JP2009056340A - Data regenerating method and apparatus, recording medium, data recording method, and recorder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、記録/再生方法及び装置、並びに記録媒体に関する。 The present invention relates to a recording / reproducing method and apparatus, and a recording medium.
(関連出願の相互参照)
下記の優先権を主張し、下記を参照により本明細書に組み込む。1999年5月21出願の米国仮特許出願第60/135,427号。
(Cross-reference of related applications)
The following priority is claimed and is incorporated herein by reference. US Provisional Patent Application No. 60 / 135,427 filed May 21, 1999.
本発明は、拡散テンソル磁気共鳴撮像(DT−MRI)に関し、より詳細には、拡散テンソルの統計的特性を用いてDT−MRI信号を解析することに関する。 The present invention relates to diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI), and more particularly to analyzing DT-MRI signals using statistical properties of diffusion tensors.
読者の利便のために、本発明の背景を記載する以下の参考文献をリストし、参照により本明細書に組み込む。以下では、参照番号に言及することによって参考文献への引用を行う。 For the convenience of the reader, the following references describing the background of the present invention are listed and incorporated herein by reference. In the following, references are made to references by referring to reference numbers.
7つ以上の拡散重み付きエコーからの拡散テンソルの測定の最初の実証と、b行列を介して拡散重み付き信号と拡散テンソルとを関係付ける公式の提示が、以下に提示されている。 The first demonstration of the measurement of diffusion tensor from more than 7 diffusion weighted echoes and the presentation of a formula relating the diffusion weighted signal and the diffusion tensor via the b matrix are presented below.
(1)P.J.Basser,J.Mattiello,D.LeBihan.Diagonal and off−diagonal components of the self−diffusion tensor: their relation to and estimation from the NMR spin−echo signal.11th Annual Meeting of the SMRM,Berlin,1992,p.1222。 (1) P.I. J. et al. Basser, J. et al. Mattiello, D.M. Le Bihan. Diagonal and off-diagonal components of the self-diffusion tenor: the relation to and estimation from the NMR spin-echo signal. 11th Annual Meeting of the SMRM, Berlin, 1992, p. 1222.
拡散テンソルの固有値および固有ベクトルの測定の最初の実証と、その主拡散率および主方向としての解釈、ならびに拡散異方性の測定および回転不変性の概念が、以下に提示されている。 The first demonstration of the measurement of the eigenvalues and eigenvectors of the diffusion tensor, its interpretation as the main diffusivity and main direction, and the concept of measurement of diffusion anisotropy and rotation invariance are presented below.
(2)P.J.Basser,D.LeBihan.Fiber orientation mapping in an anisotropic medium with NMR diffusion spectroscopy.11th Annual Meeting of the SMRM,Berlin,1992,p.1221。 (2) P.I. J. et al. Basser, D.M. Le Bihan. Fiber orientation mapping in an anisotropy medium with NMR diffusion spectroscopy. 11th Annual Meeting of the SMRM, Berlin, 1992, p. 1221.
測定した拡散重み付き像から拡散テンソルを計算するのに必要な拡散重み因子の計算を記載する最初の論文は、 The first paper describing the calculation of the diffusion weighting factor needed to calculate the diffusion tensor from the measured diffusion weighted image is:
(3)J.Mattiello,P.J.Basser,D.LeBihan.Analytical expression for the b matrix in NMR diffusion imaging and spectroscopy.J.Magn.Reson.A108,131〜141(1994)。 (3) J. Org. Mattiello, P.M. J. et al. Basser, D.M. Le Bihan. Analytical expression for the b matrix in NMR diffusion imaging and spectroscopy. J. et al. Magn. Reson. A108, 131-141 (1994).
測定した拡散重み付き像から拡散テンソルを計算するのに必要な拡散重み因子の計算を記載する最初の要約は、 The first summary describing the calculation of the diffusion weighting factor needed to calculate the diffusion tensor from the measured diffusion weighted image is:
(4)J.Mattiello,P.J.Basser,D.LeBihan.Analytical expressions for the gradient b−factor in NMR diffusion imaging.12th Annual Meeting of the SMRM,New York,1993,p.1049。 (4) J. Org. Mattiello, P.M. J. et al. Basser, D.M. Le Bihan. Analytical expressions for the gradient b-factor in NMR diffusion imaging. 12th Annual Meeting of the SMRM, New York, 1993, p. 1049.
以下の要約に拡散テンソル磁気共鳴撮像が記載されている。 The following summary describes diffusion tensor magnetic resonance imaging.
(5)P.J.Basser,J.Mattiello,D.LeBihan.MR imaging of fiber−tract direction and diffusion in anisotropic tissues.12th Annual Meeting of the SMRM,New York,1993,p.1403。 (5) P.I. J. et al. Basser, J. et al. Mattiello, D.M. Le Bihan. MR imaging of fiber-tract direction and diffusion in anisotropy tissues. 12th Annual Meeting of the SMRM, New York, 1993, p. 1403.
(6)P.J.Basser,J.Mattiello,R.Turner,D.L.Bihan.Diffusion tensor echo−planar imaging of human brain.12th Annual Meeting of the SMRM,New York,1993,p.1404。 (6) P.I. J. et al. Basser, J. et al. Mattiello, R.A. Turner, D.C. L. Bihan. Diffuse tenor echo-planar imaging of human brain. 12th Annual Meeting of the SMRM, New York, 1993, p. 1404.
以下の要約にDT−MRIに関するb行列形式が記載されている。 The following summary describes the b matrix format for DT-MRI.
(7)J.Mattiello,P.J.Basser,D.LeBihan.Analytical expressions for the b−matrix in diffusion tensor MR imaging.SMRM Workshop: Functional MRI of the Brain,Arlington,VA,1993,p.223。 (7) J. Org. Mattiello, P.M. J. et al. Basser, D.M. Le Bihan. Analytical expressions for the b-matrix in diffusion tenor MR imaging. SMRM Worksshop: Functional MRI of the Brain, Arlington, VA, 1993, p. 223.
最初に公表されたDT−MRIの実証は以下に記載されている。 The first published demonstration of DT-MRI is described below.
(8)D.Le Bihan,P.J.Basser,J.Mattiello,C.A.Cuenod,S.Posse,R.Turner.Assessment of NMR diffusion measurements in biological systems: effects of microdynamics and microstructure.Syllabus for: SMRM Workshop: Functional MRI of the Brain,Arlington,VA.,1993,p.19−26。 (8) D. Le Bihan, P.A. J. et al. Basser, J. et al. Mattiello, C.I. A. Cuenod, S.M. Posse, R.A. Turner. Assessment of NMR diffusion measurements in biologic systems: effects of microdynamics and microstructure. Syllabus for: SMRM Workshop: Functional MRI of the Brain, Arlington, VA. 1993, p. 19-26.
(9)P.J.Basser,J.Mattiello,R.Turner,D.L.Bihan.Diffusion tensor echo−planar imaging(DTEPI)of human brain.SMRM Workshop: Functional MRI of the Brain,Arlington,VA,1993,p.224。 (9) P.I. J. et al. Basser, J. et al. Mattiello, R.A. Turner, D.C. L. Bihan. Diffusion tenor echo-planar imaging (DTPI) of human brain. SMRM Worksshop: Functional MRI of the Brain, Arlington, VA, 1993, p. 224.
以下では、DT−MRIでの方法論的問題を記載している。 In the following, methodological issues with DT-MRI are described.
(10)D.Le Bihan,P.J.Basser.Molecular diffusion and nuclear magnetic resonance.In: Le Bihan D.ed.Diffusion and Perfusion Magnetic Resonance Imaging.New York: Raven Press,1995:5〜17。 (10) D.E. Le Bihan, P.A. J. et al. Basser. Molecular diffusion and nuclear magnetic resonance. In: Le Bihan D. ed. Diffusion and Perfusion Magnetic Resonance Imaging. New York: Raven Press, 1995: 5-17.
(11)P.J.Basser,D.LeBihan,J.Mattiello.Anisotropic diffusion: MR diffusion tensor imaging.In: LeBihan D.ed.Diffusion and Perfusion Magnetic Resonance Imaging.New York: Raven Press,1995:140〜149。 (11) P.I. J. et al. Basser, D.M. Le Bihan, J .; Mattiello. Anisotropic diffusion: MR diffusion tenor imaging. In: LeBihan D. ed. Diffusion and Perfusion Magnetic Resonance Imaging. New York: Raven Press, 1995: 140-149.
(12)J.Mattiello,P.J.Basser,D.LeBihan.Analytical calculation of the b matrix in diffusion imaging.In LeBihan D.ed.Diffusion and Perfusion Magnetic Resonance Imaging.New York: Raven Press,1995:77〜90。 (12) J. et al. Mattiello, P.M. J. et al. Basser, D.M. Le Bihan. Analytical calculation of the b matrix in diffusion imaging. In LeBihan D.M. ed. Diffusion and Perfusion Magnetic Resonance Imaging. New York: Raven Press, 1995: 77-90.
(13)J.Mattiello,P.J.Basser,D.Le Bihan.The b matrix in diffusion tensor echo−planar imaging.Magn Reson Med 37,2,292〜300(1997)。
(13) J. Org. Mattiello, P.M. J. et al. Basser, D.M. Le Bihan. The b matrix in diffusion tenor echo-planar imaging.
以下では、猿の脳での異方性のDT−MRI測定の実証を論じている。 The following discusses the demonstration of DT-MRI measurements of anisotropy in the monkey brain.
(14)C.Pierpaoli,J.Mattiello,D.Le Bihan,G.Di Chiro,P.J.Basser.Diffusion tensor imaging of brain white matter anisotropy.13th Annual Meeting of the SMRM,San Francisco,1994,p.1038。 (14) C.I. Pierpaoli, J. et al. Mattiello, D.M. Le Bihan, G.M. Di Chiro, P.A. J. et al. Basser. Diffusion tenor imaging of brain white matter anisotropy. 13th Annual Meeting of the SMRM, San Francisco, 1994, p. 1038.
(15)I.Linfante,T.N.Chase,P.J.Basser,C.Pierpaoli.Diffusion tensor brain imaging of MPTP−lesioned monkeys.1994 Annual Meeting,Society for Neuroscience,Miami,FL,1994。 (15) I.I. Linfante, T.W. N. Chase, P.A. J. et al. Basser, C.I. Pierpaoli. Diffuse tenor brain imaging of MPTP-lesioned monkeys. 1994 Annual Meeting, Society for Neuroscience, Miami, FL, 1994.
DT−MRIを使用して拡散勾配をキャリブレートするための方法が、以下に提示されている。 A method for calibrating the diffusion gradient using DT-MRI is presented below.
(16)P.J.Basser.A sensitive method to calibrate magnetic field gradients using the diffusion tensor.Third Meeting of the SMR,Nice,France,1995,p.308。 (16) P.I. J. et al. Basser. A sensitive method to calibrate magnetic field gradients using the diffusion tenor. Third Meeting of the SMR, Nice, France, 1995, p. 308.
拡散重み付き信号またはエコーからの拡散テンソルの推定を記載する最初の論文は、 The first paper describing the estimation of diffusion tensors from diffusion weighted signals or echoes is:
(17)P.J.Basser,J.Mattiello,D.Le Bihan.Estimation of the effective self−diffusion tensor from the NMR spin echo.J.Magn.Reson.B103,3,247〜254(1994)。 (17) P.I. J. et al. Basser, J. et al. Mattiello, D.M. Le Bihan. Estimation of the effective self-diffusion tenor from the NMR spin echo. J. et al. Magn. Reson. B103, 3, 247-254 (1994).
組織の特徴付けで有用なMRI染色の説明が、以下に論じられている。 A description of MRI staining useful in tissue characterization is discussed below.
(18)P.Basser,C.Pierpaoli.Elucidating Tissue Structure by Diffusion tensor MRI.SMR/ESMRMB,Nice,France,1995,p.900。 (18) P.I. Basser, C.I. Pierpaoli. Elucidating Tissue Structure by Diffuse tenor MRI. SMR / ESMRMB, Nice, France, 1995, p. 900.
高速かつ高解像度のDT−MRIを実行するための新規なシーケンスが、以下に提示されている。 A novel sequence for performing high speed and high resolution DT-MRI is presented below.
(19)P.Jezzard,C.Pierpaoli.Diffusion mapping using interleaved Spin Echo and STEAM EPI with navigator echo correction.SMR/ESMRMB Joint Meeting,Nice,1995,p.903。 (19) P.M. Jezard, C.I. Pierpaoli. Diffusing mapping using interleaved Spin Echo and STEAM EPI with navigator echo collection. SMR / ESMRMB Joint Meeting, Nice, 1995, p. 903.
ヒトの被験者の脳のDT−MRIの実証が以下に提供されている。 A demonstration of DT-MRI of the brain of a human subject is provided below.
(20)C.Pierpaoli,P.Jezzard,P.J.Basser.High−resolution diffusion tensor imaging of the human brain.SMR/ESMRMB Joint Meeting,Nice,1995,p.899。 (20) C.I. Pierpaoli, P.M. Jezard, P.A. J. et al. Basser. High-resolution diffusion tenser imaging of the human brain. SMR / ESMRMB Joint Meeting, Nice, 1995, p. 899.
(21)P.Jezzard,C.Pierpaoli.Dual−Echo Navigator Approach to Minimization of Eddy Current and Motion Artifacts in Echo−Planar Diffusion Imaging.Proceedings of the ISMRM,New York,1996,p.189。 (21) P.I. Jezard, C.I. Pierpaoli. Dual-Echo Navigator Approach to Minimization of Eddy Current and Motion Artifacts in Echo-Planar Diffusing Imaging. Proceedings of the ISMRM, New York, 1996, p. 189.
移送応用例および薬品送達応用例でDT−MRIを使用するための方法が、以下に提示されている。 Methods for using DT-MRI in transport and drug delivery applications are presented below.
(22)P.G.McQueen,A.J.Jin,C.Pierpaoli,P.J.Basser.A Finite Element Model of Molecular Diffusion in Brain Incorporating in vivo Diffusion tensor MRI Data.Proceedings of the ISMRM,New York,1996,p.193。 (22) P.I. G. McQueen, A.M. J. et al. Jin, C.I. Pierpaoli, P.M. J. et al. Basser. A Fine Element Model of Molecular Diffusion in Brain Incorporating in vivo Diffusion tenor MRI Data. Proceedings of the ISMRM, New York, 1996, p. 193.
(23)C.Pierpaoli,B.Choi,P.Jezzard,P.J.Basser,G.Di Chiro.Significant changes in brain water diffusivity observed under hyperosmolar conditions.SMR/ESMRMB,Nice,France,1995,p.31。 (23) C.I. Pierpaoli, B.M. Choi, P.A. Jezard, P.A. J. et al. Basser, G.M. Di Chiro. Significant changes in brain water diversity observed under hypersolar conditions. SMR / ESMRMB, Nice, France, 1995, p. 31.
大脳虚血の動物モデルでのDT−MRIが以下に提示されている。 DT-MRI in an animal model of cerebral ischemia is presented below.
(24)C.Pierpaoli,C.Baratti,P.Jezzard.Fast Tensor Imaging of Water Diffusion Changes in Gray and White matter Following Cardiac Arrest in Cats.Proceedings of the ISMRM,New York,1996,p.314。 (24) C.I. Pierpaoli, C.I. Baratti, P.M. Jezard. Fast Tensor Imaging of Water Diffusion Changes in Gray and White Matter Flowing Cardiac Arrest in Cats. Proceedings of the ISMRM, New York, 1996, p. 314.
脳卒中に追従する生体内の神経繊維の2次変性の最初の実証が、以下に提示されている。 The first demonstration of secondary degeneration of nerve fibers in vivo following a stroke is presented below.
(25)C.Pierpaoli,A.Banett,L.Penix,T.De Graba,P.J.Basser,G.Di Chiro.Identification of Fiber Degeneration and Organized Gliosis in Stroke Patients by Diffusion Tensor MRI.Proceedings of the ISMRM,New York,1996,p.563。 (25) C.I. Pierpaoli, A.M. Banett, L.M. Penix, T .; De Graba, P.A. J. et al. Basser, G.M. Di Chiro. Identification of Fiber Generation and Organized Gliosis in Stroke Patents by Diffusion Tensor MRI. Proceedings of the ISMRM, New York, 1996, p. 563.
拡散異方性の測定が以下に提案されている。 The measurement of diffusion anisotropy has been proposed below.
(26)C.Pierpaoli,P.J.Basser.New Invariant ″Lattice″ Index Achieves Significant Noise Reduction in Measuring Diffusion Anisotropy.Proceedings of the ISMRM,New York,1996,p.1326。 (26) C.I. Pierpaoli, P.M. J. et al. Basser. New Invant "Lattice" Index Achieves Significant Noise Reduction in Measuring Diffusion Anisotropy. Proceedings of the ISMRM, New York, 1996, p. 1326.
拡散テンソルの推定を向上するための階層統計推定モデルが、以下に提示されている。 A hierarchical statistical estimation model for improving diffusion tensor estimation is presented below.
(27)P.J.Basser.Testing for and exploiting microstructural symmetry to characterize tissues via diffusion tensor MRI,ISMRM,New York,1996,p.1323。 (27) P.I. J. et al. Basser. Testing for and exploiting microstructural symmetry to characterize tissue via diffusion tenor MRI, ISMRM, New York, 1996, p. 1323.
以下は、DT−MRIに関する発行された特許である。 The following are issued patents related to DT-MRI.
