The goal of this protocol is to obtain high-quality diffusion weighted magnetic resonance imaging (DWI) of the rat spinal cord for noninvasive characterization of tissue microstructure. This protocol describes optimizations of the MRI sequence, radiofrequency coil, and analysis methods to enable DWI images free from artifacts.
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 diagnostic and prognostic tool in cases of disease or injury. Diffusion weighted imaging (DWI), is sensitive to the thermal motion of water molecules and allows for inferences of tissue microstructure. This report describes a protocol to acquire and analyze DWI of the rat cervical spinal cord on a small-bore animal system. It demonstrates an imaging setup for the live anesthetized animal and recommends a DWI acquisition protocol for high-quality imaging, which includes stabilization of the cord and control of respiratory motion. Measurements with diffusion weighting along different directions and magnitudes (b-values) are used. Finally, several mathematical models of the resulting signal are used to derive maps of the diffusion processes within the spinal cord tissue that provide insight into the normal cord and can be used to monitor injury or disease processes noninvasively.
Magnetic resonance imaging (MRI) er en non-invasiv værktøj, der giver et vindue ind i hjernen og rygmarven i både sundhed og sygdom. MRI har revolutioneret klinisk diagnose, men det er også et værdifuldt redskab til laboratorieundersøgelse. Dyremodeller inden for neurologiske skader eller sygdom skabe en platform til at forstå patofysiologi og fremskynde opdagelsen af behandlinger. I denne rapport, vi demonstrere anvendelsen af MRI til en rotte model af rygmarvsskade at undersøge potentielle biomarkører for mikrostrukturel skade 1 Brug diffusion tensor imaging (DTI). Den potentielle opdagelse af billeddata biomarkører vil hjælpe i diagnosticering og behandling af patienter med rygmarvsskade. Disse markører vil sandsynligvis spille en rolle i opdagelsen af behandlinger i prækliniske modeller og muliggøre observation eller prognose i deres oversættelse til det kliniske miljø.
DTI er en specialiseret form for MRI, som måler mikroskopisk bevægelsevandmolekyler (dvs. diffusion). DTI har været særlig fordelagtig i nervesystemet på grund af tilstedeværelsen af axoner, hvor diffusion er uforholdsmæssigt hurtigere langs axoner end vinkelret på dem, som giver oplysninger om deres orientering og mikrostrukturelle sammensætning. Skalare indeks stammer fra DTI, herunder et mål for den samlede diffusion i vævet, betyder diffusivitet (MD), og et mål for orientering afhængighed af diffusion, har fraktioneret anisotropi (FA) 2,3, set omfattende ansøgninger karakterisere mikrostrukturen af nervesystemet i både sundhed og sygdom 4. Disse målinger har afsløret mikroskopiske væv funktioner, der er usynlige gennem de fleste andre MRI metoder. Tidligere indsats viste, at DTI registrerer fjerntliggende mikrostrukturelle ændringer inden for livmoderhalskræft ledning efter thorax SCI rotter 1. DTI ændringer fjernt fra læsionen sandsynligvis afspejler, hvordan hele rygmarven resdamme til skade, og er potentielt en markør for sekundær skade.
Imaging rotte rygmarven in vivo viser flere unikke udfordringer. Mest bemærkelsesværdigt er rygmarven påvirkes af respiratorisk bevægelse og kræver omhyggelig opmærksomhed på at minimere bevægelse ved hjælp af flere metoder. I tidligere undersøgelser, immobiliseringstrin enheder fjernet bevægelse af rygsøjlen under scanningen 5. Til billeddannelse af livmoderhalskræft ledning udnytter vi fysisk tilbageholdenhed i form af et hoved holder og øre barer, som dæmper, men eliminerer ikke bevægelse forårsaget af åndedræt. Desuden udnytter vi en brugerdefineret respiratorisk gating ordning til at synkronisere billedoptagelse med respiratoriske cyklus på en effektiv måde. Disse ændringer gør det muligt fjernelse af artefakter ellers forårsages af de store bulk-bevægelse forårsaget af åndedræt 6. DWI er meget følsom over for mikroskopisk bevægelse, herunder cerebrospinalvæskestrømmen og blod pulsering, og disse mindre kilder bevægelse contamination også lindres ved respiratorisk gating ordningen. Derudover rygmarven har et lille tværsnitsareal og udgør kun en brøkdel af synsfeltet. For halshvirvelsøjlen billeddannelse, hvor rygmarven er placeret dybt inde i legemet af dyret, er en cylindrisk radiofrekvens spole med tilstrækkelig signal penetration nødvendigt at afbilde den cervikale rygmarv med høj opløsning. En reduktion i synsfeltet opnås ved ydre volumen suppression (OVS), som også tjener til at annullere eller ødelægge signalet fra væv uden for rygmarven. Denne metode, der kaldes spoiler gradienter eller ydre volumen undertrykkelse, også tjener til at reducere enhver forurening af resterende dyr bevægelse, CSF flow, eller blod pulsering i disse væv.
