Part 1 book “Advanced MR neuroimaging” has contents: Diffusion MR imaging, artifacts and pitfalls in diffusion MRI, perfusion MR imaging, artifacts and pitfalls of perfusion MRI. Invite to references content.
Advanced MR Neuroimaging Series in Medical Physics and Biomedical Engineering Series Editors: John G Webster, E Russell Ritenour, Slavik Tabakov, and Kwan-Hoong Ng Recent books in the series: Advanced MR Neuroimaging: From Theory to Clinical Practice Ioannis Tsougos Quantitative MRI of the Brain: Principles of Physical Measurement, Second edition Mara Cercignani, Nicholas G Dowell, and Paul S Tofts (Eds) A Brief Survey of Quantitative EEG Kaushik Majumdar Handbook of X-ray Imaging: Physics and Technology Paolo Russo (Ed) Graphics Processing Unit-Based High Performance Computing in Radiation Therapy Xun Jia and Steve B Jiang (Eds) Targeted Muscle Reinnervation: A Neural Interface for Artificial Limbs Todd A Kuiken, Aimee E Schultz Feuser, and Ann K Barlow (Eds) Emerging Technologies in Brachytherapy William Y Song, Kari Tanderup, and Bradley Pieters (Eds) Environmental Radioactivity and Emergency Preparedness Mats Isaksson and Christopher L Rääf The Practice of Internal Dosimetry in Nuclear Medicine Michael G Stabin Radiation Protection in Medical Imaging and Radiation Oncology Richard J Vetter and Magdalena S Stoeva (Eds) Statistical Computing in Nuclear Imaging Arkadiusz Sitek The Physiological Measurement Handbook John G Webster (Ed) Radiosensitizers and Radiochemotherapy in the Treatment of Cancer Shirley Lehnert Diagnostic Endoscopy Haishan Zeng (Ed) Medical Equipment Management Keith Willson, Keith Ison, and Slavik Tabakov Advanced MR Neuroimaging from Theory to Clinical Practice Ioannis Tsougos Assistant Professor of Medical Physics Faculty of Medicine, School of Health Sciences, University of Thessaly Biopolis, Larissa, Greece MATLAB® and Simulink® are trademarks of the MathWorks, Inc and are used with permission The MathWorks does not warrant the accuracy of the text or exercises in this book This book’s use or discussion of MATLAB® and Simulink® software or related products does not constitute endorsement or sponsorship by the MathWorks of a particular pedagogical approach or particular use of the MATLAB® and Simulink® software CRC Press Taylor & Francis Group 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300 Boca Raton, FL 33487-2742 © 2018 by Taylor & Francis Group, LLC CRC Press is an imprint of Taylor & Francis Group, an Informa business No claim to original U.S Government works Printed on acid-free paper International Standard Book Number-13: 978-1-4987-5523-8 (Hardback) This book contains information obtained from authentic and highly regarded sources Reasonable efforts have been made to publish reliable data and information, but the author and publisher cannot assume responsibility for the validity of all materials or the consequences of their use The authors and publishers have attempted to trace the copyright holders of all material reproduced in this publication and apologize to copyright holders if permission to publish in this form has not been obtained If any copyright material has not been acknowledged please write and let us know so we may rectify in any future reprint Except as permitted under U.S Copyright Law, no part of this book may be reprinted, reproduced, transmitted, or utilized in any form by any electronic, mechanical, or other means, now known or hereafter invented, including photocopying, microfilming, and recording, or in any information storage or retrieval system, without written permission from the publishers For permission to photocopy or use material electronically from this work, please access www.copyright.com (http://www copyright.com/) or contact the Copyright Clearance Center, Inc (CCC), 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, 978-7508400 CCC is a not-for-profit organization that provides licenses and registration for a variety of users For organizations that have been granted a photocopy license by the CCC, a separate system of payment has been arranged Trademark Notice: Product or corporate names may be trademarks or registered trademarks, and are used