拡散テンソル法脳MRIによる機能予後評価・帰結予測
兵庫医科大学 リハビリテーション医学 特別招聘教授
西宮協立脳神経外科病院 リハビリテーション科 部長

小山 哲男

【この資料は以下論文の日本語解説である】
lKoyama T., Uchiyama Y. Domen K., Associations of diffusion-tensor
fractional anisotropy and FIM outcome assessments after intracerebral
hemorrhage, J. Stroke Cerebrovasc. Dis., 27, 2869-2876, 2018https://doi.org/10.1016/j.jstrokecerebrovasdis.2018.06.012

lKoyama T., Domen K., Diffusion-tensor fractional anisotropy in the superior
longitudinal fasciculus correlates with functional independence measurecognition scores in patients with cerebral Infarction, J. Stroke
Cerebrovasc. Dis., 26, 1704-1711, 2017https://doi.org/10.1016/j.jstrokecerebrovasdis.2017.03.034

lKoyama T., Uchiyama Y. Domen K., Comparison of fractional anisotropy
from tract-based spatial statistics with and without lesion masking inpatients with intracerebral Hemorrhage: a technical note, J. Stroke
Cerebrovasc. Dis., 28, 104376, 2019https://doi.org/10.1016/j.jstrokecerebrovasdis.2019.104376

講演内容
l簡単な脳の理解
lDTI-FA TBSS 解析
l脳出血例 TBSS 解析 –重回帰モデルl脳出血例 TBSS 解析の問題点と利点
l脳梗塞例 TBSS 解析 錐体路と上縦束
lこの手法の臨床的意義

簡単な大脳の理解
l前は運動、後は感覚
l第一次○○野
l連合野
l脳の線維連絡パターンと情報処理経路
l脳の左右差Ø左は言語と道具（ヒト化）Ø右は時間と空間の位置

大脳の機能それに応じた行動

外界の情報
視床
一次感覚野

内包後脚
一次運動野
過去の情報との比較
価値判断
ルーチン化された処理

情報処理の経路

前は運動、後は感覚一次野と連合野
マカクザル

ヒト

http://web2.chubu-gu.ac.jp/web_labo/mikami/brain/https://healthcare.siemens.com/siemens_hwem-hwem_ssxa_websites-contextroot/wcm/idc/groups/public/@global/@imaging/@mri/documents/image/mdaw/mjew/~edisp/mri-syngo-resolve-dti-tractography00200930/~renditions/mri-syngo-resolve-dti-tractography-00200930~8.jpg

線維連絡の大まかなパターン
左半球

右半球

前頭葉

前頭葉

前頭葉

中心溝

後頭葉

後頭葉

後頭葉

小山、 脳卒中機能評価•予後予測マニュアル（道免和久編 2013 医学書院）より改変引用大脳の機能それに応じた行動

外界の情報
視床
一次感覚野

内包後脚
一次運動野
過去の情報との比較
価値判断
ルーチン化された処理

情報処理の経路

講演内容
l簡単な脳の理解
lDTI-FA TBSS 解析
l脳出血例 TBSS 解析 –重回帰モデルl脳出血例 TBSS 解析の問題点と利点
l脳梗塞例 TBSS 解析 錐体路と上縦束
lこの手法の臨床的意義

MRI拡散テンソル法（DTI）
いろんな方向（印加軸）から磁場をかけて撮像
水分子の動きを見る
その動きを楕円体に要約
FA値：楕円体の異方向性の強さを評価= 1に近い= 0に近い脳出血（左視床）片麻痺
CT: 発症直後

MMT 上肢 2/5 下肢 3/5

DTI: 発症約2週で撮像CTDTINative Space

Native Space
Color Map

FA MapTractography
Cortico-spinal tracts

RKoyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis 2011より改変引用Lフリーウェア使用の自動画像解析

MRIcronConverting scanner images (DICOM) to NIfTI format

http://people.cas.sc.edu/rorden/mricron/index.html

FSL
FSL is a comprehensive library of analysis tools
for FMRI, MRI and DTI brain imaging data.

