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文献詳細
特集 脳画像最前線
神経疾患と拡散tractography―その応用と限界
著者： 青木茂樹1 増谷佳孝1 阿部修1
所属機関： 1東京大学大学院医学系研究科放射線医学講座
ページ範囲：P.467 - P.476
文献概要
はじめに
脳白質においては水分子の拡散に方向性がある。脳のMRI 拡散強調像を適切に解析し，コンピューター・グラフィックスにより三次元的に表現するとあたかも脳解剖図のシェーマのような特定の白質路の拡散tractographyを得ることができ1,2)，その白質路の（拡散情報からみた）線維の密度や２点間の連絡の強さなどの定量値も算出できる。
拡散テンソルに代表される拡散解析は今までin vivoに観察することが困難であった主要脳白質路を描出し，それを定量的に評価できるという他の方法にない特徴をもつ3-8)。拡散テンソルtractographyは臨床的には皮質脊髄路などの主要白質路と脳腫瘍9-11)や脳梗塞などとの立体的関係を三次元的に描出することができる点（Fig.1）が高く評価されている。手術のアプローチの決定や脳梗塞の予後予想などでの有用性が報告され12,13)，手術ナビゲーション14,15)や定位放射線照射と組み合わせた報告16)も出てきている。
こういった目に見える病巣と白質路の立体的関係のみならず，従来の方法では描出されなかった白質の微細な変化を捉えようという研究も急速に進んでいる17)。まずALS（amyotrophic lateral sclerosis）のように特定の白質路の障害が強く予想される疾患で異常が検出可能であることが確認され18,19)，白質のdisconnectionが病因として注目されている統合失調症での報告も相次いでいる20)。疾患だけでなく，正常での線維連絡や白質のmaturation，加齢変化の検討もなされている。大脳皮質と視床との線維連絡などの検討には，多軸の撮像とシミュレーションを用いるprobabilistic tractographyが有用との報告もあるが，錐体路や鉤状束，帯状束，脳弓などの比較的太い，あるいは独立した白質路に関しては，拡散テンソルによる解析でも大きな差は出ないようである21)。
ここでは筆者らのグループでの経験を中心に拡散tractographyの現状を述べ，最後によく聞かれる質問とその回答をまとめてみた。
脳白質においては水分子の拡散に方向性がある。脳のMRI 拡散強調像を適切に解析し，コンピューター・グラフィックスにより三次元的に表現するとあたかも脳解剖図のシェーマのような特定の白質路の拡散tractographyを得ることができ1,2)，その白質路の（拡散情報からみた）線維の密度や２点間の連絡の強さなどの定量値も算出できる。
拡散テンソルに代表される拡散解析は今までin vivoに観察することが困難であった主要脳白質路を描出し，それを定量的に評価できるという他の方法にない特徴をもつ3-8)。拡散テンソルtractographyは臨床的には皮質脊髄路などの主要白質路と脳腫瘍9-11)や脳梗塞などとの立体的関係を三次元的に描出することができる点（Fig.1）が高く評価されている。手術のアプローチの決定や脳梗塞の予後予想などでの有用性が報告され12,13)，手術ナビゲーション14,15)や定位放射線照射と組み合わせた報告16)も出てきている。
こういった目に見える病巣と白質路の立体的関係のみならず，従来の方法では描出されなかった白質の微細な変化を捉えようという研究も急速に進んでいる17)。まずALS（amyotrophic lateral sclerosis）のように特定の白質路の障害が強く予想される疾患で異常が検出可能であることが確認され18,19)，白質のdisconnectionが病因として注目されている統合失調症での報告も相次いでいる20)。疾患だけでなく，正常での線維連絡や白質のmaturation，加齢変化の検討もなされている。大脳皮質と視床との線維連絡などの検討には，多軸の撮像とシミュレーションを用いるprobabilistic tractographyが有用との報告もあるが，錐体路や鉤状束，帯状束，脳弓などの比較的太い，あるいは独立した白質路に関しては，拡散テンソルによる解析でも大きな差は出ないようである21)。
ここでは筆者らのグループでの経験を中心に拡散tractographyの現状を述べ，最後によく聞かれる質問とその回答をまとめてみた。
参考文献
1) Mori S, Crain BJ, Chacko VP, van Zijl PC: Threeb dimensional tracking of axonal projections in the brain by magnetic resonance imaging.Ann Neurol 45: 265-269, 1999
2) Masutani Y, Aoki S, Abe O, Hayashi N, Ohtomo K: MR diffusion tensor imaging:recent advance and new techniques for diffusion tensor visualization. Eur J Radiol 46:53-66, 2003
3) Basser PJ, Mattiello J, LeBihan D:Estimation of the effective self-diffusion tensor from the NMR spin echo. J Magn Reson B 103:247-254, 1994
4) Basser BJ,Mattiello,LeBihan D:MR diffusion tensor spectroscopy and imaging.Biophys J 66:259-267,1994
5) Pierpaoli C,Jezzard P,Basser PJ,Bamett A,Di Chiro G:Diffusion tensor MR imaging of the human brain. Radiology 201, 537-648, 1996
6) 中田力: 磁気共鳴軸索画像. 日独医報 42: 255-263, 1997
7) Le Bihan D,van Zijl P:From the diffusion coefficient to the diffusion tensor.NMR Biomed 15:431-434,2002
8) 阿部修, 増谷佳孝, 青木茂樹, 編: これでわかる拡散 MRI. 第２版秀潤社. 2005
9) Mori S,Frederiksen K,van Zijl PC,Stioltjes B,Kraut MA, et al: Brain white matter anatomy of tumor patients evaluated with diffusion tensor imaging.Ann Neurol 51:377-380, 2002
