Development and testing of an MRI-compatible immobilization device for head and neck imaging

Abstract

O principal objetivo da presente Dissertação é o estudo e desenvolvimento de um dispositivo de imobilização sub-milimétrica que impede/ previne o movimento da cabeça em exames de Tomografia por Emissão de Positrões (PET) e Imagem por Ressonância Magnética (MRI) da cabeça e pescoço. Este projeto foi desenvolvido no Instituto de Ciências Nucleares Aplicadas à Saúde (ICNAS) da Universidade de Coimbra, em parceria com o Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) Coimbra, no âmbito do projecto High Resolution Brain PET (HiRezBrainPET).A imagem PET com longos tempos de aquisição é suscetível a artefactos de movimento que podem comprometer a qualidade da imagem e levar a uma má interpretação da mesma. Tornou-se claro que, para evitar estes erros num scanner cerebral PET de alta resolução, as técnicas de imobilização utilizadas atualmente não são suficientes, uma vez que movimentos maiores do que a resolução da imagem do sistema resultam em desfoque das imagens, sendo necessária a imobilização sub-milimétrica da cabeça. Através do estudo do estado da arte dos dispositivos e técnicas de imobilização da cabeça, foi escolhido que o método a desenvolver seria a imobilização da maxila através de uma boqueira ligada a uma estrutura externa, um método frequentemente utilizado em radioterapia. O dispositivo de imobilização foi desenvolvido para exames de ressonância magnética da cabeça e pescoço, que podem fornecer facilmente informação fiável sobre o movimento, sem exposição à radiação ionizante, sendo que a mesma técnica também pode ser utilizada com o scanner HiRezBrainPET. Foi desenvolvido software para analisar as imagens de ressonância magnética e detetar qualquer movimento com exatidão e precisão. Para calibrar e testar este software para deslocamentos translacionais e rotacionais, foi desenvolvido um fantoma, de forma a simular o melhor possível as imagens da cabeça a analisar, juntamente com um dispositivo para induzir movimento, de forma a produzir translações e rotações conhecidas. O dispositivo de imobilização foi projetado em Computer-Aided Design (CAD) e construído nas instalações do LIP Coimbra. Foi produzido num polímero POM-C devido às suas propriedades físicas, particularmente a sua compatibilidade em MRI, resistência, rigidez, temperatura de fusão, e custo monetário. Os resultados de imobilização finais consistem na análise de movimento de três sequencias the movementos diferentes, realizadas com e sem o dispositivo de imobilização, e adquiridas no plano sagital e no plano axial. Cada sequência foi adquirida durante 2 minutos e 26 segundos. Duas das sequências, os movimentos “Grandes” e “Pequenos”, consistem no perfil de movimento da cabeça de um voluntário quando este tenta aplicar a máxima força possível, e 50% desta força, respetivamente, de forma a criar movimentos periódicos na direção do plano das imagens, com e sem o dispositivo imobilizador. A outra sequência, também realizada com e sem o dispositivo imobilizador, consiste simplesmente no perfil de movimento da cabeça do voluntário, quando este tenta estar o mais imóvel possível, simulando um exame real de MRI ou PET cerebral.

The present Dissertation’s main goal is the study and development of a sub-millimetric immobilization device to prevent head movement in Positron Emission Tomography (PET) and Magnetic Resonance Imaging (MRI) head or brain exams. This project was developed in Instituto de Ciências Nucleares Aplicadas à Saúde (ICNAS) of Universidade de Coimbra, in partnership with Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) Coimbra, within the High Resolution Brain PET project (HiRezBrainPET). PET imaging with long acquisition times is susceptible to movement artefacts that can compromise image quality and lead to image misinterpretation. It became clear that to avoid these errors in a high-resolution brain PET, the current immobilization techniques used weren’t enough, as movement bigger than the image resolution of the system results in image blurring, and sub-millimetric immobilization of the head was needed. Through the study of the state-of-the-art head immobilization devices and techniques, it was chosen that the method to follow and develop would be the immobilization of the maxilla through a mouthpiece connected to an external frame, a method often used in radiotherapy. The immobilization device was developed for head and neck MRI exams, which can provide us reliable movement information easily, without exposure to ionizing radiation, but the same technique can be also used with the HiRezBrainPET scanner. Software was developed to analyse MRI images and detect any movement with accuracy and precision. To calibrate and test this software for translation and rotational displacements, a head-like phantom was developed, together with a motion inducing device, to produce known translations and rotations. The immobilization device was projected in Computer-Aided Design (CAD) and made in the LIP Coimbra facilities. It was produced in POM-C polymer due to its physical properties, particularly its MRI compatibility, strength, rigidness, melting temperature, and monetary cost. The final immobilization results consist in the movement analyses of three different movement sequences performed with and without the immobilization device, imaged in the sagittal and axial planes. Each sequence was imaged for 2 minutes and 26 seconds. Two of the sequences, the “Big” and “Small” movements, consist of the movement profile of the volunteer’s head when applying his maximum force, and then 50% of his maximum force, respectively, to create periodical movements in the imaging plane’s direction, with and without the immobilization device. The other sequence, also performed with and without the immobilization device, consists simply of the movement profile of the volunteer’s head when he is staying as still as possible, simulating a real MRI or PET head and neck exam.