Name: Obrazowanie dyfuzyjne w szyjnym rdzeniu kręgowym szczura (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-04-07T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 46 s
Description: Poznaj technikę obrazowania dyfuzyjnego MRI w szyjnym rdzeniu kręgowym szczura z wykorzystaniem gatingu oddechowego i korekcji artefaktów. Ta metoda umożliwia nieinwazyjną charakterystykę mikrostruktury tkanek z potencjałem klinicznym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dziękujemy Kyle'owi Stehlikowi, Natashy Wilkins i Mattowi Runquistowi za pomoc w eksperymentach. Finansowany przez Fundusz Inicjatyw Badawczych i Edukacyjnych, będący częścią fundacji Advancing a Healthier Wisconsin w Medical College of Wisconsin oraz Fundacji Craiga H. Neilsena.

UWAGA: Oświadczenie etyczne: Komitety ds. Opieki Instytucjonalnej i Użytkowania (IACUC) Medical College of Wisconsin oraz Centrum Medycznego Clement J. Zablocki VA zatwierdziły wszystkie procedury.
1. Przygotowanie i monitorowanie zwierząt
<ol>
	<li>Znieczulić szczura w komorze indukcyjnej, używając 5% izofluranu w powietrzu medycznym. Gdy odruch prostowania jest nieobecny, a ściskanie tylnej łapy nie powoduje odruchu wycofania, zmniejsz znieczulenie do 2% i przenieś zwierzę na łóżko skanera w pozycji leżącej głową do przodu. Utrzymuj 2% izofluranu przez stożek nosowy przez cały zabieg i utrzymuj przepływ powietrza medycznego na poziomie około 1 l/min. Nałóż niewielką ilość maści nawilżającej na oczy szczura, aby uniknąć uszkodzenia rogówki podczas znieczulenia.</li>
	<li>Umieść pas do monitorowania oddychania wokół tułowia szczura. Podłącz pasek do układu bramkowania oddechowego. Przed wsunięciem szczura do otworu skanera sprawdź komputer monitorujący oddech, aby upewnić się, że cykl oddechowy jest czysty i spójny. W razie potrzeby wyreguluj pasek, ponieważ ten krok jest niezbędny dla jakości obrazu.</li>
	<li>Monitorować i utrzymywać temperaturę ciała zwierzęcia na poziomie 37 °C za pomocą sondy doodbytniczej i systemu ogrzewania ciepłym powietrzem. Utrzymuj częstość oddechów w zakresie 30-45 oddechów na minutę, dostosowując poziom znieczulenia w zakresie od 1,2 do 2%.</li>
	<li>Umieść szczura w uchwycie głowy z prętem do gryzienia i wkręcanymi nausznikami (Rysunek 1) i wsuń głowę do kwadraturowej cewki objętościowej, aż kręgosłup szyjny znajdzie się w środku cewki. 
	UWAGA: Łopatki szczura mogą uniemożliwić dalszą progresję do cewki.</li>
	<li>Wsuń szczura i uchwyty podtrzymujące do otworu skanera. W razie potrzeby dostosuj kondensatory cewki do strojenia i dopasowania do odpowiedniej częstotliwości i impedancji zgodnie z instrukcjami dostarczonymi przez dostawcę cewki.</li>
</ol>
2. Parametry skanowania MRI
UWAGA: Opisane tutaj procedury wykorzystywały system 9,4 T z poziomym otworem dla małych zwierząt, ale mają zastosowanie do innych natężeń pola systemów MRI dla małych zwierząt.
<ol>
	<li>Korzystaj ze zautomatyzowanych procedur systemu MRI do wykrywania częstotliwości rezonansowej, iteracyjnej poprawy jednorodności pola magnetycznego (podkładki), kalibracji mocy częstotliwości radiowej i regulacji wzmocnienia odbiornika.</li>
	<li>Korzystając z interfejsu oprogramowania systemu, uzyskaj domyślne skanowanie zwiadowcze w trzech płaszczyznach, aby zapewnić prawidłowe pozycjonowanie.
	<ol>
		<li>Kliknij "Nowy skan", wybierz tripilot i kliknij "sygnalizację świetlną", aby uzyskać obrazy.</li>
		<li>Upewnij się, że środek kręgosłupa szyjnego jest wyrównany zarówno ze środkiem magnesu, jak i środkiem cewki MRI. Aby wyśrodkować grzbiet w magnesie, popchnij lub pociągnij za kołyskę i ponownie uzyskaj skan zwiadowczy w celu weryfikacji.</li>
		<li>Aby wyregulować położenie odcinka szyjnego kręgosłupa względem cewki rezonansu magnetycznego, zdejmij kołyskę z magnesu w celu zmiany położenia. W razie potrzeby powtarzaj ten proces, aż pozycja będzie spójna. Jeśli zwierzę zostanie przestawione, powtórz krok 2.1.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dodanie nowej sekwencji echa spinowego ważonej dyfuzją echo-płaską (DtiEpi) do obecnego protokołu obrazowania.
	<ol>
		<li>Konfiguruj i pobieraj obrazy ważone dyfuzją za pomocą sekwencji DWI, korzystając z ustawień domyślnych, z wyjątkiem następujących:</li>
		<li>Otwórz interfejs graficzny pozycji plastrów, aby przepisać 12 plastrów o grubości 0,75 mm. Ustaw plastry prostopadle do głównej osi rdzenia szyjnego. Zapewnij spójne ułożenie plastrów między różnymi zwierzętami lub w różnych sesjach obrazowania, wykorzystując podstawę móżdżku jako wewnętrzne odniesienie.</li>
		<li>Ustaw pasma nasycenia na "włączone". Umieść 4 pasma nasycenia o grubości 10 mm na zewnątrz rdzenia kręgowego, aby zminimalizować sygnał z tych tkanek i zmniejszyć ich potencjał do wywoływania artefaktów (ryc. 3). Ustaw bramkowanie oddechowe ("moduł spustowy") na "włączone". 
		UWAGA: Niestandardowe bramkowanie oddechowe wymaga wiedzy i doświadczenia w programowaniu sekwencji impulsów. Jeśli nie jest to możliwe, obejściem tego problemu jest zmniejszenie liczby plastrów do 3-5, a TR do 1 s, aby upewnić się, że wszystkie plastry są uzyskiwane między oddechami zwierzęcia. Powtórz całą sekwencję z drugim podzbiorem plastrów, aby uzyskać pełne pokrycie rdzenia szyjnego.</li>
		<li>Kliknij ikonę przybornika, a następnie kliknij "Edytuj metodę". Ustaw liczbę segmentów EPI na 4. Zmień kierunek kodowania fazy na lewo-prawo. Inne ustawienia domyślne to: odstęp między echami = 0,3234 ms, całkowita długość ciągu echa na segment EPI = 32, 
		UWAGA: Kodowanie fazy ustawione w kierunku lewo-prawo, a nie przód-tył, zmniejszy zanieczyszczenie ruchu przez inne struktury.</li>
		<li>Użyj następujących ustawień geometrycznych. Rozmiar matrycy = 128 x 128, a pole widzenia w płaszczyźnie = 25,6 x 25,6 mm, co daje rozdzielczość przestrzenną w płaszczyźnie = 0,200 x 0,200 mm. Upewnij się, że grubość plastra = 0,75 mm. Kolejność plasterków = 'z przeplotem', odstęp między plasterkami = 0 mm.</li>
		<li>Użyj następujących ustawień ważenia dyfuzji: tryb pomiaru DW = "kontrast DW", czas trwania gradientu dyfuzji (δ) = 7 ms, separacja gradientu dyfuzji (Δ) = 12 ms, liczba wartości b = 8, pożądane wartości b = 0, 250, 500, 750, 1,000, 1,500, 2,500, 3,500 mm/s2, liczba kierunków dyfuzji = 2, kierunki ważenia dyfuzji = [1 0 0] i [0 0 1] (wykonane tak, aby znajdowały się w płaszczyznach równoległych i prostopadłych do osi rdzenia kręgowego). 
UWAGA: Przy tych ustawieniach osiągnęliśmy wartości b aż 3,500 s/mm2. Specyfikacje sprzętowe i inne cechy wydajności systemu mogą ograniczać wartość b, ponieważ czas trwania gradientu dyfuzji (δ) i separacja gradientu dyfuzji (Δ) zależą od wydajności gradientu, które w naszym systemie wynosiły: (maksymalna wytrzymałość gradientu: 440 mT/m, maksymalna szybkość narastania: 3,440 T/m/s). Do pomiarów kurtozy zaleca się 2 wartości b, przy czym wyższa wartość b wynosi co najmniej 2 000 s/mm2.</li>
		<li>Użyj następujących ustawień czasu. czas echa (TE) = 27 ms (ustawiony na minimum, wprowadzając 0), czas powtórzenia (TR) = 1,800 ms.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zdobądź przygotowaną sekwencję. Przy powyższych parametrach całkowity czas akwizycji wynosi około 25 minut.</li>
