Kvantitativní mapování citlivosti - Quantitative susceptibility mapping

A vykreslený objem mozek QSM získaný při 3 Tesla a rekonstruovaný pomocí Morphology Enabled Dipole Inversion (MEDI).

Kvantitativní Citlivost Mapování (QSM) poskytuje román kontrast mechanismus v Magnetická rezonance (MRI) se liší od tradičních Citlivost vážené zobrazování.^{[1][2][3][4][5]} Intenzita voxelů v QSM je lineárně úměrná patrné podkladové tkáni magnetická susceptibilita, což je užitečné pro chemickou identifikaci a kvantifikaci specifických biomarkery včetně železa, vápníku, gadolinium a super paramagnetické nanočástice oxidu železitého (SPIO). QSM využívá fázové obrazy, řeší magnetické pole na citlivost inverzní problém zdroje a generuje trojrozměrný citlivost rozdělení. Vzhledem ke své kvantitativní povaze a citlivosti na určité druhy materiálů zahrnují potenciální aplikace QSM standardizovanou kvantitativní stratifikaci mozkových mikrobleedů a neurodegenerativní onemocnění, přesné gadolinium kvantifikace kontrastní MRI a přímé monitorování cílené biodistribuce theranostických drog v roce 2006 nanomedicína.

Pozadí

Vizualizace kužele ve Fourierově doméně.

v MRI, místní pole ${ displaystyle delta B}$ indukované neferomagnetickým biomateriálem citlivost podél hlavní polarizace B₀ pole je konvoluce distribuce objemové susceptibility ${ displaystyle chi}$ s dipól jádro ${ displaystyle d}$: ${ displaystyle delta B = d otimes chi}$. Tento prostorový konvoluce lze vyjádřit jako bodové násobení v Fourierova doména:^[6][7] ${ displaystyle Delta B = D cdot mathrm {X}}$. Tento Fourier výraz poskytuje efektivní způsob, jak předpovědět narušení pole, když je známo rozdělení citlivosti. Problém inverze pole ke zdroji však zahrnuje dělení nulou na dvojici povrchů kužele na magický úhel s ohledem na B₀ v Fourierova doména. Tudíž, citlivost je nedostatečně určen na prostorových frekvencích na povrchu kužele, což často vede k těžkým pruhovým artefaktům v rekonstruovaném QSM.

Techniky

Sběr dat

V zásadě jakékoli 3D pro sběr dat lze použít sekvenci gradientní echa. V praxi se dává přednost zobrazení s vysokým rozlišením se středně dlouhou dobou ozvěny, aby se dosáhlo dostatečného citlivost efekty, i když optimální zobrazovací parametry závisí na konkrétních aplikacích a intenzitě pole. Akvizice multi-echo je pro přesnost výhodná B₀ měření pole bez příspěvku od B₁ nehomogenita. Kompenzace průtoku může dále zlepšit přesnost citlivost měření v žilní krvi, ale existují určité technické obtíže při navrhování plně tokem kompenzované multi-echo sekvence.

Odstranění pole na pozadí

Odhadované mapy místního pole pomocí metody Vlevo) High-Pass Filtrování, Vpravo) Projekce na metodu Dipólová pole (PDF).

V člověku mozek kvantitativní citlivost mapování, pouze místní citlivost zajímavé jsou zdroje uvnitř mozku. Nicméně magnetické pole indukované místními zdroji je nevyhnutelně kontaminováno polem indukovaným jinými zdroji, jako je nehomogenita hlavního pole (nedokonalé shimování) a rozhraní vzduch-tkáň, jehož citlivost Rozdíl je řádově silnější než u místních zdrojů. Proto musí být pole nebiologického pozadí odstraněno pro jasnou vizualizaci na fázových obrazech a přesnou kvantifikaci na QSM.

V ideálním případě lze pole pozadí přímo měřit pomocí samostatného referenčního skenování, kde je vzorek zájmu nahrazen jednotným fantomem se stejným tvarem při zachování identického skeneru. Pro klinickou aplikaci je však takový přístup nemožný a upřednostňují se metody založené na následném zpracování. Tradiční heuristické metody, včetně vysokoprůchodová filtrace, jsou užitečné pro odstranění pole na pozadí, ačkoli také zasahují do místního pole a snižují kvantitativní přesnost.

