הבנת הפיזיקה של מיפוי ראייה קוונטי (qsm)

Quantitative Susceptibility Mapping (QSM) הוא טכניקת הדמיה מגנטית מתקדמת (MRI) המאפשרת למדענים ולרופאים למדוד את הרגישות המגנטית של רקמות ביולוגיים עם דיוק גבוה.בניגוד ל-MRI קונבנציונלי, אשר בעיקר מסתמכת על גודל אותות, QSM מנצל את המידע של האי-סיבית כדי לכמת כיצד רקמות רגישות לשדה מגנטי חיצוני זה מספק תובנות ייחודיות, במיוחד, ברקמות מתכתיות, שבו הוא מגלה מיקרו-דלקתיות חזקות, ואפקטים, לרקמות מתכתיות, באופן משמעותי, לרקמות מתכתי, ואפקטיביות, במיוחד, כלומר, לרקמות מתכתיות.

עקרונות היסוד של QSM

בליבתו, QSM מוטבעת בפיסיקה של רגישות מגנטית - כמות שאינה ממדית המתארת את התואר שבו חומר הופך למגנטי בנוכחות שדה מגנטי חיצוני.כל החומרים מציגים צורה מסוימת של התנהגות מגנטית, מסווגת כמו dia מגנטית (המכונה על ידי שדות מגנטיים), פרמגנטיים (ממושך), או ferromagnetic רגישים (ממושך חזק) ברקמות ביולוגיות, חומרים כגון גירוי ברזל, כמו חומרים מכניים, כמו חומרים מכניים, כמו מכניים, כמו חומרים רגישים כגון חומרים רגישים).

כיצד QSM פועל: שלב-בי-שלב עיבוד

הדור של תמונה QSM כרוך צינור רב-שלב אשר הופך נתונים של שלב MRI גולמי למפות רגישות מפרשים.כל שלב מתייחס לאתגרים פיזיים חישוביים ספציפיים:

שלב ה-IAT ו-

QSM מתחיל עם ⁇ -echo (GRE) רצף MRI שלוכד הן את גודל והן תמונות שלב.הדימוי שלב מכיל את ההפרעות בשדה הנגרמות על ידי הבדלים רגישים מקומיים, אבל זה גם מזוהמים בשלב של המקלט coil, זרמי אדדי, ושדות רקע בקנה מידה גדול משמש למקסימום רגישות, QSM טיפוסית משתמשת במספר פעמים הד (TE) ופתרון גבוה יחסית (לעתים קרובות) הוא 1 ל-R2D) עם רצף של דם רב-R.

שלב זה אינו

נתוני שלב רול עטוף באופן מהותי לתוך המרווח ( ⁇ , ⁇ ) בשל האופי המחזורי של זווית נמדדת. עטיפה זו יוצרת קפיצות פתאומיות שיש להסיר כדי לשחזר את האבולוציה של השלב האמיתי. אלגוריתמים אחדים קיימים עבור שלב unwrapping, כולל שיטות מעקב הנתיב (למשל, PreUDE), גישות מבוססות-Lipcian, וטכניקות למידה עמוקות.

רקע שדה Removal

השלב הלא עטוף מכיל תרומות הן רגישות לרקמות מקומיות והן ממקורות מרוחקים כגון אוויר בריאות, השדה המגנטי הראשי בהומוגנים, ופגמים של השדות משתנים לאט לאט לאט אלה יש להסיר תוך שמירה על וריאציות השדה המקומי הגבוה ביותר כי encode רגישויות.

• (ב) ,0) מסנן גבוה: FLT:1 סובטרקט גרסה מסוננת נמוכה של השלב.פשוט אך יכול להטיא את הערכים הרגישים הסופיים.
• (FLT:0)הפרויקט על שדות dipole (PDF): ⁇ 1) מתאים את שדה הרקע לשדה ה dipole של מקורות מחוץ לאזור של עניין (ROI). יעיל אך מניח שה-ROI הוא spherical או מוגדר באופן ידני.
• (FLT:0) הפחתה הרמונית של פריטים פגומים עבור נתוני שלב (SHARP): phig 1:FreaLT:1 משתמשת מסנן ערך spherical כדי להסיר רכיבים הרמוניים של השדה.
• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

התוצאה היא מפת שדה מקומית ( ⁇ B) המשקפת רק מקורות רגישים בתוך ה- voxels of Interest.

