Rezonans magnetyczny tensora dyfuzji w przewlekłym ucisku rdzenia kręgowego
7 maja 2019
Tutaj prezentujemy protokół zastosowania parametrów obrazowania tensora dyfuzji do oceny ucisku rdzenia kręgowego.
Anatomiczne szczegóły mikrostruktury rdzenia kręgowego dostarczane przez konwencjonalny rezonans magnetyczny nie pozwalają dokładnie oszacować rzeczywistego uszkodzenia neuronów ani potencjału regeneracji neuronów u pacjentów z przewlekłym uciskiem rdzenia kręgowego. Obrazowanie tensora dyfuzji lub DTI może pomóc nam uzyskać bardziej szczegółowe informacje prognostyczne poprzez wykrywanie zmian mikrostruktury ilościowej w tkankach poprzez dyfuzję cząsteczek wody. Przewlekły ucisk rdzenia kręgowego może powodować nawracające uszkodzenia niedokrwienne rdzenia kręgowego, powodując zmiany histopatologiczne w dalszych włóknach nerwowych.
Zmianę tę można zwizualizować za pomocą DTI. DTI to czuła technika, która może zapewnić pomiar kierunku i wielkości dyfuzji cząsteczek wody w tkankach. W tym miejscu demonstrujemy zastosowanie parametrów obrazowania tensora dyfuzji w ocenie ściśniętego rdzenia kręgowego do zastosowania w wysokowydajnych klinicznych skanerach MRI obsługujących system MR 3,0T.
Przed rozpoczęciem procedury obrazowania należy zaopatrzyć uczestnika w zatyczki do uszu i pomóc mu ułożyć się w wygodnej pozycji leżącej. Umieść cewkę głowy/szyi w okolicy szyjki macicy i punkt orientacyjny na poziomie chrząstki tarczycy. Gdy uczestnik jest na pozycji, użyj szybkiego echa gradientu perturbacji, aby uzyskać mapy położenia osiowego, strzałkowego i koronalnego.
Zlokalizuj strzałkową płaszczyznę T2 ważoną, a następnie skopiuj i wklej strzałkową linię pozycjonowania T1 do linii pozycjonowania T2 ważoną za pomocą map położenia koronalnego, aby upewnić się, że linia bazowa pozycjonowania jest równoległa do kanału kręgowego. Ustaw pole widzenia ważone T1 i T2 na 240 milimetrów, rozmiar woksela na jeden na 0,8 na trzy milimetry, odstęp między warstwami na 0,3 milimetra, grubość warstwy na trzy milimetry, liczbę wzbudzeń na dwa, kierunek składania na stopy-głowę, czas echa powtórzenia na 10 w ciągu 700 milisekund dla pola ważonego T1, i 101 na 2 500 dla pola ważonego T2. Następnie uzyskaj dziewięć obrazów strzałkowych obejmujących cały rdzeń kręgowy w odcinku szyjnym i ustaw osiową linię pozycjonowania na strzałkowym obrazie T2 W.
Następnie przykryj krążek międzykręgowy od C2-3 do C6-7, centrując na przednio-tylnej średnicy przestrzeni międzykręgowej i ustaw pole widzenia na 180 na 180 milimetrów, rozmiar woksela na 0,7 na 0,6 na trzy milimetry, grubość plastra na trzy milimetry, kierunek zagięcia do przedniego i tylnego, liczbę wzbudzenia na dwa, i czas echa powtórzenia do 120 w ciągu 3 000 milisekund. Następnie umieść osiową linię pozycjonowania na strzałkowym obrazie T2-zależnym, centrując się na przednio-tylnej średnicy przestrzeni międzykręgowej, z 45 warstwami pokrywającymi rdzeń kręgowy szyjny od C1 do C7.To uzyskać obrazowanie tensora dyfuzji, użyj jednokrotnego obrazowania echo-płaskiego spin-echo z 20 kierunkami ortogonalnymi i niewspółpłaszczyznowymi kierunkami dyfuzji o wartościach b równych 800 sekund na milimetr do kwadratu, i ustaw pole widzenia na 230 na 230 milimetrów, matrycę akwizycji na 98 na 98, zrekonstruowaną rozdzielczość na 1,17 na 1,17, grubość warstwy na trzy milimetry, kierunek zagięcia na przednio-tylny, liczbę wzbudzenia na dwa, współczynnik obrazowania echo-płaskiego na 98, a czas echa na czas powtórzenia na 74 na 8, 300 milisekund. W celu przetworzenia obrazu wyeksportuj obrazy do analizatora i załaduj obrazy strzałkowe i osiowe przestrzeni międzykręgowej ważone T2 do interfejsu filmowania.
