A machine learning approach to QSM: quantitative susceptibility map reconstruction with convolutional autoencoders

QSM (Quantitative Susceptibility Mapping) è un’ applicazione MRI, in grado di riprodurre, partendo da dati di fase di sequenze gradient echo, distribuzioni di suscettività magnetica dei tessuti. Con questa tecnica è possibile, ad esempio, caratterizzare e trattare malattie vascolari e neurodegenerative.  Per ottenere la mappa di suscettività, deve essere risolto un problema mal posto, dovuto alla presenza di singolarità all'interno dello spazio di Fourier. Sono state già implementate diverse tecniche per superare questa difficoltà, divise in: single-orientation methods (e.g. TKD) e multiple-orientation methods (e.g. COSMOS). I primi garantiscono una veloce ricostruzione, anche se molto rumorosa; i secondi invece richiedono lunghi tempi d’acquisizione, ma forniscono risultati accurati. Bisogna trovare un compromesso tra accuratezza e velocità per poter applicare QSM all'ambito clinico. Una soluzione potrebbe essere un metodo che sfrutti tecniche di deep learning; per questo, abbiamo costruito una rete neurale con una struttura di fully convolutional autoencoder. La rete è stata addestrata tramite apprendimento supervisionato, utilizzando dati di fase come input, dati di suscettività ottenuti da COSMOS come labels e dati di suscettività ottenuti da TKD come controllo.  Dalle immagini dell’encefalo contenute nel database della QSM2016 Challenge, dati 2D e 3D sono stati estratti e processati. La distribuzione ottenuta con il nostro modello è stata confrontata con quella di COSMOS, considerata come gold-standard per la precisione nella ricostruzione: valutando intensità e contrasto in alcune regioni, sono emersi risultati tra loro consistenti. Le perfomance del network sono migliori di quelle di TKD. Il risultato ottenuto è perciò soddisfacente: tramite machine learning, single-orientation method, è possibile quindi costruire velocemente una mappa di suscettività magnetica accurata tanto quanto quella risultante da approcci a multiple-orientation.