Diffusion Imaging nel midollo spinale cervicale Rat

Sommario

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.

Abstract

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.

Introduzione

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.

Protocollo

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

1. Anestetizzare il topo in una camera di induzione, utilizzando 5% isoflurano in aria medicale. Quando il riflesso di raddrizzamento è assente e comprimendo la zampa posteriore non produce ritiro riflesso, ridurre l'anestesia al 2% e trasferire l'animale al letto scanner in posizione prona testa prima. Mantenere 2% isoflurano attraverso un dispositivo cono tutta la procedura e mantenere aria medica ad una portata di circa 1 L / min. Applicare una piccola quantità di lubrificante unguento per gli occhi del ratto per evitare danni alla cornea mentre sotto anestesia.
2. Posizionare una cintura di monitoraggio respiratorio saldamente intorno torso del ratto. Collegare la cinghia ad un sistema gating respiratorio. Prima di avanzare il ratto nel foro scanner, chec k computer monitoraggio respiratorio per accertare il ciclo respiratorio è chiara e coerente. Regolare la cinghia se necessario, dal momento che questo passo è imperativo per la qualità dell'immagine.
3. Monitorare e mantenere la temperatura corporea dell'animale a 37 ° C attraverso una sonda rettale e sistema di riscaldamento di aria calda. Mantenere la frequenza respiratoria tra 30-45 respiri al minuto, regolando il livello di anestesia tra 1,2 e 2%.
4. Posizionare il ratto nel supporto testa con un morso bar ea vite a barre orecchio (Figura 1), e far scorrere la testina in una bobina di volume quadratura fino alla colonna cervicale è posizionato al centro della bobina.
   NOTA: le spalle del ratto può prevenire l'ulteriore progressione nella bobina.
5. Far avanzare il ratto e titolari di supporto nel foro scanner. Se del caso, regolare l'accordatura e condensatori di corrispondenza della bobina alla frequenza adeguata e impedenza secondo le istruzioni fornite dal produttore della bobina.

e_title "> Parametri di scansione 2. MRI

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.

