[논문 리뷰] Design and Characterisation of Tissue-Mimicking Gel Phantoms for Diffusion Kurtosis Imaging

Z.G. Portakal-Uçar, Sophie Shermer외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 30.

MRI in cancer diagnosis인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 아가르, 아가라이즈, PVA에 유리 미세구슬을 첨가하여 조직 유사성 젤 프라즈마를 개발하여 MRI 품질 확보 및 프로토콜 최적화를 위한 정확한 확산 곡률 영상(DKI)을 가능하게 한다. 미세구슬 농도를 조절함으로써 곡률 값은 0.05에서 0.523으로 증가하였으며, 이는 생체 내 조직 값과 매우 유사했고, 실온에서 6개월 간 안정된 확산 및 리아케이션 특성을 유지하였다.

ABSTRACT

Purpose: The aim of this work was to create tissue-mimicking gel phantoms appropriate for diffusion kurtosis imaging (DKI) for quality assurance, protocol optimization and sequence development. Methods: A range of agar, agarose and polyvinyl alcohol phantoms with concentrations ranging from 1.0% to 3.5%, 0.5% to 3.0% and 10% to 20%, respectively, and up to 3 g of glass microspheres per 100 ml were created. Diffusion coefficients, excess kurtosis values and relaxation rates were experimentally determined. Results: The kurtosis values for the plain gels ranged from 0.05 with 95% confidence interval (CI) of $(0.029, 0.071)$ to $0.216(0.185, 0.246)$, well below the kurtosis values reported in the literature for various tissues. The addition of glass microspheres increased the kurtosis of the gels with values up to $0.523(0.465, 0.581)$ observed for gels with the highest concentration of microspheres. Repeat scans of some of the gels after more than six months of storage at room temperature indicate changes in the diffusion parameters of less than 10%. The addition of the glass microspheres reduces the apparent diffusion coefficients (ADCs) and increases the longitudinal and transverse relaxation rates but the values remain comparable to those for plain gels and tissue, with ADCs observed ranging from $818(585, 1053) imes 10^{-6}$ mm$^2$/s to $2257(2118, 2296) imes 10^{-6}$ mm$^2$/s, and R1 values ranging from $0.34(0.32, 0.35)$ 1/s to $0.51(0.50, 0.52)$ 1/s, and R2 values ranging from $9.69(9.34, 10.04)$ 1/s to $33.07(27.10, 39.04)$ 1/s. Conclusions: Glass microspheres can be used to effectively modify diffusion properties of gel phantoms and achieve a range of kurtosis values comparable to those reported for a variety of tissues.

연구 동기 및 목표

• MRI 품질 확보 및 프로토콜 개발을 위한 확산 곡률 영상(DKI)에 적합한 조직 유사성 젤 프라즈마를 설계하는 것.
• 생체 내 곡률 값과 일치하는 조절 가능한 비정규 분포 특성을 가진 프라즈마의 부족을 해결하는 것.
• 실온 저장 조건에서 장기적인 안정성을 확보하기 위해 프라즈마의 확산 및 리아케이션 파라미터의 안정성을 확보하는 것.
• 유리 미세구슬이 젤 매트릭스 내에서 확산 계수, 곡률, 그리고 리아케이션 속도(R1, R2)에 미치는 영향을 특성화하는 것.
• 6개월 간의 반복 스캔을 통해 프라즈마의 재현성과 일관성을 평가하는 것.

제안 방법

• 1.0%에서 3.5%까지, 0.5%에서 3.0%까지, 10%에서 20%까지의 농도로 아가르, 아가라이즈, 폴리비닐알코올(PVA) 젤을 제조하였다.
• 최대 3 g/100 mL까지의 유리 미세구슬을 젤에 첨가하여 미세구조적 이질성을 증가시키고 곡률을 향상시켰다.
• 3T 스캐너에서 다중-b값 확산 가중 MRI 데이터를 확보하여 상대적 확산 계수(ADC), 곡률(K), 리아케이션 속도(R1, R2)를 계산하였다.
• 6개월 후 저장된 프라즈마에 대해 반복 스캔을 실시하여 확산 및 리아케이션 파라미터의 장기적 안정성을 평가하였다.
• 보간 단위 분석을 통해 확산 및 리아케이션 맵의 공간 균일성을 평가하였다.
• 95% 신뢰구간을 사용한 통계 분석을 통해 측정된 파라미터의 불확실성을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 젤링제와 유리 미세구슬을 사용하여 조절 가능한 곡률을 가진 젤 프라즈마를 제작하여 생체 내 조직의 비정규 분포 특성을 모방할 수 있는가?
• RQ2 유리 미세구슬의 첨가가 아가르, 아가라이즈, PVA 젤에서 상대적 확산 계수(ADC), 곡률, 리아케이션 속도(R1, R2)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 프라즈마의 확산 및 리아케이션 특성이 실온에서 장기간 저장된 후에도 얼마나 안정적인가?
• RQ4 다양한 젤 유형과 미세구슬 농도에서 리아케이션 시간과 확산 거동 측면에서 조직 유사성 특성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 측정된 곡률 값은 인간 조직에서 보고된 값과 어떻게 비교되며, 임상 범위에 맞게 조절 가능한가?

주요 결과

• 순수 아가르, 아가라이즈, PVA 젤은 곡률 값이 0.05(95% CI: 0.029–0.071)에서 0.216(0.185–0.246) 사이로 나타나 일반적인 생체 내 조직 값보다 유의미하게 낮았다.
• 유리 미세구슬 첨가로 곡률 값은 최대 0.523(95% CI: 0.465–0.581)까지 증가하였으며, 다양한 인간 조직에서 보고된 곡률 값과 매우 유사하였다.
• 상대적 확산 계수(ADC)는 818(585–1053) × 10⁻⁶ mm²/s에서 2257(2118–2296) × 10⁻⁶ mm²/s 사이로 변동하였으며, 미세구슬 농도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다.
• 장축 리아케이션 속도(R1)는 0.34(0.32–0.35)/s에서 0.51(0.50–0.52)/s로 변화하였고, 횡축 리아케이션 속도(R2)는 9.69(9.34–10.04)/s에서 33.07(27.10–39.04)/s로 변화하였으며, 모두 조직 관련 범위 내에 있었다.
• 6개월 후 반복 스캔 결과 확산 파라미터 변화는 10% 미만으로 나타나 프라즈마의 강한 장기적 안정성을 입증하였다.
• 공간 균일성 분석 결과 확산 및 리아케이션 파라미터의 표준편차는 몇 퍼센트 수준이었으며, 프라즈마 전체 부피에서 양호한 균일성을 나타내었다.