[논문 리뷰] Diffusion MRI with free gradient waveforms on a high-performance gradient system: Probing restriction and exchange in the human brain

Arthur Chakwizira, Ante Zhu외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 05.

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고성능 300 mT/m MRI 스캐너에서 자유 경사파형을 사용하여 인간 뇌의 제한된 산란과 분자 이동성을 탐구한다. 그 결과, 회색 뇌질은 강한 제한성과 빠른 이동성(소뇌 피질에서 최대 115 ms)을 보이며, 흰 뇌질은 주로 제한된 산란을 보이는데, 모든 피험자와 경사파형 강도에서 회색 뇌질의 이동 속도가 흰 뇌질보다 최소 두 배 빠르다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고도로 발전한 확산 MRI 기법을 사용하여 인간 뇌 조직에서 제한된 산란과 이동성의 생체 내 서명을 조사하는 것.
• 자유 경사파형을 사용하여 인간 뇌의 미세구조 역학을 탐색하는 데의 가능성을 평가하는 것.
• 다양한 경사파형 강도에서 회색 뇌질과 흰 뇌질 간의 이동 속도 차이를 정량화하는 것.
• 다양한 경사파형 강도에서 스캔 시간 효율성을 비교하여 이 방법의 임상적 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• 연구는 제한된 산란과 이동성에 대해 독립적으로 조절 가능한 감도를 가진 자유 경사파형을 사용하여 각 메커니즘을 선택적으로 탐색할 수 있도록 하였다.
• 강력한(80 mT/m), 초강력(200 mT/m), 최고 성능(300 mT/m) 경사파형 시스템을 사용하여 6명의 건강한 자원자를 대상으로 실험를 수행하였다.
• 총 150개의 고유한 경사파형을 적용하였으며, 각각 제한된 산란과 이동성에 대해 다른 감도 프로필을 가졌다.
• 시간에 따라 변화하는 서명을 추출하기 위해 다수의 확산 시간 동안 산란 신호를 측정하였다.
• 모델 기반 피팅을 사용하여 제한성과 이동성의 기여를 분리하고, 정량적 미세구조 매개변수를 추출하였다.
• 임상 가능성 평가를 위해 25분간의 300 mT/m 스캔과 짧은 4분간의 300 mT/m 및 10분간의 80 mT/m 프rotocol를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자유 경사파형이 제한된 산란과 이동성에 민감하게 반응할 때 인간 뇌에서 시간에 따라 변화하는 확산 서명은 무엇인가?
• RQ2 다양한 경사파형 강도에서 회색 뇌질의 이동 속도는 흰 뇌질의 이동 속도와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 자유 경사파형을 사용하여 생체 내에서 분자 이동을 충분한 감도와 특이도로 맵핑할 수 있는가?
• RQ4 고강도 경사파형 시스템을 사용할 때 스캔 시간과 대trast 품질 간의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 짧은 스캔 프로토콜에서 회색-흰 뇌질의 이동 대비 대비는 어느 정도 유지되는가?

주요 결과

• 모든 피험자와 모든 경사파형 강도에서 회색 뇌질의 이동 속도가 흰 뇌질보다 최소 두 배 빠르며, 이는 기본적인 미세구조적 차이를 시사한다.
• 관찰된 가장 짧은 이동 시간은 소뇌 피질에서 115 ms로, 이 조건에서 인간 뇌에서 가장 빠른 분자 이동을 나타낸다.
• 회색 뇌질은 뚜렷한 제한된 산란과 동시에 빠른 이동성을 보이며, 흰 뇌질은 주로 제한된 산란으로 특징지어진다.
• 25분간의 300 mT/m 프로토콜는 짧은 프로토콜에서 관찰된 회색-흰 뇌질 이동 대비를 유지하여 임상적 적용 가능성에 대한 타당성을 입증한다.
• 4분간의 300 mT/m 및 10분간의 80 mT/m 프로토콜는 장시간 스캔과 유사한 대비를 유지하여 시간 효율적인 임상 적용 가능성을 시사한다.
• 자유 경사파형은 제한성과 이동성을 선택적으로 탐색할 수 있게 하여, 기존의 확산 시퀀스로는 확보할 수 없는 고유한 시간 의존성 서명을 드러냈다.