http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/FSL

個人脳を標準脳へ変換
Spatial Transformation
Spatial Transformation

Individual Brain

Standard Brain
Segmentation Map標準脳と脳白質アトラス
The International Consortium of Brain Maping
DTI-81 (ICBM-DTI 81)
Neuroimage , Mori,S 2008

Tract-based Spatial Statistics(TBSS)
l非線形標準脳変換の応用技法
Ø白質線維の ”Skeleton = 骨格” だけに変換するのがTract-Based SpatialStatistics• 最初のステップで個人ごとのFA骨格化• 直接の2群間の画像比較に頻用• 個人ごとに症状等の重み付け解析可能

TBSS解析のための標準脳神経線維束

The FMRIB58_FA, The FMRIB58_FA-skeleton

目的l脳卒中患者の予後評価・帰結
予測についてDTI-FA、とりわけTBSS解析の有用性を検討
Ø 脳出血例での検討
Ø さらに脳梗塞例を並列して検討

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

講演内容
l簡単な脳の理解
lDTI-FA TBSS 解析
l脳出血例 TBSS 解析 –重回帰モデルl脳出血例 TBSS 解析の問題点と利点
l脳梗塞例 TBSS 解析 錐体路と上縦束
lこの手法の臨床的意義

対象と方法（出血例）l 脳出血 40例
Ø 当院にて急性期入院加療Ø 脳卒中（テント上病変）初回発症
Ø 発症前のADL自立
Ø 管理に難渋する合併症がないこと
Ø 当院関連の回復期リハビリ病院に転院

l 発症14-21日でDTI画像撮影
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

TBSS の 標準脳変換
FA脳画像を “Skeleton” にまで変換
発症直後撮像発症14-21日撮像

CTDTI
TBSS 標準脳変換後

Native Space右Z = -6 mm

Z = 30 mm

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

Y = -20 mm

左解析関心領域（ROI）
錐体路
上縦束

錐体路

上縦束
鈎状束

鈎状束
下縦束

下縦束

上の4つのROIのrFAを計算
rFA：FA値の病巣側/非病巣側比目的変数l 回復期退院時の以下スコア
Ø Brunnstrom Stage•••

上肢手指下肢

Ø FIM••

運動項目合計点
認知項目合計点解析（1）
l 重回帰モデル
Ø 説明変数：4つのROIの rFA 説明変数•

変数選択：Step-wise 増加法(P < 0.1)

Ø 目的変数：次の5つ = 其々独立した解析
llll
l

BRS上肢
BRS手指
BRS下肢
FIM運動項目
FIM認知項目
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

解析（2）
l 説明変数間の相関Ø 4つの説明変数のすべてのペアの順位
順位相関（Speaman相関, P < 0.1）
•6組のペアの相関

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

患者背景（出血例）(N = 40)
年齢51.5 – 62 – 72.8 (四分位)性別 (男/女)

29/11

病巣半球

Left = 22, Right = 18

BRS Shoulder/Elbow/Forearm

2 - 4 - 5 (四分位)

BRS Hand/Finger

2 - 4 - 5 (四分位)

BRS Lower Extremity

3 - 4 - 5 (四分位)

FIM-Motor

74.3 - 78 - 80 (四分位)FIM-Cognition

28.3 - 32 - 33 (四分位)

総入院日数117.5 – 175.5 - 201 (四分位)

出血例TBSS: 全脳の神経線維障害
左半球病巣群(N = 22)vs

健常被験者(N = 21)

右半球病巣群(N = 18)
vs

健常被験者(N = 21)

錐体路

関心領域

上縦束
下縦束
鉤状束

右Z = -6 mm

Z = 30 mm

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

Y = -20 mm

左結果：非病巣半球FA値(N = 40)

非病巣半球 FA値

平均値

標準偏差

錐体路
上縦束下縦束
鉤状束

0.618
0.456
0.481
0.4450.0240.023
0.0260.028

これら数値は既報と合致
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

結果：rFA(N = 40)

rFA

平均値

標準偏差

錐体路
上縦束
下縦束
鉤状束

0.824
0.938
0.948
0.915

0.078
0.069
0.0670.103

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

全脳TBSSと関心領域
l 全脳TBSSにより検出された神経線
維障害は4つの関心領域はほぼ一致
l 4つの関心領域の神経線維障害を説
明変数とする重回帰分析を、全脳の解析とみなすことに合理性がある