Zlokalizuj najbardziej ściśniętą część rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym i załaduj obraz anizotropii frakcyjnej do interfejsu oglądania dwa do jednego. Kliknij opcję Position Display Series (Seria wyświetlania pozycji) i określ poziom największej kompresji od góry do dołu mapy lokalizacji. Kliknij przycisk Plik, aby wybrać obraz tensorowy.
Wybierz Neuro 3D Magnetic Resonance, aby automatycznie tworzyć mapy kolorów pozornego współczynnika dyfuzji i anizotropii frakcyjnej. Przejdź do strony najwyższego ucisku i użyj trybu oceny startu, aby utworzyć kuliste sześciomilimetrowe sześcienne obszary zainteresowania w wewnętrznym rdzeniu kręgowym i wokół niego, aby wykluczyć częściowy wpływ objętości płynu mózgowo-rdzeniowego. Wartości anizotropii frakcyjnej i współczynnika pozornej dyfuzji zostaną obliczone automatycznie.
Następnie kliknij przycisk Dyfuzja i wybierz E1, E2 i E3, aby wyświetlić ich wartości. Tutaj pokazano reprezentatywne mapy obrazowania tensora dyfuzji od zdrowych ochotników. Te mapy obrazowania tensora dyfuzji od pacjentów z przewlekłym uciskiem rdzenia kręgowego pozwalają na zmierzenie stanu funkcjonalnego ucisku u tych pacjentów, jak właśnie wykazano.
Obrazowanie pooperacyjne pacjentów z przewlekłym uciskiem rdzenia kręgowego, którzy przeszli operację, umożliwia funkcjonalną ocenę złagodzenia ucisku, aby pomóc w śledzeniu powrotu pacjenta do zdrowia. Obszary zainteresowania muszą być narysowane w wewnętrznym rdzeniu kręgowym, aby wykluczyć częściowy wpływ płynów mózgowo-rdzeniowych. Dane ilościowe uzyskane przez DTI pozwalają na dokładną ocenę stopnia uszkodzenia zmiany chorobowej oraz dostarczają aktualnych i dokładnych obiektywnych wskazań do leczenia klinicznego.
Przed skanowaniem prosimy każdego uczestnika o wypełnienie i podpisanie formularza zgody, który przedstawia protokół obrazowania i wytyczne dotyczące bezpieczeństwa MRI.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
W niniejszej pracy przedstawiono szczegółowy protokół wykorzystujący parametry obrazowania tensora dyfuzji (DTI) do oceny ucisku rdzenia kręgowego u pacjentów. Poprzez rozwiązanie problemów związanych z ograniczeniami konwencjonalnego MRI w określaniu uszkodzeń neuronalnych, protokół ten ma na celu usprawnienie ocen prognostycznych oraz monitorowanie procesu rekonwalescencji po operacji.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Techniki obrazowania
- Badania nad rdzeniem kręgowym
Wstęp
- Konwencjonalne MRI nie pozwala na dokładny pomiar uszkodzeń neuronalnych w przypadku przewlekłego ucisku rdzenia kręgowego.
- Przewlekły ucisk powoduje nawracające uszkodzenia niedokrwienne, prowadząc do trwałych zmian histopatologicznych.
- Obrazowanie tensora dyfuzji (DTI) zapewnia bardziej czułą metodę wizualizacji zmian mikrostrukturalnych.
