次世代拡散MRIによる脳微細構造の観察と定量化：従来法の概念の一新

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H02772
• 研究機関: 順天堂大学
• 研究代表者: 青木 茂樹 順天堂大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (80222470)
• 研究分担者: 下地 啓五 地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター(東京都健康長寿医療センター研究所), 東京都健康長寿医療センター研究所, 研究員 (20348931)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 拡散MRI / 拡散時間 / 脳 / 制限拡散 / microstructure / 拡散テンソル / 粘稠度 / epidermoid cyst

研究実績の概要

次世代拡散MRI（magnetic resonance imaging）により、広く使われている従来の拡散強
調像に関する過去の知見の限界が目立つようになってきた。従来の臨床機ではコントロール困難なため無視されてきた拡散時間の違いにより拡散MRIの定量値は変化する。今回我々は、次世代拡散MRIを用いて、拡散時間を考慮して従来の拡散強調像の概念の一新を行い、より病態を反映する新たな微細構造の解明を進める。その違いを加味した拡散MRIの新たな定量値と他の手法を合せ、最新技術を駆使して微細構造を明らかにする。
具体的には、短い拡散時間により粘稠度と空間的拡散の違いを明らかにして、従来の知見を一新するために、次世代MRIを用いて in vivoでヒトの軸索や神経突起の変化、線維のビーズ状変化などを考慮したより詳細な回路・微細構造の解明を行う。検証のために、Synthetic MRIなどによる定量値やマウス透明脳との比較検討も行う。
1）拡散時間を変えて粘稠度の違いと制限拡散の違いを持つファントムおよび、空間的制限拡散の脈絡叢肉芽腫などで、拡散時間と信号強度の詳細な検討を行う。短い拡散時間はOGSE,長い拡散時間は従来の方法やSTEAMなどで計測する。
2）従来の拡散強調像で高信号を示す疾患に絞って、OGSEで拡散時間を短くするとどのように信号強度が変化するかを検討し、粘稠度、空間的制限拡散のどちらによる高信号であったかを検討する。
3）OGSEを行った疾患で、次世代拡散MRIやSynthetic MRIなどの最新のMRIも行われている症例につき、さらに微細構造変化につき詳細な検討を行う。マウスでの実験の治験も合せ、MRIを用いた微細構造の研究をすすめる。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

拡散制限を来す疾患につき、Oscillating gradient spin-echo (OGSE)を行い、epidermoid cyst (Christina A, MRMS), 急性期脳梗塞（Boonrod A, Neuroradiology2018)で報告を行った。
粘稠度の異なる液体についての基礎的検討も行った（Maekawa T, Jpn J Radiol 2018)。
画像処理への人工知能の活用が急速に進んでいるため、その対応のため予算を残した。

