Développement d'un logiciel d'acquisition et de traitement pour l'imagerie spirale
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J. Chim. Phys. (1999) 96, 1511-1518
© EOP Sciences, Les Wis
Développement d'un logiciel d'acquisition
et de traitement pour l'imagerie spirale
1 2 1
J. Voiron *, D. Wecker et D. Grucker
' IPB, ULP/UPRES-A 7004 du CNRS, 4 rue Kirschléger, 67085 Strasbourg cedex, France
2
Bruker Medical GmbH, Rudolf Plank Str 23, 76275 Ettlingen, Germany
" Correspondance et tirês-à-part.
RÉSUMÉ
L'imagerie spirale par sa faible sensibilité aux artefacts de flux et de mouvement
est la technique de choix pour l'imagerie de flux et pour l'imagerie fonctionnelle. Un
logiciel a été développé, qui gère la modélisation de la forme des gradients,
l'acquisition (intégrée au logiciel d'exploitation du système), la reconstruction des
images ainsi que les corrections des trajectoires d'échantillonnage et des
inhomogénéités du champ magnétique. Sa facilité d'utilisation en fait un outil adapté
aux applications médicales.
Mots clés : imagerie spirale, imagerie rapide, reconstruction d'image.
ABSTRACT
Due to its little sensitivity to motion or flow-induced errors, spiral imaging is an
excellent technique for flow imaging or functional imaging. A software allowing to
optimize the acquisition and processing parameters has been designed. It makes the
implementation of spiral imaging easier and is well-adapted to medical applications.
Keywords : spiral imaging, fast imaging, image reconstruction.J. Voiron et al. INTRODUCTION L'imagerie spirale est une technique d'imagerie rapide, basée sur l'échantiiiomage en spirale de l'espace réciproque des basses kéquences vers les hautes fréquences spatiales. Ce type d'échantillonnage nécessite des amplitudes de gradient plus élevées que pour les acquisitions de type « echo planar )@PI), qui réalisent une exploration oblique de l'espace réciproque par application d'un gradient de codage de phase continu. Néanmoins contrairement aux techniques « echo planar », l'échantillonnage en spirale permet de rephaser périodiquement tous les moments de gradient, rendant l'acquisition des images relativement insensible aux artefacts de flux et de mouvement. Cette particularité revêt toute son importance pour les applications d'imagerie fonctionnelle ou des flux sanguins. Cette technique fournit également une résolution plus isotrope que la plupart des techniques EPI, en raison d'une pondération circulaire en T, ou Ti. Enfin l'élimination des commutations brutales des gradients permet d'atténuer les courants induits. L'inconvénient majeur de l'imagerie spirale réside dans sa structure relativement complexe qui nécessite plusieurs étapes intermédiaires avant l'obtention de l'image : génération de gradients appropriés, reconstruction spécifique via un algorithme de « gridding », correction indispensable des trajectoires de gradient et des inhomogénéités du champ magnétique. L'optimisation de toutes ces étapes nécessite des mises au point longues et délicates. Nous avons développé un logiciel qui permet de faire l'ensemble de ces réglages de façon efficace, rationnelle et interactive. Plus qu'un gain de temps, ce programme permet a un utilisateur de maîtriser les paramètres responsables de la qualité de l'image spirale, en fonction des objectifs poursuivis. Ce logiciel que nous avons nommé SIAPS pour Spiral Imaging Acquisition and Processing Software intègre toutes les étapes de pré et post acquisition. CONCEPTION ET FONCTIONNEMENT DE « SIAPS n Ce logiciel a été conçu sur une station Silicon Graphics. Les modules de traitement
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ont été écrits en langage C et I'interfaçage a été réalisé en langage TclTk. Les
protocoles d'acquisition gérés à partir du logiciel SIAPS ont été intégrés dans le
logiciel Paravision de Bruker.
Modélisation des formes de gradient
La modélisation des formes de gradient qui repose sur le calcul de « la fonction de
transfert)) du système de gradients (équation (l)), permet de tenir compte des
contraintes imposées par l'appareillage [l]. Afin de réduire au maximum la durée
d'acquisition, les trajectoires de gradient sont, dans un premier temps, modélisées de
manière à permettre l'utilisation de la vitesse maximale d'établissement des gradients
(« slew rate ») autorisée par I'alimentation. Dans un second temps lorsque les
gradients ont atteint leur amplitude maximale, ils oscillent à amplitude constante
jusqu'à la fin de l'acquisition. Les valeurs maximales du « slew rate » (Sm,,) et de
l'amplitude des gradients (G,,) caractérisent les limites du système de gradient. Ces
constantes dépendent entre autre de la valeur maximale du pic de tension (V,, ) et du
plateau de courant (I,,) que peut fournir l'alimentation de gradient, ainsi que du
rapport lUL où R et L caractérisent respectivement la résistance et la self inductance
équivalente des bobines et de l'alimentation de gradient. Expérimentalement nous
avons déterminé pour notre scanner S200 Bruker :
S,,=98mT/m/setGm,=30mTIrn.
