Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
L'obiettivo di questo protocollo è ottenere una risonanza magnetica pesata in diffusione (DWI) di alta qualità del midollo spinale di ratto per la caratterizzazione non invasiva della microstruttura tissutale. Questo protocollo descrive le ottimizzazioni della sequenza MRI, della bobina a radiofrequenza e dei metodi di analisi per consentire immagini DWI prive di artefatti.
La risonanza magnetica (MRI) è l'approccio all'avanguardia per valutare lo stato del midollo spinale in modo non invasivo e può essere utilizzato come strumento diagnostico e prognostico in caso di malattia o lesione. L'imaging pesato in diffusione (DWI) è sensibile al movimento termico delle molecole d'acqua e consente di inferire la microstruttura dei tessuti. Questo rapporto descrive un protocollo per acquisire e analizzare la DWI del midollo spinale cervicale di ratto su un sistema animale di piccolo calibro. Dimostra una configurazione di imaging per l'animale anestetizzato vivo e raccomanda un protocollo di acquisizione DWI per un imaging di alta qualità, che include la stabilizzazione del midollo e il controllo del movimento respiratorio. Vengono utilizzate misure con ponderazione della diffusione lungo diverse direzioni e grandezze (valori b). Infine, diversi modelli matematici del segnale risultante vengono utilizzati per derivare mappe dei processi di diffusione all'interno del tessuto del midollo spinale che forniscono informazioni sul midollo normale e possono essere utilizzati per monitorare i processi di lesioni o malattie in modo non invasivo.
La risonanza magnetica (MRI) è uno strumento non invasivo che offre una finestra sul cervello e il midollo spinale sia in salute e malattia. MRI ha rivoluzionato la diagnosi clinica, ma è anche uno strumento prezioso per le indagini di laboratorio. I modelli animali di danno neurologico o malattia forniscono una piattaforma per capire la fisiopatologia e accelerare la scoperta di terapie. In questo rapporto, dimostriamo l'applicazione di risonanza magnetica per un modello murino di lesioni del midollo spinale per indagare potenziali biomarcatori di danno microstrutturale 1 utilizzando l'imaging del tensore di diffusione (DTI). Il potenziale scoperta di biomarcatori di imaging aiuterà nella diagnosi e nella gestione dei pazienti con lesioni del midollo spinale. Questi marcatori sono suscettibili di svolgere un ruolo nella scoperta di terapie in modelli preclinici e consentire l'osservazione o la prognosi nella loro traduzione in ambito clinico.
DTI è una forma specializzata di risonanza magnetica che misura il movimento microscopica dimolecole di acqua (cioè di diffusione). DTI è particolarmente vantaggioso nel sistema nervoso dovuta alla presenza di assoni cui diffusione è sproporzionatamente veloce lungo gli assoni che perpendicolarmente ad essi, che fornisce informazioni riguardanti il loro orientamento e la composizione microstrutturale. Indici scalari derivati da DTI, tra una misura della diffusione complessiva all'interno del tessuto, diffusività (MD), e una misura della dipendenza orientamento della diffusione media, anisotropia frazionaria (FA) 2,3, hanno visto vaste applicazioni nel caratterizzare la microstruttura del sistema nervoso in salute e di malattia 4. Questi parametri hanno rivelato caratteristiche tissutali microscopiche che sono invisibili per la maggior parte degli altri metodi MRI. I precedenti tentativi hanno dimostrato che DTI rileva i cambiamenti microstrutturali remote all'interno del midollo cervicale seguente toracica SCI nei ratti 1. I cambiamenti DTI distanza dalla lesione probabilmente riflettono come l'intera res midollo spinalelaghetti di lesioni, e sono potenzialmente un marker di danno secondario.
