Optimization of b-value Acquisition and Parameter Estimation of Intravoxel Incoherent Motion Measurements

Abstract

Radiotherapy is commonly used for cancer treatment, given to approximately half of all cancer patients in Sweden. Despite its widespread usage, there is currently no non-invasive and reliable imaging method that can identify regions of radiation resistance. These regions may be identified by hypoxia, given that radiobiological research has demonstrated a significant correlation between oxygen levels and the extent of radiation-induced cellular damage.

A recent study has shown that magnetic resonance imaging (MRI) of intravoxel incoherent motions (IVIM) using diffusion-weighted MRI of the prostate shows promise for hypoxia mapping. The basis of these hypoxia maps are the IVIM parameters perfusion fraction and diffusion coefficient.

IVIM is recognized for being sensitive to noise and showing low reproducibility of parameter values. Existing literature highlights two issues that need to be resolved: optimization of image acquisition and reliable parameter estimation. The aim of this work is to address these issues by optimizing an acquisition protocol and to evaluate two new fitting algorithms; MIX and TopoPro; by comparing their estimation errors with commonly used algorithms to date.

Protocol optimization was performed with respect to diffusion weightings (b-values), and the number of averages as free parameters. The Cramér-Rao Lower Bound (CRLB) was used to provide estimates for the variances of the IVIM parameters for a set of b-values. Numerical minimization of the CRLB was employed to find optimal sets of b-values. Three protocols with different properties were produced and evaluated on a wide variety of simulated IVIM signals with respect to accuracy and precision. Comparison was made to a generic IVIM protocol typically found in literature. The best performing protocol was used in an in-vivo evaluation on the prostate and compared to the generic protocol with respect to estimation convergence. The optimized acquisition of in-vivo data improved convergence where the generic protocol otherwise would have failed to provide estimates due to noisy data. The optimized protocol increased the number of converged voxels by up to 20\% and was found to vary between fitting algorithms. In conclusion, an optimized acquisition protocol may yield improved parameter estimates.

The evaluation of fitting algorithms was performed on simulated IVIM signals for three signal-to-noise ratios, where the signals were produced using a wide range of IVIM parameter combinations. MIX and TopoPro were compared to four conventional algorithms. Three of the conventional algorithms were found to be the most precise, but less accurate in certain parameter limits. MIX was found to be both precise and accurate. Furthermore, MIX showed a smaller dependence on the acquisition scheme than the others, both in simulations and in-vivo. MIX is therefore recommended as it is accurate, precise, and reduces the acquisition-dependency of IVIM parameter estimates. Furthermore, the usage of the Linear fit is not recommended as it showed the lowest accuracy, and lowest precision.

Popular Abstract (Swedish)

Strålterapi är en vanligt förekommande behandling som ges till hälften av cancerpatienterna i landet. I fallet för prostatacancer, som utgör den vanligaste diagnosen, beror ofta cancerrelaterade dödsfall på återkomst av sjukdomen efter genomförd behandling. Vår hypotes är att detta kan minskas genom att identifiera strålrestistenta volymer i prostatan och öka stråldosen till dessa. Tyvärr finns det idag ingen pålitlig och icke-invasiv avbildningsteknik i klinisk drift för att kartlägga dessa områden. Enligt kända kunskaper inom strålningsbiologi beror strålinducerade cellskador på närvaro av syre. Därmed skulle brist på syre, det vill säga hypoxi, kunna agera som underlag för att identifiera dessa strålresistenta områden.

I en nyligen publicerad studie föreslogs en typ av magnetkameraundersökning för kartläggning av hypoxi. Bildtagningstekniken manipulerar och kodar in signalen från magnetkameran så att den blir känslig för slumpmässiga mikroskopiska rörelser i kroppen. Dessa rörelser kan exempelvis vara vattenmolekylernas slumpmässiga rörelse orsakad av rörelseenergi, eller blodflödet i slumpmässigt orienterade mikrokapillärer. För att utvinna den här informationen behöver mätningar göras med flera olika styrkor på inkodningen, då dessa rörelser är i olika storleksordningar. På så sätt kan dessa mätningar användas för att samtidigt avbilda både blodkärlstäthet och vävnadens mikrostruktur, såsom celltäthet. Det sistnämnda är möjligt då vattenmolekylernas rörelser begränsas av cellmiljön de rör sig i.

I studien som föreslår denna typ av undersökning för hypoxikartläggning användes informationen om blodflöde och celltäthet för att ta fram hypoxikartor enligt tillgång och efterfrågan. Tillgången utgörs av blodflödet, som består av syrebärande blodkroppar. Efterfrågan utgörs av celltätheten, alltså antalet celler som konsumerar syret. Med dålig cirkulation och hög celltäthet kan alltså hypoxiska områden identifieras, vilket ofta kan vara fallet för tumörer i prostatan.

Bildtagningstekniken som används för att ta fram underlaget för mikrocirkulationen och celltätheten är tidigare känd för dålig reproducerbarhet, till exempel på grund av signalbrus. För att lösa detta problem måste två frågor besvaras. Den första är vilka styrkor på inkodningen som är optimala att använda. Detta är relevant då olika vävnadstyper kräver olika inkodningsstyrkor för att karakterisera dem, vilket betyder att optimering behöver göras för varje organ för sig. Den andra frågan är vilken analysmetod som ska användas för att utvinna informationen om vävnaden från mätningarna. Brus är ett ständigt problem, och olika analysmetoder är olika känsliga för det. Det är vidare inte alltid uppenbart vilken metod som är bäst. Syftet med arbetet var att undersöka dessa frågor, med fokus på tillämpning i prostatan.

I arbetet tillämpades simuleringar och patientmätningar för att besvara dessa frågor. Simuleringarna användes för att utvärdera olika mätprotokoll och analysmetoder kvantitativt, med fokus på att studera osäkerheterna i informationen som erhålls om prostatans mikrocirkulation och celltäthet. Simuleringarna verifierades kvalitativt av patientmätningarna, där önskan var att kunna dra motsvarande slutsatser.

Resultaten av simuleringarna antydde att ett mätprotokoll vi optimerat kan prestera bättre än ett typiskt sådant som använts tidigare. Detta var inte lika tydligt i patientmätningarna, vilket skulle kunna bero på att de var för få. Mer arbete krävs för att dra säkrare slutsater. Gällande analysmetod kunde vi bekräfta och stärka med både simuleringar och patientdata att en nyligen föreslagen analysmetod presterar bättre än konventionella sådana som används idag. Vi har därmed visat att resultaten kan förbättras med befintlig data. I synnerhet de metoder studien som förelog denna typ av hypoxikartläggning använde. Detta tyder på att de föreslagna hypoxikartorna som redan verkar lovande skulle kunna förbättras genom att använda denna nya analys.

• author: Rashid, Ivan
• supervisor: Patrik Brynolfsson; Christian Jamtheim Gustafsson; Lars E Olsson
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT02 20232
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 9139569
• date added to LUP: 2023-10-09 08:27:25
• date last changed: 2023-10-12 16:28:47