- Ocena parametrów DTI może dostarczyć cennych informacji prognostycznych w warunkach klinicznych.
Cel badania
- Wykazanie, że DTI pozwala na skuteczniejszą ocenę ucisku rdzenia kręgowego niż konwencjonalne MRI.
- Opracowanie ustandaryzowanych protokołów obrazowania dla wysokowydajnych klinicznych skanerów MRI.
- Dostarczenie mierzalnych danych do oceny stanu funkcjonalnego rdzenia kręgowego u pacjentów.
Zastosowane metody
- Do analizy ucisku rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym wykorzystano obrazowanie tensora dyfuzji.
- Model biologiczny obejmował pacjentów z przewlekłym uciskiem rdzenia kręgowego.
- Pozyskiwanie obrazów przeprowadzono przy użyciu systemów MRI 3.0T z zastosowaniem specyficznych protokołów obrazowania T1- i T2-zależnego.
- Analiza danych obejmowała stworzenie map anizotropii frakcyjnej oraz pomiary pozornego współczynnika dyfuzji.
Główne wyniki
- Zastosowanie parametrów DTI pomogło zwizualizować zakres kompresji i uszkodzeń neuronalnych.
- Dane ilościowe wspierają monitorowanie procesu rekonwalescencji i stanu funkcjonalnego u pacjentów po operacjach.
- Wyniki dostarczają obiektywnych wskaźników dla decyzji dotyczących leczenia klinicznego.
Wnioski
- Niniejsze badanie ustanawia protokół DTI w celu dokładniejszej oceny ucisku rdzenia kręgowego.
- Wykazuje ono skuteczność zaawansowanych technik obrazowania w rozumieniu uszkodzeń neuronalnych i procesów regeneracji.
- Wyniki podkreślają użyteczność obrazowania w ocenach klinicznych oraz w potencjalnych podejściach terapeutycznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Obrazowanie tensora dyfuzji (DTI) umożliwia ilościową ocenę mikrostruktury tkanki rdzenia kręgowego, wypełniając istotną lukę w konwencjonalnym MRI w zakresie oceny uszkodzeń neuronów oraz potencjału regeneracyjnego w przypadku przewlekłego ucisku rdzenia kręgowego. Możliwość ta wspomaga przedkliniczną walidację celów terapeutycznych, umożliwiając obiektywny, nieinwazyjny monitoring zmian histopatologicznych istotnych dla neuroprotekcyjnych lub neurorestauracyjnych strategii terapeutycznych. Parametry pochodne z DTI, takie jak anizotropia frakcyjna oraz pozorny współczynnik dyfuzji, stanowią biomarkery predykcyjne pozwalające na zmniejszenie ryzyka w procesach translacyjnych w badaniach nad urazami rdzenia kręgowego.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez wizualizację patologicznych zmian mikrostrukturalnych w tkance rdzenia kręgowego za pomocą obniżonej anizotropii frakcyjnej oraz zwiększonych pozornych współczynników dyfuzji.
- Wartość operacyjna: Zapewnia ilościowe, powtarzalne odczyty służące do oceny stopnia oddziaływania na cel molekularny oraz biologicznej redukcji ryzyka w przedklinicznych modelach ucisku rdzenia kręgowego.
Przesiew i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do dalszych etapów analizy poprzez ustanowienie zestandaryzowanych protokołów DTI, które wykluczają efekty częściowej objętości płynu mózgowo-rdzeniowego dzięki precyzyjnemu wyznaczeniu obszarów zainteresowania.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność i skalowalność testów na wysokowydajnych klinicznych skanerach MRI 3.0T przy użyciu zdefiniowanych parametrów akwizycji (b-value 800 s/mm², 20 kierunków ortogonalnych).
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera modelowanie systemów istotnych dla przebiegu chorób poprzez powiązanie zmian histopatologicznych wyznaczonych za pomocą DTI z efektami funkcjonalnymi, co umożliwia stratyfikację prognostyczną oraz monitorowanie powrotu funkcji neurologicznych po interwencji.
