diplomová práce

Zvýraznění kontrastu pro rozlišení tkání a detekci kontrastních nanočástic metodami magnetickorezonančního zobrazování

Text práce 5.44 MB Příloha 31.77 kB

Autor práce: Ing. Jaromír Bačovský

Ak. rok: 2012/2013

Vedoucí: Ing. Zenon Starčuk, CSc.

Oponent: Ing. Ondřej Macíček

Abstrakt:

Předložená diplomová práce se zabývá mechanismy vzniku kontrastu a jeho modifikací v magneticko-rezonančních obrazech molekulárními a  nanočásticovými kontrastními činidly. V teoretické části shrnuje principy vzniku kontrastu a funkce kontrastních látek se speciálním důrazem  na paramagnetické gadoliniové kontrastní látky a superparamegnetické nanočástice.
Na základě analýzy typických MRI sekvencí si diplomová práce kladla za cíl vytvořit softwarovou aplikaci nazvanou MRICalc umožňující zjistit vhodné nastavení parametrů pulzní sekvence pro dosažení maximálního kontrastu.
Program byl včetně grafického uživatelského prostředí vyvíjen v programovacím jazyce Python.
V základní nabídce obsahuje pulsní sekvence spinové echo, FLASH, SSFP-Echo, TrueFISP, Dual - echo SSFP, Dual - echo GRE a  FISP.
Program umožňuje výpočet parametrů pulsní sekvence (opakovací čas, echo čas, sklápěcí úhel), kde nastává maximum kontrastu a vykreslení grafu průběhu kontrastu v závislosti na zvoleném proměnném parametru. Uživatel vybírá z předem definovaných látek, mezi kterými má být optimalizován kontrast.
Korektní funkce aplikace MRICalc byla experimentálně ověřena pomocí fantomu připraveného z roztoků síranu měďnatého a destilované vody. Síran měďnatý plní ve fantomu funkci kontrastního činidla.
Měření probíhalo na preklinickém  MR systému  Bruker Avance III 94/30 instalovaném v ÚPT AV ČR, v.v.i. Byla proměřena křivka kontrastu pro sekvenci FLASH, která je typickou variantou gradientního echa. Výsledek měření byl následně srovnán s teoretickým modelem spočteným aplikací MRICalc.

Klíčová slova:

magneticko-rezonanční zobrazování (MRI), optimalizace kontrastu, pulsní sekvence, gradientní echo, spinové echo, longitudinální relaxace, transverzální relaxace, kontrastní látka

Termín obhajoby

18.6.2013

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaDznamka

Klasifikace

D

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Aplikované vědy v inženýrství (M2A-P)

Studijní obor

Fyzikální inženýrství a nanotechnologie (M-FIN)

Složení komise

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Posudek vedoucího
Ing. Zenon Starčuk, CSc.

