[論文レビュー] Considerations and recommendations from the ISMRM Diffusion Study Group for preclinical diffusion MRI: Part 2 -- Ex vivo imaging: added value and acquisition

Kurt G. Schilling, Francesco Grussu+55 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2022

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、臨床前研究における画像外での拡散MRIの包括的なガイドラインを提供し、高い分解能やSNRといった利点を強調するとともに、組織学的検証と対比してin vivoの発見を検証する上で重要な役割を果たすことを説明している。画像外dMRI研究の再現性と厳密性を高めるために、組織固定、サンプル調製、MRスキャン、データ解釈のベストプラクティスを概説している。

ABSTRACT

The value of preclinical diffusion MRI (dMRI) is substantial. While dMRI enables in vivo non-invasive characterization of tissue, ex vivo dMRI is increasingly used to probe tissue microstructure and brain connectivity. Ex vivo dMRI has several experimental advantages including higher signal-to-noise ratio and spatial resolution compared to in vivo studies, and enabling more advanced diffusion contrasts. Another major advantage of ex vivo dMRI is the direct comparison with histological data as a methodological validation. However, there are a number of considerations that must be made when performing ex vivo experiments. The steps from tissue preparation, image acquisition and processing, and interpretation of results are complex, with decisions that not only differ dramatically from in vivo imaging of small animals, but ultimately affect what questions can be answered using the data. This work represents "Part 2" of a 3-part series of recommendations and considerations for preclinical dMRI. We describe best practices for dMRI of ex vivo tissue, with a focus on the value that ex vivo imaging adds to the field of dMRI and considerations in ex vivo image acquisition. We give general considerations and foundational knowledge that must be considered when designing experiments. We describe differences in specimens and models and discuss why some may be more or less appropriate for different studies. We then give guidelines for ex vivo protocols, including tissue fixation, sample preparation, and MR scanning. In each section, we attempt to provide guidelines and recommendations, but also highlight areas for which no guidelines exist (and why), and where future work should lie. An overarching goal herein is to enhance the rigor and reproducibility of ex vivo dMRI acquisitions and analyses, and thereby advance biomedical knowledge.

研究の動機と目的

• 画像外での拡散MRIの標準化されたベストプラクティスを確立し、実験の厳密性と再現性を向上させること。
• 画像外dMRIの追加的価値を強調すること、例えば空間分解能の向上、SNRの向上、直接的な組織学的検証が可能になること。
• データ品質と解釈可能性に影響を与える、組織調製、固定、スキャンプロトコルに関する重要な方法論的意思決定を扱うこと。
• 現在のガイドラインにおけるギャップを特定し、画像外dMRIの方法論における未解決の課題に向けた今後の研究を導くこと。
• 画像外dMRIをin vivoの拡散マッピング指標および微細構造モデルの検証のゴールドスタンダードとして統合することを支援すること。

提案手法

• ISMRM拡散スタディグループによる画像外dMRIプロトコルに関する系統的レビューと専門家コンSENSUS。
• 多様な臨床前モデルおよび画像化プラットフォームを対象とした、実証的証拠と専門家経験に基づく推奨事項。
• 微細構造を保持し、アーティファクトを最小限に抑えるために、特にパラホルマラデヒドの灌流固定法を重視。
• 拡散コントラストとSNRを最適化するために、サンプルの方向、埋め込み方法、スキャンパラメータ（b値、bシェル、分解能）に関するガイダンス。
• 画像外環境における高度な拡散コントラスト（例：拡散テンソル画像法、拡散スペクトル画像法）の統合。
• 画像外dMRIを組織学的検証と一致させるフレームワークを提供し、定量的比較とモデルキャリブレーションを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 画像外拡散MRIは、臨床前研究におけるin vivo dMRIに比べて、どのような主な利点を有するか？
• RQ2 組織固定およびサンプル調製プロトコルは、画像外dMRIデータの品質と解釈可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 画像外dMRIで分解能、SNR、拡散コントラストを最大限に高めるために、どのようなスキャンパラメータと取得戦略が必要か？
• RQ4 画像外dMRIを、方法論的検証のために、どのように組織学的データと最適に統合できるか？
• RQ5 画像外dMRIプロトコルにおいて、依然として重要な方法論的ギャップは何か？今後の研究はどこに焦点を当てるべきか？

主な発見

• 画像外dMRIは、in vivo dMRIに比べて信号対雑音比（SNR）と空間分解能が高く、微細構造の詳細な特徴付けが可能である。
• 適切な組織固定、特にパラホルマラデヒドによる灌流固定は、固定後の組織収縮を顕著に低減し、微細解剖的整合性を保持する。
• 画像外dMRIにより、in vivoの拡散マッピング指標を組織学的検証と直接的に定量的に比較可能となり、モデルの正確性が向上する。
• 最適な取得プロトコルには、SNR、スキャン時間、拡散コントラストのバランスを考慮したb値、bシェル、勾配方向の選定が必要である。
• 組織取り扱い方やスキャンプロトコルのばらつきは、研究間で一貫性の欠如を引き起こす主要因であり、標準化の必要性を強調している。
• 利点が顕著であるにもかかわらず、すべての画像外モデルに適用可能なユニバーサルプロトコルは存在せず、方法論的意思決定は、取り扱える生物学的問いに深刻な影響を与える。