(28)P.J.Basser,J.Mattiello,D.LeBihan.Method and System for Measuring the Diffusion Tensor and for Diffusion Tensor Imaging.1996年7月23日発行、米国特許第5,539,310号。 (28) P.I. J. et al. Basser, J. et al. Mattiello, D.M. Le Bihan. Method and System for Measuring the Diffusion Tensor and for Diffusion Tensor Imaging. U.S. Pat. No. 5,539,310, issued July 23, 1996.
発生生物学へのDT−MRIの応用例が以下に提示されている。 Examples of the application of DT-MRI to developmental biology are presented below.
(29)C.Barrati,A.Barnett,C.Pierpaoli.Comparative MRI Study of Brain Maturation using T1,T2,and the Diffusion Tensor.5th ISMRM,Vancouver,1997,p.504。 (29) C.I. Barrati, A .; Barnett, C.I. Pierpaoli. Comparative MRI Study of Brain Measurement using T1, T2, and the Diffusion Tensor. 5th ISMRM, Vancouver, 1997, p. 504.
拡散異方性を特徴付けるために少なくとも7つの拡散重み付き像が必要であることの証明が、以下に完全に記載されている。 Proof that at least seven diffusion weighted images are required to characterize the diffusion anisotropy is fully described below.
(30)P.J.Basser,R.Shrager.Anisotropically−weighied MRI.ISMRM Fifth Scientific Meeting,Vancouver,1997,p.226。 (30) P.I. J. et al. Basser, R.A. Shrager. Anisotropically-weighed MRI. ISMRM Fifth Scientific Meeting, Vancouver, 1997, p. 226.
(31)R.I.Shrager,P.J.Basser.Anisotropically weighted MRI.Magn Reson Med 40,1,160〜165(1998)。
(31) R.M. I. Shrager, P.A. J. et al. Basser. Anisotropically weighed MRI.
繊維方向での誤差の摂動解析および固有値が以下に提示されている。 An error perturbation analysis and eigenvalues in the fiber direction are presented below.
(32)P.J.Basser.Quantifying Errors in Fiber Direction and Diffusion Tensor Field Maps Resulting from MR Noise.5th Scientific Meeting of the ISMRM,Vancouver,1997,p.1740。 (32) P.I. J. et al. Basser. Quantifying Errors in Fiber Direction and Diffusion Tensor Field Map Resizing from MR Noise. 5th Scientific Meeting of the ISMRM, Vancouver, 1997, p. 1740.
拡散テンソルを測定するための単純化した方法が以下に提示されている。 A simplified method for measuring the diffusion tensor is presented below.
(33)P.J.Basser,C.Pierpaoli.Analytic Expressions for the Diffusion Tensor Elements.5th Annual ISMRM,Vancouver,1997,p.1738。 (33) P.I. J. et al. Basser, C.I. Pierpaoli. Analytical Expressions for the Diffusion Tensor Elements. 5th Annual ISMRM, Vancouver, 1997, p. 1738.
(34)P.J.Basser,C.Pierpaoli.A simplified method to measure the diffusion tensor from seven MR images.Magn Reson Med 39,6,928〜934(1998)。
(34) P.I. J. et al. Basser, C.I. Pierpaoli. A simplified method to measure the diffusion tenor from seven MR images.
拡散テンソルの固有値を推定するために提案される方法が以下で与えられている。 A proposed method for estimating the eigenvalues of the diffusion tensor is given below.
(35)P.J.Basser,C.Pierpaoli.Estimating the Principal Diffusivities(Eigenvalues)of the Effective Diffusion Tensor.5th ISMRM,Vancouver,1997,p.1739。 (35) P.I. J. et al. Basser, C.I. Pierpaoli. Estimating the Principal Differences (Eigenvalues) of the Effective Difference Tensor. 5th ISMRM, Vancouver, 1997, p. 1739.
ペリツェウス−メルツバッヘル病を診断するためのDT−MRIの実証が、以下で与えられている。 A demonstration of DT-MRI for diagnosing Pelizaeus-Merzbacher disease is given below.
(36)C.Pierpaoli,B.Choi,R.Schiffmann,G.DiChiro.Diffusion Tensor MRI in Pelizaeus−Merzbacher Disease.5th ISMRM,Vancouver,1997,p.664。 (36) C.I. Pierpaoli, B.M. Choi, R.A. Schiffmann, G.M. DiChiro. Diffusion Tensor MRI in Pelizaeus-Merzbacher Disease. 5th ISMRM, Vancouver, 1997, p. 664.
DT−MRIデータから得られた繊維方向のカラーマッピングが、以下に提示されている。 The color mapping in the fiber direction obtained from DT-MRI data is presented below.
(37)C.Pierpaoli.Oh No! One More Method for Color Mapping of Fiber Tract Direction Using Diffusion MR Imaging Data.5th ISMRM,Vancouver,1997,p.1741。 (37) C.I. Pierpaoli. Oh No! One More Method for Color Mapping of Fiber Tract Direction Using Diffusion MR Imaging Data. 5th ISMRM, Vancouver, 1997, p. 1741.
DT−MRIを用いて神経繊維器官系をたどるための方式が以下に提示されている。 A scheme for following the neural fiber organ system using DT-MRI is presented below.
(38)P.J.Basser.Fiber−Tractography via Diffusion Tensor MRI(DT−MRI).6th ISMRM,1998,p.1226。 (38) P.I. J. et al. Basser. Fiber-Tracography via Diffusion Tensor MRI (DT-MRI). 6th ISMRM, 1998, p. 1226.
(39)P.J.Basser.New histological and physiological stains derived from diffusion−tensor MR images.Ann N Y Acad Sci 820,123〜138(1997)。 (39) P.I. J. et al. Basser. New histologic and physical stains derived from diffusion-tensor MR images. Ann NY Acad Sci 820, 123-138 (1997).
拡散テンソルMRIデータをシミュレートするモンテカルロ方法が、以下に提示されている。 A Monte Carlo method for simulating diffusion tensor MRI data is presented below.
(40)C.Pierpaoli,P.J.Basser.Toward a quantitative assessment of diffusion anisotropy.Magn Reson Med 36,6,893〜906(1996).Published erratum appears in Magn Reson Med 1997年6月:37(6):972。
(40) C.I. Pierpaoli, P.M. J. et al. Basser. Toward a quantitative assessment of diffusion anisotropy.
正常なヒトの被験者でのDT−MRIを記載する最初の論文が、以下に提示されている。 The first paper describing DT-MRI in normal human subjects is presented below.
(41)C.Pierpaoli,P.Jezzard,P.J.Basser,A.Barnett,G.Di Chiro.Diffusion tensor MR imaging of the human brain.Radiology 201,3,637〜648(1996)。 (41) C.I. Pierpaoli, P.M. Jezard, P.A. J. et al. Basser, A.M. Barnett, G.M. Di Chiro. Diffusion tenor MR imaging of the human brain. Radiology 201, 3, 637-648 (1996).
拡散の異方性および組織測定が、以下に提示されている。 Diffusion anisotropy and texture measurements are presented below.
(42)P.J.Basser,C.Pierpaoli.Microstructural and physiological features of tissues elucidated by quantitative−diffusion−tensor MRI.J Magn Reson B 111,3,209〜219(1996)。 (42) P.I. J. et al. Basser, C.I. Pierpaoli. Microstructural and physical features of tissues elaborated by quantitative-diffusion-tensor MRI. J Magn Reson B 111,3,209-219 (1996).
拡散テンソルMRI「染色」が以下に提示されている。 The diffusion tensor MRI “stain” is presented below.
(43)P.J.Basser.Inferring microstructural features and the physiological state of tissues from diffusion−weighted images,NMR Biomed 8,7〜8,333〜344(1995)。 (43) P.I. J. et al. Basser. Infraring microstructural features and the physical state of tissues from weight diffusion-weighted images, NMR Biomed 8, 7-8, 333-344 (1995).
DT−MRIを記載する最初の論文は、 The first paper describing DT-MRI is:
(44)P.J.Basser,J.Mattiello,D.LeBihan.MR diffusion tensor spectroscopy and imaging.Biophys J 66,1,259〜267(1994)。
(44) P.I. J. et al. Basser, J. et al. Mattiello, D.M. Le Bihan. MR diffusion tenser spectroscopy and imaging.
DT−MRIに対して勾配パターンを適用することが以下に論じられている。 The application of gradient patterns for DT-MRI is discussed below.
(45)T.L.Davis,v.J.Wedeen,R.M.Weisskoff,B.R.Rosen.White matter tract visualization by echo−planar MRI.SMRM Twelfth Annual Meeting,New York,NY,1993,p.289。 (45) T.W. L. Davis, v. J. et al. Weeden, R.A. M.M. Weisskoff, B.M. R. Rosen. White matter tract visualization by echo-plan MRI. SMRM Twelfth Annual Meeting, New York, NY, 1993, p. 289.
核磁気共鳴(NMR)ノイズの説明が以下に提供されている。 A description of nuclear magnetic resonance (NMR) noise is provided below.
(46)H.Gudbjartsson,S.Patz.The Rician distribution of noisy MRI data [published erratum appears in Magn Reson Med 1996年8月;36(2):332],Magn Reson Med 34,6,910〜914(1995)。 (46) H.M. Gudbjartsson, S.M. Patz. The Rician distribution of noisy MRI data [published erratum appears in Mag Reson Med August 1996; 36 (2): 332], Magnet Reson Med 34, 6, 910-9.
(47)R.M.Henkelman.Measurement of signal intensities in the presence of noise in MR images.Med.Phys.12,2,232〜233(1985)。 (47) R.M. M.M. Henkelman. Measurement of signal intensities in the presence of noise in MR images. Med. Phys. 12, 2, 232-233 (1985).
ブートストラップ方法が以下に論じられている。 The bootstrap method is discussed below.
(48)Efron B.,″Bootstrap methods: Another look at the jackknife″,Ann.Statist.,Vol7,pp1〜26。 (48) Efron B.E. "Bootstrap methods: Another look at the jackknife", Ann. Statist. , Vol7, pp1-26.
DT−MRIデータを解釈することに関連するいくつかの統計的問題が、以下に論じられている。 Several statistical issues related to interpreting DT-MRI data are discussed below.
(49)S.Pajevic,and P.J.Basser.Parametric Description of Noise in Diffusion Tensor MRI.8th Annual Meeting of the ISMRM,Philadelphia,1787(1999)。 (49) S.M. Pajevic, and P.P. J. et al. Basser. Parametric Description of Noise in Diffusion Tensor MRI. 8th Annual Meeting of the ISMRM, Philadelphia, 1787 (1999).
(50)S.Pajevic,and P.J.Basser.Non−parametric Statistical Analysis of Diffusion Tensor MRI Data Using the Bootstrap Method.8th Annual Meeting of the ISMRM,Philadelphia,1790(1999)。 (50) S.M. Pajevic, and P.P. J. et al. Basser. Non-parametric Statistical Analysis of Diffusion Tensor MRI Data Using the Bootstrap Method. 8th Annual Meeting of the ISMRM, Philadelphia, 1790 (1999).
DT−MRIデータに適用される多変量統計についての問題が、以下に論じられている。 Problems with multivariate statistics applied to DT-MRI data are discussed below.
(51)T.W.Anderson.An Introduction to Multivariate Statistics: John Wiley & Sons,1984。 (51) T.M. W. Anderson. An Introduction to Multivariate Statistics: John Wiley & Sons, 1984.
統計的検定を実行するためのアルゴリズムを実装するコンピュータコードが、以下に論じられている。 Computer code that implements an algorithm for performing statistical tests is discussed below.
(52)W.H.Press,S.A.Teukolsky.W.T.Vetterling,B.P.Flannery.Numerical Recipes in C.Cambridge: Cambridge University Press,1992。 (52) W.M. H. Press, S.M. A. Teukolsky. W. T.A. Vetterling, B.W. P. Flannery. Numeric Recipes in C.I. Cambridge: Cambridge University Press, 1992.
DT−MRIの他の臨床的態様および方法論的態様が、以下に提供されている。 Other clinical and methodological aspects of DT-MRI are provided below.
(53)P.van Gelderen,M.H.M.d.Vleeschouwer,D.DesPres,J.Pekar,P.C.M.v.Zijl,C.T.W.Moonen.Water Diffusion and Acute Stroke.Magnetic Resonance in Medicine 31,154〜163(1994)。 (53) P.I. van Gelderen, M.M. H. M.M. d. Vleeschouwer, D.C. DesPres, J.A. Pekar, P.M. C. M.M. v. Zijl, C.I. T.A. W. Moonen. Water Diffusion and Accu Stroke. Magnetic Resonance in Medicine 31, 154-163 (1994).
(54)A.M.Ulug,N.Beauchamp,R.N.Bryan,and P.C.M.van Zijl,Absolute Quantitation of Diffusion Constants in Human Stroke,Stroke 28,483〜490(1997)。 (54) A. M.M. Ulug, N .; Beauchamp, R.A. N. Bryan, and P.M. C. M.M. van Zijl, Absolute Quantification of Diffusion Constants in Human Stroke, Stroke 28, 483-490 (1997).
(55)M.E.Bastin,M.del Grado,I.R.Whittle,and J.M.Wardlaw.An Investigation into the Effect of Dexamethasone on Intracerebral Tumours using MR Diffusion Tensor Imaging,ISMRM,902(1999)。 (55) M.M. E. Bastin, M.M. del Grado, I.D. R. White, and J.M. M.M. Wardlaw. An Investigation into the Effect of Dexamethasone on Intracerebral Tumors using MR Diffuse Tensor Imaging, ISMRM, 902 (1999).
(56)P.Mukherjee,M.M.Bahn,R.C.McKinstry,J.S.Shimony,T.S.Cull,E.Akbudak,A.Z.Snyder,and T.E.Conturo.Differences in Water Diffusion between Gray Matter and White Matter in Stroke: Diffusion Tensor MR Imaging Experience in Twelve Patients,ISMRM,Philadelphia,73(1999)。 (56) P.I. Mukherjee, M.M. M.M. Bahn, R.A. C. McKinstry, J.M. S. Shimony, T .; S. Cull, E .; Akbudak, A .; Z. Snyder, and T.M. E. Conturo. Differences in Water Difficulty Between Gray Matter and White Matter in Stroke: Diffusion Tensor MR Imaging Experience in TwelvePet.
(57)M.A.Horsfield,M.Lai,S.L.Webb,G.J.Barker,P.S.Tofts,R.Turner,P.Rudge,and D.H.Miller.Apparent diffusion coefficients in benign and secondary progressive multiple sclerosis by nuclear magnetic resonance.Magn.Reson.Mod.36 3,393〜400(1996)。 (57) M.M. A. Horsfield, M.M. Lai, S .; L. Webb, G .; J. et al. Barker, P.M. S. Tofts, R.M. Turner, P.M. Rudge, and D.C. H. Miller. Applicable diffusion coefficients in benign and secondary progressive multiple sclerosis by nuclear magnetic resonance. Magn. Reson. Mod. 36 3,393-400 (1996).
(58)M.A.Horsfield,H.B.Larsson,D.K.Jones,and A.Gass.Diffusion magnetic resonance imaging in multiple sclerosis.J Neurol Neurosurg Psychiatry 64 Suppl 1,S80〜84(1998)。
(58) M.M. A. Horsfield, H.C. B. Larsson, D.C. K. Jones, and A.J. Gass. Diffuse magnetic resonance imaging in multiple sclerosis. J Neurol Neurosurg Psychiatry 64
(59)A.O.Nusbaum,C.Y.Tang,M.S.Buchsbaum,L.Shihabuddin,T.C.Wei,and S.W.Atlas.Regional and Global Differences in Cerebral White Matter Diffusion with Alzheimer′s Disease,ISMRM,Philadelphia,956(1999)。 (59) A.1. O. Nusbaum, C.I. Y. Tang, M.M. S. Buchsbaum, L.M. Shihabuddin, T .; C. Wei, and S.W. W. Atlas. Regional and Global Differences in Cerebral White Matter Diffusion with Alzheimer's Dissease, ISMRM, Philadelphia, 956 (1999).
(60)R.Turner,and D.LeBihan.Single shot diffusion imaging at 2.0 Tesla,J.Magn.Reson.86,445〜452(1990)。 (60) R.M. Turner, and D.C. Le Bihan. Single shot diffusion imaging at 2.0 Tesla, J. et al. Magn. Reson. 86, 445 to 452 (1990).
(61)J.H.Simpson,and H.Y.Carr.Diffusion and nuclear spin relaxation in water.Physical Review 111 5,1201〜1202(1958)。 (61) J. et al. H. Simpson, and H.M. Y. Carr. Diffusion and nuclear spin relaxation in water. Physical Review 111 5, 1201-1202 (1958).
(62)H.Y.Carr,and E.M.Purcell.Effects of diffusion on free precession in nuclear magnetic resonance experiments.Phys.Rev.94 3,630〜638(1954)。 (62) H.I. Y. Carr, and E.M. M.M. Purcell. Effects of diffusion on free precession in nuclear magnetic resonance experiments. Phys. Rev. 94 3,630-638 (1954).
平均ADCを決定するための技法が以下に論じられている。 Techniques for determining the average ADC are discussed below.
(63)G.Liu,P.van Gelderen,C.T.W.Moonen.Single−Shot Diffusion MRI on a Conventional Clinical Instrument.Second SMR Meeting,San Francisco,1994,p.1034。 (63) G. Liu, P.A. van Gelderen, C.I. T.A. W. Moonen. Single-Shot Diffusion MRI on a Conventional Clinical Instrument. Second SMR Meeting, San Francisco, 1994, p. 1034.
