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.
Магнитно-резонансная томография (МРТ) является неинвазивным инструментом, который обеспечивает окно в головном и спинном мозге как в норме и при патологии. МРТ революцию клинический диагноз, но это также ценный инструмент для лабораторных исследований. Животные модели неврологических травм или болезней обеспечить платформу для понимания патофизиологии и ускорить открытие терапии. В этом докладе мы демонстрируем применение МРТ для крысиной модели травмы спинного мозга, чтобы исследовать потенциальные биомаркеры микроструктуры травмы 1, используя тензора диффузии томография (DTI). Потенциал открытия визуализации биомаркеров поможет в диагностике и лечении больных с повреждением спинного мозга. Эти маркеры могут играть важную роль в открытии терапии в доклинических моделях и включить наблюдение или прогноз в их переводе в клинических условиях.
DTI является специализированной формой МРТ, который измеряет микроскопические движенияМолекулы воды (т.е. диффузии). Министерство торговли и промышленности был особенно выгодно в нервной системе связи с наличием аксонов, где диффузия непропорционально быстрее, вдоль аксонов, чем перпендикулярно к ним, что обеспечивает информацию относительно их ориентации и микроструктурных композиции. Скалярные показатели, полученные из DTI, в том числе меры общей диффузии в ткани, означает диффузии (MD), и меру ориентационной зависимости диффузии, фракционной анизотропии (ФА) 2,3, видели широкое применение при характеристике микроструктуру нервной системы как в здоровье и болезни 4. Эти показатели показали микроскопические особенности ткани, которые невидимы через большинство других методов МРТ. Предыдущие попытки показали, что DTI обнаруживает удаленные микроструктуры изменения в шейном шнуре следующей грудной SCI у крыс 1. Министерство торговли и промышленности изменения, удаленных от поражения, вероятно, отражают, как все спинного ВИЭ шнурпруды травмы, и потенциально маркером вторичного повреждения.
Визуализация спинного мозга крысы в естественных условиях представлены несколько уникальных проблем. В частности, спинного мозга зависит от дыхательных движений и требует пристального внимания к минимуму движения при помощи нескольких методов. В предыдущих исследованиях, иммобилизация устройства удалены движение позвоночника во время сканирования 5. Для визуализации шейки мозга, мы используем физическую пресечения в виде держателя головы и уха баров, подавляющий, но не устраняет движение, вызванное дыхания. Кроме того, мы используем пользовательский дыхания схему стробирования для синхронизации захвата изображения с дыхательного цикла в эффективным образом. Эти изменения позволяют удаление артефактов в противном случае, вызванных масштабной объемной движения, вызванного дыханием 6. ДВИ очень чувствителен к микроскопического движения, в том числе CSF потока и пульсации крови, и этих небольших источников движения contaminatioп также облегчить схемой дыхательных стробирования. Кроме того, спинной мозг имеет небольшую площадь поперечного сечения и представляет только часть поля зрения. Для шейного отдела позвоночника изображений, в котором спинной мозг, расположенный глубоко в теле животного, цилиндрический радиочастотной катушки с соответствующим проникновением сигнала необходимо, чтобы изображение шейного отдела спинного мозга с высоким разрешением. Сокращение поля зрения достигается внешней подавления объема (OVS), который также служит, чтобы отменить или испортить, сигнал от тканей за пределами спинного мозга. Этот метод, называемый спойлер градиенты или внешний понижение объема, а также служит для уменьшения любого загрязнения остаточной движения животных, CSF потока, или пульсации крови в этих тканях.
Расположение спинного мозга также могут быть использованы для упрощения протокол изображения. Спинной аксоны мозга в белом веществе (WM) почти все ориентированы параллельно главной оси спинного мозга. Thнам, в то время как дви мозга требует проведения измерений вдоль по меньшей мере 6 направлениях, чтобы убедиться, что результаты не зависят от положения внутри магнита (процесс, называемый тензор диффузии томография), измерения в спинном мозге могут быть приобретены только по 2 направлениях, параллельных и перпендикулярной к шнуру 7,8, далее в продольном и поперечном, соответственно. Таким образом, коэффициент диффузии и другие параметры измеряются по 2 направлениям отдельно и позволяют выводы в микроструктуре ткани в обоих здоровья и болезни или травмы.
