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

2019 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てきた。
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してきた。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・微細構造の解明を進めてきた。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進めてきた。
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った。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。腫瘍についてまとめ2021年中に発表する。
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進める。

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)、choroid plexus cyst(MRI, 2019), 脳腫瘍（MRI 2020), 脳梁膨大部病変（MRMS 2020)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こと、脳腫瘍分野での解析を更に進めるため、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。具体的にはdeep learning reconstructionによるノイズ除去の応用がある。拡散MRIの微細構造情報をノイズとして除去しないようなAIの開発とその検証を行なう。
また、この研究で得られた多くの臨床例の画像について更に検討し、下垂体腺腫、聴神経腫瘍、髄膜腫などで微細構造変化と鑑別への応用を検討する。

研究成果

• [雑誌論文] Ventricular volumetry and free-water corrected diffusion tensor imaging of the anterior thalamic radiation in idiopathic normal pressure hydrocephalus (2020)
  • 著者名/発表者名: Saito Asami、Kamagata Koji、Ueda Ryo、Nakazawa Misaki、Andica Christina、Irie Ryusuke、Nakajima Madoka、Miyajima Masakazu、Hori Masaaki、Tanaka Fumiaki、Arai Hajime、Aoki Shigeki
  • 雑誌名: Journal of Neuroradiology 巻: 47 ページ: 312～317
  • DOI: 10.1016/j.neurad.2019.04.003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] MR g-ratio-weighted connectome analysis in patients with multiple sclerosis (2019)
  • 著者名/発表者名: Kamagata Koji、Zalesky Andrew、Yokoyama Kazumasa、Andica Christina、Hagiwara Akifumi、Shimoji Keigo、Kumamaru Kanako K.、Takemura Mariko Y.、Hoshino Yasunobu、Kamiya Kouhei、Hori Masaaki、Pantelis Christos、Hattori Nobutaka、Aoki Shigeki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 13522
  • DOI: 10.1038/s41598-019-50025-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Free-Water Imaging in White and Gray Matter in Parkinson’s Disease (2019)
  • 著者名/発表者名: Andica C, Kamagata K, Hatano T, Saito A, Uchida W, Ogawa T, Takeshige-Amano H, Zalesky A, Wada A, Suzuki M, Hagiwara A, Irie R, Hori M, Kumamaru KK, Oyama G, Shimo Y, Umemura A, Pantelis C, Hattori N, Aoki S.
  • 雑誌名: Cells 巻: 8 ページ: 839～839
  • DOI: 10.3390/cells8080839
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] White matter alterations in adult with autism spectrum disorder evaluated using diffusion kurtosis imaging (2019)
  • 著者名/発表者名: Hattori Aki、Kamagata Koji、Kirino Eiji、Andica Christina、Tanaka Shoji、Hagiwara Akifumi、Fujita Shohei、Maekawa Tomoko、Irie Ryusuke、Kumamaru Kanako K.、Suzuki Michimasa、Wada Akihiko、Hori Masaaki、Aoki Shigeki
  • 雑誌名: Neuroradiology 巻: 61 ページ: 1343～1353
  • DOI: 10.1007/s00234-019-02238-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unraveling Specific Brain Microstructural Damage in Moyamoya Disease Using Diffusion Magnetic Resonance Imaging and Positron Emission Tomography (2019)
  • 著者名/発表者名: Hara Shoko、Hori Masaaki、Ueda Ryo、Hayashi Shihori、Inaji Motoki、Tanaka Yoji、Maehara Taketoshi、Ishii Kenji、Aoki Shigeki、Nariai Tadashi
  • 雑誌名: Journal of Stroke and Cerebrovascular Diseases 巻: 28 ページ: 1113～1125
  • DOI: 10.1016/j.jstrokecerebrovasdis.2018.12.038
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Choroid plexus cysts analyzed using diffusion-weighted imaging with short diffusion-time (2019)
  • 著者名/発表者名: Maekawa Tomoko、Hori Masaaki、Murata Katsutoshi、Feiweier Thorsten、Andica Christina、Fukunaga Issei、Koshino Saori、Hagiwara Akifumi、Kamiya Kouhei、Kamagata Koji、Wada Akihiko、Abe Osamu、Aoki Shigeki
  • 雑誌名: Magnetic Resonance 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
• [雑誌論文] A Comparison of Techniques for Correcting Eddy-current and Motion-induced Distortions in Diffusion-weighted Echo-planar Images (2019)
  • 著者名/発表者名: Haneda Jun、Hagiwara Akifumi、Hori Masaaki、Wada Akihiko、Fukunaga Issei、Murata Katsutoshi、Kamagata Koji、Fujita Shohei、Maekawa Tomoko、Irie Ryusuke、Takamura Tomohiro、Suzuki Michimasa、Kunishima Kumamaru Kanako、Aoki Shigeki
  • 雑誌名: Magnetic Resonance in Medical Sciences 巻: 18 ページ: 272～275
  • DOI: 10.2463/mrms.tn.2018-0095
• [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 Radiology
  • 国際学会
• [学会発表] Diffusion Time Dependence of Diffusion Tensor Parameters in the Evaluation of Meningioma Subtype: a Preliminary Study (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Maekawa, Masaaki Hori, Katsutoshi Murata, Christina Andica, Yutaka Ikenouchi, Shohei Fujita, Ryusuke Irie, Akifumi Hagiwara, Kamiya Kouhei, Koji Kamagata, Akihiko Wada, Shigeki Aoki
  • 学会等名: ISMRM, Montreal, Canada
  • 国際学会
• [学会発表] Differentiation of High-Grade and Low-Grade Intra-Axial Brain Tumors by Time- Dependent Diffusion MRI (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Maekawa, Masaaki Hori, Katsutoshi Murata, Kouhei Kamiya, Christina Andica, Akifumi Hagiwara, Shohei Fujita, Ryusuke Irie, Toshiaki Akashi, Koji Kamagata, Akihiko Wada, Shigeki Aoki
  • 学会等名: 第47回日本磁気共鳴医学会大会、熊本、2019.9.20-22
• [学会発表] Information gain by double diffusion encoding to study brain white matter: preliminary experience (2019)
  • 著者名/発表者名: Kouhei Kamiya, Koji Kamagata Kotaro Ogaki, Masaaki Hori, Katsutoshi Murata, Osamu Abe, Shigeki Aoki、Information gain by double diffusion encoding to study brain white matter: preliminary experience
  • 学会等名: 第47回日本磁気共鳴医学会大会、熊本、2019.9.20-22