Validation of quantitative MRI metrics using full slice ...

3 downloads 6641 Views 448KB Size Report
... software initialy developed by [9]: https://github.com/neuropoly/axonseg. ... microscopy (possibly using electron microscope or CARS [10]), as well as.
Validation  of  quantitative  MRI  metrics  using  full  slice  histology  with  automatic  axon  segmentation   Tanguy  Duval1,  Blanche  Perraud1,  Manh-­‐‑Tung  Vuong1,  Nibardo  Lopez  Rios1,  Nikola  Stikov1,2,  Julien  Cohen-­‐‑Adad1,3   1  Institute  of  Biomedical  Engineering,  Polytechnique  Montréal,  Montréal,  QC,  Canada   2  Functional  Neuroimaging  Unit,  CRIUGM,  Université  de  Montréal,  Montreal,  QC,  Canada   3  A.A.  Martinos  Center  for  Biomedical  Imaging,  Massachusetts  General  Hospital,  Harvard  Medical  School,  Charlestown,  MA,   United  States   4  Montreal  Heart  Institute,  Montréal,  QC,  Canada     Synopsis.  In  this  work  we  propose  to  validate  and  compare  AxCaliber/ActiveAx/Noddi/MTV  in  the  spinal  cord  using  full   slice  histology  with  axon/myelin  segmentation.  High  resolution  data  (150µm/px)  were  acquired  on  an  ex  vivo  spinal  cord   and  compared  voxel  by  voxel  with  histology.  We  found  that  q-­‐‑space  metrics  were  precise  enough  to  distinguish  between   various  fiber  distributions.  A  correlation  coefficient  of  r=0.62  was  found  between  AxCaliber  and  histology  for  axon   ▲  Figure  1:  qspace   diameter  metric.  Also,  good  agreement  were  found  between  the  different  q-­‐‑space  models  and  with  MTV.   sampling  of  the     diffusion  protocols.   Purpose.  Many  quantitative  MRI  methods  have  been  proposed  to  measure  the  diameter  of  axons  and  their  density  (e.g.   AxCaliber  [1],  NODDI  [2]  or  ActiveAx  [3]),  as  well  as  the  volume  of  myelin  or  macromolecules  (qMT,  MTV  [4]).  Most  of  these   a.  AxCaliber  b.  Noddi   and  ActiveAx   methods  have  been  validated  independently,  but  the  exact  diffusion  modeling  in  white  matter  is  still  under  debate  [5,6].  In   order  to  compare  and  rank  the  precision  of  different  methods  and  models,  the  community  needs  a  ground  truth  obtained   ▶ Figure  2:   from  histology  of  a  broad  range  of  fiber  distributions.  In  this  work,  we  focus  on  the  variety  of  diameter  distribution  and   densities  present  in  the  spinal  tracts.  AxCaliber,  NODDI,  ActiveAx  and  MTV  protocols  were  acquired  on  an  ex  vivo  cat  spinal   Framework  for  the   comparison  of  MRI   cord.  The  precision  of  the  extracted  metrics  was  assessed  using  full  slice  histology  with  automatic  axon  segmentation.  We   quantitative  metrics   also  make  our  data  publicly  available  as  a  basis  for  future  comparisons  (http://www.neuro.polymtl.ca/downloads).     with  histology.    The     Methods.    Tissue  preparation.  A  cervical  segment  of  cat  spinal  cord  (perfused  and  post-­‐‑fixed  with  paraformaldehyde  4%)   optical  microscopy   (a)  was  automatically   was  extracted.    After  24h,  two  contiguous  1cm  pieces  were  cut.  MRI:  The  first  piece  was  scanned  on  a  Agilent  7T  animal   scanner  equipped  with  600  mT/m  gradients.  The  tissue  was  washed  in  PBS  5  days  at  4°C  before  scanning  and  inserted  into   axon-­‐‑segmented  (b).   