[論文レビュー] Free-Breathing Myocardial T1 Mapping using Inversion-Recovery Radial FLASH and Motion-Resolved Model-Based Reconstruction

Xiaoqing Wang, Sebastian Rosenzweig+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Advanced MRI Techniques and Applications参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、逆転回帰ラジアルFLASHとモーショングローブモデルベース再構成を用いた自由換気型心筋T₁マッピング技術を提案し、呼気制限を要せず2分未満で正確で高精度かつ再現性のあるT₁マッピングを実現した。この手法は、インバージョン間のT₁回復が不完全な状態を補正し、SSA-FARYを用いてk-spaceデータから呼吸運動を推定し、コイル感度のキャリブレーションを不要とするモーショングローブ再構成を、空間的・時間的全変動とスパarsity制約を組み合わせることで画像品質とパrameterの正確性を向上させる。

ABSTRACT

Purpose: To develop a free-breathing myocardial T1 mapping technique using inversion-recovery (IR) radial fast low-angle shot (FLASH) and calibrationless motion-resolved model-based reconstruction. Methods: Free-running (free-breathing, retrospective cardiac gating) IR radial FLASH is used for data acquisition at 3T. First, to reduce the waiting time between inversions, an analytical formula is derived that takes the incomplete T1 recovery into account for an accurate T1 calculation. Second, the respiratory motion signal is estimated from the k-space center of the contrast varying acquisition using an adapted singular spectrum analysis (SSA-FARY) technique. Third, a motion-resolved model-based reconstruction is used to estimate both parameter and coil sensitivity maps directly from the sorted k-space data. Thus, spatiotemporal total variation, in addition to the spatial sparsity constraints, can be directly applied to the parameter maps. Validations are performed on an experimental phantom, eleven human subjects, and a young landrace pig with myocardial infarction. Results: In comparison to an IR spin-echo reference, phantom results confirm good T1 accuracy when reducing the waiting time from five seconds to one second using the new correction. The motion-resolved model-based reconstruction further improves precision compared to the spatial regularization-only reconstruction. Aside from showing that a reliable respiratory motion signal can be estimated using modified SSA-FARY, in vivo studies demonstrate that dynamic myocardial T1 maps can be obtained within two minutes with good precision and repeatability. Conclusion: Motion-resolved myocardial T1 mapping during free-breathing with good accuracy, precision and repeatability can be achieved by combining inversion-recovery radial FLASH, self-gating and a calibrationless motion-resolved model-based reconstruction.

研究の動機と目的

• 呼気制限を不要とする自由換気型T₁マッピング技術の開発により、患者の快適性とスキャンの実現可能性を向上させること。
• 繰り返し時間（TR）を5秒から1秒に短縮した場合のインバージョンパルス間のT₁回復が不完全な状態を補正し、スキャン効率を向上させること。
• 外部デバイスを用いずに、適応版SSA-FARY手法を用いてk-spaceデータから呼吸運動を直接推定し、自己ガーディングを可能とすること。
• 空間的・時間的全変動とスパarsity制約を組み合わせたキャリブレーション不要のモデルベースフレームワークを用いて、モーショングローブT₁マップを高精度に再構成すること。
• 心筋梗塞を示すラボラトリーサイエンスモデル、健康な被検者、およびフィジカル・フォームのモデルを用いた検証により、本手法の正確性と再現性を示すこと。

提案手法

• 本手法は、3Tで自由換気状態と後向き心拍同期を用いたk-spaceデータ取得に、逆転回帰ラジアルFLASHを用いる。
• 短い繰り返し時間における不完全なT₁回復を補正するための解析的補正式を導出する。
• コントラスト変動ラジアルデータのk-space中心から、変更された特異スペクトル分析（SSA-FARY）技術を用いて呼吸運動を推定する。
• モーショングローブモデルベース再構成を適用し、k-spaceデータを分類した上で、直接的にT₁マップとコイル感度マップを推定する。
• 再構成には、IRGNM-ADMMアルゴリズムを用いて、空間的・時間的全変動と空間スパarsity制約を組み合わせ、精度を向上させるとともにノイズを低減する。
• 本手法はキャリブレーション不要であり、別個のコイル感度キャリブレーションスキャンの必要がない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 繰り返し時間（TR）を5秒から1秒に短縮した場合、不完全なT₁回復を補正する解析的補正を用いることで、T₁マッピングの正確性を維持できるか？
• RQ2 外部モニタリングデバイスを用いずに、適応版SSA-FARY手法を用いてk-space中心から呼吸運動を信頼性高く推定できるか？
• RQ3 空間的正則化のみを用いる場合と比較して、空間的・時間的全変動とスパarsity制約を組み合わせたモーショングローブモデルベース再構成により、T₁マップの精度が向上するか？
• RQ4 臨床的に実用可能なスキャン時間（2分未満）で、健康な心筋組織および病変組織において、高精度・高精度・再現性のある自由換気型T₁マッピングが可能か？
• RQ5 本手法は、フィジカル・フォーム、健康なボランティア、心筋梗塞を示す動物モデルを含む多様なイメージング状況においても頑健であるか？

主な発見

• フィジカル・フォーム実験では、繰り返し時間（TR）を5秒から1秒に短縮しても、提案されたT₁補正が高い正確性を維持していることが確認された。
• モーショングローブモデルベース再構成は、空間正則化のみの再構成と比較して、特に動的組織領域でT₁の精度が顕著に向上した。
• 変更版SSA-FARY手法は、k-spaceデータから呼吸運動信号を効果的に推定でき、外部ハードウェアを不要とする効果的な自己ガーディングを実現した。
• 体内実験では、健康な被検者において2分未満で高精度かつ良好な再現性を持つ動的心筋T₁マップを取得できた。
• 若齢のランドレースブタにおいて心筋梗塞を示す状態でも、信頼性のあるT₁定量が達成されたことから、臨床的患者応用の可能性が示された。
• GPU加速実装により再構成時間を25分に短縮したが、臨床ワークフロー統合のためのさらなる最適化が求められる。