Optimized acquisition and estimation techniques in diffusion MRI for quantitative imaging

Abstract

Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging (DW-MRI) is able to measure intrinsic properties of tissue structure non-invasively. By applying diffusion-weighting, DW-MRI is sensitive to microscopic water displacements, with multiple applications for tissue characterization, diagnosis and treatment monitoring. Nevertheless, the application of these long and powerful diffusion-weighting gradients results in compelling imaging challenges. Consequently, this Thesis focuses on the optimization of the Spin Echo (SE) Diffusion-Weighted Imaging (DWI) sequence to improve image quality and estimation of the diffusion-related parametric maps. As far as image quality is concerned, traditional SE DWI acquisition experiences artefacts from signal dephasing due to bulk motion, Concomitant Gradients (CGs), and Eddy Currents (ECs) which decrease image quality and complicate image interpretation. Additionally, it also suffers from severe signal attenuation due to the long Echo Time (TE) needed to achieve strong diffusion-weightings. Multiple approaches have been proposed to diminish these DWI artefacts, from synchronization, gating and complex DWI sequences such as the Twice Refocused Spin Echo (TRSE) to the application of diffusion-weighting gradients with nth-order motion-nulling and/or EC-nulling. Nevertheless, these techniques generally result in suboptimal acquisitions with long TEs. In this Thesis, we propose a versatile formulation for the design of optimized diffusion-weighting gradient waveforms that alleviates the previous drawbacks while minimizing the TE of the acquisition. The estimation of the diffusion-related parametric maps is usually affected by several confounding factors such as low accuracy and precision and lack of repeatability and reproducibility, partially caused by the previous artefacts. These confounding factors appear in both the monoexponential and the Intravoxel Incoherent Motion (IVIM) Diffusion-Weighted (DW) signal models, and hinder the establishment of their diffusion-related parametric maps as quantitative imaging biomarkers. Accuracy of the estimates, particularly of the Apparent Diffusion Coefficient (ADC) of the monoexponential DWsignal model, can be increased by using the appropriate estimator. However, the set of diffusion-weightings (i.e., set of b-values) that increases the precision of the estimated parametric maps remains unclear. In this Thesis, we derive the Cramér-Rao Lower Bound (CRLB) of both DW signal models under the assumption of DW to be affected by Rician distributed noise, and propose a formulation for the optimization of the set of b-values that maximizes the noise performance (i.e., minimizes the variance and maximizes the precision) of the estimated diffusion-related parametric maps.

La resonancia magnética de difusión (DW-MRI, es sus siglas en inglés) es una modalidad de imagen médica capaz de medir las propiedades intrínsecas de la estructura de los tejidos de forma no invasiva. A través de una ponderación en difusión, la DW-MRI es sensible a los desplazamientos microscópicos de agua, lo que la dota de múltiples aplicaciones tanto para la caracterización de los tejidos como para el diagnóstico y el seguimiento de tratamientos. No obstante, la aplicación de los gradientes necesarios para realizar la ponderación de la difusión (muy potentes y duraderos) da lugar a problemas en las imágenes adquiridas. Por consiguiente, esta tesis se centra en la optimización de las secuencias de DW-MRI basadas en adquisiciones spin-echo (SE) para mejorar la calidad de las imágenes de difusión y la estimación de los mapas paramétricos relacionados con la difusión. En lo que respecta a la calidad de la imagen, la secuencia tradicional de DW-MRI basada en SE experimenta considerables artefactos de desfase de la señal debido al movimiento, a los gradientes concomitantes y a las corrientes de Foucault, lo que disminuye la calidad de las imágenes adquiridas y complica su interpretación. Además, las imágenes también sufren de una severa atenuación de la señal debido al largo tiempo necesario para lograr las fuertes ponderaciones de difusión, es decir, necesita de largos tiempos de eco (TE). Se han propuesto múltiples enfoques para disminuir los anteriores artefactos de la DW-MRI. Por ejemplo, se han utilizado desde técnicas de sincronización, y secuencias complejas de DW-MRI como la secuencia SE con doble reenfoque, hasta la aplicación de gradientes de ponderación de la difusión con anulación de movimiento de orden n-ésimo y/o anulación de las corrientes de Foucault. Sin embargo, estas técnicas generalmente dan como resultado adquisiciones subóptimas con largos TEs. En esta tesis, proponemos una formulación versátil para el diseño de formas de onda para los gradientes de ponderación de la difusión optimizadas que disminuyan los problemas anteriormente mencionados de las adquisiciones y las imágenes de DW-MRI y al mismo tiempo minimicen el TE de la adquisición. Por otro lado, la estimación de los mapas paramétricos relacionados con la difusión suele verse afectada por varios factores perjudiciales como son la baja precisión y baja exactitud, la falta de repetibilidad y falta de reproducibilidad, causados, en parte, por los artefactos descritos anteriormente. Estos factores perjudiciales aparecen tanto en los mapas de difusión estimados a partir del modelo monoexponencial de señal como en los mapas estimados a partir del modelo de movimiento incoherente intravoxel, lo que dificulta el establecimiento de biomarcadores cuantitativos a partir de los mapas paramétricos estimados. La precisión de las estimaciones, y en particular la precisión de los mapas de difusión aparente del modelo de señal monoexponencial de DW-MRI, puede aumentarse utilizando el estimador apropiado. Sin embargo, el conjunto de ponderaciones de la difusión a realizar (es decir, el conjunto de valores b) que aumentan la precisión de los mapas paramétricos estimados sigue sin estar claro. En esta Tesis se deriva la cota inferior de Cramér-Rao de ambos modelos de señal de DW-MRI bajo el supuesto de que las imágenes adquiridas de DW-MRI se ven afectadas por un ruido con distribución Rician y a su vez se propone una formulación para la optimización del conjunto de valores b que maximizan el nivel de señal (es decir, minimizan la varianza y maximizan la precisión) de los mapas paramétricos estimados relacionados con la difusión.