Imágenes de difusión en la médula espinal de rata Cervical

Resumen

El objetivo de este protocolo es obtener imágenes de resonancia magnética (DWI) ponderadas por difusión de alta calidad de la médula espinal de rata para la caracterización no invasiva de la microestructura tisular. Este protocolo describe las optimizaciones de la secuencia de resonancia magnética, la bobina de radiofrecuencia y los métodos de análisis para permitir imágenes DWI libres de artefactos.

Resumen

La resonancia magnética (RM) es el enfoque de última generación para evaluar el estado de la médula espinal de forma no invasiva, y puede utilizarse como herramienta diagnóstica y pronóstica en casos de enfermedad o lesión. Las imágenes ponderadas por difusión (DWI) son sensibles al movimiento térmico de las moléculas de agua y permiten inferencias de la microestructura de los tejidos. Este informe describe un protocolo para adquirir y analizar DWI de la médula espinal cervical de rata en un sistema animal de pequeño calibre. Demuestra una configuración de imágenes para el animal vivo anestesiado y recomienda un protocolo de adquisición de DWI para imágenes de alta calidad, que incluye la estabilización de la médula y el control del movimiento respiratorio. Se utilizan mediciones con ponderación de difusión a lo largo de diferentes direcciones y magnitudes (valores b). Por último, se utilizan varios modelos matemáticos de la señal resultante para derivar mapas de los procesos de difusión dentro del tejido de la médula espinal que proporcionan información sobre la médula normal y pueden utilizarse para monitorizar los procesos de lesiones o enfermedades de forma no invasiva.

Introducción

La resonancia magnética (RM) es una herramienta no invasiva que proporciona una ventana en el cerebro y la médula espinal en la salud y la enfermedad. RM ha revolucionado el diagnóstico clínico, pero también es una herramienta valiosa para la investigación de laboratorio. Los modelos animales de lesión o enfermedad neurológica proporcionan una plataforma para entender la fisiopatología y acelerar el descubrimiento de terapias. En este informe, demuestran la aplicación de la resonancia magnética a un modelo de rata de lesión de la médula espinal para investigar posibles biomarcadores de daño microestructural ¹ utilizando imágenes de tensor de difusión (DTI). El potencial descubrimiento de biomarcadores de imagen le ayudará en el diagnóstico y manejo de pacientes con lesión de la médula espinal. Estos marcadores pueden desempeñar un papel en el descubrimiento de terapias en modelos preclínicos y permitir la observación o el pronóstico en su traducción a la práctica clínica.

DTI es una forma especializada de la RM que mide el movimiento microscópico demoléculas de agua (es decir de difusión). DTI ha sido particularmente ventajosa en el sistema nervioso debido a la presencia de los axones donde la difusión es desproporcionadamente más rápido a lo largo de los axones que perpendicular a ellos, lo que proporciona información con respecto a su orientación y composición microestructural. Índices escalares derivados de DTI, incluyendo una medida de la difusión general dentro del tejido, la difusividad (MD), y una medida de la dependencia de la orientación de la difusión decir, la anisotropía fraccional (FA) ^2,3, han visto aplicaciones extensas en la caracterización de la microestructura del sistema nervioso, tanto en la salud y la enfermedad ^4. Estas métricas han revelado características microscópicas de tejidos que son invisibles a través de la mayoría de los otros métodos de resonancia magnética. Los esfuerzos previos demostraron que DTI detecta cambios microestructurales remotos dentro de la médula cervical siguiente torácica SCI en ratas ^1. Los cambios DTI remotos desde la lesión probablemente reflejan cómo todo el res de la médula espinalestanques a lesiones, y son potencialmente un marcador de lesión secundaria.

Imagine la médula espinal de ratas in vivo presenta varios desafíos únicos. Más notablemente, la médula espinal se ve afectada por el movimiento respiratorio y requiere una cuidadosa atención a minimizar el movimiento utilizando varios métodos. En estudios anteriores, los dispositivos de inmovilización eliminan el movimiento de la columna vertebral durante el escaneado ^5. Para imágenes de la médula cervical, utilizamos la restricción física en la forma de un soporte de cabeza y bares del oído, que atenúa, pero no elimina el movimiento causado por la respiración. Además, utilizamos un esquema de gating respiratorio personalizado para sincronizar la adquisición de imágenes con el ciclo respiratorio de una manera eficiente. Estas modificaciones permiten la eliminación de los artefactos causados ​​por el movimiento de otra forma a granel a gran escala causada por la respiración ^6. DWI es muy sensible al movimiento microscópico, incluyendo el flujo de CSF y la pulsación de sangre, y estas fuentes más pequeñas de movimiento contamination También se alivian por el régimen de control del movimiento respiratorio. Además, la médula espinal tiene una pequeña área en sección transversal y representa sólo una fracción del campo de vista. Para imágenes de la columna cervical, en el que la médula espinal está situado profundo dentro del cuerpo del animal, se necesita una bobina de radiofrecuencia cilíndrica con penetración de la señal adecuada a la imagen de la médula espinal cervical con alta resolución. Una reducción en el campo de visión se logra por la supresión volumen exterior (OVS), que también sirve para cancelar, o echarse a perder, la señal de los tejidos fuera de la médula espinal. Este método, llamado gradientes alerón o supresión volumen exterior, también sirve para reducir la contaminación de movimiento residual animal, flujo del LCR, o pulsación de sangre dentro de estos tejidos.

La disposición de la médula espinal también puede ser explotado para simplificar el protocolo de formación de imágenes. Los axones de la médula espinal en la materia blanca (WM) son casi todos orientados paralelos al eje principal de la médula espinal. Thnosotros, mientras DWI del cerebro requiere mediciones a lo largo de al menos 6 direcciones para asegurar que los resultados no dependen de la posición dentro del imán (un proceso llamado tensor de difusión), las mediciones en la médula espinal pueden ser adquiridos sólo a lo largo de 2 direcciones paralela y perpendicular al cable de ^7,8, en lo sucesivo, longitudinal y transversal, respectivamente. Por lo tanto, la difusividad y otros parámetros se miden a lo largo de las 2 direcciones por separado y permiten inferencias en la microestructura del tejido tanto en la salud y la enfermedad o lesión.

Protocolo

NOTA: Declaración de Ética: La Atención Institucional y el empleo Comités (IACUC) del Colegio Médico de Wisconsin y el VA Medical Center Clemente J. Zablocki aprobaron todos los procedimientos.

1. Preparación Animal y Vigilancia

1. Anestesiar la rata en una cámara de inducción, usando 5% de isoflurano en el aire médica. Cuando el reflejo de enderezamiento está ausente y apretando la pata trasera no produce ningún reflejo de retirada, reducir la anestesia al 2% y transferir el animal para el escáner en una posición de decúbito prono de cabeza primero. Mantener 2% de isoflurano a través de un dispositivo de cono de la nariz durante todo el procedimiento, y mantener el aire médica a una velocidad de flujo de aproximadamente 1 L / min. Aplicar una pequeña cantidad de pomada lubricante para los ojos de la rata para evitar daños a la córnea, mientras que bajo anestesia.
2. Colocar una cinta monitorización respiratoria segura alrededor del torso de la rata. Conectar el cinturón para un sistema de control del movimiento respiratorio. Antes de avanzar a la rata en el orificio del escáner, CHEC k el ordenador monitorización respiratoria para asegurar el ciclo respiratorio es clara y consistente. Ajuste la correa, si es necesario, ya que este paso es imprescindible para la calidad de imagen.
3. Supervisar y mantener la temperatura corporal del animal a 37 ° C a través de una sonda rectal y cálido sistema de calefacción de aire. Mantener la frecuencia respiratoria entre 30-45 respiraciones por min ajustando el nivel de anestesia entre 1,2 y 2%.
4. Coloque la rata en el soporte de la cabeza con una barra de mordida y tornillo-en los bares del oído (Figura 1), y deslice la cabeza en un volumen de bobina en cuadratura hasta la columna cervical se coloca en el centro de la bobina.
   NOTA: Los hombros de la rata pueden prevenir la progresión en la bobina.
5. Avanzar en la rata y los titulares de apoyo en el orificio del escáner. Si procede, ajustar la afinación y condensadores a juego de la bobina a la frecuencia adecuada y la impedancia de acuerdo con las instrucciones proporcionadas por el proveedor de la bobina.

e_title "> Parámetros de exploración de resonancia magnética 2.

