[논문 리뷰] BMART-Enabled Field-Map Combination of Projection-Reconstruction Phase-Cycled SSFP Cardiac Cine for Banding and Flow-Artifact Reduction

Anjali Datta, Dwight G. Nishimura외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 22.

Advanced MRI Techniques and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 주파수 변조를 적용한 투영-재구성(PR) 경로와 BMART 기반 B0 필드 매핑을 통해 단일 숨 참기 동안 띠무늬 없고 유동성 아티팩트가 감소된 균형 임펄스 스위프트(balanced SSFP) 심장 시네 영상 촬영을 가능하게 한다. 필드 매핑을 통해 위상 사이클 이미지에 가중치를 주고, 정지대역 및 근접대역 유동성 아티팩트를 제외함으로써, 기존의 제곱근 합합(SOS) 조합 방식보다 더 균일한 혈관 내 혈액 풀 신호를 달성한다.

ABSTRACT

Purpose: To develop a method for banding-free bSSFP cardiac cine with substantially reduced flow artifacts. Methods: A projection-reconstruction (PR) trajectory is proposed for a frequency-modulated cine sequence, facilitating reconstruction of three phase cycles and a field-map time series from a short, breath-held scan. Data is also acquired during the gradient rewinders to enable generation of field maps using BMART, B$_0$ mapping using rewinding trajectories, where the rewind data forms the second TE image for calculating the field map. A field-map-based combination method is developed which weights the phase-cycle component images to include only passband signal in the final cine images, and exclude stopband and near-band flow artifacts. Results: The weights derived from the BMART-generated field maps mask out banding and near-band flow artifacts in and around the heart. Therefore, the field-map-based phase-cycle combination, which is facilitated by the PR acquisition with BMART, results in more homogeneous blood pools and reduced hyperintense regions than root-sum-of-squares. Conclusion: With the proposed techniques, using a non-Cartesian trajectory for a frequency-modulated cine sequence enables flow-artifact-reduced banding-free cardiac imaging within a short breath-hold.

연구 동기 및 목표

• 균형 임펄스 스위프트(bSSFP) 심장 시네 영상에서 띠무늬 아티팩트를 해결하기 위해 최소한의 스캔 시간 증가로 위상 사이클 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 기본적인 위상 사이클 조합 방법조차도 지속되는 대역 근처의 유동성 유도 아티팩트를 줄이기 위해.
• 필드 매핑을 활용하여 위상 사이클 조합 중에 오직 통과대역 신호만 선택적으로 포함하고 정지대역 및 근접대역 유동성 아티팩트는 배제하는 방법을 개발하기 위해.
• PR 경로의 기울기 재정렬 기간 동안 확보된 데이터를 활용하여 추가 스캔 없이 필드 매핑 추정을 가능하게 하기 위해.
• 개선된 영상 균일성과 혈관 내 혈액 풀의 과도한 강도 감소를 달성하는 임상적으로 실현 가능한 짧은 숨 참기 동안의 심장 시네 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 단일 숨 참기 13심장박동 내에 세 개의 위상 사이클 bSSFP 영상과 필드 매핑을 확보하기 위해 비카르테시안 투영-재구성(PR) 경로를 사용한다.
• 추가 안정화 비트 없이 위상 사이클의 교차 촬영을 가능하게 하기 위해 시퀀스에 주파수 변조를 적용한다.
• 일반적인 읽기 및 기울기 재정렬 기간 동안 데이터를 확보하여, B0 필드 매핑 추정을 위해 더 늦은 TE를 가진 두 번째 에코를 확보한다. 이는 BMART(B0 매핑을 위한 재정렬 경로 사용) 기반 방법이다.
• BMART 기법은 재정렬 데이터를 두 번째 에코로 사용하여 B0 필드 매핑을 계산하며, 이를 통해 각 볼륨에서 국소적인 오프레온앙 주파수를 결정한다.
• 필드 매핑 기반 위상 사이클 조합 방법은 각 성분 이미지에 대해 통과대역에 가까운 정도에 따라 가중치를 부여하여, 정지대역 및 근접대역 영역의 신호를 배제한다.
• 최종 시네 영상 재구성은 필드 매핑 유도 가중치를 사용하여 위상 사이클 이미지를 조합함으로써, 외부 슬라이스 유동성과 띠무늬 아티팩트 기여를 최소화하고 오직 통과대역 신호만 선호한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 변조를 적용한 PR 경로는 단일 스캔 내에서 다수의 위상 사이클과 B0 필드 매핑을 효율적으로 촬영할 수 있는가?
• RQ2 BMART로 생성된 필드 매핑은 심장 시네 영상에서 위상 사이클 조합 중에 정지대역 및 근접대역 유동성 아티팩트를 선택적으로 제외하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ3 필드 매핑 기반 위상 사이클 조합은 기존의 제곱근 합합(SOS) 조합 방식에 비해 혈관 내 혈액 풀의 과도한 강도를 줄이는가?
• RQ4 이 방법은 스캔 시간이 단일 숨 참기 초과하지 않도록 하면서도 띠무늬 없고 유동성 아티팩트가 감소된 bSSFP 시네 영상 촬영을 가능하게 하는가?
• RQ5 이 필드 매핑 기반 조합은 복잡하거나 기울어진 유동성이 있는 영역에서 잔류 유동성 아티팩트에 대해 얼마나 강건한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 13심장박동의 숨 참기 내에서 세 개의 위상 사이클 영상과 B0 필드 매핑을 성공적으로 확보하여 빠르고 임상적으로 실현 가능한 스캔를 가능하게 하였다.
• BMART를 통해 생성된 필드 매핑은 오프레온앙 주파수를 정확하게 식별하여 통과대역과 정지대역 신호 성분을 정밀하게 구분할 수 있었다.
• 필드 매핑 기반 조합은 띠무늬와 근접대역 유동성 아티팩트를 효과적으로 제거하여, 기존의 제곱근 합합(SOS) 조합 대비 훨씬 더 균일한 혈관 내 혈액 풀 신호를 제공하였다.
• 특히 오른쪽 심실과 좌심실 출구부 근처에서 일반적으로 두드러지게 나타나는, 유동성 아티팩트와 연관된 과도한 강도 영역이著명하게 감소하였다.
• 19명의 환자 데이터셋에서 모든 심장 주기와 슬라이스에서 이 방법은 일관된 성능을 보였으며, 모든 케이스에서 유사한 아티팩트 감소 효과를 관찰하였다.
• 일부 케이스에서는 잔류 과도한 강도가 관찰되었으며, 이는 필드 매핑의 정확도 부족이나 기울어진 유동성에 의한 국소적이지 않은 유동 기여 때문일 가능성이 있으며, 필드 매핑 해상도 또는 가중치 함수의 향상 여지가 있음을 시사한다.