てんかんをきたす器質的脳疾患における生成型学習を活用した定量的拡散MRIの検討

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K15790
• Research Institution: Juntendo University
• Principal Investigator: 福永 一星 順天堂大学, 保健医療学部, 助教 (80861129)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Keywords: DWI / DTI / DKI / NODDI

Outline of Annual Research Achievements

2021年度の予定として白質模擬ファントムよる実験による検証であった。しかし、白質模擬ファントムによる実験は新型コロナウイルスなどによる立ち入り制限もあり、実施することが出来なかった。以前に解析ソフトウェアのdiMaRIA（Diffusion Magnetic Resonance Image Analyzer）で実施した健常ボランティアの結果があり、そちらの論文化を進めている所である。健常ボランティアは8名（女性5名、男性3名）であり、Canon社製Vantage Galan 3T /ZGOを使用したデータがある。NODDIの解析結果として、ICVF（Intracellular Volume Fraction）と呼ばれる神経突起密度を評価する指標と、ODI（Orientation Dispersion Index）と呼ばれる神経突起の散らばりを評価する指標に着目している。オリジナルNODDI（Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging）では解析時間が約63時間であり、高速化した手法であるAMICO（Accelerated Microstructure Imaging via Convex Optimization）では11分程度に短縮できた。さらにdiMaRIAを用いることで1分30秒程度の解析時間で結果を得ることが出来た。画像のレジストレーションにはFSLを用い、比較する領域は自動ROIをfree surferを用いて抽出した。白質のROIはジョンホプキンス大学の白質トラクトグラフィーアトラス、灰白質のアトラスはDesikan-Killianyアトラスを用いた。結果としてdiMaRIAを用いた解析ではオリジナルNODDIやAMICOと非常に近い結果が得られた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2021年度はコロナ禍による影響が大きく、職員であっても診療業務に携わっていない場合は立ち入りを遠慮して欲しいと要望された時期があった。白質模擬ファントムの撮像は実施できていないが、患者データを管理するためのノートパソコンやdiMaRIAの解析するノートパソコンの環境は整えることができた。また、統計解析のためのSPSS（Statistical Package for the Social Science）も準備できている。健常ボランティアの撮像データは取得できており、共同研究者にも結果および原稿を確認してもらい修正作業をしている。現在論文を作成途中であるが完成次第、雑誌に投稿する予定である。てんかん患者の撮像はコロナ禍の影響もあり、まだ実施できていない。しかし、画像ソフトウェアのdiMaRIAを用いた研究として脳卒中患者の研究にも取り組んでいるのが現状である。

Strategy for Future Research Activity

今後は、まず現在作成中の健常ボランティアのdiMaRIAを用いた解析結果の論文を完成させて投稿したいと考えている。その後に、てんかん患者・スタージウェバー患者などの患者撮像およびdiMaRIA解析を実施する。解析結果はSPSSを用いて統計評価して、論文として完成を目指す。もし健常ボランティアとてんかん患者でdiMaRIAの解析結果とオリジナルNODDIの解析結果が異なる場合は、撮像条件（拡散強調の程度を決めるb値や傾斜磁場の印加方法など）や機械学習の設定（初期条件や教師データの設定、ノイズレベルマッチング）について検討し、diMaRIAの解析精度に関しても共同研究者と共に検証していく予定である。

Causes of Carryover

コロナ禍により学会などに参加できませんでした。また、立ち入りが制限されていた時期もあり、謝金を支払ってMRI撮像の予定もなくなったため、次年度使用計画が発生した。次年度の使用計画として健常ボランティアやてんかん患者の撮像をする予定である。

