Количественное картирование восприимчивости

Объемная QSM мозга , полученная при 3 Тесла и реконструированная с использованием дипольной инверсии с возможностью морфологии (MEDI).

Количественное картирование восприимчивости ( QSM ) обеспечивает новый механизм контрастирования в магнитно-резонансной томографии (МРТ), отличающийся от традиционной визуализации, взвешенной по восприимчивости .

Интенсивность вокселей в QSM линейно пропорциональна кажущейся магнитной восприимчивости подлежащей ткани , что полезно для химической идентификации и количественного определения конкретных биомаркеров, включая железа, кальция, гадолиния и суперпарамагнитного оксида наночастицы железа (SPIO). QSM использует фазовые изображения, решает обратную задачу магнитного поля для источника восприимчивости и генерирует трехмерное распределение восприимчивости. Из-за своей количественной природы и чувствительности к определенным видам материалов потенциальные применения QSM включают стандартизированную количественную стратификацию церебральных микрокровоизлияний и нейродегенеративных заболеваний , точное количественное определение гадолиния в отличие от МРТ с контрастированием и прямой мониторинг целевого биораспределения тераностических препаратов в наномедицине .

Фон

Визуализация конуса в области Фурье.

При МРТ локальное поле $\delta B$ индуцированная неферромагнитным биоматериалом восприимчивость вдоль поля основной поляризации B ₀ представляет собой свертку объемного распределения восприимчивости $\chi$ с дипольным ядром $d$: $\delta B=d\otimes \chi$. Эту пространственную свертку можно выразить как поточечное умножение в области Фурье : $\Delta B=D\cdot \mathrm {X}$. Это выражение Фурье обеспечивает эффективный способ прогнозирования возмущения поля, когда известно распределение восприимчивости. Однако обратная задача «поле-источник» включает деление на ноль на паре конусных поверхностей под магическим углом по отношению к B ₀ в области Фурье. Следовательно, восприимчивость недоопределена на пространственных частотах на поверхности конуса, что часто приводит к сильным полосчатым артефактам в реконструированной КСМ.

Техники

Сбор данных

В принципе, трехмерных для сбора данных можно использовать любую последовательность предпочтительна визуализация с высоким разрешением и умеренно длительным временем эхо-сигнала градиентных эхо-сигналов. На практике для получения достаточных эффектов чувствительности , хотя оптимальные параметры визуализации зависят от конкретных применений и напряженности поля. Многоэхо-регистрация полезна для точного измерения поля B ₀ без влияния неоднородности B ₁ . Компенсация потока может дополнительно повысить точность измерения чувствительности венозной крови, но существуют определенные технические трудности для разработки многоэхо-последовательности с полной компенсацией потока.

Удаление фонового поля

Расчетные карты локальных полей с использованием слева) метода высокочастотной фильтрации, справа) метода проекции на дипольные поля (PDF).

При количественном картировании восприимчивости человеческого мозга интерес представляют только локальные источники восприимчивости внутри мозга. Однако магнитное поле, индуцированное локальными источниками, неизбежно загрязняется полем, индуцированным другими источниками, такими как неоднородность основного поля (несовершенное шиммирование) и граница раздела воздух-ткань, разница в восприимчивости которых на несколько порядков сильнее, чем у локальных источников. . Следовательно, небиологическое фоновое поле необходимо удалить для четкой визуализации на фазовых изображениях и точного количественного определения на QSM.

В идеале фоновое поле можно измерить напрямую с помощью отдельного эталонного сканирования, при котором интересующий образец заменяется однородным фантомом той же формы, сохраняя при этом шиммирование сканера идентичным. Однако для клинического применения такой подход невозможен, и предпочтительными являются методы постобработки. Традиционные эвристические методы, включая фильтрацию верхних частот , полезны для удаления фонового поля, хотя они также вмешиваются в локальное поле и ухудшают количественную точность.

