[논문 리뷰] Anisotropy in "isotropic diffusion" measurements due to nongaussian diffusion

Sune Nørhøj Jespersen, Jonas Lynge Olesen외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 06.

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 생물학적 조직에서의 비정규 분포 확산이 진정한 구조적 이방성 없이도 등방성 확산 측정에서 명백한 이방성을 유도함을 보여준다. 이는 기울기 영역의 방향 의존성과 세포내 곡률이 명백한 등방성 확산도의 분산을 인위적으로 증가시켜 다차원 확산 MRI에서 해석을 혼동시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다차원 확산 MRI에서 비정규 확산이 등방성 확산 측정의 해석에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 비정규 시스템에서 확산 텐서의 이방성 시간 의존성으로 인해 발생하는 아티팩트를 특정하고 정량화하는 것.
• 세포내 곡률이 확산 가중치와 무관하게 명백한 등방성 확산도의 분산을 어떻게 유도하는지 조사하는 것.
• 기울기 영역 방향이 마이크로구조 영상에서 측정된 등방성 확산도에 미치는 혼동 요인을 명확히 하는 것.
• 해석적 모델, 시뮬레이션 및 체내 척수 실험을 통해 이러한 효과를 검증하는 것.

제안 방법

• 비정규 확산 가정 하에 시간에 따라 변화하는 확산 텐서에 대한 해석적 표현 유도.
• 이방성 및 비정규 확산 성분을 가진 분할된 시스템에서의 확산 신호 수치 시뮬레이션.
• 다차원 확산 MRI를 적용하여 신호 곡률을 집단 분산 기여도와 미세 구조적 이방성 기여도로 분해.
• 기울기 영역 방향 의존성을 명시적으로 모델링하여 진정한 미세 구조적 이방성과 아티팩트를 분리.
• 척수에서의 체내 확산 가중 MRI 데이터를 사용한 실험적 검증을 통해 기울기 영역 방향 의존성 아티팩트를 입증.
• 명백한 등방성 확산도에서 세포내 곡률과 집단 분산의 기여도를 분리하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진정한 구조적 이방성이 없음에도 비정규 확산이 등방성 확산 측정에서 인위적 이방성을 어떻게 유도하는가?
• RQ2 기울기 영역의 방향이 비정규 확산 시스템에서 측정된 등방성 확산도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 세포내 곡률이 확산 가중치와 무관하게 등방성 확산도의 허위 분산을 어떻게 유도하는가?
• RQ4 이방성 세포가 확산 텐서의 시간 의존성을 어떻게 왜곡하여 등방성 확산도의 오해를 초래하는가?
• RQ5 이러한 아티팩트는 방향 분산이나 집단 분산과 같은 진정한 미세 구조적 특성과 어떻게 구별될 수 있는가?

주요 결과

• 비정규 확산은 확산 텐서의 시간에 따른 이방성 의존성을 유도하여, 측정된 등방성 확산도가 기울기 영역 방향에 따라 변동함을 보여준다.
• 이 방향 의존성은 명백한 등방성 확산도 분산과 방향 분산을 혼동시켜 마이크로구조 영상에서 오해를 초래한다.
• 세포내 곡률은 확산 가중치 없이도 등방성 확산도의 명백한 분산을 유도하며, 이 효과는 기울기 영역 방향에 따라 달라진다.
• 해석적 모델과 시뮬레이션은 이러한 아티팩트가 다차원 확산 MRI에서 다중 정규 분포 세포 가정의 위반으로 인해 발생함을 확인한다.
• 척수에서의 체내 실험은 등방성 확산도에서 측정 가능한 기울기 영역 방향 의존성 아티팩트를 입증하며 이론적 예측을 검증한다.
• 이러한 발견은 현재 다차원 확산 MRI에서의 모델 프리 분해 방법이 비정규 효과를 진정한 미세 구조적 이방성 또는 분산으로 오해할 수 있음을 드러낸다.