only for identification and explanation without intent to infringe Library of Congress Cataloging‑in‑Publication Data Names: Tsougos, Ioannis, author Title: Advanced MR neuroimaging : from theory to clinical practice / Ioannis Tsougos Other titles: Series in medical physics and biomedical engineering Description: Boca Raton, FL : CRC Press, Taylor & Francis Group, [2018] | Series: Series in medical physics and biomedical engineering | Includes bibliographical references and index Identifiers: LCCN 2017037811| ISBN 9781498755238 (hardback ; alk paper) | ISBN 1498755232 (hardback ; alk paper) | ISBN 9781498755252 (e-book) | ISBN 1498755259 (e-book) Subjects: LCSH: Brain–Magnetic resonance imaging | Magnetic resonance imaging Classification: LCC RC386.6.M34 T73 2018 | DDC 616.8/04754–dc23 LC record available at https://lccn.loc.gov/2017037811 Visit the Taylor & Francis Web site at http://www.taylorandfrancis.com and the CRC Press Web site at http://www.crcpress.com Contents Series Preface xi Preface xiii About the Author xv Diffusion MR Imaging 1.1 Introduction .1 1.1.1 Diffusion������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������1 1.1.2 Diffusion in Magnetic Resonance Imaging 1.2 Diffusion Imaging: Basic Principles 1.2.1 Diffusion-Weighted Imaging 1.2.2 The b-Value������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 1.2.3 Apparent Diffusion Coefficient 1.2.4 Isotropic or Anisotropic Diffusion? 10 1.2.5 Echo Planar Imaging 12 1.2.6 Main Limitations of DWI 13 1.3 Diffusion Tensor Imaging .14 1.3.1 “Rotationally Invariant” Parameters (Mean Diffusivity and Fractional Anisotropy)�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������17 1.3.2 Fiber Tractography�����������������������������������������������������������������������������������������������������������19 1.4 Conclusions and Future Perspectives 22 References���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 23 Artifacts and Pitfalls in Diffusion MRI 2.1 Introduction 29 2.2 Artifacts and Pitfalls Categorization 30 2.3 Artifacts from the Gradient System 30 2.3.1 Eddy Current Artifacts 30 2.3.2 Eddy Currents—Mitigating Strategies 32 2.4 Motion Artifacts 33 2.4.1 Motion Artifacts—Mitigating Strategies 35 2.4.2 EPI Specific Artifacts 35 2.4.3 Distortions Originating from B0 Inhomogeneities 36 2.4.4 Misregistration Artifacts from Eddy Currents and Subject Motion 36 2.4.5 Mitigating Strategies—EPI Specific 37 2.5 Artifacts Due to Properties of the Subject Being Imaged and “Physiological” Noise 38 2.5.1 Susceptibility-Induced Distortions 38 2.5.2 Physiological Noise 38 vi Contents 2.5.3 Susceptibility Effects and Physiological Noise—Mitigating Strategies 39 Processing and Interpretation Pitfalls 40 2.6.1 Preprocessing of Data 40 2.6.2 Quantitation of Parameters 42 2.6.3 Dependence of Estimated Mean Diffusivity on b-Factor 45 2.6.4 Effect on ROI Positioning and Bias on Parametric Maps 45 2.6.5 CSF Contamination in Tract Specific Measurements 47 2.6.6 Intrasubject and Intersubject Comparisons 47 2.7 Mitigating Strategies—Available Methods and Software for Diffusion Data Correction 48 2.7.1 RESTORE Algorithm 48 2.7.2 ExploreDTI����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 49 2.7.3 FSL-FDT��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 49 2.7.4 FreeSurfer—TRACULA 49 2.7.5 TORTOISE������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 50 2.8 Conclusion 50 References���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 50 2.6 Perfusion MR Imaging 3.1 Introduction 55 3.2 DSC MRI 56 3.2.1 DSC Imaging Explained 58 3.2.2 DSC Perfusion Parameters: CBV, CBF, MTT 58 3.2.2.1 CBV������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 58 3.2.2.2 CBF������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 60 3.2.2.3 MTT������������������������������������������������������������������������������������������������������������������61 3.3 DCE-MRI 61 DCE Imaging Explained 62 3.3.1 3.4 ASL���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 66 3.4.1 ASL Imaging Explained 66 3.4.2 Different ASL Techniques 66 3.4.2.1 CASL and pCASL 67 3.4.2.2 PASL���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 68 3.4.2.3 