Понимание физики количественного картирования восприимчивости (qsm)

Количественное картирование восприимчивости (QSM) - это передовая технология магнитно-резонансной томографии (МРТ), которая позволяет ученым и клиницистам измерять магнитную восприимчивость биологических тканей с высокой точностью. В отличие от обычной МРТ, которая в первую очередь зависит от величины сигнала, QSM использует фазовую информацию сигнала МРТ для количественной оценки того, как ткани реагируют на внешнее магнитное поле. Эта способность обеспечивает уникальную информацию о составе ткани, особенно в визуализации мозга, где она показывает осаждение железа, кальцификацию, микрокровотечения и содержание миелина. Преобразуя возмущения магнитного поля в пространственно разрешенные карты восприимчивости, QSM предлагает мощное, неинвазивное окно в биохимию и патологию тканей.

Основные принципы QSM

В своей основе QSM основан на физике магнитной восприимчивости — безразмерной величине, которая описывает степень, в которой материал становится намагниченным в присутствии внешнего магнитного поля. Все вещества проявляют некоторую форму магнитного поведения, классифицированную как диамагнитное (отталкивается магнитными полями), парамагнитное (притягиваемое) или ферромагнитное (сильно притягиваемое). В биологических тканях диамагнитные материалы, такие как вода, кальций и миелин, имеют отрицательные значения восприимчивости, в то время как парамагнитные вещества, такие как дезоксигемоглобин и богатый железом ферритин, проявляют положительную восприимчивость. Местное магнитное поле вокруг каждого типа ткани возмущено этими различиями восприимчивости, изменяя частоту Лармора близлежащих протонов и, следовательно, фазу сигнала МРТ. QSM реконструирует эти фазовые вариации для создания количественных карт восприимчивости ткани, предлагая прямую корреляцию с основными свойствами материала.

Как работает QSM: пошаговая обработка

Создание изображения QSM включает в себя многоступенчатый конвейер, который преобразует исходные данные фазы МРТ в интерпретируемые карты восприимчивости. Каждый этап решает конкретные физические и вычислительные задачи:

Фазовое изображение и приобретение

QSM начинается с последовательности МРТ с градиентным эхом (GRE), которая захватывает изображения как магнитуды, так и фазы. Фазовое изображение содержит возмущения поля, вызванные локальными различиями восприимчивости, но оно также загрязнено фазой от катушки приемника, вихревых токов и крупномасштабных фоновых полей. Для максимизации чувствительности типичные приобретения QSM используют несколько эхо-времен (TE) и относительно высокое пространственное разрешение (часто изотропные воксели 1-2 мм). Соотношение сигнал-шум (SNR) фазовых данных имеет решающее значение; последовательности, оптимизированные для QSM, часто используют 3D-мультиэхо GRE с компенсацией потока для уменьшения артефактов из пульсативного кровотока.

Фаза разворачивания

Данные о сырой фазе по своей сути завернуты в интервал (-π, π) из-за периодической природы измеренного угла. Эта обертка создает резкие скачки, которые должны быть удалены для восстановления истинной фазовой эволюции. Существует несколько алгоритмов для фазовой развертки, включая методы, следующие по пути (например, PRELUDE), подходы на основе Лапласа и методы глубокого обучения. Выбор алгоритма развертки может повлиять на окончательную карту восприимчивости, особенно в регионах с низким SNR или большими градиентами восприимчивости, такими как интерфейсы ближнего воздуха-ткани (например, пазухи).

Справочная информация о Field Removal

Незавернутая фаза содержит вклады как из локальной восприимчивости тканей, так и из отдаленных источников, таких как воздух в легких, неоднородности основного магнитного поля и несовершенства шимпанзе. Эти медленно изменяющиеся фоновые поля должны быть удалены при сохранении высокочастотных вариаций локального поля, которые кодируют восприимчивость тканей. Общие методы включают:

Результатом является локальная карта поля (δB), которая отражает только источники восприимчивости в интересующих вас воксельных областях.

