The Basics of MRI

Capitolo 11

ARTEFATTI



Introduzione

Un artefatto in un'immagine è una qualsiasi caratteristica che appare nell'immagine e che non è presente nell'oggetto esaminato. Nei precedenti capitoli di questo libro si è assunto che l'apparecchiatura di risonanza magnetica fosse perfettamente funzionante in linea con quanto esposto nella teoria. Quando un'apparecchiatura, per un qualche motivo, non si comporta come aspettato, nelle immagini compaiono degli artefatti.

L'artefatto è, talvolta il risultato di un malfunzionamento dell'apparecchiatura, altre volte la conseguenza di processi o proprietà naturali del corpo umano. È importante familiarizzare con la comparsa di artefatti poiché questi possono nascondere o compromettere l'accertamento di una patologia e, di conseguenza, produrre falsi negativi e falsi positivi.

Si conoscono numerosi artefatti generalmente classificati in base alla loro causa. La tabella seguente ne riassume alcuni.

Artefatto Causa
Offset DC e
artefatti da quadratura RF
Guasto nel circuito di rivelazione della radiofrequenza
Rumore RF Malfunzionamento dello schermo RF
Disomogeneità di BoPresenza di oggetti metallici distorcenti il campo magnetico Bo
Gradienti Guasto in un gradiente di campo magnetico
SuscettivitàOggetti nel FOV con una bassa o un'alta suscettività magnetica
Disomogeneità di RF Guasto nella bobina di RF e presenza di metallo nel distretto esaminato
Movimento Movimento dell'oggetto esaminato durante la sequenza
Flusso Movimento di fluidi corporei durante la sequenza
Chemical Shift Elevato valore di Bo e differente chemical shift tra i tessuti
Volume Parziale Grande dimensione del voxel
Ribaltamenti Campo di vista scelto impropriamente
Anelli di GibbsMatrice dell'immagine di piccola dimensione e brusche variazioni di segnale nell'immagine

L'abilità di individuare l'origine di un artefatto è strettamente legata al grado di conoscenza di tutti gli aspetti della tecnica di risonanza magnetica (sequenze, elaborazione del segnale, hardware). Presentiamo di seguito una descrizione e un esempio per ciascun artefatto. Si avvisa il lettore che un problema con l'apparecchio può manifestarsi in numerosi modi. Di conseguenza, non tutti gli artefatti di un stesso tipo si presenteranno allo stesso modo.

Offset DC e artefatti da quadratura RF

È uno dei due possibili artefatti causati da un problema con il circuito di rivelazione della radiofrequenza (RF). Il rivelatore della RF è stato descritto nel Capitolo 9 come rivelatore della quadratura. L'artefatto da offset DC è causato da un offset di tensione in corrente continua (Direct Current o DC) in uno o entrambi gli amplificatori di segnale presenti nel rivelatore. Come visto nel Capitolo 5, la trasformata di Fourier di un offset DC nel dominio del tempo è un picco alla frequenza zero. La trasformata di Fourier di un segnale con un offset DC nel dominio del tempo è dunque la trasformata del segnale con un picco alla frequenza zero. Anche i dati dello spazio-k che hanno un offset DC, quando trasformati secondo Fourier, mostrano lo stesso picco alla frequenza zero. Di conseguenza, troviamo uno spot luminoso esattamente al centro dell'immagine.

Il secondo tipo di artefatto associato con il rivelatore della RF è la comparsa di un'immagine "fantasma". Questo artefatto è causato da uno sbilanciamento nel guadagno dei canali, reale e immaginario, del rivelatore della quadratura. Per far sì che la trasformata di Fourier funzioni propriamente è necessario che i guadagni dei due doubly balanced mixer, dei filtri e degli amplificatori dei due canali, reale e immaginario, del rivelatore della quadratura abbiano la stessa efficienza. Quando questo non si verifica, la FT può avere piccole componenti negative per ogni frequenza presente nel segnale che sono causa della comparsa, diagonalmente nell'immagine, di strutture "fantasma". Riportiamo di seguito un esempio nel caso in cui i segnali differiscono del 50%. Entrambi gli artefatti sono il risultato di un guasto dell'apparecchio e devono essere corretti dal servizio di assistenza tecnica.

