Optimization of b-value schemes for intravoxel incoherent motion (IVIM) diffusion MRI in the brain

IntraVoxel Incoherent Motion imaging (IVIM) is a biexponential model of diffusion weighted imaging (DWI). This thesis aimed at implementing a general optimization procedure based on simulations of IVIM data to find the optimal b-values sets to estimated IVIM parameters (D diffusion coefficient, f perfusion fraction and D* pseudodiffusion coefficient) in brain. IVIM signal were simulated for Low and Medium and High perfusion regime. Two iterative optimization procedures were implemented, both minimizing the sum of relative error of IVIM parameters estimates. A further analysis consisted in “backward elimination”: an iterative procedure in which subsets of optimized sets were obtained. IVIM estimates and errors obtained with optimized sets were compared with the ones obtained with b-values set used at Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (b-CNAO) and a set of linearly distributed b-values (b-lin). DW images of 26 patient with different histology and acquired with 13 or 7 b-values were available, white matter (WM) and gross tumor volume (GTV) were segmented. For DWI images acquired with 13 b-values, IVIM maps were also computed reducing the number of b-values down to 10. Optimized b-values sets showed lower estimates errors and statistical analyses on estimated IVIM parameters suggested that IVIM acquisition protocols would benefit in a significant way from optimization, regardless the perfusion regimes. WM IVIM parameters were comparable with Low perfusion regime, whereas GTV with Medium perfusion. Optimal number of b-values depended on perfusion regimes we do not suggest less than 10. In-vivo IVIM measurements with optimal b-values are needed to validate these findings.

IntraVoxel Incoherent Motion imaging (IVIM) è un modello biesponenziale dell'imaging in diffusione (DWI). L’obiettivo del progetto è implementare l’ottimizzazione dei b-values per stimare i parametri IVIM (coefficiente di diffusione D, frazione di perfusione f e coefficiente di pseudodiffusione D*) nel cervello. Il segnale IVIM è stato simulato per il regime di bassa, media e alta perfusione. Sono state implementate due procedure di ottimizzazione iterativa, entrambe la somma dell'errore relativo delle stime dei parametri come funzione obiettivo da minimizzare. Subset dei set ottimizzati sono stati ricavati con una procedura iterativa “backward elimination". I valori medi e gli errori ottenuti con i set ottimizzati sono stati confrontati con set di b-values utilizzati al Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (b-CNAO) e un set di b-values linearmente distribuiti (b-lin). In 26 pazienti con istologia diversa e acquisiti con 13 o 7 b-values, la materia bianca (WM) e il volume tumorale (GTV) sono stati segmentati e le mappe IVIM sono state calcolate anche riducendo il numero di b-values a 10. I set di b-values ottimizzati hanno mostrato errori di stima inferiori e le analisi statistiche sulle stime dei parametri IVIM hanno suggerito che i protocolli di acquisizione IVIM beneficerebbero in modo significativo dell’ottimizzazione, indipendentemente dai regimi di perfusione. I parametri WM IVIM sono comparabili con il regime di bassa perfusione, mentre GTV con la perfusione media. Il Numero ottimale di b-valori dipende da regimi di perfusione, non consigliamo meno di 10. Acquisizioni in vivo con b-values ottimizzati sono necessarie per convalidare questi risultati.