NOTA: Los procedimientos descritos aquí utiliza un sistema pequeño animal 9.4 T taladro horizontal, pero son aplicables a otras intensidades de campo de los sistemas de RM de animales pequeños.

1. Utilice procedimientos automatizados del sistema MRI para la detección de la frecuencia de resonancia, mejorando iterativamente la homogeneidad del campo magnético (calce), la calibración de la potencia de radiofrecuencia, y el ajuste de la ganancia del receptor.
2. El uso de la interfaz del software del sistema, obtener una exploración explorador de tres plano por defecto para asegurar un posicionamiento correcto.
   1. Haga clic en "Nuevo análisis", seleccione TriPilot, y haga clic en el "semáforo" para adquirir las imágenes.
   2. Asegúrese de que el centro de la columna cervical está alineado tanto con el centro del imán y el centro de la bobina de MRI. Para centrar la columna vertebral dentro del imán, empujar o tirar de la base y readquirir la exploración explorador para su verificación.
   3. Para ajustar la position de la columna cervical con respecto a la bobina de resonancia magnética, retirar la base del imán de reposicionamiento. Si es necesario, repetir este proceso hasta que la posición es consistente. Si se vuelve a colocar al animal, repita el paso 2.1.
3. Añadir una secuencia spin-echo ponderada nueva difusión eco-planar (DtiEpi) para el protocolo de imagen actual.
   1. Configurar y adquirir imágenes de difusión ponderada con la secuencia DWI con la configuración predeterminada, excepto las siguientes:
   2. Abra la posición interfaz gráfica de rebanada de prescribir 12 rebanadas con un espesor de 0,75 mm. Orientar las rebanadas perpendicular al eje principal de la médula cervical. Asegurar el posicionamiento rebanada consistente entre diferentes animales oa través de diferentes sesiones de formación de imágenes utilizando la base del cerebelo como referencia interna.
   3. Establecer las bandas de saturación en 'ON'. Posición 4 bandas de saturación con un espesor de 10 mm fuera de la médula espinal para reducir al mínimo la señal de estos tejidos yreducir su potencial para inducir artefactos (Figura 3). Gating respiratoria Ajuste ('módulo de activación') en 'on'.
      NOTA: La compuerta de encargo respiratoria requiere conocimientos y experiencia en la programación de secuencias de pulsos. Si esto no está disponible, una solución es reducir el número de cortes de 3-5 y el TR a 1 s para asegurar que todos los cortes se obtienen en el medio hálitos del animal. Repita la secuencia completa con el otro subgrupo de rebanadas de obtener la cobertura completa de la médula cervical.
   4. Haga clic en el icono de la caja de herramientas y haga clic en "Editar método." Establecer el número de segmentos del PAI a 4. Cambiar la dirección de codificación de fase a izquierda-derecha. Otros valores predeterminados son: echo espaciamiento = 0,3234 ms, la longitud total del tren de eco por segmento EPI = 32.
      NOTA: La codificación de fase de establecimiento a la dirección izquierda-derecha en lugar de anterior-posterior reducirá la contaminación de movimiento de otras estructuras.
   5. Utilice los siguientes geometriajustes de cal. Tamaño de la matriz = 128 x 128, y en el plano de campo de visión = 25,6 x 25,6 mm, resultando en una resolución espacial en el plano = 0.200 x 0.200 mm. Asegúrese de grosor de corte = 0,75 mm. Para rebanada = 'intercalada ", brecha rebanada = 0 mm.
   6. Utilice los siguientes parámetros de ponderación de difusión: el modo de medida DW = 'contraste DW', duración gradiente de difusión (δ) = 7 ms, separación gradiente de difusión (Δ) = 12 ms, el número de valores b = 8, b-valores deseados = 0 , 250, 500, 750, 1.000, 1.500, 2.500, 3.500 mm / s ^2, el número de direcciones de difusión = 2, las direcciones de ponderación de difusión = [1 0 0] y [0 0 1] (hecho de estar en los planos paralelos y ortogonal al eje de la médula espinal).
      NOTA: Con estos ajustes, logramos b-valores de hasta 3.500 s / mm ^2. Las especificaciones de hardware y otras características de rendimiento del sistema puede limitar el valor b, ya que la duración gradiente de difusión (δ) y la separación por gradiente de difusión (Δ) dependen de la grendimiento de gradiente, que en nuestro sistema fueron: (fuerza máxima gradiente: 440 mT / m, máxima velocidad de subida: 3.440 T / m / s). Para las mediciones de curtosis, 2 b-valores, con el mayor valor b de al menos 2.000 s / mm ^2, se recomiendan.
   7. Utilice los siguientes ajustes de sincronización. tiempo de eco (TE) = 27 ms (ajustado al mínimo introduciendo 0), tiempo de repetición (TR) = 1.800 ms.
4. Adquirir la secuencia preparada. Con los parámetros enumerados anteriormente, el tiempo total de adquisición es de aproximadamente 25 min.
5. A lo largo de todas las exploraciones, controlar el software de control del movimiento respiratorio y ajustar el período de retardo entre el "disparador" (detección de software de la espiración) y la señal al sistema de MRI de manera que las adquisiciones se producen sólo en la porción de reposo (inmóvil) del ciclo respiratorio (Figura 2a, parte estable de la línea gris). Un retardo de disparo entre 100-400 mseg es necesario dependiendo de patrón de respiración del animal. Esto ayudará a reducir artihechos que se producen con el movimiento respiratorio (Figura 3e).
6. Si está disponible, repita la secuencia con la costumbre "blips revertir" ajustado a "on", que requiere 25 minutos adicionales de tiempo de adquisición.
   NOTA: Si la costumbre 'reverse-blip' secuencia ⁹ (necesario para la corrección de artefactos de susceptibilidad en el paso 3) no está disponible, sólo una única dirección codificación de fase EPI es posible, mientras que la modificación de la secuencia blip invertido permite la elección de la dirección de codificación de fase (derecha -a-izquierda o de izquierda a derecha).
7. Cuando se completa la imagen, quitar el animal del soporte y devolverlo a su jaula. No deje a un animal sin vigilancia hasta que se haya recuperado el conocimiento suficiente para mantener decúbito esternal.

