Advanced brain imaging: from adult to neonates

Tese de mestrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013Com o crescente aumento das intensidades de campo magnético e performance dos gradientes em ressonância magnética (RM), novas técnicas de imagiologia médica têm surgido que apresentam novos contrastes entre diferentes tecidos. No entanto, este tipo de imagens são desenvolvidas e optimizadas para o cérebro adulto que se sabe ter tempos de relaxação diferentes daqueles presentes no cérebro de um recém-nascido. Esta diferença é inerente ao alto teor em água presente no cérebro de um recém-nascido. O principal objectivo deste projecto é então proceder à otimização de técnicas avançadas de RM como susceptibilidade magnética (SWI) e de quantificação dos tempo de relaxação (DESPOT1 e DESPOT2) para o cérebro de recém-nascidos. O sinal de RM é medido sob a forma de um número complexo caracterizado por uma intensidade e uma fase. Normalmente em RM, o sinal de fase é ignorado e apenas a intensidade do sinal é utilizada para proceder à reconstrução das imagens. No entanto, a fase do sinal complexo è extremamente rica em informação relativa às diferenças de susceptibilidade entre tecidos diferentes, sendo por isso bastante útil para realçar este tipo de contraste. Uma das questões que dificulta a utilização das imagens de fase é o facto de apenas poderem registar valores no intervalo de [-π; π) o que resulta no mapeamento de valores que caiam fora desse intervalo para o seu interior. Uma vez que a informação de interesse nas imagens de fase corresponde a estruturas de pequena dimensão, caracterizadas por frequências elevadas no espaço de Fourier, SWI consiste na utilização de imagens de fase sujeitas a um filtro passa-alto simples (janela rectangular. Tal permite extraír a informação de interesse, que posteriormente é utilizada para realçar contraste de susceptibilidade em imagens de intensidade. Este mapeamento da informação de susceptibilidade na imagem de intensidade é realizado através da multiplicação da mesma por uma máscara extraída da imagem de fase filtrada para as baixas frequências. Isto tem um particular interesse para a visualização do sistema vascular venoso uma vez que diferenças de susceptibilidade entre sangue venoso e os tecidos envolventes permitem identificar estruturas venosas mesmo em vasos com dimensões inferiores à resolução de aquisição. Isto é possível graças às propriedades paramagnéticas da deoxiihemoglobina presente no sangue venoso. Neste trabalho o protocolo normalmente utilizado para SWI foi adaptado e implementado à realidade dos recém-nascidos. Ao mesmo tempo foi também desenvolvida uma interface gráfica de modo a facilitar o processamento e construção de imagens ponderadas em susceptibilidade. Este processamento foi desenvolvido integrando a FSL-FMRIB Software Library 5.0 juntamente com MatLab2012a. A interface gráfica foi desenvolvida em ambiente de programação MatLab2012a com o auxílio da ferramenta guide. Uma pequena discussão sobre o efeito da dimensão do voxel de aquisição também é incluída neste trabalho. É pratica comum os voxeis das imagens de SWI serem adquiridos com um quociente entre a resolução do plano de visualização e a espessura dos cortes (AR, do inglês voxel aspect ratio) apresentar valores entre 2 e 4. No entanto, este tipo de aquisição induz uma excelente visualização apenas para um dos (normalmente o plano transversal) e uma muito má visualização nos restantes planos. Com isto em mente, resolveu-se também neste projecto, propor a utilização de um voxel de aquisição isotrópico em detrimento do que é prática comum na literatura. Espera-se que este tipo de aquisição isotrópica reduza um pouco o contraste de susceptibilidade obtido, no entanto após inspeção visual de algumas imagens obtidas em voluntários decidimos que o ganho em informação nos dois restantes planos de visualização ortogonais justificaria essa pequena perda de contraste. Este facto não foi no entanto devidamente avaliado e mais estudos seriam necessários para uma correcta avaliação desta característica. Na segunda parte do projecto apresentado nesta tese, foi implementada uma técnica de quantificação em RM conhecida por \Driven Equilibrium Single Pulse Observation of T1 and T2 - DESPOT1 e DESPOT2". Esta técnica (neste trabalho referida como DESPOT) permite de forma bastante rápida estimar T1 e T2. Mais uma vez, devido ao facto de o cérebro de recém-nascidos ter um conteúdo superior em água relativamente ao cérebro adulto, uma adaptação deve ser feita de modo a garantir a qualidade das imagens obtidas. Esta técnica consiste na utilização de sequências de RM conhecidas como Steady-State Free Precession (SSFP) e Spoiled Gradient Echo (SPGR) para obter imagens mantendo todos os parâmetros constantes, ao mesmo tempo que se variam os Flip Angles (FA). Isto permite ajustar um modelo matemático que melhor explique as medições realizadas de modo a estimar os tempos de relaxação T1 e T2. Para garantir a precisão da estimação dos parâmetros T1 e T2, simulações de Monte Carlo foram criadas onde se verificou que, usando a ferramenta de MatLab2012a fminsearch, como algoritmo de otimização é possível obter