[論文レビュー] Evaluation of distortion correction methods in diffusion MRI of the spinal cord

Haykel Snoussi, Julien Cohen‐Adad+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2021

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications参考文献 17被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、3Tにおける脊髄拡散MRIで逆方向勾配極性を用いて、HySCO、Block-Matching、TOPUP、Vossの4つの歪み補正手法を評価した。幾何学的指標として、拡散方向の角度集中度および解剖的画像との相互相関を用い、HySCOは脊髄中心線との整合性と画像の忠実度を著しく向上させ、特に取得ウィンドウの上部および下部で顕著であった。

ABSTRACT

Background: Magnetic field inhomogeneities generate important geometric distortions in reconstructed echo-planar images. Various procedures were proposed for correcting these distortions on brain images; yet, few neuroimaging studies tailored and incorporated the use of these techniques in spinal cord diffusion MRI. Purpose: We present a comparative evaluation of distortion correction methods that use the reversed gradient polarity technique on spinal cord. We propose novel geometric metrics to measure the alignment of the reconstructed diffusion model with the apparent centerline of the spinal cord. Subjects: 95 subjects, among which 29 healthy controls and 66 multiple sclerosis patients. Assessment: Geometric distortions were corrected using 4 state-of-the-art methods. We measured the alignment of the principal direction of diffusion with the apparent centerline of the spine after correction and the correlation with the reference anatomical image. Results are computed per vertebral level, to evaluate the impact on different portions of the spine. Besides, subjective evaluation of the quality of the correction of healthy subjects images was performed by three expert raters. Results: As a result of distortion correction, the diffusion directions are better aligned locally with the centerline, in particular at both ends of the acquisition window. The cross-correlation with anatomical image is also improved by Hyperelastic Susceptibility Artefact Correction (HySCO) and block-matching. The subjective evaluation for HySCO is significantly better (p < 0.05) than for Block-Matching; TOPUP performs significantly worse than the three other methods. Conclusion: Correction based on HySCO provide best results among the selected methods.

研究の動機と目的

• 逆方向勾配極性を用いた最新の歪み補正手法を、脊髄拡散MRIにおいて評価・比較すること。
• 特に脊髄の小型および複雑な周囲組織のため、B0不均一性によって生じる幾何学的歪みを是正すること。
• 拡散方向と仮想的な脊髄中心線との整合性を定量化するための新しい幾何学的指標を開発・適用すること。
• 専門家による主観的評価を実施し、補正画像の視覚的品質を評価すること。
• 異なる椎間接レベルにおいて、最も正確で信頼性の高い歪み補正を提供する手法を特定すること。

提案手法

• b値900 s/mm²および30の拡散方向を用いて、95名の被験者（健常者29名、多発性硬化症患者66名）から3Tの拡散強調エコープランァル（EPI）画像を取得した。
• Hyperelastic Susceptibility Artefact Correction（HySCO）、Block-Matching、TOPUP、Vossの4つの歪み補正手法を適用した。これらの手法はすべて逆方向勾配極性に基づいている。
• 仮想的な脊髄中心線との整合性を測定するための新しい幾何学的指標「拡散方向の角度集中度（ACD）」を提案した。
• 補正済み拡散データとT2強調解剖的画像との間の相互相関および相互情報量を、追加の忠実度指標として用いた。
• ボクセル単位での脊髄ボリュームのセグメンテーションを実施し、C1–T2の各椎間接レベルごとに指標を計算して、補正性能の領域的差異を評価した。
• Webインターフェースを用いた主観的評価を実施し、3名の専門家が4つの手法の画像品質を順位付けした。この評価は、レーティング者にランダム効果を含むロジスティック回帰モデルで解析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの歪み補正手法が、椎間接レベルに跨って主な拡散方向を仮想的な脊髄中心線に最もよく再整合させることができるか？
• RQ2 異なる補正手法は、T2強調解剖的画像との相互相関および相互情報量で測定される画像忠実度にどのように影響を及ぼすか？
• RQ3 歪み補正の性能は、頸部・胸背部・脳幹など、脊髄の異なる領域で顕著に異なるか？
• RQ4 専門家による主観的画像品質順位付けは、客観的な幾何学的および強度ベースの指標とどのように一致するか？
• RQ5 HySCO、Block-Matching、TOPUP、Vossの各手法間で、補正性能に統計的に有意な差が認められるか？

主な発見

• HySCOは、未補正データ（p < 10⁻³）および他の手法と比較して、拡散方向の角度集中度（ACD）を著しく改善した。特に脳幹およびC1レベルで顕著であった。
• HySCOはT2強調解剖的画像との相互相関が最高（平均0.242）を示し、未補正データと比較してp値が2.1×10⁻⁴であった。これは、画像の整合性が優れていることを示している。
• 主観的評価では、HySCOはBlock-Matchingよりも顕著に優れていた（p < 0.05）。一方、TOPUPは他のすべての手法よりも顕著に劣っていた。
• Block-MatchingおよびHySCOは相互相関において有意な改善を示した（p = 0.029およびp = 2.1×10⁻⁴）。一方、TOPUPおよびVossは有意差に達しなかった。
• 相互情報量解析により、HySCOの優位性（p = 4.1×10⁻¹⁴）およびBlock-Matchingの優れた性能（p = 10⁻⁵）が確認され、構造的類似性が良好であることが示された。
• 補正手法間で脊髄ボリュームに有意差が認められた（p < 0.05）。HySCOおよびBlock-Matchingは、より一貫性があり正確なセグメンテーションを示した。