a  small  glass  tube  filled  with  buffered  water.  A  custom-­‐‑made  solenoid  coil  was  used  for  transmission  and  reception  (S11  ~  -­‐‑ The  i mage  was  then   downsampled  (c)  by   40dB).  One  axial  slice  of  spinal  cord  was  acquired,  matrix  64x64.  Resolution  was  0.16x0.16x0.20  mm3.  Diffusion.  A  single   computing  the   shot  EPI  sequence  was  used:  BW=250kHz,  TR=2s.  AxCaliber.  Figure  1.a.  shows  the  qspace  sampling  (2D  sampling   perpendicular  to  the  spinal  cord).  Diffusion  parameters  were  δ=3/8/8/8  ms,  Δ  =  7/12/25/40  ms,  G  =  [0  ..  849]  mT/m  (199   average  axonal   increments),  TE  minimized  (36  -­‐‑  62ms).  The  minimal  model  of  white  matter  (hindered  and  restricted  in  parallel  cylinders)   metrics  in   150x150µm2  pixels.   was  used.  Fitting  parameters  were  (i)  axon  diameter  index  [3]  (ii)  fraction  of  restricted  water  (fr),  and  (iii)  apparent   Metrics  were  finally   hindered  diffusion  coefficient.  NODDI  and  ActiveAx.  Figure  1.b.  shows  the  qspace  sampling.  Diffusion  parameters  were   registered  on  the  MRI   δ=3ms,  Δ=30ms,  4  shells  acquired  with  bvalue=40/189/1680/6720  s.mm-­‐‑2,  TE=47ms.  796  directions  were  acquired  in   (d)  using  affine   27min  in  each  protocol.  ActiveAx  results  were  obtained  using  a  two  compartment  model  ZeppelinCylinder  model  and   transform.  MRI   NODDI  used  a  4  compartment  model  WatsonSHStickTortIsoVIsoDot_B0.    MTV.  Macromolecular  Tissue  Volume  (MTV)  was   quantitative  metrics   measured  using  the  procedure  described  in  [4].  First  a  T1  map  was  produced  using  an  Inversion  Recovery  Fast  Spin  Echo   (f)  were  compared   [7]  with  38  inversion  times  exponentially  distributed  between  3ms  and  2s  (hard-­‐‑inversion  pulse,  TR=14s,  ESP=6.18ms).   with  histology  (e)   Spoiled  Gradient-­‐‑Echo  images  (2  dummy  scan,  16  average,  TE=2.4ms,  TR=24ms)  were  acquired  using  flip  angles  of   2,4,6,10,15,20,25  and  30°.  In  order  to  derive  Myelin  Volume  from  MTV  we  used  a  scaling  factor  of  1.65  evaluated  from  data   voxel  by  voxel  using   Pearson  correlation   acquired  on  monkey  corpus  callosum  [8].  Histology.  The  second  piece  of  spinal  cord  was  stained  with  osmium  4%,   coefficient  (g).   dehydrated,  embedded  in  paraffin,  cut  in  4µm  slices  and  imaged  using  an  optical  20x  whole  slice  microscope  (Hamamatsu   NanoZoomer  2.0-­‐‑HT).  Resolution  was  230nm/px  and  allowed  us  to  segment  the  axons  automatically.  We  release  the   MATLAB  open-­‐‑source  axon  segmentation  software  initialy  developed  by  [9]:  https://github.com/neuropoly/axonseg.   Validation  and  Comparison.  This  procedure  is  described  in  Figure  2.  Briefly,  the  axon-­‐‑segmented  image  was   downsampled  by  averaging  the  axon  properties  on  150x150µm  windows  and  registered  to  MRI  using  affine   transformation.  Correlation  (Pearson  coefficient)  was  computed  voxel-­‐‑wise  between  MRI  and  histological  metrics.     Results.  Figure  3  shows  the  MRI  metrics  and  histology  results.  