Artykuł metodologiczny

Zaawansowane obrazowanie dyfuzyjne w hipokampie szczurów z łagodnym urazowym uszkodzeniem mózgu

DOI:

10.3791/60012

⸱

14 sierpnia 2019

 ,  , 
1Infinity lab, Medical Imaging and Signal Processing Group, Ghent University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ogólnym celem tej procedury jest uzyskanie ilościowych informacji mikrostrukturalnych o hipokampie u szczura z łagodnym urazowym uszkodzeniem mózgu. Odbywa się to za pomocą zaawansowanego protokołu obrazowania rezonansu magnetycznego ważonego dyfuzją oraz analizy parametrycznych map dyfuzji opartej na obszarze zainteresowania.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Łagodne urazowe uszkodzenie mózgu (mTBI) jest najczęstszym rodzajem nabytego uszkodzenia mózgu. Ponieważ pacjenci z urazowym uszkodzeniem mózgu wykazują ogromną zmienność i niejednorodność (wiek, płeć, rodzaj urazu, inne możliwe patologie itp.), modele zwierzęce odgrywają kluczową rolę w odkrywaniu czynników, które są ograniczeniami w badaniach klinicznych. Zapewniają one ustandaryzowane i kontrolowane warunki do badania biologicznych mechanizmów uszkodzeń i naprawy po TBI. Jednak nie wszystkie modele zwierzęce skutecznie naśladują rozproszoną i subtelną naturę mTBI. Na przykład powszechnie stosowane modele kontrolowanego uderzenia korowego (CCI) i bocznego uszkodzenia płynu udarowego (LFPI) wykorzystują kraniotomię do odsłonięcia mózgu i wywołania rozległego urazu ogniskowego, który nie jest powszechnie obserwowany w mTBI. Dlatego te modele eksperymentalne nie są ważne do naśladowania mTBI. W związku z tym do badania mTBI należy zastosować odpowiedni model. Model spadku masy ciała Marmarou dla szczurów wywołuje podobne zmiany mikrostrukturalne i upośledzenia poznawcze, jak obserwowane u pacjentów, którzy doznali łagodnego urazu; Dlatego ten model został wybrany dla tego protokołu. Konwencjonalna tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny (MRI) zwykle nie wykazują żadnych uszkodzeń po łagodnym urazie, ponieważ mTBI wywołuje często tylko subtelne i rozproszone urazy. Dzięki rezonansowi magnetycznemu sterowanemu dyfuzją możliwe jest zbadanie właściwości mikrostrukturalnych tkanki mózgowej, co może dostarczyć więcej informacji na temat mikroskopijnych zmian po łagodnym urazie. Dlatego celem tego badania jest uzyskanie informacji ilościowych na temat wybranego regionu zainteresowania (tj. hipokampa) w celu śledzenia postępu choroby po uzyskaniu łagodnego i rozlanego uszkodzenia mózgu.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Urazowe uszkodzenie mózgu (TBI) zyskało większą uwagę w ostatnich latach, ponieważ stało się jasne, że te uszkodzenia mózgu mogą powodować konsekwencje poznawcze, fizyczne, emocjonalne i społeczne na całe życie1. Pomimo tej rosnącej świadomości, łagodne TBI (mTBI lub wstrząs mózgu) jest nadal często niedostatecznie zgłaszane i niezdiagnozowane. MTBI jest określane jako cicha epidemia, a osoby z historią mTBI wykazują wyższe wskaźniki nadużywania substancji lub problemów psychiatrycznych2. Każdego roku kilku pacjentów z mTBI pozostaje niezdiagnozowanych ze względu na rozlany i subtelny charakter urazów, które często nie są widoczne na konwencjonalnych skanach tomografii komputerowej (CT) lub rezonansu magnetycznego (MRI). Ten brak radiologicznych dowodów na uszkodzenie mózgu doprowadził do rozwoju bardziej zaawansowanych technik obrazowania, takich jak dyfuzyjny rezonans magnetyczny, które są bardziej wrażliwe na zmiany mikrostrukturalne3.

Dyfuzyjny rezonans magnetyczny pozwala na mapowanie mikrostruktury in vivo, a ta technika MRI była szeroko stosowana w badaniach TBI4,5,6. Na podstawie tensora dyfuzji oblicza się anizotropię frakcyjną (FA) i średnią dyfuzyjność (MD) w celu ilościowego określenia zmian w organizacji mikrostrukturalnej po urazie. Ostatnie przeglądy u pacjentów z mTBI donoszą o wzroście FA i spadku MD po urazie, co może wskazywać na obrzęk aksonów7. Wręcz przeciwnie, stwierdzono również wzrost MD i spadek FA i zasugerowano, że leży to u podstaw zakłóceń w strukturze miąższu po powstaniu obrzęku, zwyrodnieniu aksonów lub niewspółosiowości/zakłóceniu włókien8. Te mieszane wyniki można częściowo wyjaśnić znaczną niejednorodnością kliniczną mTBI spowodowaną różnymi rodzajami uderzenia i ciężkości (np. przyspieszenie obrotowe, uraz siłą, uraz spowodowany wybuchem lub kombinacja tych pierwszych). Jednak obecnie nie ma jasnego konsensusu co do podstawowej patologii i biologicznej/komórkowej podstawy leżącej u podstaw zmian w organizacji mikrostrukturalnej.