(64)T.E.Conturo,R.C.McKinstry,E.Akbudak,B.H.Robinson.Encoding of anisotropic diffusion with tetrahedral gradients: a general mathematical diffusion formalism and experimental results.Magn Reson Med 35,3,399〜412(1996)。
(64) T.W. E. Conturo, R.A. C. McKintry, E .; Akbudak, B.M. H. Robinson. Encoding of anisotropy diffusion with tetrahedral gradients: a general mathematical diffusion formalism and experimental results.
(65)S.Mori,P.C.van Zijl.Diffusion weighting by the trace of the diffusion tensor within a single scan.Magn.Reson.Med.33,1,41〜52(1995)。 (65) S.M. Mori, P.M. C. van Zijl. Diffusing weighting by the trace of the diffusion tenor with a single scan. Magn. Reson. Med. 33, 1, 41-52 (1995).
(66)E.C.Wong,R.W.Cox.Single−shot Imaging with Isotropic Diffusion Weighting.Second Annual Meeting of the SMR,San Francisco,1994,p.136。 (66) E.E. C. Wong, R.A. W. Cox. Single-shot Imaging with Isotrophic Diffusing Weighting. Second Annual Meeting of the SMR, San Francisco, 1994, p. 136.
(67)E.C.Wong,R.W.Cox,A.W.Song.Optimized isotropic diffusion weighting.Magn Reson Med 34,2,139〜143(1995)。
(67) E.E. C. Wong, R.A. W. Cox, A.M. W. Song. Optimized isotrophic diffusion wetting.
拡散テンソル磁気共鳴撮像(DT−MRI)を介して測定される水の実効的な拡散テンソルD(またはD eff)は、組織構造と、病気、成長、加齢などでのその変化とに敏感である。しかし、これらのD測定値にはノイズがある。現在のところ、どんな確率分布がDの変動性を記述するのかは周知ではない。したがって、観測されたDの変化または変動が統計的に有意であるかどうかを定量的に確立することが可能ではなかった。本発明者は、理想的な実験においてDが多変量ガウス(又は正規)分布によって記述されることを発見し、観測されたD(およびそれから導出される量)の変化の統計的有意性を判定するための定量仮説検定と、一般に理解されており十分に確立された統計的方法を用いてこれらのデータをレポートするための技法とを開発した。第2に、Dの統計分布は今や本発明から周知であるので、分布を正規性から逸脱させる系統アーチファクトによってDT−MRIデータが損なわれたのかどうかを判定することができる。 The effective diffusion tensor D (or D eff ) of water, measured via diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI), is sensitive to tissue structure and its changes in disease, growth, aging, etc. is there. However, there is noise in these D measurements. At present, it is not well known what probability distribution describes the variability of D. Therefore, it was not possible to establish quantitatively whether the observed changes or fluctuations in D were statistically significant. The inventor found that in an ideal experiment D is described by a multivariate Gaussian (or normal) distribution and determines the statistical significance of the observed change in D (and the amount derived from it). Quantitative hypothesis tests to develop and techniques to report these data using generally understood and well-established statistical methods. Second, since the statistical distribution of D is now well known from the present invention, it can be determined whether DT-MRI data has been compromised by systematic artifacts that deviate the distribution from normality.
本発明により、今やDT−MR撮像および分光データの信頼性を評価することができるので、DT−MR撮像および分光データはより有用となる。臨床的には、この新しい情報を使用して、脳卒中(急性と慢性の両方)を診断し、虚血性「半影」を識別することができる。有利には、本発明は、整形外科および心臓学の応用例で軟部組織および筋構造を評価することに使用することができる。有利には、本発明は、新生児スクリーニングおよび診断の応用例で使用することができる。一般に、有利には、本発明は異なる組織タイプの拡散特性に基づいて、それらをセグメント化し、クラスタ化し、分類することができる。本発明では、有利には、この情報は新たに発見された薬の効能に対してスクリーニングするための研究を改良することができる。本発明は、患者数を削減し、不適切な被験者を識別することによって、臨床試験のコストと、臨床試験を実行するために必要な時間とを削減することができる。有利には、本発明を使用して、薬品、医療用具、および組織工学製品に対する食品医薬品局(FDA)の承認を得るのに必要な安全および効能の主張に関する定量的サポートを提供することができる。研究所および製薬会社でのフェノタイプ/ゲノタイプの研究では、本発明で得られるこれらの改良型撮像パラメータを、組織構造中のフェノタイプ変質と、所与のゲノタイプ一時的変異に関するアーキテクチャとを決定するのに役立てることができる。有利には、本発明で得られる情報を、材料技術者が新しい、かつ加工済みの材料(例えばポリマー、薄膜、ゲル、プラスチック、被覆など)を開発し、その品質を検定する助けとすることができる。 The present invention now makes DT-MR imaging and spectral data more useful because the reliability of DT-MR imaging and spectral data can now be evaluated. Clinically, this new information can be used to diagnose stroke (both acute and chronic) and to identify ischemic “penumbra”. Advantageously, the present invention can be used to evaluate soft tissue and muscle structure in orthopedic and cardiology applications. Advantageously, the present invention can be used in neonatal screening and diagnostic applications. In general, advantageously, the present invention can segment, cluster and classify them based on the diffusion characteristics of different tissue types. In the present invention, advantageously, this information can improve research to screen for the efficacy of newly discovered drugs. The present invention can reduce the cost of clinical trials and the time required to perform clinical trials by reducing the number of patients and identifying inappropriate subjects. Advantageously, the present invention can be used to provide quantitative support for the safety and efficacy claims necessary to obtain FDA approval for drugs, medical devices, and tissue engineering products. . In phenotype / genotype studies at laboratories and pharmaceutical companies, these improved imaging parameters obtained with the present invention determine the phenotypic alterations in the histology and the architecture for a given genotype transient mutation Can help. Advantageously, the information gained from the present invention can help material engineers develop new and processed materials (eg, polymers, thin films, gels, plastics, coatings, etc.) and qualify their quality. it can.
加えて、本発明は、各ボクセル中の拡散テンソルおよびその関数の2次以上のモーメントの推定を生成するためのノンパラメトリックブートストラップ方法の新規な使用または変形形態を含む。本発明で使用するノンパラメトリック方法は、(例えば単一の患者スキャニングセッションの間に獲得される)1組の経験的拡散重み付き像を使用して拡散テンソルデータの確率分布を生成するための技法を提供し、この確率分布から、確率分布のモーメントおよび他の特徴を決定することができる。本発明のこの態様により、各ボクセル中の経験的拡散テンソルデータの完全性を検定することが可能となる。系統アーチファクトが存在しないと、拡散テンソルの分布が統計的に正規であることが示されるからである。したがって、正規性からの統計的に有意な逸脱は、DT−MRIデータ中の系統アーチファクトの証拠である。最後に、この手法は、DT−MR撮像の経験的設計と、分光実験でも役立つ。 In addition, the present invention includes a novel use or variation of the nonparametric bootstrap method to generate a second or higher moment estimate of the diffusion tensor and its function in each voxel. The non-parametric method used in the present invention is a technique for generating a probability distribution of diffusion tensor data using a set of empirical diffusion weighted images (eg, acquired during a single patient scanning session). From this probability distribution, the moments and other characteristics of the probability distribution can be determined. This aspect of the invention makes it possible to test the integrity of the empirical diffusion tensor data in each voxel. This is because the absence of systematic artifacts indicates that the distribution of the diffusion tensor is statistically normal. Thus, statistically significant deviations from normality are evidence of phylogenetic artifacts in DT-MRI data. Finally, this approach is useful for empirical design of DT-MR imaging and spectroscopic experiments.
一旦ボクセルごとに拡散テンソルが推定されると、注目する領域(ROI)中にボクセルをグループ化することもできる。ROI内の拡散テンソルの要素の分布、または拡散テンソルの要素の関数である量の分布も計算される。次いで、統計的仮説検定が適用され、例えば病気診断の応用例では、異なるROI中の組織間で有意な差があるかどうかが判定され、または例えば長期的な研究では、異なる時点で観測される同じROI内の組織間で何らかの差があるかどうかが判定される。 Once the diffusion tensor is estimated for each voxel, the voxels can also be grouped into the region of interest (ROI). The distribution of the elements of the diffusion tensor within the ROI or a distribution of quantities that are a function of the elements of the diffusion tensor is also calculated. A statistical hypothesis test is then applied to determine if there is a significant difference between tissues in different ROIs, for example in disease diagnosis applications, or observed at different times, for example in long-term studies It is determined whether there are any differences between tissues within the same ROI.
本発明は、方法、装置、および製造品として実施することができる。 The present invention can be implemented as a method, an apparatus, and an article of manufacture.
本発明の方法は、拡散テンソル磁気共鳴信号を解析することを含み、複数の拡散重み付き信号を獲得するステップであって、各信号が複数のボクセルを有するステップと、複数の拡散重み付き信号をサンプリングし、少なくとも1組の再サンプリング拡散重み付き信号を得るステップと、再サンプリング拡散重み付き信号の各セットからボクセルごとの拡散テンソルを決定するステップと、少なくとも1組の再サンプリング拡散重み付き信号から決定される拡散テンソルから、拡散テンソルに関連する量に関する経験的統計分布を決定するステップとを含む。その後、経験的統計分布を使用して、拡散重み付き信号を生成するために使用する被験者を診断することができる。 The method of the present invention includes analyzing a diffusion tensor magnetic resonance signal to obtain a plurality of diffusion weighted signals, each signal having a plurality of voxels, and a plurality of diffusion weighted signals. Sampling and obtaining at least one set of resampled diffusion weighted signals; determining a per-voxel diffusion tensor from each set of resampled diffusion weighted signals; and from at least one set of resampled diffusion weighted signals Determining an empirical statistical distribution of quantities associated with the diffusion tensor from the determined diffusion tensor. The empirical statistical distribution can then be used to diagnose the subject used to generate the diffusion weighted signal.
本発明の方法は、拡散テンソル磁気共鳴信号を解析することを含み、複数の拡散重み付き信号を獲得するステップであって、各信号が複数のボクセルを有するステップと、信号中の少なくとも2つの注目する領域を識別するステップであって、注目する各領域が少なくとも1つのボクセルを有するステップと、拡散重み付き信号から、注目する各領域中のボクセルごとの拡散テンソルを決定するステップと、注目する各領域中のボクセルごとの拡散テンソルから、拡散テンソルに関連する量に関する経験的統計分布を決定するステップとを含む。その後、経験的統計分布を使用して、拡散重み付き信号を生成するために使用する被験者を診断することができる。 The method of the present invention includes analyzing a diffusion tensor magnetic resonance signal, obtaining a plurality of diffusion weighted signals, each signal having a plurality of voxels, and at least two attentions in the signal. Each region of interest has at least one voxel; determining a diffusion tensor for each voxel in each region of interest from a diffusion weighted signal; and Determining an empirical statistical distribution of quantities associated with the diffusion tensor from the diffusion tensor for each voxel in the region. The empirical statistical distribution can then be used to diagnose the subject used to generate the diffusion weighted signal.
さらに、本発明の方法は、拡散テンソル磁気共鳴信号を解析することを含み、第1時点に対する複数の拡散重み付き信号を獲得するステップであって、各信号が複数のボクセルを有するステップと、第1時点に対する拡散重み付き信号中の注目する領域を識別するステップであって、注目する領域が少なくとも1つのボクセルを有するステップと、第1時点に対する拡散重み付き信号から、第1時点に対する注目する領域中のボクセルごとに拡散テンソルを決定するステップと、第1時点に対する注目する領域中のボクセルごとの拡散テンソルから、拡散テンソルに関連する量に関する経験的統計分布を決定するステップと、第2時点に対する複数の拡散重み付き信号を獲得するステップであって、各信号が複数のボクセルを有するステップと、第2時点に対する拡散重み付き信号中の注目する領域を識別するステップであって、注目する領域が少なくとも1つのボクセルを有するステップと、第2時点に対する拡散重み付き信号から、第2時点に対する注目する領域中のボクセルごとに拡散テンソルを決定するステップと、第2時点に対する注目する領域中のボクセルごとの拡散テンソルから、拡散テンソルに関連する量に関する経験的分布を決定するステップとを含む。その後、経験的統計分布を使用して、拡散重み付き信号を生成するために使用する被験者を診断することができる。 Further, the method of the present invention includes analyzing a diffusion tensor magnetic resonance signal, obtaining a plurality of diffusion weighted signals for a first time point, each signal having a plurality of voxels; A step of identifying a region of interest in a diffusion weighted signal for one time point, the step of the region of interest having at least one voxel, and a region of interest for the first time point from the diffusion weighted signal for the first time point Determining a diffusion tensor for each voxel in; determining from the diffusion tensor for each voxel in the region of interest for the first time point; determining an empirical statistical distribution of quantities associated with the diffusion tensor; Obtaining a plurality of spreading weighted signals, each signal having a plurality of voxels , Identifying a region of interest in the diffusion weighted signal for the second time point, the region of interest having at least one voxel, and the attention to the second time point from the diffusion weighted signal for the second time point. Determining a diffusion tensor for each voxel in the region to be determined, and determining an empirical distribution for the amount associated with the diffusion tensor from the diffusion tensor for each voxel in the region of interest for the second time point. The empirical statistical distribution can then be used to diagnose the subject used to generate the diffusion weighted signal.
さらに、本発明の方法は、拡散テンソル磁気共鳴信号を解析することを含み、複数の拡散重み付き信号を獲得するステップであって、各信号が複数のボクセルを有するステップと、拡散重み付き信号からボクセルごとの拡散テンソルに関連する量を決定するステップと、拡散テンソルに関連する量から、拡散テンソルに関連する量に関する経験的統計分布を決定するステップとを含む。その後、経験的統計分布を使用して、拡散重み付き信号を生成するために使用する被験者を診断することができる。 Further, the method of the present invention includes analyzing a diffusion tensor magnetic resonance signal, obtaining a plurality of diffusion weighted signals, each signal having a plurality of voxels, and from the diffusion weighted signal. Determining a quantity associated with a diffusion tensor for each voxel and determining an empirical statistical distribution for the quantity associated with the diffusion tensor from the quantity associated with the diffusion tensor. The empirical statistical distribution can then be used to diagnose the subject used to generate the diffusion weighted signal.
本発明に関する装置は、本発明の方法に従ってコンピュータを操作するソフトウェアでプログラムしたコンピュータを含む。 The apparatus according to the present invention includes a computer programmed with software for operating the computer according to the method of the present invention.
本発明に関する製品は、ソフトウェアがコンピュータを制御して本発明の方法を実行することを実施するコンピュータ可読媒体を含む。 The product relating to the present invention includes a computer readable medium for implementing software to control a computer to perform the method of the present invention.
「コンピュータ」は、構造化された入力を受諾し、構造化された入力を所定の規則に従って処理し、処理の結果を出力として生成することができる何らかの装置を指す。コンピュータの例には、コンピュータ、汎用コンピュータ、スーパーコンピュータ、メインフレーム、スーパーミニコンピュータ、ミニコンピュータ、ワークステーション、マイクロコンピュータ、サーバ、対話型テレビジョン、およびコンピュータと対話型テレビジョンの混成組み合わせが含まれる。コンピュータは、コンピュータ間で情報を送受信するためにネットワークを介して接続された2つ以上のコンピュータも指す。このようなコンピュータの例には、ネットワークでリンクされたコンピュータを介して情報を処理するための分散コンピュータシステムが含まれる。 “Computer” refers to any device that can accept structured input, process the structured input according to predetermined rules, and generate the result of the processing as output. Examples of computers include computers, general purpose computers, supercomputers, mainframes, superminicomputers, minicomputers, workstations, microcomputers, servers, interactive televisions, and hybrid combinations of computers and interactive televisions. . A computer also refers to two or more computers connected via a network to send and receive information between the computers. Examples of such computers include distributed computer systems for processing information via computers linked by a network.
「コンピュータ可読媒体」は、コンピュータがアクセス可能なデータを格納するために使用される何らかの記憶装置を指す。コンピュータ可読媒体の例には、磁気ハードディスク、フロッピィディスク、CD−ROMなどの光ディスク、磁気テープ、メモリチップ、およびEメールの送受信またはネットワークにアクセスする際に使用される搬送波などの、コンピュータ可読電子データを搬送するために使用される搬送波が含まれる。 “Computer-readable medium” refers to any storage device used to store data accessible to a computer. Examples of computer readable media include computer readable electronic data such as magnetic hard disks, floppy disks, optical disks such as CD-ROMs, magnetic tapes, memory chips, and carrier waves used in sending and receiving e-mails or accessing networks. The carrier used to carry the is included.
「コンピュータシステム」は、コンピュータを有するシステムを指す。ただしコンピュータは、ソフトウェアがコンピュータを操作することを実施するコンピュータ可読媒体を含む。 “Computer system” refers to a system having a computer. However, the computer includes a computer-readable medium that causes software to operate the computer.
「ネットワーク」は、通信機能によって接続される、いくつかのコンピュータおよび関連する装置を指す。ネットワークは、ケーブルなどの永続接続、あるいは電話または他の通信リンクを介して作成される接続などの一時接続を含む。ネットワークの例には、インターネット(Internet)などのインターネット、イントラネット、ローカルエリアネットワーク(LAN)、ワイドエリアネットワーク(WAN)、およびインターネットやイントラネットなどのネットワークの組み合わせが含まれる。 “Network” refers to a number of computers and associated devices that are connected by a communication function. The network includes permanent connections, such as cables, or temporary connections, such as connections created over telephones or other communication links. Examples of networks include the Internet, such as the Internet, an intranet, a local area network (LAN), a wide area network (WAN), and a combination of networks such as the Internet and an intranet.