VSASL������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 68 3.4.3 ASL beyond CBF Estimation 69 3.5 Conclusions and Future Perspectives 69 References���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 70 Artifacts and Pitfalls of Perfusion MRI 4.1 Introduction 75 4.2 Dynamic Susceptibility Contrast (DSC) Imaging Limitations 76 4.2.1 Subject Motion����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 76 4.2.2 Relationship between MR Signal and Contrast Concentration 76 4.2.3 Bolus Delay and Dispersion 77 4.2.4 BBB Disruption and Leakage Correction 77 4.2.5 Absolute versus Relative Quantification 78 4.3 Dynamic Contrast Enhancement (DCE) Imaging Limitations 79 4.3.1 Suitability of Tumor Lesions 79 4.3.2 Subject Motion����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 79 4.3.3 Estimation of Arterial Input Function (AIF) 79 4.3.4 Temporal and Spatial Resolutions 80 4.3.5 Variability of Results According to the Models Used 80 Contents vii 4.3.6 Quality Assurance����������������������������������������������������������������������������������������������������������� 80 Arterial Spin Labeling (ASL) Imaging Limitations 81 4.4.1 Subject Motion������������������������������������������������������������������������������������������������������������������81 4.4.2 Physiological Signal Variations 82 4.4.3 Magnetic Susceptibility Artifacts 83 4.4.4 Coil Sensitivity Variations 84 4.4.5 Labeling Efficiency 84 4.4.6 Transit Time Effects 84 4.4.7 Errors from Quantification Models 85 4.5 Conclusions and Future Perspectives 85 References���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 86 4.4 Magnetic Resonance Spectroscopy 5.1 Introduction 91 5.2 MRS Basic Principles Explained 93 5.2.1 Technical Issues��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 95 5.2.2 Data Acquisition�������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 95 5.2.3 Field Strength (B0)����������������������������������������������������������������������������������������������������������� 98 5.2.4 Voxel Size Dependency 100 5.2.5 Shimming������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 101 5.2.6 Water and Lipid Suppression Techniques 102 5.3 MRS Metabolites and Their Biological and Clinical Significance 104 5.3.1 Myo-Inositol��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������104 5.3.2 Choline-Containing Compounds .106 5.3.3 Creatine and Phosphocreatine 107 5.3.4 Glutamate and Glutamine 107 5.3.5 N-Acetyl Aspartate���������������������������������������������������������������������������������������������������������107 5.3.6 Lactate and Lipids����������������������������������������������������������������������������������������������������������108 5.3.7 Less Commonly Detected Metabolites 108 5.4 MRS Quantification and Data Analysis 110 5.4.1 Quantification����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 110 5.4.2 Post Processing Techniques 111 5.5 Quality Assurance in MRS 113 5.6 Conclusion 113 References��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 114 Artifacts and Pitfalls of MRS 6.1 Introduction 123 6.2 Artifacts and Pitfalls 124 6.2.1 Effects of Patient Movement 124 6.2.2 Field Homogeneity and Linewidth .124 6.2.3 Frequency Shifts and Temperature Variations 125 6.2.4 Voxel Positioning������������������������������������������������������������������������������������������������������������126 6.2.5 Use of Contrast and Positioning in MRS 128 6.2.6 Chemical Shift Displacement 129 6.2.7 Spectral Contamination or Voxel Bleeding .130 6.2.8 To Quantify or Not to Quantify? 131 6.2.8.1 Relative Quantification 131 6.2.8.2 Absolute Quantification .132 6.2.9 Available Software Packages for Quantification and Analysis of MRS Data .134 6.2.9.1 LCModel��������������������������������������������������������������������������������������������������������134 viii Contents 6.2.9.2 jMRUI�������������������������������������������������������������������������������������������������������������135 6.2.9.3 TARQUIN�����������������������������������������������������������������������������������������������������135 6.2.9.4 SIVIC��������������������������������������������������������������������������������������������������������������136 6.2.9.5 AQSES������������������������������������������������������������������������������������������������������������137 6.3 Conclusion .138 References���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������138 Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) 7.1 Introduction 141 7.1.1 What Is Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) of the Brain? 