Modele zwierzęce zapewniają ustandaryzowane i kontrolowane warunki do bardziej szczegółowego badania biologicznych mechanizmów uszkodzeń i napraw po TBI. Opracowano kilka eksperymentalnych modeli TBI, które reprezentują różne aspekty TBI u ludzi (np. uraz ogniskowy vs. rozproszony lub uraz spowodowany siłami obrotowymi)9,10. Powszechnie stosowane modele zwierzęce obejmują modele kontrolowanego uderzenia korowego (CCI) i bocznego uszkodzenia płynem płynowym (LFPI)11,12. Chociaż parametry eksperymentalne mogą być dobrze kontrolowane, modele te wykorzystują kraniotomię do odsłonięcia mózgu. Czaszkiotomia lub złamania czaszki nie są często obserwowane w mTBI; dlatego te modele eksperymentalne nie są ważne do naśladowania mTBI. Model przyspieszenia uderzenia opracowany przez Marmarou et al.13 wykorzystuje ciężar, który jest zrzucany z pewnej wysokości na głowę szczura, która jest chroniona przez hełm. Ten model zwierzęcy wywołuje podobne zmiany mikrostrukturalne i upośledzenia poznawcze, jak u pacjentów, którzy doznali łagodnego urazu. Dlatego ten model spadku masy Marmarou jest odpowiedni do badania biomarkerów obrazowania dla rozlanego mTBI14,15.

Ten raport demonstruje zastosowanie zaawansowanego rezonansu magnetycznego dyfuzji w modelu szczura mTBI przy użyciu modelu spadku wagi Marmarou. Najpierw pokazano, jak wywołać łagodny i rozlany uraz, a następnie przedstawiono analizę za pomocą modelu obrazowania tensora dyfuzji (DTI). Specyficzne informacje biologiczne uzyskuje się przy użyciu bardziej zaawansowanych modeli dyfuzji [tj. obrazowania kurtozy dyfuzyjnej (DKI) i modelu integralności drogi istoty białej (WMTI)]. W szczególności zadaje się łagodny uraz, a następnie ocenia się zmiany mikrostrukturalne w hipokampie za pomocą konwencjonalnego rezonansu magnetycznego T2-zależnego i zaawansowanego protokołu obrazowania dyfuzyjnego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Protokół został zatwierdzony przez Komisję Etyki Zwierząt na Uniwersytecie w Gandawie (ECD 15/44Aanv), a wszystkie eksperymenty zostały przeprowadzone zgodnie z wytycznymi Komisji Europejskiej (Dyrektywa 2010/63/UE).

1. Przygotowanie zwierząt i mocowanie kasku

  1. Zważyć samicę szczura rasy Wistar H (± 250 g lub w wieku 12 tygodni) i znieczulić w małej komorze indukcyjnej wypełnionej mieszaniną izofluranu (5%) iO2 przez co najmniej 1 minutę.
  2. Wstrzyknąć szczurowi 0,05 mg/kg buprenorfiny podskórnie w szyję, umieścić z powrotem w klatce domowej i odczekać, aby analgezja prewencyjna przez co najmniej 30 minut przyniosła efekt.
    UWAGA: Podczas 30 minutowego oczekiwania można przygotować miejsce operowane.
  3. Umieścić poduszkę grzewczą o temperaturze 37 °C pod polem operacyjnym. Wysterylizowane narzędzia chirurgiczne umieścić na polu operacyjnym, które zostało zdezynfekowane 70% etanolem.
  4. Umieść szczura z powrotem w komorze indukcyjnej i znieczulaj go, aż przestanie reagować na szczypanie łapy lub ogona.
  5. Umieść szczura na polu operacyjnym i wprowadź cewnik do bocznej żyły ogonowej. Następnie ogol głowę szczura, usuń nadmiar sierści i zdezynfekuj skórę głowy i resztę obszaru operacyjnego chloroheksydyną.
  6. Wstrzyknij 100 μl 2% lidokainy miejscowo w skórę głowy.
  7. Wykonaj nacięcie w linii środkowej za pomocą skalpela w rozmiarze 11, aby odsłonić czaszkę, usuwając nadmiar błon małymi nożyczkami. Cofnij skórę za pomocą wziernika ocznego o maksymalnym rozstawie 1 cm. Dodatkowo usuń okostną, delikatnie pocierając sterylnym wacikiem po czaszce, aż okostna przestanie być obecna.
  8. Nałóż jedną kroplę kleju tkankowego na czaszkę i jedną na wysterylizowany metalowy krążek (średnica 10 mm i grubość 3 mm), który działa jak hełm. Przyklej krążek około jednej trzeciej przed i dwie trzecie za bregmą. Pozostaw klej do wyschnięcia na 1 minutę.