今後の研究の推進方策

画像関連でのAIの進歩は著しく、拡散関係でもできるだけ取り入れて研究を進めたい。

研究成果

• [国際共同研究] Department de genie electrique/Polytechnique/Montreal(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: Department de genie electrique/Polytechnique/Montreal
• [雑誌論文] The Relationship between Neurite Density Measured with Confocal Microscopy in a Cleared Mouse Brain and Metrics Obtained from Diffusion Tensor and Diffusion Kurtosis Imaging. (2018)
  • 著者名/発表者名: Irie R, Kamagata K, Kerever A, Ueda R, Yokosawa S, Otake Y, Ochi H, Yoshizawa H, Hayashi A, Tagawa K, Okazawa H, Takahashi K, Sato K, Hori M, Arikawa-Hirasawa E, Aoki S.
  • 雑誌名: Magn Reson Med Sci 巻: 17 ページ: 138-144
  • DOI: 10.2463/mrms.mp.2017-0031
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Neurite orientation dispersion and density imaging of the nigrostriatal pathway in Parkinson's disease: Retrograde degeneration observed by tract-profile analysis. (2018)
  • 著者名/発表者名: Andica C, Kamagata K, Hatano T, Okuzumi A, Saito A, Nakazawa M, Ueda R, Motoi Y, Kamiya K, Suzuki M, Hori M, Kumamaru KK, Hattori N, Aoki S.
  • 雑誌名: Parkinsonism Relat Disord 巻: 51 ページ: 55-60
  • DOI: 10.1016/j.parkreldis.2018.02.046.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Myelin Measurement: Comparison Between Simultaneous Tissue Relaxometry, Magnetization Transfer Saturation Index, and T1w/T2w Ratio Methods. (2018)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara A, Hori M, Kamagata K, Warntjes M, Matsuyoshi D, Nakazawa M, Ueda R, Andica C, Koshino S, Maekawa T, Irie R, Takamura T, Kumamaru KK, Abe O, Aoki S.
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 8 ページ: 10554
  • DOI: 10.1038/s41598-018-28852-6.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Diffusional kurtosis imaging and white matter microstructure modeling in a clinical study of major depressive disorder. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kamiya K, Okada N, Sawada K, Watanabe Y, Irie R, Hanaoka S, Suzuki Y, Koike S, Mori H, Kunimatsu A, Hori M, Aoki S, Kasai K, Abe O.
  • 雑誌名: NMR Biomed 巻: 31 ページ: e3938
  • DOI: 10.1002/nbm.3938. Epub 2018 May 30.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Changes in the ADC of diffusion-weighted MRI with the oscillating gradient spin-echo (OGSE) sequence due to differences in substrate viscosities. (2018)
  • 著者名/発表者名: Maekawa T, Hori M, Murata K, Feiweier T, Fukunaga I, Andica C, Hagiwara A, Kamagata K, Koshino S, Abe O, Aoki S.
  • 雑誌名: Jpn J Radiol 巻: 36 ページ: 415-420
  • DOI: 10.1007/s11604-018-0737-0.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spatial Restriction within Intracranial Epidermoid Cysts Observed Using Short Diffusion-time Diffusion-weighted Imaging. (2018)
  • 著者名/発表者名: Andica C, Hori M, Kamiya K, Koshino S, Hagiwara A, Kamagata K, Fukunaga I, Hamasaki N, Suzuki M, Feiweier T, Murata K, Arakawa A, Kondo A, Akiyama O, Aoki S.
  • 雑誌名: Magn Reson Med Sci 巻: 17 ページ: 269-272
  • DOI: 10.2463/mrms.cr.2017-0111.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reduced visualization of cerebral infarction on diffusion-weighted images with short diffusion times. (2018)
  • 著者名/発表者名: Boonrod A, Hagiwara A, Hori M, Fukunaga I, Andica C, Maekawa T, Aoki S.
  • 雑誌名: Neuroradiology 巻: 60 ページ: 979-982
  • DOI: 10.1007/s00234-018-2065-6.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Microstructural Damage in Normal-Appearing Brain Parenchyma and Neurocognitive Dysfunction in Adult Moyamoya Disease. (2018)
  • 著者名/発表者名: Hara S, Hori M, Murata S, Ueda R, Tanaka Y, Inaji M, Maehara T, Aoki S, Nariai T.
  • 雑誌名: Stroke 巻: 49 ページ: 2504-2507
  • DOI: 10.1161/STROKEAHA.118.022367.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Advantage of Synthetic MRI for the Visualization of Anterior Temporal Pole Lesions on Double Inversion Recovery (DIR), Phase-sensitive Inversion Recovery (PSIR), and Myelin Images in a Patient with CADASIL. (2018)
