Analisis De Las Relaciones Señal-ruido

M. Noda, E. González, C. Cabal

Centro de Biofísica Médica. Universidad de Oriente. Santiago de Cuba. Cuba; mnoda@infomed.sld.cu

Recibido el 1/02/2009. Aprobado en versión final el 09/07/2009

Sumario. El análisis cuantitativo de los descriptores de calidad en imágenes de resonancia magnética, así como su información

intrínseca, se encuentran afectados por factores físicos e instrumentales. La evaluación de estos factores,

mediante la relación señal-ruido, la relación contraste ruido, el contraste entre tejidos y la no uniformidad de la imagen,

constituye una herramienta de comparación de las imágenes y sus posibilidades, a bajos y altos campos magnéticos. Para

atenuar el efecto de estos factores se aplica una corrección de intensidad del campo de radiofrecuencia. Se estudia el

comportamiento de estos descriptores en ocho equipos de imágenes de resonancia magnética a tres intensidades de campo

magnético, antes y después de aplicada la corrección de intensidad. La correcta aplicación de la corrección de intensidad

mejora el valor de los descriptores, haciendo más comparables sus valores experimentales con el comportamiento

teórico. La metodología empleada permite la comparación entre equipos de diferentes intensidades de campo magnético

y de diferentes fabricantes.

Abstract. The quantitative analysis of quality descriptors in magnetic resonance images, as well as their intrinsic information,

is affected by physical and instrumental factors. The evaluation of these factors by means of the signal-tonoise

ratio, the contrast-to-noise ratio, tissue contrast and non-uniformity of the image, constitutes a comparison tool for

images and their possibilities, at low and high magnetic fields. To attenuate the effect of these factors, a radiofrequency

field intensity correction is applied. The behavior of the aforementioned descriptors is studied in eight magnetic resonance

machines at three magnetic field intensities, before and after having applied the intensity correction. The correct

application of the intensity correction improves the descriptors’ value, making their experimental values more comparable

to the theoretical behavior. The methodology used permits the comparison among equipments of different magnetic

field intensities and different manufacturers.

Palabras clave. Imágenes de resonancia magnética 87.61.-c, descriptores de calidad 87.56.Ce, campo magnético

76.60.Jx.

1 Introducción

Dadas las posibilidades y potencialidades de la resonancia

magnética (RM), el análisis cuantitativo de la información

contenida en las imágenes enriquece el diagnóstico

y facilita la comparación de resultados obtenidos en

condiciones experimentales diferentes: distintos equipos,

varias intensidades de campo magnético (B0), bobinas de

radiofrecuencia (RF) de excitación y recepción con variadas

configuraciones, y secuencias de impulsos disímiles.

El desarrollo de estudios multicéntricos con protocolos

experimentales similares, realizados en equipos diferentes

o a lo largo de periodos de tiempos prolongados

adquiere relevancia en la actualidad. Dos recientes proyectos:

el primero de Wintermark M. y col., establece

Revista Cubana de Física

Calle I No. 302 e/ 15 y 17

Vedado, La Habana. CP 10400

www.fisica.uh.cu/biblioteca/revcubfi/index.htm

RCF vol. 26, No. 2A, 2009. p.

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procedimientos estándar para obtener información comparable

de las imágenes de difusión y perfusión. El segundo

es el proyecto multinacional de Mapeo Cerebral

Humano, con una serie de artículos publicados en Neuroimage,

Evans A.C. y col. se exponen resultados obtenidos

del estudio con imágenes por RM de 500 niños entre

7 días y 17 años de edad, a lo largo de 54 meses en

condiciones experimentales y protocolos de imágenes

semejantes1.

Las relaciones señal-ruido (RSR) y contraste ruido

(RCR), el Contraste relativo entre dos tejidos A y B cualesquiera

(CAB) y la no uniformidad de la imagen (NUI)

son de los descriptores de calidad más importantes que

permiten caracterizar y comparar las instalaciones de

RM2,3. Sus valores son función del B0, debido a su dependencia

de la magnetización longitudinal en equilibrio

(M0), de las inhomogeneidades de B0 y RF y de los

tiempos de relajación espín-retículo (T1) y en menor medida

espín-espín (T2)4. Existen métodos para su estimación

a partir de una imagen de RM2-5. Se reportan estudios

comparativos de la RSR y la RCR a diferentes B0

6,7,

pero no se encuentran referencias del comportamiento

del CAB en función del B0.

