Automated Assessment of Blood Flow in the Cardiovascular System Using 4D Flow MRI

Book excerpt: Medical image analysis focuses on the extraction of meaningful information from medical images in order to facilitate clinical assessment, diagnostics and treatment. Image processing techniques have gradually become an essential part of the modern health care system, a consequence of the continuous technological improvements and the availability of a variety of medical imaging techniques. Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an imaging technique that stands out as non-invasive, highly versatile, and capable of generating high quality images without the use of ionizing radiation. MRI is frequently performed in the clinical setting to assess the morphology and function of the heart and vessels. When focusing on the cardiovascular system, blood flow visualization and quantification is essential in order to fully understand and identify related pathologies. Among the variety of MR techniques available for cardiac imaging, 4D Flow MRI allows for full three-dimensional spatial coverage over time, also including three-directional velocity information. It is a very powerful technique that can be used for retrospective analysis of blood flow dynamics at any location in the acquired volume. In the clinical routine, however, flow analysis is typically done using two-dimensional imaging methods. This can be explained by their shorter acquisition times, higher in-plane spatial resolution and signal-to-noise ratio, and their relatively simpler post-processing requirements when compared to 4D Flow MRI. The extraction of useful knowledge from 4D Flow MR data is especially challenging due to the large amount of information included in these images, and typically requires substantial user interaction. This thesis aims to develop and evaluate techniques that facilitate the post-processing of thoracic 4D Flow MRI by automating the steps necessary to obtain hemodynamic parameters of interest from the data. The proposed methods require little to no user interaction, are fairly quick, make effective use of the information available in the four-dimensional images, and can easily be applied to sizable groups of data.The addition of the proposed techniques to the current pipeline of 4D Flow MRI analysis simplifies and expedites the assessment of these images, thus bringing them closer to the clinical routine. Medicinsk bildanalys fokuserar på extrahering av meningsfull information från medicinska bilder för att underlätta klinisk bedömning, diagnostik, och behandling. Bildbehandlingsteknik har gradvis blivit en viktig del av det moderna sjukvårdsystemet, en följd av de kontinuerliga tekniska förbättringarna och tillgången till en mängd olika medicinska bildtekniker. Magnetic resonanstomografi (MRT) är en bildteknik som är ickeinvasiv, flexibel och kan generera bilder av hög kvalitet utan joniserande strålning. MRT utförs ofta i klinisk miljö för att bedöma anatomi och funktion av hjärtat och blodkärlen. När man fokuserar på hjärt-kärlsystemet är bedömning av blodflödet viktigt för att kunna förstå och identifiera sjukdomar fullt ut. Bland de olika MRT-teknikerna som är tillgängliga för avbildning av hjärtat möjliggör 4D flödes-MRT komplett täckning av hjärtat i tre dimensioner över tid, och med hastighetsinformation i tre riktningar. 4D flödes-MRT är en mycket effektiv metod som kan användas för retrospektiv analys av blodflödesdynamik på vilken position som helst i den avbildade volymen. Till vardags görs dock blodflödesanalysen vanligtvis på bilder tagna med tvådimensionella avbildningsmetoder. Detta kan förklaras av deras kortare insamlingstider, högre spatiella upplösning, bättre signal-brusförhållandet, och att de är relativt enklare att efterbehandla jämfört med 4D flödes-MRT. Utvinningen av användbar information från 4D flödes-MRT-data är väldigt utmanande på grund av den stora mängden information som dessa bilder innehåller och kräver vanligtvis väsentlig användarinteraktion. Denna avhandling syftar till att utveckla och utvärdera metoder som underlättar efterbehandlingen av 4D flödes-MRT genom att automatisera de steg som är nödvändiga för att härleda hemodynamiska parametrarna av intresse från dessa data. De föreslagna metoderna kräver liten eller ingen användarinteraktion, är relativt snabba, använder all information som finns i de fyrdimensionella bilderna, och kan enkelt appliceras på stora datamängder. Tillägget av de i avhandlingen beskrivna metoderna till den nuvarande analysen av 4D flödes-MRT medger en avsevärd förenkling och uppsnabbad utvärdering, vilket gör att den avancerade 4D flödes MRT-tekniken kommer närmare att kunna användas i kliniskt rutinarbete.