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

解析（1）結果：重回帰モデル
赤字 = 最終モデルに選択
BRS上肢切片rFA 錐体路
rFA 上縦束rFA 下縦束rFA 鉤状束

BRS手指

BRS下肢

-8.00

-9.28

-4.28

14.20
(F = 37.77,
P < 0.001)
0 (F = 0.05,
P = 0.832)
0 (F = 0.05,P = 0.832)
0 (F = 1.11,P = 0.300)

15.56(F = 40.50,
P < 0.001)
0 (F = 0.23,
P = 0.631)
0 (F = 0.59,
P = 0.447)
0 (F = 1.60,P = 0.213)

10.19(F = 24.76,P < 0.001)0 (F = 0.09,
P = 0.768)
0 (F = 0.24,P = 0.624)
0 (F = 0.29,
P = 0.591)

0.503

0.425

自由度修正 R2 0.485

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

上肢
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

左半球病巣
右半球病巣

錐体路

手指
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

左半球病巣
右半球病巣

錐体路

下肢
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

左半球病巣
右半球病巣

錐体路

解析（1）結果：重回帰モデル
赤字 = 最終モデルに選択
FIM運動項目

FIM認知項目

切片47.182.32

rFA 錐体路35.25(F = 7.59,
P = 0.009)

0 (F = 0.21,P = 0.651)

rFA 上縦束

0 (F = 0.47, P = 0.498)

rFA 下縦束

0 (F = 0.29,P = 0.595)
0 (F = 0.01,P = 0.940)

rFA 鉤状束

自由度修正 R2 0.145

29.81(F = 9.36,P = 0.004)
0 (F = 0.00,P = 0.985)
0 (F = 0.15,P = 0.704)
0.177

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

運動項目
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

左半球病巣
右半球病巣

錐体路

認知項目
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

左半球病巣
右半球病巣

上縦束解析（2）結果：説明変数間の相関
赤字 = 統計的優位
rFA 錐体路
0.482
rFA上縦束(P = 0.002)
0.149
rFA下縦束(P = 0.360)
0.383
rFA鈎状束(P = 0.015)

rFA 上縦束 rFA 下縦束
0.410(P = 0.009) 0.509
0.609(P < 0.001) (P < 0.001)

まとめ
l 発症2-3週のDTI-FA値による神経損
傷評価値（rFA）と帰結は以下で関連した（重回帰分析の変数選択）
Ø 錐体路と片麻痺症状BRSØ 錐体路とFIM運動項目
Ø 上縦束とFIM認知項目

l 多重共線性により、これ以外が選択されなかった可能性がある
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

講演内容
l簡単な脳の理解
lDTI-FA TBSS 解析
l脳出血例 TBSS 解析 –重回帰モデルl脳出血例 TBSS 解析の問題点と利点
l脳梗塞例 TBSS 解析 錐体路と上縦束
lこの手法の臨床的意義

問題点
l 以下の問題点が指摘されうる
Ø BRSを間隔尺度として扱っている•重回帰分析を用いるため

Ø 左右半球病巣を併せて解析している•

FIM認知項目合計は半球差を反映しないØ ヘモジデリンによるMRIアーチファクト
Ø 大きな病巣の脳画像のTBSS標準化
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2019

問題点
l 以下の問題点が指摘されうる
Ø BRSを間隔尺度として扱っている•重回帰分析を用いるため

Ø 左右半球病巣を併せて解析している•

FIM認知項目合計は半球差を反映しないØ ヘモジデリンによるMRIアーチファクト
Ø 大きな病巣の脳画像のTBSS標準化
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

手指Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

左半球病巣
右半球病巣

錐体路

問題点
l 以下の問題点が指摘されうる
Ø BRSを間隔尺度として扱っている•重回帰分析を用いるため

Ø 左右半球病巣を併せて解析している•

FIM認知項目合計は半球差を反映しないØ ヘモジデリンによるMRIアーチファクト
Ø 大きな病巣の脳画像のTBSS標準化
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

