Hyperpolarized (HP) $^{13}$C-Pyruvate MR imaging provides unique information about metabolic alterations indicative of the aggressiveness of certain cancer types. The information content of the HP-MRI data is fundamentally limited by the physics and chemistry of specific processes that take place at an atomic scale during a well-defined chemical reaction. The HP signal (magnetization of pyruvate and lactate) is a fixed resource that is established at the polarizer and naturally decays over time, and cannot be renewed after injection. The signal is further reduced with every radio-frequency excitation by the MR pulse sequence. Therefore, optimal experimental design (OED) for data acquisition is fundamentally important. A key parameter of interest recovered from HP-MRI measurements is the apparent pyruvate-to-lactate exchange rate, $k_{PL}$, for measuring tumor metabolism. This manuscript presents an information-theory-based OED approach that minimizes the uncertainty in the rate parameter, $k_{PL}$, recovered from the HP-MRI measurements. Results suggest that the mutual information-based optimal data acquisition strategy is likely to improve the precision of the measurements. For the particular MRI data examined here, pyruvate and lactate flip angles of 35 and 28 degrees, respectively, were the best choice in terms of accuracy and precision of the parameter recovery. Moreover, the recovery of rate parameter $k_{PL}$ from the data generated from the high-fidelity model highlights the influence of diffusion and strength of vascular source on the recovered rate parameter. Since the existing pharmacokinetic models for HP-MRI do not account for spatial variation, the optimized design parameters may not be fully optimal in a more general 3D setting.


翻译:超极极极化 (HP) $ 13} $C- Pyruvate MR 成像 C- Pyruvat music 提供关于新陈代谢改变的独特信息,表明某些癌症类型具有侵略性。HP- MRI 数据的信息内容受到在定义明确的化学反应中以原子规模进行的特定过程的物理和化学的根本性限制。 HP信号( pryluvate 和 乳油的磁化) 是一种固定资源,由极地和自然在一段时间内衰变,在注入后无法更新。通过MR脉冲序列的每次无线电频率引用,该信号会进一步减少。因此,数据采集的最佳实验设计(OED) 从根本上来说非常重要。 HP- MRI 测量中一个关键利息参数是表面的回流变化率, 美元- mreval- mrealdealdealexcial 的回收率, 以目前的数据回收率的回收率和数值的回收率 。

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