Procesamiento 3. Imagen

1. Exportar datos del sistema en formato DICOM directamente desde el sistema (preferible) o convertir los datos a formato NIfTI usando costumbre o thirsoftware d-partido.
2. Realizar corrección de artefactos de susceptibilidad.
   1. Extracto de la b = 0 volúmenes de cada escanean en un solo archivo, con las utilidades proporcionadas con FSL u otros paquetes de software de resonancia magnética. Se requiere un archivo para cada dirección de codificación de fase.
      NOTA: Por ejemplo, si cada exploración consistió en 8 exploraciones de diferentes valores b con ponderación de difusión en la dirección transversal, seguido por 8 exploraciones de ponderación de difusión en la dirección longitudinal, el archivo de imagen contiene b = 0 exploraciones en la ^1ª y 9 volúmenes ^th, y pueden ser extraídos y montados con el siguiente código shell:
      fslroi $ {up} _dwi_masked.nii.gz temp1 0 1
      fslroi $ {up} _dwi_masked.nii.gz temp2 8 1
      fslroi $ {abajo} _dwi_masked.nii.gz TEMP3 0 1
      fslroi $ {abajo} _dwi_masked.nii.gz temp4 8 1
      fslmerge -t blip_both temp1 temp2 TEMP3 temp4
      (Donde en este caso $ y $ abajo son las exploraciones con normalidad y revirtió direcciones codificar fase, respectivamente).
   2. Utilice el comando 'topup' en fsl ^10,11 para crear un archivo corregido con artefactos de distorsión de imágenes reducidas. Aplicar esta corrección a las imágenes de DWI primas que se utilizarán para la creación de mapas de parámetros.
      NOTA: Las instrucciones para el uso del comando se pueden encontrar en http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/TOPUP/TopupUsersGuide . Código de ejemplo para utilizar el comando en este caso es como sigue:
      topup --imain = blip_both_nlmf_b0images_masked.nii --datain = .. / topup_data.txt --config =. / b02b0_ratspine.cnf --out = topup_splines_nlmf --iout = $ cabo --verbose --logout = topuplog.log
      dwiup = `ls $ {hasta} * dwi_nlmFilt.nii`
      = dwidown `ls $ {abajo} * dwi_nlmFilt.nii`
      applytopup --imain = $ {dwiup}, $ {} dwidown --datain = .. / topup_data.txt --method = jac --inindex = 1, $ ind --topup = topup_splines_nlmf --out = DWI _ $ {cabo } -v
      Copiar y editar el archivo predeterminado en $ {} FSLDIR /etc/flirtsch/b02b0.cnf para el giro de la rataal cable mediante la reducción de cada uno de los valores en los --warpres y líneas --fwhm por un factor de 10.
3. Si las imágenes con ponderación de difusión se adquieren a lo largo de al menos 6 direcciones no ortogonales (utilizando un esquema de DTI en Paravision o un diseño personalizado similar), utilizar paquetes de software como de difusión de herramientas ^{de 12} o Camino de fsl ¹³ para calcular mapas estándar de los parámetros de DTI. Si no, utilizar un procedimiento personalizado para generar métricas útiles, que emplea la ponderación de difusión sólo a lo largo de 2 direcciones, por ejemplo, como se indica en los pasos 3.4 en adelante.
