[論文レビュー] Anisotropy in "isotropic diffusion" measurements due to nongaussian diffusion

Sune Nørhøj Jespersen, Jonas Lynge Olesen+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2017

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、生物学的組織における非ガウス型拡散が、真の構造的アニュリスティーが存在しない状況でも等方的拡散測定において見かけのアニュリスティーを引き起こすことを示している。非ガウス型拡散によって、勾配フレームの方向依存性および細胞内ケルティスが見かけの等方的拡散度の分散を著しく増大させ、多次元拡散MRIにおける解釈を混乱させる。

ABSTRACT

Designing novel diffusion-weighted NMR and MRI pulse sequences aiming to probe tissue microstructure with techniques extending beyond the conventional Stejskal-Tanner family is currently of broad interest. One such technique, multidimensional diffusion MRI, has been recently proposed to afford model-free decomposition of diffusion signal kurtosis into terms originating from either ensemble variance of isotropic diffusivity or microscopic diffusion anisotropy. This ability rests on the assumption that diffusion can be described as a sum of multiple Gaussian compartments, but this is often not strictly fulfilled. Nevertheless, the effects of nongaussian diffusion has not been considered in detail so far. Here we analyze and demonstrate at least two significant consequences of deviations from the multiple Gaussian compartments systems. First, anisotropic compartments lead to anisotropic time dependence of the diffusion tensors, which causes the measured isotropic diffusivity to depend on gradient frame orientation. In turn, this conflates orientation dispersion with ensemble variance in isotropic diffusivity. Second, additional contributions to the apparent variance in isotropic diffusivity arise due to intracompartmental kurtosis, regardless of diffusion weighting. These will likewise depend on gradient frame orientation. We illustrate the potential importance of these confounds with analytical expressions, numerical simulations and experiments in spinal cord.

研究の動機と目的

• 非ガウス型拡散が多次元拡散MRIにおける等方的拡散測定の解釈に与える影響を調査すること。
• 非ガウス系における拡散テンソルの非対称的時間依存性に起因するアーチファクトを特定および定量すること。
• 細胞内ケルティスが拡散重み付けとは独立して、見かけの等方的拡散度の分散に与える寄与を調べること。
• 勾配フレームの方向がマイクロスターチャーイメージングにおける測定された等方的拡散度に与える混乱要因を明確にすること。
• 脊髄における生体内拡散重み付きMRIデータを用いた実験的妥当性確認により、これらの効果を検証すること。

提案手法

• 非ガウス型拡散仮定の下での時間依存拡散テンソルの解析的表現の導出。
• 非対称的かつ非ガウス型拡散成分を有するコンパートメント化系における拡散信号の数値シミュレーション。
• 多次元拡散MRIを用いて信号ケルティスをアンサンブル分散とマイクロスコピックアニュリスティーの寄与に分解すること。
• アーチファクトと真のマイクロスターチャーのアニュリスティーを分離するために、拡散測定における勾配フレーム方向依存性を明示的にモデル化すること。
• 脊髄からの生体内拡散重み付きMRIデータを用いた実験的妥当性確認により、方向依存アーチファクトを示すこと。
• 見かけの等方的拡散度における細胞内ケルティスとアンサンブル分散の寄与を分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真の構造的アニュリスティーが存在しないにもかかわらず、非ガウス型拡散が等方的拡散測定に人工的なアニュリスティーを引き起こすメカニズムは何か？
• RQ2 非ガウス型拡散系において、勾配フレームの方向が測定された等方的拡散度に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ3 細胞内ケルティスが拡散重み付けとは独立して、見かけの等方的拡散度のばらつきを生成する役割を果たすか？
• RQ4 非対称的コンパートメントが拡散テンソルの時間依存性をどのように歪め、等方的拡散度の誤解釈を引き起こすか？
• RQ5 これらのアーチファクトは、方向分散やアンサンブル分散といった真のマイクロスターチャー特徴と区別できるか？

主な発見

• 非ガウス型拡散は拡散テンソルの時間的非対称性を引き起こし、測定された等方的拡散度が勾配フレームの方向に依存して変動することを示した。
• この方向依存性により、見かけの等方的拡散度の分散と方向分散が混同され、マイクロスターチャーイメージングにおける誤解釈を引き起こす。
• 細胞内ケルティスは、拡散重み付けがなくても見かけの等方的拡散度の分散に寄与し、この効果は勾配フレームの方向に依存する。
• 解析的モデルおよびシミュレーションにより、これらのアーチファクトが多次元拡散MRIにおける複数のガウス型コンパートメント仮定からの逸脱に起因することを確認した。
• 脊髄における生体内実験により、等方的拡散度における測定可能な方向依存アーチファクトが確認され、理論的予測が妥当であることが裏付けられた。
• 本研究の発見は、多次元拡散MRIにおける現在のモデルフリー分解法が、非ガウス効果を真のマイクロスターチャーのアニュリスティーや分散に誤って割り当てている可能性を示している。