Magnetic resonance q-space imaging using generating function and Bayesian inference

• Project Area: Multidisciplinary computational anatomy and its application to highly intelligent diagnosis and therapy
• Project/Area Number: 17H05307
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Fujita Health University
• Principal Investigator: 梅沢 栄三 藤田医科大学, 保健学研究科, 准教授 (50318359)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2017: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: MRI / 拡散 / 尖度 / キュムラント展開 / ベイズ推定 / ベイズ更新 / 過剰適合抑制 / グリンパティック系 / diffusion MRI / bayesian inference / q-space imaging

Outline of Annual Research Achievements

拡散尖度画像法では生体内水分子の熱運動の統計的性質を表す尖度を求める。従来法ではフィッティング関数を b（MRI 装置のパラメータ）の２次で打ち切ることによる系統誤差が生じる。これに対処するためには打切次数の増加が考えられるが、素朴に行なうと過剰適合により非常に大きな統計誤差が生じる。本研究ではベイズ推定法を利用してこの過剰適合を抑え高確度高精度な拡散尖度画像法を開発する。
前年度までに本方法は概ね開発できていたが、ベイズ更新回数の非人為的決定法が未解決であった。本年度はまずこの点を解決した：事前分布が変化しなくなるまで更新する方法を考案した。次に本方法で求まる尖度が従来法より真値に近いか否かについて検討した。尖度の真値が不明であるため、この検討は数学モデルに基づく数値ファントムを作ることで行なった：健常ボランティア脳の MR 信号データに本方法を適用して求まる尖度値等の結果を再現するファントムが作れるどうか検討し、作れた場合はそれで系統誤差を評価する。結果、現実的で自然なファントムが作れ、また、打切次数を増加させることで系統誤差が小さくなることが示された。この結果は間接的ではあるが本方法がより高確度であることを示す。
計画では、健常ボランティアの信号データ収集を行なう予定であったが、web で公開されているデータによって目的が達成できたためこれは行なわなかった。
コンピュータソフトウェアを開発する予定は完全には達成できなかったが、本方法と密接に関連する尖度を使った灌流画像法のソフトを作ることができたため、同様に開発した方法のソフトウェア化もできる見通しが立った。
本年度の予定には、臨床応用（生体機能検出への応用も含む）の検討・準備もあった。これについて研究協力者の議論を行い、近年注目されているグリンパティック系を解明するために本方法が有用である可能のあることが分かった。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Magnetic Resonance Q-Space Imaging Using Generating Function and Bayesian Inference -Progress Overview FY2017-FY2018- (2019)
  • Author(s): Umezawa E, Sonoda Y, Itoshiro I
  • Journal Title: Proceedings of 5th International Symposium on Multidisciplinary Computational Anatomy Volume: N/A Pages: 85-90
• [Journal Article] A method to estimate the product of perfusion fraction f and pseudodiffusion coefficient Dp of IVIM without estimating f and Dp (2018)
  • Author(s): Umezawa E, Kawasaki M, Sonoda Y, Fukuba T, Murayama K, Takano K, Yamada M, Onodera T, Ida M
  • Journal Title: Proceedings of 26th International Society for Magnetic Resonance in Medicine Volume: 26 Pages: 1581-1581
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetic Resonance Q-Space Imaging Using Generating Function and Bayesian Inference -Progress Overview FY2017- (2018)
  • Author(s): Umezawa E, Sonoda Y, Itoshiro I
  • Journal Title: Proceedings of 4th International Symposium on the Project "Multidisciplinary Computational Anatomy" Volume: - Pages: 79-83
• [Journal Article] A method to estimate the product of perfusion fraction f and pseudodiffusion coefficient Dp of IVIM without estimating f and Dp (2018)
  • Author(s): Umezawa E, Kawasaki M, Sonoda Y, Fukuba T, Murayama K, Takano K, Yamada M, Onodera T, Ida M
  • Journal Title: Proceedings of 26th International Society for Magnetic Resonance in Medicine (to appear) Volume: 26 Pages: 6826-6826
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Bayesian approach for diffusional kurtosis imaging (2017)
  • Author(s): Umezawa E, Ishihara D, Kono Y, Nakai T, Kato R