Figure  4   shows  the  correlation  matrix  of  MRI  and  histological  metrics,   demonstrating  high  correlation  between  AxCaliber  and  histology  for  axon   diameter  (r=0.62)  and  a  moderate  correlation  for  the  fraction  of  restricted   water  (r=0.38).  A  good  correlation  for  the  measurement  of  the  restricted   water  fraction  between  AxCaliber  and  NODDI  (r=0.59),  ActiveAx  (0.86),   FA  (0.83)  and  MTV  (0.76).     Discussion.  This  work  shows  for  the  first  time  a  fully  axon-­‐‑segmented   slice  of  spinal  cord  compared  with  various  diffusion  and  myelin  imaging   Figure  3 :  Quantitative  MRI  metrics  mapping   quantitative  metrics.  Using  correlation  analysis,  AxCaliber  was  shown  to  be   (left  2  columns)  and  histology  mapping   precise  enough  to  distinguish  between  various  fiber  distributions  present   (right  column).  Top  row.  Axon  diameter   in  the  spinal  cord  white  matter.  The  relatively  low  correlation  for  the   metrics.  Middle  row.  Fraction  of  restricted   restricted  fraction  and  Myelin  Volume  Fraction  could  be  due  to  the  unequal   water.  Bottom  row.  FA  and  myelin  volume   sensitivity  of  the  axon  segmentation  software  throughout  the  tissue.  Better   fraction  metrics.   microscopy  (possibly  using  electron  microscope  or  CARS  [10]),  as  well  as   Figure  4 :    Correlation  matrix  comparing  histology   manual  correction  using  online  crowd  contribution  [11]  might  overcome  this  issue.     (green)  quantitative  diffusion  MRI  metrics   Acknowledgments.  We  thank  Serge  Rossignol  and  Hugo  Delivet-­‐‑Mongrain  for  providing  us  with  the  cat  spinal   (orange)  and  quantitative  myelin  imaging  (blue).   cord,  and  the  histology  unit  of  the  Institute  for  Research  in  Immunology  and  Cancer  for  helping  with  tissue   Note  the  numbered  values.  Box  1  exhibits  a  high   preparation.  This  study  was  funded  by  the  Canadian  MS  Society  (Duval),  The  Canada  Research  Chair  in   correlation  (0.62)  between  histology  and  MRI  for   Quantitative  Magnetic  Resonance  Imaging  (JCA),  the  Canadian  Institute  of  Health  Research  [CIHR  FDN-­‐‑143263],   axon  diameter.  Box  2  presents  a  moderate   the  Fonds  de  Recherche  du  Québec  -­‐‑  Santé  [28826],  the  Fonds  de  Recherche  du  Québec  -­‐‑  Nature  et  Technologies   correlation  (0.48)  between  histology  and  MRI  for   [2015-­‐‑PR-­‐‑182754],  the  Natural  Sciences  and  Engineering  Research  Council  of  Canada  [435897-­‐‑2013]  and  the   the  restricted  f raction.  Box  3  highlights  the   Quebec  BioImaging  Network.   agreement  between  2D  and  3D  sampled  q-­‐‑space   metrics.  Box  4  highlights  the  link  between  diffusion   References.  [1]  Y.  Assaf  et  al.,  MRM,  2008,  59,  1347.  [2]  H.  Zhang  et  al.,  NeuroImage,  2012,  61,  1000.  [3]  D.C.   and  myelin  i maging.   Alexander  et  al.,  NeuroImage,  2010,  52,  1374.  [4]  A.  Mezer  et  al.,  Nat.  Med,  2013,  19,  1667.  [5]  M.  Nilsson  et  al.,   MRM,  2013,  26,  345.  [6]  U.  Ferizi  et  al.,  MRM,  2014,  72,  1785.  [7]  J.K.  Barral  et  al.,  MRM,  2010,  64,  1057.  [8]  N.  Stikov  et  al.,  NeuroImage,  2015,  118,  397.  [9]  S.  Bégin   et  al.,  Biomed  Opt  Exp,  2014,  5,  4145.  [10]  T.  Duval  et  al.,  in    ISMRM,  2015,  682.  [11]  C.R.G.  Guttmann,  spinevirtuallab.org  

Suggest Documents