uma precisão de estimação (quociente entre variância de estimação e o quadrado do valor correcto) de aproximadamente 5% relativamente ao valor correcto. Uma avaliação da capacidade de estimar T1 e T2 foi realizada com modelos matemáticos de um e dois compartimentos que procuram explicar o sinal de RM medido em DESPOT. O modelo de dois compartimentos foi publicado por Deoni et al. em 2008, onde foi sugerido que é possível estimar as fracções relativas de cada um dos compartimentos em cada voxel medido. No entanto, os resultados obtidos para o modelo de dois compartimentos não foram satisfatórios. Foi decidido que uma avaliação mais profunda e tentativa de resolução deste problema saía fora dos objectivos do projecto. O Crámer-Rao lower bound (CRLB) (em português limite inferior de Crámer-Rao), é uma ferramenta estatística que permite estimar qual a variância mínima alcançável aquando da estimação de parâmetros com base no ajuste de um modelo matemático a um conjunto de medições. De modo a finalizar o trabalho apresentado nesta tese, proposémo-nos a utilizar a minimização do CRLB para seleccionar o conjunto de FA que permite estimar T1 e T2 com melhor precisão. Em primeiro lugar mostramos que a variância prevista pelo CRLB se encontra em concordância com a variância obtida com as simulações de Monte Carlo. Isto permite confirmar a viabilidade da utilização do CRLB para optimizar o protocolo de estimação de T1 e T2. Para tal, foi desenvolvida uma função de custo utilizando o CRLB para optimizar o conjunto de FA que minimiza e garante a melhor precisão considerando de uma matriz de combinações de T1 e T2. A função de custo consiste em minimizar o maior valor de precisão (definida como o quociente entre a variância e o quadrado do valor correcto para o parâmetro) é calculada numa grelha de combinações de parâmetros T1 e T2, garantindo assim, que a cada iteração do processo de otimização o pior cenário era minimizado. Os resultados obtidos permitiram concluir que é possível optimizar o protocolo de DESPOT garantindo uma precisão mínima num grelha de combinações de diferentes T1 e T2. Foi também possível concluir que se pode reduzir significativamente o número de medições necessárias para a estimação sem aumentar significativamente a precisão desta. Este facto é de extrema importância para obter imagens de RM em recém-nascidos onde é necessário reduzir o tanto quanto possível os tempos de aquisição de modo evitar artefactos de movimento. Ambas as vertentes (SWI e DESPOT) deste projecto foram avaliadas pela equipa técnica e estão aptas a serem incorporadas em ambiente clínico permitindo o desenvolvimento de futuros projectos nestas áreas.With recent increase of clinical MR field strength and gradient performance, advanced imaging techniques have been proposed that allow new types of contrast and tissue parameter quantification. However this advanced techniques are typically optimized to the adult brain which is known to have different relaxation times T1 and T2 relative to the neonatal brain because of its higher water content. The main purpose of this work is to optimize advanced imaging techniques such as susceptibility weighted imaging (SWI) and driven equilibrium single pulse observation of T1 and T2 (DESPOT1 and DESPOT2) in order to be applied to the neonatal brain. In this work, a neonatal SWI protocol was developed by adapting a gold standard adult protocol presented in the literature. Also a graphical user interface was developed in order to provide an easy tool to reconstruct susceptibility weighted images. Single compartment and multi-compartment DESPOT estimation precision was estimated from both a Monte Carlo (MC) and Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) approaches. CRLB is a statistical tool that allows us to estimate the minimum possible variance that can be obtained when estimating parameters of a mathematical model given a set of independent noisy measurements. Furthermore, the CRLB was used as a tool to optimize the DESPOT protocol regarding both precision and acquisition time. In this work a neonatal SWI protocol is proposed. Also we show that the CRLB can be used to optimize the DESPOT1 and DESPOT2 acquisition scheme and that the number of measurements usually made can be reduced without significantly compromising parameter estimation

Characterisation of microbial attack on archaeological bone

As part of an EU funded project to investigate the factors influencing bone preservation in the archaeological record, more than 250 bones from 41 archaeological sites in five countries spanning four climatic regions were studied for diagenetic alteration. Sites were selected to cover a range of environmental conditions and archaeological contexts. Microscopic and physical (mercury intrusion porosimetry) analyses of these bones revealed that the majority (68%) had suffered microbial attack. Furthermore, significant differences were found between animal and human bone in both the state of preservation and the type of microbial attack present. These differences in preservation might result from differences in early taphonomy of the bones. © 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved