[论文解读] Anisotropy in "isotropic diffusion" measurements due to nongaussian diffusion

Sune Nørhøj Jespersen, Jonas Lynge Olesen+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2017

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications被引用 2

一句话总结

本文表明，生物组织中的非高斯扩散会导致各向同性扩散测量中出现表观各向异性，即使在不存在真正结构各向异性的情况下也是如此。研究显示，梯度脉冲方向依赖性以及胞内峰度会人为地增加表观各向同性扩散系数的方差，从而在多维扩散MRI中造成解释上的混淆。

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.

研究动机与目标

• 研究非高斯扩散如何影响多维扩散MRI中各向同性扩散测量的解释。
• 识别并量化非高斯系统中扩散张量的时间各向异性依赖性所引起的伪影。
• 研究胞内峰度如何在不依赖扩散加权的情况下导致表观各向同性扩散系数方差的产生。
• 阐明梯度脉冲方向对微结构成像中测量的各向同性扩散系数的混淆影响。
• 通过解析模型、模拟和在体脊髓实验验证这些效应。

提出的方法

• 推导在非高斯扩散假设下时间依赖的扩散张量的解析表达式。
• 在具有各向异性和非高斯扩散组分的分室系统中，对扩散信号进行数值模拟。
• 应用多维扩散MRI将信号峰度分解为集合方差和微观各向异性的贡献。
• 在扩散测量中显式建模梯度脉冲方向依赖性，以将伪影与真正的微结构各向异性区分开。
• 使用在体脊髓扩散加权MRI数据进行实验验证，以证明方向依赖性伪影的存在。
• 分离表观各向同性扩散系数中来自胞内峰度和集合方差的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使在不存在真正结构各向异性的情况下，非高斯扩散如何在各向同性扩散测量中诱导人为各向异性？
• RQ2 梯度脉冲方向在多高程度上影响非高斯扩散系统中测量的各向同性扩散系数？
• RQ3 胞内峰度在多大程度上独立于扩散加权，导致表观各向同性扩散系数方差的产生？
• RQ4 各向异性的组分如何扭曲扩散张量的时间依赖性，从而导致各向同性扩散系数的误解释？
• RQ5 这些伪影能否与真正的微结构特征（如取向分散度或集合方差）区分开？

主要发现

• 非高斯扩散导致扩散张量的时间依赖性呈现各向异性，使得测量的各向同性扩散系数随梯度脉冲方向而变化。
• 这种方向依赖性使表观各向同性扩散系数方差与取向分散度混淆，导致微结构成像中的误解释。
• 胞内峰度即使在无扩散加权的情况下，也会导致表观各向同性扩散系数方差的产生，且该效应依赖于梯度脉冲方向。
• 解析模型和模拟结果证实，这些伪影源于多维扩散MRI中对多重高斯组分假设的偏离。
• 在脊髓中的在体实验表明，各向同性扩散系数存在可测量的方向依赖性伪影，验证了理论预测。
• 研究结果表明，当前多维扩散MRI中无模型分解方法可能将非高斯效应误认为是真正的微结构各向异性或方差。