2. Indukcja urazowego uszkodzenia mózgu (TBI)

  1. Umieść szczura na specjalnie wykonanym łóżku z materacem piankowym o określonej stałej sprężystości (patrz Tabela materiałów). Umieść szczura bezpośrednio pod przezroczystą plastikową rurką z mosiężnym ciężarkiem o wadze 450 g, tak aby hełm był jak najbardziej poziomy. Odłącz szczura od narkozy.
  2. Podnieś ciężar do 1 m i zwolnij, gdy będzie gotowy. Upewnij się, że obecny jest drugi eksperymentator, który odsunie szczura od plastikowej rurki natychmiast po uderzeniu, aby zapobiec ponownemu uderzeniu.
    UWAGA: Pozorowane zranione szczury otrzymują tę samą procedurę doświadczalną (kroki 1.1–2.7), z wyjątkiem etapu 2.2.
  3. Ponownie podłącz szczura do znieczulenia i wstrzyknij 1 ml roztworu fizjologicznego (0,9% NaCl) przez cewnik, aby zmniejszyć wstrząs hemodynamiczny.
    UWAGA: Możliwe, że szczur na chwilę przestanie oddychać z powodu uderzenia. Delikatnie ściśnij klatkę piersiową, jeśli szczur nie oddycha spontanicznie po 2 sekundach, aby pobudzić odruch oddychania.
  4. Zdejmij kask, delikatnie odciągając go od czaszki. Usuń pozostały klej z czaszki i skóry i zamknij nacięcie szwem chirurgicznym. Nałóż miejscowy żel przeciwbólowy za pomocą sterylnej końcówki aplikatora.
  5. Umieść szczura na łóżku tomografu komputerowego. Potwierdź prawidłową pozycję za pomocą skanowania zwiadowczego. Dostosuj pole widzenia, aby umożliwić obrazowanie całej głowy w jednej pozycji łóżka. Wykonaj niskodawkową tomografię komputerową ogólnego przeznaczenia, aby wykluczyć złamania czaszki.
    UWAGA: Złamanie czaszki jest kryterium eutanazji.
  6. Umieść szczura w czystej klatce na poduszce grzewczej (37 °C). Monitoruj czas do odzyskania przytomności. Gdy szczur jest w stanie usiąść prosto, może zostać zwrócony do klatki domowej.
  7. Drugą dawkę 0,05 mg/kg buprenorfiny należy podać dzień po inindukcji TBI.

3. Dyfuzyjne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI)

UWAGA: Obrazowanie dyfuzyjne jest wykonywane przed i 1 dzień po indukcji urazu.

