[논문 리뷰] Considerations and Recommendations from the ISMRM Diffusion Study Group for preclinical diffusion MRI: Part 1 -- In vivo small-animal imaging

Ileana Jelescu, Francesco Grussu외 55명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 26.

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 ISMRM 확산 연구 그룹에서 제공하는 체계적이고 근거 기반의 지침을 바탕으로, 생체 내 소형 동물 확산 MRI(dMRI)에 대한 종합적인 권고안을 제시한다. 실험 설계, 데이터 수집 프로토콜, 데이터 처리 및 분석의 최선의 실천 방법을 포함하며, 다양한 종과 장기에서의 재현성, 엄격함, 표준화를 강조한다. 특히 중추신경계를 중심으로 하되, 현재 지침의 부족한 부분을 밝히고 오픈 데이터 및 소프트웨어 자원의 보급을 촉진한다.

ABSTRACT

Small-animal diffusion MRI (dMRI) has been used for methodological development and validation, characterizing the biological basis of diffusion phenomena, and comparative anatomy. The steps from animal setup and monitoring, to acquisition, analysis, and interpretation are complex, with many decisions that may ultimately affect what questions can be answered using the resultant data. This work aims to present selected recommendations and guidelines from the diffusion community, on best practices for preclinical dMRI of in vivo animals. We describe the general considerations and foundational knowledge that must be considered when designing experiments. We briefly describe differences in animal species and disease models and discuss why some may be more or less appropriate for different studies. We then give guidelines for in vivo acquisition protocols, including decisions on hardware, animal preparation, and imaging sequences, followed by advice for data processing including pre-processing, model-fitting, and tractography. Finally, we provide an online resource which lists publicly available preclinical dMRI datasets and software packages, to promote responsible and reproducible research. In each section, we attempt to provide guides and recommendations, but also highlight areas for which no guidelines exist (and why), and where future work should focus. While we mainly cover the central nervous system (on which most preclinical dMRI studies are focused), we also provide, where possible and applicable, recommendations for other organs of interest. An overarching goal herein is to enhance the rigor and reproducibility of small animal dMRI acquisitions and analyses, and thereby advance biomedical knowledge.

연구 동기 및 목표

• 생체 내 소형 동물 확산 MRI에 대한 표준화된 최선의 실천 방법을 수립하여 실험의 엄밀함과 재현성을 향상시키기 위해.
• 데이터 품질과 생물학적 해석에 영향을 주는 동물 준비, 영상 촬영 프로토콜, 데이터 처리의 복잡한 결정들에 대응하기 위해.
• 전임상 dMRI에서 하드웨어 선택, 시퀀스 설계, 사전 처리, 모델 피팅, 트랙토그라피에 대한 실천 가능한 권고안을 제공하기 위해.
• 현재 지침이 부족한 핵심 지식 격차를 식별하고 향후 연구 우선순위를 제시하기 위해.
• 공개 과학을 촉진하기 위해 공개 가능한 전임상 dMRI 데이터셋 및 소프트웨어 도구 목록을 제시하기 위해.

제안 방법

• 56명의 전문가가 참여한 ISMRM 확산 연구 그룹의 합의를 바탕으로 종합적인 지침을 개발하였다.
• 종별 생리적 차이와 질병 모델의 관련성을 포함한 동물 모델 선택에 대한 기초 고려사항을 제시하였다.
• 소형 동물 생체 내 dMRI에 적합한 하드웨어 선택, 마취, 모니터링 및 시퀀스 파라미터를 포함한 촬영 프로토콜을 상세히 기술하였다.
• 사전 처리, 확산 모델 피팅(DWI, DTI, NODDI 등), 트랙토그라피 파이프라인에 대한 체계적 권고안을 제공하였다.
• 재현성을 지원하기 위해 공개 가능한 전임상 dMRI 데이터셋 및 소프트웨어를 카탈로그화한 온라인 자원을 도입하였다.
• 모든 dMRI 워크플로우 단계에서 투명성, 문서화, 검증의 중요성을 강조하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 종과 질병 모델에서 생체 내 소형 동물 dMRI 촬영에 최적의 프로토콜은 무엇인가?
• RQ2 확산 지표의 변동성을 줄이고 재현성을 확보하기 위해 데이터 처리 파이프라인은 어떻게 표준화할 수 있는가?
• RQ3 dMRI 워크플로우의 어느 구성 요소에서 현재 공통의 지침이 부족한가? 향후 연구는 어디에 집중해야 하는가?
• RQ4 전임상 dMRI 데이터와 소프트웨어는 어떻게 개방형으로 제공하여 연구 투명성과 협업을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 소형 동물의 dMRI 결과를 인간 임상 적용으로 이행하는 데 있어 주요 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 논문은 동물 준비, 영상 시퀀스, 데이터 처리의 핵심 결정 요소들이 dMRI 결과에 크게 영향을 주며, 이를 철저히 기록해야 한다고 밝혔다.
• 중추신경계 dMRI는 기존 지침으로 잘 뒷받침되고 있으나, 심장, 간, 신장과 같은 다른 장기는 더욱 맞춤형이고 검증된 프로토콜이 필요하다고 강조하였다.
• 표준화된 사전 처리 및 모델 피팅 접근법이 상이한 연구소 간의 변동성을 줄이고 지표의 신뢰성을 높이기 위해 필수적이라고 밝혔다.
• 현재 많은 dMRI 실천 방식, 특히 트랙토그라피와 고급 모델링 분야에서 보편적으로 수용된 표준이 부족하여 재현성에 큰 장벽이 되고 있음을 기록하였다.
• 저자들은 개방형이고 재현 가능한 연구를 지원하기 위해 공개 가능한 전임상 dMRI 데이터셋 및 소프트웨어 도구의 포괄적인 목록을 성공적으로 정리하고 총정리하였다.
• 이 작업은 공동체 차원의 보고서 표준 및 데이터 공유의 즉각적인 도입이 전임상 dMRI를 신뢰할 수 있는 번역적 도구로 발전시키기 위해 절실하게 필요하다고 강조한다.