Reducing susceptibility distortion related image blurring in diffusion MRI EPI data

Diffusion magnetic resonance imaging (MRI) is an increasingly popular technique in basic and clinical neuroscience. One promising application is to combine diffusion MRI with myelin maps from complementary MRI techniques such as multi-parameter mapping (MPM) to produce g-ratio maps that represent the relative myelination of axons and predict their conduction velocity. Statistical Parametric Mapping (SPM) can process both diffusion data and MPMs, making SPM the only widely accessible software that contains all the processing steps required to perform group analyses of g-ratio data in a common space. However, limitations have been identified in its method for reducing susceptibility-related distortion in diffusion data. More generally, susceptibility-related image distortion is often corrected by combining reverse phase-encoded images (blip-up and blip-down) using the arithmetic mean (AM), however, this can lead to blurred images. In this study we sought to (1) improve the susceptibility-related distortion correction for diffusion MRI data in SPM; (2) deploy an alternative approach to the AM to reduce image blurring in diffusion MRI data when combining blip-up and blip-down EPI data after susceptibility-related distortion correction; and (3) assess the benefits of these changes for g-ratio mapping. We found that the new processing pipeline, called consecutive Hyperelastic Susceptibility Artefact Correction (HySCO) improved distortion correction when compared to the standard approach in the ACID toolbox for SPM. Moreover, using a weighted average (WA) method to combine the distortion corrected data from each phase-encoding polarity achieved greater overlap of diffusion and more anatomically faithful structural white matter probability maps derived from minimally distorted multi-parameter maps as compared to the AM. Third, we showed that the consecutive HySCO WA performed better than the AM method when combined with multi-parameter maps to perform g-ratio mapping. These improvements mean that researchers can conveniently access a wide range of diffusion-related analysis methods within one framework because they are now available within the open-source ACID toolbox as part of SPM, which can be easily combined with other SPM toolboxes, such as the hMRI toolbox, to facilitate computation of myelin biomarkers that are necessary for g-ratio mapping

The first step for neuroimaging data analysis: DICOM to NIfTI conversion

BACKGROUND: Clinical imaging data are typically stored and transferred in the DICOM format, whereas the NIfTI format has been widely adopted by scientists in the neuroimaging community. Therefore, a vital initial step in processing the data is to convert images from the complicated DICOM format to the much simpler NIfTI format. While there are a number of tools that usually handle DICOM to NIfTI conversion seamlessly, some variations can disrupt this process. NEW METHOD: We provide some insight into the challenges faced with image conversion. First, different manufacturers implement the DICOM format differently which complicates the conversion. Second, different modalities and sub-modalities may need special treatment during conversion. Lastly, the image transferring and archiving can also impact the DICOM conversion. RESULTS: We present results in several error-prone domains, including the slice order for functional imaging, phase encoding direction for distortion correction, effect of diffusion gradient direction, and effect of gantry correction for some imaging modality. COMPARISON WITH EXISTING METHODS: Conversion tools are often designed for a specific manufacturer or modality. The tools and insight we present here are aimed at different manufacturers or modalities. CONCLUSIONS: The imaging conversion is complicated by the variation of images. An understanding of the conversion basics can be helpful for identifying the source of the error. Here we provide users with simple methods for detecting and correcting problems. This also serves as an overview for developers who wish to either develop their own tools or adapt the open source tools created by the authors

Design of a diffusion phantom for quality control of spinal cord DTI and EPI distortion improvement