Rumore RF

Un artefatto da rumore RF è causato da un malfunzionamento nello schermo della radiofrequenza, il cui scopo è quello di evitare che rumore esterno possa raggiungere il rivelatore. Il modo in cui questo artefatto si manifesta nell'immagine dipende dalla sorgente di rumore ed in quale parte del segnale il rumore ha avuto effetto. Maggiori informazioni sulla sorgente di rumore RF possono essere ottenute effettuando una trasformata di Fourier inversa dell'immagine. Per esempio, la presenza di uno spot luminoso in un qualche punto dell'immagine potrebbe essere causato da una singola frequenza che ha "sporcato" il segnale. La finestra grafica mostra un'immagine con due differenti artefatti da rumore RF rappresentati da linee diagonali e due linee orizzontali segnalate con delle frecce. Per provare a risolvere il problema, prima di chiamare l'assistenza tecnica, controllate che la porta della sala di scansione sia propriamente chiusa.

Disomogeneità di campo magnetico Bo

L'intera procedura di imaging di risonanza magnetica presuppone un campo magnetico Bo omogeneo. Disomogeneità del campo magnetico statico Bo causano immagini distorte. Le distorsioni possono essere spaziali, dell'intensità o di entrambi i tipi. Le distorsioni d'intensità hanno origine quando l'omogeneità di campo in una zona dell'oggetto esaminato è maggiore o minore che nel resto dell'oggetto. Il T2* in questa regione è differente e, di conseguenza, il segnale tenderà ad essere differente. Ad esempio, se l'omogeneità è minore, il T2* sarà più piccolo ed il segnale sarà minore. La distorsione spaziale deriva da gradienti di campo Bo a largo raggio che sono costanti nel tempo. Questi fanno sì che gli spin risuonino ad una frequenza di Larmor diversa da quella prescritta dalla sequenza di imaging.

Per esempio, consideriamo il seguente diagramma che mostra, rispettivamente, un gradiente di campo monodimensionale perfettamente lineare (in nero) ed un gradiente distorto (in rosso). Idealmente, gli spin localizzati in una posizione x dovrebbero risentire di un singolo valore di campo magnetico e risuonare a una singola frequenza. Con un gradiente distorto non vi è più una relazione lineare tra la posizione x e la frequenza ν e poiché nel processo di formazione dell'immagine si assume che la relazione sia lineare, l'immagine acquisita risulta distorta.

La finestra grafica contiene un'immagine di quattro tubi dritti pieni d'acqua posizionati in modo da formare un quadrato. L'immagine acquisita mostra una severa curvatura in uno dei tubi dovuta alla non-uniformità del campo magnetico Bo.

Gradienti

Gli artefatti derivanti da problemi con il sistema dei gradienti sono a volte molto simili a quelli descritti per la disomogeneità di Bo. Un gradiente che non è costante rispetto alla direzione cui agisce distorcerà l'immagine. Questo, tipicamente, può aver luogo se è stata danneggiata una bobina di gradiente. Altri artefatti correlati sono dovuti a correnti anomale che attraversano le bobine di gradiente. Nell'immagine seguente, per esempio, il gradiente di codifica in frequenza (codifica sinistra/destra) è operativo a metà del suo valore atteso.

Suscettività magnetica

Un artefatto da suscettività magnetica è causato dalla presenza di un qualche oggetto nel campo di vista (FOV) con una suscettività magnetica molto alta o molto bassa. La suscettività magnetica di un materiale (detta anche permeabilità magnetica) è una misura della variazione del campo magnetico all'interno del materiale rispetto al campo esterno nel quale il materiale è stato immerso. Materiali diamagnetici esibiscono al loro interno un campo magnetico leggermente inferiore rispetto a quello che verrebbe misurato in assenza dell'oggetto, mentre i materiali paramagnetici esibiscono un campo di poco superiore. I materiali ferromagnetici esibiscono un campo magnetico molto più intenso. L'immagine nella finestra grafica mostra una regione con un campo magnetico omogeneo nel quale è stato posto un oggetto con un'alta suscettività magnetica. Il risultato è che le linee di campo magnetico curvano verso l'interno dell'oggetto. Di conseguenza, il campo sarà più intenso o più debole al variare della posizione intorno all'oggetto. Questa distorsione si ripercuote sul campo magnetico statico Bo, sul campo magnetico a radiofrequenza B1 e sui gradienti di campo. Spesso l'artefatto da suscettività è causato da metalli come il titanio o l'acciaio inossidabile presenti all'interno del corpo. Questi oggetti sono causa di ulteriori artefatti, come quelli da disomogeneità di RF descritti nel paragrafo successivo.

Disomogeneità di RF

Un artefatto da disomogeneità della radiofrequenza si manifesta con una indesiderata variazione di intensità attraverso l'immagine. La causa può essere sia una disuniformità del campo B1 sia una non uniforme sensibilità delle sola bobina ricevente. Alcune bobine di RF, come le bobine di superficie, hanno naturalmente variazioni di sensibilità e mostrano sempre questo artefatto. La finestra grafica mostra l'immagine ottenuta con una bobina di superficie con la sua caratteristica intensità che decade allontanandosi dalla bobina. La presenza di questo artefatto in altre bobine rappresenta il guasto di un elemento nella bobina di RF o la presenza di materiale metallico nell'oggetto esaminato. Ad esempio, un oggetto metallico che impedisce il passaggio della RF attraverso un tessuto comporterà la mancanza di segnale nell'immagine.

La seguente immagine sagittale della testa contiene un artefatto da disomogeneità della RF nella regione della bocca . Il paziente ha degli apparecchi dentali non ferromagnetici. Il metallo scherma le regioni vicino alla bocca dagli impulsi RF producendo così un segnale nullo. Gli apparecchi dentali non comportano invece significative distorsioni del campo magnetico statico Bo a grandi distanze; pertanto, l'immagine del cervello non risulterà significativamente distorta.

Movimento

Gli artefatti da movimento, come dice il nome, sono causati dal movimento dell'oggetto esaminato o di una sua parte durante la sequenza di imaging. Il movimento di tutto l'oggetto durante la sequenza di imaging generalmente comporta l'offuscamento dell'intera immagine da parte di "immagini fantasma" nella direzione di codifica di fase. Il movimento di una piccola porzione dell'oggetto esaminato comporta invece l'offuscamento nell'immagine di quella porzione dell'oggetto.

Per meglio comprendere questo tipo di artefatto, seguiamo il seguente semplice esempio. Viene esaminato un oggetto contenente un singolo spin. La porzione centrale dei dati grezzi della MX sarà del tipo: La frequenza delle onde sarà funzione della posizione nella direzione della codifica in frequenza e la variazione nella fase delle onde sarà funzione della posizione nella direzione di codifica di fase. Trasformando secondo Fourier prima nella direzione della codifica in frequenza si ottiene un singolo picco di oscillazione. Ciò diventa più chiaro visualizzando i dati in funzione della fase. Trasformando secondo Fourier nella direzione della codifica di fase si ottiene un singolo picco in corrispondenza della posizione originaria dell'oggetto.

Ora, immaginate un caso analogo a quello dell'esempio precedente, eccetto per il fatto che nel mezzo dell'acquisizione della codifica di fase l'oggetto si sposti in una nuova localizzazione nella direzione della codifica in frequenza. La porzione centrale dei dati grezzi della MX sarà del tipo. Trasformando secondo Fourier prima nella direzione della frequenza si ottengono come risultato due picchi di oscillazione che bruscamente finiscono di oscillare. Ciò appare più chiaro visualizzando i dati in funzione della fase. Trasformando secondo Fourier nella direzione della codifica di fase si ottengono diversi picchi ripetuti alle due frequenze. Questo è il motivo per cui la coppia di Fourier di una sinusoide troncata bruscamente è una funzione sinc. La rappresentazione del modulo dei dati rende positivi tutti i picchi.

La finestra di animazione mostra un'immagine MRI della testa di un soggetto che, durante l'acquisizione, ha mosso la testa nella direzione superiore-inferiore.

La soluzione per un artefatto da movimento è quella di immobilizzare il paziente o l'oggetto esaminato. Quando l'origine del movimento è dovuta al battere del cuore o al respiro del paziente la soluzione consiste nel sincronizzare la sequenza di imaging al ciclo cardiaco o respiratorio del paziente. Ad esempio, se il movimento è causato dal pulsare di un'arteria, si potrebbe far partire l'acquisizione di codifica di fase ad un tempo stabilito dopo l'onda R del ciclo cardiaco. In tal modo, l'arteria si trova sempre nella stessa posizione. . Una simile sincronizzazione è possibile anche per il ciclo respiratorio. Uno svantaggio di questa tecnica è che la scelta del TR è spesso vincolata dalla frequenza cardiaca o dalla frequenza respiratoria.

Le tecniche di imaging progettate per rimuovere gli artefatti da movimento hanno spesso differenti nomi a seconda del costruttore di apparecchi di risonanza magnetica. Alcuni nomi di sequenze progettate per rimuovere gli artefatti da movimento respiratorio sono, ad esempio, respiratory gating, respiratory compensation e respiratory triggering.

La seguente immagine assiale della testa mostra un artefatto da movimento. Il movimento pulsante di un vaso sanguigno nella parte posteriore della testa è la causa della comparsa di immagini "fantasma".

Flusso

Gli artefatti da flusso sono causati dal fluire del sangue o di altri liquidi nel corpo. Il fluire di un liquido attraverso una fetta può incontrare un impulso RF e poi uscire da quella fetta nel momento in cui viene registrato il segnale. Immaginate il seguente esempio. Stiamo utilizzando una sequenza spin-echo per acquisire l'immagine di una fetta. Di seguito sono mostrati il diagramma temporale e il profilo della fetta. Durante l'impulso a 90° di selezione della fetta, il sangue nella fetta viene ruotato di 90°. Prima che possa essere applicato l'impulso a 180°, il sangue che ha incontrato l'impulso a 90° è uscito dalla fetta. L'impulso di selezione della fetta a 180° ruota gli spin nella fetta di 180°. Tuttavia, il sangue nella fetta ha, magnetizzazione lungo +Z, prima dell'impulso e lungo -Z, dopo l'impulso; esso quindi non produce segnale. Nel momento in cui viene registrato l'echo, la fetta contiene solo il sangue che non ha incontrato impulsi a 90° o 180°. Il risultato è che il vaso sanguigno, che sappiamo contenere un'alta concentrazione di nuclei di idrogeno, non produce segnale.

Mostriamo di seguito la sezione assiale del distretto arti inferiori. Notate che i vasi sanguigni appaiono neri anche se contengono un'elevata percentuale di acqua.

In una sequenza multislice, le fette possono essere posizionate in modo tale che il sangue, che incontra l'impulso a 90° in una fetta, può entrare in un'altra fetta e subire una rotazione di 180°, per poi entrare in una terza fetta e contribuire all'echo. In tal caso il vaso avrà un'alta intensità di segnale. L'effetto è solitamente che alcune fette hanno vasi sanguigni a bassa intensità di segnale e altre vasi sanguigni ad alta intensità di segnale.

Chemical Shift

L'artefatto si manifesta in un'immagine con un'alterata registrazione dei pixel contenenti tessuti con differente chemical shift. L'artefatto più comune è quello relativo a grasso e acqua.

Ricordiamo dal Capitolo 4 la definizione di chemical shift, δ

δ = (ν - νref) / νref  x106

dove ν la frequenza di risonanza del nucleo e νref la frequenza di un nucleo preso come riferimento. La differenza di chemical shift tra due nuclei etichettati come 1 e 2 è

δ2 - δ1 = (ν2 - ν1 ) / νref  x106

che è approssimativamente uguale a

( ν2 - ν1 ) / γBo  x106

Il chemical shift relativo ad acqua e grasso è approssimativamente di 3.5 ppm che, a 1.5 T, corrisponde a una differenza in frequenza di circa 220 Hz. Durante il processo di selezione della fetta c'è un leggero offset tra la localizzazione degli spin del grasso e quelli dell'acqua che sono stati ruotati da un impulso RF. Questa differenza è stata ingigantita in questa animazione. Durante il gradiente di codifica di fase, gli spin del grasso e dell'acqua acquistano fase a differenti velocità. L'effetto è che gli spin del grasso e dell'acqua nello stesso voxel sono codificati come se fossero localizzati in voxel differenti. In questo esempio tutti e nove i voxel hanno un vettore dell'acqua rossa. Il voxel centrale ha una magnetizzazione relativa al grasso in aggiunta a quella dell'acqua. In un campo magnetico uniforme ciascun vettore ha un moto di precessione alla propria frequenza di Larmor. Quando viene applicato un gradiente di campo magnetico, come il gradiente di codifica di fase, gli spin a differenti posizioni x hanno un moto di precessione ad una frequenza dipendente dalla loro frequenza di Larmor e dall'intensità di campo. In questo esempio il vettore del grasso ha la stessa frequenza del vettore dell'acqua nel voxel alla sua destra. Quando viene spento il gradiente di codifica di fase ogni vettore ha acquisito un'unica fase dipendente dalla sua posizione x. Durante il gradiente di codifica di fase, gli spin del grasso e dell'acqua, localizzati nello stesso voxel, hanno moti di precessione a frequenze che differiscono di 3.5 ppm. L'effetto risultante è che acqua e grasso localizzati nello stesso voxel sono codificati come se fossero localizzati in voxel differenti. In questo esempio il vettore del grasso nel voxel centrale possiede una fase ed una frequenza di precessione come se fosse localizzato nel voxel subito alla sua destra. L'immagine risultante colloca il grasso nel voxel subito alla destra piuttosto che al centro. Anche se la fase è differente, il grasso non è codificato come un voxel appartenente a una differente direzione di codifica della fase. Quello che conta nella codifica di fase è la differenza in fase tra i diversi passi di codifica e questa non risulta cambiata.

L'entità dell'effetto è proporzionale alla intensità del campo Bo e inversamente proporzionale alla frequenza di campionamento nella direzione della codifica in frequenza.

Il chemical shift in unità di campo di vista è pari a:

δ γ Bo FOV / fs
in pixel
δ γ Bo NPTSf / fs

dove NPTSf è il numero di pixel nella direzione del gradiente di codifica in frequenza. Per una frequenza di campionamento costante, più è intenso il campo magnetico Bo, più marcati sono gli artefatti. Per un'intensità di campo di 1.5 T e una frequenza di campionamento di 16 kHz, l'effetto è di 3.58 pixel. Alla stessa frequenza di campionamento, ma per un'intensità di campo di 3.0 T, l'effetto è di 7.15 pixel. Una delle ragioni per cui si utilizzano frequenze di campionamento alte è per minimizzare l'effetto di chemical shift. Mostriamo di seguito una sezione assiale delle gambe con un artefatto da chemical shift tra grasso e muscolo.

Volume Parziale

In generale, il termine artefatto da volume parziale descrive un artefatto che ha luogo quando la dimensione del voxel dell'immagine è maggiore della dimensione del dettaglio che si vuole visualizzare. Per esempio, se un voxel di piccola dimensione contiene soltanto il segnale di acqua o grasso e un voxel di dimensione maggiore contiene una combinazione dei due, il voxel più grande avrà un'intensità di segnale uguale alla media pesata della quantità di acqua e di grasso presenti nel voxel.

Un'altra manifestazione di questo tipo di artefatto è la perdita di risoluzione dovuta a più dettagli presenti nel voxel dell'immagine. Per esempio, un piccolo vaso passante diagonalmente attraverso una fetta potrebbe apparire nitido in una fetta spessa 3 mm, ma distorto e sfocato in una fetta di 5 mm o 10 mm di spessore.

Di seguito proponiamo un confronto tra due fette assiali della stessa sezione della testa. Una è acquisita con uno spessore di fetta di 3 mm e l'altra con uno spessore di 10 mm. Notate la perdita di risoluzione nell'immagine di 10 mm di spessore. La soluzione ad un artefatto da volume parziale è nella scelta di un voxel più piccolo, anche se ciò può portare ad un peggioramento del rapporto segnale-rumore nell'immagine.

