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
Niniejsze badanie przedstawia szczegółowy protokół wykorzystujący parametry obrazowania tensora dyfuzji (DTI) do oceny ucisku rdzenia kręgowego u pacjentów. Poprzez rozwiązanie problemów konwencjonalnego MRI w określaniu uszkodzeń neuronalnych, protokół ten ma na celu usprawnienie oceny prognostycznej oraz monitorowanie 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, prowadzące 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 znormalizowanych 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.
- Akwizycja obrazów została przeprowadzona przy użyciu systemów MRI 3.0T z zastosowaniem specyficznych protokołów obrazowania T1- i T2-zależnego.
- Analiza danych obejmowała tworzenie map anizotropii frakcyjnej oraz pomiary pozornego współczynnika dyfuzji.
Główne wyniki
- Zastosowanie parametrów DTI pomogło zwizualizować zakres kompresji i uszkodzeń neuronalnych.
- Dane ilościowe wspierają monitorowanie powrotu do zdrowia i stanu funkcjonalnego u pacjentów po zabiegach chirurgicznych.
- Wyniki stanowią obiektywne wskaźniki dla decyzji dotyczących leczenia klinicznego.
Wnioski
- Niniejsza praca ustanawia protokół DTI służący do dokładniejszej oceny kompresji rdzenia kręgowego.
- Wykazuje ona skuteczność zaawansowanych technik obrazowania w rozumieniu uszkodzeń i regeneracji neuronów.
- Wyniki podkreślają użyteczność obrazowania w ocenach klinicznych oraz w potencjalnych podejściach terapeutycznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Obrazowanie tensora dyfuzji (DTI) zapewnia ilościową ocenę mikrostrukturalną tkanki rdzenia kręgowego, wypełniając istotną lukę w konwencjonalnym MRI w zakresie oceny uszkodzeń neuronalnych oraz potencjału regeneracyjnego w przypadku przewlekłego ucisku rdzenia kręgowego. Możliwość ta wspiera przedkliniczną walidację celów terapeutycznych, umożliwiając obiektywne i nieinwazyjne monitorowanie zmian histopatologicznych istotnych dla neuroprotekcyjnych lub neurorestauracyjnych strategii terapeutycznych. Metryki pochodne z DTI, takie jak anizotropia frakcyjna i pozorny współczynnik dyfuzji, stanowią biomarkery prognostyczne, które pozwalają na redukcję ryzyka w procesach translacyjnych w badaniach nad urazami rdzenia kręgowego.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez wizualizację mikrostrukturalnych zmian patologicznych w tkance rdzenia kręgowego poprzez zmniejszoną anizotropię frakcyjną i zwiększone pozorny współczynniki dyfuzji.
- Wartość operacyjna: Dostarcza ilościowych, powtarzalnych wyników służących do oceny oddziaływania na cel oraz biologicznej redukcji ryzyka w przedklinicznych modelach ucisku rdzenia kręgowego.
Przesiew i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Przygotowanie zwalidowanych systemów biologicznych do dalszych etapów analizy poprzez ustanowienie zestandaryzowanych protokołów DTI, które eliminują efekty częściowej objętości płynu mózgowo-rdzeniowego dzięki precyzyjnemu wyznaczeniu obszarów zainteresowania (ROI).
- Wartość operacyjna: Zapewnienie powtarzalności i skalowalności testów w wysokowydajnych klinicznych skanerach MRI 3.0T przy użyciu określonych parametrów akwizycji (b-value 800 s/mm², 20 kierunków ortogonalnych).
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera modelowanie systemów istotnych dla przebiegu chorób poprzez łączenie zmian histopatologicznych wyznaczonych za pomocą DTI z efektami funkcjonalnymi, co umożliwia stratyfikację prognostyczną oraz monitorowanie regeneracji neuronów po interwencji.
- Wartość operacyjna: Ułatwia ciągłość translacyjną od etapu odkryć po walidację przedkliniczną, dostarczając obiektywnych, ilościowych wskaźników zakresu uszkodzeń oraz oceny odpowiedzi na leczenie.
Integracja potoku i przepływu pracy
DTI wpisuje się w proces odkrywania leków, umożliwiając weryfikację hipotez na wczesnym etapie walidacji celu, wspierając przygotowanie testów do skriningu oraz dostarczając ilościowych wskaźników mikrostrukturalnych, które pomagają w podejmowaniu decyzji o przejściu do badań translacyjnych z uwzględnieniem analizy ryzyka.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez wykrywanie zmian w dyfuzji cząsteczek wody, które odzwierciedlają integralność aksonalną oraz demielinizację w tkance uciśnionego rdzenia kręgowego.
- Przesiew: Zapewnia gotowość do analizy dzięki znormalizowanym protokołom, które pozwalają na uzyskanie powtarzalnych map anizotropii frakcyjnej oraz współczynnika dyfuzji pozornej do analizy porównawczej stanów.
- Analityka: Generuje ilościowe pomiary zmiennych zależnych (FA, ADC, wartości wektorów własnych), które umożliwiają statystyczne porównanie stanów rdzenia kręgowego zdrowego, uciśniętego oraz po leczeniu.
- Badania translacyjne: Łączy się z ciągłością przedkliniczną, dostarczając prognostycznych informacji o uszkodzeniach neuronów i potencjale regeneracyjnym, co pozwala na podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań nad kandydatem na lek neuroterapeutyczny.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Służy jako wielokrotnego użytku metoda obrazowania w ustawieniach przedklinicznych i klinicznych ze względu na swój nieinwazyjny charakter oraz kompatybilność ze standardowymi platformami MRI 3.0T.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w modelach urazów rdzenia kręgowego dzięki bezpośredniej wizualizacji patologii mikrostrukturalnej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i powtarzalność poprzez protokoły akwizycji i etapy postprocessingu, w tym rozmieszczenie sferycznego ROI w celu zminimalizowania kontaminacji płynem mózgowo-rdzeniowym.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji typu go/no-go, dostarczając obiektywnych, ilościowych danych na temat stopnia ciężkości uszkodzenia i potencjału regeneracji funkcjonalnej, co redukuje ryzyko biologiczne w późnych fazach rozwoju neuroterapii.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację terapeutyków w leczeniu urazów rdzenia kręgowego z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o biomarkery zachowania aksonów i integralności mikrostrukturalnej pochodzące z DTI.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie neuroobrazowania, przetwarzania obrazów tensora dyfuzji oraz anatomii rdzenia kręgowego w celu dokładnego wykonania protokołu i interpretacji danych.
- Zależne od dostępu do wysokowydajnych systemów MRI 3.0T zdolnych do obrazowania echo-planar spin-echo w jednym cyklu z 20 niekoplanarnymi kierunkami dyfuzji.
- Wymaga standaryzacji protokołów wyznaczania obszarów zainteresowania (ROI) pomiędzy zespołami, aby wykluczyć efekty częściowej objętości płynu mózgowo-rdzeniowego w badaniach podłużnych.
- Wiąże się z koniecznością dostosowania protokołów przy przenoszeniu ich pomiędzy różne modele urazów rdzenia kręgowego lub różną indukcją pola magnetycznego, z zachowaniem spójnych wartości b oraz próbkowania kierunkowego.
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak podatność na artefakty podatności magnetycznej w pobliżu granic tkanek i kości oraz konieczność wydłużenia czasu skanowania w celu uzyskania wystarczającego stosunku sygnału do szumu w małych obszarach szyjnego odcinka rdzenia kręgowego.