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016A imagem ponderada em difusão (DWI) é uma técnica de ressonância magnética (MR) capaz de medir a magnitude da difusão de moléculas de água nos tecidos. A extensão desta técnica, a imagem por tensor de difusão (DTI) utiliza gradientes aplicados ao longo de pelo menos seis direções diferentes no espaço e deste modo é capaz de estimar também a principal direção de difusão das moléculas de água nos tecidos. Consequentemente é possível obter informações sobre a microestrutura de órgãos complexos como o cérebro e a medula espinhal. Estruturas como a substância branca do cérebro e da medula espinhal, que são compostas por microfibras orientadas de forma coerente, são os principais alvos de estudo de DTI, visto que esta técnica é mais sensível a alterações que possam ocorrer na microestrutura de nervos ou neurónios. Contudo, a medula espinhal é um órgão que apresenta vários desafios em MR, especialmente em DTI. Em primeiro lugar, a medula espinhal tem uma dimensão relativamente pequena quando comparada com outros órgãos e isto impõe dificuldades em termos da razão sinal-ruído (SNR). Para além disso, as diferenças de suscetibilidade magnética entre diferentes tipos de tecidos (medula espinhal, líquido cefalorraquidiano - LCR, osso, etc.) faz com que o campo magnético seja menos homogéneo nessas regiões, o que por sua vez tem influência na origem de artefactos e distorções da imagem. Outras complicações estão relacionadas com movimentos fisiológicos (batimento cardíaco, respiração e fluxo do LCR). Em suma, estas complicações podem resultar em estimativas erróneas dos parâmetros de DTI, o que pode influenciar o diagnóstico. Com a evolução do hardware de MR e o desenvolvimento de novas sequências de impulsos, e a implementação de técnicas de imagem rápidas fez com que o DTI fosse praticável em ambiente clínico. A echo-planar imaging (EPI) é a principal sequência utilizada em DTI e permite a obtenção de uma imagem em menos de cem milissegundos. Contudo, a EPI é muito sensível a erros de fase e heterogeneidades do campo magnético que causam erros durante a reconstrução de imagem, fazendo com que a presença de artefactos ghost, distorções geométricas e de intensidade sejam frequentes. Deste modo, os passos necessários para a melhoria da qualidade de imagem não podem ser ignorados. Isso pode ser conseguido durante a aquisição, modificando as sequências, com a aplicação de técnicas como partial Fourier e parallel imaging que reduzem a quantidade de linhas do espaço-k que são preenchidas, e consequentemente diminuem a acumulação de erros relacionados com a EPI. Outra alternativa foca-se na melhoria da imagem após a aquisição, através da aplicação de métodos para correção de distorções e remoção de artefactos. Deste modo, quando as dificuldades do DTI da medula espinhal são ultrapassadas, este torna-se numa ferramenta de grande importância para o estudo de diversas patologias que afetam o sistema nervoso central (CNS), como é o caso da esclerose múltipla (MS). O principal objetivo deste estudo foi a otimização da sequência standard de DTI para a medula espinhal utilizada em ambiente clínico, utilizando uma antena head-neck-spine recentemente instalada. Para isso, foi construído um fantoma para simular as propriedades de difusão da água na substância branca da medula espinhal. O fantoma é composto por fibras de acrílico inseridas num tubo de plástico com dimensões semelhantes à medula espinhal. Posteriormente, o tubo foi mergulhado em água de modo a que ocorra perfusão das fibras, sendo assim possível simular algumas propriedades de difusão na medula espinhal. O fantoma foi mantido na sala de MR a uma temperatura estável e foi submetido a várias sessões de MR com o objetivo de determinar a configuração ideal da antena para a obtenção de imagens da medula espinhal, bem como para a obtenção de imagens de DTI que iriam ser utilizadas no pós-processamento. Problemas como a redução de ruído e minimização de artefactos foram abordados durante a aquisição das imagens e durante o pós-processamento. No pós-processamento, foi aplicado um método baseado na aquisição de duas imagens com gradiente invertido para correção de distorções provocadas por diferenças de suscetibilidade do campo magnético. Este método utiliza duas imagens de DTI obtidas nas mesmas condições e com os mesmos parâmetros, com a exceção do gradiente de codificação de fase que apresentam polaridades opostas, para calcular o mapa de deslocamento dos pixéis. Neste método, durante o cálculo do mapa de deslocamento (DM) dos pixéis responsável pelas distorções, foram aplicadas algumas inovações, nomeadamente um ajuste a uma curva sigmoide seguida por um ajuste a uma superfície polinomial. O método modificado foi otimizado e comparado com o original em termos de robustez na redução de distorções. Por fim, o mesmo protocolo de imagiologia e métodos de melhoria de qualidade de imagem foram aplicados a imagens de voluntários saudáveis. Os resultados demonstraram que o fantoma se manteve estável e as imagens obtidas foram reprodutíveis durante o decorrer do estudo. Os parâmetros de DTI como a anisotropia fracionada (FA) e o coeficiente de difusão aparente (ADC) foram calculados várias vezes e o seu valor foi sempre dentro dos limites espectáveis. Para além disso, os mapas de codificação de cores FA mostram que foi conseguida uma difusão anisotrópica nas fibras de acrílico, sendo que a difusão ocorre predominantemente na direção paralela à orientação das fibras tal como acontece no caso da substância branca da medula espinhal. As imagens de tractografia também mostram que as fibras são claramente distinguíveis das outras estruturas. Nas imagens de DTI não corrigidas, existem distorções geométricas e de intensidade, sendo que na região das fibras existem curvaturas e erros na estimativa da direção das fibras, fazendo com que a imagem não seja uma representação fidedigna do fantoma físico. Após a aplicação, na sua implementação original, do método de gradiente invertido para a correção de distorções, as regiões com baixa intensidade de sinal continuam a apresentar curvaturas e são mal representadas. Quando são aplicados o ajuste sigmoide e o ajuste à superfície polinomial, o método torna-se mais eficiente, sendo capaz de minimizar as distorções em regiões de baixo sinal, bem como no resto da imagem. Quando o mesmo método é aplicado às imagens de humanos, verifica-se que nas regiões da imagem em que apenas existem distorções e não ocorrem artefactos ghost, o método de correção é capaz de minimizar essas distorções. Contudo, na presença de artefactos que não sejam apenas distorções, a correção é menos eficiente. Em suma, o fantoma apresentado, apesar de ser uma simplificação da estrutura complexa da medula espinhal, é um objeto estável que permitiu o estudo e otimização de uma sequência de DTI para a medula espinhal, bem como o teste de métodos de pós-processamento para a melhoria da qualidade de imagem.Diffusion tensor imaging (DTI) is a magnetic resonance imaging (MRI) technique capable of measuring the magnitude and direction of diffusion of water molecules within tissue and, consequently, give an insight into the microstructure of complex organs such as the brain or the spinal cord. However, DTI of the spinal cord is arguably one of the most challenging applications of MRI to the human body. Problems such as the small size of the spine, magnetic susceptibility differences between surrounding tissues, local field inhomogeneities and bulk motion can cause image deterioration, artifacts and distortions that ultimately result in erroneous estimations of DTI parameters. With the evolution of coil technology, MR pulse sequences and the employment of fast imaging techniques, DTI is becoming an important tool in clinical settings for the study of pathologies that affect the central nervous system (CNS), such as multiple sclerosis (MS). However, the steps necessary to improve image quality cannot be ignored: during acquisition with methods such as partial Fourier and parallel imaging or after acquisition with post-processing methods. The main goal of this work was to optimize the standard DTI sequence for the spine using a newly installed coil. First, a diffusion phantom was built to simulate the diffusion properties of white matter in the spine. The phantom is composed by acrylic fibers tightened inside a plastic tube with dimensions similar to those of the spine and then perfused with water. Several scans were performed on the phantom in order to determine the optimal coil configuration as well as to obtain DTI images for post-processing. Here, a distortion correction method based on the reversed gradient correction was applied to minimize susceptibly distortions. The correction method uses two DTI datasets with opposite phase-encoding directions in order to estimate the pixel displacement map (DM) that causes the intensity and geometric distortions. Here, some novelties were applied to the reversed gradient method in the calculation of the DM, namely a sigmoid fit followed by a polynomial surface fit. Finally, the same protocol and processing steps were applied to images from healthy volunteers. The results show that the phantom was stable and the obtained images displayed a good reproducibility over time. DTI metrics such as FA (fractional anisotropy) and ADC (apparent diffusion coefficient) were within the expected range and the fibers were clearly distinguishable in color maps and tractography images. The phantom allowed a continuous study and optimization of the distortion correction method. As expected, when no correction is applied, the DTI images present severe geometric and intensity distortions. When the original reversed gradient correction is applied, regions of the image with low signal, namely the fiber bundles, are still not accurately represented since the noise influences the calculation of the DM. When the sigmoid and surface fit are added to the original method, the distortions in the regions of low signal are minimized. Finally, when the method is applied to human data, regions that are only affected by susceptibility distortions are corrected but in the presence of ghost artifacts and motion, the method is less robust and cannot fully improve the distorted regions. In summary, the phantom is a simplification of the spinal cord, but nevertheless it is a reliable object that allows the study and optimization of DTI protocols for the spine, as well as processing methods for the improvement of image quality

