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.
A ressonância magnética (RM) é uma ferramenta não invasiva que fornece uma janela para o cérebro ea medula espinhal na saúde e na doença. MRI revolucionou o diagnóstico clínico, mas também é uma ferramenta valiosa para a investigação laboratorial. Os modelos animais de lesão neurológica ou doença fornecer uma plataforma para entender a fisiopatologia e acelerar a descoberta de terapias. Neste relatório, nós demonstrar a aplicação da ressonância magnética para um modelo de rato de lesão da medula espinhal para investigar potenciais biomarcadores de lesão microestrutural 1 usando tensor de difusão (DTI). O potencial de descoberta de biomarcadores imaging vai ajudar no diagnóstico e tratamento de pacientes com lesão medular. Estes marcadores são susceptíveis de desempenhar um papel na descoberta de terapias em modelos pré-clínicos e possibilitando a observação ou prognóstico em sua tradução para o contexto clínico.
DTI é uma forma especializada de MRI que mede movimento microscópico demoléculas de água (isto é, difusão). DTI tem sido particularmente vantajosa no sistema nervoso devido à presença de axónios em que a difusão é desproporcionalmente mais rápido ao longo dos axónios que perpendicular a elas, que fornece informações sobre a sua orientação e composição microestrutural. Índices escalares derivados de DTI, incluindo uma medida da difusão dentro do tecido geral, a difusividade (MD), e uma medida da dependência da orientação difusão significa, anisotropia fracionada (FA) 2,3, visto ter aplicações extensas na caracterização da microestrutura do sistema nervoso na saúde e na doença 4. Essas métricas têm revelado características microscópicas dos tecidos que são invisíveis através da maioria dos outros métodos de ressonância magnética. Esforços anteriores demonstraram que DTI detecta alterações microestruturais remotos dentro do cordão cervical seguinte torácica SCI em ratos 1. As mudanças DTI remotos a partir da lesão provavelmente refletem como todo o res da medula espinhallagoas a lesão, e são potencialmente um marcador de lesão secundária.
Imaging o medula espinhal de ratos in vivo apresenta vários desafios únicos. Mais notavelmente, a medula espinhal é afetada pelo movimento respiratório e requer muita atenção para minimizar movimento usando vários métodos. Em estudos anteriores, os dispositivos de imobilização removido movimento da coluna vertebral durante a verificação, 5. Para imagiologia de medula cervical, nós utilizamos contenção física sob a forma de um suporte de cabeça e barras de ouvido, que atenua, mas não elimina o movimento provocado pela respiração. Além disso, nós utilizamos um sistema personalizado de gating respiratório para sincronizar a aquisição de imagens com o ciclo respiratório de uma maneira eficiente. Estas modificações permitem que a remoção dos artefactos de outra forma causados pelo movimento de grandes quantidades em grande escala causada pela respiração 6. DWI é altamente sensível ao movimento microscópico, incluindo o fluxo de CSF e da pulsação sanguínea, e essas fontes de menor dimensão do movimento contamination também são atenuadas por gating o esquema respiratório. Além disso, a medula espinhal tem uma pequena área da secção transversal e representa apenas uma fracção do campo de visão. No caso da imagiologia coluna cervical, em que a medula espinal está situado no fundo do corpo do animal, de uma bobina cilíndrica de radiofrequência com uma penetração de sinal adequada é necessária para a imagem da medula espinhal cervical com alta resolução. A redução do campo de visão é conseguida por supressão do volume exterior (OVS), que também serve para cancelar, ou estragar, o sinal a partir de tecidos fora da medula espinhal. Este método, chamado de gradientes de spoiler ou supressão de volume externo, também serve para reduzir a contaminação de movimento residual animal, fluxo CSF, ou pulsação arterial dentro desses tecidos.
O arranjo da medula espinal, também podem ser exploradas para simplificar o protocolo de imagiologia. Os axónios da medula espinal na matéria branca (WM) são quase todos orientados paralelamente ao eixo principal da medula espinhal. Thnós, enquanto DWI do cérebro requer medidas ao longo de pelo menos 6 direções para assegurar os resultados não dependem da posição dentro do ímã (um processo chamado de tensor de difusão de imagem), as medições na medula espinhal podem ser adquiridos somente ao longo de duas direções paralelas e perpendicular ao cabo de 7,8, a seguir designado longitudinal e transversal, respectivamente. Assim, a difusividade e outros parâmetros são medidos ao longo das duas direcções, separadamente e em permitir inferências a microestrutura do tecido na saúde e na doença ou lesão.
