Sensitivity of Literature T1 Mapping Methods to the Underlying Magnetization Transfer Parameters

Magnetization transfer (MT) has been identified as the principal source of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {T}_1 $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> variability in the MRI literature. This study assesses the sensitivity of established <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {T}_1 $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> mapping techniques to variations in the underlying MT parameters. For each <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {T}_1 $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> -mapping method, the observed <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {T}_1 $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> was simulated as a function of the underlying MT parameters <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mtext>MT</mml:mtext></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {p}_i^{\mathrm{MT}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> , corresponding to different brain regions of interest (ROIs) at 3T. As measures of sensitivity, the derivatives <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics><mml:mrow><mml:mi>∂</mml:mi> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mtext>observed</mml:mtext></mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>∂</mml:mi> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mtext>MT</mml:mtext></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ \partial {T}_1^{\mathrm{observed}}/\partial {p}_i^{\mathrm{MT}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> were computed and analyzed with a linear mixed-effects model as a function of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mtext>MT</mml:mtext></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {p}_i^{\mathrm{MT}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> , ROI, pulse sequence type (e.g., inversion-recovery and variable-flip angle), and the individual sequences. The analyzed <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {T}_1 $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> -mapping sequences have a considerable sensitivity to changes in the semisolid spin pool size <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mtext>f</mml:mtext></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {m}_0^{\mathrm{s}},\kern0.3em {T}_1^{\mathrm{f}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> of the free, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {T}_1^{\mathrm{s}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> of the semisolid spin pool, and the (inverse) exchange rate <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {T}_{\mathrm{x}} $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> . All derivatives vary considerably with the underlying MT parameters and between pulse sequences. In general, the derivatives cannot be determined by the sequence type but rather depend on the implementation details of the sequence. One notable exception is that variable-flip-angle methods are, in general, more sensitive to the exchange rate than inversion-recovery methods. Variations in the observed <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:semantics> <mml:mrow> <mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:annotation>$$ {T}_1 $$</mml:annotation></mml:semantics> </mml:math> can be caused by several underlying MT parameters, and the sensitivity to each parameter depends on both the underlying MT parameters and the sequence.