חוסר יכולת בשכנוע

הצעד האחרון והמאתגר ביותר מבחינה מתמטית הוא למנוע את התחום המקומי לשחזר את חלוקת הרגישות.היחסים בין ההפרעה המקומית ( ⁇ B) לבין הרגישות הבסיסית ( ⁇ ) ניתנים על ידי המודל קדימה:

(ב) ⁇ (ב)= (1/3 - k z2/k2) ⁇ (k) ⁇

בחלל Fourier, שבו k הוא וקטור תדר מרחבי.ה מהפכת kernel (dipole kernel) יש אפס ערכים על פני השטח הקונסטנטי שבו 1/3- k z2 /k2=0, מה שהופך את הקרע לא ניתן להפרדה ישירה בחלל Fourier הוא בלתי יציב, כל כך התאמות קבועות הן הכרחיות:

• (ב) ⁇ :0) חלוקת שטח (TKDigture): שיטה פשוטה שמוסיפה את הקרנל הפוליול כדי להימנע מחלוקת על ידי ערכי אפס.
• (FLT:0 Morphology-enabled dipole inversion (MEDI): FLT:1 משלב את נתוני השלב עם מידע קצה נגזר מתמונות גדולות כדי למנוע את ההסתה.זה מקטין את העצמת הרעש ומשפר את נאמנות גיאומטרית.
• (FLT:0) סדיריזציה (L1- או l2-norm): FLT:1 שימוש בריאציות הכוללות (TV) או מגבלות ספאריות מבוססות גל כדי לייצב את ההסתה תוך שמירה על הקצוות.
• (FLT:0) גישות למידה מרחוק: FLT:1 רשתות עצביות מתקדמות (CNN) מאומן על נתונים מדומים או ניסיוניים יכולים לבצע את ההסתה ישירות מהשדה המקומי, המציע חישוב מהיר עם חפצים מופחתים.

פיזיקה מאחורי יכולת

מודל המפל המגנטי

כל voxel המכיל רקמות עם ⁇ רגישה יכול להיחשב dipole מגנטי.שדה להפריע ב חניון במיקום בשל רכיב נפח קטן dv הוא:

(ב) ⁇ (ב)= μ0 / (4 ⁇ ) ⁇ ((r) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כאשר m הוא המגנטיזציה של המקור, פרופורציה ל ⁇ ו- B0. הקרנל של מהפכת החלל Fourier עולה מן התבנית השדה dipole. ברקמות, השדה הנקי בכל נקודה הוא סכום התרומות מכל ה dipoles שמסביב - השפעה גלובלית ולא מקומית. QSM פותר בעיה הפוכה זו על ידי פירוק הקרנל של דיפול, ביעילות הסרת השדה הלא-קלי כדי לחשוף את המקור האמיתי.

הבדלי דימגנט לעומת הבדלי פרדוקס

הניגוד הביולוגי ב-QSM מונע על ידי התכונות המגנטיות הייחודיות של רכיבי רקמות נפוצים:

• (FLT:0) Iron:EveFLT:1 מאוחסן ב ferritin ו hemosiderin, ברזל הוא paraמגנטי ( ⁇ +0.3 pm per מ"ג Fe / g רקמת) ברזל המוח אלבנד קשור פרקינסון, אלצהיימר, ו sclerosis מרובים. QSM יכול לכמת ריכוז ברזל עם טוב עד -200 מיקרוגרם P/רקמות.
• (FLT:0)Calcium:FLT:1 תרכובות מבוססות Calcium (למשל, hydroxyapatite העצם, ⁇ בגידולים) הם diaמגנטיים ( ⁇ ⁇ −1 ל- -3 ppm) זה מאפשר QSM להבחין מברשת מבלוטות hemorrhagic, אשר מופיעים hyperint על קטורת מסורתית ב-MRI אבל בניגוד QSM.
• (FLT:0) Myelin ו- Lipid:FLT:1) Myelin הוא diamagnetic בשל הכולסטרול שלו ו- phospholipid תוכן ( ⁇ −0.2 ppm) אובדן Myelin, כמו בהפרעות demyelinating, מקטין את התרומה השלילית הזו, מה שהופך את הנזלים מופיעים יותר חיובי על QSM.
• (FLT:0)Deoxyhemoglobin:FLT:1 Paraמגנטי ( ⁇ +0.1 ppm per g /dL deoxyhemoglobin) QSM רגיש לשקע חמצן ארסי ויכול למפות חמצן דם לא פולשני.