  • 著者名/発表者名: Wallaert L, Hagiwara A, Andica C, Hori M, Yamashiro K, Koshino S, Maekawa T, Kamagata K, Aoki S.
  • 雑誌名: Magn Reson Med Sci 巻: 17 ページ: 275-276
  • DOI: 10.2463/mrms.ci.2017-0110.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Differentiating Alzheimer's Disease from Dementia with Lewy Bodies Using a Deep Learning Technique Based on Structural Brain Connectivity. (2018)
  • 著者名/発表者名: Wada A, Tsuruta K, Irie R, Kamagata K, Maekawa T, Fujita S, Koshino S, Kumamaru K, Suzuki M, Nakanishi A, Hori M, Aoki S.
  • 雑誌名: Magn Reson Med Sci 巻: 18 ページ: 1～6
  • DOI: 10.2463/mrms.mp.2018-0091.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Choroid plexus cysts analyzed using diffusion-weighted imaging with short diffusion-time. (2018)
  • 著者名/発表者名: Maekawa T, Hori M, Murata K, Feiweier T, Andica C, Fukunaga I, Koshino S, Hagiwara A, Kamiya K, Kamagata K, Wada A, Abe O, Aoki S.
  • 雑誌名: Magn Reson Imaging 巻: 57 ページ: 323-327
  • DOI: 10.1016/j.mri.2018.12.010.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Brain volumetry and myelin estimation derived from synthetic MRI with various in-plane resolutions at 3 T. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara A, Hori M, Ozaki Y, Maekawa T, Andica C, Horita M, Fujita S, Aoki S.
  • 学会等名: European Congress of Radiology2019
  • 国際学会
• [学会発表] Diffusion Time Dependence of Diffusion Tensor Parameters in Choroid Plexus Cysts. (2019)
  • 著者名/発表者名: Maekawa T, Hori M, Murata K, Andica C, Hagiwara A, Kamiya K, Kamagata K, Wada A, Aoki S.
  • 学会等名: European Congress of Radiology2019
  • 国際学会
• [学会発表] Diffusion-weighted MRI with Oscillating Gradient Spin Echo (OGSE) sequence: Changes of ADC due to differences in the viscosity of substrates. (2018)
  • 著者名/発表者名: Maekawa T, Hori M, Fukunaga I, Murata K, Koshino S, Andica C, Irie R, Hagiwara A,Murata S, Hamasaki N, Horita M, Takenaka Y, Aoki S.
  • 学会等名: The 6th international congress on magnetic resonance imaging & 23rd annual scientific meeting of KSMRM
  • 国際学会
• [学会発表] White Matter Alterations in Parkinson’s Disease Analyzed with Combined Diffusion Magnetic Resonance Imaging and Magnetization Transfer Saturation Imaging: A Tract-Based Spatial Statistics Analysis. (2018)
  • 著者名/発表者名: Andica C, Kamagata K, Hatano T, Saito A, Takenaka Y, Hagiwara A, Hori M, Irie R, Wada A, Kumamaru K, Hattori N, Aoki S.
  • 学会等名: Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB2018
  • 国際学会
• [学会発表] Oscillating gradient spin echo (OGSE) diffusion weighted imaging of the epidermoid cysts: simulation application. (2018)
  • 著者名/発表者名: Koshino S, Sakakibara A, Choppin A, Andica C, Hagiwara A, Maekawa T, Takemori A, Arakawa A, Chougar L, Hori M, Aoki S.
  • 学会等名: Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB2018
  • 国際学会
• [学会発表] Rapid Myelin Measurement: Comparison Between SyMRI (Simultaneous Tissue Relaxometry), Magnetization Transfer Saturation Index, and T1w/T2w Ratio Methods. (2018)
  • 著者名/発表者名: Hagiwara A, Hori M, Kamagata K, Nakazawa M, Andica C, Maekawa T, Koshino S, Irie R, Chougar L, Abe O, Aoki S.
  • 学会等名: Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB2018
  • 国際学会
• [学会発表] Diffusion kurtosis imaging and white matter model analysis of the brains of patients with major depressive disorder. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kamiya K, Okada N, Sawada K, Watanabe Y, Irie R, Suzuki Y, Hanaoka S, Watadani T, Koike S, Mori H, Kunimatsu A, Hori M, Aoki S, Kasai K, Abe O.
  • 学会等名: Joint Annual Meeting ISMRM-ESMRMB2018
  • 国際学会
• [学会発表] Radiologic-Pathologic Correlation for Differential Diagnosis Using Diffusion MRI with a Short Diffusion Time. (2018)
  • 著者名/発表者名: Koshino S, Takemori M, Andica C, Hori M, Kamagata K,. Kumamaru KK, Wada A, Watadani T, Mori H, Abe O, Aoki S.
  • 学会等名: Ragiological Society of North America 104th Scientific Assembly and Annual Meeting
  • 国際学会