	<li>Podczas wszystkich skanów monitoruj oprogramowanie bramkowania oddechowego i dostosuj okres opóźnienia między "wyzwalaczem" (programowe wykrywanie wydechu) a sygnałem do systemu MRI tak, aby akwizycje następowały tylko w spokojnej (nieruchomej) części cyklu oddechowego (ryc. 2a, stabilna część szarej linii). Opóźnienie wyzwalania w zakresie 100-400 ms jest konieczne w zależności od wzorca oddychania zwierzęcia. Pomoże to zmniejszyć liczbę artefaktów występujących podczas ruchu oddechowego (ryc. 3e).</li>
	<li>Jeśli to możliwe, powtórz sekwencję z niestandardowymi "odwróconymi blipami" ustawionymi na "włączone", co wymaga dodatkowych 25 minut czasu pobierania. 
	UWAGA: Jeśli niestandardowa sekwencja 9 "odwróconego impulsu" (wymagana do korekcji artefaktu podatności podczas kroku 3) jest niedostępna, możliwy jest tylko jeden kierunek kodowania fazy EPI, podczas gdy modyfikacja odwróconej sekwencji impulsów umożliwia wybór kierunku kodowania fazy (od prawej do lewej lub od lewej do prawej).</li>
	<li>Po zakończeniu obrazowania wyjmij zwierzę z uchwytu i umieść je z powrotem w klatce. Nie pozostawiaj zwierzęcia bez opieki, dopóki nie odzyska wystarczającej przytomności, aby utrzymać pozycję leżącą na mostku.</li>
</ol>
3. Przetwarzanie obrazu
<ol>
	<li>Eksportuj dane z systemu w formacie DICOM bezpośrednio z systemu (preferowane) lub konwertuj dane do formatu NIFTI za pomocą oprogramowania niestandardowego lub oprogramowania innych firm.</li>
	<li>Wykonaj korekcję artefaktów podatności.
	<ol>
		<li>Wyodrębnij woluminy b=0 z każdego skanowania do jednego pliku, korzystając z narzędzi dostarczonych z FSL lub innymi pakietami oprogramowania MRI. Wymagany jest jeden plik dla każdego kierunku kodowania fazy. 
		UWAGA: Na przykład, jeśli każdy skan składa się z 8 skanów o różnych wartościach b z ważeniem dyfuzyjnym w kierunku poprzecznym, a następnie 8 skanów ważenia dyfuzji w kierunku wzdłużnym, plik obrazu zawiera skany b=0 w1 i 9 tomie i może być wyodrębniony i złożony z następującym kodem powłoki: 
		fslroi ${up}_dwi_masked.nii.gz temp1 0 1 
		fslroi ${up}_dwi_masked.nii.gz temp2 8 1 
		fslroi ${down}_dwi_masked.nii.gz temp3 0 1 
		fslroi ${down}_dwi_masked.nii.gz temp4 8 1 
		fslmerge -t blip_both temp1 temp2 temp3 temp4 
		(gdzie w tym przypadku $up i $down są skanami z odpowiednio normalnym i odwróconym kierunkiem kodowania fazy).</li>
		<li>Użyj polecenia "topup" w fsl10,11, aby utworzyć poprawiony plik ze zredukowanymi artefaktami zniekształceń obrazu. Zastosuj tę korekcję do surowych obrazów DWI, które mają być używane do tworzenia map parametrów. 
		UWAGA: Instrukcje dotyczące użycia polecenia można znaleźć pod adresem <a href="http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/TOPUP/TopupUsersGuide">http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/TOPUP/TopupUsersGuide</a>. Przykładowy kod do użycia polecenia w tym przypadku jest następujący: 
		topup --imain=blip_both_nlmf_b0images_masked.nii --datain=.. /topup_data.txt --config=./b02b0_ratspine.cnf --out=topup_splines_nlmf --iout=$out --verbose --logout=topuplog.log 
		dwiup='ls ${up}*dwi_nlmFilt.nii' 
		dwidown='ls ${down}*dwi_nlmFilt.nii' 
		applytopup --imain=${dwiup},${dwidown} --datain=.. /topup_data.txt --method=jac --inindex=1,$ind --topup=topup_splines_nlmf --out=DWI_${out} –v 
		Skopiuj i edytuj domyślny plik w ${FSLDIR}/etc/flirtsch/b02b0.cnf dla rdzenia kręgowego szczura, zmniejszając każdą z wartości w wierszach --warpres i --fwhm o współczynnik 10.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Jeśli obrazy z ważeniem dyfuzyjnym są uzyskiwane wzdłuż co najmniej 6 kierunków nieortogonalnych (przy użyciu schematu DTI w Paravision lub podobnego niestandardowego projektu), użyj pakietów oprogramowania, takich jak fsl's Diffusion Toolbox12 lub Camino13, aby obliczyć standardowe mapy parametrów DTI. Jeśli nie, użyj niestandardowej procedury generowania przydatnych wskaźników, która wykorzystuje ważenie dyfuzji tylko w 2 kierunkach, na przykład, jak wskazano w krokach 3.4 i następnych.</li>
	<li>Załaduj poprawiony plik DWI wygenerowany przez TOPUP do fslview i wybierz z menu "File -> Create Mask". Użyj narzędzi ołówka, aby narysować obszar zainteresowania w obrębie jednego typu tkanki (na przykład GM, grzbietowy WM lub brzuszno-boczny WM). Zapisz ten plik i powtórz dla innych żądanych ROI, aby użyć ich później. 
	UWAGA: Inne procedury segmentacji ROI z rdzenia kręgowego zostały udokumentowane14,15 i mogą być preferowane dla zaawansowanych użytkowników.</li>
	<li>Użyj pliku ROI, aby zamaskować plik DWI, a następnie oblicz średni sygnał w ROI dla każdej objętości obrazu za pomocą następującego polecenia: 
	fslstats -t DWI_corrected.nii.gz -k GM_mask.nii.gz –M</li>
	<li>Skopiuj pierwsze 8 wyników do programu do obliczeń numerycznych, takiego jak MATLAB, jako wektor sygnału poprzecznego (na przykład nazwij go sig_T), a drugie 8 wyników jako wektor sygnału podłużnego (sig_L), gdzie 8 to liczba użytych wartości b.
	<ol>
		<li>Skopiuj wartości b w programie do obliczeń numerycznych jako wektor 8 wartości b. Wartości b dla kierunku poprzecznego i podłużnego były identyczne. Jeśli to możliwe, efektywną wartość b, a nie nominalną wartość b, należy uzyskać ze skanera, który jest wymieniony w oknie parametrów z kroku 2.3.5 jako "Efektywna wartość B".</li>
		<li>Użyj zestawu narzędzi do dopasowywania krzywych programu do obliczeń numerycznych, aby dopasować dane sygnału i wartości b do żądanego modelu, wpisując cftools w wierszu polecenia. Aby to zrobić, kliknij "Dane..." i wybierz wektory sygnału jako dane y, a wartości b jako dane x. Kliknij "Dopasowanie..." i w sekcji "Typ dopasowania" wybierz "Równanie niestandardowe", a następnie kliknij "Nowe" i "Równania ogólne", aby wprowadzić równanie do dopasowania.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Aby dopasować do standardowego modelu dyfuzji, wprowadź równanie: 
	S0.*exp(-x.*D)" (1)</li>
	<li>Dopasowanie do modelu, który obejmuje dyfuzję i człon drugiego rzędu (kurtoza; K) Aby zmierzyć odchylenie od dyfuzji Gaussa16, wprowadź równanie: 
	S0.*exp(-x.*D+(1/6).*(x.*D).^2.*K)" (2)</li>
	<li>Kliknij "OK" i "Zastosuj". Przestrzegać szacowanych wartości dyfuzyjności (D) i kurtozy (K) w oknie wyjściowym. W selektorze "Zbiór danych:" wybierz sig_T (lub sig_L) dane do użycia z równaniem (1) lub (2) i kliknij "Zastosuj".</li>
	<li>Oblicz wskaźnik anizotropii (AI) za pomocą dyfuzyjności poprzecznej i podłużnej: 
	AI=(DL-D T)/(DL+DT) (3) 
	Jest to analogiczne do anizotropii frakcyjnej (FA) obliczanej na podstawie modelu DTI. Wskaźnik anizotropii dla kurtozy można również obliczyć za pomocą kurtozy poprzecznej i podłużnej zamiast dyfuzyjności. 
	UWAGA Ta metoda daje wartości parametrów modelu, takich jak KT, DT itp. Możliwe jest również użycie operacji wiersza poleceń zestawu narzędzi do dopasowywania krzywych na każdym wokselu w kręgosłupie w celu utworzenia mapy każdego parametru na podstawie modelu. Można zastosować alternatywne metody montażu, które są szczegółowo opisane w innym miejscu. 17</li>
</ol>

