[论文解读] 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 Grussu+55 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2022

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications被引用 10

一句话总结

本文为临床前研究中的离体弥散加权磁共振成像（dMRI）提供了全面的指导方针，强调其优势——如更高的分辨率和信噪比——以及其在将活体研究结果与组织学结果进行验证方面所起的关键作用。本文概述了组织固定、样本制备、磁共振扫描和数据解读的最佳实践，以提高离体dMRI研究的可重复性和严谨性。

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.

研究动机与目标

• 建立临床前研究中离体弥散加权磁共振成像（dMRI）的标准化最佳实践，以提高实验严谨性和可重复性。
• 突出离体dMRI的附加价值，包括更高的空间分辨率、更好的信噪比以及与组织学的直接验证能力。
• 解决组织制备、固定和扫描方案中的关键方法学决策，这些决策会影响数据质量和可解释性。
• 识别当前指南中的空白，并引导未来研究聚焦于离体dMRI方法学中尚未解决的挑战。
• 支持将离体dMRI作为验证活体弥散指标和微结构模型的金标准。

提出的方法

• 国际磁共振医学学会（ISMRM）弥散研究组对离体dMRI方案进行系统性综述并达成专家共识。
• 基于实证证据和跨多种临床前模型及成像平台的专家经验提出建议。
• 强调组织固定方法（如多聚甲醛灌注）的重要性，以保护微结构并最小化伪影。
• 提供关于样本方向、包埋方式以及扫描参数（b值、b壳层、分辨率）的指导，以优化扩散对比度和信噪比。
• 在离体环境中整合先进扩散对比技术（如扩散张量成像、扩散谱成像）。
• 建立离体dMRI与组织学验证对齐的框架，以实现定量比较和模型校准。

实验结果

研究问题

• RQ1 在临床前研究中，离体弥散加权磁共振成像相较于活体dMRI的关键优势是什么？
• RQ2 组织固定和样本制备方案如何影响离体dMRI数据的质量和可解释性？
• RQ3 哪些扫描参数和采集策略能够最大化离体dMRI中的分辨率、信噪比和扩散对比度？
• RQ4 如何最优地将离体dMRI与组织学数据整合，以实现方法学验证？
• RQ5 当前离体dMRI方案中仍存在哪些关键的方法学空白？未来研究应聚焦于何处？

主要发现

• 离体dMRI的信噪比和空间分辨率显著高于活体dMRI，能够实现对微结构的详细表征。
• 恰当的组织固定——尤其是多聚甲醛灌注——可显著减少固定后的组织收缩，有效保持微解剖结构的完整性。
• 离体dMRI可实现对活体弥散指标与组织学结果的直接、定量验证，从而提升模型准确性。
• 最优采集方案需谨慎选择b值、b壳层和梯度方向，以在信噪比、扫描时间与扩散对比度之间实现平衡。
• 组织处理和扫描方案的差异仍是各研究间不一致的主要来源，凸显了标准化的迫切需求。
• 尽管具有诸多优势，目前尚无适用于所有离体模型的通用协议，且方法学决策深刻影响可回答的生物学问题。