[논문 리뷰] Evaluation of distortion correction methods in diffusion MRI of the spinal cord

Haykel Snoussi, Julien Cohen‐Adad외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 09.

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications참고 문헌 17인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 3T에서 척수 확산 MRI에서 기울기 극성을 뒤집은 방식을 사용하여 네 가지 왜곡 보정 방법(HySCO, Block-Matching, TOPUP, Voss)을 평가한다. 기하학적 지표인 확산 방향의 각도 농도 및 해부학적 영상과의 상관관계를 통해 HySCO는 척수 중심선과의 정렬 및 영상 품질을 특히 촬영 창의 상부 및 하부에서 뚜렷하게 향상시키며 뛰어난 보정 성능을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기울기 극성을 뒤집은 방식을 사용하여 최신 기술의 척수 확산 MRI 왜곡 보정 방법을 평가하고 비교한다.
• 특히 척수의 작은 크기와 복잡한 주변 조직으로 인해 심각한 B0 비균일성으로 인한 기하학적 왜곡을 해결한다.
• 확산 방향과 명시적 척수 중심선 간의 정렬 정도를 정량화하기 위해 새로운 기하학적 지표를 개발하고 적용한다.
• 전문 평가자들이 수행하는 주관적 평가를 통해 보정된 영상의 시각적 품질을 평가한다.
• 다양한 척추 수준에서 가장 정확하고 신뢰할 수 있는 왜곡 보정 성능을 제공하는 방법을 규명한다.

제안 방법

• b값 900 s/mm²와 30개의 확산 방향을 사용하여 95명의 참가자(건강자 29명, 다발성 경화증 환자 66명)의 3T 확산 가속화 에코 플레어 영상(EPI) 데이터를 확보하였다.
• 기울기 극성 뒤집기를 기반으로 네 가지 왜곡 보정 방법을 적용: 초탄성 자속성 간섭 보정(HySCO), 블록 매칭, TOPUP, Voss.
• 명시적 척수 중심선과의 정렬 정도를 측정하기 위해 새로운 기하학적 지표인 확산 방향의 각도 농도(ACD)를 제안하였다.
• 보정된 확산 데이터와 T2 가중 해부학적 영상 간의 상관관계 및 상호정보량을 추가로 영상 충실도 지표로 사용하였다.
• 체질량 단위의 척수 부위를 병렬 분할하고 각 척추 수준(C1–T2)에서 지표를 계산하여 보정 성능의 지역적 변동성을 평가하였다.
• 웹 인터페이스를 통해 전문 평가자 3명이 영상 품질을 네 가지 방법에 대해 순위 매기며 주관적 평가를 수행하였으며, 평가자 무작위 효과를 포함한 로지스틱 회귀 모델을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 척추 수준에서 어떤 왜곡 보정 방법이 명시적 척수 중심선과의 주요 확산 방향 정렬에 가장 효과적인가?
• RQ2 다른 보정 방법은 T2 가중 해부학적 영상과의 상관관계 및 상호정보량을 기준으로 영상 충실도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 왜곡 보정 성능은 척수의 다양한 영역(예:ervical vs. thoracic vs. 뇌간)에서 유의미하게 다를까?
• RQ4 전문 평가자들이 평가한 주관적 영상 품질 순위는 객관적인 기하학적 및 강도 기반 지표와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 HySCO, Block-Matching, TOPUP, Voss 간의 보정 성능에 통계적으로 유의미한 차이가 있는가?

주요 결과

• HySCO는 보정되지 않은 데이터와 비교해 확산 방향의 각도 농도(ACD)를 유의미하게 향상시켰다(p < 10⁻³), 특히 뇌간 및 C1 수준에서 두드러졌다.
• HySCO는 T2 가중 해부학적 영상과 가장 높은 상관관계(평균 0.242)를 기록했으며, 보정되지 않은 데이터와 비교해 p값이 2.1×10⁻⁴로 유의미하여 영상 정렬 품질이 뛰어났다.
• 주관적 평가에서 HySCO는 Block-Matching보다 유의미하게 높은 순위를 기록했으며(p < 0.05), TOPUP는 다른 모든 방법보다 유의미하게 낮은 순위를 기록했다.
• Block-Matching와 HySCO는 상관관계에서 유의미한 향상(각각 p = 0.029 및 p = 2.1×10⁻⁴)을 보였지만, TOPUP와 Voss는 유의미한 향상이 없었다.
• 상호정보량 분석을 통해 HySCO의 열등함이 확인되었으며(p = 4.1×10⁻¹⁴), Block-Matching의 뛰어난 성능도 확인되었으며(p = 10⁻⁵), 이는 더 나은 구조적 유사성을 의미한다.
• 보정 방법 간 척수 부피에 유의미한 차이가 관찰되었으며(p < 0.05), HySCO와 Block-Matching는 더 일관되고 정확한 분할 성능을 보였다.