<ol><li>Jirjis, M. B., Kurpad, S. N., Schmit, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ex+Vivo+Diffusion+Tensor+Imaging+of+Spinal+Cord+Injury+in+Rats+of+Varying+Degrees+of+Severity%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurotrauma%22%5BJournal%5D)">Ex Vivo Diffusion Tensor Imaging of Spinal Cord Injury in Rats of Varying Degrees of Severity.</a> J Neurotrauma. 30 (18), 1577-1586 (2013).</li>
<li>Basser, P. J., Mattiello, J., Lebihan, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimation+of+the+Effective+Self-Diffusion+Tensor+from+the+NMR+Spin+Echo%5BTitle%5D)+AND+%22J+Magn+Reson%22%5BJournal%5D)">Estimation of the Effective Self-Diffusion Tensor from the NMR Spin Echo.</a> J Magn Reson. 103 (3), 247-254 (1994).</li>
<li>Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MR+diffusion+tensor+spectroscopy+and+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">MR diffusion tensor spectroscopy and imaging.</a> Biophys J. 66 (1), 259-267 (1994).</li>
<li>Song, S. -K., Sun, S. -W., Ju, W. -K., Lin, S. -J., Cross, A. H., Neufeld, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+tensor+imaging+detects+and+differentiates+axon+and+myelin+degeneration+in+mouse+optic+nerve+after+retinal+ischemia%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Diffusion tensor imaging detects and differentiates axon and myelin degeneration in mouse optic nerve after retinal ischemia.</a> NeuroImage. 20 (3), 1714-1722 (2003).</li>
<li>Beckmann, N., Bruttel, K., Urban, L., Rudin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Signal+changes+in+the+spinal+cord+of+the+rat+after+injection+of+formalin+into+the+hindpaw%3A+characterization+using+functional+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+U+S+A%22%5BJournal%5D)">Signal changes in the spinal cord of the rat after injection of formalin into the hindpaw: characterization using functional magnetic resonance imaging.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 94 (10), 5034-5039 (1997).</li>
<li>Le Bihan, D., Poupon, C., Amadon, A., Lethimonnier, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Artifacts+and+pitfalls+in+diffusion+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22J+Magn+Reson+Imaging%22%5BJournal%5D)">Artifacts and pitfalls in diffusion MRI.</a> J Magn Reson Imaging. 24 (3), 478-488 (2006).</li>
<li>Ford, J. C., Hackney, D. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MRI+characterization+of+diffusion+coefficients+in+a+rat+spinal+cord+injury+model%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">MRI characterization of diffusion coefficients in a rat spinal cord injury model.</a> Magn Reson Med. 31 (5), 488-494 (1994).</li>
<li>Clark, C. A., Barker, G. J., Tofts, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+resonance+diffusion+imaging+of+the+human+cervical+spinal+cord+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Magnetic resonance diffusion imaging of the human cervical spinal cord in vivo.</a> Magn Reson Med. 41 (6), 1269-1273 (1999).</li>
<li>Mohammadi, S., Nagy, Z., Hutton, C., Josephs, O., Weiskopf, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correction+of+vibration+artifacts+in+DTI+using+phase-encoding+reversal+%28COVIPER%29%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Correction of vibration artifacts in DTI using phase-encoding reversal (COVIPER).</a> Magn Reson Med. 68 (3), 882-889 (2012).</li>
<li>Andersson, J. L. R., Skare, S., Ashburner, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+to+correct+susceptibility+distortions+in+spin-echo+echo-planar+images%3A+application+to+diffusion+tensor+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">How to correct susceptibility distortions in spin-echo echo-planar images: application to diffusion tensor imaging.</a> NeuroImage. 20 (2), 870-888 (2003).</li>
<li>Smith, S. M., Jenkinson, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+functional+and+structural+MR+image+analysis+and+implementation+as+FSL%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL.</a> NeuroImage. 23, S208-S219 (2004).</li>
<li>Behrens, T. E. J., Woolrich, M. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+and+propagation+of+uncertainty+in+diffusion-weighted+MR+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Characterization and propagation of uncertainty in diffusion-weighted MR imaging.</a> Magn Reson Med. 50 (5), 1077-1088 (2003).</li>
<li>Cook, P. A., Bai, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Camino%3A+Open-Source+Diffusion-MRI+Reconstruction+and+Processing%5BTitle%5D)+AND+%2214th+Scientific+Meeting+of+the+International+Society+for+Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Camino: Open-Source Diffusion-MRI Reconstruction and Processing.</a> 14th Scientific Meeting of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. , 2759(2006).</li>
<li>Kim, J. H., Tu, T. -W., Bayly, P. V., Song, S. -K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impact+Speed+Does+Not+Determine+Severity+of+Spinal+Cord+Injury+in+Mice+with+Fixed+Impact+Displacement%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurotrauma%22%5BJournal%5D)">Impact Speed Does Not Determine Severity of Spinal Cord Injury in Mice with Fixed Impact Displacement.</a> J Neurotrauma. 26 (8), 1395-1404 (2009).</li>
<li>Tu, T. -W., Kim, J. H., Yin, F. Q., Jakeman, L. B., Song, S. -K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+impact+of+myelination+on+axon+sparing+and+locomotor+function+recovery+in+spinal+cord+injury+assessed+using+diffusion+tensor+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+Biomed%22%5BJournal%5D)">The impact of myelination on axon sparing and locomotor function recovery in spinal cord injury assessed using diffusion tensor imaging.</a> NMR Biomed. 26 (11), 1484-1495 (2013).</li>
<li>Jensen, J. H., Helpern, J. A., Ramani, A., Lu, H., Kaczynski, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusional+kurtosis+imaging%3A+The+quantification+of+non-gaussian+water+diffusion+by+means+of+magnetic+resonance+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Diffusional kurtosis imaging: The quantification of non-gaussian water diffusion by means of magnetic resonance imaging.</a> Magn Reson Med. 53 (6), 1432-1440 (2005).</li>
<li>Veraart, J., Sijbers, J., Sunaert, S., Leemans, A., Jeurissen, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Weighted+linear+least+squares+estimation+of+diffusion+MRI+parameters%3A+Strengths%2C+limitations%2C+and+pitfalls%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Weighted linear least squares estimation of diffusion MRI parameters: Strengths, limitations, and pitfalls.</a> NeuroImage. 81, 335-346 (2013).</li>
<li>Budgell, B. S., Bolton, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cerebrospinal+Fluid+Pressure+in+the+Anesthetized+Rat%5BTitle%5D)+AND+%22J+Manipulative+Physiol+Ther%22%5BJournal%5D)">Cerebrospinal Fluid Pressure in the Anesthetized Rat.</a> J Manipulative Physiol Ther. 30 (5), 351-356 (2007).</li>
<li>Tu, T. -W., Kim, J. H., Wang, J., Song, S. -K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Full+Tensor+Diffusion+Imaging+Is+Not+Required+To+Assess+the+White-Matter+Integrity+in+Mouse+Contusion+Spinal+Cord+Injury%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurotrauma%22%5BJournal%5D)">Full Tensor Diffusion Imaging Is Not Required To Assess the White-Matter Integrity in Mouse Contusion Spinal Cord Injury.</a> J Neurotrauma. 27 (1), 253-262 (2010).</li>
<li>Kim, J. H., Song, S. -K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+tensor+imaging+of+the+mouse+brainstem+and+cervical+spinal+cord%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Protoc%22%5BJournal%5D)">Diffusion tensor imaging of the mouse brainstem and cervical spinal cord.</a> Nat Protoc. 8 (2), 409-417 (2013).</li>
</ol>

