[论文解读] Design and Characterisation of Tissue-Mimicking Gel Phantoms for Diffusion Kurtosis Imaging

Z.G. Portakal-Uçar, Sophie Shermer+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2016

MRI in cancer diagnosis被引用 3

一句话总结

本研究利用琼脂、琼脂糖和聚乙烯醇（PVA）制备组织仿生凝胶模型，并添加玻璃微球，以实现磁共振成像（MRI）质量保证和协议优化中的精确扩散峰度成像（DKI）。通过调节微球浓度，峰度值从0.05提升至0.523，与体内组织值高度接近，同时在室温下储存六个月后，扩散和弛豫特性保持稳定。

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.

研究动机与目标

• 设计适用于磁共振成像（MRI）质量保证和协议开发中扩散峰度成像（DKI）的组织仿生凝胶模型。
• 解决缺乏可调制非高斯扩散特性、且与体内峰度值匹配的模型的问题。
• 确保模型在常温储存条件下扩散和弛豫参数的长期稳定性。
• 表征玻璃微球对凝胶基质中扩散系数、峰度及弛豫率（R1、R2）的影响。
• 验证模型在六个月内重复扫描中的可重复性和一致性。

提出的方法

• 制备琼脂、琼脂糖和聚乙烯醇（PVA）凝胶，浓度范围分别为1.0%至3.5%、0.5%至3.0%和10%至20%。
• 在凝胶中掺入玻璃微球（最高达每100 mL含3 g），以增加微结构异质性并增强峰度。
• 在3T磁共振扫描仪上获取多b值扩散加权成像数据，用于计算表观扩散系数（ADC）、峰度（K）及弛豫率（R1、R2）。
• 在储存六个月后对模型进行重复扫描，以评估扩散和弛豫参数的长期稳定性。
• 采用体素级分析评估扩散和弛豫图的空间均匀性。
• 应用95%置信区间的统计分析，量化测量参数的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用常见凝胶剂与玻璃微球制备具有可调峰度的凝胶模型，以模拟体内组织的非高斯扩散特性？
• RQ2 添加玻璃微球如何影响琼脂、琼脂糖和PVA凝胶中表观扩散系数（ADC）、峰度及弛豫率（R1、R2）？
• RQ3 这些模型的扩散和弛豫特性在室温下长期储存后，其稳定性如何？
• RQ4 这些模型在不同凝胶类型和微球浓度下，能否保持与组织相似的弛豫时间与扩散行为特征？
• RQ5 测量得到的峰度值与人体组织中报道的值相比如何？是否可调节至临床可接受范围？

主要发现

• 纯琼脂、琼脂糖和PVA凝胶的峰度值较低，范围为0.05（95%置信区间：0.029–0.071）至0.216（0.185–0.246），显著低于典型体内组织值。
• 添加玻璃微球后，峰度值最高提升至0.523（95%置信区间：0.465–0.581），与多种人体组织中报道的峰度值高度接近。
• 表观扩散系数（ADC）范围为818（585–1053）×10⁻⁶ mm²/s至2257（2118–2296）×10⁻⁶ mm²/s，且随微球浓度增加而降低。
• 纵向弛豫率（R1）范围为0.34（0.32–0.35）/s至0.51（0.50–0.52）/s，横向弛豫率（R2）范围为9.69（9.34–10.04）/s至33.07（27.10–39.04）/s，均处于组织相关范围内。
• 六个月后重复扫描显示，扩散参数变化小于10%，表明模型具有优异的长期稳定性。
• 空间均匀性分析显示，扩散和弛豫参数的标准差在百分之几量级，表明模型整体体积内具有良好的均匀性。