Ribaltamenti

Un artefatto da ribaltamento è la presenza nell'immagine di una parte della regione anatomica esaminata che si trova al di fuori del campo di vista. Per esempio, nell'acquisizione di un'immagine della testa, parte del naso potrebbe trovarsi al di fuori del campo di vista. Nell'immagine, però, il naso apparirà, ma nella parte posteriore della testa. In questo tipo di artefatti, porzioni dell'oggetto esaminato localizzate fuori il campo di vista appaiono nella parte opposta dell'immagine, come se si stendesse l'immagine su un cilindro.

Quest'artefatto ha origine quando l'oggetto esaminato non è interamente contenuto nel campo di vista selezionato, o più precisamente, quando la frequenza di campionamento è minore dell'intervallo di frequenze contenute nell'echo. L'origine del problema è stata presentata nel Capitolo 5. La soluzione all'artefatto da ribaltamento è scegliere un campo di vista più ampio, sistemare l'oggetto al centro del campo di vista, o selezionare una bobina di imaging che non ecciti o riveli gli spin dei tessuti al di fuori del campo di vista selezionato.

Le seguenti immagini sagittali della testa e della mammella mostrano degli artefatti da ribaltamento. Nell'immagine della testa, il naso si estendeva oltre il limite sinistro del campo di vista e la sua immagine è stata ribaltata comparendo nel lato destro dell'immagine. In termini di frequenza e digitalizzazione, il naso si trova in una posizione che ha una frequenza di risonanza maggiore di quella di digitalizzazione e, di conseguenza, è stata ribaltata. Nell'immagine sagittale della mammella la porzione di immagine sotto la freccia dovrebbe apparire nella parte superiore dell'immagine. Questa porzione si trova in una posizione cha ha una frequenza di risonanza maggiore di quella di digitalizzazione e di conseguenza viene ribaltata.

Molti dei moderni apparecchi utilizzano una combinazione di sovracampionamento, filtraggio digitale e decimazione dei dati per annullare l'artefatto da ribaltamento nella direzione della codifica in frequenza (questo punto è già discusso in una sezione del Capitolo relativo all' hardware). L'artefatto da ribaltamento lungo la direzione della codifica di fase può essere minimizzato usando l'opzione no phase wrap che applica agli spin localizzati fuori dal campo di vista, nella direzione della codifica di fase, un impulso di saturazione.

Anelli di Gibbs

Gli anelli di Gibbs consistono in una serie di linee parallele ad un contorno iperintenso in un'immagine. L'effetto è causato da una incompleta digitalizzazione dell'echo. In altre parole, il segnale non decade a zero entro la fine della finestra di acquisizione e l'echo non viene completamente digitalizzato. Questo artefatto è visibile quando viene utilizzata una matrice di acquisizione di piccole dimensioni. In una acquisizione con una matrice di dimensione 512x128, l'artefatto risulta dunque più pronunciato nella dimensione dei 128 punti.

Nell'esempio che segue, viene esaminato un oggetto rettangolare con un segnale spazialmente uniforme. Viene raccolto un numero di punti inadeguato nella direzione orizzontale (x). L'immagine risultante mostra degli artefatti ad anello in intensità ai bordi. La finestra grafica riporta l'angolo in alto a destra di quest'immagine e un grafico dell'intensità di segnale. L'utilizzo di una matrice di acquisizione di dimensione maggiore dovrebbe risolvere l'artefatto.


Esercizi

  1. Che tipo di dati grezzi (o dello spazio-k) porterebbe alla produzione delle bande in diagonale (e non di quelle in orizzontale segnalate dalle frecce) visibili in questa immagine?

  2. Un'immagine viene raccolta con i seguenti parametri di acquisizione: spessore = 5 mm, matrice = 256x128 pixel, FOV = 20 cm. Qual è la dimensione del voxel in quest'immagine? Quale direzione ha la migliore risoluzione?

  3. Un'immagine viene acquisita con i seguenti parametri: Matrice = 256x256 pixel, FOV = 20 cm, frequenza di campionamento nella direzione della codifica in frequenza = 15.625 kHz. Qual è la misura in pixel dell'artefatto da chemical-shift?

  4. Perché i vasi sanguigni sono tipicamente scuri nelle immagini spin-echo single-slice e a volte scuri, altre volte chiari, nelle immagini spin-echo multi-slice?


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