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

Arthur Chakwizira, Ante Zhu+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2023

Advanced Neuroimaging Techniques and Applications被引用 4

一句话总结

本研究在高性能300 mT/m MRI扫描仪上使用自由梯度波形，探测人脑中的受限扩散与分子交换。结果表明，灰质表现出强烈的受限扩散和快速交换（小脑皮层中快至115 ms），而白质则主要表现为受限扩散，且所有受试者和梯度强度下，灰质中的交换速度至少是白质的两倍。

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.

研究动机与目标

• 利用先进的扩散MRI技术，研究人体脑组织中受限扩散与交换的在体特征。
• 评估使用自由梯度波形探测人脑微结构动力学的可行性。
• 量化在不同梯度强度下，灰质与白质之间交换速率的差异。
• 通过比较不同梯度强度下的扫描时间效率，评估该方法的临床潜力。

提出的方法

• 本研究采用可独立调节受限扩散与交换敏感度的自由梯度波形，实现对每种机制的选择性探测。
• 实验在六名健康志愿者身上进行，使用强梯度（80 mT/m）、超强梯度（200 mT/m）和最高性能梯度（300 mT/m）系统。
• 共应用了150种独特的梯度波形，每种波形对受限扩散和交换具有不同的敏感度特性。
• 在多个扩散时间下测量扩散信号，以提取时间依赖性特征。
• 通过基于模型的拟合分析数据，分离受限扩散与交换的贡献，提取定量微结构参数。
• 通过比较25分钟300 mT/m扫描与较短的4分钟300 mT/m及10分钟80 mT/m方案，测试该方法在临床应用中的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 对受限扩散和交换敏感的自由梯度波形揭示了人脑中的哪些时间依赖性扩散特征？
• RQ2 在不同梯度强度下，灰质中的交换速率与白质相比如何？
• RQ3 自由梯度波形是否能够以足够的灵敏度和特异性在体映射分子交换？
• RQ4 在使用高梯度系统时，扫描时间与对比质量之间的权衡如何？
• RQ5 在较短扫描方案中，灰质-白质交换对比的保留程度如何？

主要发现

• 在所有受试者和所有梯度强度下，灰质中的交换速度至少是白质的两倍，表明存在根本性的微结构差异。
• 观测到的最短交换时间为115 ms（位于小脑皮层），突显了在这些条件下人脑中最快的分子交换。
• 灰质表现出显著的受限扩散和快速交换，而白质主要表现为受限扩散。
• 25分钟300 mT/m扫描方案保留了较短扫描方案中观察到的灰质-白质交换对比，证明其具备临床转化的可行性。
• 4分钟300 mT/m和10分钟80 mT/m扫描方案与长时间扫描相比保持了相似的对比度，表明其在时间效率方面具有临床应用潜力。
• 自由梯度波形实现了对受限扩散与交换的选择性探测，揭示了传统扩散序列无法获取的独特时间依赖性特征。