[論文レビュー] High-resolution diffusion-weighted imaging at 7 Tesla: single-shot readout trajectories and their impact on signal-to-noise ratio, spatial resolution and accuracy

Sajjad Feizollah, Christine Tardif|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2022

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications参考文献 63被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、7Tにおける1ショット拡散テンソル画像法のトレーサーとして、EPI、部分フーリエEPI、スパイラルの3つのトレーサーを比較し、SNR、空間分解能、正確性のトレードオフを最適化することを目的としている。EPIは最高の効果的分解能と特異性を示すが、スパイラルは顕著に高いSNRを達成し、超高磁束密度下でも空間特異性が低いにもかかわらず、優れた効果的分解能を実現できる。

ABSTRACT

Diffusion MRI (dMRI) is a valuable imaging technique to study the brain in vivo. However, the resolution of dMRI is limited by the low signal-to-noise ratio (SNR) of this technique. Various acquisition strategies have been developed to achieve high resolutions, but they require long scan times. Imaging at ultra-high fields (UHF) could further increase the SNR of single-shot dMRI; however, the shorter T2* and the greater field non-uniformities will degrade image quality. In this study, we investigated the trade-off between the SNR and resolution of different k-space trajectories, including echo planar imaging (EPI), partial Fourier EPI, and spiral, over a range of resolutions at 7T. The effective resolution, spatial specificity and sharpening effect were measured from the point spread function (PSF) of the simulated diffusion sequences for a nominal resolution range of 0.6-1.8 mm. In-vivo scans were acquired using the three readout trajectories. Field probes were used to measure dynamic magnetic fields up to the 3rd order of spherical harmonics. Using a static field map and the measured trajectories image artifacts were corrected, leaving T2* effects as the primary source of blurring. The effective resolution was examined in fractional anisotropy (FA) maps. In-vivo scans were acquired to calculate the SNR. EPI trajectories had the highest specificity, effective resolution, and image sharpening effect, but also had substantially lower SNR. Spirals had significantly higher SNR, but lower specificity. Line plots of the in-vivo scans in phase and frequency encode directions showed ~0.2 units difference in FA values between the different trajectories. The difference between the effective and nominal resolution is greater for spirals than for EPI. However, the higher SNR of spiral trajectories at UHFs allows us to achieve higher effective resolutions compared to EPI and PF-EPI trajectories.

研究の動機と目的

• 7Tにおける高分解能1ショット拡散テンソル画像法において、異なるk空間トレーサーがSNR、空間分解能、画像正確性に与える影響を評価すること。
• EPI、部分フーリエEPI、スパイラルトレーサーの各々について、点スプール関数（PSF）解析を用いて効果的分解能と空間特異性を定量すること。
• 磁界不均一性およびT2*のぼやけを考慮した、FAマップおよびSNR測定を用いた被検体内でのトレーサー性能の評価。
• とくにスパイラルトレーサーにおいて顕著な、名目分解能と効果的分解能の差異を調査すること。
• フィールドプローブおよび静的フィールドマップを用いた動的磁界効果の補正を行い、T2*を画像ぼやけの主因として分離すること。

提案手法

• 名目分解能0.6–1.8 mmの範囲で、EPI、部分フーリエEPI、スパイラルk空間トレーサーを用いたシミュレーテッド拡散シーケンスの作成。
• 各トレーサーの点スプール関数（PSF）から、効果的分解能および空間特異性を計算。
• 健常被検者を用いた被検体内7T DWIスキャンを、3つのトレーサーすべてで実施。
• 動的磁界を球面調和関数の3次まで測定するためのフィールドプローブを用いた。
• 静的フィールドマップと測定されたトレーサーを適用し、幾何的歪みおよびオフレゾナンス効果を補正。
• フィールド関連アーチファクトを補正した後、T2*効果が画像ぼやけの主因であると特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 7Tにおいて、EPI、部分フーリエEPI、スパイラルトレーサーは、効果的分解能および空間特異性においてどのように比較されるか？
• RQ2 T2*減衰が画像ぼやけに与える影響は何か？ また、トレーサーの種別によってその影響はどのように異なるか？
• RQ3 スパイラルトレーサーの高いSNRは、空間特異性が低いという欠点を補って、高い効果的分解能を達成するのにどの程度寄与するか？
• RQ4 とくに高空間分解能において、名目分解能と効果的分解能の差異がトレーサーごとにどのように変化するか？
• RQ5 被検体内スキャンにおけるFA値のトレーサー間の定量的差異は何か？ これは正確性にどのような意味を持つのか？

主な発見

• EPIトレーサーは、空間特異性と効果的分解能が最も高く、被検体内スキャンにおける位相および周波数エンコーディング方向で、スパイラルと比較して約0.2 FA単位の差を示した。
• スパイラルトレーサーは、EPIおよび部分フーリエEPIよりも顕著に高いSNRを達成し、空間特異性が低いにもかかわらず、高い効果的分解能を実現できた。
• スパイラルでは、名目分解能と効果的分解能の差異がEPIよりも顕著であり、スパイラルトレーサーでは分解能忠実度の低下が顕著に見られた。
• SNRが低いにもかかわらず、EPIは高い特異性のおかげで優れた画像シャープネスと空間正確性を維持した。
• 磁界不均一性を補正した後も、T2*効果が画像ぼやけの主因であり、とくにスパイラルトレーサーに顕著に影響を与えた。
• 超高磁束密度下では、スパイラルトレーサーの効果的分解能がEPIを上回った。これは、7Tにおける高分解能dMRIにおいて、優れたSNRが大きな利点であることを示している。