[논문 리뷰] High-fidelity, high-isotropic resolution diffusion imaging through gSlider acquisition with B1+ & T1 corrections and multi-coil B0 shim array

Congyu Liao, Jason Stockmann외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 13.

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 3T에서 고등방향 해상도 gSlider 확산 MRI를 향상시키기 위해 B1+ 및 T1 보정을 동적 다중 코ils B0 쉬밍과 조합하여 제안한다. 슬랩 경계 아티팩트와 기하학적 왜곡을 50–80% 감소시켜, 단 20분 내로 64방향을 포함한 1 mm 등방성 전체 뇌 확산 영상 구현이 가능하며, 기존 gSlider 및 EPI 방법에 비해 품질이 크게 향상된다.

ABSTRACT

Purpose: B1+ and T1 corrections and dynamic multi-coil shimming approaches were proposed to improve the fidelity of high isotropic resolution Generalized slice dithered enhanced resolution (gSlider) diffusion imaging. Methods: An extended reconstruction incorporating B1+ inhomogeneity and T1 recovery information was developed to mitigate slab-boundary artifacts in short-TR gSlider acquisitions. Slab-by-slab dynamic B0 shimming using a multi-coil integrated {\Delta}B0/Rx shim-array, and high in-plane acceleration (Rinplane=4) achieved with virtual-coil GRAPPA were also incorporated into a 1 mm isotropic resolution gSlider acquisition/reconstruction framework to achieve an 8-11 fold reduction in geometric distortion compared to single-shot EPI. Results: The slab-boundary artifacts were alleviated by the proposed B1+ and T1 corrections compared to the standard gSlider reconstruction pipeline for short-TR acquisitions. Dynamic shimming provided >50% reduction in geometric distortion compared to conventional global 2nd order shimming. 1 mm isotropic resolution diffusion data show that the typically problematic temporal and frontal lobes of the brain can be imaged with high geometric fidelity using dynamic shimming. Conclusions: The proposed B1+ and T1 corrections and local-field control substantially improved the fidelity of high isotropic resolution diffusion imaging, with reduced slab-boundary artifacts and geometric distortion compared to conventional gSlider acquisition and reconstruction. This enabled high-fidelity whole-brain 1 mm isotropic diffusion imaging with 64 diffusion-directions in 20 minutes using a 3T clinical scanner.

연구 동기 및 목표

• B1+ 비균일성과 T1 복구 효과로 인한 단기 TR gSlider 확산 영상에서의 슬랩 경계 아티팩트를 해결한다.
• 특히 측두엽과 전두엽에서 발생하는 고등방향 해상도 확산 영상의 기하학적 왜곡을 감소시킨다.
• 임상용 3T 스캐너에서 1 mm 등방성 해상도와 64개의 확산 방향을 가능하게 하여 영상 품질을 향상시킨다.
• 전체 뇌 확산 영상에 대한 실용적이고 임상적으로 실행 가능한 촬영 및 재구성 프레임워크를 개발한다.
• 동적 국소 B0 쉬밍을 사용하여 최소한의 왜곡과 아티팩트로 고신뢰도 확산 영상 촬영을 가능하게 한다.

제안 방법

• 단기 TR 촬영에서 슬랩 경계 아티팩트를 완화하기 위해 B1+ 비균일성과 T1 복구 보정을 통합한 확장된 gSlider 재구성 방법을 적용한다.
• 다중 코일 통합 ΔB0/Rx 쉬밍 어레이를 사용해 슬랩 단위로 동적 B0 쉬밍을 구현하여 국소 자기장 제어를 수행한다.
• 수평 방향 가속도 요인 Rinplane = 4를 사용한 가상 코일 GRAPPA를 적용하여 고해상도 및 가속화된 영상 촬영을 가능하게 한다.
• B1+ 및 T1 보정을 gSlider 재구성 파이프라인에 통합하여 신호 정확도를 향상시키고 가장자리 아티팩트를 감소시킨다.
• 슬랩 단위로 동적 쉬밍을 적용하여 국소 B0 비균일성을 적응적으로 보정하고 기하학적 왜곡을 감소시킨다.
• 고수평 가속도와 동적 쉬밍을 조합하여 임상적으로 수용 가능한 촬영 시간 내에 1 mm 등방성 해상도를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B1+ 및 T1 보정이 단기 TR gSlider 확산 영상에서 슬랩 경계 아티팩트를 유의미하게 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 기존의 전역 2차 B0 쉬밍에 비해 다중 코일 동적 B0 쉬밍이 기하학적 왜곡을 얼마나 감소시키는가?
• RQ3 임상용 3T 스캐너에서 고신뢰도와 낮은 왜곡으로 1 mm 등방성 해상도 확산 영상 촬영이 가능한가?
• RQ4 B1+/T1 보정과 동적 쉬밍의 조합이 측두엽과 전두엽과 같은 도전적인 뇌 영역에서 영상 품질 향상에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 제안된 프레임워크를 사용해 64방향을 포함한 전체 뇌 1 mm 등방성 확산 영상 촬영에 필요한 촬영 시간은 얼마인가?

주요 결과

• 표준 재구성에 비해 B1+ 및 T1 보정은 단기 TR gSlider 촬영에서 슬랩 경계 아티팩트를 감소시켰다.
• 동적 쉬밍은 기존의 전역 2차 B0 쉬밍 대비 기하학적 왜곡을 50% 이상 감소시켰다.
• 1 mm 등방성 해상도 확산 영상은 측두엽과 전두엽에서 높은 기하학적 정밀도로 성공적으로 확보되었다.
• 제안된 방법은 3T 스캐너에서 20분 내로 64개의 확산 방향을 포함한 전체 뇌 1 mm 등방성 확산 영상 촬영을 가능하게 하였다.
• 싱글 셔트 EPI에 비해 기하학적 왜곡이 8–11배 감소하여 공간 정확도가 뛰어나다는 것을 입증하였다.
• B1+ 보정, T1 복구 모델링, 동적 다중 코일 쉬밍의 통합은 영상 품질 향상과 임상 적용 가능성에 크게 기여하였다.