آشكارسازي اثر CEST از طيف Z تشديد مغناطيسي آغشته به نويز بر اساس مدل تحليلي برگرفته از حل معادلات بلاخ-مك‌كانل

Detecting the CEST Effect through the Noisy Z-Spectrum based on Solving the Bloch-McConnell Equations

تصويربرداري مولكولي به روش تشديد مغناطيسي با رديابي عامل هاي كنتراست كه اساس آن بر پايه تشديد مغناطيسي هسته اي بنا نهاده شده، به دليل رزولوشن مكاني مناسب و فناوري بي-ضرر به عنوان يك روش نوين تشخيصي آناتومي و عملكردي در كاربردهاي مختلف پزشكي مورد توجه است. در اسكنر تشديد مغناطيسي با اعمال پالس اشباع الكترومغناطيسي عمدتا مستطيلي، طيف اسپكتروسكوپي معروف به طيف Z حاصل مي شود. در فركانس هايي متناظر با فركانس لارمور در طيف Z دامنه هايي ناشي از اشباع مستقيم آب و عامل هاي كنتراست كه معرف اثر انتقال اشباع به واسطه تبادل شيميايي (CEST) است، ايجاد مي گردند. پديده شيفت شيميايي، ناهمگني ميدان مغناطيسي و نويز موجود در حين فرآيند تصويربرداري ضمن تغيير موقعيت فركانس هاي لارمور در طيف Z، منجر به مخدوش شدن اثر CEST مي شوند. عمدتا اثر اين نويز با توزيع رايسين كه در حالت حدي مطابق با توزيع گوسي است، مدل مي شود. در اين مقاله روش كارآمدي جهت كاهش نويز از طيف Z و آشكارسازي پوش اثر CEST ارايه مي گردد. نويز زدايي، با استفاده از خروجي مدل تحليلي ناشي از حل معادلات بلاخ-مك كانل و آشكارسازي اثر CEST از طريق محاسبه تابع درستنمايي بيزين صورت مي گيرد. بررسي كارآيي روش پيشنهادي براي حذف نويز و آشكارسازي اثر CEST بر روي طيف هاي واقعي Z برگرفته از اسكنر تشديد مغناطيسي و داده هاي پارامتري حاصل از بافت انسان، انجام شده است. عملكرد روش پيشنهادي به طور متوسط با اندازه گيري مجذور مربعات خطاي نسبي بين طيف Z واقعي و نويزي در سيگنال به نويز dB10 و تعداد مشاهدات 5 حدودا چهار درصد بوده است. مقدار خطاي نوع اول (p-value) بر مبناي داده هاي پارامتري زماني كه واريانس نويز از 008/0 و تعداد مشاهدات از 4 بيشتر بود، كمتر از 05/0 بدست آمد. در اين مقاله معياري براي آشكارسازي اثر CEST برمبناي عملگر ميانه گيري جهت بررسي كارآيي روش پيشنهادي متناسب با قدرت نويز و تعداد مشاهدات نيز پيشنهاد شده است.

Molecular magnetic resonance imaging by tracking contrast agents based on magnetic resonance of the nucleus is considered a novel anatomical and functional diagnostic method in various medical applications due to its good spatial resolution and safe technology. In a magnetic resonance scanner, a spectroscopic spectrum known as the Z-spectrum is obtained by applying a predominantly rectangular electromagnetic saturation pulse. At frequencies corresponding to the Larmor frequency, some amplitudes due to water saturation contrast factors are formed, representing saturation transfer’s effect due to chemical exchange (CEST). Chemical shifts, magnetic field heterogeneity and imaging process’s noise, while shifting the Larmore frequencies position, distorts the CEST effect. This noise is mainly modeled by the raisin distribution, which is an extent of Gaussian distribution. In this paper, an efficient method for reducing noise from the Z-spectrum and detecting the CEST effect is presented. Deionization is performed using the analytical model’s output resulting from solving the Bloch-McCannell equations and detecting the CEST effect by calculating the Bayesian likelihood function. The proposed method’s effectiveness for noise cancellation and detection the CEST effect was performed on real Z-spectra which is obtained from magnetic resonance scanners and data obtained from human tissue. The average performance of the proposed method is measured by relative mean square error between the real Z-spectrum and the noise in the signal to noise 10dB and the number of observations 5 was about four percent. The value of the first type of error (p-value) based on parametric data was less than 5% when the noise variance was more than 0.008 and the number of observations was more than 5. In this paper, a criterion for detecting the effect of CEST based on the mediation operator is proposed to evaluate the efficiency of the proposed method in proportion to the noise power and the number of observations.