Imaging midollo spinale di ratto in vivo presenta diverse sfide uniche. In particolare, il midollo spinale è influenzata dal movimento respiratorio e richiede particolare attenzione per ridurre al minimo il movimento utilizzando diversi metodi. In studi precedenti, i dispositivi di immobilizzazione rimossi movimento della colonna vertebrale durante la scansione 5. Per l'imaging del midollo cervicale, utilizziamo contenzione fisica nella forma di un titolare di testa e bar orecchio, che attenua, ma non elimina il movimento causato dalla respirazione. Inoltre, utilizziamo uno schema gating respiratorio personalizzato per sincronizzare l'acquisizione di immagini con il ciclo respiratorio in modo efficiente. Queste modifiche consentono la rimozione degli artefatti altrimenti causate dal moto bulk larga scala causata dalla respirazione 6. DWI è molto sensibile al movimento microscopico, incluso il flusso di CSF e la pulsazione del sangue, e queste fonti minori di movimento contamination sono anche alleviato dal regime gating respiratorio. Inoltre, il midollo spinale ha una piccola area in sezione trasversale e rappresenta solo una frazione del campo visivo. Per cervicale immagini della colonna vertebrale, in cui il midollo spinale è situato in profondità all'interno del corpo dell'animale, una bobina cilindrica radiofrequenza con adeguata penetrazione del segnale è necessario per immagine midollo spinale cervicale con alta risoluzione. Una riduzione del campo visivo è raggiunto dalla soppressione di volume esterno (OVS), che serve anche per cancellare o rovinare, il segnale da tessuti di fuori del midollo spinale. Questo metodo, chiamato gradienti spoiler o soppressione del volume esterno, serve anche a ridurre la contaminazione del movimento residuo animale, flusso del CSF, o pulsazione del sangue all'interno di questi tessuti.
La disposizione del midollo spinale può anche essere sfruttata per semplificare il protocollo di imaging. Gli assoni del midollo spinale nella materia bianca (WM) sono quasi tutti orientati parallelamente all'asse principale del midollo spinale. Thnoi, mentre DWI del cervello richiede misurazioni lungo almeno 6 direzioni per garantire i risultati non dipendono dalla posizione all'interno del magnete (un processo chiamato diffusione imaging del tensore), le misurazioni del midollo spinale possono essere acquisite solo lungo due direzioni parallele e perpendicolare al cavo di 7,8, in seguito denominato longitudinale e trasversale, rispettivamente. Così, la diffusività e altri parametri sono misurati lungo le direzioni 2 separatamente e permettono inferenze nella microstruttura del tessuto in salute e malattia o lesione.
NOTA: Etica Statement: La cura istituzionale e Usa Comitati (IACUC) del Medical College del Wisconsin e il Clemente J. Zablocki VA Medical Center hanno approvato tutte le procedure.
Preparazione degli animali 1. e monitoraggio
NOTA: Le procedure descritte qui utilizzato un sistema piccolo animale 9.4 T foro orizzontale, ma sono applicabili ad altri punti di forza del campo di piccoli sistemi di risonanza magnetica animale.
Elaborazione 3. Immagine
Procedure adeguate per ridurre al minimo gli artefatti da movimento producono diffusione di alta qualità le immagini pesate del ratto cervicale midollo spinale. Utilizzando gating respiratorio personalizzato (figura 2), saturando segnale indesiderato dai tessuti al di fuori della colonna vertebrale (figure 3B e C), e il campo magnetico di correzione di distorsione suscettibilità produce immagini diffusione ponderato come quelli nelle figure 4 e 5. Le immagini non appropriate o non-gated porterà ad artefatti sotto forma di ghosting (Figura 3E), considerando che la corretta gating è priva di artefatti.