Opłaty za publikację tego artykułu były częściowo sponsorowane przez Bruker Corporation.

Przedstawione tutaj techniki mogą dostarczyć wysokiej jakości obrazy rdzenia kręgowego szczura in vivo, zależne od dyfuzji. Jakość obrazu zależy od wielu czynników, ale rdzeń kręgowy ma kilka unikalnych problemów, które są ważne.
Ruch jest poważnym problemem, który, jeśli nie zostanie skorygowany, spowoduje, że obrazy staną się bezużyteczne. W związku z tym wymaga starannego monitorowania podczas sesji rezonansu magnetycznego. Jeśli podczas początkowego skanowania zostaną zaobserwowane artefakty obrazu, które są zgodne z ruchem, przerwij akwizycję i podejmij kroki w celu wyeliminowania artefaktów, ponieważ są one trudne do usunięcia w procesie przetwarzania końcowego. Upewnij się, że komputer oddechowy odbiera silny, regularny sygnał z urządzenia do monitorowania oddechu. Może być konieczne wyregulowanie pasa oddechowego w celu uzyskania prawidłowego napięcia, które zapewnia stały sygnał, ale nie ogranicza oddychania zwierzęcia. Utrzymuj odpowiedni poziom znieczulenia przez cały czas; Z naszego doświadczenia wynika, że stosuje się 1,5–2,0% izofluoranu. Podobnie, zmniejszenie ogólnego ruchu zwierzęcia i kręgosłupa jest kolejnym ważnym aspektem zapewniającym obrazy wolne od artefaktów. W przeciwieństwie do ludzkiego rdzenia kręgowego, który doświadcza znacznego ruchu spowodowanego pulsacją płynu mózgowo-rdzeniowego związaną z cyklem serca, pulsacja płynu mózgowo-rdzeniowego u gryzoni jest głównie związana z cyklem oddechowym18. Chociaż trudno jest całkowicie wyeliminować cały ruch w sznurku, szczególnie ważne jest, aby w miarę możliwości zmniejszyć ruch, co często osiąga się metodą prób i błędów. Ponadto szczury z różnymi urazami lub zaburzeniami neurologicznymi mogą mieć nieprawidłową częstość oddechów lub inne powikłania fizjologiczne, które mogą wymagać dostosowania procedur opisanych w niniejszym dokumencie.
Modyfikacje sekwencji impulsów dla bramkowania oddechowego, wraz z dostosowanymi do tego celu procedurami rekonstrukcji obrazu, minimalizują skutki zniekształceń spowodowanych niejednorodnymi polami magnetycznymi, których nie można usunąć za pomocą regulacji wykonanych w systemie MRI.
Podobnie jakość obrazu zależy od czasu trwania obrazowania. W naszym przykładzie ograniczenie liczby ważeń dyfuzyjnych tylko w dwóch kierunkach umożliwiło skrócenie całkowitego czasu obrazowania. Ograniczeniem tego podejścia jest to, że nie jest ono już kompatybilne z pełną analizą tensorową (DTI), co jest normą dla wielu innych badań. Alternatywnie, użycie mniejszej liczby średnich i większej liczby kierunków dyfuzji lub wartości b może pozwolić na lepszą charakterystykę przy zachowaniu tego samego czasu akwizycji. Wcześniejsze badania wykazały, że podejście dwukierunkowe dostarcza informacji zgodnych z podejściem 6-kierunkowym (DTI)19, ale należy zadbać o to, aby warstwy (i kierunki dyfuzji) były zorientowane dokładnie wzdłuż i prostopadle do sznura. Jednak uzyskanie wielu wartości b pozwala na lepszą charakterystykę i matematyczne dopasowanie kurtozy i jest zalecane zamiast stosowania pojedynczej wartości b. Co więcej, cała sekwencja została powtórzona z odwróconym kierunkiem kodowania fazy, co zmniejsza wpływ artefaktów podatności pola magnetycznego i poprawia ogólną jakość obrazu poprzez uśrednianie. Wreszcie, rozdzielczość obrazu zastosowana w naszym protokole zapewnia wyraźną separację istoty białej i szarej. Możliwe są obrazy o wyższej rozdzielczości, chociaż często odbywa się to kosztem dłuższego czasu skanowania lub potencjalnej liczby artefaktów.
Ulepszenia w cewkach o częstotliwości radiowej, sekwencjach impulsów i metodach przetwarzania końcowego będą miały wpływ na poprawę obrazowania rdzenia kręgowego w przyszłych adaptacjach tej metody. Na przykład cewki powierzchniowe mogą być korzystne dla poprawy jakości obrazu, podobnej do obserwowanej u myszy. 20 Istnieje duże prawdopodobieństwo, że środki te okażą się użyteczne jako biomarkery w diagnostyce klinicznej i leczeniu urazów rdzenia kręgowego.

