Contributions to Advanced Magnetic Resonance Imaging Simulation: A Model for Dynamic Simulation and a Web Interface for Pulse Sequence Development and Visualization

Abstract

Magnetic Resonance Imaging (MRI) simulation is of particular interest due to its ability to recreate a technique that, despite being extremely suitable for many clinical situations, is expensive and not easily accessible to researchers and trainees. Over the last few years, numerous MRI simulators have emerged, both open-source and proprietary. Among them, KomaMRI stands out as the only opensource tool compatible with all Operating Systems, which includes a graphical user interface (GUI) and vendor-agnostic GPU support. Additionally, it is compatible with widely-used MRI community standards and is written in Julia, which enables efficient and extensible code. In this context, two key areas have been identified for improving the usability and versatility of the simulator. First, the functionality for defining and simulating dynamic phantoms presents room for improvement, as it only allows motion to be described using analytical expressions. Second, in a previous Bachelor’s Thesis [1], a desktop application for designing MRI sequences was developed. This application also shows potential for improvement, and its conversion to a web application was proposed as a future line of work. This Master’s Thesis thus addresses the dual objective of defining a novel dynamic phantom model within the KomaMRI simulator and creating an enhanced web-based application for the editing and simulation of pulse sequences. For the first objective, the data structure of the simulator has been extended to include information about the motion of the phantom. To achieve this, the global motion of the model has been defined as a list of independent motions, which allows specifying the type, temporal behaviour, and affected spins for each of them. Additionally, simulation functions have been modified to incorporate the calculation of model displacements, and the KomaMRI visualization tool has been improved to allow for the temporal representation of dynamic phantoms. Finally, a new file format has been defined to facilitate the storage and sharing of these digital phantoms. All of this has been developed using the Julia programming language. For the second objective, a full-stack development has been carried out, addressing both the frontend and the back-end, as well as the communication mechanisms between them. Specifically, the front-end includes an improved version of the previously developed sequence editor, a 3D visualization tool for the selected slice, and two additional panels: one for visualizing the temporal sequence diagram and the other for displaying simulation results. This implementation combines the Qt framework with web technologies such as HTML, JavaScript, and WebAssembly. The back-end, developed in Julia, includes an HTTP server with a REST API, the MRI simulator, and additional modules including the database and front-end files. Experiments conducted with the dynamic phantom demonstrate the ease of defining and simulating dynamic anatomical models, while also offering reduced simulation times. Furthermore, the obtained results show a high degree of realism, both in demonstrative experiments and those which compare the enhanced version of KomaMRI with other contributions in the field of dynamic MRI simulation. As for the web-based sequence editor evaluation, it highlights its usefulness, interactivity and smoothness, also demonstrating the ability to design and simulate arbitrarily complex pulse sequences without the need for local installations. The contributions of this work can be summarized as the enhancement of an MRI simulator with improved dynamic phantom simulation capabilities, the definition of a new file format for digital phantoms, and the development of a freely accessible web application for designing and simulating pulse sequences, which benefits both researchers and technical users.

La simulación de Imagen por Resonancia Magnética (MRI) resulta de especial interés debido a su capacidad para recrear una técnica que, a pesar de ser extremadamente apropiada para muchas situaciones clínicas, es costosa y poco accesible para investigadores y técnicos en formación. En los últimos años, han surgido multitud de simuladores de MRI, tanto de código abierto como propietarios. Entre ellos, KomaMRI destaca por ser la única herramienta de código abierto, compatible con todos los sistemas operativos, que cuenta con interfaz gráfica (GUI) y con soporte para GPU independiente del proveedor. Además, es compatible con estándares ampliamente utilizados en la comunidad y está escrito en Julia, lo cual permite un código eficiente y extensible. En este contexto, se han identificado dos áreas clave para mejorar la usabilidad y versatilidad de este simulador. En primer lugar, la funcionalidad para definir y simular fantomas dinámicos presenta margen de mejora, ya que solo permite describir el movimiento de los modelos anatómicos mediante expresiones analíticas. En segundo lugar, en un Trabajo Fin de Grado previo [1], se desarrolló una aplicación de escritorio para la edición de secuencias de MRI, la cual también muestra posibilidades de mejora y cuya conversión a una aplicación web quedó planteada como línea de trabajo futuro. Este Trabajo Fin de Máster, por tanto, enfrenta el doble objetivo de definir un nuevo modelo de phantom dinámico dentro del simulador KomaMRI y de crear una aplicación web mejorada para la edición y simulación de secuencias de pulsos. Para el primer objetivo, se ha ampliado la estructura de datos del simulador para incluir en ella información sobre el movimiento del fantoma. Para ello, se ha definido el movimiento global del modelo como una lista de movimientos independientes, pudiendo definir su tipo, su comportamiento temporal, y el rango de espines afectados por cada uno de ellos. Asimismo, se han modificado las funciones de simulación para incorporar el cálculo de los desplazamientos del modelo y se ha mejorado la herramienta de visualización de KomaMRI para permitir la representación temporal de los fantomas dinámicos. Por último, se ha definido un nuevo formato de fichero que facilita el almacenamiento y la compartición de estos fantomas digitales. Todo ello ha sido desarrollado con el lenguaje de programación Julia. Para el segundo objetivo, se ha llevado a cabo un desarrollo completo (full-stack ), abordando tanto el front-end como el back-end, así como los mecanismos de comunicación entre ambos. Concretamente, el front-end incluye una versión mejorada del editor de secuencias previamente desarrollado, una herramienta de visualización 3D del corte seleccionado y dos paneles adicionales: uno para visualizar el diagrama temporal de la secuencia y otro para mostrar los resultados de las simulaciones. Esta implementación combina el framework Qt con tecnologías web como HTML, JavaScript y WebAssembly. Por su parte, el back-end, desarrollado en Julia, incorpora el servidor HTTP mediante una API REST, el simulador de MRI y módulos adicionales como la base de datos y los ficheros del front-end. Los experimentos realizados con el fantoma dinámico evidencian la facilidad para definir y simular modelos anatómicos con movimiento, además de ofrecer tiempos de simulación reducidos. Asimismo, los resultados obtenidos muestran un alto grado de realismo, tanto en experimentos demostrativos como en aquellos que comparan la versión mejorada de KomaMRI con otras contribuciones en el campo de la simulación de MRI dinámica. Por otro lado, las evaluaciones del editor web de secuencias evidencian su utilidad, interactividad y fluidez, demostrando además la capacidad de diseñar y simular secuencias de pulsos arbitrariamente complejas sin necesidad de instalaciones locales. Las contribuciones de este trabajo, por lo tanto, se resumen en la ampliación de un simulador de MRI con capacidades mejoradas para simular fantomas dinámicos, la definición de un nuevo formato de fichero para fantomas digitales, y el desarrollo de una aplicación web de uso libre para el diseño y simulación de secuencias de pulsos, que beneficia tanto a investigadores como a usuarios técnicos.