4. Cargue el archivo de DWI corregido emitida por Recarga en fslview y seleccione "Archivo -> Crear máscara" en el menú. Utilice las herramientas de lápiz para dibujar una región de interés dentro de un tipo de tejido (por ejemplo, GM, WM dorsal, o ventrolateral WM). Guarde este archivo y repita para otras regiones de interés que desee para su uso posterior.
   NOTA: Otros procedimientos a ROI segmentos de la médula espinal se han documentado ^14,15 y puede ser preferible para los usuarios avanzados.
5. Utilice el archivo de ROI para enmascarar el archivo DWI y luego calcular la media de la señal en el retorno de la inversión para cada volumen de la imagen con el siguiente comando:
   fslstats -t DWI_corrected.nii.gz -k GM_mask.nii.gz -M
6. Copie los 8 primeros resultados en programa de cálculo numérico como MATLAB, como vector de señal transversal (por ejemplo llamarlo sig_T), y los segundos 8 resultados como un vector para la señal longitudinal (sig_L), donde 8 es el número de b- valores utilizados.
   1. Copie los valores b en un programa de cálculo numérico como un vector de 8 valores b. Los valores b para las direcciones transversales y longitudinales eran idénticos. Si es posible, el b-valor efectivo, en lugar de la b-valor nominal, deben obtenerse desde el escáner, que aparece en la ventana de parámetros del paso 2.3.5 como "valor de B en vigor".
   2. Utilice curva caja de herramientas de ajuste del programa de cálculo numérico para ajustar la señal frente a los datos b-valor de THe modelo deseado escribiendo cftools en el símbolo del sistema. Para ello, haga clic en "Data ..." y seleccione los vectores de señal como datos-Y y los valores b como los datos x. Haga clic en "Fitting ..." y en "Tipo de ajuste" elegir "Ecuación personalizada", haga clic en "Nuevo" y "Ecuaciones generales" para introducir una ecuación para el montaje.
7. Para ajustarse al modelo de difusión estándar, introduzca la ecuación:
   S0. * Exp (-x. * D) "(1)
8. Para adaptarse a un modelo que incluye la difusión y un término de segundo orden (curtosis; K) para medir la desviación de difusión gaussiano ^16, introduzca la ecuación:
   S0. * Exp (-x. * D + (1/6). * (X. * D). ^ 2. * K) "(2)
9. Haga clic en "Aceptar" y "Aplicar". Observe los valores estimados para difusividad (D) y la curtosis (K) en la ventana de resultados. En el "Conjunto de Datos:" selector, seleccione los datos sig_T (o sig_L) para su uso con la ecuación (1)o (2) y haga clic en "Aplicar".
10. Calcular el índice de anisotropía (AI) con el transversales y longitudinales difusividades:
    AI = (D _L D _T) / (D _L + D _T) (3)
    Esto es análogo a la anisotropía fraccional (FA) calculada a partir del modelo de DTI. Un índice de anisotropía para la curtosis también se puede calcular utilizando transversal y curtosis longitudinal en lugar de difusividad.
    NOTA Este método da los valores de los parámetros del modelo tales como K _T, D _T, etc. También es posible utilizar la operación de línea de comandos de la curva de caja de herramientas de ajuste en cada voxel dentro de la columna vertebral para crear un mapa de cada parámetro del modelo . Métodos de ajuste alternativos pueden ser utilizados y se detallan en otro lugar. ¹⁷