Ispezione visiva delle immagini ponderate di diffusione attraverso i 12 fette rivela caratteristiche del midollo spinale che si riferisce alla sua microstruttura. In particolare, la diffusione più rapida nei risultati di tessuto in una maggiore perdita di segnale sulle diffusione immagini pesate, che è aggravata con maggiore ponderazione diffusione (b-value). Con ponderazione diffusione eseguita Perpendiccolare all'asse del midollo spinale, materia bianca lungo la periferia del cavo appare luminoso, poiché la diffusione è lento e limitato perpendicolare assoni. Al contrario, la materia grigia all'interno della regione centrale del cavo appare più scuro, dal momento che è composto di assoni e corpi cellulari che non sono tutti allineati lungo una sola direzione. In confronto, ponderazione diffusione nei risultati parallelamente nella materia bianca con un aspetto più scuro, dal momento che la diffusione è veloce lungo gli assoni, mentre la materia grigia è relativamente più luminoso. È importante notare che le immagini di diffusione separati sono ponderati visualizzata per diversi valori b, poiché le direzioni parallele e perpendicolari hanno il miglior contrasto tra materia bianca e grigia in diversi valori b.
Combinando tutte le immagini di diffusione ponderato utilizzando formalismi matematici consente mappe dei parametri di diffusione da mostrare. I segnali medi della materia bianca e grigia sono tracciati rispetto diffusion fattore di ponderazione (b-value) per le direzioni parallele e perpendicolari. Questi dati quantitativi rafforza le immagini diffusione ponderati mostrate in Figura 4. In particolare, la materia bianca ha una forte dipendenza dalla direzione del coefficiente di diffusione (longitudinale o trasversale), mentre la materia grigia è meno dipendente dalla direzione. Allo stesso modo, il montaggio del segnale in ogni voxel con l'equazione di rendimenti curtosi diffusione mappe quantitative dei parametri di diffusione (Figura 6B), che evidenziano la stessa dipendenza. La sostanza bianca ha un elevato grado di anisotropia sia per diffusione (AID) e misurazioni curtosi (AIK). Pertanto, la diffusione trasversale e curtosi rivelano la microstruttura sottostante del midollo spinale che è noto da studi istologici. Questi parametri di diffusione, che vengono acquisiti in tempo reale, ma animali anestetizzati, riflettono le proprietà dei tessuti microscopiche come la densità degli assoni e diametro. Alterazioni nellamisure sé causate da infortunio e malattia saranno utili per non invasivo valutare le conseguenze di lesioni e gli effetti delle terapie promettenti. Diffusione di imaging ponderata del ratto cervicale midollo spinale può quindi diventare uno strumento per gli studi preclinici di lesioni del midollo spinale e le malattie del midollo spinale.
Figura 1:. Progettazione della bobina e supporto per midollo spinale cervicale MRI Una bobina di volume quadratura personalizzato (Doty Scientific Inc) è stato utilizzato per l'immagine del rachide cervicale con alta sensibilità e uniformità. Anestesia e aria medicale sono forniti dai porti di gas indicati nel cono, che si adatta comodamente intorno al naso del ratto. Gas esalato e l'eccesso viene catturato dalla linea di scarico sotto leggero vuoto. La testa del topo è fissato con la barra morso collocato intorno gli incisivi e la Delic barre orecchio postodiatamente all'interno del canale uditivo. Altri componenti di monitoraggio fisiologici, compreso il monitor respiratorio e sonda di temperatura non sono mostrati.
Figura 2: schema di gating respiratorio. Una traccia tipica respiratoria (grigio) e grilletto (rosso) dall'unità gating sono mostrati schematicamente (A). Nella tipica implementazione di gating (B), un singolo trigger viene utilizzato per acquisire tutte le sezioni (linee verticali; 12 mostrata qui) a volte uniformemente distanziati nel tempo di ripetizione (TR). Se il TR supera il periodo tipica, si possono verificare varie fette durante un respiro ed essere suscettibili di movimento (rosso). Nello schema modificato (C), un sottoinsieme di fette sono acquisiti rapidamente dopo il grilletto (6 mostrata qui) seguito da un ritardo, con le altre fette acquisite dopo l'attivazione successiva. Efficacemente, Il TR è identico tra i due regimi riorganizzando i ritardi all'interno della sequenza.
