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.
磁共振成像(MRI)是一种非侵入性工具,它提供了一个窗口的脑和脊髓在健康和疾病。 MRI已经彻底改变了临床诊断,但它也适用于实验室研究的重要工具。神经损伤或疾病的动物模型提供了一个平台,了解病理生理学和推动发现疗法。在这份报告中,我们展示了MRI的应用脊髓损伤的大鼠模型来研究微观损伤1采用弥散张量成像(DTI)的潜在生物标志物。成像生物标志物的潜力发现将有助于患者脊髓损伤的诊断和管理。这些标记物都可能在他们的翻译中发现的疗法在临床前模型中发挥作用,并能观察或预后的临床环境。
DTI MRI是一种特殊形式的测量微观运动水分子( 即扩散)。 DTI已经在神经系统是特别有利的,由于轴突的存在,其中扩散是不成比例更快沿轴突比垂直于它们,这提供了关于他们的取向和微结构的组合物的信息。从DTI衍生标量指数,其中包括在组织内的总体扩散的量度,平均弥散(MD),和定向扩散的依赖性的量度,分数各向异性(FA)2,3,已经看到了广泛的应用中表征的微观结构神经系统在健康和疾病4。这些指标揭示微观组织的功能,是无形的,通过其他大多数MRI方法。以前的努力证明,DTI检测颈髓大鼠1以下胸SCI中远程微观结构的变化。英国贸工部的变化远离病变可能反映了怎样的整个脊髓水库池塘损伤,并具有潜在的继发性损伤的一个标志物。
活体成像的大鼠脊髓提出了一些独特的挑战。最值得注意的是,脊髓受呼吸运动的影响,并且需要小心注意,以尽量减少使用多种方法的运动。在过去的研究中,固定设备扫描5中去除脊柱的运动。为颈髓成像,我们利用在一个头支架和耳棒,其中衰减的形式物理约束,但不消除由呼吸运动。此外,我们利用一个自定义的呼吸门控方案来以有效的方式进行同步的图像采集与呼吸周期。这些修饰使去除否则所造成的呼吸6大型整体运动引起的伪影。 DWI是微观运动,包括脑脊液流动和血液脉动,和运动这些小源高度敏感contamination的缓解也由呼吸门控方案。此外,脊髓具有小的横截面面积,并且表示视场的一小部分。用于颈椎成像,其中脊髓位于动物的身体内深处,圆柱形射频线圈有足够的信号穿透是需要图像颈髓具有高分辨率。在视场的降低是由外体积抑制(OVS),它也用于取消或弃土,从组织中的信号的脊髓外实现。这种方法被称为扰流梯度或外卷抑制,也有助于减少这些组织中残留的动物的运动,脑脊液流动,或血液脉动任何污染。
脊髓的排列也可以被利用来简化成像协议。在白质(WM)脊髓轴突几乎都取向为平行于脊髓的主轴线。日我们,而大脑的DWI需要至少沿6个方向,以确保该结果不依赖于磁铁(这个过程被称为扩散张量成像)内的位置的测量,在脊髓测量能够获得仅沿2个方向平行,并垂直于所述线7,8,以下简称为纵向和横向上。因此,扩散度及其他参数沿2个方向分别测定推论,并允许进入在健康和疾病或损伤的组织的微结构。
这里概述的方法可以在体内提供的大鼠脊髓高质量扩散加权图像。图像质量取决于许多因素,但脊髓具有很重要的几个独特的问题。
运动是一个重要的问题,即如果不纠正,将导致不能使用的图像。因此,它需要MRI会议期间仔细监测。如果图像伪影的初始扫描是与运动相一致观察,停止收购,并采取措施消除文物,因为这些是很难在后期处理来去除。确保呼吸道计算机从呼吸监测设备接收到一个强大的,定期的信号。呼吸带,可能需要进行调整以获得正确的张力,提供了一个一致的信号,但不限制动物的呼吸。维持麻醉在任何时候的适当水平; 1.5-2.0%,异氟醚已在我们的experien被使用CE。同样地,减少在动物和脊柱的整体运动是提供无伪影的图像的另一个重要方面。不像人类脊髓,其经历引起脑脊液脉动相关的心脏周期显著运动,在啮齿动物脑脊液脉动与呼吸周期18主要关联。虽然很难完全消除在帘线所有运动中,特别重要的是减少了运动的程度成为可能,这通常是通过试验和错误来实现。此外,大鼠各种神经损伤或病症可具有异常呼吸速率或其他生理并发症,可能需要的本文所概述的程序适应。
该修改用于呼吸门控脉冲序列,连同定制用于该目的的图像重建程序,使失真最小而引起不均匀磁场以致无法祛瘀的影响通过在MRI系统上执行的调整编
同样地,图像质量取决于成像时间的持续时间。在我们的例子中,限制扩散的加权的仅沿两个方向上的数目使在总成像时间的减少。这种方法的一个限制是,它不再是全张量分析(DTI),这是标准的许多其他研究兼容。或者,使用较少的平均值和多扩散方向或b值可以允许更好的表征,同时保持相同的采集时间。以前的研究已经表明,在2方向的方法提供了与6-方向(DTI)的方法19一致的信息,但必须小心,以确保切片(和扩散方向)的取向准确地沿着并垂直于该线。然而,获取多个b值允许更好表征和峭度的数学拟合,推荐在使用单一的B-VALU的即此外,全序列,重复用颠倒的相位编码方向这减少磁场敏感伪影的效果,并提高了通过平均化图像的整体质量。最后,在我们的协议中使用的图像的分辨率提供的白质和灰质明确分离。具有更高分辨率的图像是可能的,虽然这往往出现以牺牲更长的扫描时间或更多神器的潜力。
在射频线圈,脉冲序列,和后处理方法的改进都将有改善脊髓成像在该方法的将来的修改的效果。例如,表面线圈可能有利于类似于在小鼠中观察到的改善的图像质量。20,这些措施有被作为生物标志物用于脊髓损伤的临床诊断和管理有用的高可能性。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢凯尔斯特赫利克,娜塔莎·威尔金斯和马特Runquist实验协助。通过研究和教育计划基金,推进更健康养老威斯康星州威斯康星医学院的一个组成部分,与克雷格·H·尼尔森基金会资助。
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 |