Obecným cílem práce Bc. Jaromíra Bačovského bylo přispět k využití magnetickorezonančního zobrazování (MRI) k vývoji v oblasti nanomedicíny. Zadání zahrnovalo (a) rešerši mechanismů regulace kontrastu v MRI s důrazem na užití exogenních molekulárních nebo nanočásticových modifikátorů, (b) vytvoření počítačového programu pro volbu optimálních parametrů MR excitace, (c) jeho experimentální ověření, a (d) celkové zhodnocení analyzovaných metod a materiálů. Práce byla směrována k využití na novém preklinickém 9.4T MR systému, který byl do standardního provozu uveden s 3měsíčním zpožděním oproti plánu, v polovině prosince 2012. Experimentální část práce se proto omezila na in vitro testování s jednou standardní modelovou kontrastní látkou.
Ad 1. V zadání formulované úkoly považuji za splněné, avšak s chybami, nepřesnostmi a opomenutími ve všech částech práce.
Ad 2. Úkoly (a) a (b) jsou zpracovány v kap. 2-7 způsobem, který ukazuje, že se student vypořádal s nelehkým úkolem z rozsáhlého souboru publikací dostat do kompaktního vyjádření základní údaje o typech kontrastu v nejužívanějších metodách MRI a základní údaje o modifikaci relaxace kontrastními látkami. Rešerše jazyka Python v kap. 9 je nad rámec zadání. Vlastní vývojovou práci, tj. úkoly (c) a (d) popisují kap. 8 a 10-12 (18 z 58 stran odborného textu). Soustředění finálních prací do posledních týdnů se nepříznivě projevilo na kvalitě práce. V rešeršní části jsou bohužel příliš často užity formulace neúplné či matoucí , mnohé jsou i fakticky chybné . Vyskytuje se i nesoulad názvu kapitoly (3.1.1, str. 19) a obsahu . V praktické části (c) Bc. Bačovský použil jazyk Python v souladu s pokynem školitele . V této oblasti student postupoval zcela samostatně a úkolu se zhostil uspokojivě, i když funkce programu není z praktického hlediska ideální . Vedle dopracování funkcí by si větší péči zasloužil popis algoritmu . Vytvořenou aplikaci lze považovat za “proof-of-concept”, poměrně dobře dopracovatelný do opravdu užitečného nástroje.
Ad 3. Vlastní přínos je ocenitelný v kompaktním zpracování rozsáhlého tématu, nalezení vhodných nástrojů pro implementaci vědeckých aplikací v Pythonu a vytvoření prototypu pomocníka pro MRI.
Ad 4.  Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry by se nejvíce projevily v řešení nesouladu mezi předpovědí a experimentální realitou (obr. 28 versus 30). Student sice formuloval několik vysvětlujících hypotéz, ale žádná z nich není podložena experimentem ani simulací. Vzhledem k tomu, že graf 28 vychází z experimentálně stanovených hodnot T1 a T2 vzorků, měly by být detailně popsány a zhodnoceny i metody jejich stanovení.
Ad 5. V rámci práce vytvořený text i program mohou být (po důkladné revizi) docela dobře využity jako vodítko pro následníky a jako stručná příručka pro experimentátory.
Ad 6.  Uspořádání textů v kapitolách je logické, nelogické je ale umístění kap. 5 a 6  a druhé z kapitol číslovaných 3.1.1 . Nečíslování rovnic a tabulek a chaotické označení obrázků (viz Ilustrace 1 na str. 34, nečíslované grafy na str. 62-63) brání přehlednému odkazování v textu. Chybí objasnění některých základních termínů (TR, TE, FA).
Ad 7. Po pravopisné stránce je práce uspokojivá, izolované chyby  doplňují četnější chyby interpunkce. Stylistika je místy problematická , četné formulace se vyjadřují k nevysloveným předpokladům  nebo nepřímo navozují falešnou interpretaci , což místy spojitě přechází v obsahové chyby . Celkový grafický dojem je vcelku dobrý, ale některé přejaté obrázky budí dojem, že byly zařazeny jen jako oživení bez reálného významu .
Ad 8. Student se správně zorientoval v rozsáhlé nabídnuté literatuře a vybral si vhodný soubor pro vlastní práci. Zřejmě však podcenil náročnost korektního začlenění zdrojů do vlastního textu, neboť práce obsahuje nejméně 10 chybných citací – jednak v bibliografii , jednak v přiřazení v textu .
Ad 9. Vzhledem k tomu, že tématicky šlo v ÚPT o svým způsobem pionýrský čin, mohl pro některé části práce Bc. Bačovský v ÚPT najít jen dílčí oporu, nicméně velmi samostatně si počínal i tam, kde podporu dostat mohl, při konzultacích nesignalizoval problémy. Experimentální práci provedl s mírnou asistencí.

I přes shledané nedostatky v práci spatřuji dostatek pozitivních prvků, proto práci doporučuji k obhajobě. Závažnější než zde popsané nedostatky odhaduji u cca 20% prací, čemuž odpovídá hodnocení D dle ECTS . Detailní komentáře uvádím v přiložených poznámkách.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod D
Vlastní přínos a originalita E
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry D
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti E
Grafická, stylistická úprava a pravopis D
Práce s literaturou včetně citací D
Samostatnost studenta při zpracování tématu D