Resultados

Los procedimientos apropiados para minimizar los artefactos de movimiento como resultado de difusión de alta calidad imágenes ponderadas de la rata médula espinal cervical. Usando gating encargo respiratorio (Figura 2), saturando señal no deseada de los tejidos fuera de la columna vertebral (figuras 3B y C), y el campo de corrección de la distorsión susceptibilidad magnética produce imágenes de difusión ponderada tales como los de las Figuras 4 y 5. Imágenes inadecuadas o que no sean cerrada dará lugar a artefactos en la forma de la imagen secundaria (Figura 3E), mientras que gating correcta es libre de artefactos.

La inspección visual de las imágenes ponderadas de difusión a través de las 12 rebanadas revela características de la médula espinal que se refiere a su microestructura. En concreto, una difusión más rápida de los resultados de tejido en una mayor pérdida de señal en las imágenes ponderadas de difusión, que se exacerba con mayor ponderación de difusión (b-value). Con ponderación de difusión realizada perpendi- cularular al eje de la médula espinal, la materia blanca a lo largo de la periferia del cable aparece brillante, ya que la difusión es lento y restringido perpendicular a los axones. En contraste, la materia gris dentro de la región central del cable aparece más oscura, ya que se compone de axones y cuerpos celulares que no están todos alineados a lo largo de una sola dirección. En comparación, la ponderación de difusión de los resultados de dirección paralelas en la sustancia blanca con un aspecto más oscuro, ya que la difusión es rápida a lo largo de los axones, mientras que la materia gris es relativamente más brillante. Es importante señalar que la difusión ponderada imágenes separadas se muestran para diferentes valores b, ya que las direcciones paralelas y perpendiculares tienen el mejor contraste entre la materia blanca y gris en diferentes valores b.

Combinando todas las de difusión ponderada imágenes utilizando formalismos matemáticos permite mapas de los parámetros de difusión para mostrar. Las señales de la media de la materia blanca y gris se representan frente a la diffactor de ponderación de fusión (b-value) para las direcciones paralelas y perpendiculares. Estos datos cuantitativos refuerza las imágenes de difusión ponderada mostrados en la Figura 4. En concreto, la materia blanca tiene una fuerte dependencia de la dirección de la ponderación de difusión (longitudinal o transversal), mientras que la materia gris es menos dependiente de la dirección. Del mismo modo, ajuste de la señal en cada voxel usando la ecuación para los rendimientos de curtosis difusión mapas cuantitativos de parámetros de difusión (Figura 6b), que ponen de relieve esta misma dependencia. La materia blanca tiene un alto grado de anisotropía, tanto para la difusión (AID) y mediciones de curtosis (AIK). Por lo tanto, la difusión transversal y curtosis revelan la microestructura subyacente de la médula espinal que se conoce a partir de estudios histológicos. Estos parámetros de difusión, que se adquieren en vivo, pero los animales anestesiados, reflejan las propiedades del tejido microscópicos tales como la densidad de axones y diámetro. Las alteraciones en elmedidas en sí causadas por lesiones y enfermedades serán útiles para evaluar de forma no invasiva las consecuencias de las lesiones y los efectos de terapias prometedoras. La difusión de imágenes ponderado de la rata de la médula espinal cervical, por tanto, puede convertirse en una herramienta para estudios preclínicos de lesión de la médula espinal y enfermedades de la médula espinal.