Более поздние методы удаления фонового поля прямо или косвенно используют тот факт, что фоновое поле является гармонической функцией . Два последних метода, основанных на физических принципах, проекция на дипольные поля (PDF) и сложное уменьшение гармонических артефактов на фазовых данных (SHARP), продемонстрировал улучшенный контраст и более высокую точность оценки локального поля. Оба метода моделируют фоновое поле как магнитное поле, генерируемое неизвестным распределением фоновой восприимчивости, и отличают его от локального поля, используя либо приблизительную ортогональность, либо гармоническое свойство. Фоновое поле также можно вычислить напрямую, решив уравнение Лапласа с упрощенными граничными значениями, как показано в методе граничных значений Лапласа (LBV).

Инверсия поля к источнику

Обратная задача поле-источник может быть решена несколькими методами с различными соответствующими преимуществами и ограничениями.

Расчет восприимчивости с помощью выборки с множественной ориентацией (COSMOS)

Первое изображение QSM, реконструированное с помощью COSMOS для количественного определения концентрации гадолиния во флаконах. а) магнитудное изображение; б) карта поля; в) КСМ; г) линейная регрессия.

COSMOS решает обратную задачу путем передискретизации из нескольких ориентаций. COSMOS использует тот факт, что поверхность нулевого конуса в области Фурье зафиксирована под магическим углом по отношению к полю B ₀ . Следовательно, если объект вращается относительно поля B ₀ , то в кадре объекта вращается поле B ₀ и, следовательно, конус. Следовательно, данные, которые невозможно вычислить из-за конуса, становятся доступными при новых ориентациях.

COSMOS предполагает немодельное распределение восприимчивости и сохраняет полную точность измеренных данных. Этот метод был тщательно проверен в экспериментах in vitro , ex vivo и фантомных экспериментах. Карты количественной восприимчивости, полученные при in vivo, человека визуализации мозга также показали высокую степень согласия с предыдущими знаниями об анатомии мозга. Для COSMOS обычно требуются три ориентации, что ограничивает практичность клинического применения. Однако он может служить эталоном, если доступен для калибровки других методов.

Дипольная инверсия с поддержкой морфологии (MEDI)

Уникальным преимуществом МРТ является то, что она обеспечивает не только фазовое изображение, но и магнитудное изображение. В принципе, изменение контраста или, что эквивалентно, граница на изображении магнитуды возникает из-за основного изменения типа ткани, что является той же причиной изменения восприимчивости. Это наблюдение переводится на математический язык в MEDI. где края в КСМ, которых нет в соответствующем изображении магнитуды, разрежаются путем решения взвешенной задачи $l_{1}$ задача минимизации нормы.

MEDI также прошел широкую проверку в фантомных экспериментах, экспериментах in vitro и ex vivo . В человеческом мозге in vivo расчет QSM, рассчитанный MEDI, показал аналогичные результаты по сравнению с COSMOS без статистически значимой разницы. MEDI требует регистрации только одного угла, поэтому это более практичное решение для QSM.

Пороговое К-космическое подразделение (ТКД)

Недоопределенные данные в области Фурье имеются только в месте расположения конуса и его непосредственной близости. Для этой области в k-пространстве пространственные частоты дипольного ядра устанавливаются на заранее определенное ненулевое значение для деления. Исследование более продвинутых стратегий восстановления данных в этой области k-пространства также является темой текущих исследований.

Пороговое деление k-пространства требует только одного измерения угла и отличается простотой реализации, а также высокой скоростью расчета. Однако в QSM часто присутствуют полосчатые артефакты, а значение восприимчивости занижено по сравнению с QSM, рассчитанным COSMOS.

Возможное клиническое применение

Отличие кальцификации от железа

Дифференциация между кальцинозом и железом. Слева направо — величина, фаза и QSM.

было подтверждено, В экспериментах in vivo и фантомных исследованиях что корковые кости, основной состав которых представляет собой кальцификацию, диамагнитны по сравнению с водой. Следовательно, можно использовать этот диамагнетизм, чтобы отличить кальцификаты от отложений железа, которые обычно демонстрируют сильный парамагнетизм . Это может позволить QSM служить инструментом решения проблем для диагностики искажающих результатов гипоинтенсивности на Т2*-взвешенных изображениях.

Количественное определение контрастного вещества

Для экзогенных источников чувствительности значение чувствительности теоретически линейно пропорционально концентрации контрастного вещества . Это обеспечивает новый способ или SPIO in vivo количественного определения концентраций гадолиния .