1. Utilizzare procedure automatizzate del sistema MRI per il rilevamento della frequenza di risonanza, migliorando iterativamente l'omogeneità del campo magnetico (spessori), la calibrazione della potenza a radiofrequenza, e la regolazione del guadagno del ricevitore.
2. Utilizzando l'interfaccia software del sistema, di ottenere una tre-piano di scansione esploratore di default per assicurare il corretto posizionamento.
   1. Fare clic su "Nuova scansione", selezionare tripilot, e fare clic su "semaforo" per acquisire le immagini.
   2. Assicurarsi che il centro della colonna cervicale è allineato sia al centro del magnete e il centro della bobina MRI. Per centrare la colonna vertebrale all'interno del magnete, spingere o tirare il supporto e riacquistare la scansione esploratore per la verifica.
   3. Per regolare la position della colonna cervicale rispetto alla bobina MRI, rimuovere il supporto dal magnete per il riposizionamento. Se necessario, ripetere questo processo fino a quando la posizione è coerente. Se l'animale è riposizionato, ripetere il punto 2.1.
3. Aggiungi un ponderato sequenza spin-echo nuova diffusione eco-planare (DtiEpi) al protocollo di imaging corrente.
   1. Configurare e acquisire immagini ponderate di diffusione con la sequenza DWI utilizzando le impostazioni predefinite, tranne per quanto segue:
   2. Aprire la posizione dell'interfaccia grafica fetta di prescrivere 12 fette con uno spessore di 0,75 mm. Orientare le fette perpendicolare all'asse principale del midollo cervicale. Garantire posizionamento fetta consistente tra animali diversi o attraverso sessioni di imaging diversi utilizzando la base del cervelletto come riferimento interno.
   3. Impostare le bande di saturazione su 'on'. Posizione 4 bande saturazione con uno spessore di 10 mm al di fuori del midollo spinale per minimizzare il segnale da questi tessuti eridurre la loro capacità di indurre artefatti (Figura 3). Impostare gating respiratorio ('modulo trigger') a 'on'.
      NOTA: Il gating respiratorio personalizzato richiede conoscenza ed esperienza nella programmazione sequenza di impulsi. Se questo non è disponibile, una soluzione è quella di ridurre il numero di fette di 3-5 e il TR a 1 s per garantire che tutte le fette sono ottenuti in-tra respiri dell'animale. Ripetere la sequenza completa con l'altro sottoinsieme di fette avere la copertura completa del midollo cervicale.
   4. Fare clic sull'icona Casella degli strumenti e quindi fare clic su "Modifica metodo." Imposta il numero di segmenti EPI a 4. Cambiare la direzione della codifica di fase a sinistra-destra. Altre impostazioni di default dovrebbero essere: eco spacing = 0,3234 ms, lunghezza del treno eco totale per segmento EPI = 32.
      NOTA: La codifica di fase impostato nella direzione sinistra-destra piuttosto che antero-posteriore ridurrà la contaminazione del moto da altre strutture.
   5. Utilizzare i seguenti geometriImpostazioni cal. Size Matrix = 128 x 128, e in piano campo di vista = 25,6 x 25.6 mm, in una risoluzione spaziale in piano = 0,200 x 0,200 millimetri. Garantire spessore di strato = 0.75 mm. Ordine Slice = 'intercalata', gap fetta = 0 mm.
   6. Utilizzare le seguenti impostazioni di ponderazione diffusione: DW modalità misura = 'Contrasto DW', durata gradiente di diffusione (δ) = 7 ms, separazione gradiente di diffusione (Δ) = 12 ms, numero di valori b = 8, desiderati valori b = 0 , 250, 500, 750, 1.000, 1.500, 2.500, 3.500 millimetri / s ^2, numero di direzioni di diffusione = 2, ponderazione diffusione indicazioni = [1 0 0] e [0 0 1] (fatto per essere nei piani paralleli e ortogonale all'asse del midollo spinale).
      NOTA: Con queste impostazioni, abbiamo raggiunto valori b alto come 3.500 s / mm ^2. Specifiche hardware e le altre caratteristiche di prestazione di sistema può limitare il valore-b, dal momento che la durata gradiente di diffusione (δ) e la separazione gradiente di diffusione (Δ) dipendono dal gprestazioni gardiente, che sul nostro sistema sono stati: (massima forza di gradiente: 440 mt / m, massima velocità di risposta: 3.440 T / m / s). Per le misure di curtosi, 2 B-valori, con la b valore più alto di almeno 2.000 s / mm ^2, sono raccomandati.
   7. Utilizzare le seguenti impostazioni di sincronizzazione. tempo di eco (TE) = 27 ms (impostato al minimo inserendo 0), tempo di ripetizione (TR) = 1.800 msec.
4. Acquisire la sequenza preparata. Con i parametri sopra elencati, il tempo totale di acquisizione è di circa 25 min.
5. Durante tutte le scansioni, monitorare il software gating respiratorio e regolare il periodo di ritardo tra il "trigger" (rilevamento software di scadenza) ed il segnale al sistema MRI in modo che le acquisizioni si verificano solo in quiescente (immobile) porzione del ciclo respiratorio (Figura 2a, porzione stabile di linea grigia). Un ritardo di trigger tra 100-400 msec è necessario a seconda del modello di respirazione dell'animale. Ciò contribuirà a ridurre artifatti che si verificano con il movimento respiratorio (Figura 3e).
6. Se disponibile, ripetere la sequenza con il costume "reverse blip" impostato su 'on', che richiede altri 25 minuti di tempo di acquisizione.
   NOTA: Se il costume 'reverse-blip' sequenza di ⁹ (necessario per la correzione di suscettibilità artefatto durante la fase 3) non è disponibile, solo un singolo EPI direzione della codifica di fase è possibile, mentre la modifica sequenza di blip invertito consente la scelta della fase di codifica direzione (a destra -per-sinistra o da sinistra a destra).
7. Quando l'imaging, rimuovere l'animale dal supporto e riportarlo alla sua gabbia. Non lasciare un animale incustodito fino a quando non ha ripreso conoscenza sufficiente per mantenere decubito sternale.