Rezonans magnetyczny (MRI) to nieinwazyjne narzędzie, które daje wgląd w mózg i rdzeń kręgowy zarówno w zdrowiu, jak i chorobie. Rezonans magnetyczny zrewolucjonizował diagnostykę kliniczną, ale jest również cennym narzędziem do badań laboratoryjnych. Zwierzęce modele urazów lub chorób neurologicznych stanowią platformę do zrozumienia patofizjologii i przyspieszenia odkrywania terapii. W tym raporcie demonstrujemy zastosowanie MRI do szczurzego modelu uszkodzenia rdzenia kręgowego w celu zbadania potencjalnych biomarkerów uszkodzenia mikrostrukturalnego1 za pomocą obrazowania tensora dyfuzji (DTI). Potencjalne odkrycie biomarkerów obrazowych pomoże w diagnozowaniu i leczeniu pacjentów z uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Markery te mogą odegrać rolę w odkrywaniu terapii w modelach przedklinicznych i umożliwić obserwację lub prognozowanie w ich przełożeniu na warunki kliniczne.
DTI to wyspecjalizowana forma rezonansu magnetycznego, która mierzy mikroskopijny ruch cząsteczek wody (tj. dyfuzję). DTI jest szczególnie korzystne w układzie nerwowym ze względu na obecność aksonów, w których dyfuzja jest nieproporcjonalnie szybsza wzdłuż aksonów niż prostopadła do nich, co dostarcza informacji na temat ich orientacji i składu mikrostrukturalnego. Wskaźniki skalarne wyprowadzone z DTI, w tym miara całkowitej dyfuzji w tkance, średnia dyfuzyjność (MD) oraz miara zależności dyfuzji od orientacji, anizotropia frakcyjna (FA)2,3, znalazły szerokie zastosowanie w charakteryzowaniu mikrostruktury układu nerwowego zarówno w zdrowiu, jak i chorobie4. Wskaźniki te ujawniły mikroskopijne cechy tkanki, które są niewidoczne dla większości innych metod MRI. Wcześniejsze badania wykazały, że DTI wykrywa odległe zmiany mikrostrukturalne w obrębie rdzenia szyjnego po SCI klatki piersiowej u szczurów1. Zmiany DTI oddalone od zmiany prawdopodobnie odzwierciedlają sposób, w jaki cały rdzeń kręgowy reaguje na uraz i są potencjalnie markerem wtórnego urazu.
Obrazowanie rdzenia kręgowego szczura in vivo stanowi kilka wyjątkowych wyzwań. Przede wszystkim rdzeń kręgowy jest dotknięty ruchem oddechowym i wymaga szczególnej uwagi, aby zminimalizować ruch przy użyciu kilku metod. W poprzednich badaniach urządzenia unieruchamiające usuwały ruch kręgosłupa podczas skanowania5. Do obrazowania rdzenia szyjnego stosujemy fizyczne ograniczenie w postaci uchwytu na głowę i nauszników, które tłumią, ale nie eliminują ruchu spowodowanego oddychaniem. Ponadto wykorzystujemy niestandardowy schemat bramkowania oddechowego, aby skutecznie synchronizować pozyskiwanie obrazu z cyklem oddechowym. Modyfikacje te umożliwiają usunięcie artefaktów, które w przeciwnym razie byłyby spowodowane ruchem masowym na dużą skalę spowodowanym oddychaniem6. DWI jest bardzo wrażliwy na mikroskopijne ruchy, w tym przepływ płynu mózgowo-rdzeniowego i pulsację krwi, a te mniejsze źródła zanieczyszczenia ruchem są również łagodzone przez schemat bramkowania oddechowego. Dodatkowo rdzeń kręgowy ma małe pole przekroju poprzecznego i stanowi tylko ułamek pola widzenia. Do obrazowania odcinka szyjnego kręgosłupa, w którym rdzeń kręgowy znajduje się głęboko w ciele zwierzęcia, potrzebna jest cylindryczna cewka o częstotliwości radiowej o odpowiedniej penetracji sygnału, aby zobrazować rdzeń kręgowy w odcinku szyjnym w wysokiej rozdzielczości. Zmniejszenie pola widzenia osiąga się poprzez tłumienie objętości zewnętrznej (OVS), które służy również do anulowania lub zepsucia sygnału z tkanek poza rdzeniem kręgowym. Ta metoda, zwana gradientami spojlera lub tłumieniem objętości zewnętrznej, służy również do zmniejszenia zanieczyszczenia szczątkowym ruchem zwierzęcia, przepływem płynu mózgowo-rdzeniowego lub pulsacją krwi w tych tkankach.
Układ rdzenia kręgowego może być również wykorzystany do uproszczenia protokołu obrazowania. Aksony rdzenia kręgowego w istocie białej (WM) są prawie wszystkie zorientowane równolegle do głównej osi rdzenia kręgowego. Tak więc, podczas gdy DWI mózgu wymaga pomiarów wzdłuż co najmniej 6 kierunków, aby zapewnić, że wyniki nie zależą od położenia w magnesie (proces zwany obrazowaniem tensora dyfuzji), pomiary w rdzeniu kręgowym można uzyskać tylko w 2 kierunkach równoległych i prostopadłych do rdzenia7,8, zwanych dalej podłużnymi i poprzecznymi, odpowiednio. W ten sposób dyfuzyjność i inne parametry są mierzone oddzielnie w 2 kierunkach i pozwalają na wnioskowanie o mikrostrukturze tkanki zarówno w zdrowiu, jak i chorobie lub urazie.

<table><tbody><tr><td>Cewka RF do obrazowania małych zwierząt</td><td>Doty</td><td>SAIP400-H-38-S</td><td></td></tr><tr><td>System bramkowania oddechowego</td><td>SA Instruments</td><td>1030</td><td></td></tr><tr><td>Skaner MR</td><td>Bruker</td><td>Biospec 94/30 USR</td><td></td></tr></tbody></table>

obrazowanie dyfuzyjne w szyjnym rdzeniu kręgowym szczura

Diffusion Imaging in the Rat Cervical Spinal Cord

Rezonans magnetyczny (MRI) to najnowocześniejsze podejście do nieinwazyjnej oceny stanu rdzenia kręgowego, które może być używane jako narzędzie diagnostyczne i prognostyczne w przypadku choroby lub urazu. Obrazowanie dyfuzyjne ważone (DWI) jest wrażliwe na ruch termiczny cząsteczek wody i pozwala na wnioskowanie o mikrostrukturze tkanek. W tym raporcie opisano protokół pozyskiwania i analizy DWI rdzenia kręgowego szyjki macicy szczura w systemie zwierzęcym o małym otworze. Demonstruje konfigurację obrazowania dla żywego znieczulonego zwierzęcia i zaleca protokół akwizycji DWI w celu uzyskania wysokiej jakości obrazowania, który obejmuje stabilizację pępowiny i kontrolę ruchu oddechowego. Stosuje się pomiary z ważeniem dyfuzji w różnych kierunkach i wielkościach (wartości b). Wreszcie, kilka modeli matematycznych wynikowego sygnału wykorzystuje się do uzyskania map procesów dyfuzji w tkance rdzenia kręgowego, które zapewniają wgląd w normalny rdzeń kręgowy i mogą być wykorzystywane do nieinwazyjnego monitorowania urazów lub procesów chorobowych.