  1. Znieczulić szczura w małej komorze indukcyjnej wypełnionej mieszaniną izofluranu (5%) iO2. Gdy szczur nie reaguje na uszczypnięcie łapy lub ogona, zmniejsz znieczulenie do 2% przy natężeniu przepływu 500 ml / min. Przenieś zwierzę na łóżko skanera w pozycji leżącej głową do przodu.
  2. Umieść szczura w uchwycie głowy z prętem zębowym i stożkiem nosowym, dostarczając znieczulenie, i przesuń głowę do przodu, aż środek mózgu znajdzie się na poziomie środka cewki MRI o objętości kwadraturowej. Nałóż maść nawilżającą na oczy w niewielkich ilościach, aby zapobiec uszkodzeniu rogówki. Przymocuj głowę małym kawałkiem taśmy, aby uniknąć ruchu podczas skanowania.
  3. Umieść podkładkę uciskową pod klatką piersiową szczura, aby monitorować oddech i przykryj szczura kocem grzewczym z ciepłą wodą i folią bąbelkową, aby utrzymać szczura w cieple. Przed skanowaniem sprawdź monitor oddechu, aby upewnić się, że sygnał jest czysty bez zakłóceń i że cykl oddechowy jest spójny. W razie potrzeby przenieś podkładkę dociskową.
    UWAGA: Częstość oddechów powinna być utrzymywana w zakresie 1 oddechu na 1,200–1,700 ms, dostosowując poziom znieczulenia w zakresie 1%-2%.
  4. Nasuń kwadraturową cewkę objętościową na głowę. Dostosuj strojenie i dopasowanie kondensatorów cewki do odpowiedniej częstotliwości i impedancji zgodnie z instrukcjami dostarczonymi przez dostawcę cewki. Wsuń łoże skanera do otworu skanera, aby rozpocząć skanowanie.
  5. Uzyskaj domyślny trzypłaszczyznowy skan zwiadowczy ("tripilot"), aby zapewnić prawidłowe ustawienie.
    1. Załaduj sekwencję tripilota do kontrolki skanowania, klikając przycisk Nowe skanowanie i wybierając sekwencję tripilota z listy protokołów. Następnie kliknij przycisk sygnalizacji świetlnej, aby rozpocząć skanowanie.
    2. Po zakończeniu skanowania załaduj skan na wyświetlacz obrazu i upewnij się, że 1) głowa leży prosto i 2) mózg jest umieszczony w środku magnesu i cewki. W razie potrzeby wyreguluj położenie głowicy i/lub łoża skanera i uzyskaj nowy skan tripilota.
  6. Dostosuj lokalne pole magnetyczne za pomocą zautomatyzowanego protokołu podkładkowania drugiego rzędu: załaduj protokół podkładki drugiego rzędu do sterownika skanowania zgodnie z opisem w kroku 3.5.1. Następnie kliknij zakładkę Acq | Bieżące korekty | Specyficzne dla metody dostosowanie jednorodności pola lokalnego w oknie narzędzia do sterowania spektrometrem w celu uruchomienia automatycznego podkładkowania.
  7. Załaduj nową sekwencję obrazowania T2 Rapid z Refocused Echoes (RARE) do kontrolki Scan zgodnie z opisem w kroku 3.5.1.
    1. Pobieraj obrazy ważone T2 przy użyciu ustawień domyślnych, z wyjątkiem następujących parametrów:
    2. Otwórz kartę Edytuj skanowanie i dostosuj czas powtarzania (TR) i czas echa (TE) odpowiednio na 5,500 ms i 37 ms. Zmodyfikuj również pole widzenia i rozmiar matrycy, aby umożliwić wyższą rozdzielczość w płaszczyźnie 109 μm x 109 μm (rozdzielczość domyślna = 156 μm x 156 μm). Upewnij się, że grubość plastra wynosi 600 μm, liczba plasterków jest ustawiona na 45, a współczynnik RARE jest ustawiony na 8.
    3. Otwórz edytor geometrii i umieść pakiet plasterków we właściwej pozycji, w tym na bulwie mózgu i móżdżku.