Arrangementet af rygmarven kan også udnyttes til at forenkle imaging protokollen. Rygmarven axoner i den hvide substans (WM), er næsten alle orienteret parallelt med hovedaksen i rygmarven. Thos, mens DWI af hjernen kræver målinger langs mindst 6 retninger for at sikre at resultaterne ikke afhænger af positionen inden magneten (en proces, der kaldes diffusion tensor imaging), målinger i rygmarven kan erhverves kun langs 2 retninger parallelt og vinkelret på ledningen 7,8, i det følgende benævnt langsgående og tværgående hhv. Således diffusivitet og andre parametre måles, langs 2 retninger separat og tillade slutninger i mikrostrukturen af vævet i både sundhed og sygdom eller skade.
De teknikker, der er skitseret her, kan levere høj kvalitet diffusion vægtede billeder af rotte rygmarven in vivo. Billedkvaliteten afhænger af mange faktorer, men rygmarven har flere unikke spørgsmål, der er vigtige.
Motion er en vigtig problem, at hvis det ikke korrigeres, vil resultere i ubrugelige billeder. Således er det kræver nøje overvågning under MRI session. Hvis billedet artefakter observeres på den oprindelige scanning, der er i overensstemmelse med bevægelse, stoppe erhvervelse og tage skridt til at fjerne de artefakter, da disse er svære at fjerne i efterbehandlingen. Kontroller, at den respiratoriske computer modtager en stærk, regelmæssig signal fra respiratorisk overvågningsenhed. Den respiration bælte kan være nødvendigt at justere for den korrekte spænding, der giver en ensartet signal, men ikke begrænser dyrets vejrtrækning. Oprethold et passende niveau af anæstesi på alle tidspunkter; 1,5-2,0% isofluoran er blevet brugt i vores experience. Ligeledes nedbringelse af det samlede bevægelse af dyret og ryggen er et andet vigtigt aspekt for at give artefakt-fri billeder. I modsætning til human rygmarv, der oplever væsentlig bevægelse forårsaget af CSF pulsering relateret til hjertets cyklus, CSF pulsering i gnaveren er overvejende associeret med respirationscyklus 18. Selv om det er vanskeligt fuldstændigt at eliminere al bevægelse i ledningen, er det især vigtigt at reducere bevægelse i videst muligt omfang, der ofte opnås gennem forsøg og fejl. Endvidere kan rotter med forskellige neurologiske skader eller lidelser har unormale respiratoriske satser eller andre fysiologiske komplikationer, der kan kræve tilpasning af procedurerne heri.
Ændringerne af pulssekvens for respiratorisk gating, sammen med billedet genopbygning procedurer skræddersyet til dette formål, minimere virkningerne af forvrængning forårsaget af inhomogene magnetfelter, der ikke kan afted af justeringer udført på MRI-systemet.
Tilsvarende billedkvaliteten afhænger af varigheden af billedbehandling tid. I vores eksempel at begrænse antallet af diffusion vægtning langs kun to retninger muliggjorde en reduktion i den samlede billeddannelse tid. En begrænsning af denne fremgangsmåde er, at det ikke længere er forenelig med fuld tensor analyse (DTI), der er normen for mange andre studier. Alternativt bruge færre gennemsnit og flere diffusions retninger eller b-værdier kan give mulighed for en bedre karakterisering og samtidig opretholde den samme erhvervelse tid. Tidligere undersøgelser har vist, at 2-retningen tilgang giver oplysninger i overensstemmelse med den 6-retning (DTI) tilgang 19, men skal sikres skiver (og spredning retninger) er orienteret præcist langs og vinkelret på ledningen. Men erhverve flere B-værdier giver mulighed for bedre karakterisering og matematisk montering af kurtosis og anbefales i forhold til anvendelsen af en enkelt b-value. Desuden blev den fulde sekvens gentages med en omvendt fase indkode retning som reducerer effekten af magnetiske felter modtagelighed artefakter, og forbedrer den generelle billedkvalitet gennem udjævning. Endelig billedopløsningen bruges i vores protokol giver klar adskillelse af den hvide og grå substans. Er mulige Billeder med højere opløsning, selv om dette ofte sker på bekostning af længere scan gange, eller potentialet for flere artefakter.
Forbedringer i radiofrekvens bredbånd, puls sekvenser og post-forarbejdningsmetoder vil alle have den virkning at forbedre billeddannelse af rygmarven i fremtidige tilpasninger af denne metode. For eksempel kan overfladen spoler være til gavn for forbedret billedkvalitet svarende til den observeret hos mus. 20 Disse foranstaltninger har en høj sandsynlighed for at være nyttige som biomarkører for klinisk diagnose og behandling af rygmarvsskader.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Kyle Stehlik, Natasha Wilkins, og Matt Runquist for eksperimentel assistance. Finansieret gennem forskning og uddannelse Initiative fond, en komponent af de fremrykkende en sundere Wisconsin begavelse på Medical College of Wisconsin, og Craig H. Neilsen Foundation.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Small animal imaging RF coil | Doty | SAIP400-H-38-S | |
Respiratory gating system | SA Instruments | 1030 | |
MR scanner | Bruker | Biospec 94/30 USR |