Diffusionsbildgebung in der Ratte Halsmark

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, eine qualitativ hochwertige diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie des Rückenmarks der Ratte für die nicht-invasive Charakterisierung der Gewebemikrostruktur zu erhalten. Dies wird erreicht, indem zunächst eine Ratte im MRT-Scanner mit der richtigen Mobilisierung und Atemüberwachung vorbereitet wird. Der zweite Schritt besteht darin, einen benutzerdefinierten diffusionsgewichteten MRT-Scan mit Respiratory Gating durchzuführen.

Als nächstes werden die Bilder auf Anfälligkeitsartefakte korrigiert. Der letzte Schritt besteht darin, das MRT-Signal an ein mathematisches Modell anzupassen. Letztendlich wird der Vergleich von Modellparametern innerhalb von Regions of Interest verwendet, um die Eigenschaften der Gewebemikrostruktur aufzuzeigen.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie dem Ex-vivo-Scanning besteht darin, dass sie zu diagnostischen Zwecken in die Klinik übertragen werden kann. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen bei Rückenmarksverletzungen zu beantworten, wie z.B. die Identifizierung von sekundären Verletzungsmechanismen und die Prognose für die Genesung. Das Verfahren wird von Natasha Wilkins und Matt Renquist, Technikern aus meinem Labor, vorgeführt, bevor sie die Schritte in diesem Protokoll durchführen.

Holen Sie zunächst die Genehmigung der zuständigen institutionellen Pflege- und Verwendungsausschüsse für alle Verfahren ein. Beginnen Sie damit, die Ratte in einer Induktionskammer mit 5% Fluor in medizinischer Luft zu betäuben. Wenn der Pfotenrückzug und der Schreibreflex fehlen, reduzieren Sie die Anästhesie auf 2 % und legen Sie das Tier dann mit dem Kopf voran in Bauchlage auf das Scannerbett.

Halten Sie während des gesamten Eingriffs 2 % ISO-Fluor durch einen Nasenkonus und halten Sie medizinische Luft auf einer Durchflussrate von etwa einem Liter pro Minute. Tragen Sie außerdem eine kleine Menge Gleitsalbe auf die Augen der Ratte auf, um eine Beschädigung der Hornhaut während der Narkose zu vermeiden. Legen Sie einen Atemüberwachungsgurt sicher um den Oberkörper der Ratte und verbinden Sie ihn mit einem Atemschutzsystem.

Überprüfen Sie den Atemüberwachungscomputer, um sicherzustellen, dass der Atemzyklus klar und konsistent ist. Passen Sie bei Bedarf einen Gürtel an, da dieser Schritt für die Bildqualität unerlässlich ist. Verwenden Sie eine Warmluftheizung und überwachen und halten Sie die Körpertemperatur des Tieres durch eine Rektalsonde, um sicherzustellen, dass sie bei 37 Grad Celsius gehalten wird.

Halten Sie die Atemfrequenz zwischen 30 und 45 Atemzügen pro Minute, indem Sie die Anästhesie zwischen 1,2 und 2 % einstellenPositionieren Sie nun die Ratte in der Kopfhalterung mit einer Beißstange und schrauben Sie die Ohrstangen ein und schieben Sie den Kopf in eine Quadraturvolumenspule, bis die Halswirbelsäule in der Mitte der Spule positioniert ist. Schieben Sie abschließend die Ratten- und Stützhalter in die Scannerbohrung ein, stellen Sie die Abstimm- und Anpassungskondensatoren der Spule auf die richtige Frequenz und die Impedanz gemäß den Anweisungen des Herstellers ein. Erwerben Sie einen standardmäßigen Scout-Scan mit drei Ebenen, um die korrekte Positionierung sicherzustellen.

Dieser erste Scan aktiviert die automatisierten Verfahren des MRT-Systems zur Erkennung des Resonanzfrequenz-Shimmings, zur Kalibrierung der Hochfrequenzleistung und zur Anpassung der Empfängerverstärkung. Überprüfen Sie, ob die Mitte der Halswirbelsäule sowohl mit der Mitte des Magneten als auch mit der Mitte der MRT-Spule ausgerichtet ist. Fügen Sie dann dem Bildgebungsprotokoll einen Echoplaner hinzu, eine diffusionsgewichtete Spin-Echo-Sequenz.

Ich habe eine Standardeinstellung für die Sequenz verwendet, aber 12 Schichten mit einer Schichtdicke von 0,75 Millimetern vorgeschrieben und diese senkrecht zur Hauptachse des Halsmarks ausgerichtet. Verwenden Sie die Basis des Kleinhirns als interne Referenz, um eine konsistente Schnittpositionierung zwischen den Tieren und über Sitzungen hinweg zu gewährleisten. Schalten Sie die Sättigungsbänder ein.

Positionieren Sie dann vier Sättigungsbänder mit einer Dicke von 10 Millimetern außerhalb des Rückenmarks, um das Signal aus diesen Geweben zu minimieren und ihr Potenzial zur Induktion von Artefakten zu verringern. Achten Sie auch darauf, das Atemschutzgitter einzuschalten. Richten Sie nun die Sequenz mit den Einstellungen für die Diffusionswartezeit ein, wie hier auf dem Bildschirm zu sehen.

Starten Sie dann den Scan. Die Gesamterfassungszeit beträgt ca. 25 Minuten während der Scans. Überwachen Sie die Atmungssteuerungssoftware und passen Sie die Verzögerungszeit zwischen dem Auslöser und dem Signal an das MRT-System so an, dass die Erfassungen nur im Ruheteil des Atemzyklus erfolgen.