Mathématiquement, en considérant la fonction de transfert du système de gradient,
les trajectoires sont modélisées par les équations suivantes :
(S = O sinon (G = G,,,)1514 J. Voiron et al. Ce système se ramène à un système d'équations différentielles non linéaires du second ordre résolu à l'aide de la méthode de Runge Kutta du quatrième ordre. Les valeurs de G,, et Sm,, fixent les conditions aux limites de ce système. Le logiciel SIAPS intègre cette procédure de résolution. L'utilisateur gère via un panneau interactif les paramètres d'acquisition tels que champ de vue de l'image, largeur spectrale, résolution, nombre de segments d'acquisition, facteur de sur échantillonnage, qui permettront grâce à cette procédure de générer les gradients spiraux optimisés. Deux modes d'acquisition sont possibles : le mode segmenté d'ordre N (N>l), et le mode « single shot » (N=l). Le mode segmenté consiste à acquérir l'espace réciproque en le fragmentant en N segments de trajectoire, de manière à réduire la durée d'acquisition par segment d'un facteur IR\I par rapport à une acquisition de type single shot ». Cela permet de diminuer la sensibilité de la technique par rapport aux effets d'inhomogénéités du champ magnétique. Ces inhomogénéités de champ se traduisent par des distorsions et des artefacts d'intensité dans les régions soumises à des gradients de champ. Gestion de l'acquisition Les séquences d'acquisition sont intégrées au logiciel d'exploitation du système Bruker nommé Paravision. Elles sont néanmoins gérées depuis SIAPS par l'intermédiaire de commandes Paravision. Ces séquences d'acquisition sont au nombre de 4 : 2 séquences de type écho de gradient et spin écho ainsi qu'une séquence de mesure des trajectoires d'échantillonnage et une pour la réalisation des cartes de champ. Reconstruction des images spirales La reconstruction des données échantillonnées le long de portions spirales consiste en une interpolation de ces données sur une grille cartésienne, préalable à une tiansformation de Fourier inverse. Cette opération d'interpolation est réalisée au
Développement d'un logiciel pour l'imagerie spirale 1515 moyen d'un algorithme de « gridding », initialement développé pour la reconstruction de données en radioastronomie. Un résumé des principales étapes du « gridding » est présenté ci après. Les variations de la densité d'échantillonnage sont comgées en pondérant les données par une fonction de compensation de densité (DCF). Cette fonction apparentée à un filtre multiplicatif permet également de comger les intersections éventuelles de portions de segments. Cette fonction est définie par le déterminant jacobien apparaissant dans l'intégrale de la transformée de Fourier inverse, lors du changement de système de coordonnées a l'issue de l'interpolation [2]. A l'issue de l'opération de filtrage par la DCF, les données sont pondérées en fonction de leur distance respective au centre de la cellule considérée de la grille cartésienne, puis sommées. Le résultat est évalué pour chaque cellule. La pondération est effectuée à l'aide d'une fonction de Kaiser Bessel dont les propriétés s'apparentent le plus à celles d'une fonction à support infini [3]. Les artéfacts de repliements induits dans l'image après la transformation de Fourier inverse, sont ainsi atténués. Au terme de cette étape de convolution, les données sont rééchantillonnées sur une grille cartésienne. L'image est alors reconstruite par application d'une transformée de Fourier inverse sur la matrice cartésienne. Le logiciel SIAPS gère grâce à un panneau interactif, l'ensemble des paramètres de reconstruction précédemment évoqués. Mesure des trajectoires d'échantillonnage Bien qu'optimisées, les trajectoires de gradient présentent un certain nombre d'imperfections par rapport à leurs formes théoriques. Ces imperfections ont pour origine la non linéarité du système de gradient, les courants de Foucault, ainsi que les inhomogénéités du champ magnétique. Si elles ne sont pas prises en considération, elles sont la source d'artefacts intenses dans l'image (figure la). II est donc indispensable de mesurer la trajectoire d'échantillonnage réelle. Cela est réalisé au moyen d'une séquence de type spin écho composée du gradient spiral à calibrer,
1516 J. Voiron et al.
Figure 1 : lmages pondérées T; d'un objet test simulant le cerveau humain (a) Images
reconstruites en utilisant les trajectoires théonques.(b) Images reconstruites en utilisant les
trajectoires mesurées. (c) Images corrigées en utilisant la carte de champ linéaire.
