Fabrication of a spherical inclusion phantom for validation of MR-based susceptibility imaging

국문 초록 (Abstract)

정량적 자화율 매핑(QSM)과 같은 자화율 기반 MR 영상 기법은 자화율 재구성의 정확성을 검증하고, 통제된 조건에서 재구성 알고리즘의 특성을 평가하기 위해 물리적 특성이 잘 정의된 팬텀을 필요로 한다. 본 연구에서는 이러한 목적을 위해 설계한 구형 다중 구획 젤라틴 팬텀의 제작 및 특성 평가를 제시한다.

이 팬텀은 직경 10 cm의 젤라틴 외부 구 내부에, 직경 3 cm의 작은 젤라틴 구 여러 개를 포함하는 구조이며, 각 내부 구에는 서로 다른 농도의 상자성 조영제를 첨가하여 구획별로 독립적으로 조절 가능한 자화율 대비를 제공하도록 하였다. 기존에 보고된 원통형 또는 길쭉한 형태의 다중 구획 팬텀과 비교하면, 본 설계는 구획 사이에 고체 장벽 재료를 두지 않아 불필요한 계면 인공물을 줄일 수 있고, 구획의 기하학적 형태를 재현성 있게 만들 수 있다. 또한 구형 자화율 경계를 활용함으로써 3차원 위상 분포를 해석적으로 계산할 수 있는 구조를 제공하며, 촬영 방향이 달라져도 공기–팬텀 경계에서 유래하는 배경 B₀ 불균일성을 최소화한다.

젤라틴을 포르말린으로 가교 처리하고 방수 표면 코팅을 적용함으로써, 구획 경계 사이의 수분 확산을 효과적으로 억제하고 시간 경과에 따른 팬텀의 구조적·자기적 안정성을 유지할 수 있었다. 3T 경사자장 에코 영상에서 측정된 위상 패턴은 중첩된 구 구조에 대한 이론적 예측과 잘 일치했으며, 남아 있는 차이는 젤 계면에 존재하는 공기 방울, 자기장 균일화가 완벽하지 않았던 점(즉, 잔류 B₀ 불균일성), 그리고 외부 지지 하드웨어의 자화율 영향으로 설명될 수 있었다.

또한 획득한 팬텀 영상을 이용해 공개된 두 가지 QSM 재구성 코드를 검증했으며, 재구성된 자화율 지도는 조영제 농도에 따라 기대한 방식으로 변화하였다. 따라서 본 연구에서 제안한 팬텀은 MR 위상 영상 및 MR 기반 자화율 재구성의 검증을 위한 유용한 시험 플랫폼이 될 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Susceptibility-based MR imaging methods such as quantitative susceptibility mapping (QSM) require well-characterized physical phantoms to validate susceptibility reconstructions and to assess reconstruction behavior under controlled conditions. We describe the fabrication and characterization of a spherical, multi-compartment gelatin phantom designed for this purpose. The phantom consists of a 10 cm-diameter gelatin sphere that encloses multiple smaller gelatin spheres (3 cm in diameter), each doped with a different concentration of paramagnetic contrast agent to provide independently adjustable susceptibility contrast. Compared with previously reported multi-compartment phantoms based on cylindrical or elongated geometries, the present design avoids solid barrier materials between compartments, enables reproducible compartment geometry, and exploits spherical susceptibility boundaries, which yield analytical three-dimensional phase solutions and minimize background B0 inhomogeneity from the air–phantom interface for any scan orientation. Formalin cross-linking of the gelatin and application of a water-proof surface coating effectively suppress water diffusion across compartment boundaries and preserve the structural and magnetic integrity of the phantom over time. Gradient-echo imaging at 3T confirmed that the measured phase patterns agree with theoretical predictions for nested spheres, with remaining differences due to air bubbles at gel interfaces, imperfect magnet shimming, and susceptibility from external support hardware. The phantom images were used to validate two publicly available quantitative susceptibility mapping (QSM) reconstruction codes, and the resulting susceptibility maps showed the expected dependence on contrast agent concentration. We believe that the proposed phantom provides a useful testbed for validation of MR phase imaging and MR-based magnetic susceptibility reconstruction.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Study Background 1
• 1.2 Aims 4
• 2 Theory 6
• 3 Materials and methods 8
• 3.1 Phantom fabrication 8
• 3.2 MRI scan 14
• 3.3 Quantitative susceptibility mapping 16
• 4 Results 17
• 4.1 Phantom images 17
• 4.2 Relaxation rates 19
• 4.3 Susceptibility maps 21
• 4.4 Stability 23
• 5 Discussion 25
• References 30