さらに本発明の上記の目的および利点は例示的なものであり、本発明によって達成することができるものを網羅するものではない。したがって、本明細書で実現された本発明のこれらおよび他の目的と、当業者に明らかであろう何らかの変形形態に照らして修正した本発明のこれらおよび他の目的とはどちらも、本明細書から明らかであろう。 Furthermore, the above objects and advantages of the present invention are illustrative and are not exhaustive of what can be achieved by the present invention. Accordingly, both these and other objects of the invention realized herein, as well as these and other objects of the invention as modified in light of any variation that would be apparent to one skilled in the art, are described herein. It will be clear from
(目次)
1.DT−MR信号の解析
2.拡散テンソルMRIでのノイズのパラメトリック記述
2.1 概要
2.2 方法
2.3 結果および考察
3.ブートストラップ方法を用いた拡散テンソルMRIデータのノンパラメトリック統計分析
3.1 概要
3.2 方法
3.3 結果および考察
4.DT−MRIデータのブートストラップ解析
4.1 概要
4.2 方法
4.3 結果および考察
5.拡散テンソルのトレースの変化を評価するための定量的統計的検定:臨床的含意および生物学的含意
5.1 概要
5.2 方法
5.3 結果および考察
6.水の見かけ拡散テンソルのトレースの変動性に関する定量的検定:臨床的含意および生物学的含意
6.1 概要
6.2 方法
6.3 結果および考察
(table of contents)
1. 1. Analysis of DT-
(1.DT−MR信号の解析)
図1に、DT−MR信号を解析するための流れ図を示す。図1の流れ図の詳細を以下の節で論ずる。
(1. Analysis of DT-MR signal)
FIG. 1 shows a flowchart for analyzing a DT-MR signal. Details of the flow diagram of FIG. 1 are discussed in the following sections.
ブロック10では、拡散重み付き信号を獲得し、各信号はいくつかのボクセルを含む。好ましくは、各信号は少なくとも1つのボクセルを含む。拡散重み付き信号は、測定技法によって獲得される。好ましくは、拡散重み付き信号は、被験者の測定に基づき、被験者は、生物および非生物のどちらか一方である。生物の例はヒトおよび動物である。非生物の例は、ファントム、死亡したヒト、死亡した動物、ポリマー、薄膜、ゲル、プラスチック、および被覆である。あるいは、拡散重み付き信号は、コンピュータおよびソフトウェアを使用してシミュレーションからも得られる。あるいは、拡散重み付き信号は、コンピュータ可読媒体上に格納され、読み取られる。
At
ブロック11では、拡散重み付き信号をサンプリングし、少なくとも1組の再サンプリング拡散重み付き信号を得る。好ましくは、この再サンプリング拡散重み付き信号は、ブートストラップシミュレーションで使用される。このブートストラップシミュレーションを以下でより詳しく論ずる。好ましくは、拡散重み付き信号は、拡散重み付き像である。
At
ブロック12では、拡散テンソルを再サンプリング拡散重み付き信号の各セットからボクセルごとに決定する。拡散テンソルを決定するための技法は周知である。好ましくは、再サンプリングは複数回実行される。
At
任意選択として、拡散テンソルは、再サンプリング拡散重み付き信号のボクセルのサブセット中のボクセルごとに決定することができる。このサブセットは、注目する領域(ROI)と呼ぶことができる。ROI中のボクセルの数は、最大で再サンプリング拡散重み付き信号中のボクセルの数とすることができ、最小で再サンプリング拡散重み付き信号中の1つのボクセルとすることができる。 Optionally, a diffusion tensor can be determined for each voxel in the subset of voxels of the resampled diffusion weighted signal. This subset can be referred to as a region of interest (ROI). The number of voxels in the ROI can be at most the number of voxels in the resampled spread weighted signal and can be at least one voxel in the resampled spread weighted signal.
任意選択として、拡散テンソルは、再サンプリング拡散重み付き信号のボクセルの少なくとも1つのサブセット中のボクセルごとに決定することができる。このサブセットは、注目する領域(ROI)と呼ぶことができる。各ROI中のボクセルの数は、最大で再サンプリング拡散重み付き信号中のボクセルの数とすることができ、最小で再サンプリング拡散重み付き信号中の1つのボクセルとすることができる。 Optionally, a diffusion tensor can be determined for each voxel in at least one subset of the voxels of the resampled diffusion weighted signal. This subset can be referred to as a region of interest (ROI). The number of voxels in each ROI can be at most the number of voxels in the resampled spread weighted signal and can be at least one voxel in the resampled spread weighted signal.
ブロック13では、経験的統計分布を、拡散テンソルに関連する量に関して決定する。好ましくは、経験的統計分布を、ノンパラメトリック技法、例えば以下でさらに論ずるブートストラップ方法を用いて決定する。経験的再サンプリング方式などの他のノンパラメトリック技法も使用することができる。好ましくは、経験的統計分布は、確率密度関数、累積密度関数、およびヒストグラムのうちの少なくとも1つである。好ましくは、拡散テンソルに関連する量は、拡散テンソルの要素、拡散テンソルの要素の線形結合、および拡散テンソルの関数のうちの少なくとも1つである。好ましくは、拡散テンソルの要素の線形結合は、拡散テンソルのトレースである。他の経験的分布および関連する量も決定することができる。 At block 13, an empirical statistical distribution is determined with respect to a quantity associated with the diffusion tensor. Preferably, the empirical statistical distribution is determined using non-parametric techniques, such as the bootstrap method discussed further below. Other non-parametric techniques such as empirical resampling schemes can also be used. Preferably, the empirical statistical distribution is at least one of a probability density function, a cumulative density function, and a histogram. Preferably, the quantity associated with the diffusion tensor is at least one of a diffusion tensor element, a linear combination of diffusion tensor elements, and a diffusion tensor function. Preferably, the linear combination of elements of the diffusion tensor is a trace of the diffusion tensor. Other empirical distributions and associated quantities can also be determined.
ブロック14では、被験者をこの量の経験的統計分布に基づいて診断する。好ましくは、被験者をこの量に関する経験的統計分布の特徴に基づいて診断する。好ましくは、この経験的統計分布は、確率密度関数および累積密度関数のどちらか一方であり、経験的統計分布の特徴は、経験的統計分布の1次および高次のモーメントである。
In
任意選択として、この量に関する経験的統計分布の特徴に基づいて被験者の部分をセグメント化し、クラスタ化し、または分類することによって被験者を診断することができる。 Optionally, the subject can be diagnosed by segmenting, clustering, or classifying portions of the subject based on features of the empirical statistical distribution for this quantity.
任意選択として、被験者の拡散重み付き信号中の系統アーチファクトを、この量に関する経験的統計分布の特徴に基づいて識別することができる。好ましくは、系統アーチファクトを識別するために、この量に関する経験的統計分布を、この量に関するパラメトリック統計分布と比較する。例えば、このパラメトリック分布は、この量が拡散テンソルとなる多変量ガウス分布とすることができる。別の例としては、このパラメトリック分布は、この量が拡散テンソルのトレースとなる単変量ガウス分布とすることができる。 Optionally, systematic artifacts in the subject's diffusion weighted signal can be identified based on the characteristics of the empirical statistical distribution for this quantity. Preferably, the empirical statistical distribution for this quantity is compared with the parametric statistical distribution for this quantity to identify systematic artifacts. For example, the parametric distribution can be a multivariate Gaussian distribution in which this quantity is a diffusion tensor. As another example, the parametric distribution can be a univariate Gaussian distribution whose quantity is a trace of the diffusion tensor.
図1のブロック12では、拡散テンソルを、拡散重み付き信号中のボクセルごとに、または拡散重み付き信号中のボクセルのサブセットのボクセルごとに決定する。このサブセットは注目する領域と呼ぶことができる。任意選択として、拡散テンソルは、拡散重み付き信号中のボクセルの2つ以上のサブセットに関して決定することができる。ここで、このサブセットを注目する領域と呼ぶ。図2にこの概念を、少なくとも2つの注目する領域に関するDT−MR信号を解析するための流れ図として示す。図2の流れ図の詳細を以下の節で論ずる。
In
ブロック20では、拡散重み付き信号を獲得し、各信号はボクセルを有する。好ましくは、各信号は少なくとも1つのボクセルを含む。ブロック20はブロック10と同様である。
In
ブロック21では、拡散重み付き信号をサンプリングし、少なくとも1組の再サンプリング拡散重み付き信号を得る。ブロック21はブロック11と同様である。
At
ブロック22では、再サンプリング拡散重み付き信号中の少なくとも2つの注目する領域(ROI)を識別する。ただし、各ROIは少なくとも1つのボクセルを含む。
At
ブロック23では、拡散テンソルを、再サンプリング拡散重み付き信号から各ROI中のボクセルごとに決定する。ブロック23は、拡散テンソルを少なくとも2つのROI内で決定することを除いてブロック12と同様である。 At block 23, a diffusion tensor is determined for each voxel in each ROI from the resampled diffusion weighted signal. Block 23 is similar to block 12 except that the diffusion tensor is determined in at least two ROIs.
ブロック24では、経験的統計分布を、拡散テンソルに関連する量に関して、各ROI中のボクセルごとの拡散テンソルから決定する。ブロック24は、拡散テンソルを少なくとも2つのROIに関して決定することを除いて、ブロック12と同様である。 At block 24, an empirical statistical distribution is determined from the diffusion tensor for each voxel in each ROI with respect to the quantity associated with the diffusion tensor. Block 24 is similar to block 12 except that the diffusion tensor is determined with respect to at least two ROIs.
ブロック25では、この量に関する経験的統計分布をROIにわたって比較し、ROI間の量に関する経験的統計分布の特徴における差を得る。好ましくは、この量に関する経験的統計分布の特徴における差を、注目する領域間の、この量に関する経験的統計分布の特徴における差に関する仮説検定を実行することによって決定する。加えて、ブロック14に関して説明したのと同様の解析を、ブロック25でのROIに関して実行することができる。
At
図1では、流れ図は単一時点に対するものである。任意選択として、図1の流れ図は、被験者に関する2つ以上の時点に対して実行することができる。例えば、被験者がヒトであり、そのヒトが脳卒中を有する場合、図1の流れ図を、脳卒中が発症したすぐ後に第1時点として実行し、それから1月ほど後に第2時点として実行することができる。その後第1時点および第2時点に関する結果を比較し、時間の経過にわたるヒトにおいての差を解析することができる。追加の時点を別の比較および解析のために得ることができる。図3に、第1時点および第2時点に対するDT−MR信号を解析するための流れ図としてこの概念を示す。この技法は、追加の時点を含むように修正することができる。図3の流れ図の詳細を以下の節で論ずる。 In FIG. 1, the flow chart is for a single point in time. As an option, the flow diagram of FIG. 1 may be performed for more than one time point for a subject. For example, if the subject is a human and the person has a stroke, the flow chart of FIG. 1 can be performed as the first time point immediately after the onset of the stroke, and then as the second time point approximately one month later. The results for the first time point and the second time point can then be compared and the differences in humans over time can be analyzed. Additional time points can be obtained for further comparison and analysis. FIG. 3 illustrates this concept as a flow chart for analyzing the DT-MR signal for the first time point and the second time point. This technique can be modified to include additional time points. Details of the flow diagram of FIG. 3 are discussed in the following section.
ブロック30では、第1時点に対する拡散重み付き信号を獲得し、各信号はボクセルを含む。好ましくは、各信号は少なくとも1つのボクセルを含む。ブロック30は、第1時点に関して以外はブロック10と同様である。
At
ブロック31では、第1時点に対する拡散重み付き信号をサンプリングし、第1時点に対する少なくとも1組の再サンプリング拡散重み付き信号を得る。ブロック31は第1時点に関して以外はブロック11と同様である。 At block 31, the spreading weighted signal for the first time point is sampled to obtain at least one set of resampled spreading weighted signals for the first time point. Block 31 is similar to block 11 except for the first time point.
ブロック32では、第1時点に対する再サンプリング拡散重み付き信号のROIを識別する。ただし、このROIは少なくとも1つのボクセルを含む。ROI中のボクセルの数は、最大で再サンプリング拡散重み付き信号中のボクセルの数とすることができ、最小で1ボクセルとすることができる。 At block 32, the ROI of the resampled diffusion weighted signal for the first time point is identified. However, this ROI includes at least one voxel. The number of voxels in the ROI can be up to the number of voxels in the resampling diffusion weighted signal, and can be a minimum of 1 voxel.
ブロック33では、拡散テンソルを、第1時点に対する再サンプリング拡散重み付き信号から、ROI中のボクセルごとに決定する。ブロック33は、第1時点に関して以外はブロック12と同様である。 At block 33, a diffusion tensor is determined for each voxel in the ROI from the resampled diffusion weighted signal for the first time point. Block 33 is similar to block 12 except for the first time point.
ブロック34では、経験的統計分布を、第1時点に対する拡散テンソルに関連する量に関して決定する。ブロック34は、第1時点に関して以外はブロック13と同様である。 At block 34, an empirical statistical distribution is determined with respect to an amount associated with the diffusion tensor for the first time point. Block 34 is similar to block 13 except for the first time point.
ブロック35では、第2時点に対する拡散重み付き信号を獲得し、各信号は少なくとも1つのボクセルを含む。好ましくは、各信号は少なくとも1つのボクセルを含む。ブロック35は、第2時点に関して以外はブロック30と同様である。
At
ブロック36では、第2時点に対する拡散重み付き信号をサンプリングし、第2時点に対する少なくとも1組の再サンプリング拡散重み付き信号を得る。ブロック36は第2時点に関して以外はブロック31と同様である。
At
ブロック37では、第2時点に対する再サンプリング拡散重み付き信号のROIを識別する。ただし、このROIは少なくとも1つのボクセルを含む。ROI中のボクセルの数は、最大で再サンプリング拡散重み付き信号中のボクセルの数とすることができ、最小で1ボクセルとすることができる。好ましくは、ほぼ同じROIをブロック32と37で識別する。 At block 37, the ROI of the resampled diffusion weighted signal for the second time point is identified. However, this ROI includes at least one voxel. The number of voxels in the ROI can be up to the number of voxels in the resampling diffusion weighted signal, and can be a minimum of 1 voxel. Preferably, approximately the same ROI is identified in blocks 32 and 37.
ブロック38では、拡散テンソルを、第2時点に対する再サンプリング拡散重み付き信号から、ROI中のボクセルごとに決定する。ブロック38は第2時点に関して以外はブロック33と同様である。 At block 38, a diffusion tensor is determined for each voxel in the ROI from the resampled diffusion weighted signal for the second time point. Block 38 is similar to block 33 except for the second time point.
ブロック39では、経験的統計分布を、第2時点に対する拡散テンソルに関連する量に関して決定する。ブロック39は第2時点に関して以外はブロック34と同様である。
At
ブロック40では、経験的統計分布の特徴を、第1時点と第2時点の間の少なくとも1つのROIに関する量に関して比較する。2つの異なる時点に関する経験的統計分布を比較することによって、時間における変化をモニタし、解析することができる。加えて、ブロック14に関して説明したのと同様の解析をブロック40での2つの時点に関して実行することができる。
At
図1のブロック12で拡散テンソルをまず決定した後、図1のブロック13で拡散テンソルに関連する量の経験的統計分布を決定する。任意選択として、拡散テンソルに関連する一部の量に関して、拡散テンソルをブロック21のように最初に決定する必要がないようにすることもできる。図4に、拡散テンソルを決定せずにDT−MR信号を解析するための流れ図としてこの概念を示す。図4の流れ図の詳細を以下の節で論ずる。
After first determining the diffusion tensor in
ブロック45では、拡散重み付き信号を獲得し、各信号はいくつかのボクセルを含む。好ましくは、各信号は少なくとも1つのボクセルを含む。ブロック45はブロック10と同様である。
At
ブロック46では、拡散重み付き信号から、拡散重み付き信号の拡散テンソルに関連する量を決定する。好ましくは、この量は拡散重み付き信号の拡散テンソルのトレースの近似である。以下でさらに論ずるように、Trace(D)は、合計5、4、2、または1つの拡散重み付き像を用いて近似することができる。
At
ブロック47では、拡散テンソルに関連する量に関して経験的統計分布を決定する。ブロック47はブロック13と同様である。
At
ブロック48では、被験者をこの量の経験的統計分布に基づいて診断する。ブロック48はブロック14と同様である。
At
任意選択として、図4の技法を図2の技法と組み合わせて使用して、1つまたは複数のROIを解析することができる。 Optionally, the technique of FIG. 4 can be used in combination with the technique of FIG. 2 to analyze one or more ROIs.
任意選択として、図4の技法を図3の技法と組み合わせて使用して、2つ以上の時点を解析することができる。 Optionally, the technique of FIG. 4 can be used in combination with the technique of FIG. 3 to analyze two or more time points.
(2.拡散テンソルMRIでのノイズのパラメトリック記述)
この節では、DT−MRI実験でのノイズを記述するための理想的なパラメトリックモデルを、多変量正規分布として確立する。
(2. Parametric description of noise in diffusion tensor MRI)
In this section, an ideal parametric model for describing noise in DT-MRI experiments is established as a multivariate normal distribution.
