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Titel:Investigation on the optimization approaches of diffusion weighted imaging
Autor:Yang, Jia
Weitere Beteiligte: Nimsky, Christopher (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2019
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0417
DOI: https://doi.org/10.17192/z2019.0417
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2019-04178
DDC: Medizin, Gesundheit
Titel(trans.):Untersuchung über die Optimierungsansätze der diffusionsgewichteten Bildgebung

Dokument

Schlagwörter:
position-orientation adaptive smoothing, diffusion tensor parameters, die Faserbahndarstellung, die Faserbahndarstellung, die Optimierungsansätze, position-orientation adaptive smoothing, die pulsgetriggerten Datenakquisition, die diffusionsgewichteten Bildgebung, tractography, cardiac-gating, die Diffusionstensorpar, die Pyramidenbahnen, die Pyramidenbahnen, corticospinal tract

Summary:
The corticospinal tract is important in the guidance of neurosurgery. Therefore precise tractography in the pre-operative plan is necessary. However, the inherent drawback of DWI in image acquisition makes it easy to be affected by bulk motion and pulsatile motion and also to produce image distortions because of EPI acquisitions. Therefore, optimized approaches aimed at reducing or eliminating these artifacts and improve image quality have been investigated. Pulsatile motion occurs during the cardiac systolic period and has been reported to produce motion artifacts in the brain stem and basal ganglia, which might affect the corticospinal tract. Up to now, there is no consensus on the real effect of pulsatile motion on the diffusion properties, diffusion tensor parameters and fiber tractography, and the role of cardiac gating to overcome these effects is also not very clear. So in part 1 of the current study, we analyzed the influence of pulsatile motion and the contribution of cardiac-gating in the improvement of the quality of DWI, DTI and tractography. We found obvious signal attenuation in the brain stem and cerebellum. Pulsatile motion led to an over-estimation of FA and under-estimation of MD along the CST. Cardiac-gating could help to reduce the bias of the diffusion tensor parameters. Although pulsatile motion resulted in motion artifacts, bias of the diffusion tensor parameters and deviation of the principal eigenvector direction, it did not influence tract volume and location when a deterministic algorithm was applied for the reconstruction of the tract. Therefore, in this part we knew that cardiac-gating could help to avoid the motion artifacts and bias of the diffusion tensor parameters. But for the tractography of CST, the current image acquisition methods with high angular resolution or averaging seemed already able to overcome the effects of pulsatile motion, and cardiac-gating can’t make significant contribution. In part 2 of this study, we focused on another approach for improving the DWI image quality, the denoising algorithm POAS (Position-orientation adaptive smoothing). The DWI suffers more easily from artifacts during acquisition and always has a low SNR, which might lead to erroneous decisions in the determination of the diffusion metrics and fiber tractography in clinics. Although plenty of denoising methods have been proposed up to now, POAS came into consideration because POAS reduces image noise in the whole brain with edge-preserving properties and avoids blurring. In this study, we found that POAS reduced noise directly on DWIs and improved SNR dramatically, and consequently, POAS also reduced the bias and variation of the diffusion tensor quantities, such as FA. In tractography, after processing with POAS, a greater fiber volume of the CST was reconstructed compared to the original datasets. At the same time, reconstruction of the CST in POAS-processed datasets gained more stability and less variability which could compensate for the effect of a high angular resolution in some degree. In the future, the application of POAS in pathological cases should be conducted to verify its practical value in the clinics. In neuroscience, the image quality of DWI and the precision of the diffusion tensor parameters are essential. Both of the above approaches could be applied to optimize the analysis. During neurosurgical operations, the accuracy of tract reconstruction, or space occupation, has more importance. So POAS could be considered to improve tractography while cardiac-gating did not have significant effects. More advanced approaches should be further investigated.

