[논문 리뷰] 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 Grussu외 55명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 27.

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 전임상 연구에서의 체외 확산 MRI에 대한 종합적인 지침을 제공하며, 더 높은 해상도와 SNR 등의 장점을 강조하고, 병리조직학과의 대조를 통해 체내에서의 결과를 검증하는 데 핵심적인 역할을 한다. 조직 고정, 샘플 준비, MRI 스캔, 데이터 해석에 대한 최선의 실천 방안을 제시하여 체외 dMRI 연구의 재현성과 엄밀함을 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 체외 확산 MRI의 표준화된 최선의 실천 방안을 수립하여 실험의 엄밀함과 재현성을 향상시키기 위해.
• 체외 dMRI의 추가가치를 부각시키기 위해, 더 높은 공간 해상도, 향상된 SNR, 직접적인 병리조직학적 검증이 포함된다.
• 데이터 품질과 해석 가능성에 영향을 주는 조직 준비, 고정, 스캔 프로토콜과 같은 핵심 방법론적 결정 사항을 다루기 위해.
• 현재 지침에서의 격차를 식별하고 향후 연구가 해결되지 않은 과제에 집중하도록 유도하기 위해.
• 체내 확산 지표와 미세구조 모델을 검증하기 위한 골드스탠다드로 체외 dMRI를 통합하는 데 지원하기 위해.

제안 방법

• ISMRM 확산 연구 그룹의 체외 dMRI 프로토콜에 대한 체계적 검토 및 전문가 공감대.
• 다양한 전임상 모델과 영상 플랫폼에서의 경험과 실증적 증거에 기반한 권고.
• 미세구조를 유지하고 잡음 요소를 최소화하기 위해 조직 고정 방법(예: 퍼포르말데히드 주입)에 중점을 두기 위해.
• 확산 대비와 SNR를 최적화하기 위해 샘플 방향, 임베딩 및 스캔 파rameter(b-값, b-쉘, 해상도)에 대한 지침 제공.
• 체외 환경에서 고급 확산 대비(예: 확산 텐서 영상, 확산 스펙트럼 영상)의 통합.
• 정량적 비교와 모델 校정을 가능하게 하기 위해 체외 dMRI를 병리조직학 검증과 연계하는 프레임워크 제공.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 체내 dMRI에 비해 체외 확산 MRI가 전임상 연구에서 가지는 주요 이점은 무엇인가요?
• RQ2 조직 고정 및 샘플 준비 프로토콜이 체외 dMRI 데이터의 품질과 해석 가능성에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ3 체외 dMRI에서 해상도, SNR, 확산 대비를 극대화하기 위해 어떤 스캔 파rameter와 획득 전략이 필요한가요?
• RQ4 체외 dMRI는 어떻게 병리조직학 데이터와 최적화하여 방법론적 검증을 수행할 수 있나요?
• RQ5 체외 dMRI 프로토콜에서 아직 해결되지 않은 핵심 방법론적 격차는 무엇이며, 향후 연구는 어디에 집중해야 할까요?

주요 결과

• 체외 dMRI는 체내 dMRI에 비해 더 높은 신호 대 잡음비(SNR)와 공간 해상도를 제공하여 세밀한 미세구조 특성 분석이 가능하다.
• 적절한 조직 고정—특히 퍼포르말데히드 주입을 통한 고정—은 고정 후 조직 수축을 크게 감소시키고 미세해부학적 정합성을 유지하는 데 기여한다.
• 체외 dMRI는 체내 확산 지표를 병리조직학과 직접적으로 정량적으로 검증할 수 있어 모델 정확도를 향상시킨다.
• 최적의 획득 프로토콜은 SNR, 스캔 시간, 확산 대비를 균형 있게 유지하기 위해 b-값, b-쉘, 기울기 방향의 신중한 선택이 필요하다.
• 조직 취급 및 스캔 프로토콜의 변동성은 연구 간 일관성 부족의 주요 원인으로 남아 있으며, 표준화의 필요성을 강조한다.
• 장점이 있음에도 불구하고 모든 체외 모델에 적용 가능한 유일한 프로토콜은 존재하지 않으며, 방법론적 결정은 다룰 수 있는 생물학적 질문에 깊이 영향을 미친다.