10) Yamada K,Kizu O,Mori S,Ito H,Nakamura H,et al: Brain fiber tracking with clinically feasible diffusiontensor MR imaging:initial experience.Radiology 227: 295-301, 2003
11) Akai H,Mori H,Aoki S,Masutani Y,Kawahara N,et al:Diffusion tensor tractography of gliomatosis cerebri: fiber tracking through the tumor.J Comput Assist Tomogr 29:127-129, 2005
12) Yamada K,Mori S,Nakamura H,Ito H,Kizu O,et al: Fiber-tracking method reveals sensorimotor pathway involvement in stroke patients. Stroke 34: E159-162, 2003
13) Kunimatsu A,Aoki S,Masutani Y,Abe O,Mori H,et al: Three-dimensional white matter tractography by diffusion tensor imaging in ischaemic stroke involving the corticospinal tract. Neuroradiology 45: 532-535, 2003
14) Kamada K,Todo T,Masutani Y,Aoki S,Ino K,et al: Combined use of tractography-integrated functional neuronavigation and direct fiber stimulation. J Neurosurg 102:664-672, 2005
15) Okada T,Mikuni N,Miki Y,Kikuta K,Urayama S,et al: Corticospinal tract localization: integration of diffusion-tensor tractography at 3-T MR imaging with intraoperative white matter stimulation mapping--preliminary results. Radiology 240:849-857, 2006
16) Maruyama K,Kamada K,Shin M,Ito D,Aoki S,et al: Integration of three-dimensional corticospinal tractography into treatment planning for gamma knife surgery. J Neurosurg 102:673-677, 2005
17) Catani M:Diffusion tensor magnetic resonance imaging tractography in cognitive disorders. Curr Opin Neurol 19:599-606, 2006
18) Abe O,Yamada H,Masutani Y,Aoki S,Kunimatsu A, et al:Amyotrophic lateral sclerosis: diffusion tensor tractography and voxel-based analysis.NMR Biomed 17:411-416, 2004
19) Aoki S, Iwata N, Masutani Y, Yoshida M, Abe O, et al: Quantitative evaluation of the pyramidal tract segmented by diffusion tensor tractography: feasibility study of the patients with amyotrophic lateral sclerosis. Radiat Med 23:195-199, 2005
20) Kubicki M, Westin CF, Maier SE, Frumin M, Nestor PG, et al:Uncinate fasciculus findings in schizophrenia: A magnetic resonance diffusion tensor imaging study. Am J Psychiatry 159:813-820, 2002
21) Behrens TE, Berg HJ, Jbabdi S, Rushworth MF, Woolrich MW,et al:Probabilistic diffusion tractography with multiple fibre orientations: What can we gain? Neuroimage 34:144-155, 2007
22) Yagishita A,Nakano I,Oda M,Hirano A:Location of the corticospinal tract in the internal capsule at MR imaging. Radiology 191:455-460, 1994
23) Nimsky C, Ganslandt O, Hastreiter P, Wang R, Benner T,et al:Intraoperative diffusion-tensor MR imaging: shifting of white matter tracts during neurosurgical procedures--initial experience. Radiology 234: 218-225, 2005
24) Okada T,Miki Y,Fushimi Y,Hanakawa T,Kanagaki M, et al:Diffusion-tensor fiber tractography: intraindividual comparison of 3.0-T and 1.5-T MR imaging. Radiology 238:668-678, 2006
25) Ito D, Aoki S, Maruyama K,Masutani Y,Mori H, et al:Corticospinal tracts by diffusion tensor tractography in patients with arteriovenous malformations. J Comput Assist Tomogr 30:618-623, 2006
