Optimising microstructural characterisation of white-matter phantoms: impact of gradient waveform modulation on Non-uniform Oscillating Gradient Spin-Echo sequences

Autores
Gimenez, Melisa Lucía; Jiménez, Pablo Javier; Pedraza Pérez, Leonardo Andrés; Betancourth Giraldo, Diana Maria; Zwick, Analía Elizabeth; Alvarez, Gonzalo Agustin
Año de publicación
2024
Idioma
inglés
Tipo de recurso
artículo
Estado
versión publicada
Descripción
Changes in the nervous system due to neurological diseases take place at very small spatial scales, on the order of the micro and nanometers. Developing non-invasive imaging methods for obtaining this microscopic information as quantitative biomarkers is therefore crucial for improved medical diagnosis. In this context, diffusion weighted magnetic resonance imaging has shown significant advances in revealing tissue microstructural features by probing molecular diffusion processes. Implementing modulated gradient spin-echo sequences allows monitoring time-dependent diffusion processes to reveal such detailed information. In particular, one of those sequences termed Non-uniform Oscillating Gradient Spin-Echo (NOGSE), has shown to selectively characterise microstructure sizes by generating an image contrast based on a signal decay-shift rather than on the conventionally used signal decay rate. In this work, we prove that such decay-shift is more pronounced with instantaneous switches of the sign of the magnetic field gradient strength. As fast gradient ramps need to be avoided in clinical settings, due to potential patient discomfort and artefacts in imaging, we evaluate the method’s efficacy for estimating microstructure sizes using both idealised, sharp gradient modulations and more realistic, smooth modulations. In this more realistic scenario we find that the signal decay-shift might be lost as the diffusion time increases, likely hindering the accurate estimation of microstructural characteristics. We demonstrate, by a combination of numerical simulations, information theory analysis and proof-of-principle experiments with white-matter phantoms, that optimal sequence design to estimate microstructure size distributions can be achieved using either sharp or smooth gradient spin-echo modulations. This approach simplifies the translation of the NOGSE method for its use in clinical settings.
Fil: Gimenez, Melisa Lucía. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina
Fil: Jiménez, Pablo Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; Argentina
Fil: Pedraza Pérez, Leonardo Andrés. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; Argentina
Fil: Betancourth Giraldo, Diana Maria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; Argentina
Fil: Zwick, Analía Elizabeth. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; Argentina
Fil: Alvarez, Gonzalo Agustin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; Argentina
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Implementing modulated gradient spin-echo sequences allows monitoring time-dependent diffusion processes to reveal such detailed information. In particular, one of those sequences termed Non-uniform Oscillating Gradient Spin-Echo (NOGSE), has shown to selectively characterise microstructure sizes by generating an image contrast based on a signal decay-shift rather than on the conventionally used signal decay rate. In this work, we prove that such decay-shift is more pronounced with instantaneous switches of the sign of the magnetic field gradient strength. As fast gradient ramps need to be avoided in clinical settings, due to potential patient discomfort and artefacts in imaging, we evaluate the method’s efficacy for estimating microstructure sizes using both idealised, sharp gradient modulations and more realistic, smooth modulations. In this more realistic scenario we find that the signal decay-shift might be lost as the diffusion time increases, likely hindering the accurate estimation of microstructural characteristics. We demonstrate, by a combination of numerical simulations, information theory analysis and proof-of-principle experiments with white-matter phantoms, that optimal sequence design to estimate microstructure size distributions can be achieved using either sharp or smooth gradient spin-echo modulations. This approach simplifies the translation of the NOGSE method for its use in clinical settings.Fil: Gimenez, Melisa Lucía. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Jiménez, Pablo Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; ArgentinaFil: Pedraza Pérez, Leonardo Andrés. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. 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Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. 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Fil: Gimenez, Melisa Lucía. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro | Universidad Nacional de Cuyo. Instituto Balseiro. Archivo Histórico del Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; Argentina
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