(2.1 概要)
振幅MRI像のバックグラウンドノイズ特性がRicean分布と共形となることは周知である(46)、(47)。拡散テンソル磁気共鳴撮像(DT−MRI)では、拡散テンソルの構成要素は、回帰分析、通常は対数線形化DW振幅信号の線形回帰を用いて、ノイズのある拡散重み付き(DW)振幅像から推定される(17)。これまで、拡散テンソルデータの統計分布を特徴付けるための試みはなかった。この研究により、振幅像がRicean分布であることを仮定して、拡散テンソルデータのノイズ特徴が明らかとなる。
(2.1 Overview)
It is well known that the background noise characteristics of an amplitude MRI image are conformal to the Ricean distribution (46), (47). In diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI), the components of a diffusion tensor are estimated from a noisy diffusion weighted (DW) amplitude image using regression analysis, usually linear regression of a log-linearized DW amplitude signal. (17). So far, there has been no attempt to characterize the statistical distribution of diffusion tensor data. This study reveals the noise characteristics of the diffusion tensor data, assuming that the amplitude image is a Rician distribution.
3より大きい信号対ノイズ(S/N)比に対して、Ricean分布は、平均 For signal-to-noise (S / N) ratios greater than 3, the Rician distribution is the mean
と、各クアドラチュアチャネル中の信号の分散である分散σ2とを有する正規分布によってよく近似される。NMR信号の振幅と拡散テンソル構成要素の間の関係は非線形である。したがって、拡散テンソル要素のノイズ分布に関する解析式に達することは難しい。しかし、回帰分析は通常多数の独立な信号を用いて実行されるので、小さいS/N比に対しても、拡散テンソル要素の分布が中心極限定理によりガウス分布となることが予想される。 And a normal distribution with a variance σ 2 that is the variance of the signal in each quadrature channel. The relationship between the amplitude of the NMR signal and the diffusion tensor component is non-linear. Therefore, it is difficult to reach an analytical expression regarding the noise distribution of the diffusion tensor element. However, since regression analysis is usually performed using a large number of independent signals, the distribution of diffusion tensor elements is expected to be a Gaussian distribution by the central limit theorem even for a small S / N ratio.
(2.2 方法)
振幅像内のノイズがRicean分布によって記述されると仮定することによって、モンテカルロシミュレーションを用いて拡散テンソルデータを生成した。異なるタイプの拡散プロセスをモデル化した。生きているヒトの脳で得られる典型的な値をカバーする等方性拡散テンソルおよび異方性拡散テンソルを使用した。やはり、広範なS/N値(1〜100)および撮像パラメータを探索した(例えば回帰niに対して獲得される像の数は、7から70であった)。p=0.01のコルモゴロフ−スミルノフ(KS)検定を使用して脳の異なる領域での拡散テンソル値の正規性に関して検定するために、健康な女性のボランティアから得られた実際のDT−MRI実験データを使用した。
(2.2 Method)
Diffusion tensor data was generated using Monte Carlo simulation by assuming that the noise in the amplitude image is described by a Rician distribution. Different types of diffusion processes were modeled. Isotropic and anisotropic diffusion tensors that cover typical values obtained in a living human brain were used. Again, a wide range of S / N values (1-100) and imaging parameters were searched (eg, the number of images acquired for regression ni was 7 to 70). Actual DT-MRI experiments obtained from healthy female volunteers to test for normality of diffusion tensor values in different regions of the brain using the Kolmogorov-Smirnov (KS) test with p = 0.01 Data was used.
(2.3 結果および考察)
DW−MRI実験のモンテカルロシミュレーションを使用すると、D effの6つの独立な構成要素(6次元ベクトルとして書かれる)は、多変量ガウス分布に従って分布する。これは、S/Nが2未満であり、回帰に対して7個の像しか使用しない場合であっても成り立つ。この分布は、6次元平均ベクトルμ={μxx,μyy,μzz,μxy,μxz,μyz}と、ゼロでない非対角要素を有する6×6共分散行列Σの、2つのパラメータによって記述される。ベクトルx={Dxx,Dyy,Dzz,Dxy,Dxz,Dyz}に関するこの多変量分布は以下のように書かれる。
(2.3 Results and discussion)
Using the Monte Carlo simulation of the DW-MRI experiment, the six independent components of D eff (written as a 6-dimensional vector) are distributed according to a multivariate Gaussian distribution. This is true even if the S / N is less than 2 and only 7 images are used for regression. This distribution consists of two 6-dimensional mean vectors μ = {μ xx , μ yy , μ zz , μ xy , μ xz , μ yz } and a 6 × 6 covariance matrix Σ having non-zero diagonal elements. Described by parameters. This multivariate distribution for the vector x = {D xx , D yy , D zz , D xy , D xz , D yz } is written as:
均一なテンソル値を有する注目する領域(ROI)を見つけることができる場合、μおよびΣの推定は直接的に得られる。経験的にはブートストラップ解析またはモンテカルロ方法を用いて、解析的には線形回帰モデル(17)を用いてサンプル共分散行列の推定を得た。対数線形化データに対する線形モデル推定は、低S/Nについて、具体的にはテンソルの対角要素の分散について偏る。やはり、信号がバックグラウンドノイズレベルに達するとき、高拡散減衰(例えば大きいTrace(b))に対してΣの予測は低下する。水の等方性拡散に関する実験に基づいて、拡散テンソル構成要素はガウス分布に従う。患者のデータの正規性を検定するとき、ボクセルの大部分が正規分布に共形となることがわかった。しかし、一部については、コルモゴロフ−スミルノフ検定によればその分布は正規性から著しく逸脱する。この場合、非対角要素が対角要素よりも正規分布から逸脱しやすい。これらは通常コルモゴロフ−スミルノフ検定に対するタイプ1誤差である可能性があるが、これらの正規性からの偏差は、Riceanノイズモデルでは除かれる動きおよび他の系統アーチファクトに帰され、パラメトリックに記述することは難しい。このことにより、正規性について拡散テンソルデータを検定することによりそのようなアーチファクトについて検定する方法が提案される。
If a region of interest (ROI) with a uniform tensor value can be found, estimates of μ and Σ are obtained directly. Empirically, the estimation of the sample covariance matrix was obtained using bootstrap analysis or the Monte Carlo method, and analytically using the linear regression model (17). Linear model estimation for log-linearized data is biased for low S / N, specifically for the variance of the diagonal elements of the tensor. Again, when the signal reaches the background noise level, the prediction of Σ decreases for high diffusion attenuation (eg, large Trace ( b )). Based on experiments on isotropic diffusion of water, the diffusion tensor component follows a Gaussian distribution. When testing the normality of patient data, it was found that the majority of voxels conform to a normal distribution. However, for some, the distribution deviates significantly from normality according to the Kolmogorov-Smirnov test. In this case, the off-diagonal elements are more likely to deviate from the normal distribution than the diagonal elements. These may usually be
図5に、モンテカルロシミュレーションから得られる効果的な拡散テンソルの6つの独立な構成要素、すなわち異方性D eff構成要素の確率分布を示す。この平均ベクトルはμ={1104,661,329,180,135,77}μm2/sである。実線はガウス分布へのフィットを示す。 FIG. 5 shows the probability distribution of six independent components of an effective diffusion tensor obtained from Monte Carlo simulations, namely anisotropic D eff components. This average vector is μ = {1104,661,329,180,135,77} μm 2 / s. The solid line shows the fit to the Gaussian distribution.
(3.ブートストラップ方法を用いた拡散テンソルMRIデータのノンパラメトリック統計分析)
(3.1 概要)
拡散テンソル磁気共鳴撮像(DT−MRI)の応用は、近年著しく発展してきた。測定される拡散テンソルD effから、主拡散率や、拡散テンソルのトレース、Trace(D eff)、相対異方性、および他の組織学的染色などの、他の回転不変測定値を計算することができる。現在のところ、各ボクセルでこれらの量の平均値または1次のモーメントしか推定することができない。これらの量の不確定性または高次のモーメント、およびその確率分布を知ることは、DT−MRI実験をより効率的に設計し、DT−MRIデータを解析する能力を改良する助けとなる。
(3. Nonparametric statistical analysis of diffusion tensor MRI data using the bootstrap method)
(3.1 Overview)
Applications of diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI) have developed significantly in recent years. Calculate other rotational invariant measurements from the measured diffusion tensor D eff , such as the main diffusivity, diffusion tensor trace, Trace ( D eff ), relative anisotropy, and other histological staining Can do. Currently, only the average value or first-order moment of these quantities can be estimated for each voxel. Knowing these quantities of uncertainty or higher-order moments, and their probability distributions, helps improve the ability to design DT-MRI experiments more efficiently and analyze DT-MRI data.
前節では、拡散テンソルデータに関する適切なパラメトリック統計モデルとして多変量ガウス分布を確立した。しかし、これはパラメトリックに記述することが難しい、動きおよび他の系統アーチファクトがないときにだけしか当てはまらない。したがって、DT−MRIデータを解析するための一般的な手法として、本発明はブートストラップ方法(48)を使用する。このブートストラップ方法は、標準誤差、信頼区間、確率分布、および不確定性の他の測定値の推定を得るための、経験的ノンパラメトリック再サンプリング技法である。通常のサンプルを使用して集団の統計的特性を推測するのと同様に、ブートストラップサンプルを使用してサンプルの特性を推測する。ブートストラップ方法のDT−MRIへの適用可能性を実証し、経験的DT−MRIデータと、モンテカルロシミュレーションを使用して合成したデータとを用いてデータブートストラップ方法の制限を評価する。 In the previous section, we established a multivariate Gaussian distribution as an appropriate parametric statistical model for diffusion tensor data. However, this is only true when there are no movements and other systematic artifacts that are difficult to describe parametrically. Therefore, the present invention uses the bootstrap method (48) as a general technique for analyzing DT-MRI data. This bootstrap method is an empirical non-parametric resampling technique to obtain estimates of standard error, confidence intervals, probability distributions, and other measurements of uncertainty. The bootstrap sample is used to infer the characteristics of the sample in the same way that a normal sample is used to infer the statistical characteristics of the population. The applicability of the bootstrap method to DT-MRI is demonstrated and the limitations of the data bootstrap method are evaluated using empirical DT-MRI data and data synthesized using Monte Carlo simulation.
(3.2 方法)
効果的な拡散テンソルD effを、対称行列bによって指定される少なくとも6つの斜方向に磁場勾配を印加することによって推定する。bおよび測定されるT2重み付き信号から、重み付き多変量線形回帰を用いてD effを推定し(17)、ここで拡散重みづけのないときのT2重み付き信号A(0)も推定する。DT−MRI実験のモンテカルロシミュレーションを実施した(40)。モンテカルロシミュレーションを使用して、斜方向当たりn個のノイズのある信号のセットと、ゼロ/小さい磁場勾配を使用したn個の信号を得、合計7n個の信号を得た。これを元のセットと呼ぶ。元のセットを使用して、7つのセットそれぞれから(置換で)n個のランダムなサンプルを取り、7n個の信号の「新しい」セットを得ることによってブートストラップセットを作成する。このステップを多くの回数、NB回繰り返すことにより、他の注目する量、例えば拡散テンソル、Trace(D eff)、固有値、固有ベクトルなどと共に、D effごとに多くの推定を得る。ブートストラップ結果を妥当性検査するためのモンテカルロシミュレーションを使用して、これらの量の「真の」分布も予測することができる。
(3.2 Method)
The effective diffusion tensor D eff is estimated by applying a magnetic field gradient in at least six oblique directions specified by the symmetric matrix b . D eff is estimated from b and the measured T 2 weighted signal using weighted multivariate linear regression (17), where T2 weighted signal A (0) without diffusion weighting is also estimated. . A Monte Carlo simulation of the DT-MRI experiment was performed (40). Monte Carlo simulations were used to obtain a set of n noisy signals per diagonal direction and n signals using zero / small magnetic field gradient, for a total of 7n signals. This is called the original set. The original set is used to create a bootstrap set by taking n random samples (with replacement) from each of the seven sets and obtaining a “new” set of 7n signals. By repeating this step many times, N B times, many estimates are obtained for each D eff along with other quantities of interest, such as diffusion tensors, Trace ( D eff ), eigenvalues, eigenvectors, and the like. A “true” distribution of these quantities can also be predicted using Monte Carlo simulations to validate the bootstrap results.
(3.3 結果および考察)
注目する様々な量について誤差および確率分布の推定を計算した。ブートストラップ標準誤差(SE)は、真のSEのノンパラメトリック最尤推定である。不均一領域内で単一ボクセルに関する誤差の信頼できる推定を得ることができるので、ブートストラップ方法は特にDT−MRI測定に適していることがわかった。この情報は従来の手法を用いて得ることはできない。SEを推定するためにn個のサンプルだけしか使用することができないからである(nは一般に5未満)。ROI内のボクセルを使用して誤差を推定する場合、SEは、ROI内の不均一性のために大きく誇張される。例えば、灰白質中の特定のボクセルの周りから取られたが、CSFに非常に近い15個のボクセルからなるROI(n=4での経験的DT−MRIデータ)は、テンソル構成要素Dxxについての標準偏差σ=271μm2/sを有する。
(3.3 Results and discussion)
Error and probability distribution estimates were calculated for various quantities of interest. Bootstrap standard error (SE) is a non-parametric maximum likelihood estimate of true SE. It has been found that the bootstrap method is particularly suitable for DT-MRI measurements because a reliable estimate of the error for a single voxel can be obtained within a non-uniform region. This information cannot be obtained using conventional techniques. This is because only n samples can be used to estimate the SE (n is generally less than 5). When estimating errors using voxels in the ROI, the SE is greatly exaggerated due to non-uniformities in the ROI. For example, an ROI consisting of 15 voxels taken from around a particular voxel in gray matter but very close to the CSF (empirical DT-MRI data at n = 4) is for the tensor component D xx Standard deviation σ = 271 μm 2 / s.
図6に、ブートストラップ解析を用いて得られるROI内のDxxの確率分布を示す。この確率分布は異なるモードの存在を示す。Dxxの確率分布のブートストラップ推定は、n=4およびNB=5000についてのものである。ROIは、灰白質中であるがCSF近くから取られ、したがって部分ボリュームアーチファクトを見ることができる。 FIG. 6 shows a probability distribution of D xx in the ROI obtained using bootstrap analysis. This probability distribution indicates the presence of different modes. The bootstrap estimate of the probability distribution for D xx is for n = 4 and N B = 5000. The ROI is in the gray matter but is taken from near the CSF, so partial volume artifacts can be seen.
図7に、単一ボクセル内で得られるDxxの確率分布を示す。Dxxの確率分布は、ブートストラップ解析を用いて灰白質中の単一ボクセル内で得られる。この確率分布は、σ=75μm2/sのガウス分布に非常に良くフィットし、ROI推定よりもずっと小さく、より適切である。ブートストラップ方法の妥当性を実データおよびモンテカルロシミュレーションを用いて確認した。 FIG. 7 shows the probability distribution of D xx obtained within a single voxel. A probability distribution of D xx is obtained within a single voxel in gray matter using bootstrap analysis. This probability distribution fits very well to a Gaussian distribution with σ = 75 μm 2 / s and is much smaller and more appropriate than ROI estimation. The validity of the bootstrap method was confirmed using real data and Monte Carlo simulation.
このブートストラップ方法により、DT−MRIを設計し、解析するための多くの新しい統計的手法を使用することが容易になる。本発明者は、十分な数の像をブートストラップ再サンプリング方式で使用することを条件として、不確定性の推定と、DT−MRI中の測定され、計算される変数の確率分布とを、ブートストラップ分析を用いて得ることができることを発見した。偏り、アウトライア、および信頼レベルもブートストラップ方法を用いて得ることができ、仮説検定もブートストラップ方法を用いて実行することができる。ブートストラップ方法の主な欠点は、より長い計算時間が必要であることであり、この計算時間はNBに比例する。例えば、NB=1000に対して、ブートストラップ分析は、SPARC ULTRA−60ワークステーション上で1ボクセル当たり約0.5秒かかる。しかし並列コンピュータ上では、ブートストラップ方法はより効率的に実施することができる。全体的に、ブートストラップ方法は、DT−MRIデータの統計的分析に対して効果的なツールである。 This bootstrap method facilitates the use of many new statistical techniques for designing and analyzing DT-MRI. The inventor provides an estimate of uncertainty and the probability distribution of measured and calculated variables in DT-MRI, booting, provided that a sufficient number of images are used in a bootstrap resampling scheme. We have found that it can be obtained using strap analysis. Bias, outliers, and confidence levels can also be obtained using the bootstrap method, and hypothesis testing can also be performed using the bootstrap method. The main disadvantage of the bootstrap method is that it requires a longer calculation time, the calculation time is proportional to N B. For example, for N B = 1000, the bootstrap analysis takes about 0.5 seconds per voxel on a SPARC ULTRA-60 workstation. However, on parallel computers, the bootstrap method can be implemented more efficiently. Overall, the bootstrap method is an effective tool for statistical analysis of DT-MRI data.
(4.DT−MRIデータのブートストラップ解析)
(4.1 概要)
DT−MRIでは、拡散テンソル構成要素の平均値は、回帰などの統計的方法を用いて推定される。これらの測定されるテンソル構成要素を用いて、主拡散率や、拡散テンソルのトレース、Trace(D eff)、相対異方性などの他の回転不変測定値を計算することができる。現在のところ、ボクセルごとに平均値または1次モーメントしか推定されていない。しかし、これらの量の不確定性または高次のモーメント、およびその確率分布を知ることは、DT−MRI実験をより効率的に設計する助けとなり、DT−MRIデータの分析も改良する。標準誤差の理論的推定または所与の統計の確率分布を得ることは、パラメトリックモデルが周知でなく、導出される量の多くが拡散テンソル構成要素の非線形関数であるために複雑である。
(4. Bootstrap analysis of DT-MRI data)
(4.1 Overview)
In DT-MRI, the average value of diffusion tensor components is estimated using statistical methods such as regression. Using these measured tensor components, other rotation invariant measurements such as main diffusivity, diffusion tensor trace, Trace ( D eff ), and relative anisotropy can be calculated. At present, only an average value or first moment is estimated for each voxel. However, knowing the uncertainty or higher order moments of these quantities, and their probability distributions, helps to design DT-MRI experiments more efficiently and also improves the analysis of DT-MRI data. Obtaining a theoretical estimate of standard error or a probability distribution of a given statistic is complicated because parametric models are not well known and many of the derived quantities are nonlinear functions of diffusion tensor components.