- Wartość operacyjna: Ułatwia ciągłość translacyjną od etapu odkryć po walidację przedkliniczną, zapewniając obiektywne, ilościowe wskaźniki zakresu uszkodzeń oraz oceny odpowiedzi na leczenie.
Integracja potoków i przepływów pracy
DTI wpisuje się w proces odkrywania leków, umożliwiając weryfikację hipotez na wczesnym etapie walidacji celów terapeutycznych, wspierając przygotowanie testów do badań przesiewowych oraz dostarczając ilościowych wskaźników mikrostrukturalnych, które pozwalają na podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju projektów w badaniach translacyjnych z uwzględnieniem analizy ryzyka.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez i wyjaśnianie ścieżek poprzez wykrywanie zmian w dyfuzji cząsteczek wody, które odzwierciedlają integralność aksonów oraz demielinizację w uciskowej tkance rdzenia kręgowego.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość do analizy dzięki ustandaryzowanym protokołom, które pozwalają na uzyskanie powtarzalnych map anizotropii frakcyjnej oraz współczynnika dyfuzji pozornej do analizy porównawczej różnych stanów.
- Analityka: Generuje ilościowe pomiary zmiennych zależnych (FA, ADC, wartości wektorów własnych), co umożliwia statystyczne porównanie stanów rdzenia kręgowego w warunkach zdrowych, uciskowych oraz po leczeniu.
- Badania translacyjne: Łączy się z ciągłością przedkliniczną, dostarczając prognostycznych informacji o uszkodzeniach neuronalnych i potencjale regeneracyjnym, co wspomaga decyzje go/no-go dla kandydatów na leki neuroterapeutyczne.
- Zastosowanie w przedsiębiorstwie: Funkcjonuje jako wielokrotnego użytku metoda obrazowania w środowiskach przedklinicznych i klinicznych ze względu na nieinwazyjny charakter oraz kompatybilność ze standardowymi platformami MRI 3.0T.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną poprzez ograniczenie niejednoznaczności mechanistycznej w modelach uszkodzeń rdzenia kręgowego dzięki bezpośredniej wizualizacji patologii mikrostrukturalnej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i powtarzalność dzięki sformalizowanym krokom akwizycji i postprocesowania, w tym rozmieszczeniu sferycznego obszaru ROI w celu zminimalizowania zanieczyszczenia płynem mózgowo-rdzeniowym.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji typu go/no-go, dostarczając obiektywnych, ilościowych danych na temat stopnia nasilenia uszkodzenia i potencjału regeneracji funkcjonalnej, co ogranicza ryzyko biologiczne na późnych etapach rozwoju neuroterapii.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację terapii uszkodzeń rdzenia kręgowego z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o biomarkery zachowania aksonów i integralności mikrostrukturalnej pochodzące z DTI.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu neuroobrazowania, przetwarzania tensora dyfuzji oraz anatomii rdzenia kręgowego w celu dokładnej realizacji protokołu i interpretacji danych.
- Metoda zależy od dostępu do wysokowydajnych systemów MRI 3.0T zdolnych do wykonywania obrazowania echo-planar spin-echo w jednym cyklu (single-shot) z 20 niekoplanarnymi kierunkami dyfuzji.
- Niezbędna jest standaryzacja protokołów wyznaczania obszarów zainteresowania (ROI) pomiędzy zespołami, aby wykluczyć efekty częściowej objętości płynu mózgowo-rdzeniowego w badaniach podłużnych.
- Wymagane są dostosowania przy przenoszeniu protokołów między różnymi modelami urazów rdzenia kręgowego lub różnymi natężeniami pola magnetycznego, przy zachowaniu spójnych wartości b i próbkowania kierunkowego.
- Ograniczenia praktyczne obejmują m.in. podatność na artefakty podatności magnetycznej w pobliżu granic tkanki i kości oraz konieczność wydłużenia czasu skanowania w celu uzyskania wystarczającego stosunku sygnału do szumu w niewielkich obszarach szyjnego odcinka rdzenia kręgowego.