Figura 1:. Diseño de la bobina y soporte para la médula espinal cervical MRI Una bobina de cuadratura volumen personalizado (Doty Scientific Inc) se utilizó para la imagen de la columna vertebral cervical con alta sensibilidad y la uniformidad. Anestesia y aire médica son entregados por los puertos de gas indicado en el cono de nariz, que se ajusta cómodamente alrededor de la nariz de la rata. Gas exhalado y el exceso es capturada por la línea de escape bajo ligero vacío. La cabeza de la rata se asegura con la barra de bocado colocado alrededor de los incisivos y el delic bares oído colocadotamente en el canal auditivo. No se muestran otros componentes de supervisión fisiológicos, incluyendo el monitor respiratorio y sonda de temperatura.

Figura 2: Esquema de gating respiratorio. Una traza típica respiratorio (gris) y el gatillo (rojo) de la unidad de gating se muestran esquemáticamente (A). En la implementación típica de gating (B), un solo disparador se usa para adquirir todos los cortes (líneas verticales; 12 se muestra aquí) en momentos espaciados uniformemente dentro del tiempo de repetición (TR). Si el TR excede el período típico, pueden ocurrir varias rodajas durante una respiración y ser susceptible al movimiento (rojo). En el esquema modificado (C), un subconjunto de las rebanadas se adquieren rápidamente después de que el gatillo (6 muestra aquí) seguido por un retardo, con las otras rebanadas adquiridos después del disparo posterior. Eficazmente, El TR es idéntico entre ambos esquemas reordenando los retrasos en la secuencia.

Figura 3:. Posicionamiento rebanada MRI, bandas de saturación, y el movimiento de control Doce cortes axiales se dispusieron en la imagen Scout (A) con la rebanada más anterior situado a una distancia constante desde la intersección del tronco encefálico y el cerebelo. Se añadieron bandas de saturación (B) para eliminar señales no deseadas fuera de la zona de interés. Una imagen sin ponderación de difusión (C) y uno con ponderación de difusión (D) con el esquema de gating encargo empleada muestran claramente la anatomía de la cuerda y está libre de artefactos. Con el esquema no optimizado gating o control del movimiento respiratorio inadecuado, difusión imágenes ponderadas muestran artefactos (E) como una pérdida de la señal en el cable, o múltiples "fantasmas" fuera de la cuerda que el análisis posterior corrupto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4:. Representante de difusión imágenes ponderadas Uso de las optimizaciones descritas en el texto, imágenes ponderadas de difusión de alta calidad se obtuvieron con transversal ponderación de difusión aplicada (A) y longitudinal (B) al eje principal de la médula espinal. Diferentes valores b se muestran para cada dirección que proporcionan el mejor contraste entre la sustancia blanca y gris con fines ilustrativos. Para cada dirección o b-valor, los 12 rebanadas fueron adquiridos en aproximadamente 90 segundos. carga / 52390 / 52390fig4large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5:. Invertida proceso de corrección de fase a codificar la columna de la izquierda muestra una sola rebanada fotografiado con la secuencia DWI mencionadas en este ("blip" la imagen) protocolo. La columna central muestra la secuencia adquirió una segunda vez con los "revertir" repuntes en 'ON'. Tenga en cuenta cómo las características que aparecen se extendían en la primera imagen aparecen comprimidos en la columna central. La columna derecha muestra las imágenes de difusión ponderada corregidos utilizando Recarga. La fila superior es la no difusión de imagen ponderada, la fila del medio es un ejemplo con ponderación de difusión aplicada en la dirección transversal, y la fila inferior es un ejemplo con ponderación de difusión aplicada en la dirección longitudinal.//www.jove.com/files/ftp_upload/52390/52390fig5large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6:. Mapas de difusividad y curtosis computarizada La señal normalizada (intensidad de la imagen) se representa gráficamente (A) como una función de ponderación de difusión (b-valor) para la transversal (T) y la dirección longitudinal de codificación (L) de difusión. Mapas de alta calidad (B) de la difusividad (D), la curtosis (K) y la anisotropía (AI) se calculan a partir de la señal en cada voxel y revelan características únicas del tejido de la médula espinal. En concreto, hay una diferencia clara en los parámetros entre la sustancia blanca y gris, así como las diferencias regionales en las regiones de materia blanca. Por favor, haga clic aquí a view una versión más grande de esta figura.

