Development of an image-based estimation method for tissue parameters in diffusion MRI

• Project/Area Number: 19K08184
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 52040:Radiological sciences-related
• Research Institution: Hokkaido University of Science
• Principal Investigator: Kumazawa Seiji 北海道科学大学, 保健医療学部, 教授 (50363354)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉浦 敬 鹿児島大学, 医歯学域医学系, 教授 (40322747)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 拡散MRI / EPI / 磁場不均一 / 幾何学的歪 / 幾何学的歪み / 補正 / MRI / 拡散 / 組織定量値

Outline of Research at the Start

拡散MRIでは，水分子の拡散現象を通して生体の組織構造に関する情報が得られるが，その一方で磁場不均一に起因した幾何学的歪みが生じる．この組織構造情報を形態画像へマッピングする際には，幾何学的歪みを補正する必要がある．本研究では，歪み補正の過程で磁場不均一分布を推定し，その磁場不均一分布と歪み補正情報を用いて組織定量値を推定する手法の開発を行う．

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study was to develop a method for joint estimation of the undistorted image and the magnetic field inhomogeneity map in distorted brain diffusion MRI images. Our proposed method estimates the undistorted image in the image domain based on MR imaging physics, while simultaneously estimating the magnetic field inhomogeneity alternatively using the conjugate gradient method. Results demonstrate that our method can outperform a non-rigid registration-based distortion correction method.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

拡散MRI画像では撮像後の画像解析によって組織構造に関する情報が得られ，これらを高解像度のT1強調画像などの形態画像へマッピングし，形態情報と合わせた解析・可視化が行われており，特に拡散情報の解析に基づく脳白質神経線維束の推定は脳神経外科における手術計画等に用いられている．拡散MRI画像解析の前処理として本手法を用いることで，形態情報と合わせた解析・可視化や脳白質神経線維束の推定などの精度向上が期待される．

Research Products

• [Journal Article] Estimation of undistorted images in brain echo-planar images with distortions using the conjugate gradient method with anatomical regularization (2022)
  • Author(s): Seiji Kumazawa, Takashi Yoshiura
  • Journal Title: Medical Physics Volume: 49 Issue: 12 Pages: 7531-7544
  • DOI: 10.1002/mp.15881
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 頭部EPI画像におけるT1強調画像を用いた磁場不均一分布推定手法の比較 (2022)
  • Author(s): 熊澤誠志 吉浦敬
  • Organizer: 第50回日本磁気共鳴医学会大会
• [Presentation] 頭部EPI画像における歪補正画像と変位マップの結合推定 (2021)
  • Author(s): 熊澤誠志 吉浦敬
  • Organizer: 第49回日本磁気共鳴医学会大会
• [Presentation] 頭部EPI画像における画像ベース歪み補正手法の比較 －シミュレーションによる検討― (2020)
  • Author(s): 熊澤誠志，吉浦敬
  • Organizer: 第48回日本磁気共鳴医学会大会
• [Presentation] 共役勾配法を用いた頭部EPI画像における幾何学的歪み補正手法の開発 (2019)
  • Author(s): 熊澤誠志，吉浦敬
  • Organizer: 第47回日本磁気共鳴医学会大会