Známka navržená vedoucím: D

Posudek oponenta
Ing. Ondřej Macíček

Pan Jaromír Bačovský měl za úkol zabývat se multi-parametrickým primárním polem v MR zobrazovaní se zaměřením na optimalizaci parametrů akvizičních sekvencí pro dosažení maximálního kontrastu a to i v případě použití specifických kontrastních látek. Protože student nespecifikuje, jestli hledá maximum T1 nebo T2/T2* kontrastu, předpokládám hledání globálního maxima.
    Teoretický rozbor práce měl pojednat o základní myšlence MR zobrazení a o vzniku kontrastu v obrazech tj. o rozdílných časech T1/T2 atd. Zde se neblaze projevuje nešťastné členění textu a čtenář se o T1 a T2 relaxačních časech dozvídá až v polovině textu. Student uvádí rovnice výsledného signálu v závislosti na parametrech akvizice, které využívá pro výpočet absolutní hodnoty rozdílu jasů dvou rozdílných tkání.
Autor zakládá korektní funkci programu na databázi relaxačních časů T1 a T2 pro různé tkáně a různé B0=1,5 a 3T, což jsou dnes typické hodnoty pole B0 pro přístroje v klinické praxi. U této tabulky však nejsou uvedeny zdroje, ze kterých čerpal a úplně chybí časy T2* pro sekvenci FLASH. Je škoda, že nejsou uvedeny relaxační časy biologických vzorků pro pole B0=9,4T a 4,7T, které jsou dohledatelné ve vědeckých článcích a uváděny i pro B0 14T. Student definuje kritérium pro kontrast v obraze a uvádí jako nevhodnější prostý rozdíl jasových hodnot. Z praktického hlediska by však bylo dle mého názoru vhodnější volit měřítko od 0 do 1, tj. provést normalizaci alespoň v rámci prezentované tabulky, nebo za maximum zvolit hodnotu, danou horním rozsahem AD převodníku.
Vytvořený program v rámci praktické čísti využívá grafického rozhraní a jazyka Python s nástavbami pro vědecké výpočty. Maximum kontrastní funkce je hledáno na základě prvních parciálních derivací a následným dosazením nalezeného stacionárního bodu do původní rovnice s vyšetřením funkční hodnoty v okolí stacionárního bodu. Z matematického hlediska není tento postup korektní, je potřeba vyšetřit druhé derivace, ze kterých je možné určit typ extrému. Zvolený postup by byl korektní v případě, že by účelová funkce byla v celém omezeném (tj. C=f(TE, TR, FA)) prostoru konkávní. Z hlediska nastavení programu postrádám možnost volit při optimalizaci velikost B0, volit omezení výsledných parametrů a vkládat interaktivně nové vzorky. Pro sekvence GRE je potřeba uvádět časy T2*  a ne T2. Rovnice pro Spin echo je v kódu uvedena chybně. Program celkově působí jako neodladěný a navozuje dojem, že byl vytvořen v časové tísni. Výsledky optimalizace se liší v závislosti na výběru pořadí dvou vzorků, ale tato operace by měla být dle mého názoru komutativní. Zobrazení grafů je neintuitivní, zobrazení časové osy v grafu má špatné měřítko. Volba parametru pro krokování by měla být určena tzv. radiobuttonem a ne zatrhávacím políčkem (takto je možno, alespoň z hlediska GUI krokování více parametrů, ale 3D graf se nezobrazí).
Pro ověření funkčnosti byl použit jeden fantom s různými koncentracemi CuSO4. Pomocí měření multi-IR a multi-TE byly zjištěny hodnoty T1/T2/T2* časy vzorku. Na základě těchto časů jsem provedl ověření a vynesl jsem kontrastní funkci, která je totožná s programem studenta, ale graf na obrázku č. 28 jsem nebyl schopen i s popsaným postupem reprodukovat. Moje simulace určila, že max. kontrast nastává pro TE=37ms a min. TE=21ms, autor uvádí max. TE=30ms a min. 5ms. Dále student srovnává výsledek s pokusným měřením, kde vyšel maximální kontrast pro TE=15, tj. odhad algoritmem byl od maxima vzdálen o 100%.
    Po formální stránce práce působí nekompaktně, číslování kapitol v obsahu nesouhlasí s očíslováním v textu a rovněž číslování stran je posunuté. Členění působí zmatečně a autor někdy zbytečně zachází až do páté úrovně obsahu. Seznam použitých zkratek téměř nekoresponduje s množstvím použitých symbolů v textu a v tomto rozsahu téměř ztrácí svůj smysl. Obrázky jsou místy méně kvalitní. Tabulky a rovnice postrádají číslování, což považuji za vážný nedostatek. Seznam literatury je adekvátní DP, ale číslování by mělo být uvedeno v hranatých závorkách.
    Celkově shrnuto: tato práce je přínosná vzhledem k někdy obtížnému optimálnímu nastavení parametrů sekvencí a vážím si řešení této důležité a nesnadné problematiky, předložená práce ale v současném stavu vykazuje mnoho nedostatků. Splněn je 1. bod zadání, body 2-4. jsou splněny jen z části. Vzhledem k tomuto faktu a závažným nedostatkům, které jsou uvedeny výše, se domnívám, že práce je na hranici obhajitelnosti a navrhuji známku E/50 bodů.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání E
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod E
Vlastní přínos a originalita E
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry F
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii D
Logické uspořádání práce a formální náležitosti E
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací B

Známka navržená oponentem: E