  8. Załaduj trzy nowe sekwencje echa spinowego ważonego dyfuzją echa (DtiEpi) z folderu B_DIFFUSION do protokołu Scan Control zgodnie z opisem w kroku 3.5.1.
    UWAGA: Korzystając z trzech różnych "powłok" dyfuzyjnych, można oszacować model obrazowania tensora dyfuzji (DTI)4,16, model obrazowania kurtozy dyfuzyjnej (DKI)17 oraz model integralności drogi istoty białej (WMTI)18. Zaleca się użycie co najmniej trzech różnych wartości b, przy czym najwyższa wartość b ma maksimum 3000 s/mm2 z co najmniej 15 równomiernie rozmieszczonymi kierunkami na powłokę obrazowania17.
    1. Uzyskuj obrazy ważone dyfuzyjnie (DWI) przy użyciu ustawień domyślnych, z wyjątkiem następujących ustawień:
    2. Otwórz kartę Edytuj skanowanie i dostosuj parametry geometryczne na karcie Geometria. Dostosuj pole widzenia i rozmiar matrycy do 105 x 105, aby zapewnić rozdzielczość 333 μm x 333 μm.
    3. Ustaw orientację plasterka na osiową, a liczbę plasterków na 25, co daje grubość warstwy 500 μm i odległość między warstwami 600 μm. Zmień kierunek odczytu na lewo-prawo.
    4. Kliknij kartę Kontrast, aby ustawić czas echa na 24 ms i czas powtarzania na 6 250 ms.
    5. Ustaw pasmo na 250 000 Hz i włącz tłumienie tłuszczu. Dostosuj liczbę średnich do jednej.
    6. Kliknij w zakładkę Badania i zmień liczbę średnich (segmentów EPI) na 4.
    7. Kliknij na zakładkę Dyfuzja w zakładce badań. Wykonaj ten krok osobno dla każdej z trzech powłok dyfuzyjnych.
      1. Dostosuj liczbę kierunków dyfuzji do 32 dla pierwszej powłoki, 46 dla drugiej powłoki i 64 dla trzeciej powłoki.
      2. Dostosuj kierunki gradientu za pomocą niestandardowych plików wskazówek gradientu.
      3. Zmienia liczbę obrazów B0 na 5 dla pierwszej powłoki, 5 dla drugiej powłoki i 7 dla trzeciej powłoki.
      4. Dostosuj wartość b na kierunek do 800 s/mm2 dla pierwszej powłoki, 1500 s/mm2 dla drugiej powłoki i 2000 s/mm2 dla trzeciej powłoki.
        UWAGA: Dostosowywanie kierunków gradientu za pomocą niestandardowego pliku wskazówek gradientu można wykonać ręcznie, ustawiając opcję Wprowadź kierunki dyfuzji na tak lub automatycznie za pomocą makra DTI_SET_DIRECTIONS.
    8. Otwórz edytor geometrii i umieść pole widzenia między bańką a móżdżkiem zawierającym tylko mózg, aby skrócić czas artefaktu i skanowania. Umieść sześć pasm nasycenia 5 mm na zewnątrz mózgu, aby zredukować artefakty, klikając Nasycenie i przesuwając pasma w preferowanej pozycji za pomocą pasków przewijania.
      UWAGA: Bańkę i móżdżek można zidentyfikować na podstawie anatomicznych punktów orientacyjnych i trzech obrazów ze skanu tripilota.
  9. Pobierz zaimportowane sekwencje, klikając symbol sygnalizacji świetlnej. Korzystając z ustawień parametrów opisanych powyżej, czas akwizycji skanu T2-RARE wynosi 12 minut, pierwszej powłoki DWI 15 minut, drugiej powłoki DWI 21 minut, a trzeciej powłoki 30 minut. Całkowity czas akwizycji wynosi około 80 minut (w systemie z jednym kanałem odbiorczym).
  10. Po zakończeniu protokołu skanowania należy wyjąć zwierzę z łóżka skanera i umieścić je w czystej klatce z poduszką grzewczą w temperaturze 37 °C. Po odzyskaniu przytomności zwierzę należy umieścić z powrotem w klatce domowej.

