A robust diffusion tensor model for clinical applications of MRI to cartilage.
A robust diffusion tensor model for clinical applications of MRI to cartilage.
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DOI：
10.1002/mrm.26702
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发表时间：
2018-03
影响因子：
3.3
通讯作者：
Raya JG
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Ferizi U;Ruiz A;Rossi I;Bencardino J;Raya JG
关节软骨的扩散张量成像（DTI）是骨关节炎（OA）早期诊断的一种有前景的技术。然而，体内扩散张量 (DT) 测量的信噪比 (SNR) 较低，在估计完整 DT 的 6 个参数时可能会导致偏差，从而降低灵敏度。本研究旨在验证简化的 4 参数 DT 模型（齐柏林飞艇），以获得更稳健和更灵敏的软骨体内 DTI 生物标志物。我们使用基质中的模拟来模拟 OA 期间的变化，并基于分数各向异性 (FA) 范围内的 DT 进行分析模拟，该范围是用离体人类软骨的高质量 DT 数据测量的。我们还使用来自健康受试者和两名 Kellgren-Lawrence (KL) 1 级和 2 级 OA 患者膝盖的体内数据。对于模拟体内软骨 SNR (~25) 和各向异性水平，DT 和 zeppelin 模型的 MD 估计平均值与地面真实值相同。然而，Zeppelin 的 FA 在测量水分限制方面更为准确。更具体地说，DT 模型的 FA 估计相对于 zeppelin 值还有 +2% 到 +48% 的偏差。此外，与完整 DT 相比，齐柏林飞艇的平均扩散率 (MD) 和 FA 具有较低的参数方差（F 检验，p<0.05）。我们从患者数据的体内值观察到相同的趋势。对于软骨扩散各向异性和信噪比，齐柏林飞艇比完整的 DT 更稳健，达到关节软骨临床应用中常见的水平。
Diffusion tensor imaging (DTI) of articular cartilage is a promising technique for the early diagnosis of osteoarthritis (OA). However, in vivo diffusion tensor (DT) measurements suffer from low signal-to-noise ratio (SNR) that can result in bias when estimating the 6 parameters of the full DT, reducing sensitivity. This study seeks to validate a simplified 4-parameter DT model (zeppelin) for more robust and sensitive in vivo DTI biomarkers of cartilage. We use simulations in a substrate to mimic changes during OA, and analytic simulations of the DT based in the range of fractional anisotropies (FA) measured with high quality DT data from ex vivo human cartilage. We also use in vivo data from the knees of a healthy subject and two OA patients with Kellgren-Lawrence (KL) grades 1 and 2. For simulated in vivo cartilage SNR (~25) and anisotropy levels, the estimated mean values of MD from the DT and zeppelin models were identical to the ground truth values. However, Zeppelin’s FA is more accurate in measuring water restriction. More specifically, the FA estimations of the DT model were additionally biased by between +2% and +48% with respect to zeppelin values. Additionally, both mean diffusivity (MD) and FA of the zeppelin had lower parameter variance compared to the full DT (F-test, p<0.05). We observe the same trends from in vivo values of patient data. The zeppelin is more robust than the full DT for cartilage diffusion anisotropy and SNR at levels typically encountered in clinical applications of articular cartilage.
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