Bachelor's Thesis

Methods for evaluation of DCE-MRI perfusion analysis

Final Thesis 5.84 MB

Author of thesis: Klára Selingrová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Radovan Jiřík, Ph.D.

Reviewer: Ing. Denisa Hývlová

Abstract:

This bachelor's thesis focuses on the validation and evaluation of a new version of the PerfLab software tool, developed at the Institute of Scientific Instruments of the Czech Academy of Sciences, for the perfusion analysis of DCE-MRI data. The aim of the work was to propose evaluation metrics and verify the accuracy and repeatability of the arterial input function and perfusion parameter estimation. The analysis was conducted on both synthetic and clinical datasets from the international OSIPI-DCE challenge, enabling a direct comparison of the newly computed results with the outcomes of the original version of the PerfLab software.

Within the methodological evaluation, various approaches for determining the shape of the arterial input function were tested, including the dominant reference tissue method for its scaling, as well as the influence of pharmacokinetic models and optimization algorithms on the estimation of perfusion parameters. The results demonstrated that blind deconvolution methods represent a stable solution for clinical practice. For the calculation itself, the regularized optimization algorithm proved to be the most reliable, exhibiting high stability against noise and providing highly reproducible results. Compared to the older version, the new version of the PerfLab software achieves higher reliability and accuracy of estimations. By directly verifying the software's functionality, this work contributes to the preparation of the PerfLab system for clinical and research deployment.

Keywords:

DCE-MRI, perfusion analysis, PerfLab, arterial input function, pharmacokinetic modeling, blind deconvolution

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka prezentovala výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Doc. Kolář se zeptal jaké další statistické hodnoty by se daly použít (odkazování na otázku oponenta). Dále se doptal na vybraný boxplot v prezentaci. Studentka obhájila bakalářskou práci a odpověděla na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Kudrna, Ph.D. (předseda)
Ing. Markéta Jakubíčková, Ph.D. (místopředseda)
MUDr.Ing. Richard Ředina (člen)
Ing. Martin Králík (člen)
Ing. Jiří Vitouš (člen)
doc. Ing. Radim Kolář, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Radovan Jiřík, Ph.D.

Studentka ve své práci prostudovala teorii DCE-MRI zobrazování perfuze a seznámila se se softwarem PerfLab pro perfuzní analýzu. Dále se seznámila s datasety a vyhodnocovacími skripty z nedávné soutěže OSIPI DCE Challenge, které využila jako základ pro návrh vlastního systému hodnocení algoritmů perfuzní analýzy.

V praktické části práce navrhla a implementovala vhodné metriky pro hodnocení přesnosti a opakovatelnosti odhadu arteriální vstupní funkce (AIF) a map parametru Ktrans. K metrikám používaným v rámci OSIPI DCE Challenge přidala řadu dalších vlastní metrik, které společně poskytují ucelený pohled na kvalitu hodnocených algoritmů. Navržené metriky následně použila pro podrobné porovnání starší a aktuální verze softwaru PerfLab a dále pro srovnání různých přístupů k perfuzní analýze. Všechny výsledky pečlivě vyhodnotila a diskutovala, přičemž dospěla ke konzistentním závěrům odpovídajícím teoretickým očekáváním.

Výsledkem práce je ucelený postup hodnocení, který bude možné využít v rámci quality managementu při dalším vývoji softwaru PerfLab. Práci hodnotím jako velmi zdařilou. Studentka se řešení věnovala aktivně, pracovala samostatně a svůj postup pravidelně konzultovala. Zadání práce bylo splněno ve výborné kvalitě. Points proposed by supervisor: 95

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Denisa Hývlová

Předložená bakalářská práce se zabývá hodnocením přesnosti a opakovatelnosti metod pro DCE-MRI perfuzní analýzu s využitím nové verze softwarového nástroje PerfLab. Na základě poskytnutých syntetických a klinických datasetů z mezinárodní výzvy OSIPI-DCE autorka otestovala a porovnala různé přístupy pro stanovení arteriální vstupní funkce (AIF), vliv farmakokinetických modelů a optimalizačních algoritmů na odhad perfuzních parametrů. Kladně hodnotím zejména celkový rozsah práce a schopnost studentky zorientovat se v komplikované tematice farmakokinetického modelování. Veškeré výsledky jsou detailně vyhodnoceny a diskutovány, přičemž získané poznatky představují významný přínos pro další rozvoj a klinické nasazení systému PerfLab.

Po odborné i formální stránce považuji práci za velmi zdařilou. V práci se vyskytují pouze ojedinělé překlepy. V podkapitole 6.1 se v textu objevuje dvakrát chybný odkaz na tentýž obrázek 6.4. V tabulce 1.1 u hodnot relaxivit jednotlivých kontrastních látek chybí informace o tom, při jaké magnetické indukci B0 tyto hodnoty platí. Pro snazší orientaci čtenáře by bylo praktičtější, kdyby nadpisy identifikující jednotlivé pacienty a měření byly vloženy přímo do příslušných grafů. V textu také postrádám ukázky škálovaných odhadnutých AIF, které by bylo vhodné uvést alespoň v příloze.

I přes tyto uvedené drobné výtky se jedná o velmi kvalitní bakalářskou práci. Studentka porovnala velké množství variant zpracování a prokázala dobrou schopnost vyvozovat z dat relevantní analytické závěry. Zadání práce považuji za plně splněné.

Celkově hodnotím práci známkou výborně (A – 93 bodů) a doporučuji ji k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. Volbu rozšířeného Toftsova modelu pro zpracování syntetických dat opíráte o to, že jím byla data vygenerována. Jak byste ale postupovala v reálné klinické praxi? Podle čeho má lékař rozhodnout, zda použije Toftsův model, 2CXM, nebo třeba AATH?
  2. K vyhodnocení opakovatelnosti i přesnosti využíváte oficiální metriky z výzvy OSIPI-DCE. U opakovatelnosti odhadu parametru Ktrans tento výpočet vycházel čistě z průměrných/mediánových hodnot napříč oblastí zájmu. Napadá Vás jiný, reprezentativnější způsob, jak tuto opakovatelnost vyhodnocovat, aby se nevytratila informace o lokálních změnách?
Points proposed by reviewer: 93

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová