together, these robotic device developments constitute contributions to the field of precision medical robotics with applications to physiological understanding of the human body.Ph.D

Medical robots for MRI guided diagnosis and therapy

Magnetic Resonance Imaging (MRI) provides the capability of imaging tissue with fine resolution and superior soft tissue contrast, when compared with conventional ultrasound and CT imaging, which makes it an important tool for clinicians to perform more accurate diagnosis and image guided therapy. Medical robotic devices combining the high resolution anatomical images with real-time navigation, are ideal for precise and repeatable interventions. Despite these advantages, the MR environment imposes constraints on mechatronic devices operating within it. This thesis presents a study on the design and development of robotic systems for particular MR interventions, in which the issue of testing the MR compatibility of mechatronic components, actuation control, kinematics and workspace analysis, and mechanical and electrical design of the robot have been investigated. Two types of robotic systems have therefore been developed and evaluated along the above aspects. (i) A device for MR guided transrectal prostate biopsy: The system was designed from components which are proven to be MR compatible, actuated by pneumatic motors and ultrasonic motors, and tracked by optical position sensors and ducial markers. Clinical trials have been performed with the device on three patients, and the results reported have demonstrated its capability to perform needle positioning under MR guidance, with a procedure time of around 40mins and with no compromised image quality, which achieved our system speci cations. (ii) Limb positioning devices to facilitate the magic angle effect for diagnosis of tendinous injuries: Two systems were designed particularly for lower and upper limb positioning, which are actuated and tracked by the similar methods as the first device. A group of volunteers were recruited to conduct tests to verify the functionality of the systems. The results demonstrate the clear enhancement of the image quality with an increase in signal intensity up to 24 times in the tendon tissue caused by the magic angle effect, showing the feasibility of the proposed devices to be applied in clinical diagnosis

QUANTITATIVE ELASTICITY IMAGING AND SOFT TISSUE CHARACTERIZATION USING TAGGED MAGNETIC RESONANCE IMAGING

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Design of a Pneumatic Stepper Motor for MRI Environments

Modern medicine promotes the design and creation of innovative ideas. The goal of this project is to further the research in MRI compatible actuators. The proposed actuator design, known as the Pneumatically Ratcheting Stepper Motor (PRiSM), uses directed pneumatic pressure to generate rotational motion. To confirm the validity of this idea, multiple tests were designed and conducted. These tests show that, at 60psi, the PRiSM can operate open-loop with an angular velocity of 7deg/s, while exerting a torque of 435N/mm. Optimized conditions yielded an overall maximum angular velocity of 178deg/s and an overall maximum torque of 747N/mm

Prevalence of haptic feedback in robot-mediated surgery : a systematic review of literature

© 2017 Springer-Verlag. This is a post-peer-review, pre-copyedit version of an article published in Journal of Robotic Surgery. The final authenticated version is available online at: https://doi.org/10.1007/s11701-017-0763-4With the successful uptake and inclusion of robotic systems in minimally invasive surgery and with the increasing application of robotic surgery (RS) in numerous surgical specialities worldwide, there is now a need to develop and enhance the technology further. One such improvement is the implementation and amalgamation of haptic feedback technology into RS which will permit the operating surgeon on the console to receive haptic information on the type of tissue being operated on. The main advantage of using this is to allow the operating surgeon to feel and control the amount of force applied to different tissues during surgery thus minimising the risk of tissue damage due to both the direct and indirect effects of excessive tissue force or tension being applied during RS. We performed a two-rater systematic review to identify the latest developments and potential avenues of improving technology in the application and implementation of haptic feedback technology to the operating surgeon on the console during RS. This review provides a summary of technological enhancements in RS, considering different stages of work, from proof of concept to cadaver tissue testing, surgery in animals, and finally real implementation in surgical practice. We identify that at the time of this review, while there is a unanimous agreement regarding need for haptic and tactile feedback, there are no solutions or products available that address this need. There is a scope and need for new developments in haptic augmentation for robot-mediated surgery with the aim of improving patient care and robotic surgical technology further.Peer reviewe

Liver Biopsy

Liver biopsy is recommended as the gold standard method to determine diagnosis, fibrosis staging, prognosis and therapeutic indications in patients with chronic liver disease. However, liver biopsy is an invasive procedure with a risk of complications which can be serious. This book provides the management of the complications in liver biopsy. Additionally, this book provides also the references for the new technology of liver biopsy including the non-invasive elastography, imaging methods and blood panels which could be the alternatives to liver biopsy. The non-invasive methods, especially the elastography, which is the new procedure in hot topics, which were frequently reported in these years. In this book, the professionals of elastography show the mechanism, availability and how to use this technology in a clinical field of elastography. The comprehension of elastography could be a great help for better dealing and for understanding of liver biopsy