[论文解读] Dipole Incompatibility Related Artifacts in Quantitative Susceptibility Mapping

Liangdong Zhou, Jae Kyu Choi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2017

Advanced MRI Techniques and Applications参考文献 31被引用 3

一句话总结

本文將偶極子不相容性識別為定量磁 susceptibility mapping（QSM）中偽影的主要來源，將磁場分解為相容與不相容分量。研究顯示，k 空間中的雜訊與截斷誤差會導致條紋與陰影偽影，並證明使用結構先驗的貝葉斯正則化方法在減少偽影、提升影像品質與定量準確性方面，優於傳統的截斷方法。

ABSTRACT

Artifacts in quantitative susceptibility mapping (QSM) are analyzed to establish an optimal design criterion for QSM inversion algorithms. The magnetic field data is decomposed into two parts, dipole compatible and incompatible parts. The dipole compatible part generates the desired non-streaking solution. The dipole incompatible part, including noise, discretization error, and anisotropy sources, generates artifacts defined by a wave propagator with the B0 field direction as the time axis. Granular noise causes streaking and contiguous error causes both streaking and shadow artifacts. As an example, truncation-based QSM algorithms are inherently prone to streaking artifacts because of the deviation of the dipole kernel during truncation. Through numerical phantom and imaging experiments, several QSM methods, including a Bayesian regularization method and the k-space truncation methods, were compared to show that the Bayesian approach with a structural prior provides advantages in terms of both image quality and quantitative measures.

研究动机与目标

• 識別並分析定量磁 susceptibility mapping（QSM）中偽影的根本原因。
• 將磁場分解為偶極子相容與不相容分量，以隔離偽影來源。
• 基於偶極子不相容性，建立 QSM 反演演算法的設計準則。
• 評估不同 QSM 重建方法在減少偽影方面的表現。
• 展示使用結構先驗的貝葉斯正則化方法優於 k 空間截斷方法。

提出的方法

• 利用基於偶極子核的數學框架，將磁場資料分解為偶極子相容與不相容分量。
• 將偶極子不相容部分建模為波動傳播問題，並將 B0 磁場方向視為時間軸。
• 將條紋與陰影偽影與偶極子不相容分量中的顆粒雜訊與連續誤差進行解析關聯。
• 應用使用解剖結構約束的貝葉斯正則化方法，以抑制偽影。
• 分析基於截斷的 QSM 方法，因其在截斷過程中核函數的偏移，而固有地易產生偽影。
• 使用數值幻影與在體成像實驗，比較不同方法之間的影像品質與定量準確性。

实验结果

研究问题

• RQ1 定量磁 susceptibility mapping（QSM）中的條紋與陰影偽影是由什麼原因造成的？
• RQ2 磁場資料中的偶極子不相容性如何導致影像偽影？
• RQ3 為何 k 空間截斷方法在 QSM 中固有地易產生條紋偽影？
• RQ4 使用結構先驗的貝葉斯正則化方法是否能更有效地減少偽影，優於傳統的截斷方法？
• RQ5 貝葉斯方法在 QSM 重建中提供了哪些定量與定性的改進？

主要发现

• 由雜訊、離散化誤差與各向異性所引起的偶極子不相容性，是 QSM 中偽影的主要來源。
• 顆粒雜訊會引發條紋偽影，而連續誤差則會導致條紋與陰影偽影。
• 基於截斷的 QSM 方法會因偶極子核在截斷過程中的偏移，產生顯著的條紋偽影。
• 使用結構先驗的貝葉斯正則化方法比 k 空間截斷方法更有效地減少偽影。
• 貝葉斯方法在幻影與在體實驗中均驗證了其優越的影像品質與定量準確性。
• 本研究建立了理論框架，將偽影生成與偶極子不相容分量的波動傳播性質關聯起來。