Mc. Robbie y col., a partir de un estudio realizado durante

8 años, demuestran como alguno de los descriptores

de calidad de imágenes varía con el tiempo8. Existen

aspectos que dificultan la comparación experimental de

los descriptores a diferentes B0, como son el uso de diferentes

configuraciones electromagnética y geométrica de

bobinas (excitadoras y receptoras), diferencias tecnológicas

entre equipos y la dependencia temporal (a corto y

largo plazo) de los parámetros técnicos de las máquinas

de RM. Por lo que no basta solo con el empleo de protocolos

y condiciones experimentales similares, ya que

tanto los experimentos como los datos obtenidos están

afectados por factores físicos e instrumentales. Cuantificarlos,

clasificar su naturaleza, eliminarlos o compensarlos

es un problema aún no resuelto. La comparación, de

estos factores físicos e instrumentales, entre equipos del

mismo fabricante, de distintos fabricantes o a diferentes

B0 y configuraciones de bobinas de RF distintas, aporta

vías de solución.

Una forma de atenuar el efecto de las imperfecciones

producidas por los factores físicos e instrumentales es

realizando una corrección de intensidad. Recientemente

se reportó el estado del arte de las correcciones de intensidad

en base a 60 publicaciones relevantes escogidas

por los autores9. Se muestra que el 60 % se refieren a estudios

realizados con equipos de 1,5 T, muy pocos a

campos superiores (13 %) e infeinferiores (27 %). De los

trabajos reportados, solo el 8 % comparan métodos de

corrección a más de un B0. Siendo insuficientes las

comparaciones de más de un método de corrección9.

Se presenta un estudio preliminar para evaluar experimentalmente

el comportamiento de estos descriptores

en 9 equipos de RM: cuatro Panorama de 0.23 T, tres

Magnetom C de 0.35 T, un Signa Excite y un Symphony

ambos de 1.5 T. Fue empleada una secuencia de pulsos

eco de gradiente con pulso spoiled (SPGR). Se simulan

S, RSR, RCR y CAB en función del B0, empleando ecuaciones

reportadas4,5 y estimando el T1 en función del B0

4.

Se compara y analiza además, el comportamiento de los

descriptores antes y después de aplicada una corrección

de amplitud implementada para este trabajo. El cálculo

experimental de los descriptores se realizó empleando el

software Calimag®2,3.

2 Materiales y métodos

Descripción teórica. La estimación de la RSR en una

imagen se realiza partiendo de la relación entre el valor

medio de la intensidad de la señal (S) en una región de

interés (ROI) centrada en la imagen del phantom y el

ruido (r) tomado en otra ROI en el fondo de la imagen.

Es conocido que en ausencia de señal predomina una

distribución de Rayleigh, donde 0.655 FON r es la varianza

en el

2 Materiales y métodos

Descripción teórica. La estimación de la RSR en una

imagen se realiza partiendo de la relación entre el valor

medio de la intensidad de la señal (S) en una región de

interés (ROI) centrada en la imagen del phantom y el

ruido (r) tomado en otra ROI en el fondo de la imagen.

Es conocido que en ausencia de señal predomina una

distribución de Rayleigh, donde 0.655 FON r es la varianza

en el fondo de la imagen módulo2,3.

La RCR se expresa como, RCR S S r A B −, la relación

entre la diferencia absoluta de las S tomadas en dos

tejidos A y B cualesquiera y el ruido.2-5 El contraste relativo,

AB A B A C S −S S , puede ser expresado como la

diferencia absoluta de las intensidades de señal de dos

tejidos respecto a un valor de intensidad fijo4.

Para analizar las distorsiones de amplitud, se determina

la NUI de una ROI, que no incluya los bordes de la

imagen. La NUI puede ser expresada como la relación,

en por ciento, entre la desviación estándar de S en una

Figura 1. (A) Imagen del

phantom homogéneo (PH-01)

con las seis ROI (M1-M6) definidas

para las mediciones de

los descriptores cuantitativos

sobre la imagen. (B) Imagen

del phantom de tubos (PH-02),

la ubicación de los seis tubos

coinciden con las ROI marcadas

en la figura A. Los tubos 1

y 6 contienen

...