שיקולים מגנטיים

SNR של נתוני שלב ואת גודל של שדה הרגישות המושרה משתנה באופן ליניארי עם B0. לכן, חוזקות שדה גבוהות יותר (למשל, 7T) מציעים רגישות רבה יותר עבור QSM, המאפשר זיהוי עדין יותר של שינויים בברזל עדין.עם זאת, שדה מוגבר גם amplifies של רגישות ⁇ s (במיוחד בגבולות אוויריים) ומחמיר את שדה RF ב-Hrogenity, כמו ⁇ tial, הוא בשימוש נרחב, כמו ⁇ s.

טכניקות QSM מתקדמות ואתגרים

Multi-Echo vs. Single-Echo Acquisition

Single-echo QSM הוא פשוט אבל סובל מ אופטימיזציה TE מאומצת TE. Multi-echo רכישות לשלב שלב ממספר הדים, או על ידי משקולות averaging (כדי להגביר את SNR) או על ידי התאמה לשלב האבולוציה לאורך זמן (כדי להפחית שגיאות משינוי כימי וזרימה). הגישה multi-echo גם מאפשר estimation של R2 *גמישות, אשר הוא נוח לאפקטים אחרים:2 גירוי.

ציות

אחד האתגרים הבסיסיים ב QSM הוא כי השדה נמדד תלוי לא רק על הרגישות רקמות אלא גם על הכיוון של מבני הרקמות ביחס B0. לדוגמה, מערכתיות החומר הלבן מציג רגישות אסטרוטרופית (כיוון מילין), מה שגורם השדה המקומי להשתנות עם מיקום ראש. מתקדם QSM משלבת מודלים של עשרות או מודלים (תאימות עשרות) לחשבון זה, אם כי הוא דורש תהליך זה-קוע, אם כי הוא דורש תהליך מספר רב-זמנית של זמן.

המונחים: Parameter Tuning

כל שיטות ההסרה דורשות בחירה זהירה של פרמטרים של סדיריזציה (למשל, λ ב MEDI, משקל טלוויזיה) מעט מדי קבוע מניב מפות רועשות; יותר מדי חלקים תכונות אמיתיות.בדרך כלל, הפרמטרים נבחרים על בסיס ניתוח L-curve, cross-validation, או על ידי התאמת phantoms. Deep Learning Method, עם זאת, למד את הסדירליזציה באופן קבוע מאימון, המציע נתונים אוטומטיים יותר, לעתים קרובות יותר.

דיוקים וקאליברציה

ערכי הזכאות של QSM הם יחסית ההתייחסות (בדרך כלל CSF או חומר לבן) ויכולים להיות מושפעים משדות רקע שגרה, שגיאות שלב ואפקטים חלקיים של נפח.מחקרי פנטום עם רגישות ידועה (למשל, באמצעות gadolinium-doped agarose או Manganese chloride פתרונות) הם חיוניים עבור caliation לאחרונה ממליץ דיווח רגישויות בחלקים (p) יחסית לרקמות נבחרות יחסית.

יישומים קליניים ומחקריים של QSM

מחלות ניווניות

QSM הפך כלי מוביל למיפוי ברזל במוח ב vivo. in פרקינסון המחלה, ברזל מצטבר בנשכרה תת-קרקעית, ו- QSM יכול לכמת את הנפילה הזו מוקדם יותר מ-MRI קונבנציונלי, ועם מתאם חזק יותר לתסמינים מוטוריים. במחלת האלצהיימר, ברזל בהיפוקמפוס ובאזורים קורטיים עשויים להצביע על עומס amyloid וטרוביות נוירו-פריבריות.

Hemorrhagic Stroke ומיקרופלידס

QSM מספק זיהוי וזיהוי גבוה של מיקרופלידים במוח בהשוואה הדמיה ⁇ -echo T2* במשקל.הטבע הכמותי שלה מאפשר הבחנה בין חריפה (deoxyhemoglobin, paraמגנטי) ו כרונית (hemosiderin, paraמגנטי) של שלבים טבויגים. Calcifications, אשר מחקה מיקרופלידנטים ב-MRI סטנדרטי, יכול להיות מחוץ ובטוח כי הם dia מגנטיים (neici) עבור אבחון מדויק ורגישים.