本発明は、ブートストラップ方法(48)の新規な応用例を用いる。このブートストラップ方法は、標準誤差、信頼区間、確率分布、およびパラメータ不確定性の他の測定値の推定を得るための経験的ノンパラメトリック再サンプリング技法である。このブートストラップ方法をDT−MRIに適用し、この手法の制限を、経験的DT−MRIデータと、モンテカルロシミュレーションを用いて合成したデータとを用いて評価する。 The present invention uses a novel application of the bootstrap method (48). This bootstrap method is an empirical non-parametric resampling technique to obtain estimates of standard error, confidence intervals, probability distributions, and other measurements of parameter uncertainty. This bootstrap method is applied to DT-MRI, and the limitations of this method are evaluated using empirical DT-MRI data and data synthesized using Monte Carlo simulation.
(4.2 方法)
効果的な拡散テンソルD effを、対称行列bによって指定される少なくとも6つの斜方向に磁場勾配を印加することによって推定する。bおよび測定されるT2重み付き信号から、重み付き多変量線形回帰(17)を用いてD effを推定し、ここでA(0)も推定する。DT−MRI実験のモンテカルロシミュレーションを実施した(40)。モンテカルロシミュレーション技法を使用して、斜方向当たりn個のノイズのある信号のセットと、ゼロ/小さい磁場勾配を使用したn個の信号を得、合計7n個の信号を得た。これを元のセットと呼ぶ。元のセットを使用して、7つのセットそれぞれから(置換で)n個のランダムなサンプルを取り、7n個の信号の「新しい」セットを得ることによってブートストラップセットを作成する。このステップを多くの回数、NB回繰り返すことにより、他の注目する量、例えば拡散テンソル偏差固有ベクトルなどと共に、各D effの多くの推定を得た。計算時間は数NBに比例するが、並列コンピュータ上ではブートストラップ方法をより効率的に実施することができる。ブートストラップ結果を妥当性検査するためのモンテカルロシミュレーションを使用して、「真の」分布も予測することができる。
(4.2 Method)
The effective diffusion tensor D eff is estimated by applying a magnetic field gradient in at least six diagonal directions specified by the symmetric matrix b . From b and the measured T 2 weighted signal, D eff is estimated using weighted multivariate linear regression (17), where A (0) is also estimated. A Monte Carlo simulation of the DT-MRI experiment was performed (40). Monte Carlo simulation techniques were used to obtain a set of n noisy signals per diagonal direction and n signals using zero / small magnetic field gradient, for a total of 7n signals. This is called the original set. The original set is used to create a bootstrap set by taking n random samples (with permutations) from each of the seven sets and obtaining a “new” set of 7n signals. Many times this step, by repeating N B times, the amount of other interest, for example, with a diffusion tensor deviation eigenvectors to obtain a number of estimates of the D eff. Although the computation time is proportional to the number N B , the bootstrap method can be implemented more efficiently on a parallel computer. A “true” distribution can also be predicted using Monte Carlo simulations to validate the bootstrap results.
(4.3 結果および考察)
注目する様々な量について確率分布を計算した。図8に、Dxxテンソル構成要素の「真の」確率分布(太い実線)と、3つの異なる元のセットに対応する3つのブートストラップ推定(細い実線)と、元のセットから得られる推定(垂直線)との間の比較を示す。Dxxの確率分布のブートストラップ推定は、n=8およびNB=10000についてのものである。太い破線は真の分布を表し、実線はブートストラップ推定を表す。垂直の破線は、ブートストラップ推定で使用される元のセットの推定である。ブートストラップサンプルが取られる確率は一様であるので、平均の推定は、標準誤差(SE)が真のSEのノンパラメトリック最尤推定である間は変化しない。使用する像の数nが少なくなると、ブートストラップ分布が生成するアーチファクトが大きくなる。
(4.3 Results and discussion)
Probability distributions were calculated for various quantities of interest. FIG. 8 shows a “true” probability distribution (thick solid line) of D xx tensor components, three bootstrap estimates (thin solid lines) corresponding to three different original sets, and an estimate obtained from the original set ( A comparison with (vertical line) is shown. The bootstrap estimate of the probability distribution for D xx is for n = 8 and N B = 10000. The thick dashed line represents the true distribution and the solid line represents the bootstrap estimate. The vertical dashed line is the original set of estimates used in bootstrap estimation. Since the probability that a bootstrap sample is taken is uniform, the average estimate does not change while the standard error (SE) is a non-parametric maximum likelihood estimate of the true SE. As the number n of images used decreases, the artifacts generated by the bootstrap distribution increase.
図9Aに、拡散ファントムを用いて生成したデータを示す。コンピュータ生成ファントム(8×1×1ボクセル)は、以下の領域を有する。すなわち、CSF(Trace=10.0×10-3mm2/sec、等方性)と、灰白質−GM(Trace=2.1×10-3mm2/sec、異方性)と、最大固有値(主拡散率)と中間の固有値との比をr1、中間の固有値と最小の固有値との比をr2とし、(r1,r2)座標の対として表示するとA1(8,1)、A2(4,1)、A3(2,1)、A4(1,4)、A5(1,2)、A6(3/2,3/2)となるいくつかの異方性領域とである。ブートストラップサンプルは、3つの固有ベクトルと、その3つの固有ベクトルそれぞれに対する不確定性の円錐に対する計算角度(32)とに関して得られる。 FIG. 9A shows data generated using a diffusion phantom. A computer-generated phantom (8 × 1 × 1 voxel) has the following areas: That is, CSF (Trace = 10.0 × 10 −3 mm 2 / sec, isotropic), gray matter-GM (Trace = 2.1 × 10 −3 mm 2 / sec, anisotropy), maximum When the ratio between the eigenvalue (main diffusivity) and the intermediate eigenvalue is r 1 , the ratio between the intermediate eigenvalue and the minimum eigenvalue is r 2, and expressed as a pair of (r 1 , r 2 ) coordinates, A1 (8,1 ), A2 (4, 1), A3 (2, 1), A4 (1, 4), A5 (1, 2), A6 (3/2, 3/2) and several anisotropic regions It is. Bootstrap samples are obtained for three eigenvectors and the calculated angle (32) for the uncertainty cone for each of the three eigenvectors.
図9Bに、ブートストラップ方法から得られる3つの固有ベクトルに対する不確定性の最小の円錐に対する角度の逆数である像を示す。図9Bからわかるように、各ボクセルの強度は、3つの円錐角度の最小の値に反比例する。 FIG. 9B shows an image that is the reciprocal of the angle for the minimal cone of uncertainty for the three eigenvectors obtained from the bootstrap method. As can be seen from FIG. 9B, the intensity of each voxel is inversely proportional to the minimum value of the three cone angles.
図9Bと図9Aを比較することによって、所与のボクセル中の拡散テンソルの周知の異方性で強い関係が存在することがわかる。生きている脳からのデータを用いてシミュレーションから得られた結果を妥当性検査した。この結果は、系統アーチファクトがないことを条件として、同様の挙動を示す。このブートストラップ方法により、DT−MRIを設計し解析するための、統計的手法の使用を容易にすることができる。十分な数の像をブートストラップ再サンプリング方法で使用することを条件として、不確定性の推定と、DT−MRI中の測定され、計算される変数の確率分布とを、ブートストラップ分析を用いて得ることができる。 By comparing FIG. 9B and FIG. 9A, it can be seen that there is a strong relationship with the known anisotropy of the diffusion tensor in a given voxel. The results obtained from the simulation were validated using data from the living brain. This result shows similar behavior, provided that there are no systematic artifacts. This bootstrap method can facilitate the use of statistical techniques for designing and analyzing DT-MRI. Subject to the use of a sufficient number of images in the bootstrap resampling method, the estimation of uncertainty and the probability distribution of the measured and calculated variables during DT-MRI can be calculated using bootstrap analysis. Obtainable.
(5.拡散テンソルのトレースの変化を評価するための定量的統計的検定:臨床的含意および生物学的含意)
バックグラウンドノイズから拡散テンソルのトレース、Trace(D)の有意な変化を生物学的または臨床的に識別するための一般的な統計的枠組を提示する。
(5. Quantitative statistical tests to assess changes in diffusion tensor traces: clinical and biological implications)
We present a general statistical framework for biologically or clinically distinguishing significant changes in the diffusion tensor trace, Trace (D), from background noise.
(5.1 概要)
Dを効果的な水の拡散テンソルとして、Trace(D)の最初の測定(1)およびトレースMR像の最初の実証以来(44)、Trace(D)が正常な脳柔組織で一様であり、急性脳卒中の間の虚血性領域で実質上降下し、慢性脳卒中では著しく増加することが広く報告されている。それでも、組織の生理的状態、その物理的特性、またはその微細構造の変化によって引き起こされるTrace(D)の変化をバックグラウンドノイズから識別することは不確定である。
(5.1 Overview)
Trace (D) is uniform in normal brain parenchyma since the first measurement of Trace (D) (1) and the first demonstration of trace MR images (44), with D as an effective water diffusion tensor. It has been widely reported that it substantially drops in the ischemic region during acute stroke and increases markedly in chronic stroke. Nevertheless, it is uncertain to distinguish from changes in Trace (D) caused by changes in the physiological state of the tissue, its physical properties, or its microstructure.
(5.2 方法)
前節では、DT−MRI(44)によって得られた拡散テンソルの要素は、空間的に一様な拡散特性を有するROI内の多変量ガウス確率密度関数に従って分布することを示した。この結果は、Trace(D)が同じ均一なROI内で単変量ガウス分布に従って分布することを意味する。
(5.2 Method)
In the previous section, we showed that the elements of the diffusion tensor obtained by DT-MRI (44) are distributed according to the multivariate Gaussian probability density function in the ROI with spatially uniform diffusion characteristics. This result means that Trace (D) is distributed according to the univariate Gaussian distribution within the same uniform ROI.
ただし<Trace(D)>は平均であり、σT 2は分散である。さらに、σTはDxx、Dyy、およびDzz(例えばVar(Dxx))と、その共分散(例えばCov(Dxx,Dyy))からの寄与を含む。 However, <Trace (D)> is an average, and σ T 2 is a variance. Furthermore, σ T includes contributions from D xx , D yy , and D zz (eg, Var (D xx )) and their covariance (eg, Cov (D xx , D yy )).
この分布では、本発明を用いて最初に、仮説をROI内のTrace(D)のモーメントに関して定式化し、定量的に検定することができる(例えば(51)を参照)。具体的には、Trace(D)が正常な脳柔組織で一様であるかどうか、Trace(D)が虚血性領域で著しく降下するかどうか、またはTrace(D)が脳柔組織の疾患領域で増加するかどうかなどの関連する仮説を臨床的または生物学的に検定することができる。異なるROIでのTrace(D)の不均一性の程度を評価するために、異なるROIでのトレースの分散の仮説を検定することができる。本発明以前には、トレースの分散は決して検討されなかったが、今や本発明を用いて、トレースの分散は、貴重な生理学的情報を提供することができる。例えば、Trace(D)の分散は、この目的に適合されたF検定を用いて検証することができる。最後に、Trace(D)がROI内で正規に分散するかを評価するために、コルモゴロフ−スミルノフ検定またはその変形形態のうちの1つを使用することができる。この検定は、トレースデータが系統アーチファクト(例えば動き)によって破壊されているかどうかを示す。 In this distribution, the hypothesis can be first formulated with respect to the moment of Trace (D) in the ROI and tested quantitatively using the present invention (see eg (51)). Specifically, whether or not Trace (D) is uniform in normal brain parenchyma, whether or not Trace (D) is significantly reduced in the ischemic region, or Trace (D) is a disease region of brain parenchyma Related hypotheses, such as whether or not to increase, can be tested clinically or biologically. To assess the degree of non-uniformity of Trace (D) at different ROIs, the hypothesis of the distribution of traces at different ROIs can be tested. Prior to the present invention, distribution of traces was never considered, but now using the present invention, distribution of traces can provide valuable physiological information. For example, the variance of Trace (D) can be verified using an F-test adapted for this purpose. Finally, one can use the Kolmogorov-Smirnov test or one of its variants to assess whether Trace (D) is normally distributed within the ROI. This test indicates whether the trace data has been corrupted by systematic artifacts (eg movement).
(5.3 結果および考察)
正常または虚血性灰白質に対応する拡散特性を有する拡散テンソルを含むROI中で、DT−MRI実験のモンテカルロシミュレーションを実行した(41)。異なるSN比(SNR)でもシミュレーションを実行した。6つの異なる方向に沿って等方的に配向する拡散勾配で獲得される6つのDWIの4つのセットを用いるシミュレーションでは、Trace(b)は0から900sec/mm2の範囲である。
(5.3 Results and discussion)
A Monte Carlo simulation of a DT-MRI experiment was performed in an ROI containing a diffusion tensor with diffusion properties corresponding to normal or ischemic gray matter (41). Simulations were also performed with different signal-to-noise ratios (SNR). In the simulation using the six four sets of DWI which is obtained by the diffusion gradient oriented isotropically along six different directions, Trace (b) is in the range from 0 to 900 sec / mm 2.
図10に、個々のボクセルを注目する領域として選択することを示す。灰白質(GM)、白質(WM)、およびCSFを含むボクセルが選択されていることを示す。注目する各領域は単一ボクセルを有する。 FIG. 10 shows selection of individual voxels as regions of interest. Shows that voxels containing gray matter (GM), white matter (WM), and CSF are selected. Each region of interest has a single voxel.
ブートストラップ方法を用いて、Trace(D)に関する経験的統計分布を、ボクセルに関して決定される拡散テンソルに基づいて図10で選択される3つのボクセルに対して決定した。加えて、単変量ガウス分布を用いてボクセルごとにTrace(D)に関するパラメトリック統計分布を決定した。図11A〜11Cに、Trace(D)に関する経験的統計分布とTrace(D)に関するパラメトリック統計分布との比較を示す。具体的には、図11Aに、灰白質を含む図10の単一ボクセルから得られる経験的ブートストラップデータを示し、図11Aのデータをガウス分布を用いてフィットした。図11Bに白質を含む図10の単一ボクセルから得られる経験的ブートストラップデータを示し、図11Bのデータもガウス分布を用いてフィットした。図11Cに、CSFを含む図10の単一ボクセルから得られる経験的ブートストラップデータを示し、図11Cのデータもガウス分布を用いてフィットした。図11A〜11Cからわかるように、Trace(D)に関する経験的統計分布は、Trace(D)に関するパラメトリック統計分布に密接に従い、拡散重み付き像中にアーチファクトがほとんどないと推測することができる。 Using the bootstrap method, an empirical statistical distribution for Trace (D) was determined for the three voxels selected in FIG. 10 based on the diffusion tensor determined for the voxels. In addition, a parametric statistical distribution for Trace (D) was determined for each voxel using a univariate Gaussian distribution. 11A-11C show a comparison of the empirical statistical distribution for Trace (D) and the parametric statistical distribution for Trace (D). Specifically, FIG. 11A shows empirical bootstrap data obtained from the single voxel of FIG. 10 containing gray matter, and the data of FIG. 11A was fitted using a Gaussian distribution. FIG. 11B shows empirical bootstrap data obtained from the single voxel of FIG. 10 containing white matter, and the data of FIG. 11B was also fitted using a Gaussian distribution. FIG. 11C shows empirical bootstrap data obtained from the single voxel of FIG. 10 with CSF, and the data of FIG. 11C was also fitted using a Gaussian distribution. As can be seen from FIGS. 11A-11C, the empirical statistical distribution for Trace (D) closely follows the parametric statistical distribution for Trace (D), and it can be assumed that there are few artifacts in the diffusion weighted image.
ノンパラメトリック方法を使用して単一の研究からDT−MRI実験の多くの複製を生成すること、または単一の研究からデータをプールしてROI内のDの分布を構築することのいずれかによって、個々のボクセル間のTrace(D)の差または変化に関して定量的仮説検定を構築することができる。したがって、ROI内および異なるROI間で単一ボクセル中のTrace(D)について有用な特徴を決定することができる。例として、Trace(D)に関する定量的仮説検定を以下のように構築することができる。
・Trace(D)はROI内で一様か?
・Trace(D)は正常な脳柔組織内で一様か?
・Trace(D)の差は、脳柔組織を含む2つのROIで有意か?
・Trace(D)は虚血ROIで有意に降下するか?
・Trace(D)は疾患領域で増加するか?
・各SNRで確かに検出することができるTrace(D)の最小の降下は?
・異なるROIでのTrace(D)の不均一を評価するために、Traceの分散は異なるROIで同じか?
By generating many replicates of DT-MRI experiments from a single study using non-parametric methods, or pooling data from a single study to build a distribution of D within the ROI Quantitative hypothesis tests can be constructed for the difference or change in Trace (D) between individual voxels. Therefore, useful features can be determined for Trace (D) in a single voxel within and between different ROIs. As an example, a quantitative hypothesis test for Trace (D) can be constructed as follows.
• Is Trace (D) uniform within the ROI?