Discusión

Las técnicas descritas aquí pueden proporcionar difusión de alta calidad imágenes ponderadas de la médula espinal de ratas in vivo. La calidad de la imagen depende de muchos factores, pero la médula espinal tiene varios problemas únicos que son importantes.

El movimiento es un problema importante que si no se corrige, se traducirá en imágenes inutilizables. Por lo tanto, se requiere una monitorización cuidadosa durante la sesión de MRI. Si se observan defectos de la imagen en la exploración inicial que sean consistentes con el movimiento, detenga la adquisición y adoptar medidas para eliminar los artefactos, ya que estos son difíciles de eliminar en el post-procesamiento. Asegúrese de que el equipo respiratorio recibe una señal fuerte y regular a partir de la unidad de monitorización respiratoria. Puede necesitar ser ajustado para la tensión correcta que proporciona una señal consistente, pero no restringir la respiración del animal El cinturón de la respiración. Mantener el nivel adecuado de anestesia en todo momento; 1,5-2,0% isofluorano se ha utilizado en nuestra experience. Asimismo, la reducción en el movimiento general del animal y la columna vertebral es otro aspecto importante para proporcionar imágenes libres de artefactos. A diferencia de la médula espinal humana, que experimenta movimiento significativo causado por la pulsación CSF relacionado con el ciclo cardíaco, la pulsación de LCR en el roedor es predominantemente asociado con el ciclo respiratorio ^18. Mientras que es difícil de eliminar completamente todo el movimiento en el cable, es particularmente importante reducir el movimiento a la medida de lo posible, que se logra a menudo a través de ensayo y error. Además, las ratas con diversas lesiones o trastornos neurológicos pueden tener tasas respiratorias anormales u otras complicaciones fisiológicas que pueden requerir la adaptación de los procedimientos descritos en el presente documento.

Las modificaciones a la secuencia de pulsos para control del movimiento respiratorio, junto con los procedimientos de reconstrucción de imagen adaptados para este propósito, minimizar los efectos de la distorsión causada por campos magnéticos no homogéneos que no pueden ser removcado por los ajustes realizados en el sistema de resonancia magnética.

Del mismo modo, la calidad de la imagen depende de la duración de tiempo de formación de imágenes. En nuestro ejemplo, limitar el número de ponderación de difusión a lo largo de sólo dos direcciones permitió una reducción en el tiempo total de formación de imágenes. Una limitación de este enfoque es que ya no es compatible con el análisis completo tensor (DTI), que es la norma para muchos otros estudios. Alternativamente, usando un menor número de promedios y más direcciones de difusión o valores b puede permitir una mejor caracterización manteniendo el mismo tiempo de adquisición. Estudios anteriores han demostrado que el enfoque 2-dirección proporciona información consistente con el enfoque de 6 dirección (DTI) ^19, pero se debe tener cuidado para asegurar que los cortes (y direcciones de difusión) están orientados precisamente a lo largo y perpendicular al cordón. Sin embargo, la adquisición de múltiples valores b permite una mejor caracterización y ajuste matemático de curtosis y se recomienda el uso de un único b-Value. Además, la secuencia completa se repitió con una dirección de codificación de fase inversa que reduce los efectos de los artefactos de susceptibilidad de campo magnético, y mejora la calidad general de la imagen a través de promediado. Por último, la resolución de imagen utilizado en nuestro protocolo proporciona una clara separación de la materia blanca y gris. Las imágenes con una resolución más alta son posibles, aunque esto viene a menudo a expensas de los tiempos de exploración más largos o la posibilidad de más artefactos.

Mejoras en bobinas de radiofrecuencia, las secuencias de pulsos, y los métodos de post-procesamiento tendrán el efecto de mejora de formación de imágenes de la médula espinal en futuras adaptaciones de este método. Por ejemplo, bobinas de superficie pueden ser beneficiosos para mejorar la calidad de imagen similar a la observada en ratones. ²⁰ Estas medidas tienen una alta probabilidad de ser útiles como biomarcadores para el diagnóstico clínico y el tratamiento de las lesiones de la médula espinal.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
bobina de RF para la imagen de pequeños animales	Doty	SAIP400-H-38-S
Sistema de compuerta respiratoria	SA Instruments	1030
escáner MR	Bruker	Biospec 94/30 USR