Właściwe procedury minimalizujące artefakty ruchowe pozwalają na uzyskanie wysokiej jakości obrazów dyfuzyjnych rdzenia kręgowego szczura w odcinku szyjnym. Zastosowanie niestandardowego bramkowania oddechowego (Rysunek 2), nasycenie niepożądanego sygnału z tkanek poza kręgosłupem (Rysunki 3B i C) oraz korekcja zniekształceń podatności pola magnetycznego pozwalają na uzyskanie obrazów dyfuzyjnych, takich jak te przedstawione na Rysunkach 4 i 5. Obrazy wykonane nieprawidłowo lub bez bramkowania będą obarczone artefaktami w formie powidoków (Rysunek 3E), podczas gdy poprawne bramkowanie pozwala na uzyskanie obrazów wolnych od artefaktów.
Wizualna inspekcja obrazów ważonych dyfuzją w obrębie 12 warstw ujawnia cechy rdzenia kręgowego związane z jego mikrostrukturą. W szczególności szybsza dyfuzja w tkance skutkuje większą utratą sygnału na obrazach ważonych dyfuzją, co nasila się przy większym ważeniu dyfuzyjnym (wartość b). Przy ważeniu dyfuzyjnym wykonanym prostopadle do osi rdzenia kręgowego, istota biała wzdłuż obwodu rdzenia wydaje się jasna, ponieważ dyfuzja jest powolna i ograniczona prostopadle do aksonów. W przeciwieństwie do tego, istota szara w centralnym regionie rdzenia wydaje się ciemniejsza, ponieważ składa się z aksonów i ciał komórkowych, które nie są wszystkie wyrównane w jednym kierunku. W porównaniu z tym, ważenie dyfuzyjne w kierunku równoległym skutkuje ciemniejszym wyglądem istoty białej, ponieważ dyfuzja wzdłuż aksonów jest szybka, podczas gdy istota szara jest względnie jaśniejsza. Należy zauważyć, że oddzielne obrazy ważone dyfuzją są przedstawione dla różnych wartości b, ponieważ kierunki równoległy i prostopadły wykazują najlepszy kontrast między istotą białą a szarą przy różnych wartościach b.
Połączenie wszystkich obrazów ważonych dyfuzją przy użyciu formalizmów matematycznych pozwala na przedstawienie map parametrów dyfuzji. Średnie sygnały z białej i szarej istoty naniesiono na wykres w zależności od czynnika ważenia dyfuzji (wartości b) dla kierunków równoległego i prostopadłego. Te dane ilościowe potwierdzają obrazy ważone dyfuzją przedstawione na Rysunku 4. W szczególności biała istota wykazuje silną zależność od kierunku ważenia dyfuzji (podłużnego lub poprzecznego), podczas gdy szara istota jest w mniejszym stopniu zależna od kierunku. Podobnie, dopasowanie sygnału w każdym wokselu za pomocą równania kurtozy dyfuzji pozwala uzyskać ilościowe mapy parametrów dyfuzji (Rysunek 6B), które podkreślają tę samą zależność. Biała istota charakteryzuje się wysokim stopniem anizotropii zarówno w pomiarach dyfuzji (AID), jak i kurtozy (AIK). Zatem dyfuzja poprzeczna i kurtoza ujawniają podstawową mikrostrukturę rdzenia kręgowego znaną z badań histologicznych. Parametry dyfuzji te, pozyskane u żywych, ale znieczulonych zwierząt, odzwierciedlają mikroskopowe właściwości tkanki, takie jak gęstość i średnica aksonów. Zmiany w tych pomiarach spowodowane urazami i chorobami będą przydatne do nieinwazyjnej oceny skutków urazu oraz efektów obiecujących terapii. Obrazowanie ważone dyfuzją szyjnego rdzenia kręgowego szczura może zatem stać się narzędziem w badaniach przedklinicznych nad urazami i chorobami rdzenia kręgowego.
<img alt="Schemat aparatury badawczej; opisane elementy: porty gazowe, cewka, stożek nosowy, listwa do zgryzania, wsporniki uszne." src="/files/ftp_upload/52390/52390fig1highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Konstrukcja cewki i uchwytu do MRI szyjnego odcinka rdzenia kręgowego. Do obrazowania szyjnego odcinka kręgosłupa z wysoką czułością i jednorodnością wykorzystano specjalistyczną kwadraturową cewkę objętościową (Doty Scientific Inc). Środki znieczulające i powietrze medyczne są dostarczane przez wskazane porty gazowe do stożka nosowego, który jest wygodnie dopasowany do nosa szczura. Wydychany i nadmiarowy gaz jest odprowadzany linią wydechową pod lekką próżnią. Głowa szczura jest stabilizowana za pomocą listwy do zgryzania umieszczonej wokół siekaczy oraz wsporników usznych delikatnie wprowadzonych do kanału słuchowego. Pozostałe komponenty monitorowania fizjologicznego, w tym monitor oddechowy i sonda temperatury, nie zostały przedstawione.
<img alt="Schemat metod bramkowania oddechowego z ilustracją przebiegu, sekwencjami wyzwalania pojedynczego i dla każdego oddechu." src="/files/ftp_upload/52390/52390fig2highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Schemat bramkowania oddechowego. Schematycznie przedstawiono typowy przebieg oddechowy (szary) oraz sygnał wyzwalający (czerwony) z jednostki bramkowania (A). W typowej implementacji bramkowania (B), pojedynczy sygnał wyzwalający służy do pozyskania wszystkich warstw (linie pionowe; tutaj pokazano 12) w odstępach czasu równomiernie rozłożonych w obrębie czasu repetycji (TR). Jeśli TR przekracza typowy okres oddechu, kilka warstw może zostać pozyskanych podczas jednego oddechu, co czyni je podatnymi na artefakty ruchowe (kolor czerwony). W zmodyfikowanym schemacie (C), podzbiór warstw jest pozyskiwany szybko po sygnale wyzwalającym (tutaj pokazano 6), po czym następuje opóźnienie, a pozostałe warstwy są pozyskiwane po kolejnym sygnale wyzwalającym. Dzięki reorganizacji opóźnień w obrębie sekwencji, TR w obu schematach pozostaje identyczny.
<img alt="Schemat sekwencji skanowania MRI; przedstawia warstwy skanowania w obszarze kręgosłupa; ocenia obrazowanie strukturalne." src="/files/ftp_upload/52390/52390fig3highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Pozycjonowanie warstw MRI, pasma nasycenia i kontrola ruchu. Na obrazie zwiadowczym (A) rozmieszczono dwanaście warstw osiowych, przy czym najbardziej przednią warstwę ustawiono w stałej odległości od przecięcia pnia mózgu i móżdżku. Dodano pasma nasycenia (B), aby wyeliminować niepożądany sygnał poza obszarem zainteresowania. Obraz bez ważenia dyfuzyjnego (C) oraz obraz z ważeniem dyfuzyjnym (D) uzyskany przy zastosowaniu niestandardowego schematu bramkowania wyraźnie pokazują anatomię rdzenia i są wolne od artefaktów. W przypadku nieoptymalnego schematu bramkowania lub nieprawidłowego bramkowania oddechowego, obrazy ważone dyfuzyjnie wykazują artefakty (E) w postaci utraty sygnału w obrębie rdzenia lub wielu „duchów” poza rdzeniem, co zniekształci późniejszą analizę. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52390/52390fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Obrazowanie MRI sekwencje dyfuzyjne, schemat, porównanie dyfuzji izotropowej i anizotropowej." src="/files/ftp_upload/52390/52390fig4highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4: Reprezentatywne obrazy ważone dyfuzją. Dzięki optymalizacjom opisanym w tekście uzyskano wysokiej jakości obrazy ważone dyfuzją z zastosowaniem ważenia dyfuzyjnego w kierunku poprzecznym (A) oraz podłużnym (B) względem głównej osi rdzenia kręgowego. Dla każdego kierunku przedstawiono różne wartości b, które w celach ilustracyjnych zapewniają najlepszy kontrast między istotą białą a szarą. Dla każdego kierunku lub wartości b wszystkie 12 przekrojów pozyskano w czasie około 90 sec. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52390/52390fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt='Obraz MRI dyfuzyjnego pokazujący stany „blip-up”, „blip-down” oraz stan skorygowany; wartości b: 0, 1000, 250.' src="/files/ftp_upload/52390/52390fig5highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5: Proces korekcji odwróconego kodowania fazowego. Lewa kolumna przedstawia pojedynczy przekrój obrazowany za pomocą sekwencji DWI zgodnie z opisem w niniejszym protokole (obraz „blip up”). Środkowa kolumna przedstawia sekwencję nabytą po raz drugi z włączoną opcją „reverse blips”. Zauważ, że cechy, które wydają się rozciągnięte na pierwszym obrazie, w środkowej kolumnie wydają się skompresowane. Prawa kolumna przedstawia obrazy ważone dyfuzyjnie skorygowane za pomocą TOPUP. Górny rząd to obraz nieważony dyfuzyjnie, środkowy rząd to przykład z ważeniem dyfuzyjnym zastosowanym w kierunku poprzecznym, a dolny rząd to przykład z ważeniem dyfuzyjnym zastosowanym w kierunku podłużnym. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52390/52390fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykres zaniku sygnału dyfuzyjnego MRI oraz dane obrazowania mózgu przedstawiające mapy parametrów do analizy." src="/files/ftp_upload/52390/52390fig6highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6: Obliczone mapy dyfuzyjności i kurtozy. Znormalizowany sygnał (intensywność obrazu) przedstawiono (A) jako funkcję ważenia dyfuzyjnego (wartość b) dla poprzecznego (T) i podłużnego (L) kierunku kodowania dyfuzyjnego. Wysokiej jakości mapy (B) dyfuzyjności (D), kurtozy (K) i anizotropii (AI) obliczone z sygnału w każdym wokselu ujawniają unikalne cechy tkanki rdzenia kręgowego. W szczególności widoczna jest wyraźna różnica w parametrach między istocią białą a szarą, a także różnice regionalne w obszarach istoci białej. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52390/52390fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

Celem tego protokołu jest uzyskanie wysokiej jakości obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (DWI) rdzenia kręgowego szczura w celu nieinwazyjnej charakterystyki mikrostruktury tkanki. Protokół ten opisuje optymalizacje sekwencji rezonansu magnetycznego, cewki o częstotliwości radiowej i metod analizy, aby umożliwić tworzenie obrazów DWI wolnych od artefaktów.