認知項目
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

左半球病巣
右半球病巣

上縦束

問題点l 以下の問題点が指摘されうる
Ø BRSを間隔尺度として扱っている•重回帰分析を用いるため

Ø 左右半球病巣を併せて解析している•

FIM認知項目合計は半球差を反映しないØ ヘモジデリンによるMRIアーチファクト
Ø 大きな病巣の脳画像のTBSS標準化
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

右半球左半球脳卒中発症：2-3週後右半球

左半球大脳脚病巣より遠いところの神経線維が変性す脳出血の1例
CT:発症直後

DTI-FA：発症18日目

個人の脳画像標準脳変換脳画像

解析関心領域 (ROI)
大脳脚
右半球

Z = -14 mm

Y = -20 mm

左半球

非病巣側FA = 0.536 病巣側FA = 0.360
錐体路の神経障害の指標：病巣側/非病巣側 rFA =大脳脚
BRS手指rFA

錐体路
BRS手指rFA

問題点
l 以下の問題点が指摘されうる
Ø BRSを間隔尺度として扱っている•重回帰分析を用いるため

Ø 左右半球病巣を併せて解析している•

FIM認知項目合計は半球差を反映しないØ ヘモジデリンによるMRIアーチファクト
Ø 大きな病巣の脳画像のTBSS標準化
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2019b=0 Brain ImageTBSS Without Lesion Mask

TBSS With Lesion Mask

Case 21
Lesion Mask

Case 40
Lesion Mask

RL

BRS下肢BRS手指665554443

BRS L/E

6BRS H/FBRS S/E/F

BRS上肢32221110.65 0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0.65 0.70

0.75

rFA CST

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0.65 0.70

rFA CST

FIM運動項目

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

rFA CST

35

With Lesion Mask

8530
FIM-Cognition

8075706525

Without Lesion Mask
2060550.65 0.700.75

FIM認知項目90

FIM-Motor

3150.75

0.80

0.85

rFA CST0.900.95

1.00

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05 1.10

rFA SLF

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2019

問題点
l 以下の問題点が指摘されうる
Ø BRSを間隔尺度として扱っている•重回帰分析を用いるため

Ø 左右半球病巣を併せて解析している•

FIM認知項目合計は半球差を反映しないØ ヘモジデリンによるMRIアーチファクト
Ø 大きな病巣の脳画像のTBSS標準化
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2019

利点l全自動解析：何度やっても結果は同じ– 病巣を避ける or 避けない ROI：結果に大差なし– マスク（手動操作）の有無：結果に大差なし

l恣意性が入らない定量的解析

講演内容
l簡単な脳の理解
lDTI-FA TBSS 解析
l脳出血例 TBSS 解析 –重回帰モデルl脳出血例 TBSS 解析の問題点と利点
l脳梗塞例 TBSS 解析 錐体路と上縦束
lこの手法の臨床的意義

出血と梗塞例：DTIによる機能予後評価・帰結予測
TBSS標準脳変換：
梗塞例への拡張

対象と方法l 脳出血 40例と脳梗塞40例
Ø 当院にて急性期入院加療Ø 脳卒中（テント上病変）初回発症
Ø 発症前のADL自立
Ø 管理に難渋する合併症がないこと
Ø 当院関連の回復期リハビリ病院に転院

l 発症14-21日でDTI画像撮影
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

患者背景（出血例）(N = 40)
年齢51.5 – 62 – 72.8 (四分位)

性別 (男/女)

29/11

病巣半球

Left = 22, Right = 18

BRS Shoulder/Elbow/Forearm

2 - 4 - 5 (四分位)

BRS Hand/Finger

2 - 4 - 5 (四分位)

BRS Lower Extremity

3 - 4 - 5 (四分位)

FIM-Motor

74.3 - 78 - 80 (四分位)FIM-Cognition

28.3 - 32 - 33 (四分位)

総入院日数117.5 – 175.5 - 201 (四分位)

患者背景（梗塞例）(N = 40)
年齢

61 – 69 - 77 (四分位)

性別 (男/女)

18/22

病巣半球

Left = 21, Right = 19

BRS Shoulder/Elbow/Forearm

3 - 5 - 6 (四分位)