Elaborazione 3. Immagine

1. Esportare dati dal sistema in formato DICOM direttamente dal sistema (preferibile) o convertire i dati in formato Nifti utilizzando personalizzato o thirsoftware d-party.
2. Eseguire la suscettibilità di correzione artefatto.
   1. Estrarre il b = 0 volumi di ogni scansione in un unico file, utilizzando le utility fornite con FSL o altri pacchetti software MRI. È richiesto un file per ogni direzione della codifica di fase.
      NOTA: Ad esempio, se ogni scansione consisteva di 8 scansioni di varia valori b con coefficiente di diffusione in direzione trasversale, seguito da 8 scansioni di ponderazione diffusione nella direzione longitudinale, il file di immagine contiene b = 0 scansioni nel 1 ^° e 9 volumi ^th, e possono essere estratti e assemblati con il seguente codice shell:
      fslroi $ {up} _dwi_masked.nii.gz temp1 0 1
      fslroi $ {up} _dwi_masked.nii.gz temp2 8 1
      fslroi $ {} giù _dwi_masked.nii.gz TEMP3 0 1
      fslroi $ {} giù _dwi_masked.nii.gz temp4 8 1
      fslmerge -t blip_both temp1 temp2 TEMP3 temp4
      (Dove in questo caso $ su e giù $ sono le scansioni con normale e invertito le direzioni fase di codifica, rispettivamente).
   2. Utilizzare il comando 'topup' in FSL ^10,11 per creare un file corretto con ridotte artefatti distorsione dell'immagine. Applicare questa correzione alle immagini DWI prime da utilizzare per la creazione di mappe di parametri.
      NOTA: Istruzioni per l'uso del comando sono disponibili all'indirizzo http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/TOPUP/TopupUsersGuide . Esempio di codice per utilizzare il comando in questo caso è il seguente:
      topup --imain = blip_both_nlmf_b0images_masked.nii --datain = .. / topup_data.txt --config =. / b02b0_ratspine.cnf --out = topup_splines_nlmf --iout = $ out --verbose --logout = topuplog.log
      dwiup = `ls $ {} fino * dwi_nlmFilt.nii`
      dwidown = `ls $ {} giù * dwi_nlmFilt.nii`
      applytopup --imain = $ {} dwiup, $ {} dwidown --datain = .. / topup_data.txt --method = jac --inindex = 1, $ ind --topup = topup_splines_nlmf --out = DWI _ $ {out } -v
      Copiare e modificare il file di default in $ {} FSLDIR /etc/flirtsch/b02b0.cnf per la rotazione di rattoal cavo riducendo ciascuno dei valori nelle --warpres e linee --fwhm di un fattore 10.
3. Se le immagini con ponderazione diffusione vengono acquisiti lungo almeno 6 direzioni non ortogonali (utilizzando uno schema DTI in Paravision o un design personalizzato simile), utilizzare pacchetti software come di fsl diffusione Toolbox ¹² o Camino ¹³ per calcolare le mappe dei parametri DTI standard. Altrimenti, utilizzare una procedura personalizzata per generare metriche utili, che impiega ponderazione diffusione solo lungo 2 direzioni, per esempio, come indicato in passi 3.4 in poi.
4. Caricare il file DWI corretto in uscita da topup in fslview e selezionare "File -> Crea maschera" dal menu. Utilizzare gli strumenti matita per disegnare una regione di interesse all'interno di un tipo di tessuto (per esempio GM, WM dorsale, o ventrolaterale WM). Salvare il file e ripetere per tutte le altre ROI desiderati da utilizzare in seguito.
   NOTA: Altre procedure a ROI segmento del midollo spinale sono stati documentati ^14,15 e può essere preferibile per gli utenti avanzati.
5. Utilizzare il file ROI per mascherare il file DWI e quindi calcolare il segnale di media all'interno del ROI per ogni volume immagine utilizzando il seguente comando:
   fslstats -t DWI_corrected.nii.gz -k GM_mask.nii.gz -M
6. Copiare i primi 8 risultati nel programma di calcolo numerico come MATLAB, come un vettore per il segnale trasversale (per esempio chiamare sig_T), ed il secondo 8 risultati come un vettore per il segnale longitudinale (sig_L), dove 8 è il numero di b- valori utilizzati.
   1. Copiare i b-valori in un programma di calcolo numerico come un vettore di 8 B-valori. Il B-valori per le direzioni trasversali e longitudinali erano identici. Se possibile, il b-valore effettivo, piuttosto che il b-valore nominale, devono essere ottenuti dallo scanner, che è elencato nella finestra dei parametri dal punto 2.3.5 come "valore effettivo B".
   2. Utilizzare curva toolbox raccordo del programma di calcolo numerico per adattarsi al segnale vs. dati b valore a The voluta modello digitando cftools al prompt dei comandi. Per fare questo, fare clic su "Dati ..." e selezionare i vettori del segnale come Y-dati e le b-valori come x-dati. Fare clic su "Fitting ..." e sotto "Tipo di fit" scegliere "Custom Equation", quindi fare clic su "Nuovo" e "equazioni generali" per inserire un'equazione per il montaggio.
7. Per adattare il modello di diffusione di serie, immettere l'equazione:
   S0. * Exp (-x. * D) "(1)
8. Per adattare ad un modello che include la diffusione e un secondo termine di ordine (curtosi, K) per misurare la deviazione dalla diffusione gaussiana ^16, digitare l'equazione:
   S0. * Exp (-x. * D + (1/6). * (X. * D). ^ 2. * K) "(2)
9. Fare clic su "OK" e "Apply". Osservare i valori stimati per diffusività (D) e curtosi (K) sulla finestra di uscita. Nel "set di dati:" il selettore, selezionare i dati sig_T (o sig_L) per l'uso con l'equazione (1)o (2) e fare clic su "Applica".
10. Calcolare l'indice di anisotropia (AI) con la trasversale e diffusività longitudinale:
    AI = (D _L -D _T) / (D + D _{T L)} (3)
    Questo è analogo alla anisotropia frazionaria (FA) calcolata dal modello DTI. Un indice anisotropia per kurtosis può essere calcolata utilizzando trasversale e longitudinale kurtosis al posto di diffusività.
    NOTA Questo metodo fornisce valori dei parametri del modello come K _T, D _T, ecc E 'anche possibile utilizzare l'operazione di riga di comando della curva strumenti montaggio su ciascun voxel all'interno della colonna vertebrale per creare una mappa di ogni parametro del modello . Metodi di montaggio alternativi possono essere utilizzati e sono descritti altrove. ¹⁷

Risultati

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.

