「合併橫向弛緩評估之自由水擴散磁振成像技術」可精準評估中風腦損傷神經退化

腦中風是成年人最常見的腦部疾病,根據衛生福利部資料顯示2020年國人十大死因腦中風高居第四位。腦血管發生病變會導致缺血性病變損傷或血管破裂溢血導致腦組織損害,在病程中伴隨不同的組織病理特徵,包括細胞毒性水腫、血源性水腫、組織發炎、組織壞死和組織缺損等。鑒於其複雜的病理過程,提高診斷資訊的準確度和精準度至關重要。

磁振造影(Magnetic Resonance Imaging, MRI)是腦中風重要的診斷工具,其中,擴散張量成像技術(Diffusion Tensor Imaging, DTI)廣泛地應用於腦中風檢驗與研究。DTI是將體素(voxel)中水分子沿著組織中不同方向和程度的擴散分布軌跡,假設為單一高斯分布模型,透過模型擬合計算出指標參數反應組織微結構與病理特徵,例如:非等向性指標(fractional anisotropy, FA)與神經纖維的完整性和方向性有關,而平均擴散係數指標(mean diffusivity, MD)與水腫、組織發炎、壞死和缺損有關。然而,當體素中混和著「自由水」時(相當於腦組織產生血源性水腫),部分體積效應(partial volume effect, PVE)會導致擴散訊號衰減而降低了DTI指標的組織特異性,導致對病灶判斷錯誤。為了消除自由水的干擾,自由水擴散磁振成像技術(Free water elimination diffusional MRI, FWE MRI)是將體素中組織自身水分子和自由水的擴散分布軌跡假設為二個高斯分布模型的線性組合,經過自由水校正後組織水分子的指標(FAt, MDt)可以區分組織自身的變化,同時自由水的指標(free water fraction, fw )可以定量自由水體積比例;然而,雙高斯模型擬合往往面臨嚴重的不適定問題(解非唯一且不穩定)而降低FWE MRI指標的可信度,因此如何有效地解決FWE MRI影像處理中的不適定性是迫切需要解決的問題。先前報導指出,可透過增加擴散權重影像擷取、增加空間規整影像處理、增加參數條件限制和評估橫向弛緩時間(T2)等方法緩解不適定問題。

本院生醫工程與奈米醫學研究所郭立威副研究員實驗室團隊與德國Jülich Research Center的MRI團隊共同開發了合併橫向弛緩評估之自由水擴散磁振成像技術(Diffusion Free Water Elimination Model with Explicit Account of T2 Attenuation, FWET2)。此技術概念是由於組織水分子和自由水的T2有明顯差異,然而傳統FWE MRI模型忽略各自T2對擴散指標的影響而導致誤差,因此透過組織水分子和自由水同時評估擴散運動和T2,增加了FWET2擴散指標的精確度和穩定度。郭博士研究團隊與本院神經及精神醫學研究中心王昀特聘研究員實驗室合作,在自主研發的多尺度腦連結體3T磁振造影系統平台上使用大腦中動脈栓塞(Middle Cerebral Artery Occlusion, MCAO)大鼠模型,以FWET2技術評估中風腦損傷的時序變化並與相應的擴散張量成像(DTIT2)比較,顯示FWET2評估中風腦損傷中fw 指標的時序變化,指出腦水腫進展的生物物理過程;同時,校正了組織的擴散指標偏差,提高了準確度與精準度(圖1)。研究團隊進一步地驗證了損傷皮質中心區域及周圍內、外側區域的fw 指標與相應的組織病理特徵之關聯性,發現fw 指標與血管源性腦水腫、空洞化組織以及蜘蛛網膜下腔水腫有相似的趨勢變化(圖2),證實FWET2計算的fw 和組織的擴散指標可更準確地反應中風腦損傷神經退化。透過進一步地應用於臨床前期研究與臨床研究,預期FWET2技術將有助於中風、腦創傷或其他神經疾病的診斷與治療。研究成果已發表於NeuroImage (2021 Dec 1; 244:118605)。

圖1:合併橫向弛緩評估之自由水擴散磁振成像技術(FWET2)較相應的擴散張量成像(DTIT2)可提高對中風腦損傷退化評估的準確度和精準度,且可正確地評估自由水比例(fw)指標

圖2:FWET2計算的fw指標與血管源性腦水腫、空洞化組織和蜘蛛網膜下腔水腫有關

文/圖:生醫工程與奈米醫學研究所江嘉雯博士後研究員、郭立威副研究員

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