Obrazowanie dyfuzyjne w szyjnym rdzeniu kręgowym szczura

Magnetic resonance imaging (MRI) is the state of the art approach for assessing the status of the spinal cord noninvasively, and can be used as a ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest uzyskanie wysokiej jakości obrazowania rezonansu magnetycznego ważonego dyfuzyjnie rdzenia kręgowego szczura w celu nieinwazyjnej charakterystyki mikrostruktury tkanki. Jest to realizowane poprzez przygotowanie szczura w skanerze MR z odpowiednią immobilizacją i monitorowaniem oddychania. Drugim krokiem jest wykonanie niestandardowego skanowania MRI ważonego dyfuzyjnie z synchronizacją z oddechem.Następnie obrazy są korygowane pod kątem artefaktów podatności magnetycznej. Ostatnim krokiem jest dopasowanie sygnału MRI do modelu matematycznego. Ostatecznie porównanie parametrów modelu w obrębie obszarów zainteresowania służy do wykazania właściwości mikrostruktury tkanki.Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak skanowanie ex vivo, jest możliwość jej zastosowania w klinice do celów diagnostycznych. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania dotyczące urazów rdzenia kręgowego, takie jak identyfikacja mechanizmów wtórnego uszkodzenia oraz prognozowanie powrotu do sprawności. Procedurę zaprezentują Natasha Wilkins oraz Matt Renquist, technicy z mojego laboratorium, przed wykonaniem kroków opisanych w niniejszym protokole.W pierwszej kolejności należy uzyskać zgodę odpowiednich instytucjonalnych komisji ds. opieki i wykorzystania zwierząt na wszystkie procedury. Rozpocząć od znieczulenia szczura w komorze indukcyjnej przy użyciu 5% isofluranu w powietrzu medycznym. Po ustąpieniu odruchu wycofania łapy i odruchu mrugania należy zmniejszyć stężenie środka znieczulającego do 2%. Następnie przenieść zwierzę na stół skanera w pozycji brzusznej, głową do przodu.Przez cały czas trwania procedury utrzymuj podaż 2% ISO i fluoru poprzez stożek nosowy, a powietrze medyczne podawaj z przepływem około jednego litra na minutę. Nanieś również niewielką ilość maści nawilżającej na oczy szczura, aby zapobiec uszkodzeniu rogówki podczas znieczulenia. Bezpiecznie zaciśnij pas do monitorowania oddychania wokół tułowia szczura i podłącz go do systemu bramkowania oddechowego.Sprawdź komputer do monitorowania oddychania, aby upewnić się, że cykl oddechowy jest wyraźny i spójny. W razie potrzeby wyreguluj pas, ponieważ ten krok jest kluczowy dla jakości obrazu. Użyj systemu ogrzewania ciepłym powietrzem oraz monitoruj i utrzymuj temperaturę ciała zwierzęcia za pomocą sondy rektalnej, aby zapewnić jej utrzymanie na poziomie 37 °C.Utrzymuj częstotliwość oddechów w zakresie od 30 do 45 oddechów na minutę, regulując poziom znieczulenia między 1,2 a 2%. Następnie umieść szczura w uchwycie głowy z poprzeczką do gryzienia, wkręć wsporniki uszne i wsuń głowę do kwadraturowej cewki wolumetrycznej, aż kręgosłup szyjny znajdzie się w centrum cewki. Na koniec wprowadź szczura wraz z uchwytami stabilizującymi do otworu skanera, jeśli jest to możliwe, a następnie dostrój kondensatory strojące i dopasowujące cewki do właściwej częstotliwości oraz impedancji zgodnie z instrukcjami producenta. Wykonaj domyślny skan orientacyjny w trzech płaszczyznach, aby upewnić się co do prawidłowego pozycjonowania.To pierwsze skanowanie uruchamia zautomatyzowane procedury systemu MRI służące do wykrywania częstotliwości rezonansowej shimmingu, kalibracji mocy częstotliwości radiowej oraz regulacji wzmocnienia odbiornika. Należy sprawdzić, czy środek kręgosłupa szyjnego jest wyrównany zarówno ze środkiem magnesu, jak i środkiem cewki MRI. Następnie do protokołu obrazowania należy dodać sekwencję spinowego echa z obrazowaniem dyfuzyjnym i planarnym echem.Zastosowano domyślne ustawienia sekwencji, określając jednak 12 przekrojów o grubości 0,75 milimetra, orientując je prostopadle do głównej osi rdzenia szyjnego. Jako wewnętrzny punkt odniesienia wykorzystano podstawę móżdżku, aby zapewnić spójne rozmieszczenie przekrojów pomiędzy zwierzętami oraz w kolejnych sesjach. Włączono pasma nasycenia.Następnie należy ustawić cztery pasma nasycenia o grubości 10 mm poza rdzeniem kręgowym, aby zminimalizować sygnał z tych tkanek i ograniczyć ich potencjał do wywoływania artefaktów. Należy również upewnić się, że włączono synchronizację z oddechem. Teraz skonfiguruj sekwencję, korzystając z ustawień czasu oczekiwania na dyfuzję, które są widoczne tutaj na ekranie.Następnie rozpocznij skanowanie. Całkowity czas akwizycji wyniesie około 25 minut podczas wszystkich skanów. Monitoruj oprogramowanie do synchronizacji oddechowej i dostosuj czas opóźnienia między wyzwalaczem a sygnałem przesyłanym do systemu MRI, aby akwizycje odbywały się wyłącznie w fazie spoczynku cyklu oddechowego.Należy pamiętać, że w zależności od wzorca oddychania zwierzęcia konieczne będzie zastosowanie opóźnienia wyzwalacza w przedziale od 100 do 400 milisekund. Pomoże to zredukować artefakty powstające w wyniku ruchu oddechowego. Jeśli jest to możliwe, po zakończeniu obrazowania powtórz sekwencję z włączoną opcją niestandardowych impulsów wstecznych (custom reverse blips).Wyjmij zwierzę z uchwytu i przenieś je z powrotem do klatki. Monitoruj zwierzę, aż odzyska przytomność. Utrzymaj zwierzę w pozycji leżenia przodem.Przetwarzanie obrazów należy rozpocząć od przeprowadzenia korekcji artefaktów podatności magnetycznej. Następnie należy wyodrębnić wolumeny dla B równym zero z każdego skanowania do jednego pliku, korzystając z narzędzi dostarczonych przez FSL lub inne pakiety oprogramowania do MRI. Przykładowy kod przedstawiono tutaj.Wymagany jest jeden plik dla każdej fazy w kierunku kodowania. Następnie należy użyć polecenia top-up w programie FSL, aby utworzyć plik korekcyjny redukujący artefakty zniekształceń obrazu. Korekcję tę należy zastosować do surowych obrazów DWI, które będą wykorzystane do utworzenia map parametrów.Wczytaj ten poprawiony plik DWI do programu FSL view i wybierz plik. Utwórz maskę z menu. Użyj narzędzi ołówka, aby narysować obszar zainteresowania w obrębie jednego typu tkanki.Zapisz ten plik i powtórz czynność dla pozostałych wybranych obszarów zainteresowania (ROI). Użyj pliku ROI do zamaskowania pliku DWI, a następnie oblicz średni sygnał w obrębie ROI dla każdej objętości obrazu. Skopiuj pierwsze osiem wyników do programu do obliczeń numerycznych, takiego jak MATLAB, jako wektor sygnału poprzecznego, a kolejne osiem wyników jako wektor sygnału podłużnego, gdzie liczba osiem odpowiada liczbie użytych wartości B.Należy również skopiować wartości B do programu jako wektor ośmiu wartości B. Wartości B dla kierunku poprzecznego i podłużnego powinny być, jeśli to możliwe, identyczne. Z urządzenia skanującego należy uzyskać efektywną wartość B, a nie nominalną wartość B.Użyj narzędzia do dopasowywania krzywych, aby dopasować dane sygnału w funkcji wartości B do wybranego modelu. Po wpisaniu polecenia CF tools w wierszu poleceń, wybierz wartości B jako dane X i wektory sygnału jako dane y. Następnie wybierz menu dopasowywania i wprowadź równanie dopasowania.Należy pamiętać, że podczas wprowadzania równania konieczne może być ustawienie punktów startowych i ograniczeń dla zmiennych, które będą bardziej odpowiednie dla danych. Po zastosowaniu równań do dopasowania należy odnotować wartości parametrów, które będą służyć jako markery ilościowe. Na tym obrazie przedstawiono wysokiej jakości obrazy ważone dyfuzją, uzyskane przy zastosowaniu dyfuzji w płaszczyźnie poprzecznej i podłużnej względem głównej osi rdzenia kręgowego.Dla każdego kierunku przedstawiono różne wartości B, które zapewniają najlepszy kontrast między istotą białą a szarą. Tutaj lewa kolumna przedstawia przekrój obrazowany za pomocą sekwencji DWI. Środkowa kolumna przedstawia akwizycję z odwróconymi impulsami (reverse blips).Zauważ, że cechy, które wydają się rozciągnięte na pierwszym obrazie, w środkowej kolumnie wyglądają na ściśnięte. Prawa kolumna przedstawia obrazy ważone dyfuzją skorygowane za pomocą narzędzia top-up. Górny rząd to obraz nieważony dyfuzyjnie.Środkowy rząd przedstawia ważenie dyfuzyjne zastosowane w kierunku poprzecznym, a dolny rząd przedstawia ważenie dyfuzyjne w kierunku podłużnym. Tutaj możemy zobaczyć znormalizowany sygnał przedstawiony jako funkcja ważenia dyfuzyjnego z poprzecznym i podłużnym kierunkiem kodowania dyfuzji. Wysokiej jakości mapy dyfuzyjności, kurtozy i anizotropii są obliczane z sygnału w każdym wokselu.Istnieje wyraźna różnica w parametrach między istotą białą a szarą, a także różnice regionalne w obszarach istoty białej. Podczas przeprowadzania tej procedury ważne jest, aby uważnie monitorować oddychanie zwierzęcia i dostosowywać poziom znieczulenia w celu zminimalizowania artefaktów ruchowych. Jest to szczególnie istotne w przypadku szczurów z urazami, u których mogą występować nieprawidłowe częstotliwości oddychania lub inne komplikacje fizjologiczne, co może wymagać modyfikacji procedur.