  • Journal Title: Proceedings of 25th International Society for Magnetic Resonance in Medicine Volume: 25 Pages: 1799-1799
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Magnetic Resonance Q-Space Imaging Using Generating Function and Bayesian Inference (2019)
  • Author(s): Umezawa E, Sonoda Y, Itoshiro I
  • Organizer: The 5th International Symposium on the project "Multidisciplinary Computational Anatomy"; Tokyo, JAPAN. 2019.03.04-05.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A method to estimate the product of perfusion fraction f and pseudodiffusion coefficient Dp of IVIM without estimating f and Dp (2018)
  • Author(s): Umezawa E, Kawasaki M, Sonoda Y, Fukuba T, Murayama K, Takano K, Yamada M, Onodera T, Ida M.
  • Organizer: International Society for Magnetic Resonance in Medicine 26th Scientific Meetings and Exhibition; Paris, France. 2018.06.19.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low b value DKI を利用した IVIM imaging： f と Dp を求めずに fDp を求める方法 (2018)
  • Author(s): Umezawa E
  • Organizer: 日本磁気共鳴医学会スタディーグループ「MRイメージングおよひ画像解析における数理問題の研究とソフトウェア開発」. 2018.09.07-09. 金沢
  • Invited
• [Presentation] Diffusional kurtosis imaging using higher order cumulants and Bayesian inference (2018)
  • Author(s): Sonoda Y, Umezawa E, Itoshiro I, Yamada M
  • Organizer: 第46回日本磁気共鳴医学会大会. 2018.09.07-09. 金沢
• [Presentation] Metal element specific identification of deposited gadolinium in rat brain structure using an electron probe micro analyzer (2018)
  • Author(s): Yamada M, Yamamoto H, Takano K, Kobayashi M, Harada S, Ikarashi A, Shirakawa S, Umezawa E
  • Organizer: 第46回日本磁気共鳴医学会大会. 2018.09.07-09. 金沢
• [Presentation] Contrast-enhanced MR imaging for visualizing brain lymphatic clearance (2018)
  • Author(s): Takano K , Yamada M, Harada S , Hayashi K, Miyake K, Yamamoto H, Shirakawa S , Umezawa E
  • Organizer: 第46回日本磁気共鳴医学会大会. 2018.09.07-09. 金沢
• [Presentation] Magnetic Resonance Q-Space Imaging Using Generating Function and Bayesian Inference -Progress Overview FY2017- (2018)
  • Author(s): Umezawa E, Sonoda Y, Itoshiro I
  • Organizer: 4th International Symposium on the Project "Multidisciplinary Computational Anatomy"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A method to estimate the product of perfusion fraction f and pseudodiffusion coefficient Dp of IVIM without estimating f and Dp (2018)
  • Author(s): Umezawa E, Kawasaki M, Sonoda Y, Fukuba T, Murayama K, Takano K, Yamada M, Onodera T, Ida M
  • Organizer: 26th International Society for Magnetic Resonance in Medicine (Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Bayesian approach for diffusional kurtosis imaging (2017)
  • Author(s): Umezawa E, Ishihara D, Kono Y, Nakai T, Kato R
  • Organizer: 25th International Society for Magnetic Resonance in Medicine
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] IVIM の fD* を f と D* を求めずに求める方法 (2017)
  • Author(s): 梅沢栄三, 川﨑真啓, 山田雅之, 福場崇, 村山和宏, 小野寺聡, 井田正博
  • Organizer: 第45回日本磁気共鳴医学会大会
• [Presentation] 拡散尖度画像法と bi-exponential 拡散モデルを使った intravoxel incoherent motion 解析 (2017)
  • Author(s): 川崎真啓, 梅沢栄三, 福場崇, 村山和宏, 山田雅之
  • Organizer: 第45回日本磁気共鳴医学会大会