Fabrication of imaging setup of ex vivo tissue sample with spherical container for multi-orientation MRI experiments|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose: Many conventional ex-vivo MRI setups utilize cylindrical or other non-spherical tissue containers which can cause static-field (B0) inhomogeneity affecting the accuracy of the measurements in an orientation-dependent manner. In this work we demonstrate an experimental method to obtain MRI of ex vivo tissue samples held in a spherical container in order to minimize bulk susceptibility-induced B0 inhomogeneity in arbitrary orientations.
Methods: B0 inhomogeneity caused by tissue-air susceptibility mismatch can be theoretically eliminated if the surface of susceptibility discontinuity is spherical. This situation can be approximated by putting a tissue sample in a spherical shell filled with materials with tissue-like magnetic susceptibility. We achieved this on an intact monkey brain by (i) holding the brain with a 3D-printed holder with tissue-like (within 0.5 ppm) susceptibility, and (ii) enclosing the brain and the holder in an acrylic spherical shell filled with diamagnetic liquid. Furthermore, the sphere and the radio-frequency coil for MRI were mounted on a 3D-printed frame designed to reduce B0 inhomogeneity contributions. The sphere could be rotated freely without disturbing the RF coil to facilitate multi-orientation imaging. We verified our setup by mapping B0 in the monkey brain at 13 different orientations in a human 7T scanner and measuring orientation dependent R2* relaxation
rates in the white and grey matters of the brain. The results were then compared with a setup where the brain was held inside a cylindrical container.
Results: In all orientations, the B0 standard deviation in the brain in the spherical setup (converted to Larmor frequency offset) was less than about 10 Hz. This corresponds to two-sigma deviation of B0 of less than 0.07 ppm. The B0 gradient was less than 9 Hz/mm in 95% of the brain voxels in all orientations. In high-resolution imaging with voxel size < 0.4 mm, this corresponds to voxel line broadening of less than 4 Hz (0.013 ppm). R2* in the corpus callosum showed distinctly different orientation dependence compared to the grey matter. The B0 uniformity and R2* reliability were much reduced in the cylindrical container setup.
Conclusions: We have demonstrated an experimental method to effectively minimize bulk susceptibility-induced B0 perturbation in multi-orientation ex vivo MRI. The method promises to benefit a range of tissue orientation-dependent MR property studies.

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국문 초록 (Abstract)

많은 기존 생체 외 MRI 실험 구성은 방향에 따라 측정 정확도에 영향을 미치는 정적 필드의 비균질성을 유발할 수 있는 원통형 또는 기타 비구형 조직 용기를 사용한다. 본 연구에서는 임의 방향에서 자기 감수성으로 인한 정적 필드의 비균질성을 최소화하기 위해 구형 용기에 보관된 생체 외 조직 샘플의 MRI 영상을 획득하는 실험 방법을 시연한다.
조직과 공기의 자기 감수성 불일치로 인한 정적 필드의 비균질성은 감수성 불연속 표면이 구형인 경우 이론적으로 제거될 수 있다. 이러한 상황은 조직과 같은 자기 감수성을 가진 재료로 채워진 구형 보관함에 조직 샘플을 넣어 비슷하게 구현될 수 있다. 우리는 조직과 유사한 감수성을 가진 3d 프린트한 받침대로 뇌를 고정하고 반자성의 액체가 가득 채워진 구형 보관함에 온전한 원숭이 뇌와 뇌 받침대를 넣어 이것을 시연했다. 또한 정적 필드의 비균질성을 최소화하기 위해 3d 프린트한 틀 위에 구와 MRI용 라디오 주파수 코일이 장착되었다. 그 구는 다 방향 영상 촬영을 용이하게 하고 코일에 영향을 주지 않은 채로 자유롭게 회전할 수 있다. 우리의 실험 구성은 7T 스캐너 장비에서 원숭이 뇌의 정적 필드를 13가지 방향에서 매핑하고 뇌의 백색 및 회색 물질에서 방향에 따른 R2* 이완 속도를 측정함으로써 검증되었다. 그리고 그 결과는 뇌가 실린더 보관함에 있을 때의 결과와 비교되었다.
구형 실험 구성일 때 모든 방향에서 뇌의 정적 필드 표준 편차는 10Hz 미만이었다. 이는 7T 대비 상대적 비균질성 분포에서 표준편차의 2배값이0.07ppm 미만이라는 것에 상응한다. 모든 방향에서 뇌 복셀 95%의 정적 필드 공간 기울기는 9Hz/mm 미만이었다. 이는 만약 영상이 0.4mm 공간 해상도를 갖는다면, 복셀 내부에서 약 0.013ppm의 주파수 변화를 갖는다는 것과 상응한다. 원숭이 뇌량의 R2* 는 회색질과 비교했을 때 명백하게 다른 방향 의존성을 보였다. 정적 필드의 균일성과 R2*의 신뢰성은 실린더 용기를 사용했을 때 확연히 감소되었다.
우리는 다 방향 체외 조직 MRI 영상에서 자기 감수성으로 인한 정적 필드의 비균질성 변화를 최소화시키는 실험적 방법을 증명했다. 이 방법은 다양한 조직 방향에 따른 MR 속성 연구에 도움이 될 것으로 보인다.

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많은 기존 생체 외 MRI 실험 구성은 방향에 따라 측정 정확도에 영향을 미치는 정적 필드의 비균질성을 유발할 수 있는 원통형 또는 기타 비구형 조직 용기를 사용한다. 본 연구에서는 임의 ...

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