[論文レビュー] Diffusion MRI with free gradient waveforms on a high-performance gradient system: Probing restriction and exchange in the human brain

Arthur Chakwizira, Ante Zhu+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2023

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高性能な300 mT/m MRIスキャナを用いて自由な勾配波形を用い、ヒト脳における制限拡散および分子移動の状態を調査した。その結果、灰色画質では強い制限と高速な移動（小脳皮質で115 msという速さ）が共に観察された一方、白質では主に制限拡散が特徴であり、全被験者および全勾配強度において灰色画質の移動速度が白質の2倍以上にのぼることが明らかになった。

ABSTRACT

The dependence of the diffusion MRI signal on the diffusion time carries signatures of restricted diffusion and exchange. Here we seek to highlight these signatures in the human brain by performing experiments using free gradient waveforms that are selectively sensitive to the two effects. We examine six healthy volunteers using both strong and ultra-strong gradients (80, 200 and 300 mT/m). In an experiment featuring a large set of gradient waveforms with different sensitivities to restricted diffusion and exchange (150 samples), our results reveal unique time-dependence signatures in grey and white matter, where the former is characterised by both restricted diffusion and exchange and the latter predominantly exhibits restricted diffusion. Furthermore, we show that gradient waveforms with independently varying sensitivities to restricted diffusion and exchange can be used to map exchange in the human brain. We consistently find that exchange in grey matter is at least twice as fast as in white matter, across all subjects and all gradient strengths. The shortest exchange times observed in this study were in the cerebellar cortex (115 ms). We also assess the feasibility of future clinical applications of the method used in this work, where we find that the grey-white matter exchange contrast obtained with a 25-minute 300 mT/m protocol is preserved by a 4-minute 300 mT/m and a 10-minute 80 mT/m protocol. Our work underlines the utility of free waveforms for detecting time-dependence signatures due to restricted diffusion and exchange in vivo, which may potentially serve as a tool for studying diseased tissue.

研究の動機と目的

• 高次の拡散MRI技術を用いて、ヒト脳組織における制限拡散および移動の生体内シグネチャーを調査すること。
• 自由な勾配波形を用いたヒト脳におけるマイクロスケール動的特性のプローブ可能性を評価すること。
• さまざまな勾配強度において、灰色画質と白質間の移動速度の差を定量化すること。
• 異なる勾配強度におけるスキャン時間の効率を比較することで、本手法の臨床的応用可能性を評価すること。

提案手法

• 本研究では、制限拡散および移動にそれぞれ独立して感度を調整可能な自由な勾配波形を用い、各メカニズムを別々にプローブ可能とした。
• 強い（80 mT/m）、超強力（200 mT/m）、最高性能（300 mT/m）の勾配システムを用いて、6名の健康被験者を対象に実験を実施した。
• 合計150種類の独自な勾配波形を適用し、それぞれが制限拡散および移動に異なる感度を持つように設定した。
• 複数の拡散時間における信号を測定することで、時間依存的シグネチャーを抽出した。
• モデルベースのフィッティングを用いて、制限と移動の寄与を分離し、定量的なマイクロスケールパラメータを抽出した。
• 臨床的妥当性を検証するため、25分間の300 mT/mスキャンと比較して、4分間の300 mT/mおよび10分間の80 mT/mプロトコルのスキャン時間効率を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由な勾配波形が制限拡散および移動に感度を持つ場合、ヒト脳で示される時間依存的拡散シグネチャーは何か？
• RQ2 さまざまな勾配強度において、灰色画質の移動速度は白質と比べてどの程度異なるか？
• RQ3 自由な勾配波形を用いることで、十分な感度と特異性を備えた生体内での分子移動マッピングが可能か？
• RQ4 高勾配システムを用いる場合、スキャン時間とコントラスト品質のトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 短時間スキャンプロトコルにおいて、灰色画質と白質の間の移動コントラストはどの程度保持されるか？

主な発見

• 全被験者および全勾配強度において、灰色画質の移動速度は白質の2倍以上にのぼり、これはマイクロスケール構造的差異を示している。
• 観察された最短の移動時間は小脳皮質で115 msであり、本条件下でヒト脳で最も速い分子移動を示している。
• 灰色画質では顕著な制限拡散に加え、迅速な移動が認められる一方、白質は主に制限拡散が特徴である。
• 25分間の300 mT/mプロトコルは、短時間プロトコルで得られた灰色画質と白質の間の移動コントラストを保持しており、臨床応用への可能性を示している。
• 4分間の300 mT/mおよび10分間の80 mT/mプロトコルでも、長時間スキャンと同等のコントラストが維持されており、時間効率の高い臨床的応用の可能性が示唆された。
• 自由な勾配波形により、制限と移動の両方を別々にプローブ可能となり、従来の拡散シーケンスでは得られなかった独自の時間依存的シグネチャーが明らかになった。