4. Przetwarzanie obrazu

UWAGA: W poniższych sekcjach przetwarzanie obrazów dyfuzji jest opisane w MRtrix3, ExploreDTI19 i Amide software20, które są dostępnymi narzędziami. Etapy przetwarzania wstępnego można jednak wykonać w innych zestawach narzędzi (np. FSL, MedInria, DTIStudio).

  1. Przenieś pozyskane dane z konsoli akwizycji, eksportując plik 2dseq.
  2. Przekonwertuj pliki 2dseq (surowe pliki DWI) na format .mif, który jest standardowym formatowaniem MRtrix3, aby umożliwić dalsze kroki wstępnego przetwarzania w MRtrix3. Ponadto połącz trzy powłoki dyfuzyjne za pomocą następujących poleceń w powłoce:
    convert_bruker pdata/1/2dseq ratID_T2.mih (dla obrazów ważonych T2)
    convert_bruker pdata/1/2dseq ratID_dwi1.mih (dla pierwszej powłoki dyfuzyjnej)
    convert_bruker pdata/1/2dseq ratID_dwi2.mih (dla drugiej powłoki dyfuzyjnej)
    convert_bruker pdata/1/2dseq ratID_dwi3.mih (dla trzeciej powłoki dyfuzyjnej)
    mrcat ratID_dwi1.mif ratID_dwi2.mif ratID_dwi3.mif ratID_dwi.mif
  3. Wykonaj korekcję szumów i korekcję dzwonienia Gibbsa na DWI w MRtrix321,22. Konwertuj również poprawione obrazy DWI i obraz T2 do formatu NIFTI za pomocą następujących poleceń:
    dwidenoise ratID_dwi.mif ratID_dwi_denoised.mif
    mrdegibbs ratID_dwi_denoised.mif ratID_dwi_denoised_gr.mif
    mrconvert ratID_dwi_denoised_gr.mif ratID.nii
    mrconvert ratID_T2.mif ratID_T2.nii
  4. Wykonaj korekcję zniekształceń EPI, ruchu i prądów wirowych w ExploreDTI:
    1. Przekonwertuj obrazy NIFTI na plik .mat, klikając Oblicz plik DTI*.mat | Konwertuj surowe dane do pliku DTI*.mat. Zmienić estymację tensora dyfuzji na ważoną liniową, a wartość b na NaN. Dostosuj rozmiar woksela do 0,333 0,333 0,6, liczbę obrazów innych niż DWI do 17, liczbę obrazów DWI do 142, a rozmiar matrycy do 105 105 25,
      UWAGA: Ustawiając wartość b na NaN, ExploreDTI będzie traktować zestaw danych jako zbiór danych kurtozy.
    2. Kliknij zakładkę Ustawienia, aby dostosować ustawienia korekcji EPI (jest to domyślnie wyłączone). Wybrać korekcję SM/EC/EPI, zarejestrować się również do innych danych? i kliknąć Tak, aby wykonać korektę EPI (niesztywną). Określ przyrostek obrazu anatomicznego T2 odpowiadający zestawowi danych dyfuzji.
      UWAGA: ExploreDTI koryguje zniekształcenia EPI za pomocą rejestracji obrazu między niezniekształconym obrazem anatomicznym a obrazem dyfuzyjnym.
    3. Kliknij zakładkę Wtyczki i wybierz Korekcja ruchu obiektu i zniekształceń EC/EPI, a następnie wybierz wstępnie przetworzony plik danych dyfuzji z kroku 2.3. Upewnij się, że obraz T2 znajduje się w tym samym folderze i ma tę samą podstawę, co nazwa pliku danych dyfuzji (np. rat1.nii dla DWI i rat1_T2.nii dla obrazu anatomicznego). Ten krok spowoduje wygenerowanie pliku "natywnego" (*native.mat) i "przekształconego" (*trafo.mat).
  5. Oblicz metryki DTI dla każdego szczura, klikając Wtyczki i Eksportuj rzeczy do *.nii i wybierając mapy parametryczne modelu DTI: anizotropia frakcyjna (FA), dyfuzyjność średnia (MD), dyfuzyjność radialna (RD) i dyfuzyjność osiowa (AD; oznaczona jako "największa wartość własna L1").
  6. Dodatkowo należy wyeksportować mapy parametryczne dla modelu kurtozy (MK, AK i RK) oraz modelu WMTI (AWF, AxEAD, RadEAD i TORT). Przetwarzanie obrazów dyfuzyjnych zaowocuje uzyskaniem 12 map parametrycznych (Rysunek 1, Rysunek 2, Rysunek 3), które można wykorzystać do dalszej analizy mikrostrukturalnej.
  7. Utwórz plik maski dla hipokampa każdego szczura za pomocą MRtrix3.
    1. Załaduj obraz FA szczura do przeglądarki MRtrix, klikając Narzędzie i edytor ROI.
    2. Utwórz nowy ROI, klikając przycisk "+" i naciśnij Edytuj, aby narysować ROI na każdym wycinku, który zawiera hipokamp (Rysunek 4). Aby usunąć niechciane obszary z narysowanego ROI, naciśnij prawy przycisk myszy.
    3. Po zakończeniu rysowania ROI zapisz obraz maski, klikając przycisk Zapisz.
      UWAGA: Ten plik maski będzie binarnym plikiem obrazu NIFTI z wokselami o wartości 1 zawierającymi tkankę hipokampa, a pozostałe woksele będą miały wartości 0. Aby ujednolicić region hipokampa u szczurów, mapy parametryczne mogą być rejestrowane razem z szablonem specyficznym dla badania z predefiniowanymi regionami zainteresowania delineated23 lub atlasem mózgu szczura.
  8. Aby wyodrębnić metryki dyfuzji hipokampa szczura, użyj utworzonego pliku maski w kroku 4.6 i otwórz oprogramowanie Amide.
    1. Otwórz mapy parametryczne i zamaskuj obraz szczura.
    2. Aby dodać ROI pliku maski do Amide, wybierz obraz pliku maski, kliknij Edytuj | Dodawanie zwrotu z inwestycji | 3D Isocontour i kliknij ROI wyświetlany na obrazie maski. Nadaj zwrotowi inwestycji zrozumiałą nazwę i potwierdź, że ten wolumin powinien zawierać tylko woksele o wartości jeden.
    3. Aby obliczyć średnie wartości wskaźników dyfuzji w hipokampie, kliknij Narzędzia | Oblicz statystyki zwrotu z inwestycji i wskaż obrazy i zwrot z inwestycji, które powinny zostać uwzględnione. Po kliknięciu Wykonaj pojawi się kolejny ekran z obliczonymi wartościami, które można wykorzystać do dalszej analizy statystycznej. Plik ten można zapisać lub skopiować do preferowanego formatu danych (np. pliku .xlsx lub .csv).

5. Analiza statystyczna

UWAGA: W poniższych sekcjach opisujemy przetwarzanie obrazów dyfuzji w SPSS Statistics 24; jednak analizę statystyczną można przeprowadzić w innych zestawach narzędzi statystycznych.