Functional brain perfusion evaluation with Arterial Spin Labeling at 3 Tesla

Dissertation submitted in Faculdade de Ciências e Tecnologia of Universidade Nova de Lisboa for the degree of Master of Biomedical EngineeringBackground: The new clinically available arterial spin labelling (ASL) sequences present some advantages relatively to the commonly used blood oxygenation level dependent (BOLD) method for functional brain studies using magnetic resonance imaging (MRI), namely the fact of being potentially quantitative and more reproducible. Purpose: The main aim of this work was to evaluate the functional use of a commercial ASL sequence implemented on a 3 Tesla MRI system (Siemens, Verio) in the Imaging Department of Hospital da Luz. The first aim was to obtain a functional validation of this technique by comparison with the BOLD contrast, using a number of different approaches. The second aim was to accomplish perfusion quantification, by resolving some important quantification issues. Materials and Methods: Fifteen adult volunteers participated in a single functional imaging session using three different protocols: one using BOLD and two using ASL. The subjects performed a motor finger tapping task and the data analysis was performed using Siemens Neuro3D and FSL (FMRIB’s Software Library). The location and variability of the activated areas were analysed in MNI (Montereal Neurological Institute) standard space. Results: Topographic agreement between the activated regions obtained by BOLD and ASL was found. However, the results show that inter-subject variability and distance to the hand motor cortex were smaller when measured with ASL as compared with BOLD fMRI. Quantitative studies revealed that ASL allows the calculation of cerebral blood flow (CBF), both at baseline and upon functional activation. Conclusion: The results suggest that the functional imaging protocols using ASL produce comparable results to a conventional BOLD protocol, with the additional advantages of reduced inter-subject variability, better spatial specificity and quantification possibilities

