Quantitative Susceptibility Mapping Reproducibility with 7T Ultra-High Field MRI

Abstract

Kvantitativ susceptibilitet (QSM) har blitt foreslått som en lovende metode for ikke-invasiv in vivo bestemmelse av romlig fordeling av magnetisk susceptibilitet. Magnetisk susceptibilitet er en karakteristisk egenskap ved materiale og biologisk vev som kan gi innsikt i kjemisk og molekylær sammensetning. Forhøyet konsentrasjon av jern i hjernen har vært knyttet til ulike nevrologiske sykdommer som Parkinsons sykdom og multippel sklerose. Vev med forhøyede konsentrasjoner av jern har paramagnetiske egenskaper, som har økt susceptibilitet. Akkumulering av jern i hjernen knyttes til økt susceptibilitet for det tilsvarende vevet. Motivasjonen for å utvikle robuste QSM-algoritmer er å promotere QSM som en pålitelig ikke-invasiv metode for vurdering av denne viktige fysiske egenskapen ved hjelp av MR-data.

Konstruksjonen av et QSM-bilde innebærer tre trinn; faseutpakking, fjerning av bakgrunnsfelt og dipolinversjon. Faseutpakkingen innebærer beregning det observerte totale feltet basert på fasedata fra MR data. Fjerning av bakgrunnsfelt innebærer isolasjon det vevsspesifikke bidraget til det totale feltet, og resulterer i et lokalt feltkart. Det siste trinnet, dipolinversjon, regner ut en magnetisk susceptibilitetsfordeling fra det lokale feltkartet ved å løse et inversjonsproblem.

Hensikten med denne oppgaven er å studere hvor pålitelig QSM-bilder kan reproduseres, med hensyn til intra- og intersubjektvariasjoner. Totalt 27 multigradient ekko (mGRE) datasett ble innhentet fra 9 friske frivillige ved 7T MR-laben ved St. Olav i Trondheim. Hver av de frivillige ble skannet tre ganger. To av disse skanningene ble utført rett etter hverandre og den tredje skannet ble utført etter en reposisjonering av den frivillige i skanneren og en reshimming av magnetfeltet til skanneren. En MP2RAGE-bildesekvens ble også utført for hver frivillig, denne ble brukt til bildesegmentering.

Totalt 81 QSM-bilder ble produsert fra de 27 mGRE-datasettene ved bruk av tre forskjellige QSM-konstruksjonsmetoder. De tre forskjellige metodene bruker forskjellige dipolinversjonsalgoritmer for å bestemme den magnetiske susceptibiliteten. Algoritmene som ble brukt var Morphology Enabled Eipole Invertion (MEDI), Total Generalised Variation (TGV) og Thresholded K-space Division (TKD).

Et automatisert atlasbasert segmenteringsverktøy ble brukt til å produsere segmenteringer av 10 forskjellige interesseområder (ROI), som representerer forskjellige typer hjernevev. De segmenterte vevene var thalamus, caudate nucleus, putamen, hippocampus og globus pallidus for både venstre og høyre side av hjernen. Hvert sett med segmenter ble produsert fra T1-vektet MP2RAGE-data. Segmenteringene ble deretter samregistrert til hvert mGRE-datasett, noe som ga 27 unike sett av segmenter. Gjennomsnittlige QSM-verdier fra disse segmenteringene ble brukt til å studere reproduserbarheten til QSM-bilder, noe som resulterte i 810 sammenlignbare datapunkter.

De snittverdiene av QSM-verdiene i denne studien viste en signifikant systematisk underestimering av gjennomsnittlig susceptibilitet i alle ROI-er sammenlignet med gjeldende litteraturverdier for den magnetiske susceptibiliteten til hjernevev.

Dette skyldes mest sannsynlig at den valgte metoden for å sette den magnetiske susceptibility-referanseverdien er utilstrekkelig, ettersom undervurderingen var tilstede i QSM-bilder produsert av alle tre QSM-metoder.

Angående reproduserbarhet, har intersubjektvariasjoner den mest fremtredende effekten på reproduserbarheten til QSM-bilder. Intersubjektvariasjonen var i gjennomsnitt omtrent tre ganger større enn intrasubjektvariasjonene. Videre ble det observert en varierende grad av intrasubjektvariasjoner blant de skannede personene. Disse variasjonene ble knyttet til lavere kvalitet i rådataene og inkonsistent segmentering ved hjelp av automatiserte segmenteringsalgoritmer.