« « «

QSM יכול להבדיל בין ⁇ מ calcification בגידולים במוח, סיוע בתכנון כירורגי.לדוגמה, בגליובסטומה, hemorrhagic נראה hyperintense על T2* אבל עשוי להיות חיובי או שלילי על QSM בהתאם לנוכחות של סידן או ברזל. QSM גם אמצעי ברזל הקשורים לגידול (למשל, בגלימות נמוכות) אשר יכול לקשור בין רמות אלקטרואקטיביות של קרינה רגישה.

« חמצן וחמצן

מכיוון ש- deoxyhemoglobin הוא paraמגנטי, QSM ישירות משקף חמצן דם ארסי.על ידי מדידה של שינוי הרגישות בין ורידים סביב רקמות, ניתן לחשב את השבר של מיצוי חמצן (OEF) - סימן של ביקוש מטבולי.זה כבר הוחל בשבץ (Financialial Penumbra), גידולי המוח, ומחלות עצביות בשילוב עם תווית אמנותיות, QSM יכול לספק מידע מטבולי מקיף:

מחקרים ופיתוח והזדקנות

QSM נקה את הצטברות הברזל הקשורות לגיל רגיל במבנים חומר אפור עמוק (גלובבוס שיתוק, שומנים, caudate) באוכלוסיות רופאות, היא עוקבת אחר שלילאונציה (diamagnetic) ושילוב ברזל, המציע תובנות על הזדווג המוח.converse, nonnormalalconposition in Childhood Disorders ailology או deneur עם ברזל עם התקדמות (NB) ותגובה חיצונית (Ric) עבור המחלה: 1.Ripraance) ו-FDipraance (R) לטיפול בהפרעות הזדקנות (RSD) ו-FDip: 1.

כיוונים עתידיים ב QSM Physics and Technology

Ultra-High Field ו- Super-Resolution

ב 7T ומעל, QSM ההחלטה גישות 0.5 מ"מ איזוטרופיה, המאפשר הדמיה ספציפית שכבתית של Myelin cortical וברזל. בשילוב עם שידור מקבילים כדי להפחית B1 הומוגניות, שטח אולטרה גבוה QSM עשוי בקרוב למפות את ארגון העמודה של קליפת המוח.בנוסף, שיקום סופר-resolution באמצעות רכישות מרובות-slices או נפחים תיקון תנועה מבטיח שיפורים נוספים.

למידה עמוקה לסוף QSM

כל צינורות QSM - משלב unwrapping to inversion - ניתן להחליף עכשיו על ידי רשתות עצביות מאומן. שיטות אלה להפחית זמן שחזור מ דקות עד שניות ולעתים קרובות לשפר דיוק על ידי מודל מטעה וממצאים. מאמץ מתמשך גדול הוא יצירת מסדי נתונים של הכשרה קוד פתוח עם רגישות קרקעית מן היסטולוגיה או phantoms.

אינטגרציה רב-פרמטרית

שילוב QSM עם מדדי MRI אחרים (R2*, T1, מגנטיזציה העברה, diffusion) מניב תצוגה רב-פרמטרית של רקמות.לדוגמה, השילוב QSM+R2* יכול להפריד את ההשפעות של תוכן ברזל ומים בדמיית הלילין.ניתוח מתקדם כגון מתאם רגישות מגנטית (MSC) יכול לבדוק מיקרו-ארכיטקטורה מעבר לרזולוציה אלה הם גישות נוירו-פריטיביות של שדה מתפתח.

מסקנה

מיפוי ראייה קוונטית מייצג טכניקה בוגרת אך עדיין מתפתחת במהירות מושרשת בפיסיקה של התחדשות מגנטית בסיסית.היכולת שלה למדוד רגישות מגנטית רקמות מספקת קריאה ישירה של ברזל, סידן, Myelin וחמצן - תכונות שהם מרכזי לפתאוסופיה של הפרעות נוירולוגיות רבות.הצנרת הטכנית, החל בשלב באמצעות הסרת רקע לפירוק של פיזור, דרישות קפדניות של עקרונות פיזיקלימיים וטכניקות הפעלה יעילות יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם שיטות עיבוד קליניות יותר.