141 7.1.2 Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) fMRI 142 7.1.3 fMRI Paradigm Design and Implementation 144 7.1.3.1 Blocked versus Event-Related Paradigms 145 7.1.3.2 Mixed Paradigm Designs 146 7.2 fMRI Acquisitions—MR Scanning Sequences 148 7.2.1 Spatial Resolution�����������������������������������������������������������������������������������������������������������148 7.2.2 Temporal Resolution .148 7.2.3 Pulse Sequences Used in fMRI 149 7.3 Analysis and Processing of fMRI Experiments 151 7.3.1 fMRI Datasets����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 151 7.3.2 Data Preprocessing���������������������������������������������������������������������������������������������������������152 7.3.2.1 Slice-Scan Timing Correction 152 7.3.2.2 Head Motion Correction 152 7.3.2.3 Distortion Correction 153 7.3.2.4 Spatial and Temporal Smoothing .153 7.3.3 Statistical Analysis���������������������������������������������������������������������������������������������������������153 7.4 Pre-Surgical Planning with fMRI 154 7.5 Resting State fMRI .154 7.5.1 Resting State fMRI Procedure .155 7.6 Conclusion and the Future of fMRI 156 References���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������157 Artifacts and Pitfalls of fMRI 8.1 8.2 Introduction to Quantitative fMRI Limitations 161 Image Acquisition Limitations 162 8.2.1 Spatial and Temporal Resolution 162 8.2.2 Spatial and Temporal fMRI Resolution—Mitigating Strategies 164 8.2.3 EPI-Related Image Distortions 166 8.3 Physiological Noise and Motion Limitations 167 8.3.1 Physiological Noise—Mitigating Strategies 169 8.3.1.1 Cardiac Gating .169 8.3.1.2 Acquisition-Based Image Corrections .170 8.3.1.3 Calibration�����������������������������������������������������������������������������������������������������170 8.4 Interpretation Limitations 171 8.5 Quality Assurance in fMRI 173 8.6 Conclusion .174 References���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������174 The Role of Multiparametric MR Imaging—Advanced MR Techniques in the Assessment of Cerebral Tumors 9.1 Introduction 179 Contents ix 9.2 Gliomas ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 181 9.2.1 DWI Contribution in Gliomas 183 9.2.2 DTI Contribution in Gliomas .186 9.2.3 Perfusion Contribution in Gliomas 187 9.2.4 MRS Contribution in Gliomas 188 9.3 Cerebral Metastases .189 9.3.1 DWI/DTI Contribution in Metastases 191 9.3.2 Perfusion Contribution in Metastases .193 9.3.3 MRS Contribution in Metastases .193 9.4 Meningiomas 194 9.4.1 DWI/DTI Contribution in Meningiomas 194 9.4.2 Perfusion Contribution in Meningiomas 196 9.4.3 MRS Contribution in Meningiomas 197 9.5 Primary Cerebral Lymphoma .198 DWI/DTI Contribution in PCLs 198 9.5.1 9.5.2 Perfusion Contribution in PCLs 198 9.5.3 MRS Contribution in PCLs 199 9.6 Intracranial Abscesses 200 9.6.1 DWI DTI Contribution in Abscesses 200 9.6.2 Perfusion Contribution in Abscesses 201 9.6.3 MRS Contribution in Abscesses 202 9.7 Summary and Conclusion 202 References�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 203 Index����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 215 ... metastasis ADC value (× 10 −3mm2/s) 0.84 ± 0 .11 0.75 ± 0 .15 3.40 ± 0.45 0.83 ± 0 .14 0.84 ± 0 .15 0.83 ± 0 .17 0.32 ± 0.09 1. 68 ± 0.27 1. 27 ± 0.46 1. 17 ± 0.52 10 Advanced MR Neuroimaging: From Theory... (BOLD) fMRI 14 2 7 .1. 3 fMRI Paradigm Design and Implementation 14 4 7 .1. 3 .1 Blocked versus Event-Related Paradigms 14 5 7 .1. 3.2 Mixed Paradigm Designs 14 6 7.2 fMRI Acquisitions MR. .. References�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 13 8 Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) 7 .1 Introduction 14 1 7 .1. 1 What Is Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) of the Brain? 14 1 7 .1. 2 Blood Oxygenation