J Chim Phys.Développement d'un logiciel pour l'imagerie spirale 1517 chacun des 2 gradients spiraux étant calibrés indépendamment, précédé d'un gradient de codage de phase [4]. Cette séquence est basée sur le principe suivant : à chaque instant de I'échantillomage, l'aire sous chacun des pas du gradient de codage de phase est égale et opposée à l'intégrale d'une partie du gradient spiral à mesurer. Le signal est donc rephasé à chaque instant et donne naissance à un écho. SIAPS réalise le suivi de la position de chacun des échos engendrés par l'ensemble des pas de codage, ce qui permet d'accéder à la trajectoire d'échantillonnage. Pour ce faire, une procédure détermine pour chacun des pas du gradient de codage de phase, la position du maximum de l'écho formé à chaque instant de l'échantillonnage. La position déterminée devant être la plus précise possible, un ajustement de la forme des échos par un polynôme du second ordre est réalisé. Correction des inhomogénéités de champ magnétique Dans la pratique, les trajectoires d'échantillonnage sont mesurées sur un fantôme homogène. Par conséquent, les inhomogénéités de champ magnétique propres à l'objet à imager subsistent. Dans certain cas, comme lors d'acquisitions de type « single shot >) où effets de shims et de susceptibilités se combinent, ou pour réaliser des images dans des zones de fortes variations de susceptibilité magnétique, il peut être nécessaire de corriger ces inhomogénéités (figure lb). Pour cela SIAPS réalise une carte d'offsets de champ magnétique, basée sur la différence des phases de signaux RMN acquis à l'aide de 2 séquences de type écho de gradient décalées d'une quantité ATE (variation du temps d'écho). Une fonction du type f(x, y) = f, + a x + Dy est alors ajustée par la méthode des moindres carrés sur la carte de champ, de manière à ne prendre en compte que les termes linéaires des inhomogénéités du champ [ 5 ] . En préalable à toute opération d'interpolation, le signal obtenu lors de l'acquisition de l'image est alors démodulé par rapport à l'offset de fréquence centrale f,, alors que les trajectoires mesurées sont modulées par des
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quantités proportionnelles à a et P. Les images corrigées sont présentées sur la figure
lc.
RESULTATS
Les images présentées ici ont été acquises sur un scanner IRM corps entier
Bruker 2T équipé de bobines de gradient permettant d'établir des champs de
30mT/m. Une séquence d'écho de gradient avec un temps d'écho égale à 6 ms a été
utilisée. Une acquisition de type « single shot » d'une durée de 65 ms correspondant à
une résolution 128*128 a été mise en œuvre aussi bien pour l'acquisition de l'image
que pour la réalisation de la carte de champ. Pour la carte de champ, un ATE de 5ms
correspondant à une carte couvrant +100Hz a été choisi.
CONCLUSION
Ce logiciel en raison de sa facilité d'utilisation et de la gamme de réglages
interactifs qu'il propose, en fait un outil bien adapté pour bon nombre d'applications
médicales. En particulier, ce logiciel trouve tout son sens en imagerie fonctionnelle
où il allie la facilité de traitement, aux propriétés inhérentes à l'imagerie spirale et qui
en fait une technique plus robuste aux artéfacts de mouvement que la technique
« echo planar ».
REFERENCES
1 King K. F., Foo T. K., Crawford C. R. (1995) "Proc.,SMR,~" Annual Meeting ,
Nice Acropolis, p.623.
2 Hoge R., Kwan R., Bruce Pike G. (1996) "Proc., S M R , ~Annual
'~ Meeting", New
York, p.358.
3 Jackson J. I., Meyer C. H., Nishimura D. G. (1991) IEEE Trans. Med. lm., vol 10,
no 3.
4 Takahashi A., Peters T. (1995) MRM34,446-456.
5 Irarrazabal P., Meyer C. H., Nishimura D. G., Macovski A. (1996) MRM 35 , 278-
282.Vous pouvez aussi lire
