HAITCH: A Framework for Distortion and Motion Correction in Fetal Multi-Shell Diffusion-Weighted MRI

要約

拡散磁気共鳴画像法 (dMRI) は、急速に発達する胎児の脳の微細構造を調べるために極めて重要です。
ただし、スキャン中の胎児の動きと磁場の不均一性との相互作用により、アーチファクトが発生し、空間領域および角度領域全体にデータが散乱します。
これらのアーチファクトの影響は、信号対雑音比が非常に低い高角度分解能の胎児 dMRI でより顕著になります。
これらの影響により推定値に偏りが生じ、dMRI 解析の一貫性と信頼性が損なわれます。
この研究では、マルチシェルの高角度分解能胎児 dMRI データを修正および再構築するための最初で唯一の公的に利用可能なツールである HAITCH を紹介します。
HAITCH は、動的歪み補正のためのブリップ反転デュアルエコー取得、モデルフリーでロバストな再構成のための高度な動き補正、強化された情報キャプチャと動きに対する耐性の向上のための最適化されたマルチシェル設計、および異常値の検出など、いくつかの技術的進歩を提供します。
再構築の忠実度が向上しました。
このフレームワークはオープンソースで柔軟性があり、シングルエコーまたはシングルシェル収集を含むあらゆる種類の胎児 dMRI データの処理に使用できますが、処理できないマルチシェル マルチエコー胎児 dMRI データで使用すると最も効果的です。
既存のツールのいずれかを使用して処理されます。
実際の胎児 dMRI スキャンの検証実験では、さまざまな胎児年齢と運動レベルにわたって大幅な改善と正確な補正が実証されました。
HAITCH は、アーチファクトを除去し、繊維配向分布関数推定を含む高度な拡散モデリングに適した高忠実度の胎児 dMRI データを再構築することに成功しました。
これらの進歩により、困難なイメージング条件下での胎児の脳の微細構造とトラクトグラフィーのより信頼性の高い分析への道が開かれます。

要約(オリジナル)

Diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) is pivotal for probing the microstructure of the rapidly-developing fetal brain. However, fetal motion during scans and its interaction with magnetic field inhomogeneities result in artifacts and data scattering across spatial and angular domains. The effects of those artifacts are more pronounced in high-angular resolution fetal dMRI, where signal-to-noise ratio is very low. Those effects lead to biased estimates and compromise the consistency and reliability of dMRI analysis. This work presents HAITCH, the first and the only publicly available tool to correct and reconstruct multi-shell high-angular resolution fetal dMRI data. HAITCH offers several technical advances that include a blip-reversed dual-echo acquisition for dynamic distortion correction, advanced motion correction for model-free and robust reconstruction, optimized multi-shell design for enhanced information capture and increased tolerance to motion, and outlier detection for improved reconstruction fidelity. The framework is open-source, flexible, and can be used to process any type of fetal dMRI data including single-echo or single-shell acquisitions, but is most effective when used with multi-shell multi-echo fetal dMRI data that cannot be processed with any of the existing tools. Validation experiments on real fetal dMRI scans demonstrate significant improvements and accurate correction across diverse fetal ages and motion levels. HAITCH successfully removes artifacts and reconstructs high-fidelity fetal dMRI data suitable for advanced diffusion modeling, including fiber orientation distribution function estimation. These advancements pave the way for more reliable analysis of the fetal brain microstructure and tractography under challenging imaging conditions.

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