BRS Hand/Finger

3 – 4.5 - 6 (四分位)

BRS Lower Extremity

4.3 - 5 - 6 (四分位)

FIM-Motor

70.3 - 79.5 - 84 (四分位)FIM-Cognition

25.0 - 29.0 - 33.8 (四分位)

総入院日数78.3 - 130 - 173.8 (四分位)FA低下が見られた領域：脳出血

健常被験者21例群とのTract-based Spatial Statistics (TBSS)比較左半球病巣(22例)

右半球病巣(18例)
RL
Z = 20 mm

Z = 28 mm

Y = -18 mm

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

PA

X = +/- 40 mm

FA低下が見られた領域：脳梗塞

健常被験者21例群とのTract-based Spatial Statistics (TBSS)比較左半球病巣(21例)

右半球病巣(19例)
RL
Z = 20 mm

Z = 28 mm

Y = -18 mm

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 201７

PA

X = +/- 40 mm

CST（錐体路）
SLF（上縦束）ROIRZ = 20 mm

LR

Z = 28 mm

LRY = -18 mm

LP

X = +/- 40 mm

A

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2017

（出血例）結果：非病巣半球FA値(N = 40)

非病巣半球 FA値

平均値

標準偏差

錐体路
上縦束

0.618
0.456

0.0240.023

これら数値は既報と合致
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

（梗塞例）結果：非病巣半球FA値(N = 40)

非病巣半球 FA値

平均値

標準偏差

錐体路
上縦束

0.616
0.454

0.0330.034

これら数値は既報と合致

（出血例）結果：rFA(N = 40)

rFA

平均値

標準偏差

錐体路
上縦束0.824
0.938

0.0780.069

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

（梗塞例）結果：rFA(N = 40)

rFA

平均値

標準偏差

錐体路上縦束

0.923
0.928

0.080
0.097

Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2017

結果
FIM
出血

運動項目
認知項目

梗塞

運動項目
認知項目

rFA 錐体路 rFA 上縦束
0.410(P = 0.009)
0.274(P = 0.087)
0.325(P = 0.041)-0.117(P = 0.471)

0.108(P = 0.506)
0.445(P = 0.004)
0.037(P = 0.818)
0.483(P = 0.002)
赤字表記=統計的有意まとめ
l 出血例と梗塞例で、ほぼ同領域にFA低下が見られた（対健常者）
l 出血例と梗塞例に共通して、錐体路
rFAは運動的側面、上縦束rFAは認知的側面の指標と相関した
l これらはDTI-FA TBSS解析が機能予後評価・帰結予測に有用であることを示唆する
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

講演内容
l簡単な脳の理解
lDTI-FA TBSS 解析
l脳出血例 TBSS 解析 –重回帰モデルl脳出血例 TBSS 解析の問題点と利点
l脳梗塞例 TBSS 解析 錐体路と上縦束
lこの手法の臨床的意義

この手法へ懐疑論
l懐疑論–確かにグループでは統計的有意である–しかし相関がそれほど高くはない–この程度で、個人レベルの臨床に応用できるのか？

手指
Koyama et al. J Stroke & Cerebrovasc Dis, 2018

左半球病巣
右半球病巣

錐体路

リハビリテーション科診療の一側面
l「最適解」を探すことØ「きっと違うだろう」を多面多軸に応用
Ø5%-10%有意の排除を掛け合わす
Ø 0.9 の 8乗 = 0.430• DTI-FA• 年齢• 発症直後の症状（意識、MMT、高次脳機能障害）• 急性期の経過• 体組成/筋肉量• 従来のMRI/CTの読影… いろいろ組み合わせると絞り込めるリハビリテーション科診療の一側面
l「最適解」を探すことØ「きっと違うだろう」を多面多軸に応用
Ø5%-10%有意の排除を掛け合わす
Ø 0.9 の 8乗 = 0.430• DTI-FA• 年齢• 発症直後の症状（意識、MMT、高次脳機能障害）• 急性期の経過• 体組成/筋肉量• 従来のMRI/CTの読影… いろいろ組み合わせると絞り込める