Data-Driven Learning Framework for Fast Quantitative Knee Joint Mapping

用于快速定量膝关节绘图的数据驱动学习框架

基本信息

项目摘要

PROJECT SUMMARY Osteoarthritis (OA), a leading cause of chronic disability in the elderly population, occurs with the degradation of the extracellular matrix of articular cartilage, mainly composed of proteoglycan, collagen fibers, and water. Early diagnosis of cartilage degeneration requires the detection of changes in proteoglycan concentration and collagen integrity, preferably non-invasively and before any morphological changes occur. Spin-spin relaxation time (T2) and spin-lattice relaxation time in the rotating frame (T1ρ) can provide quantitative information about the structure and biochemical composition of the cartilage before morphological changes occur. Mono-exponential (ME) models can characterize the T2 and T1ρ relaxation processes and map it for articular cartilage in the knee joint. A recent meta-analysis showed that T1ρ provides more discrimination than T2 for OA. However, the ME model alone cannot provide distinct information from different compartments of the cartilage. Recent studies have shown that T1ρ relaxation might have bi-exponential (BE) components, following the hypothesis of the multi- compartmental structure of the cartilage. BE T2 relaxation has shown better diagnostic performance than ME for OA and can show the dispersion of the relaxation times, reflecting the heterogeneity in the macromolecular environment of water in the cartilage. BE analysis of cartilage typically requires a larger number of acquisitions with different spin-lock times (TSLs) or echo times (TEs), resulting in long scan time. High spatial resolution is also needed to visualize the thin and curved cartilage and fine structures in the knee joint. As a result, in vivo application of BE three-dimensional (3D) T1ρ and T2 mapping techniques is still very limited. Compressed sensing (CS) combined with parallel imaging (PI) can accelerate acquisition and reduce the scan time required for ME 3D T1ρ and T2 mappings. T1ρ scans can be reduced from 30 min to ~3 min with an error smaller than 6.5%. However, the error is two to three times larger for BE mapping. This problem can be potentially solved by optimizing the sampling times (TSLs for T1ρ and TEs for T2) and the free parameters of the CS approach (k- space sampling pattern, regularization function, regularization parameter, and minimization algorithm parameters) using fully sampled 3D knee joint datasets, supported by machine learning tools. The overarching goal of this proposal is to develop, optimize, and translate a high-spatial-resolution, rapid 3D magnetic resonance imaging sequence using data-driven learning-based CS for assessment of the human knee joint and using ME and BE 3D T1ρ (T2) mapping for improved biochemical characterization of cartilage and menisci on a standard clinical 3T scanner.
项目摘要 骨关节炎(OA)是慢性残疾的主要原因。 关节软骨的细胞外基质,主要由蛋白聚糖,胶原蛋白纤维和水组成。早期的 软骨变性的诊断需要检测蛋白聚糖浓度和胶原蛋白的变化 完整性,优先于非侵入性和任何形态学变化之前。自旋旋转松弛时间(T2) 旋转框架(T1ρ)中的自旋晶格松弛时间可以提供有关结构的定量信息 在形态变化之前,软骨的生化组成。单指数(我) 模型可以表征T2和T1ρ松弛过程,并将其绘制为膝关节中的关节软骨。 最近的荟萃分析表明,与OA相比,T1ρ提供了更多的歧视。但是,我的模型 单独无法提供来自软骨不同隔室的不同信息。最近的研究 表明T1ρ弛豫可能具有双指数(BE)成分,遵循多种多样的假设 软骨的隔室结构。 T2放松表现出比我更好的诊断性能 OA并可以显示放松时间的分散,反映了大分子中的异质性 软骨中的水环境。对软骨的分析通常需要大量的收购 带有不同的自旋锁定时间(TSL)或回声时间(TES),导致长时间扫描时间。高空间分辨率为 还需要可视化膝关节中的薄软骨和细小结构。结果,体内 BE三维(3D)T1ρ和T2映射技术的应用仍然非常有限。压缩感应 (CS)与平行成像(PI)结合使用可以加速获取并减少我所需的扫描时间 3DT1ρ和T2映射。 T1ρ扫描可以从30分钟减少到〜3分钟,误差小于6.5%。 但是,错误是映射大的两到三倍。这个问题可以通过 优化采样时间(T1ρ的TSL和T2的TSL)和CS方法的自由参数(K- 空间采样模式,调节函数,调节参数和最小化算法 参数)使用机器学习工具支持的完全采样3D膝关节数据集。总体 该建议的目标是开发,优化和翻译高空间分辨率,快速3D磁共振 使用基于数据驱动的学习CS评估人膝关节并使用我的成像序列 并为3DT1ρ(T2)映射,以改善标准软骨和半月板的生化表征 临床3T扫描仪。

项目成果

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