Studier av de repeterte skannene viste svært liten variasjon blant de målte QSM-verdiene. Reshimming av skanneren med omplassering av den frivillige viser ingen signifikant effekt, sammenlignet med skanningene som ble utført rett etter hverandre.

Blant de tre forskjellige QSM-algoritmene var det kun TKD som skilte seg ut. TKD-metoden viste en systematisk underestimering av magnetisk susceptibilitet.

Studien konkluderer med at det er behov for bedre, reproduserbare metoder for QSM-segmentering. Reproduserbarheten til segmentene er uten tvil like viktig som reproduserbarheten til QSM, ettersom evnen til å i det hele tatt kunne sammenligne QSM-bilder er avhengig av kvaliteten på segmenteringene. Nye metoder bør utvikles basert på 7T-data for å bevare den høye romlige oppløsningen med ultrahøyfelt MR.

Quantitative susceptibility mapping (QSM) has been proposed as a promising method of non-invasive in-vivo determination of spatial distribution of magnetic susceptibility. Magnetic susceptibility is a characteristic property of material and biological tissue which can give insight into chemical and molecular composition. Elevated concentration of iron in the brain have been linked to various neurological disease such as Parkinsons disease and multiple sclerosis. Tissues with elevated concentrations of iron have paramagnetic properties. Hence, accumulation of brain iron can be linked to elevated susceptibility of the corresponding tissue. The motivation of developing robust QSM algorithms is to propose QSM as a relighable non-invasive method of assessment of this important physical quantity using MRI data.

The construction of a QSM image involves three main steps; total field recovery (also called phase unwrapping), background field removal and dipole inversion. Total field recovery calulates the observed total field based on the MRI phase data. Background field removal isolates the tissue specific contribution to the total field creating a local field map. The final step, dipole inversion, calculates the bulk magnetic susceptibility distribution from the local field map by solving an ill-posed inversion problem.

The purpose of this thesis is to study how reliably QSM images can be reproduced, with respect to intra- and intersubject variations. A total of 27 multi gradient echo (mGRE) MRI datasets were acquired from 9 healthy voluteers at the 7T MRI lab at St. Olav in Trondheim. Each of the volunteers were scanned three times. Two of these scans were performed back-to-back and the third scan were performed after a repositioning of the voluneer in the scanner and a reshimming of the magnetic field in the scanner. An additional MP2RAGE image sequence was aquired from each volunteer, which where used for image segmentation.

A total of 81 QSM images where produced from the 27 mGRE datasets using three different QSM construction pipelines. The three diffent pipelines uses different dipole inversion algorithms to determine the magnetic susceptibility. The algorithms used were morphology enabled dipole invertion (MEDI), total generalised variation (TGV) and thresholded k-space division (TKD).

An automated atlas-based segmentation tool was used to aquire segmentations of 10 different regions of interest (ROI), representing different types of brain tissues. The segmented tissues were the thalamus, caudate nucleus, putamen, hippocampus and globus pallidus for both left- and right-hand-side of the brain. Each set of segmentation where prodused from T1-weighted MP2RAGE data. The segmentations were subsequently coregistered to each mGRE dataset, giving 27 unique segmentation sets. The mean QSM values from these segmentations were used to study the reproducibility of QSM images, resulting in 810 comparable datapoints.

The mean QSM values measured in this study showed a significant systematic underestimation of mean susceptibility in all ROI compared to current litterature values of the magnetic susceptibility of equivalent brain tissue. This is suspected to be a result of the chosen method of setting the magnetic susceotibility referance value, as the underestimation where present in QSM images produced by all three pipelines.

In regards to reproducibility, do intersubject variations have the most prominent effect on the reproducibility of QSM images. The intersubject variation was, on average, about tree times larger than the intrasubject variations. Further more, there was observed a varying degrees of intrasubject variations among the scanned subjects. Larger variations were linked to lower quality in the raw data and inconsistant segmentation by automated segmentation algorithms.

Scan-rescan studies showed very little variation in the measured QSM values. Reshimming of the scanner with reposition of the subject show no significant effect, compared to the scans which were performed back-to-back.

From the three different QSM algorithms, only TKD stood out. The TKD pipeline showed a systematic underestimation of magnetic susceptibility.

The study conludes that there is a need of more robust reproducable methods of QSM segmentation. The reproducibility of the segments is arguably just as important as the the reproducibility of the QSM images themselves, as the ability to compare QSM images are dependent on the quality of the segmentations. These methods should be developed with 7T data in order preserve the high spatial resolution ultra-high field MRI provide.