Инверсия восприимчивости

Последний и наиболее математически сложный шаг — инвертирование локального поля для восстановления распределения восприимчивости.Взаимосвязь между возмущением локального поля (δB) и лежащей в его основе восприимчивостью (χ) задается передней моделью:

δB(k) = (1/3 − k z2/k2) · B0 · χ(k)

в пространстве Фурье, где k — вектор пространственной частоты. Это ядро свертки (дипольное ядро) имеет нулевые значения на конической поверхности, где 1/3 − k z2/k2 = 0, что делает инверсию некорректной. Прямое деление в пространстве Фурье неустойчиво, поэтому необходимы упорядоченные подходы:

Физика за восприимчивостью

Магнитная модель Диполя

Каждый воксель, содержащий ткань с чувствительностью χ, можно рассматривать как магнитный диполь.Пертурбация поля в месте r из-за элемента небольшого объема dv:

δB(r) = μ0/ (4π) · ⁇ (3(r·m)r − r2m) / r5 · dv

где m — намагниченность источника, пропорциональная χ и B0. Ядро свертки в пространстве Фурье возникает из дипольного поля рисунка. В ткани чистое поле в любой точке — сумма вкладов всех окружающих диполей — глобальный, а не локальный эффект. QSM решает эту обратную проблему, деконверсируя дипольное ядро, эффективно удаляя нелокальные вклады поля для выявления истинного распределения источника.

Диамагнитные vs. парамагнитные различия

Биологический контраст в QSM обусловлен различными магнитными свойствами общих компонентов ткани:

Магнитное поле Силовые соображения

SNR фазовых данных и величина поля, индуцированного восприимчивостью, сдвигается линейно с B0. Поэтому более высокие силы поля (например, 7T) обеспечивают большую чувствительность к QSM, позволяя более точно обнаруживать тонкие изменения железа. Однако увеличенное поле также усиливает артефакты от градиентов восприимчивости (особенно на границах воздух-ткань) и ухудшает неоднородность поля RF. При 3T QSM широко используется клинически; при 7T он продвигается в исследовательские границы, такие как ламинарная визуализация корковых слоев.

Передовые технологии и вызовы QSM

Multi-Echo против Single-Echo

Одноэхо QSM простое, но страдает от низкой SNR и неоднозначной оптимизации TE. Приобретения многоэхо сочетают фазу из нескольких эхо, либо путем усреднения по весу (для повышения SNR), либо путем подгонки эволюции фазы с течением времени (для уменьшения ошибок от химического сдвига и потока). Подход многоэхо также позволяет оценить релаксацию R2 *, которая дополняет восприимчивость: R2 * отражает как эффекты восприимчивости, так и другие механизмы дефазирования. Комбинированная визуализация QSM + R2 * дает более богатую характеристику ткани.

Ориентационная зависимость

Одна из фундаментальных проблем в QSM заключается в том, что измеренное поле зависит не только от восприимчивости ткани, но и от ориентации структур ткани относительно B0. Например, тракты белого вещества проявляют анизотропную восприимчивость (ориентация миелина), заставляя местное поле изменяться с позиционированием головы. Расширенные методы реконструкции QSM включают тензорные модели (изображение тензора восприимчивости) для учета этой анизотропии, хотя это требует получения данных при нескольких ориентациях головы - трудоемкий процесс.

Регуляризация настройки параметров

Все инверсионные методы требуют тщательного подбора параметров регуляризации (например, λ в MEDI, телевес). Слишком мало регуляризации дает шумные карты; слишком много сглаживает реальные особенности. Как правило, параметры выбираются на основе анализа L-кривой, перекрестной валидации или путем сопоставления симулированных фантомов. Методы глубокого обучения, однако, изучают регуляризацию неявно из данных обучения, предлагая более автоматизированную и часто превосходную производительность.

Количественная точность и калибровка

Значения восприимчивости от QSM относительны к эталону (обычно CSF или белому веществу) и могут быть затронуты остаточными фоновыми полями, фазовыми ошибками и эффектами частичного объема. Фантомные исследования с известной восприимчивостью (например, с использованием растворов агарозы или хлорида марганца, легированных гадолинием) необходимы для калибровки. Недавний консенсус рекомендует сообщать о восприимчивости в частях на миллиард (ppb) относительно выбранной эталонной ткани.

Клинические и исследовательские применения QSM

Нейродегенеративные заболевания

QSM стал ведущим инструментом для картирования железа мозга in vivo. При болезни Паркинсона железо накапливается в черной субстанции, и QSM может количественно оценить это осаждение раньше обычной МРТ и с более сильной корреляцией с двигательными симптомами. При болезни Альцгеймера железо в гиппокампе и корковых областях может указывать на нагрузку на амилоидный бляшек и нейрофибриллярные клубки. Аналогично QSM обнаруживает поражения железного края при рассеянном склерозе, которые связаны с хроническим воспалением и прогрессирующей инвалидностью. Внешний справочник: QSM при рассеянном склерозе (NeuroImage: Clinical) .

