Assessment of undersampling strategies for accelerated multi-shell diffusion MRI

Difüzyon manyetik rezonans görüntüleme (dMRG), su moleküllerinin nöral doku boyunca gerçekleştirdiği Brown hareketine duyarlı noninvaziv bir görüntüleme yöntemidir. Beyinde gerçekleşen difüzyonun, q-uzayının farklı yörüngelerle örneklenmesiyle ölçülmesi, dokunun mikroyapısal özelliklerinin standart görüntüleme çözünürlüğünden çok daha hassas ölçeklerle çözümlenebilmesini sağlamaktadır. Difüzyon Tensor Görüntüleme (DTG) klinikte en yaygın olarak kullanılan dMRG yöntemidir ve difüzyon anizotropisiyle birincil lif yönelimini çözümleyebilmektedir. Ancak beyinde gözlemlenen karmaşık lif yapılarının görüntülenmesi için birden fazla difüzyon yönelimi için çalışacak teknikler gerekmektedir. Yüksek Açısal Çözünürlüklü Difüzyon Görüntüleme (HARDI), q-uzayını olabildiğince yoğun bir alt örnekleme yapısıyla kapsayarak açısal çözünürlüğü arttıran bir tekniktir. Çoklu-Kabuk HARDI teknikleri, q-uzayını yarı çapı b-değerince belirlenen küresel yüzeyler üzerinde örnekler ve karmaşık lif yapılarının çözülmesine olanak sağlayarak pek çok nörodejeneratif hastalığın teşhisine imkan tanır. Bu tez iki farklı çoklu-kabuk dMRG yöntemine odaklanmaktadır: Modelden bağımsız bir yöntem olan Çoklu-Doku Çoklu-Kabuk Kısıtlı Küresel Ters Evrişim (ÇDÇK-KKTE), ve difüzyon modeli tabanlı bir teknik olan Nörit Oryantasyon Dağılımı ve Yoğunluk Görüntüleme (NODDI). Bu iki yöntem, beyindeki Yönelim Dağılım Fonksiyonunu (YDF) ve Yönelim Yayılımını (YY) çözümlemek için kullanılmaktadır. Bu yöntemlerin kullanılması için gerekli olan yüksek sayıdaki q-uzayı ölçümleri ve difüzyon görüntülerinde manyetik alınganlık kaynaklı bozulmaların düzeltilmesi için zıt faz kodlama yönlerinde görüntüler alınması gerekliliği, çoklu-kabuk HARDI protokollerinin çok uzun sürmesine sebep olmakta ve yöntemin klinik kullanım için uygunluğunu düşürmektedir. Bu tezde, çoklu-kabuk dMRG protokollerinin hızlandırılması için farklı alt-örnekleme stratejileri önerilmekte, ve bu stratejilerle elde edilen metrik haritalarının ve YDF'nin doğruluğu karşılaştırılmaktadır. Önerilen ilk alt-örnekleme yöntemi, q-uzayındaki her bir kabuğun Elektrostatik Enerji Enazlaması (EEE) yöntemi ile farklı oranlarda alt örneklenilerek yeni 2-kabuklu ya da 3-kabuklu gradyan tablolarının oluşturulmasıdır. İkinci yöntem ise zıt faz kodlama yönünde yalnızca tek bir b0 görüntüsü kullanmaktadır. Bu stratejiler, 20 gönüllü için dMRG verisinin R=2 ve R=3 seviyelerinde hızlandırılması için uygulanmıştır. Sonuçlar her bir metrik için en iyi performans gösteren alt örnekleme stratejisinin farklı olduğunu belirtmektedir. R=2 için 3-kabuklu stratejiler dMRG metriklerinin ve YDF'nin doğruluğu açısından daha iyi performans göstermektedir. Genellikle birbirini takip eden iki kabuk arasında gradyan noktası sayısı değişimi az olan stratejiler daha başarılıdr. R=3 için 2-kabuklu stratejiler daha başarılıdır ve dış kabuklarda daha çok sayıda gradyan noktası barındıran stratejiler diğerlerinden daha üstündür. Tüm stratejiler altında metrik haritaları, mikroyapısal özellikleri içermekte ve teşhis için önemli özellikleri korumaktadır. Bu analizler, çoklu-kabuk dMRG gradyan tabolarının hastalığa ve hedeflenilen metriğe özel tasarlanması ile klinik uygulamaların kolaylaştırılmasında, ve minimum bilgi kaybıyla veri toplama süresinin kısaltılmasında faydalı olacaktır.