Методы, описанные здесь, могут обеспечить высокое качество диффузии взвешенных изображений в спинном мозге крыс в естественных условиях. Качество изображения зависит от многих факторов, но спинной мозг имеет несколько уникальных вопросов, которые имеют важное значение.
Движение является важной проблемой, что если его не исправить, приведет к непригодных изображений. Таким образом, необходим тщательный контроль во время сеанса МРТ. Если артефакты изображения наблюдаются на первоначальной проверки, которые согласуются с движением, остановить приобретение и принять меры для устранения артефактов, так как их трудно удалить в пост-обработки. Убедитесь, что дыхательная компьютер получает сильный, регулярный сигнал от блока контроля дыхания. Дыхание, ремень безопасности может потребоваться корректировка для правильного натяжения, что обеспечивает последовательное сигнала, но не ограничивает дыхание животного. Поддерживать соответствующий уровень анестезии во все времена; 1,5-2,0% изофлуораном был использован в нашей experienCE. Кроме того, снижение общего движения животного и позвоночника является еще одним важным аспектом, чтобы обеспечить без артефактов изображений. В отличие от спинного мозга человека, который испытывает значительное движение, вызванное CSF пульсации, связанные с сердечного цикла, CSF пульсация в грызуна, в основном, связанные с дыхательного цикла 18. Пока трудно полностью ликвидировать все движение в мозге, что особенно важно для уменьшения движения в максимально возможной степени, которая часто достигается путем проб и ошибок. Кроме того, крысы с различными неврологическими травмами или расстройствами, могут иметь неправильные цены респираторных и других физиологических осложнений, которые могут потребовать адаптации процедур, описанных в данном документе.
Изменения, внесенные в последовательности импульсов для дыхательной стробирования, наряду с процедурами восстановления изображения специально для этой цели, сведения к минимуму последствий искажений, вызванных неоднородных магнитных полей, которые не могут быть УДАЛред корректировок, выполненных в системе МРТ.
Кроме того, качество изображения зависит от продолжительности времени формирования изображений. В нашем примере, ограничивая количество диффузионного взвешивания только вдоль двух направлений позволило уменьшение общего времени обработки изображений. Ограничением этого подхода является то, что он больше не является совместимым с полной тензора анализа (DTI), который является нормой для многих других исследований. Кроме того, использование меньшего количества средних и более направлениях диффузии или би-значения могут позволяют лучше характеристик при сохранении в то же время сбора. Предыдущие исследования показали, что подход 2-направление обеспечивает информацию в соответствии с 6-направление (DTI) подхода 19, но необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить ломтики (и направления диффузии) ориентированы именно вдоль и перпендикулярно к шнуру. Однако, приобретая несколько би-значения позволяет лучше характеристики и математической подгонки эксцесса и рекомендуется по сравнению с использованием одного б-VALUе. Кроме того, полная последовательность была повторена с направлением кодирования с обращенной фазой, которая уменьшает влияние артефакты восприимчивости магнитное поле, и улучшает общее качество изображения благодаря усреднения. Наконец, разрешение изображения используются в нашей Протокол предусматривает четкое разделение белого и серого вещества. Изображения с высоким разрешением возможны, хотя это часто происходит за счет более длинных время сканирования или потенциал для более артефактов.
Усовершенствования в радиочастотных катушек, импульсных последовательностей и методов пост-обработки будут иметь эффект улучшения визуализации спинного мозга в будущих адаптации этого метода. Например, поверхностные катушки может быть полезным для улучшения качества изображения Похожие тому, что наблюдается у мышей. 20 Эти меры имеют высокую вероятность быть полезны в качестве биомаркеров для клинической диагностики и лечения повреждений спинного мозга.
The authors have nothing to disclose.
Мы благодарим Кайл Stehlík, Наташа Уилкинс, и Мэтт Runquist для экспериментального помощи. Финансируется за счет научных исследований и образования инициативной фонда, входящего в состав наступающей в обеспеченности здоровый Висконсин в Медицинском колледже штата Висконсин, и Крейг Г. Нейлсен фонда.
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 |