diffusion-imaging-in-the-rat-cervical-spinal-cord

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Obrazowanie dyfuzyjne w szyjnym rdzeniu szczura

Gruntowne testy przedkliniczne leków działających w ośrodkowym układzie nerwowym często obejmują ocenę i porównanie biodystrybucji leku w zależności od konkretnych dróg podania. W niniejszym materiale zaprezentowano na myszach trzy powszechnie stosowane metody podania ogólnoustrojowego (dożylne, dosytnieniowe oraz doustne), a także metodę podania miejscowego (podanie wspomagane konwekcją).

Systemiczne i miejscowe dostarczanie leków w leczeniu chorób ośrodkowego układu nerwowego w modelach gryzoni

Źródło: Nishidate, I., et al. Jednoczesna ocena hemodynamiki mózgu i właściwości rozpraszania światła mózgu szczura In Vivo przy użyciu wielospektralnego obrazowania odbicia rozproszonego. J. Vis. Exp. (2017)Ten film demonstruje zastosowanie wielospektralnego obrazowania odbicia rozproszonego do analizy przepływu krwi w mózgu, poziomu tlenu i zmian struktury tkanek u znieczulonego szczura, zapewniając wgląd w hemodynamikę i morfologię mózgu w różnych warunkach.

Wielospektralne obrazowanie odbicia rozproszonego przepływu krwi i struktury tkanek w mózgu szczura

Źródło: Zheng, W. i wsp., Obrazowanie rezonansu magnetycznego tensora dyfuzji w przewlekłym ucisku rdzenia kręgowego. J. Vis. Exp. (2019 rok)Ten film przedstawia obrazowanie tensora dyfuzji w ocenie przewlekłego ucisku rdzenia kręgowego. Analizując wzorce dyfuzji wody, anizotropię frakcyjną i pozorne wartości współczynników dyfuzji, wyniki ujawniają uszkodzenia aksonów w ściśniętych obszarach. Odkrycia dostarczają krytycznych informacji na temat patologii rdzenia kręgowego i integralności...

Ocena kompresji rdzenia kręgowego za pomocą obrazowania tensora dyfuzji

Uszkodzenia mózgu wynikające z niedokrwienia mózgu mogą być nieinwazyjnie obrazowane i badane u szczurów za pomocą przedklinicznej pozytonowej tomografii emisyjnej połączonej z wstrzykiwaną sondą radioaktywną, 18F-fluorodeoksyglukozą. Co więcej, wykorzystanie nowoczesnych narzędzi programowych, które zawierają szablony mózgu dotyczące ilości zainteresowania (VOI), znacznie zwiększa ilość informacji uzyskanych z tych badań.

Nieinwazyjne obrazowanie i analiza niedokrwienia mózgu u żywych szczurów przy użyciu pozytonowej tomografii emisyjnej z 18F-FDG

Prezentujemy protokół wykorzystujący mikroskopię poklatkową z wzbudzeniem dwufotonowym do jednoczesnej wizualizacji dynamiki uszkodzeń aksonów i mielin w czasie rzeczywistym. Ten proponowany protokół pozwala na badanie zarówno wewnętrznych, jak i zewnętrznych czynników, które mogą wpływać na los centralnego mielinizowanego aksonu po urazie i przyczyniać się do trwałej niepełnosprawności klinicznej.

Model uszkodzenia rdzenia kręgowego indukowany laserem ex vivo do oceny mechanizmów zwyrodnienia aksonów w czasie rzeczywistym

W tym filmie opisujemy procedurę wszczepienia przewlekłej komory obrazowania optycznego do grzbietowego rdzenia kręgowego żywej myszy. Komora, zabieg chirurgiczny i przewlekłe obrazowanie są oceniane i demonstrowane.

Procedura wszczepienia komory rdzeniowej do podłużnego obrazowania in vivo rdzenia kręgowego myszy

Obrazowanie ultrasonograficzne ze wzmocnionym kontrastem jest niezawodnym narzędziem in vivo do ilościowego określania przepływu krwi w rdzeniu kręgowym w eksperymentalnym modelu uszkodzenia rdzenia kręgowego u szczurów. Niniejszy artykuł zawiera kompleksowy protokół zastosowania tej techniki w połączeniu z modelem kontuzji uszkodzenia rdzenia kręgowego w odcinku piersiowym.

Obrazowanie ultrasonograficzne ze wzmocnieniem kontrastowym do oceny przepływu krwi w rdzeniu kręgowym w eksperymentalnym urazie rdzenia kręgowego

Nowy preparat ex vivo do obrazowania rdzenia kręgowego myszy. Protokół ten pozwala na obrazowanie dwufotonowe żywych interakcji komórkowych w całym rdzeniu kręgowym.

Dwufotonowe obrazowanie dynamiki komórkowej w rdzeniu kręgowym myszy

Wprowadzamy metodę obrazowania in vivo przy użyciu dwóch różnych barwników fluorescencyjnych do śledzenia dynamicznych zmian naczyniowych kręgosłupa po kontuzji rdzenia kręgowego u dorosłych szczurów Sprague-Dawley.

Badanie in vivo Dwukolorowa metoda obrazowania dynamiki naczyń krwionośnych po kontuzyjnym urazie rdzenia kręgowego

Tutaj prezentujemy protokół zastosowania parametrów obrazowania tensora dyfuzji do oceny ucisku rdzenia kręgowego.

Rezonans magnetyczny tensora dyfuzji w przewlekłym ucisku rdzenia kręgowego

Opisano procedurę chirurgiczną polegającą na wykonaniu zastrzyków do spłuczki lędźwiowej młodego szczura. Podejście to zostało wykorzystane do dokanałowego dostarczania wektorów terapii genowej, ale przewiduje się, że podejście to może być stosowane w różnych terapiach, w tym komórkach i lekach.

Podanie wektorowe dokanałowo u młodych szczurów przez wstrzyknięcie do spłuczki lędźwiowej

Poznaj technikę obrazowania dyfuzyjnego MRI w szyjnym rdzeniu kręgowym szczura z wykorzystaniem gatingu oddechowego i korekcji artefaktów. Ta metoda umożliwia nieinwazyjną charakterystykę mikrostruktury tkanek z potencjałem klinicznym.

Obrazowanie dyfuzyjne w szyjnym rdzeniu kręgowym szczura

Przeglądaj więcej filmów