Development of pulse sequences for hyperpolarized 13C magnetic resonance spectroscopic imaging of tumour metabolism

Metabolic imaging with hyperpolarized 13C-labeled cell substrates is a promising technique for imaging tissue metabolism in vivo. However, the transient nature of the hyperpolarization - and its depletion following excitation - limits the imaging time and the number of excitation pulses that can be used. A single-shot 3D imaging sequence has been developed and it is shown in this thesis to generate 13C MR images in tumour-bearing mice injected with hyperpolarized [1-13C]pyruvate. The pulse sequence acquires a stack-of-spirals at two spin echoes after a single excitation pulse and encodes the kz-dimension in an interleaved manner to enhance robustness to B0 inhomogeneity. Spectral-spatial pulses are used to acquire dynamic 3D images from selected hyperpolarized 13C-labeled metabolites. A nominal spatial/temporal resolution of 1.25 x 1.25 x 2.5 $mm^3$ x 2 s was achieved in tumour images of hyperpolarized [1-13C]pyruvate and [1-13C]lactate acquired in vivo. An advanced sequence is also described in this thesis in a later study to acquire higher resolution images with isotropic voxels (1.25 x 1.25 x 1.25 $mm^3$) at no cost of temporal resolution. EPI is a sequence widely used in hyperpolarized 13C MRI because images can be acquired rapidly with limited RF exposure. However, EPI suffers from Nyquist ghosting, which is normally corrected for by acquiring a reference scan. In this thesis a workflow for hyperpolarized 13C EPI is proposed that requires no reference scan and, therefore, that does not sacrifice a time point in the dynamic monitoring of tissue metabolism. To date, most of the hyperpolarized MRI on metabolism are based on 13C imaging, while 1H is a better imaging target for its 4 times higher gyromagnetic ratio and hence 16 times signal. In this thesis the world’s first dynamic 1H imaging in vivo of hyperpolarized [1-13C]lactate is presented, via a novel double-dual-spin-echo INEPT sequence that transfers the hyperpolarization from 13C to 1H, achieving a spatial resolution of 1.25 x 1.25 $mm^2$

On motion in dynamic magnetic resonance imaging: Applications in cardiac function and abdominal diffusion

La imagen por resonancia magnética (MRI), hoy en día, representa una potente herramienta para el diagnóstico clínico debido a su flexibilidad y sensibilidad a un amplio rango de propiedades del tejido. Sus principales ventajas son su sobresaliente versatilidad y su capacidad para proporcionar alto contraste entre tejidos blandos. Gracias a esa versatilidad, la MRI se puede emplear para observar diferentes fenómenos físicos dentro del cuerpo humano combinando distintos tipos de pulsos dentro de la secuencia. Esto ha permitido crear distintas modalidades con múltiples aplicaciones tanto biológicas como clínicas. La adquisición de MR es, sin embargo, un proceso lento, lo que conlleva una solución de compromiso entre resolución y tiempo de adquisición (Lima da Cruz, 2016; Royuela-del Val, 2017). Debido a esto, la presencia de movimiento fisiológico durante la adquisición puede conllevar una grave degradación de la calidad de imagen, así como un incremento del tiempo de adquisición, aumentando así tambien la incomodidad del paciente. Esta limitación práctica representa un gran obstáculo para la viabilidad clínica de la MRI. En esta Tesis Doctoral se abordan dos problemas de interés en el campo de la MRI en los que el movimiento fisiológico tiene un papel protagonista. Éstos son, por un lado, la estimación robusta de parámetros de rotación y esfuerzo miocárdico a partir de imágenes de MR-Tagging dinámica para el diagnóstico y clasificación de cardiomiopatías y, por otro, la reconstrucción de mapas del coeficiente de difusión aparente (ADC) a alta resolución y con alta relación señal a ruido (SNR) a partir de adquisiciones de imagen ponderada en difusión (DWI) multiparamétrica en el hígado.Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería TelemáticaDoctorado en Tecnologías de la Información y las Telecomunicacione