Research Products

• [Journal Article] Repeatability and reproducibility of human brain morphometry using three-dimensional magnetic resonance fingerprinting. (2021)
  • Author(s): Shohei Fujita, Guido Buonincontri, Matteo Cencini, Issei Fukunaga, Naoyuki Takei, Rolf F Schulte, Akifumi Hagiwara, Wataru Uchida, Masaaki Hori, Koji Kamagata, Osamu Abe, Shigeki Aoki
  • Journal Title: Human brain mapping Volume: 42(2) Pages: 275-285
  • DOI: 10.1002/hbm.25232.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Age-Related Changes in Relaxation Times, Proton Density, Myelin, and Tissue Volumes in Adult Brain Analyzed by 2-Dimensional Quantitative Synthetic Magnetic Resonance Imaging. (2021)
  • Author(s): Akifumi Hagiwara, Kotaro Fujimoto, Koji Kamagata, Syo Murata, Ryusuke Irie, Hideyoshi Kaga, Yuki Someya, Christina Andica, Shohei Fujita, Shimpei Kato, Issei Fukunaga, Akihiko Wada, Masaaki Hori, Yoshifumi Tamura, Ryuzo Kawamori, Hirotaka Watada, Shigeki Aoki
  • Journal Title: Investigative radiology Volume: 56(3) Pages: 163-172
  • DOI: 10.1097/RLI.0000000000000720.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Open-access quantitative MRI data of the spinal cord and reproducibility across participants, sites and manufacturers． (2021)
  • Author(s): Cohen-Adad J, Alonso-Ortiz E, Abramovic M, Fukunaga I, Wyss PO, Xu J.
  • Journal Title: Scientific data Volume: 8(1) Pages: 219
  • DOI: 10.1038/s41597-021-00941-8.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Generic acquisition protocol for quantitative MRI of the spinal cord． (2021)
  • Author(s): Cohen-Adad J, Alonso-Ortiz E, Abramovic M, Fukunaga I, Wyss PO, Xu J.
  • Journal Title: Nature protocols Volume: 16(10) Pages: 4611-4632
  • DOI: 10.1038/s41596-021-00588-0.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Free Water Eliminated White Matter Tract Integrity of Spinal Cord in Multiple Sclerosis and Neuromyelitis Optica Spectrum Disorder． (2021)
  • Author(s): Hori Masaaki, Kamiya Kouhei, Hagiwara Akifumi, Yokoyama Kazumasa, Fukunaga Issei, Sano Katsuhiro, Kamagata Koji, Murata Katsutoshi, Fujita Shohei, Andica Christina, Wada Akihiko, Cohen-Adad Julien, Aoki Shigeki
  • Organizer: 9th annual meeting International Society for Magnetic Resonance in Medicine, (Virtual Conference & Exhibition)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Prospective motion-corrected three-dimensional multiparametric mapping of the brain. (2021)
  • Author(s): Fujita Shohei, Takei Naoyuki, Hagiwara Akifumi, Fukunaga Issei, Rettmann Dan, Banerjee Suchandrima, Hwang Ken-Pin, Amemiya Shiori, Kamagata Koji, Abe Osamu, Aoki Shigeki
  • Organizer: 29th annual meeting International Society for Magnetic Resonance in Medicine, (Virtual Conference & Exhibition)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Radiomics with 3D MR fingerprinting: Influence of dictionary design on radiomic features and a potential mitigation strategy. (2021)
  • Author(s): Fujita Shohei, Hagiwara Akifumi, Yasaka Koichiro, Akai Hiroyuki, Kunimatsu Akira, Kiryu Shigeru, Fukunaga Issei, Kato Shimpei, Akashi Toshiaki, Kamagata Koji, Wada Akihiko, Abe Osamu, Aoki Shigeki
  • Organizer: 29th annual meeting International Society for Magnetic Resonance in Medicine, (Virtual Conference & Exhibition)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simultaneous 3D T1 weighted, T2 weighted and FLAIR imaging using Serial Connection of Echo Train Acquisitions (SCETA) for Multi-contrast imaging. (2021)
  • Author(s): Takei Naoyuki, Fujita Shohei, Fukunaga Issei, Miyoshi Mitsuharu, Aoki Shigeki, Banerjee Suchandrima, Wakayama Tetsuya
  • Organizer: 29th annual meeting International Society for Magnetic Resonance in Medicine, (Virtual Conference & Exhibition)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simultaneous Relaxometry and Morphometry of Human Brain Structures using 3D MR Fingerprinting: A Multisite, Multiplatform, Multi-field-strength Study (2021)
  • Author(s): Shohei Fujita, Matteo Cencini, Guido Buonincontri, Naoyuki Takei, Issei Fukunaga, Wataru Uchida, Akifumi Hagiwara, Osamu Abe, Michela Tosetti, Shigeki Aoki
  • Organizer: 第49回日本磁気共鳴医学会大会 (神奈川県横浜市)
• [Presentation] T1 weighted, T2 weighted and FLAIR imaging in a single scan for Multicontrast Imaging (2021)
  • Author(s): Naoyuki Takei, Shohei Fujita, Issei Fukunaga, Mitsuharu Miyoshi, Shigeki Aoki, Tetsuya Wakayama
  • Organizer: 第49回日本磁気共鳴医学会大会 (神奈川県横浜市)