Novější metody odstraňování pozadí pozadí přímo nebo nepřímo využívají skutečnosti, že pole pozadí je a harmonická funkce. Dvě nedávné metody založené na fyzikálních principech, Projekce na dipólová pole (PDF)^[8] a sofistikovaná redukce harmonických artefaktů na fázová data (SHARP),^[9] prokázal zlepšený kontrast a vyšší přesnost v odhadovaném místním poli. Obě metody modelují pole na pozadí jako a magnetické pole generováno neznámým pozadím citlivost distribuci a odlište ji od místního pole pomocí přibližné ortogonality nebo harmonické vlastnosti. Pole pozadí lze také přímo vypočítat řešením Laplaceovy rovnice se zjednodušenými hraničními hodnotami, jak ukazuje metoda Laplacianovy hraniční hodnoty (LBV).^[10]

Inverze z pole na zdroj

Inverzní problém pole-zdroj lze vyřešit několika metodami s různými přidruženými výhodami a omezeními.

Výpočet citlivosti pomocí vzorkování s více orientacemi (COSMOS)^[11][12]

První QSM obraz rekonstruovaný pomocí COSMOS pro kvantifikaci gadolinium koncentrace v lahvičkách. a) obrázek velikosti; b) polní mapa; c) QSM; d) lineární regrese.

COSMOS řeší inverzní problém pomocí převzorkování z více orientací.^[11] COSMOS využívá skutečnosti, že povrch nulového kužele v Fourierova doména je stanovena na magický úhel s respektem k B₀ pole. Proto, pokud je objekt otočen vzhledem k B₀ pole, pak v rámci objektu, B₀ pole se otáčí a tím i kužel. V důsledku toho budou data, která nelze vypočítat kvůli kuželu, k dispozici v nových orientacích.

COSMOS předpokládá model-free citlivost distribuce a zachovává plnou věrnost měřeným datům. Tato metoda byla rozsáhle ověřena v in vitro, ex vivo a fantomové experimenty. Kvantitativní citlivost mapy získané z in vivo člověk zobrazování mozku také ukázal vysoký stupeň shody s předchozími znalostmi o anatomii mozku. Pro COSMOS jsou obecně vyžadovány tři orientace, což omezuje praktičnost pro klinické aplikace. Může však sloužit jako referenční standard, pokud je k dispozici pro kalibraci jiných technik.

Morfologická inverze dipólů (MEDI)^[13]

Jedinečná výhoda MRI je to, že poskytuje nejen fázový obraz, ale také obraz velikosti. V zásadě změna kontrastu, nebo ekvivalentně hrana, na snímku velikosti vychází ze základní změny typu tkáně, což je stejná příčina změny citlivost. Toto pozorování je převedeno do matematiky v MEDI, kde jsou hrany v QSM, které neexistují v odpovídajícím obrazu velikosti, rozptýleny řešením váženého ${ displaystyle l_ {1}}$ problém s minimalizací norem.^[14]

MEDI byl také rozsáhle ověřen ve fantomech, in vitro a ex vivo experimenty. v in vivo člověk mozek „QSM vypočítaný pomocí MEDI vykázal podobné výsledky ve srovnání s COSMOS bez statisticky významného rozdílu.^[15] MEDI vyžaduje pouze získání jediného úhlu, jedná se tedy o praktičtější řešení QSM.

Prahová divize K-prostoru (TKD)^[12][16]

Nedeterminovaná data v Fourierova doména je pouze v místě kuželu a jeho bezprostřední blízkosti. Pro tento region v k-prostor, prostorové frekvence dipólového jádra jsou nastaveny na předem určenou nenulovou hodnotu pro dělení. Vyšetřování pokročilejších strategií pro obnovení dat v tomto k-prostor region je také tématem probíhajícího výzkumu.^[17]

Prahová hodnota k-prostor dělení vyžaduje pouze získání jediného úhlu a těží z snadné implementace a rychlé rychlosti výpočtu. Pruhované artefakty jsou však často přítomny v QSM a citlivost hodnota je podhodnocena ve srovnání s COSMOS vypočítaným QSM.

Potenciální klinické aplikace

Rozlišování kalcifikace od železa

Rozdíl mezi kalcifikací a železem. Zleva doprava jsou velikost, fáze a QSM.

Bylo potvrzeno v in vivo a fantomové experimenty, kterými jsou kortikální kosti, jejichž hlavním složením je kalcifikace diamagnetický ve srovnání s vodou.^[11][18] Proto je možné to použít diamagnetismus k odlišení kalcifikací od úsad železa, které jsou obvykle silné paramagnetismus.^[19] To může QSM umožnit, aby sloužil jako nástroj pro řešení problémů pro diagnostiku zmatených nálezů hypointense na T2 * vážených obrazech.

Kvantifikace kontrastní látky

U zdrojů exogenní citlivosti je hodnota citlivosti teoreticky lineárně úměrná koncentraci kontrastní látky. To poskytuje nový způsob in vivo kvantifikace gadolinium nebo SPIO koncentrace.^[20]

Reference