Геморрагический инсульт и микрокровотечения

QSM обеспечивает превосходное обнаружение и количественную оценку церебральных микрокровотечений по сравнению с градиентно-эхо Т2*-взвешенной визуализацией. Его количественный характер позволяет проводить дифференцировку между острыми (дезоксигемоглобин, парамагнитный) и хроническими (гемосидерин, парамагнитный) стадиями кровоизлияния. Кальцификации, имитирующие микрокровотечения на стандартной МРТ, можно уверенно исключить, поскольку они являются диамагнитными (отрицательная восприимчивость). Это имеет решающее значение для точной диагностики при черепно-мозговой травме, гипертонической микроангиопатии и церебральной амилоидной ангиопатии.

Характеристика опухоли

QSM может дифференцировать кровоизлияние от кальцификации в опухолях головного мозга, помогая хирургическому планированию. Например, при глиобластоме геморрагические очаги проявляют гиперинтенсивность при T2*, но могут быть либо положительными, либо отрицательными при QSM в зависимости от присутствия кальция или железа. QSM также измеряет связанное с опухолью железо (например, при низкосортных глиомах), которое может коррелировать с степенью и агрессивностью. Количественные карты восприимчивости границы опухоли могут улучшить радиохирургическое нацеливание.

Венозная и кислородная визуализация

Поскольку дезоксигемоглобин является парамагнитным, QSM непосредственно отражает венозную оксигенацию крови. Измеряя сдвиг восприимчивости между венами и окружающей тканью, можно рассчитать фракцию выделения кислорода (OEF) — маркер метаболического спроса. Это было применено при инсульте (ишемическая полутени), опухолях головного мозга и нейродегенеративных заболеваниях. В сочетании с маркированием артериального спина QSM может обеспечить всеобъемлющую метаболическую информацию. Внешняя ссылка: Картирование OEF на основе QSM (Магнитный резонанс в медицине) .

Исследования в области развития и старения

QSM выяснил нормальное возрастное накопление железа в структурах глубокого серого вещества (globus pallidus, putamen, caudate). В педиатрических популяциях он отслеживает миелинизацию (диамагнитное) и включение железа, предлагая понимание созревания мозга. И наоборот, аномальное осаждение железа при детских расстройствах, таких как атаксия Фридрейха или нейродегенерация с накоплением железа в мозге (NBIA), можно контролировать для прогрессирования заболевания и ответа на лечение. Внешний справочник: QSM при старении и болезни (Радиология) .

Будущие направления в физике и технологии QSM

Ультравысокое поле и супер-решение

На 7Т и выше разрешение QSM приближается к изотропному 0,5 мм, что позволяет получать изотропное изображение кортикального миелина и железа послойно. В сочетании с параллельной передачей для смягчения неоднородности B1 ультравысокопольный QSM может вскоре составить карту колоннальной организации коры. Кроме того, реконструкция с использованием супер-разрешения с использованием нескольких приобретений тонкого среза или объемов, корректируемых движением, обещает дальнейшие улучшения.

Глубокое обучение для конечного QSM

Весь QSM-провод — от фазового разворачивания до инверсии — теперь может быть заменен обученными нейронными сетями. Эти методы сокращают время реконструкции от минут до секунд и часто улучшают точность путем неявного моделирования шума и артефактов. Основными постоянными усилиями является создание баз данных обучения с открытым исходным кодом с восприимчивостью к наземной правде от гистологии или фантомов. После проверки глубокое обучение QSM может стать клиническим стандартом.

Многопараметрическая интеграция

Комбинирование QSM с другими количественными показателями МРТ (R2*, T1, передача намагниченности, диффузия) дает многопараметрический обзор ткани. Например, комбинация QSM+R2* может отделить эффекты содержания железа и воды в миелиновой визуализации. Продвинутый анализ, такой как корреляция магнитной восприимчивости (MSC), может исследовать микроархитектуру ткани за пределами разрешения. Эти интегративные подходы являются центральными в развивающейся области количественной нейровизуализации.

Заключение

Количественное картирование восприимчивости представляет собой зрелую, но все еще быстро развивающуюся технику, основанную на фундаментальной физике магнитного резонанса. Его способность измерять магнитную восприимчивость тканей обеспечивает прямое считывание железа, кальция, миелина и оксигенации - свойства, которые являются центральными для патофизиологии многочисленных неврологических расстройств. Технический трубопровод, от фазовой визуализации до удаления фона до дипольной инверсии, требует строгого понимания как физических принципов, так и численных методов. По мере того, как приобретения становятся быстрее, реконструкция более надежна и клиническая проверка более широко распространена, QSM готов стать стандартным компонентом протоколов нейровизуализации. Для физика каждый этап обработки предлагает богатые возможности для инноваций; для клинициста количественные карты обеспечивают беспрецедентный уровень биологической специфичности. Продолжающееся сотрудничество между физиками, инженерами и радиологами откроет полный потенциал QSM как в исследованиях, так и в уходе за пациентами.