[論文レビュー] Unconstrained quantitative magnetization transfer imaging: disentangling T1 of the free and semi-solid spin pools

Jakob Assländer, Andrew Mao+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2023

Advanced MRI Techniques and Applications参考文献 75被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、臨床的3T MRIにおけるボクセル単位で制約のない定量的磁化移動（qMT）マッピングを可能にするハイブリッド状態パルスシーケンスを提案する。これにより、脳白質における自由（$T_1^f \approx 1.90$ s）および準固体（$T_1^s \approx 0.327$ s）プールのT1リラクセーション時間の同時推定が可能となる。この手法は、MTが縦方向リラクセーションの主要因であることを確認し、従来の仮定よりも大きな準固体プール分率（$m_0^s \approx 0.202$）を示し、複数の多発性硬化症（MS）患者と対照群との間で正常に見える白質における$T_1^f$の統計的に有意な差を検出する。

ABSTRACT

Since the inception of magnetization transfer (MT) imaging, it has been widely assumed that Henkelman's two spin pools have similar longitudinal relaxation times, which motivated many researchers to constrain them to each other. However, several recent publications reported a $T_1^s$ of the semi-solid spin pool that is much shorter than $T_1^f$ of the free pool. While these studies tailored experiments for robust proofs-of-concept, we here aim to quantify the disentangled relaxation processes on a voxel-by-voxel basis in a clinical imaging setting, i.e., with an effective resolution of 1.24mm isotropic and full brain coverage in 12min. To this end, we optimized a hybrid-state pulse sequence for mapping the parameters of an unconstrained MT model. We scanned four people with relapsing-remitting multiple sclerosis (MS) and four healthy controls with this pulse sequence and estimated $T_1^f \approx 1.84$s and $T_1^s \approx 0.34$s in healthy white matter. Our results confirm the reports that $T_1^s \ll T_1^f$ and we argue that this finding identifies MT as an inherent driver of longitudinal relaxation in brain tissue. Moreover, we estimated a fractional size of the semi-solid spin pool of $m_0^s \approx 0.212$, which is larger than previously assumed. An analysis of $T_1^f$ in normal-appearing white matter revealed statistically significant differences between individuals with MS and controls.

研究の動機と目的

• 磁化移動（MT）が脳組織における縦方向リラクセーションの主要因であることを確認し、$T_1^f = T_1^s$と一般的に仮定される状況に疑問を呈すること。
• ボクセル単位で非制約的なMTモデルをフィッティング可能な、臨床的実用性があり、1mm等方的で全脳12分のパルスシーケンスを開発すること。
• より高いパrameter感度で、体内で$T_1^f$、$T_1^s$および準固体プール分率$m_0^s$を定量すること。
• MS患者と健康対照群との間で、正常に見える白質（NAWM）における$T_1^f$の差を比較することにより、微妙な神経変性変化を検出すること。
• 再現性および将来的なMTパルスシーケンス最適化のためのオープンソースツールを提供すること。

提案手法

• 本研究では、一般化ブロッホ方程式フレームワークにおけるハイブリッド状態の符号化特性を活用して、MTモデルパラメータへの感度を向上させるハイブリッド状態パルスシーケンスを採用する。
• RFパルスとk空間トレースの共同最適化により、単位時間あたりの情報量を最大化し、1mm等方的解像度で12分間の全脳スキャンを実現する。
• 各ボクセルの信号変化に非線形最小二乗フィッティング手順を適用し、$T_1^s$の固定値を仮定せずに$T_1^f$、$T_1^s$および$m_0^s$を推定する。
• 信号モデルはヘンケルマンの二プールMTモデルに基づき、自由プールと準固体プール間の交換が縦方向リラクセーションを支配する。シミュレーションはJulia言語のオープンソースMRIgeneralizedBloch.jlパッケージを用いて実施する。
• 画像再構成には専用のMRFingerprintingRecon.jlパッケージを用い、アンダーサンプリングによるぼやけを軽減するための正則化と動き補正を施す。
• Cramér-Rao限界（CRB）を用いてパルスシーケンス最適化をガイドし、パラメータ推定の信頼性を評価する。

Figure 1 : Sketch of the two-pool magnetization transfer model (Henkelman et al., 1993 ) . This model jointly describes all magnetization arising from protons bound in liquids by the spin pool $m_{0}^{f}$ ; and all magnetization arising from protons bound in macromolecules by the pool $m_{0}^{s}$ wh

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁化移動は、特別な飽和パルスを要する二次的効果ではなく、脳白質における縦方向リラクセーションの主要因・固有の要因であるか？
• RQ2 12分以内かつ1mm等方的解像度で、臨床的実用的なスキャン時間内に、非制約的でボクセル単位の二プールMTモデルフィッティングが可能か？
• RQ3 健康な白質における$T_1^f$および$T_1^s$の真の値は何か？一般的に仮定される1.0–1.1 sと比較するとどうか？
• RQ4 準固体プール分率$m_0^s$は従来の推定値よりも大きく、個々の被験者間で有意義に変動するか？
• RQ5 MS患者の正常に見える白質における$T_1^f$の差を用いて、微妙な微小構造的変化を健康対照群と比較して検出できるか？

主な発見

• 健康な白質において$T_1^f \approx 1.90$ sおよび$T_1^s \approx 0.327$ sであることが確認され、長年にわたり$T_1^s = 1$ sまたは$T_1^f = T_1^s$と仮定されてきたことに疑問を呈する。
• 準固体プール分率$m_0^s \approx 0.202$は、従来の仮定よりも顕著に大きく、マクロ分子プロトンがMT効果に果たす寄与がより顕著であることを示唆する。
• リレーシングリミッティングMS患者と健康対照群との間で、正常に見える白質における$T_1^f$に統計的に有意な差が観察され、早期の神経変性に感受性である可能性を示唆する。
• ハイブリッド状態パルスシーケンスにより、12分間のスキャン時間で1mm等方的解像度で、非制約的でボクセル単位のMTモデルフィッティングが安定して可能となり、従来手法に比べ感度が向上する。
• 直接的に基礎となるMTパラメータを定量することにより、モノ指数的$T_1$フィットに依存するのではなく、シーケンス間およびスキャナ間のばらつきを低減する。
• すべてのデータ、コード、qMTマップはZenodoおよびGitHubを通じて公開され、再現性を確保するとともに、将来的なMTシーケンス最適化を可能にする。

Figure 2 : Optimized RF-pulse trains, evoked spin dynamics, and corresponding in vivo parameter maps. a,h The flip angle $\alpha$ and b,i the pulse duration $T_{\text{RF}}$ control the spin dynamics. c,j The normalized $z$ -magnetization of the two pools. The spherical and rectangular magnifications