Is Trace (D) uniform in normal brain parenchyma?
Is the difference in Trace (D) significant in the two ROIs including brain parenchyma?
• Does Trace (D) drop significantly in ischemic ROI?
• Does Trace (D) increase in disease areas?
• What is the minimum drop in Trace (D) that can be reliably detected at each SNR?
Is the variance of Trace the same for different ROIs to assess the non-uniformity of Trace (D) at different ROIs?
図12に、ROI平均トレース測定での差が固定統計パワーで統計的に有意であるかどうかの仮説を示す。Trace(D)の最小の検出可能な有意な差δを、検定のパワー、pレベル、SNRの分散、およびROIを含むボクセルの数に暗に関係づける解析式を用いて、50個のボクセルを含み、統計パワー0.95のROIに関するSNRに対してδをプロットする。図12の異なる曲線は、異なるpレベルに対応し、望みの信頼レベルが高くなると、各SNRでのδが大きくなる。図12の左の軸は、最小の検出可能なTrace(D)の変化(μm2/sec)を表示する。やはり、ほぼδとSNRの間のほぼ双曲の関係は、δとSNRの間での兼ね合いを示す。Trace(D)の分散の最小の検出可能な有意な差に対して同様の結果を得る。 FIG. 12 shows a hypothesis as to whether the difference in ROI average trace measurements is statistically significant at a fixed statistical power. Using an analytic formula that implicitly relates the minimum detectable significant difference δ of Trace (D) to the power of the test, p-level, variance of SNR, and the number of voxels including ROI, 50 voxels And plot δ against SNR for ROI with a statistical power of 0.95. The different curves in FIG. 12 correspond to different p levels, and δ at each SNR increases as the desired confidence level increases. The left axis of FIG. 12 displays the smallest detectable change in Trace (D) (μm 2 / sec). Again, the approximately hyperbolic relationship between approximately δ and SNR indicates a trade-off between δ and SNR. Similar results are obtained for the smallest detectable significant difference in the variance of Trace (D).
MRI、および具体的にはDT−MRIでの多くの統計量はどちらも偏り、非ガウス分布である。例には、Dのソート後固有値(40)と、その対応する固有ベクトル(64)と、拡散異方性の測定(40)が含まれる。顕著には、Trace(D)は約5よりも大きいSNRに対して偏らず(62)、ここでガウス分散であることが示される。この2つの事実により、Trace(D)は非常に強力なパラメータとなる。 Many statistics in MRI, and in particular DT-MRI, are both biased and non-Gaussian. Examples include D sorted eigenvalues (40), their corresponding eigenvectors (64), and diffusion anisotropy measurements (40). Notably, Trace (D) is not biased for SNR greater than about 5 (62), where it is shown to be Gaussian distributed. These two facts make Trace (D) a very powerful parameter.
本発明のこの新しい方法により、DT−MRIトレースデータの品質、臨床的値、および生物学的有用性が著しく向上する。本発明の統計分析が、今やどんなDWI獲得に対しても繰り返すことができるからである。本発明は、Trace(D)と、健康、成長、劣化、および病気における変化に関する仮説を検定するための第1定量的技法を提供する。最初に、専用の統計的方法を用いるのではなく、厳密な統計的検定を用いてトレースMR撮像実験を設計し、解釈し、解析することができる(統計的アーチファクトの検出を含めて)。信頼区間を割り当ててTrace(D)の変化を観測することができる。この手法により、長期的なマルチサイトの薬品発見および治療上の効力の研究への応用例、ならびに例えば脳卒中、腫瘍、および他の病気および条件の評価の診断への応用例を見出すことができる。 This new method of the present invention significantly improves the quality, clinical value, and biological utility of DT-MRI trace data. This is because the statistical analysis of the present invention can now be repeated for any DWI acquisition. The present invention provides Trace (D) and a first quantitative technique for testing hypotheses regarding changes in health, growth, degradation, and disease. Initially, rather than using specialized statistical methods, trace MR imaging experiments can be designed, interpreted, and analyzed using rigorous statistical tests (including detection of statistical artifacts). A confidence interval can be assigned to observe the change in Trace (D). This approach can find applications in long-term multi-site drug discovery and therapeutic efficacy studies, as well as in the diagnosis of, for example, assessment of stroke, tumors, and other diseases and conditions.
加えて、本発明を使用して、腫瘍を格付けする際、または虚血性半影を識別する際などに必要な、拡散特性の微細な変化を検出する能力を向上することができる。さらに、本発明を使用して、ボクセルごとにDWI中の系統アーチファクト(例えば動き)を検出することができる。最後に、この統計的方法は、その拡散特性によって組織をセグメント化することに適用することもできる。この枠組みは他のDT−MRI「染色」の妥当性を扱うことにも拡張することができる。 In addition, the present invention can be used to improve the ability to detect minute changes in diffusion properties, such as required when grading tumors or identifying ischemic penumbra. Furthermore, the present invention can be used to detect systematic artifacts (eg, motion) in the DWI for each voxel. Finally, this statistical method can also be applied to segmenting tissue by its diffusion characteristics. This framework can also be extended to handle the validity of other DT-MRI “stains”.
(6.水の見かけ拡散テンソルのトレースの変動性に関する定量的検定:臨床的含意および生物学的含意)
前節では、DT−MRIを用いて測定される効果的な拡散テンソルのトレースTrace(D)を、その平均および分散をDT−MRIデータから直接推定することができるデータ単変量ガウス分布によって説明した。定量的統計仮説検定は、Trace(D)の生物学的に意味ある変化(例えば健康、成長、劣化、および病気で生じる変化)とすべての拡散重み付き像に存在するMRバックグラウンドノイズの間を識別するように設計することができる。このような検定は、どんな特定のSN比(SNR)、Trace(D)の最小の測定可能な変化に対しても、Trace(D)が正常な脳柔組織中で一様かどうか、またはある脳領域と別の脳領域のTrace(D)に有意な差があるかどうかを判定することを含む。長期的な研究およびマルチサイトの研究のどちらでも、異なる組織領域間のTrace(D)データの統計的に有意な差を評価することができる。本発明では、異なるボクセル、異なるROI、および異なる対象の間で、Trace(D)の分散の差の有意性を測定することができる。ノンパラメトリック(例えばブートストラップ)方法を使用して、各ボクセル内のTrace(D)の分布2次以上のモーメントを決定することができる。拡散重み付き像(DWI)獲得で、例えば対象の動きによって引き起こされる系統アーチファクトの繊細な測定として、Trace(D)の分布の正規性からの偏差を使用することができる。最後に、Trace(D)の分布を知ることにより、その拡散特性に基づいて異なる組織区画の間を区別するための、k平均などの統計ベースの像セグメント化方式の使用が可能となる。
(6. Quantitative test for the variability of the apparent diffusion tensor trace of water: clinical and biological implications)
In the previous section, the effective diffusion tensor trace Trace (D) measured using DT-MRI was described by a data univariate Gaussian distribution whose mean and variance can be estimated directly from DT-MRI data. Quantitative statistical hypothesis testing is the difference between the biologically meaningful changes in Trace (D) (eg changes that occur in health, growth, deterioration, and disease) and the MR background noise present in all diffusion weighted images. Can be designed to identify. Such an assay is whether or not Trace (D) is uniform in normal brain parenchyma for any particular signal-to-noise ratio (SNR), the smallest measurable change in Trace (D). Determining whether there is a significant difference in Trace (D) between the brain region and another brain region. Both long-term and multi-site studies can assess statistically significant differences in Trace (D) data between different tissue regions. In the present invention, the significance of the difference in the variance of Trace (D) can be measured between different voxels, different ROIs, and different subjects. A non-parametric (eg bootstrap) method can be used to determine the second or higher moment of distribution of Trace (D) within each voxel. Deviations from the normality of the distribution of Trace (D) can be used as a sensitive measure of systematic artifacts caused, for example, by object motion in diffusion weighted image (DWI) acquisition. Finally, knowing the distribution of Trace (D) allows the use of statistical-based image segmentation schemes such as k-means to distinguish between different tissue sections based on their diffusion characteristics.
(6.1 概要)
DT−MRI(44)の発展に追従して、DT−MRI撮像パラメータのうちの1つ、拡散テンソルのトレースTrace(D)は、猫(53)、犬、マカーク(macaque)(40)、およびヒト(54)、(41)の正常な生きている脳柔組織内で空間的に一様であり、顕著には、これらの種でほぼ同じ値を有する(55)ことが報告された。これらの結果は、灰質と白質の間の解剖学および組織学の非常な相違と、これらの異なる種の間の脳構造の著しい差とを考えるときに驚くべきことである。しかしこれを確証できた場合、これらの結果は比較生理学での重要な結果を有する可能性があり、その上、以下に説明するように病気の早期選別および診断での重要な結果を有する可能性がある。
(6.1 Overview)
Following the evolution of DT-MRI (44), one of the DT-MRI imaging parameters, diffusion tensor trace Trace (D), cat (53), dog, macaque (40), and It has been reported that it is spatially uniform within the normal living brain parenchyma of humans (54), (41) and, notably, has approximately the same value in these species (55). These results are surprising when considering the great anatomical and histological differences between gray and white matter and the significant differences in brain structure between these different species. However, if confirmed, these results may have important consequences in comparative physiology, and may have important consequences in early screening and diagnosis of the disease, as described below. There is.
次に、これらの発見が定性的であるかどうかに関する質問を扱う。まず、Trace(D)のMRIベースの測定は、常にバックグラウンドノイズの対象となり(40)、その結果、均質媒体であっても、Trace(D)の測定は、ボクセルごとに固有の変動性を示す。したがって、Trace(D)の一様性の主張を定量的に検定するためには、正常な柔組織内のすべてのボクセルでのTrace(D)の値が同じ統計分布から生じるという統計的仮説としてこの命題を変更しなければならない。本節は、この分布の正しい形を扱い、特に仮説がDT−MRIデータを用いてどのように書かれ、検定されるかを扱う。 Next we will address questions about whether these findings are qualitative. First, Trace (D) MRI-based measurements are always subject to background noise (40), and as a result, even for homogeneous media, Trace (D) measurements have inherent variability for each voxel. Show. Therefore, in order to quantitatively test the assertion of uniformity of Trace (D), the statistical hypothesis that the value of Trace (D) in all voxels in normal parenchyma results from the same statistical distribution We must change this proposition. This section deals with the correct form of this distribution, specifically how hypotheses are written and tested using DT-MRI data.
急性脳卒中では、虚血性領域でのTrace(D)の減少が50%となることが報告されている(54)。慢性脳卒中では、増加は同程度となる可能性がある(54)。他の多くの臨床的条件では、組織微細構造、アーキテクチャ、または身体的特性の随伴する変化は小さいことがある。例えば、ある条件では、バックグラウンド無線周波数(RF)ノイズのために、信号の変動からTrace(D)の変化を識別することが難しい可能性がある。この例には、腫瘍を識別し、格付けすること(55)、急性脳卒中で白質と灰白質の間の平均拡散率の小さな差を測定すること(56)、MS病変を識別すること(57)、(58)、およびペリツェウス−メルツバッヘル病(36)、ウォラーの変性(25)、ならびにパーキンソン病およびアルツハイマー病(59)などの神経変性障害での拡散変化をたどることが含まれる。正常な脳でのTrace(D)の空間一様性を定量的に確立することができる場合、Trace(D)からの有意な偏差は、異常発生または病気に対する有用で感度の良い臨床的マーカとすることができ、その早期検出またはスクリーニングに関する先行方法とすることもできる。 In acute stroke, it has been reported that the decrease in Trace (D) in the ischemic region is 50% (54). In chronic stroke, the increase can be comparable (54). In many other clinical conditions, the accompanying changes in tissue microstructure, architecture, or physical characteristics may be small. For example, under certain conditions, it may be difficult to distinguish changes in Trace (D) from signal variations due to background radio frequency (RF) noise. Examples include identifying and grading tumors (55), measuring small differences in mean diffusivity between white and gray matter in acute stroke (56), identifying MS lesions (57) , (58), and Perezus-Merzbacher's disease (36), Waller's degeneration (25), and following diffusion changes in neurodegenerative disorders such as Parkinson's disease and Alzheimer's disease (59). If the spatial uniformity of Trace (D) in the normal brain can be quantitatively established, a significant deviation from Trace (D) is a useful and sensitive clinical marker for abnormalities or disease. And can be a prior method for its early detection or screening.
Trace(D)の最小の臨床的に有意な増加または減少のレベルが確立した後、新しい統計的検定の枠組みを逆に使用して、最適な(例えば必要なDWIが最も少ない、時間が最短である、など)MRIスキャニングプロトコルを設計することができる。 After the minimal clinically significant increase or decrease level of Trace (D) is established, the new statistical test framework can be used in reverse to optimize (eg, require the least DWI, minimize time) MRI scanning protocol can be designed.
より一般的には、臨床的診断でのTrace(D)の有用性にも関わらず、(例えば正常組織および異常組織を比較するために)単一スキャンの間に同じ被験者についての異なるボクセルまたは注目する領域(ROI)でのTrace(D)の値を比較し、(例えば長期的な研究で)異なる時点でスキャンされた同じ被験者の同じROIでのTrace(D)の値を比較し、または(多中心的研究で)異なる被験者でのROI間のTrace(D)の値を比較するために利用可能な定量的に厳密な方法が現在のところ存在しない。現在のところ、この目的のために専用の統計的検定しか使用されていない。各ボクセル内のTrace(D)の分布が未知であり、したがってTrace(D)に関するパラメトリックベースの統計的検定を意味ある仕方で適用することができなかったからである。 More generally, despite the usefulness of Trace (D) in clinical diagnosis, different voxels or attention for the same subject during a single scan (eg, to compare normal and abnormal tissues) Compare the value of Trace (D) in the region of interest (ROI), compare the value of Trace (D) in the same ROI of the same subject scanned at different time points (eg, in a long-term study), or ( There is currently no quantitatively exact method available to compare Trace (D) values between ROIs in different subjects (in a multicentric study). At present, only dedicated statistical tests are used for this purpose. This is because the distribution of Trace (D) within each voxel is unknown and therefore parametric-based statistical tests on Trace (D) could not be applied in a meaningful way.
最後に、拡散重み付き像(DWI)は、系統アーチファクト、例えば被験者の動き、うず電流、磁化率の差などによって汚染される可能性がある(60)。現在のところ、DWI中のこのようなアーチファクトの重大度を検定し、評価するための十分な方式が存在しない。本節では、Trace(D)の周知の分布からのその分布の偏差を評価することによってDWIの各ボクセル中の系統アーチファクトを検出するための処方をさらに提供する。 Finally, Diffusion Weighted Images (DWI) can be contaminated by systematic artifacts such as subject motion, eddy currents, susceptibility differences, etc. (60). At present, there are not enough schemes to test and assess the severity of such artifacts in DWI. This section further provides a prescription for detecting phylogenetic artifacts in each voxel of DWI by evaluating the deviation of that distribution from the known distribution of Trace (D).
(6.2 方法)
前節では、DT−MRIによって得られる拡散テンソルの要素が、空間的に一様な拡散特徴を有するROI内で多変量ガウス確率密度関数に従って分布することを示した。Dが6次元ベクトル
(6.2 Method)
In the previous section, we showed that the elements of the diffusion tensor obtained by DT-MRI are distributed according to the multivariate Gaussian probability density function within the ROI with spatially uniform diffusion characteristics. D is a 6-dimensional vector
として書かれるとき、この分布は以下のように書くことができる。 This distribution can be written as:
上式で、M=(μxx,μyy,μzz,μxy,μxz,μyz)Tは6次元平均ベクトルであり、Σは非対角要素が負である可能性がある6×6共分散行列である。 Where M = (μ xx , μ yy , μ zz , μ xy , μ xz , μ yz ) T is a 6-dimensional average vector, and Σ may be negative for off-diagonal elements 6 × 6 covariance matrix.
多変数統計分析の理論では、 In the theory of multivariate statistical analysis,
などの多変量ガウス分布変数の任意の線形結合は、単変量ガウス分布に従って分布しなければならないことは良く知られている(51)。 It is well known that any linear combination of multivariate Gaussian distribution variables such as must be distributed according to a univariate Gaussian distribution (51).