As técnicas descritas aqui pode fornecer difusão de alta qualidade imagens ponderadas de medula espinhal de ratos in vivo. A qualidade da imagem depende de muitos factores, mas a medula espinhal tem vários problemas únicos que são importantes.
Movimento é um problema importante que se não for corrigido, irá resultar em imagens inutilizáveis. Assim, requer um acompanhamento atento durante a sessão de ressonância magnética. Se artefatos de imagem são observadas no exame inicial que são consistentes com o movimento, parar a aquisição e tomar medidas para eliminar os artefatos, uma vez que estes são difíceis de remover no pós-processamento. Verifique se o computador respiratório recebe um sinal forte, regular a partir da unidade de monitorização respiratória. O cinto de respiração pode necessitar de ser ajustado para a tensão correcta, que fornece um sinal consistente, mas não restringir a respiração do animal. Manter o nível adequado de anestesia em todos os momentos; 1,5-2,0% de isofluorano foi usado na nossa experience. Da mesma forma, a redução no movimento global do animal e a coluna vertebral é um outro aspecto importante para fornecer imagens sem efeitos artificiais. Ao contrário da medula espinhal humana, que experimenta movimento significativo causado pela pulsação CSF relacionada com o ciclo cardíaco, pulsação CSF no roedor é predominantemente associada ao ciclo respiratório 18. Embora seja difícil de eliminar completamente todos os movimentos no cabo, isto é particularmente importante para reduzir o movimento na medida do possível, o que é muitas vezes conseguida através de tentativa e erro. Além disso, os ratos com várias lesões neurológicas ou doenças respiratórias podem ter taxas anormais ou outras complicações fisiológicas que podem exigir adaptação dos procedimentos aqui descritos.
As modificações na sequência de pulso para gating respiratório, além de procedimentos de reconstrução de imagem adaptados para esta finalidade, minimizar os efeitos de distorção causadas por campos magnéticos não homogéneos que não podem ser removed por ajustes realizados no sistema de ressonância magnética.
Do mesmo modo, a qualidade da imagem depende da duração de tempo de imagem. No nosso exemplo, limitando o número de coeficiente de difusão ao longo apenas duas direcções permitiu uma redução no tempo total de imagiologia. A limitação dessa abordagem é que ela não é mais compatível com a análise tensor completo (DTI), que é a norma para muitos outros estudos. Alternativamente, a utilização de menos médias e mais instruções de difusão ou valores de b pode permitir uma melhor caracterização, mantendo ao mesmo tempo de aquisição. Estudos anteriores demonstraram que a abordagem 2-sentido proporciona informação consistente com a 6-sentido (DTI) abordagem 19, mas deve ser tomado cuidado para assegurar que as fatias (e indicações de difusão) estão orientadas precisamente ao longo e perpendicular ao cabo. No entanto, a aquisição de vários valores-b permite uma melhor caracterização e montagem de curtose matemática e é recomendada a utilização de mais de um único b-Value. Além disso, a sequência completa foi repetido com uma direcção de codificação de fase inversa o que diminui os efeitos do campo magnético artefactos de susceptibilidade, e melhora a qualidade da imagem por meio de cálculo da média global. Por fim, a resolução da imagem usada em nosso protocolo prevê uma separação clara entre a substância branca e cinzenta. As imagens com maior resolução são possíveis, embora isso muitas vezes vem à custa de tempos de varredura mais longos ou o potencial para mais artefatos.
Melhorias na bobinas de radiofreqüência, seqüências de pulsos, e métodos de pós-processamento, todos eles terão o efeito de melhorar a imagem da medula espinhal em futuras adaptações deste método. Por exemplo, bobinas de superfície pode ser benéfico para uma melhor qualidade de imagem semelhante ao observado em ratinhos. 20 Estas medidas têm uma alta probabilidade de serem úteis como marcadores para o diagnóstico clínico e tratamento de lesões da medula espinal.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos Kyle Stehlik, Natasha Wilkins, e Matt Runquist de assistência experimental. Financiado pelo Fundo de Pesquisa e Educação Initiative, um componente do Avançando um endowment saudável Wisconsin no Medical College of Wisconsin, e da Fundação Craig H. Neilsen.
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 |