  1. Załaduj dane w szerokim formacie do pliku SPSS *.sav.
  2. Aby przetestować różnice statystyczne między dwiema grupami dla każdego punktu czasowego (tj. linii bazowej lub 1 dnia po urazie), kliknij przycisk Analizuj | Testy nieparametryczne | Starsze okna dialogowe | 2 niezależne testy próbek. Załaduj zmienne, które mają zostać przetestowane, i określ grupy (tj. TBI i grupy pozorowane). Jako typ badania należy wskazać Mann-Whitney U.
  3. Aby przetestować różnice statystyczne między 2 punktami czasowymi w każdej grupie, plik danych musi zostać podzielony. Przejdź do pozycji Przejdź do danych, podziel plik i wskaż pozycję Porównaj grupy. Następnie kliknij Analizuj, Testy nieparametryczne, Starsze okna dialogowe, 2 Powiązane testy próbek, załaduj zmienne, które mają być porównane i wskaż Wilcoxona jako typ testu.
    UWAGA: Aby skorygować wielokrotne porównania, wartości p są dostosowywane dla każdego modelu dyfuzji za pomocą poprawki Bonferroniego [tj. wartość p podzielona przez liczbę porównywanych parametrów (DTI 4, DKI 3 i WMTI 4)]. Dokładniej rzecz ujmując, p < 0,0125 jest uważane za istotne dla modeli DTI i WMTI, a p < 0,016 jest uważane za istotne dla modelu DKI.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W badaniu, wszystkie szczury TBI (n = 10) przeżyły uderzenie i były w stanie dojść do siebie po uderzeniu i znieczuleniu w ciągu 15 minut po odłączeniu od znieczulenia23. Na obrazach CT nie było dowodów na złamania czaszki, a obrazy T2 nie wykazały żadnych nieprawidłowości, takich jak krwawienie, powiększenie komór lub tworzenie się obrzęku w miejscu stłuczenia 1 dzień po urazie (Ryc. 5). Tak więc, na podstawie tych oględzin obrazów anatomicznych, nie wykryto dużych zmian ognis...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ponieważ mTBI często jest wynikiem rozproszonego i subtelnego urazu, który nie wykazuje żadnych nieprawidłowości w tomografii komputerowej i konwencjonalnym rezonansie magnetycznym, ocena uszkodzeń mikrostrukturalnych po łagodnym urazie pozostaje wyzwaniem. Dlatego potrzebne są bardziej zaawansowane techniki obrazowania, aby uwidocznić pełny zakres traumy. Zastosowanie dyfuzyjnego rezonansu magnetycznego w badaniach nad TBI zyskało większe zainteresowanie w ciągu ostatniej dekady, gdzie najczęściej stosuje się obrazowani...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy chcieliby podziękować Fundacji Badawczej - Flandria (FWO) za wsparcie tej pracy (Numer grantu: G027815N).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Indukcja urazu
0,9% roztwór fizjologiczny NaClB Braun394496
mosiądz waga 450gna zamówienie18mm i cewnik o wysokości 210 mm
TerumoVersatus-W26G
ethilon IIEthiconEH7824FS-3, 4-0, 3/8, 16mm
Pianka Matrassna wymiarTyp E
Rurka z pleksiglasuISPA Plastics416564M1 Rurka PMMA XT GOO 25x19 mm (średnica wewnętrzna 19 mm, minimalna długość 1,50 m)
Przedkliniczny tomograf komputerowyMolecubesX-cube
Kask stalowywykonany nazamówienieo średnicy 10 mm i grubości 3 mm
Klej do tkanek Vetbond3M1469SB
Vetergesic (buprenorfina)EcuPharVETERG200,05 mk/kg
Xylocaine 2% żelAstraZenecaXylocaine 2%żel
Xylocaine (lidokaina 2%)Aspen/AstraZenecaXylocaine 2% żel100 μ l Oprogramowanie do akwizycji
< > dyfuzyjnego rezonansu magnetycznego
Preclinical MRIBruker Biospin MRI GmbHZ400_PV51_CENTOS55ParaVision 5.1
Przedkliniczny skaner MRIBruker Biospin MRI GmbHPharmaScan 70/167T
Cewka objętościowa kwadraturowaBruker Biospin MRI GmbHRF RES 300 1H 075/040 QSN TRModel nr: 1P T13161C3
Jednostka do monitorowania fizjologicznego małych zwierzątRapid BiomedicalEKGHR02-0571-043C01Jednostka do monitorowania układu oddechowego
Jednostka grzewcza na bazie wodyThermo Fisher ScientificHaake S 5PModel nr: 1523051
Anestezjo
Anestezjologiczny Ruchoma jednostkaTechnika weterynaryjnaBDO - Medipass, Ijmuiden
izofluran: IsofloZoetisB506
Generator tlenuTechnika weterynaryjna7F-3BDO - Medipass, Ijmuiden
Diffusion image processing
Amidehttp://amide.sourceforge.netWersja 1.0.5.Imaging Data Examiner Toolbox (Loening AM, Gambhir SS, " AMIDE: Darmowe narzędzie programowe do multimodalnej analizy obrazów medycznych", Molecular Imaging, 2(3):131-137, 2003)
EksplorujDTIu>http://www.exploredti.comWersja4.8.6Zestaw narzędzi do (wstępnego) przetwarzania i analizy obrazów MR ważonych dyfuzją (Leemans A, Jeurissen B, Sijbers J i Jones DK. EksplorujDTI: graficzny zestaw narzędzi do przetwarzania, analizowania i wizualizacji dyfuzyjnych danych MR. W: 17th Annual Meeting of Intl Soc Mag Reson Med, p. 3537, Hawaje, USA, 2009)
MRtrix3http://www.mrtrix.orgVersion 3.0_RC3-86-g4b523b41Zestaw narzędzi do (wstępnego) przetwarzania i analizy obrazów MR ważonych dyfuzją
średnica MRI Medical <