の1つの線形結合は、 One linear combination of
Trace(D)=(1,1,1,0,0,0)(Dxx,Dyy,Dzz,Dxy,Dxz,Dyz)T=Dxx+Dyy+Dzz=3<D> (5) Trace (D) = (1,1,1,0,0,0) (D xx, D yy, D zz, D xy, D xz, D yz) T = D xx + D yy + D zz = 3 <D> (5)
上式で、<D>は、方向的に平均した回転不変平均拡散率(または平均ADC)である。次いで、特定のボクセル内または均質ROI内で、Trace(D)は以下に従って分布する。 In the above formula, <D> is a rotationally invariant average diffusion rate (or average ADC) averaged in a direction. Then, within a particular voxel or homogeneous ROI, Trace (D) is distributed according to:
ただしμは母集団平均であり、σT 2は母集団分散である。上式で、 Where μ is the population mean and σ T 2 is the population variance. Where
μ=(1,1,1,0,0,0)(μxx,μyy,μzz,μxy,μxz,μyz)T=μxx+μyy+μzz (7) μ = (1, 1, 1, 0, 0, 0) (μ xx , μ yy , μ zz , μ xy , μ xz , μ yz ) T = μ xx + μ yy + μ zz (7)
かつ、 And,
σT 2=(1,1,1,0,0,0)Σ(1,1,1,0,0,0)T=σ2 xxxx+σ2 yyyy+σ2 zzzz+2σ2 xxyy+σ2 yyzz+σ2 xxzz (8) σ T 2 = (1,1,1,0,0,0) Σ (1,1,1,0,0,0) T = σ 2 xxxx + σ 2 yyyy + σ 2 zzzz + 2σ 2 xxyy + σ 2 yyzz + σ 2 xxzz (8)
上式で、 Where
σ2 xxxx=Var(Dxx),σ2 yyyy=Var(Dyy),σ2 zzzz=Var(Dzz) (9) σ 2 xxxx = Var (D xx ), σ 2 yyyy = Var (D yy ), σ 2 zzzz = Var (D zz ) (9)
かつ、 And,
σ2 xxyy=Cov(Dxx,Dyy),σ2 yyzz=Cov(Dyy,Dzz),σ2 xxzz=Cov(Dxx,Dzz) (10) σ 2 xxyy = Cov (D xx , D yy ), σ 2 yyzz = Cov (D yy , D zz ), σ 2 xxzz = Cov (D xx , D zz ) (10)
Trace(D)の母集団平均は、Dの3つの対角要素の母集団平均の和であることがわかる。しかし、Trace(D)の母集団分散は、拡散テンソルDxx、Dyy、Dzzの対角要素の分散(例えばVar(Dxx))と、その共分散(例えばCov(Dxx,Dyy))の和である。一般には、分散がすべて正であっても、共分散はどちらの符号も取ることができ、Trace(D)の合計分散σT 2に、正にも負にも寄与することができる。さらに、これらの共分散項が消える先験的な理由は存在せず、ファントムに対する初期の実験でもこれらの項は一般にゼロでないことが示されている(17)。 It can be seen that the population average of Trace (D) is the sum of the population average of the three diagonal elements of D. However, the population variance of Trace (D) is the variance of the diagonal elements of the diffusion tensors D xx , D yy , D zz (eg, Var (D xx )) and its covariance (eg, Cov (D xx , D yy). )). In general, it is all distributed positive, covariance may take either sign, the total variance sigma T 2 of Trace (D), can contribute to either positive or negative. Furthermore, there is no a priori reason for the disappearance of these covariance terms, and early experiments with phantoms have shown that these terms are generally not zero (17).
一般に、母集団値はμ、σT 2であり、Σは先験的に未知である。したがって、母集団値は、実験データから推定しなければならない。このことは2つの方式で実行することができる。第1に、DWIの完全なセットに対する多変量線形回帰を用いてボクセルごとにDを推定し、このDからμ、σT 2、およびΣのサンプル推定(17)、またはこれらの推定を得る。第2に、前節で説明したように元のデータのサブセットを置換で反復的にサンプリングするブートストラップ方法を用いて、ボクセルごとにDを推定し、Trace(D)などの、拡散テンソル要素およびその関数のモーメントを経験的に決定する。 In general, the population values are μ, σ T 2 and Σ is unknown a priori. Therefore, population values must be estimated from experimental data. This can be done in two ways. First, D is estimated for each voxel using multivariate linear regression over the complete set of DWIs, and from this D sample estimates of μ, σ T 2 , and Σ (17), or these estimates are obtained. Second, using a bootstrap method that iteratively samples a subset of the original data with permutations as described in the previous section, D is estimated for each voxel, and a diffusion tensor element such as Trace (D) and its Determine the moment of the function empirically.
Trace(D)の分布は周知であるので、本発明で、第1時間に関して、個々のボクセル内またはROI内のそのモーメントについての仮説を定式化し、定量的に検定することができる(例えば(51)を参照)。具体的には、Trace(D)が正常な脳柔組織で一様であるかどうか、またはTrace(D)が脳柔組織の疾患領域で降下または上昇するかどうかなどの、臨床的または生物学的に関連する仮説を検定することができる。 Since the distribution of Trace (D) is well known, the present invention can formulate and quantitatively test the hypothesis for that moment in an individual voxel or ROI with respect to the first time (eg, (51 )). Specifically, clinical or biology, such as whether Trace (D) is uniform in normal brain parenchyma or whether Trace (D) is lowered or elevated in diseased areas of brain parenchyma. Relevant hypotheses can be tested.
Trace(D)がROI内で一様であるかどうかを確立するために適用することができるいくつかの検定がある。例えば、以下の検定を実行することができる。Trace(D)の分布は、バックグラウンドノイズの所与のレベルに対して単一平均を有する分布によって記述されるかどうか。Trace(D)の分布は、バックグラウンドノイズの所与のレベルに対して単一分散を有する分布によって記述されるかどうか。Trace(D)の分布は、バックグラウンドノイズの所与のレベルに対して正規分布によって記述されるかどうか。Trace(D)の単一平均のヌル仮説を検定するためにt検定を用いる。Trace(D)の単一分散のヌル仮説を検定するためにF検定を用いる。Trace(D)の正規分布を検定するためにコルモゴロフ−スミルノフ検定を用いる。 There are several tests that can be applied to establish whether Trace (D) is uniform within the ROI. For example, the following test can be performed. Whether the distribution of Trace (D) is described by a distribution with a single average for a given level of background noise. Whether the distribution of Trace (D) is described by a distribution with a single variance for a given level of background noise. Whether the distribution of Trace (D) is described by a normal distribution for a given level of background noise. A t-test is used to test the single-mean null hypothesis of Trace (D). The F test is used to test the single variance null hypothesis of Trace (D). The Kolmogorov-Smirnov test is used to test the normal distribution of Trace (D).
2つの異なるROI間のTrace(D)の差を評価するために、トレースの平均が異なるかどうか、トレースの分散が2つのROIで異なるかどうかの仮説を検定することができる。どちらかが異なる場合、それらの間には有意な差があると結論することができる。本発明の前においては、トレースの分散は決して検査されなかったが、トレースの分散により、今や本発明を使用して有用な生理学的情報が提供される。 In order to evaluate the difference in Trace (D) between two different ROIs, the hypothesis of whether the trace means are different and whether the variance of the traces is different between the two ROIs can be tested. If either is different, it can be concluded that there is a significant difference between them. Prior to the present invention, the distribution of traces was never examined, but the distribution of traces now provides useful physiological information using the present invention.
最後に、Trace(D)がROI内で正規に分布するかを評価するために、コルモゴロフ−スミルノフ検定またはKuiper検定(52)を使用することができる。基本的原理より、(例えば患者の動きによる)系統アーチファクトがない場合、Trace(D)は各ボクセル内で正規に分布することが周知であるので、Trace(D)が各ボクセル内で正規に分布しない場合、系統アーチファクトによって破壊されている。例えば、図13に、拡散重み付き像中のアーチファクトの検出を示す。図13では、ブートストラップ方法を介して得られるTrace(D)の分布は、ガウス確率密度関数によって記述されない。 Finally, the Kolmogorov-Smirnov test or the Kuiper test (52) can be used to assess whether Trace (D) is normally distributed within the ROI. From the basic principle, it is well known that Trace (D) is normally distributed within each voxel in the absence of systematic artifacts (eg due to patient movement), so Trace (D) is normally distributed within each voxel. If not, it is destroyed by systematic artifacts. For example, FIG. 13 shows detection of artifacts in a diffusion weighted image. In FIG. 13, the distribution of Trace (D) obtained through the bootstrap method is not described by a Gaussian probability density function.
Trace(D)の検定をボクセルごとに事前形成することができる。この検定は、ブートストラップ方法を用いて達成される。ブートストラップ方法は再サンプリング技法であり、拡散テンソル値の経験的分布は、拡散重み付き像の単一セットからボクセルごとに得られる。この方法と、DT−MRIへのその応用は、前節で説明した。 The Trace (D) test can be pre-formed for each voxel. This assay is accomplished using a bootstrap method. The bootstrap method is a resampling technique, where an empirical distribution of diffusion tensor values is obtained for each voxel from a single set of diffusion weighted images. This method and its application to DT-MRI was described in the previous section.
特定のROI内の組織の先験的な割り当てを行わないことが望ましく、Trace(D)の値に基づいてこのような組織領域をセグメント化することが望ましい場合、Trace(D)が一様である(すなわち、Trace(D)が、同じ平均および分散を有するガウス分布から取られたものと一致する)領域を決定するための対話的方式を使用することができる。 If it is desirable not to do a priori assignment of tissue within a particular ROI, and it is desirable to segment such tissue regions based on the value of Trace (D), Trace (D) will be uniform. An interactive scheme can be used to determine certain regions (ie, Trace (D) matches that taken from a Gaussian distribution with the same mean and variance).
上記で論じたように、Trace(D)および他の量は、好ましくは7個以上の拡散重み付き像からの拡散テンソルの決定に基づいて決定される。任意選択として、たとえばより少ない5、4、2または1つの拡散重み付き像を用いて、Trace(D)などのこれらの量を近似することができる。全拡散テンソルを直接計算せずにTrace(D)の推定を得るためのいくつかの方法が最近報告された。例えば、各像が、非拡散重み付き像により正規化される4つの四面体的に符号化した拡散重み付き像の和を取ることによって、Trace(D)の推定を得ることができる。この手法は、(63)および(64)で提案された。その拡散勾配が3つの直交する方向に沿って適用される3つの拡散重み付き像から得られる3つの見かけ拡散係数の和を取ることによって、Trace(D)の推定も得ることができる。この手法の例が(53)で与えられている。上記のどちらの場合でも、すべての交差項を拡散重み付き撮像シーケンス中で除去することができなければ、これらの量はTrace(D)への近似に過ぎず、拡散重み付き像のそれぞれは、同じTrace(b)の値を有する。さらに少ない拡散重み付き像を有する「異方性重み付き」像またはトレース重み付き像を得るために、他の方式が提案されている。実際、いくつかのグループが、拡散重み付き像を2つだけ使用してTrace(D)の推定を得ることを提案している。これは、拡散重みづけをしていないある拡散重み付き像と、「異方性」重み付きの別の拡散重み付き像とを獲得することによって実施される。この手法の例は、(65)、(66)、および(67)で与えられている。現在のところ、上記で提案されている方法のいずれかを用いた統計分布、平均および分散での偏り、ならびにこれらのTrace(D)の推定の他の特徴は、まだ調査されていない。 As discussed above, Trace (D) and other quantities are preferably determined based on the determination of the diffusion tensor from seven or more diffusion weighted images. Optionally, these quantities such as Trace (D) can be approximated, for example using fewer 5, 4, 2 or 1 diffusion weighted images. Several methods have recently been reported to obtain an estimate of Trace (D) without directly calculating the total diffusion tensor. For example, an estimate of Trace (D) can be obtained by taking the sum of four tetrahedrally encoded diffusion weighted images, where each image is normalized by a non-diffusion weighted image. This approach was proposed in (63) and (64). An estimate of Trace (D) can also be obtained by taking the sum of three apparent diffusion coefficients obtained from three diffusion weighted images whose diffusion gradients are applied along three orthogonal directions. An example of this technique is given in (53). In either case, if all the cross terms cannot be removed in the diffusion weighted imaging sequence, these quantities are only approximations to Trace (D) and each of the diffusion weighted images is Have the same Trace ( b ) value. Other schemes have been proposed to obtain “anisotropic weighted” or trace weighted images with even less diffusion weighted images. In fact, some groups have proposed using only two diffusion weighted images to obtain an estimate of Trace (D). This is done by acquiring one diffusion weighted image that is not diffusion weighted and another diffusion weighted image with an “anisotropic” weight. Examples of this approach are given in (65), (66), and (67). At present, statistical distributions using any of the methods proposed above, bias in means and variances, and other features of these Trace (D) estimates have not yet been investigated.
(6.3 結果および考察)
均質な等方性ファントムでTrace(D)がガウス分布であるかどうかを経験的に決定するためにファントムの研究に着手した。この場合には、体積当たり0.5%ポリアクリル酸(500000MW)を含む水のファントムを使用する。このような低濃度中に存在する長連鎖ポリマーはバルク溶液の水の拡散率に影響を与えず、機械的振動(シヤーモードおよびバルクモード)およびファントム内で生じる熱勾配による対流などの水の拡散と間違える可能性があるいくつかの潜在的経験的アーチファクトを抑制する。ファントム全体にわたって0.1℃内の温度一様性を保証するために、熱ブランケットも使用した。これにより、このサンプル中で生じるレイリー対流の可能性がさらに低減し、サンプル中の拡散係数での熱変動が制限され、1℃当たり約1.5%となる(61)。
(6.3 Results and Discussion)
A phantom study was undertaken to determine empirically whether Trace (D) is a Gaussian distribution in a homogeneous isotropic phantom. In this case, a water phantom containing 0.5% polyacrylic acid (500,000 MW) per volume is used. Long chain polymers present in such low concentrations do not affect the water diffusivity of the bulk solution, and the diffusion of water such as mechanical vibrations (shear mode and bulk mode) and convection due to thermal gradients occurring in the phantom. Suppress some potential empirical artifacts that can be mistaken. A thermal blanket was also used to ensure temperature uniformity within 0.1 ° C. throughout the phantom. This further reduces the possibility of Rayleigh convection occurring in this sample, limiting thermal fluctuations in the diffusion coefficient in the sample to approximately 1.5% per degree Celsius (61).
正しい勾配因数DWIを得るときに適用されることを保証するために、前で概要を述べたのと同様の方法を用いて、このMRIシステムを事前較正した(18)。よく確立した手法を用いてうず電流効果などの他のアーチファクトも低減した((21)を参照)。磁化率アーチファクトは、容器の壁部近くにだけ存在し、したがって注目する領域を、常にそこから遠くに選ぶ。DWI獲得ごとのb行列をソフトウェアおよびコンピュータを用いて数値計算する(13)、(12)、(3)。(17)で概要が述べられている方法を用い、DWIの測定される強度と、その対応する計算されるb行列とを用い、多変量線形回帰を用いて拡散テンソルを推定する。 This MRI system was pre-calibrated (18) using a method similar to that outlined above to ensure that it is applied when obtaining the correct slope factor DWI. Other well-established techniques were used to reduce other artifacts such as eddy current effects (see (21)). Magnetic susceptibility artifacts are only present near the container wall, so the region of interest is always chosen far away from it. The b matrix for each DWI acquisition is numerically calculated using software and a computer (13), (12), (3). Using the method outlined in (17), the diffusion tensor is estimated using multivariate linear regression using the measured intensity of the DWI and its corresponding calculated b matrix.
説明した実施形態と、本明細書で論じた実施例は、非限定的な実施例である。 The described embodiments and the examples discussed herein are non-limiting examples.
本発明を好ましい実施形態に関して詳細に説明したが、その広範な態様での本発明から逸脱することなく変更および修正を行うことができることは、前述より当業者には明らかであろう。したがって特許請求の範囲で定義される本発明は、本発明の真の精神内に包含されるすべてのそのような変更および修正を包含するものとする。 Although the invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, it will be apparent to those skilled in the art from the foregoing that changes and modifications can be made without departing from the invention in its broader aspects. Accordingly, the invention as defined in the claims is intended to cover all such changes and modifications as fall within the true spirit of the invention.
本発明の実施形態を図面によってより詳細に説明する。ここで同じ参照番号は同じ特徴を指す。
Claims (9)
少なくとも1つの拡散強調信号を獲得するステップであって、該拡散強調信号のそれぞれは複数のボクセルを有する第1のサンプリングステップと、
前記拡散強調信号のそれぞれをサンプルすることにより、それぞれ再サンプルされた拡散強調信号を得る第2のサンプリングステップと、
前記再サンプルされた拡散強調信号から、拡散テンソルの統計的推定に基づいてボクセルごとの拡散テンソルに関連する量を近似するステップと、
前記拡散テンソルに関連する量から、前記拡散テンソルに関連した量に関する経験的統計分布を決定するステップと、
を備えることを特徴とするコンピュータ可読媒体。 A computer-readable medium having readable stored software for causing a computer system to execute a procedure for analyzing a diffusion tensor magnetic resonance signal, the procedure comprising:
Obtaining at least one diffusion-weighted signal, each of the diffusion-weighted signals having a first sampling step having a plurality of voxels;
A second sampling step of obtaining each resampled diffusion enhanced signal by sampling each of the diffusion enhanced signals;
Approximating from the resampled diffusion weighted signal a quantity related to the diffusion tensor per voxel based on a statistical estimate of the diffusion tensor;
Determining an empirical statistical distribution for the amount associated with the diffusion tensor from the amount associated with the diffusion tensor;
A computer-readable medium comprising:
少なくとも1つの拡散強調信号を獲得する手段であって、該拡散強調信号のそれぞれは複数のボクセルを有する第1のサンプリング手段と、
前記拡散強調信号のそれぞれをサンプルすることにより、それぞれ再サンプルされた拡散強調信号を得る第2のサンプリング手段と、
前記再サンプルされた拡散強調信号から、拡散テンソルの統計的推定に基づいてボクセルごとの拡散テンソルに関連する量を近似する手段と、
前記拡散テンソルに関連する量から、前記拡散テンソルに関連した量に関する経験的統計分布を決定する手段と、
を備えることを特徴とする装置。 An apparatus for analyzing a diffusion tensor magnetic resonance signal,
Means for obtaining at least one diffusion-weighted signal, each of the diffusion-weighted signals having first sampling means having a plurality of voxels;
Second sampling means for obtaining each resampled diffusion enhanced signal by sampling each of the diffusion enhanced signals;
Means for approximating a quantity associated with a per-voxel diffusion tensor based on a statistical estimate of the diffusion tensor from the resampled diffusion weighted signal;
Means for determining an empirical statistical distribution for the amount associated with the diffusion tensor from the amount associated with the diffusion tensor;
A device comprising:
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