[논문 리뷰] 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)|2022. 07. 15.

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications참고 문헌 63인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 7T에서 단일 촬영 확산 영상 촬영 경로—EPI, 부분 푸리에 EPI, 나선형 경로—를 조사하여 신호 대 잡음비(SNR), 공간 해상도, 정확성 간의 상충 관계를 최적화한다. EPI는 가장 높은 효과적 해상도와 특이도를 제공하지만, 나선형 경로는 초고자기장에서의 해상도 특이도가 낮음에도 불구하고 높은 SNR를 제공하여 뛰어난 효과적 해상도를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 7T에서 고해상도 단일 촬영 확산 영상 촬영에서 다양한 k-space 경로가 SNR, 공간 해상도, 영상 정확성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• EPI, 부분 푸리에 EPI, 나선형 경로 전반에 걸쳐 점원함수(PSF) 분석을 통해 효과적 해상도와 공간 특이도를 정량화하기 위해.
• 자기장 비균일성과 T2* 블러링을 고려하여 FA 지도와 SNR 측정을 통해 생체 내 성능을 평가하기 위해.
• 특히 나선형 경로에서의 명시적 해상도와 효과적 해상도 간의 괴리 원인을 조사하기 위해.
• 장치 프로브와 정적 자기장 지도를 사용하여 동적 자기장 효과를 보정하고, T2*를 영상 블러링의 주요 원인으로 분리하기 위해.

제안 방법

• 명시적 해상도 0.6–1.8 mm 범위에서 EPI, 부분 푸리에 EPI, 나선형 k-space 경로를 사용한 시뮬레이션 확산 시퀀스.
• 각 경로의 점원함수(PSF)에서 효과적 해상도와 공간 특이도를 계산하기 위해.
• 건강한 피험자에서 7T에서 모든 세 가지 경로를 사용하여 생체 내 7T DWI 스캔을 촬영하기 위해.
• 3차까지의 구면 조화함수 기반으로 동적 자기장을 측정하기 위해 장치 프로브를 사용하기 위해.
• 정적 자기장 지도와 측정된 경로를 적용하여 기하학적 왜곡과 공진수 이완 효과를 보정하기 위해.
• 자기장 관련 아티팩트를 보정한 후 T2* 효과가 영상 블러링의 주요 원인임을 분리하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 7T에서 EPI, 부분 푸리에 EPI, 나선형 경로는 효과적 해상도와 공간 특이도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 T2* 감쇠가 영상 블러링에 미치는 영향은 무엇이며, 경로 유형 간에 어떻게 다를까?
• RQ3 나선형 경로의 높은 SNR가 낮은 공간 특이도를 상쇄하여 고효과적 해상도를 달성하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ4 특히 고공간 해상도에서, 명시적 해상도와 효과적 해상도 간의 차이가 경로에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 생체 내 스캔에서 경로 간 분수 이방성(FA) 값의 정량적 차이는 무엇이며, 이는 정확성에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• EPI 경로는 가장 높은 공간 특이도와 효과적 해상도를 보였으며, 생체 내 위상 및 주파수 인코딩 방향에서 나선형 경로와 약 0.2 FA 단위의 차이를 보였다.
• 나선형 경로는 EPI 및 부분 푸리에 EPI보다 유의미하게 높은 SNR를 확보하여, 낮은 공간 특이도에도 불구하고 높은 효과적 해상도를 달성할 수 있었다.
• 명시적 해상도와 효과적 해상도 간 괴리 정도는 나선형 경로에서 EPI보다 더 크며, 이는 나선형 경로에서 해상도 정밀도가 더 크게 저하됨을 시사한다.
• 낮은 SNR에도 불구하고 EPI는 높은 특이도 덕분에 뛰어난 영상 선명도와 공간 정확도를 유지했다.
• 자기장 비균일성 보정 후에도 T2* 효과가 영상 블러링의 주요 원인으로 남아 있었으며, 특히 나선형 경로에 가장 크게 영향을 주었다.
• 초고자기장에서 나선형 경로의 효과적 해상도는 EPI를 초월하여 높은 SNR 덕분에 고해상도 dMRI에서의 핵심 이점임을 입증하였다.