Figura 3:. Posizionamento fetta MRI, bande di saturazione, e il controllo del movimento Dodici sezioni assiali sono stati organizzati l'immagine Scout (A) con la fetta più anteriore posizionato ad una distanza uniforme dal punto di intersezione del tronco cerebrale e del cervelletto su. Bande di saturazione (B) sono stati aggiunti per eliminare segnale indesiderato di fuori dell'area di interesse. Un'immagine senza ponderazione diffusione (C) e una con ponderazione diffusione (D) con il regime gating personalizzato impiegato mostrano chiaramente l'anatomia del cavo ed è libero di artefatti. Con il sistema non ottimizzato gating o gating respiratorio improprio, diffusione immagini pesate mostrano artefatti (E) come una perdita del segnale all'interno del cavo, o più "fantasmi" al di fuori del cavo che successive analisi corrotto. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4:. Diffusione rappresentativa pesate Utilizzando le ottimizzazioni descritti nel testo, diffusione pesate alta qualità sono stati ottenuti con trasversale ponderazione diffusione applicata (A) e longitudinali (B) all'asse principale midollo spinale. Diversi valori b sono indicati per ogni direzione che forniscono il miglior contrasto tra la materia bianca e grigia a scopo illustrativo. Per ogni direzione o valore-b, tutti i 12 fette sono stati acquisiti in circa 90 sec. Carico / 52390 / 52390fig4large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5:. Reversed processo di correzione di fase-encode La colonna di sinistra mostra una sola fetta ripreso con la sequenza DWI come indicato in questo protocollo ("blip up" immagine). La colonna centrale mostra la sequenza acquisito una seconda volta con il "reverse blips" impostato su 'on'. Si noti come le caratteristiche che appaiono estendeva nella prima immagine appaiono compressi nella colonna centrale. La colonna di destra mostra le immagini di diffusione ponderato corrette utilizzando topup. La riga superiore è la non-diffusione dell'immagine pesata, la fila centrale è un esempio con coefficiente di diffusione applicata in direzione trasversale, e la fila inferiore è un esempio con coefficiente di diffusione applicato nella direzione longitudinale.//www.jove.com/files/ftp_upload/52390/52390fig5large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6:. Mappe di diffusività e curtosi computerizzata Il segnale normalizzato (intensità dell'immagine) viene tracciato (A) in funzione del coefficiente di diffusione (b-value) per il trasversale (T) e longitudinale (L) diffusione direzione della codifica. Mappe di alta qualità (B) di diffusività (D), curtosi (K), e anisotropia (AI) sono calcolati dal segnale ad ogni voxel e rivelano caratteristiche uniche del tessuto del midollo spinale. In particolare, non vi è chiara differenza nei parametri tra sostanza bianca e grigia, nonché le differenze regionali nelle regioni della sostanza bianca. Cliccare qui a view una versione più grande di questa figura.
Spese di pubblicazione di questo articolo sono stati parzialmente sponsorizzati da Bruker Corporation.
L'obiettivo di questo protocollo è ottenere una risonanza magnetica pesata in diffusione (DWI) di alta qualità del midollo spinale di ratto per la caratterizzazione non invasiva della microstruttura tissutale. Questo protocollo descrive le ottimizzazioni della sequenza MRI, della bobina a radiofrequenza e dei metodi di analisi per consentire immagini DWI prive di artefatti.
Ringraziamo Kyle Stehlik, Natasha Wilkins, e Matt Runquist assistenza sperimentale. Finanziato attraverso la ricerca e l'istruzione Iniziativa Fund, un componente del Advancing una dotazione sano Wisconsin presso il Medical College of Wisconsin, e la Neilsen Fondazione Craig H..
| Bobina RF per imaging di piccoli animali | Doty | SAIP400-H-38-S | |
| Sistema di gating respiratorio | SA Instruments | 1030 | |
| Scanner MR | Bruker | Biospec 94/30 USR |