Discussione

Le tecniche descritte qui di diffusione in grado di fornire immagini di alta qualità ponderato del midollo spinale di ratto in vivo. La qualità dell'immagine dipende da molti fattori, ma il midollo spinale ha diversi problemi specifici che sono importanti.

Motion è un importante problema che, se non corretta, si tradurrà in immagini inutilizzabili. Quindi, è necessario un attento monitoraggio durante la sessione MRI. Se gli artefatti di immagine si osservano sulla scansione iniziale che sono coerenti con il movimento, fermare l'acquisizione e prendere misure per eliminare gli artefatti, poiché questi sono difficili da rimuovere in post-processing. Accertarsi che il computer respiratoria riceve un segnale forte regolare dall'unità di monitoraggio respiratorio. La cinghia la respirazione può essere necessario regolare la tensione corretta che fornisce un segnale di coerenza, ma non limita il respiro dell'animale. Mantenere il livello adeguato di anestesia in ogni momento; 1,5-2,0% isofluorano è stato usato nella nostra experience. Analogamente, riduzione del movimento complessivo dell'animale e la colonna vertebrale è un altro aspetto importante per fornire immagini prive di artefatti. A differenza del midollo spinale umano, che sperimenta il movimento significativo causato da CSF pulsazione relative al ciclo cardiaco, CSF pulsazione nei roditori è prevalentemente associata con il ciclo respiratorio ^18. Mentre è difficile eliminare completamente tutti i movimenti del cavo, è particolarmente importante ridurre il moto per quanto possibile, che viene spesso realizzata tramite tentativi ed errori. Inoltre, ratti con varie lesioni neurologiche o disturbi possono avere tassi respiratori anomali o altre complicazioni fisiologiche che possono richiedere l'adattamento delle procedure descritte nel presente documento.

Le modifiche alla sequenza di impulsi per gating respiratorio, insieme con immagine procedure di ricostruzione adatti per questo scopo, minimizzare gli effetti di distorsione provocati da campi magnetici omogenei che non possono essere removcato da rettifiche effettuate sul sistema MRI.

Analogamente, la qualità dell'immagine dipende dalla durata del tempo di imaging. Nel nostro esempio, limitando il numero di ponderazione diffusione lungo due direzioni attivata una riduzione del tempo totale di imaging. Un limite di questo approccio è che non è più compatibile con l'analisi completa tensore (DTI), che è la norma per molti altri studi. In alternativa, utilizzando un minor numero di medie e più direzioni di diffusione o valori b può consentire una migliore caratterizzazione mantenendo allo stesso tempo di acquisizione. Precedenti studi hanno dimostrato che l'approccio 2-direzione fornisce informazioni coerenti con l'approccio ¹⁹ 6-direzione (DTI), ma bisogna fare attenzione a garantire le fette (e le direzioni di diffusione) sono orientate precisamente lungo e perpendicolare al cavo. Tuttavia, acquisendo molteplici valori b consente una migliore caratterizzazione e montaggio matematica della curtosi e si consiglia l'uso di un unico b-value. Inoltre, la sequenza completa è stata ripetuta con una direzione codifica fase inversa che riduce gli effetti del campo magnetico artefatti di suscettibilità, e migliora la qualità complessiva dell'immagine attraverso media. Infine, la risoluzione dell'immagine utilizzata nel nostro protocollo prevede la netta separazione della sostanza bianca e grigia. Le immagini con risoluzione maggiore è possibile, anche se questo viene spesso a discapito dei tempi di scansione più lunghi o il potenziale di più artefatti.

Miglioramenti in bobine a radiofrequenza, sequenze di impulsi, e metodi di post-processing avranno tutti l'effetto di migliorare l'imaging del midollo spinale in futuri adattamenti di questo metodo. Ad esempio, bobine di superficie può essere utile per una migliore qualità d'immagine simile a quello osservato nei topi. ²⁰ Queste misure hanno un'alta probabilità di essere utili come biomarcatori per la diagnosi clinica e la gestione delle lesioni del midollo spinale.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
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