Mahalanobis Distance Tractometry (MaD-Tract) - パーソナライズされた白質異常検出のためのフレームワークをTBIに適用した

Mahalanobis Distance Tractometry (MaD-Tract) - a framework for personalized white matter anomaly detection applied to TBI.

抄録

拡散強調MRI（dMRI）は、ヒトの脳組織から非侵襲的に微視的情報を抽出することができる画像ベースの定量的測定法である。このような定量的指標をグループレベルで比較することは、脳の異常状態を調べる上で重要なアプローチである。このような解析は、異常のある領域が被験者間で空間的に一致している場合に特に有効である。しかし、そうでない場合には、個別的な分析が必要となる。ここでは、マハラノビス距離に基づく単一被験者による多次元解析の枠組みを紹介する。これは、トラクトグラフィから得られた流線束で表される特定の白質経路に沿って行われる。異常の定義はウィルクの基準から構築され、規範となるサンプルサイズ、マハラノビス距離で使用される特徴の数、多重比較を考慮したものであった。被験者間で高い異質性を示す状態の一例として、外傷性脳損傷（TBI）がある。8名の重症TBI患者と49名の健常対照者の規範サンプルを個々に比較した。すべてのTBI患者について、解析の結果、解析した束に沿った1箇所または複数箇所において、統計的に有意な規範データからの逸脱が認められた。検出された異常は分析された管全体に広がっており、TBIの特徴である予想される不均質性と一致した。対照群の各被験者は、対照群の残りの48名ともleave-one-out方式で比較された。対照群では、解析の結果、異常と判定されたセグメントは2つだけであり、本手法は良好な特異性をも示した。

Imaging-based quantitative measures from diffusion-weighted MRI (dMRI) offer the ability to non-invasively extract microscopic information from human brain tissues. Group-level comparisons of such measures represent an important approach to investigate abnormal brain conditions. These types of analyses are especially useful when the regions of abnormality spatially coincide across subjects. When this is not true, approaches for individualized analyses are necessary. Here we present a framework for single-subject multidimensional analysis based on the Mahalanobis distance. This is conducted along specific white matter pathways represented by tractography-derived streamline bundles. A definition for abnormality was constructed from Wilk's criterion, which accounts for normative sample size, number of features used in the Mahalanobis distance, and multiple comparisons. One example of a condition exhibiting high heterogeneity across subjects is traumatic brain injury (TBI). Using the Mahalanobis distance computed from the three eigenvalues of the diffusion tensor along the cingulum, uncinate, and parcellated corpus callosum tractograms, 8 severe TBI patients were individually compared to a normative sample of 49 healthy controls. For all TBI patients, the analyses showed statistically significant deviations from the normative data at one or multiple locations along the analyzed bundles. The detected anomalies were widespread across the analyzed tracts, consistent with the expected heterogeneity that is hallmark of TBI. Each of the controls subjects was also compared to the remaining 48 subjects in the control group in a leave-one-out fashion. Only two segments were identified as abnormal out of the entire analysis in the control group, thus the method also demonstrated good specificity.