26) Kunimatsu A,Aoki S,Masutani Y,Abe O,Hayashi N, et al:The optimal trackability threshold of fractional anisotropy for diffusion tensor tractography of the corticospinal tract.Magn Reson Med Sci 3:11-17,2004
27) Konishi J, Yamada K, Kizu O, Ito H, Sugimura K, et al:MR tractography for the evaluation of functional recovery from lenticulostriate infarcts.Neurology 64: 108-113, 2005
28) Kamada K,Todo T,Morita A,Masutani Y,Aoki S,et al: Functional monitoring for visual pathway using real-time visual evoked potentials and optic-radiation tractography. Neurosurgery 57:121-127, 2005
29) Kamada K,Todo T,Masutani Y,Aoki S,Ino K,et al: Visualization of the frontotemporal language fibers by tractography combined with functional magnetic resonanceimaging and magnetoencephalography. J Neurosurg 106:90-98, 2007
30) Abe O,Aoki S,Hayashi N,Yamada H,Kunimatsu A, et al: Normal aging in the central nervous system: quantitative MR diffusion-tensor analysis. Neurobiol Aging 23:433-441, 2002
31) Abe O,Yamasue H,Aoki S,Suga M,Yamada H,et al: Aging in the CNS:Comparison of gray/white matter volume and diffusion tensor data. Neurobiol Aging Oct 3, 2006,［Epub ahead of print］
32) Yoshiura T,Mihara F,Ogomori K, Tanaka A,Kaneko K, et al: Diffusion tensor in posterior cingulate gyrus: correlation with cognitive decline in Alzheimer's disease. Neuroreport 13:2299-2302, 2002
33) Concha L, Beaulieu C, Gross DW: Bilateral limbic diffusion abnormalities in unilateral temporal lobe epilepsy. Ann Neurol 57:188-196, 2005
34) Sach M, Winkler G, Glauche V, Liepert J, Heimbach B, et al: Diffusion tensor MRI of early upper motor neuron involvement in amyotrophic lateral sclerosis. Brain 127:340-350, 2004
35) Nucifora PG,Verma R,Melhem ER,Gur RE,Gur RC, et al:Leftward asymmetry in relative fiber density of the arcuate fasciculus. Neuroreport 16:791-794, 2005
36) Abe O,Yamasue H,Kasai K,Yamada H,Aoki S,et al: Voxel-based diffusion tensor analysis reveals aberrant anterior cingulum integrity in post traumatic stress disorder due to terrorism.Psychiatry Res 146:231-242, 2006
37) Yamasue H,Abe O,Kasai K, Suga M,Iwanami A,et al: Human brain structural change related to acute single exposure to sarin. Ann Neurol 61:37-46, 2007
38) 青木茂樹,山田晴耕,阿部修,吉田茉莉子,山末英典,他:統合失調症における大脳辺縁系白質路の拡散テンソルtractographyの定量的解析の初期検討. 日本磁気共鳴医学会雑誌 25:29-35, 2005
39) Taoka T, Iwasaki S, Sakamoto M, Nakagawa H, Fukusumi A,et al:Diffusion anisotropy and diffusivity of white matter tracts within the temporal stem in Alzheimer disease:evaluation of the“tract of interest” by diffusion tensor tractography.AJNR Am J Neuroradiol 27:1040-1045, 2006
40) Hasina Y, Nakata Y, Aoki S, Sato N, Abe O et al: Diffusion abnormalities of Uncinate Fasciculus in Alzheimer Disease: Diffusion Tensor Tract Specific Analysis using a new method to measure core of the tract. Neuroradiology (in press)
41）増谷佳孝, 青木茂樹, 阿部修, 大友邦: DT-MRI を用いた錐体路抽出における描出能向上の一手法: 上縦束の事前抽出と交叉線維のテンソル推定. 日本医用画像工学会, 京都, 2006
42) Watanabe M,Aoki S,Masutani Y,Abe O,Hayashi N, et al: Flexible ex vivo phantoms for validation of diffusion tensor tractography on a clinical scanner. Radiat Med 24:605-609, 2006
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