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Carroll, L. J., et al. Systematic Review of the Prognosis After Mild Traumatic Brain Injury in Adults. Cognitive, Psychiatric, and Mortality Outcomes: Results of the International Collaboration on Mild Traumatic Brain Injury Prognosis. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 95 (3), S152-S173 (2014).
  2. Buck, P. W. Mild Traumatic Brain Injury: A Silent Epidemic in Our Practices. Health & Social Work. 36 (4), 299-302 (2011).
  3. Bodanapally, U. K., Sours, C., Zhuo, J., Shanmuganathan, K. Imaging of Traumatic Brain Injury. Radiologic Clinics of North America. 53 (4), 695-715 (2015).
  4. Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophysical Journal. 66 (1), 259-267 (1994).
  5. Hulkower, M. B., Poliak, D. B., Rosenbaum, S. B., Zimmerman, M. E., Lipton, M. L. A Decade of DTI in Traumatic Brain Injury: 10 Years and 100 Articles Later. American Journal of Neuroradiology. 34 (11), 2064-2074 (2013).
  6. Hutchinson, E. B., Schwerin, S. C., Avram, A. V., Juliano, S. L., Pierpaoli, C. Diffusion MRI and the detection of alterations following traumatic brain injury. Journal of Neuroscience Research. 96 (4), 612-625 (2018).
  7. Wallace, E. J., Mathias, J. L., Ward, L. Diffusion tensor imaging changes following mild, moderate and severe adult traumatic brain injury: a meta-analysis. Brain Imaging and Behavior. , 1-15 (2018).
  8. Rutgers, D. R., et al. White Matter Abnormalities in Mild Traumatic Brain Injury: A Diffusion Tensor Imaging Study. American Journal of Neuroradiology. 29 (3), 514-519 (2008).
  9. Bondi, C. O., et al. Found in translation: Understanding the biology and behavior of experimental traumatic brain injury. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 58, 123-146 (2015).
  10. Shultz, S. R., et al. The potential for animal models to provide insight into mild traumatic brain injury: Translational challenges and strategies. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 76, 396-414 (2017).
  11. Osier, N. D., Dixon, C. E. The Controlled Cortical Impact Model: Applications, Considerations for Researchers, and Future Directions. Frontiers in Neurology. 7 (AUG), (2016).
  12. Lyeth, B. G. Historical Review of the Fluid-Percussion TBI Model. Frontiers in Neurology. 7 (DEC), 1-7 (2016).
  13. Marmarou, A., Foda, M. A. A. -E., van den Brink, W., Campbell, J., Kita, H., Demetriadou, K. A new model of diffuse brain injury in rats. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 291-300 (1994).
  14. Heim, L. R., et al. The Invisibility of Mild Traumatic Brain Injury: Impaired Cognitive Performance as a Silent Symptom. Journal of Neurotrauma. 34 (17), 2518-2528 (2017).
  15. Zohar, O., Rubovitch, V., Milman, A., Schreiber, S., Pick, C. G. Behavioral consequences of minimal traumatic brain injury in mice. Acta Neurobiol Exp (Wars. 71 (1), 36-45 (2011).
  16. Pierpaoli, C., Basser, P. J. Toward a quantitative assessment of diffusion anisotropy. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 36 (6), 893-906 (1996).
  17. Jensen, J. H., Helpern, J. A. MRI quantification of non-Gaussian water diffusion by kurtosis analysis. NMR in Biomedicine. 23 (7), 698-710 (2010).
  18. Fieremans, E., Jens, H., Jensen, J. A. H. White matter characterization with diffusional kurtosis imaging. NeuroImage. 58, 177-188 (2011).
  19. Leemans, A. Explore DTI. , (2019).
  20. Loening, A. M., Gambhir, S. S. AMIDE: A Free Software Tool for Multimodality Medical Image Analysis. Molecular Imaging. 2 (3), 131-137 (2003).
  21. Veraart, J., et al. Denoising of diffusion MRI using random matrix theory. NeuroImage. 142, 394-406 (2016).
  22. Veraart, J., Fieremans, E., Novikov, D. S. Diffusion MRI noise mapping using random matrix theory. Magnetic Resonance in Medicine. 76 (5), 1582-1593 (2016).
  23. Braeckman, K., et al. Dynamic changes in hippocampal diffusion and kurtosis metrics following experimental mTBI correlate with glial reactivity. NeuroImage: Clinical. 21 (August 2018), 101669(2019).
  24. Jones, D. K., Knösche, T. R., Turner, R. White matter integrity, fiber count, and other fallacies: The do's and don'ts of diffusion MRI. NeuroImage. 73, 239-254 (2013).
  25. Matlab code DKI and WMTI model. , Available from: https://github.com/NYU-DiffusionMRI/Diffusion-Kurtosis-Imaging (2019).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Hippocampus AnalysisMRI ProtocolRat ModelDiffusion Tensor ImagingWhite Matter TractFractional AnisotropyMean DiffusivityImage Processing

Powiązane artykuły