Beachten Sie, dass je nach Atmungsmuster des Tieres eine Auslöseverzögerung zwischen 100 und 400 Millisekunden erforderlich ist. Dies wird dazu beitragen, Artefakte zu reduzieren, die bei Atembewegungen auftreten. Falls verfügbar, wiederholen Sie die Sequenz, wobei die benutzerdefinierten Reverse-Blips aktiviert sind, wenn die Bildgebung abgeschlossen ist.

Nehmen Sie das Tier aus der Halterung und setzen Sie es in seinen Käfig zurück. Beobachte das Tier, bis es wieder zu Bewusstsein gekommen ist. Um das Brustbein liegend zu halten.

Beginnen Sie mit der Bildverarbeitung, indem Sie zunächst eine Korrektur der Anfälligkeitsartefakte durchführen. Extrahieren Sie dann das B gleich null Volumes aus jedem Scan in eine einzelne Datei mit Dienstprogrammen, die mit FSL oder anderen MRT-Softwarepaketen bereitgestellt werden. Beispielcode ist hier zu sehen.

Für jede Phase in Coderichtung ist eine Datei erforderlich. Verwenden Sie als Nächstes den Befehl top-up in FSL, um eine korrigierte Datei mit reduzierten Bildverzerrungsartefakten zu erstellen. Wenden Sie diese Korrektur auf die DWI-Rohbilder an, die für die Erstellung von Parameterzuordnungen verwendet werden sollen.

Laden Sie diese korrigierte DWI-Datei in die FSL-Ansicht und wählen Sie die Datei aus. Maske erstellen aus dem Menü. Verwenden Sie die Bleistiftwerkzeuge, um einen interessanten Bereich innerhalb eines Gewebetyps zu zeichnen.

Speichern Sie diese Datei und wiederholen Sie den Vorgang für alle anderen gewünschten Bereiche von Interesse oder ROIs. Verwenden Sie die ROI-Datei, um die DWI-Datei zu maskieren, und berechnen Sie dann das mittlere Signal innerhalb des ROI für jedes Bildvolumen. Kopieren Sie die ersten acht Ergebnisse in ein numerisches Rechenprogramm wie MATLAB als Vektor für das Quersignal und die zweiten acht Ergebnisse als Vektor für das Längssignal, wobei acht die Anzahl der verwendeten B-Werte ist.

Kopieren Sie auch die B-Werte als Vektor aus acht B-Werten in das Programm. Die B-Werte für die Quer- und Längsrichtung sollten nach Möglichkeit identisch sein. Der effektive B-Wert und nicht der nominale B-Wert sollte vom Scanner ermittelt werden.

Verwenden Sie eine Toolbox für die Kurvenanpassung, um die Signal- und B-Wert-Daten an das gewünschte Modell anzupassen. Wenn Sie CF tools an der Eingabeaufforderung eingeben, wählen Sie die B-Werte als X-Daten und die Signalvektoren als Y-Daten aus. Wählen Sie dann das Anpassungsmenü und geben Sie eine Gleichung für die Anpassung ein.

Beachten Sie, dass bei der Eingabe der Gleichung möglicherweise Startpunkte und Grenzwerte für die Variablen festgelegt werden müssen, die für die Daten sinnvoller sind. Nachdem Sie die Gleichungen auf die Anpassung angewendet haben, notieren Sie sich die Parameterwerte, die als quantitative Marker dienen. Dieses Bild zeigt qualitativ hochwertige diffusionsgewichtete Bilder, die mit Diffusion quer und längs zur Hauptachse des Rückenmarks aufgenommen wurden.

Für jede Richtung werden unterschiedliche B-Werte angezeigt, die den besten Kontrast zwischen weißer und grauer Substanz bieten. Hier zeigt die linke Spalte einen Schnitt, der mit der DWI-Sequenz abgebildet wurde. Die mittlere Spalte zeigt die Erfassung mit umgekehrten Blips.

Beachten Sie, wie Features, die im ersten Bild gestreckt erscheinen, in der mittleren Spalte komprimiert angezeigt werden. In der rechten Spalte werden die diffusionsgewichteten Bilder angezeigt, die mit dem Top-up korrigiert wurden. Die oberste Zeile ist das nicht diffusionsgewichtete Bild.

Die mittlere Reihe zeigt die Diffusionsgewichtung in Querrichtung und die untere Reihe die Diffusionsgewichtung in Längsrichtung. Hier sehen wir das normalisierte Signal, das als Funktion der Diffusionsgewichtung mit der Quer- und Längsdiffusionskodierungsrichtung aufgetragen wird. Qualitativ hochwertige Karten von Diffusivität, Kurtosis und Anisotropie werden aus dem Signal an jedem Voxel berechnet.

Es gibt einen deutlichen Unterschied in den Parametern zwischen der weißen und der grauen Substanz sowie regionale Unterschiede in den Bereichen der weißen Substanz. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, die Atmung des Tieres sorgfältig zu überwachen und die Verzögerung der Anästhesie anzupassen, um Bewegungsartefakte zu reduzieren. Dies ist besonders wichtig bei verletzten Ratten, die abnormale Atemfrequenzen oder andere physiologische Komplikationen aufweisen können, die eine Anpassung der Verfahren erforderlich machen können.