MRI-based quantification of magnetic susceptibility: Assessment of measurement and calculation accuracy

Abstract

An object in an external magnetic field will be magnetized and the degree of magnetization is
dependent of the magnetic susceptibility of the object. The local magnetic field inside and around an
object in the MR scanner will change due to the magnetization of the object. The phase shift is
proportional to the local magnetic field, which means that phase images hold information about the
susceptibility distribution. Since the magnetic susceptibility is a material property, it will have a
specific value for a certain substance. Different tissues and compartment of the brain show different
susceptibilities, which makes it possible to use susceptibility as a source of contrast in MRI.

The magnetic field can be described as a convolution of the susceptibility distribution with a dipole
field. The susceptibility distribution cannot easily be resolved from this relationship because of the
angular dependence of the dipole field. When the dipole field is zero, at the magic angle, the
magnetic field will be zero independently of the susceptibility. In Quantitative Susceptibility Mapping
(QSM), the susceptibility is calculated through an iterative process comparing the field calculated
from an estimated susceptibility distribution to the measured phase.
In this master's thesis, a procedure for QSM has been tested to investigate which conditions and
parameters are important for the accuracy of the method. For this purpose, three phantoms were
constructed with cylinders of varying susceptibility and geometry. Experiments were made with
varying measurement and calculation parameters, and the results were compared to simulated and
analytically calculated data.

The results show that the susceptibility images differ substantially in contrast from the original phase
images. The method seems to be quite stable for changes in measurement and calculation
parameters and it provides an expected linear relationship between estimated susceptibility and
concentration of contrast agent. The method does not, however, always retrieve accurate values of
the susceptibility for cylindrical objects at an angle about or larger than the magic angle, relative to
the main magnetic field. The results seem to be more accurate for large objects or high spatial
resolution, large volume coverage and with the slice direction applied along the long axis of the
cylindrical object of interest.

Popular Abstract (Swedish)

Ett objekt som placeras i det starka magnetfältet i en MR-kamera kommer att bli magnetiserat. Magnetiseringen beskrivs av materialets magnetiska susceptibilitet. Olika delar av hjärnan har olika susceptibilitet vilket gör det möjligt att använda susceptibilitet som en källa till kontrast i MR-bilder. Susceptibiliteten i hjärnan varierar inte enbart med olika vävnader och strukturer utan också med t.ex. syremättnad i blod, venöst blod har högre susceptibilitet än arteriellt blod. Susceptibiliteten hos blod efter en intrakranial blödning kommer att öka med tiden. Susceptibiliteten ökar också med inlagring av järn i celler. Detta kan ses i flera neurodegenerativa sjukdomar som t.ex. Multipel Skleros (MS) och Alzheimers och Parkinsons sjukdom. Att kunna mäta susceptibilitet i hjärnans olika delar är därför av intresse vid studier av dessa tillstånd. Att kvantitativt kunna mäta susceptibiliteten kan också vara användbart för bestämning av kontrastmedelskoncentration t.ex. vid perfusionsmätningar.

Susceptibiliteten kan inte mätas direkt med MR men fasbilder innehåller information om magnetiseringen och därmed susceptibiliteten. Quantitative Susceptibility Mapping (QSM) är en metod för att beräkna susceptibilitet utifrån fasbilder genom en iterativ process. I ett projekt under våren 2016 har denna metod testats genom mätningar på fantom med känd susceptibilitet. Syftet med projektet var att se hur väl metoden fungerar för att bestämma korrekta värden för magnetisk susceptibilitet och vad som påverkar resultatet. Ett antal fantom skapades bestående av cylindrar placerade i en gel, där varje cylinder först fyllts med en lösning innehållande kontrastmedel (för att öka susceptibiliteten).
Fantomens utformning och olika parametrar för mätning och beräkning av susceptibilitet varierades, t.ex. varierades rumsupplösning, snittriktning och cylindrarnas orientering gentemot det externa magnetfältet. Uppmätta värden jämfördes med teoretiska och simulerade värden för fas och susceptibilitet. Metoden visade sig ge värden som stämde bra överens med teorin för cylindrar orienterade parallellt eller nära parallellt med det magnetiska fältet men för vinklar runt, eller större än 54,7 ° (kallat den magiska vinkeln) underskattades susceptibiliteten. Vinkelberoendet var dock mindre tydligt än i de ursprungliga fasbilderna.

Simuleringar visade att vinkelberoendet inte var ett resultat av susceptibilitetsberäkningen utan berodde på en avvikelse i fas utanför cylindrarna i snittriktningen. Detta fel verkade uppkomma redan vid mätningen. Att välja en snittriktning längs cylindern gav bättre resultat för cylindrar orienterade ungefär vinkelrätt mot magnetfältet. En god rumsupplösning eller ett stort objekt visade sig också påverka resultatet positivt. Susceptibilitetsbilder kan alltså beräknas med gott resultat, men för långsmala objekt, som t.ex. blodkärl, är geometrin av betydelse. Värdena i bilderna är också relativa, för att beräkna kvantitativa värden för susceptibiliteten in vivo hade det behövts någon referens i bilden med känd susceptibilitet

• author: Olsson, Emma
• supervisor: Emelie Lind; Ronnie Wirestam
• organization: Medical Radiation Physics, Lund; Medical Physics Programme
• course: MSFT01 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 8897910
• date added to LUP: 2017-01-08 17:10:07
• date last changed: 2017-01-09 16:29:21