Zusammenfassung:
Die maximal ausgedehnte Tumorvolumenreduktion bei gleichzeitigem Erhalt der neurologischen Funktion wird heute im mikrochirurgischen Behandlungskonzept von Hirntumoren als positiv prädiktiver Faktor für das Überleben der Patienten angesehen. Eine möglichst präzise und reliable Darstellung der Faserbahnsysteme ist dabei für die maximal sichere Tumorvolumenreduktion unerlässlich. Die diffusionsgewichtete Bildgebung ist sensitiv gegenüber der Gefäßpulsation, die zu Bewegungsartefakten insbesondere im Bereich des Hirnstamms und der Basalganglien führt und somit vermeintlich Einfluss auf die Darstellung der Pyramidenbahnen nehmen kann. Bislang gibt es jedoch noch keinen Konsens über die Auswirkungen der Gefäßpulsation auf Diffusionstensorparameter und die Faserbahndarstellung an sich. Inwieweit eine pulsgetriggerte Datenakquisition dem entgegenwirkt ist ebenso noch weitgehend ungeklärt. In dieser Arbeit wurde daher der Einfluss der Gefäßpulsation und der pulsgetriggerten Datenakquisition in Bezug auf die Qualität der diffusionsgewichteten Bilddaten, der daraus resultierenden Diffusions-Tensor-Daten und Faserbahndarstellungen der Pyramidenbahnen analysiert. Dabei zeigten sich offensichtliche Signalabschwächungen im Bereich des Hirnstamms und des Kleinhirns und eine Überschätzung der fraktionellen Anisotropie und Unterschätzung der mittleren Diffusivität, wobei die pulsgetriggerte Datenakquisition den Einfluss auf die Diffusionstensorparameter reduzierte. Obwohl die Gefäßpulsation zu Bewegungsartefakten führte, die Diffusionstensorparameter beeinflusste und es zu einer Abweichung des ersten Eigenvektors kam, der für die Faserbahnrekonstruktion maßgeblich ist, zeigten sich auf Ebene der Faserbahndarstellung keine Unterschiede in Faserbahnvolumen und der räumlichen Lage der Pyramidenbahndarstellungen. Vermutlich trägt die heutige Datenakquisition mit hoher Winkelauflösung zur Stabilität der Faserbahndarstellung bei, so dass die pulsgetriggerte Datenakquisition zwar auf die Bewegungskorrektur in den diffusionsgewichteten Bilddaten selbst und die Diffusionstensorparameter einen Einfluss nimmt, jedoch für die Faserbahndarstellung keine deutliche Verbesserung zeigt. Eine Schwäche der diffusionsgewichteten Bildgebung ist das niedrige Signal-zu-Rausch Verhältnis, die ebenso zu Veränderungen in der Modellierung des Diffusionsverhaltens und der Faserbahndarstellung führen kann. Um dies zu kompensieren und die Bildqualität der Ausgangsdaten zu erhöhen stehen verschiedenste Ansätze zur Verfügung. In der klinischen Bildgebung wird dabei häufig auf Messwiederholungen zurückgegriffen, was jedoch mit einem Vielfachen der Akquisitionszeit einhergeht. Eine alternative strukturerhaltende Glättung, das sogenannte position-orientation adaptive smoothing (POAS), kann bereits auf einem einzelnen Datensatz (ohne Messwiederholung) zur Reduktion des Bildrauschens angewendet werden. In dieser Arbeit wurden nun sowohl die Originaldaten als auch die gemittelten Daten aus fünf Messwiederholungen sowie die mittels POAS verarbeiteten Daten miteinander verglichen. Bereits in den diffusionsgewichteten Bilddaten zeigte sich für die Anwendung von POAS eine unmittelbare Reduzierung es Rauschens und eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch Verhältnis, ebenso eine verringerte Variabilität der Diffusions-Tensor-Parameter. Für die Rekonstruktion der Pyramidenbahnen fand sich ein deutlich erhöhtes Faserbahnvolumen sowie eine höhere Stabilität der Rekonstruktionsergebnisse. Insbesondere aufgrund der Auswirkungen auf die Faserbahnrekonstruktion sollte in zukünftigen Studien auch die Anwendung bei Patienten mit Hirntumoren systematisch analysiert werden, um den klinischen Nutzen weiter zu verifizieren. In den Neurowissenschaften werden Parameter verschiedensten Verarbeitungsschritte diffusionsgewichteter Bilddaten für Forschungszwecke herangezogen, Parameter der diffusionsgewichteten Bildgebung selbst, der Diffusion-Tensor-Modellierung sowie der Faserbahnrekonstruktionen und Faserbahneigenschaften. Die zugrundeliegende Bildqualität spielt dahingehend eine essentielle und womöglich entscheidende Rolle. Beide in dieser Arbeit untersuchten Ansätze können zur Optimierung der Bilddaten beitragen wobei insbesondere die strukturerhaltene Glättung mittels POAS Potential in Hinblick auf eine zuverlässigere und reliable Darstellung von Faserbahnen für die intraoperative Anwendung in der Neurochirurgie bietet.


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