[論文レビュー] Design and Characterisation of Tissue-Mimicking Gel Phantoms for Diffusion Kurtosis Imaging

Z.G. Portakal-Uçar, Sophie Shermer+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2016

MRI in cancer diagnosis被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、アガー、アガロース、PVAにガラス微粒子を添加することで、MRIの品質保証およびプロトコル最適化のための正確な拡散クリプトーシス画像法（DKI）を可能にする組織模倣ゲルプローブを開発した。微粒子濃度を調整することで、キルトーシス値を0.05から0.523に増加させ、生体組織の値に近く、室温保管下でも6か月間で安定した拡散およびリラクゼーション特性を維持した。

ABSTRACT

Purpose: The aim of this work was to create tissue-mimicking gel phantoms appropriate for diffusion kurtosis imaging (DKI) for quality assurance, protocol optimization and sequence development. Methods: A range of agar, agarose and polyvinyl alcohol phantoms with concentrations ranging from 1.0% to 3.5%, 0.5% to 3.0% and 10% to 20%, respectively, and up to 3 g of glass microspheres per 100 ml were created. Diffusion coefficients, excess kurtosis values and relaxation rates were experimentally determined. Results: The kurtosis values for the plain gels ranged from 0.05 with 95% confidence interval (CI) of $(0.029, 0.071)$ to $0.216(0.185, 0.246)$, well below the kurtosis values reported in the literature for various tissues. The addition of glass microspheres increased the kurtosis of the gels with values up to $0.523(0.465, 0.581)$ observed for gels with the highest concentration of microspheres. Repeat scans of some of the gels after more than six months of storage at room temperature indicate changes in the diffusion parameters of less than 10%. The addition of the glass microspheres reduces the apparent diffusion coefficients (ADCs) and increases the longitudinal and transverse relaxation rates but the values remain comparable to those for plain gels and tissue, with ADCs observed ranging from $818(585, 1053) imes 10^{-6}$ mm$^2$/s to $2257(2118, 2296) imes 10^{-6}$ mm$^2$/s, and R1 values ranging from $0.34(0.32, 0.35)$ 1/s to $0.51(0.50, 0.52)$ 1/s, and R2 values ranging from $9.69(9.34, 10.04)$ 1/s to $33.07(27.10, 39.04)$ 1/s. Conclusions: Glass microspheres can be used to effectively modify diffusion properties of gel phantoms and achieve a range of kurtosis values comparable to those reported for a variety of tissues.

研究の動機と目的

• MRIの品質保証およびプロトコル開発に適した拡散クリプトーシス画像法（DKI）用の組織模倣ゲルプローブの設計。
• 生体組織のキルトーシス値に一致する非ガウス的拡散特性をチューナブルに持つプローブの不足を解消すること。
• 環境温度下での長期保管条件下でも、プローブの拡散およびリラクゼーションパラメータの安定性を確保すること。
• ガラス微粒子がゲルマトリックス内の拡散係数、キルトーシス、およびリラクゼーション率（R1、R2）に与える影響を同定すること。
• 6か月間にわたり繰り返しスキャンを実施した結果、プローブの再現性および一貫性を検証すること。

提案手法

• アガー、アガロース、ポリビニルアルコール（PVA）ゲルをそれぞれ1.0%～3.5%、0.5%～3.0%、10%～20%の濃度で調製した。
• ゲルに最大で100mLあたり3gのガラス微粒子を添加し、微小構造の不均一性を高め、キルトーシスを向上させた。
• 3Tスキャナを用いて多b値の拡散強調MRIデータを取得し、表皮拡散係数（ADC）、キルトーシス（K）、リラクゼーション率（R1、R2）を算出した。
• 6か月間保管したプローブに対して繰り返しスキャンを実施し、拡散およびリラクゼーションパラメータの長期的安定性を評価した。
• ボクセル単位の解析を用いて、拡散およびリラクゼーションマップの空間的均一性を評価した。
• 95%信頼区間を用いた統計解析により、測定パラメータの不確実性を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般的なゲル化剤とガラス微粒子を用いて、生体組織の非ガウス的拡散を模倣できるチューナブルなキルトーシスを持つゲルプローブを構築できるか？
• RQ2 ガラス微粒子の添加がアガー、アガロース、PVAゲルにおける表皮拡散係数（ADC）、キルトーシス、およびリラクゼーション率（R1、R2）にどのように影響を与えるか？
• RQ3 これらのプローブの拡散およびリラクゼーション特性が、室温保管下でも長期間にわたりどの程度安定しているか？
• RQ4 異なるゲルタイプおよび微粒子濃度において、リラクゼーション時間および拡散挙動の面で、組織に類似した特性を維持できるか？
• RQ5 測定されたキルトーシス値は、ヒト組織で報告された値と比較してどうなっており、臨床的範囲に合わせてチューニング可能か？

主な発見

• アガー、アガロース、PVAゲルの純粋な状態では、キルトーシス値が0.05（95%CI: 0.029–0.071）から0.216（0.185–0.246）の範囲にあり、典型的な生体組織の値と比べて顕著に低かった。
• ガラス微粒子の添加により、キルトーシスは最大0.523（95%CI: 0.465–0.581）まで上昇し、さまざまなヒト組織で報告された値に近く、良好な一致を示した。
• 表皮拡散係数（ADC）は818（585–1053）×10⁻⁶ mm²/s から2257（2118–2296）×10⁻⁶ mm²/s の範囲にあり、微粒子濃度が高くなるほど値が低下した。
• 縦方向リラクゼーション率（R1）は0.34（0.32–0.35）/s から0.51（0.50–0.52）/s まで、横方向リラクゼーション率（R2）は9.69（9.34–10.04）/s から33.07（27.10–39.04）/s まで変動し、いずれも組織関連の範囲内に収まった。
• 6か月後の再スキャンでは、拡散パラメータの変化が10%未満にとどまり、プローブの強い長期的安定性を示した。
• 空間的均一性解析から、拡散およびリラクゼーションパラメータの標準偏差が数パーセントレベルにとどまり、プローブ全体にわたり良好な均一性が確認された。