التصوير نشر في الحبل الشوكي الجرذ عنق الرحم
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) هو أداة موسع التي توفر نافذة على الدماغ والحبل الشوكي في كل من الصحة والمرض. ثورة MRI التشخيص السريري، وإنما هو أيضا أداة قيمة لتحقيق المختبر. النماذج الحيوانية من الإصابة العصبية أو مرض توفر منصة لفهم الفيزيولوجيا المرضية وتسريع اكتشاف العلاجات. في هذا التقرير، ونحن لشرح تطبيق MRI لنموذج الفئران من الإصابة في النخاع الشوكي للتحقيق المؤشرات الحيوية المحتملة للإصابة المجهرية 1 باستخدام التصوير نشر الموترة (زارة التجارة والصناعة). سوف اكتشاف محتمل من المؤشرات الحيوية التصوير يساعد في تشخيص وإدارة المرضى الذين يعانون من إصابات في النخاع الشوكي. ومن المرجح أن تلعب دورا في اكتشاف علاجات في النماذج قبل السريرية وتمكين المراقبة أو التكهن في ترجمتها إلى إعداد سريرية هذه العلامات.
زارة التجارة والصناعة هو شكل متخصص من التصوير بالرنين المغناطيسي الذي يقيس حركة المجهرية للجزيئات الماء (أي نشر). وكان زارة التجارة والصناعة المفيد وخاصة في الجهاز العصبي بسبب وجود محاور حيث نشر بشكل غير متناسب بشكل أسرع على طول محاور عصبية من عمودي لهم، الذي يقدم معلومات بشأن ميولهم وتكوين المجهرية. المؤشرات العددية المستمدة من زارة التجارة والصناعة، بما في ذلك مقياسا للنشر العام داخل الأنسجة، يعني الانتشارية (MD)، ومقياس لاعتماد توجه نشرها، تباين كسور (FA) 2،3، شهدت تطبيقات واسعة في وصف المجهرية الجهاز العصبي في كل من الصحة والمرض (4). وقد كشفت هذه المقاييس ميزات الأنسجة المجهرية التي هي غير مرئية من خلال معظم طرق التصوير بالرنين المغناطيسي الأخرى. تظاهر الجهود السابقة التي زارة التجارة والصناعة بالكشف عن التغيرات المجهرية النائية داخل الحبل عنق الرحم التالية الصدري SCI في الفئران 1. التغييرات زارة التجارة والصناعة عن بعد من الآفة من المرجح أن تعكس كيف أن الدقة في النخاع الشوكي كاملالبرك بلة، ويمكن أن تكون علامة على الإصابة الثانوية.
تصوير النخاع الشوكي الفئران في الجسم الحي يقدم العديد من التحديات الفريدة. أبرزها، يتأثر الحبل الشوكي من قبل الحركة الجهاز التنفسي ويتطلب عناية فائقة لتقليل الحركة باستخدام عدة طرق. في دراسات سابقة، أزالت الأجهزة تجميد حركة العمود الفقري خلال مسح 5. للتصوير من الحبل عنق الرحم، وعلينا الاستفادة من ضبط النفس الجسدي في شكل حامل الرأس والحانات الأذن، والتي خفف، ولكن لا يلغي الحركة الناجمة عن التنفس. وعلاوة على ذلك، نحن نستخدم نظام النابضة التنفسي مخصصة لمزامنة الحصول على الصور مع دورة التنفس بطريقة فعالة. هذه التعديلات تمكن إزالة القطع الأثرية تسبب خلاف ذلك الحركة الأكبر على نطاق واسع الناجمة عن التنفس 6. دوى حساس للغاية لحركة المجهرية، بما في ذلك تدفق CSF ونبض الدم، وهذه المصادر أصغر من الحركة contaminatioن والتخفيف أيضا من مخطط النابضة التنفسي. بالإضافة إلى ذلك، النخاع الشوكي لديه مساحة المقطع العرضي الصغيرة ويمثل سوى جزء صغير من مجال الرؤية. للتصوير العمود الفقري العنقي، الذي يقع الحبل الشوكي في أعماق جسم الحيوان، وهناك حاجة لفائف الترددات الراديوية أسطواني مع اختراق إشارة كافية لصورة الحبل الشوكي العنقي مع ارتفاع القرار. ويتم تحقيق تخفيض في مجال الرؤية من خلال قمع حجم الخارجي (OVS)، الذي يعمل أيضا لإلغاء، أو يفسد، إشارة من الأنسجة خارج من الحبل الشوكي. هذه الطريقة، ودعا التدرجات المفسد أو قمع حجم الخارجي، ويعمل أيضا للحد من أي تلوث الحركة المتبقية الحيوان، وتدفق السائل النخاعي، أو نبض الدم في هذه الأنسجة.
ويمكن أيضا ترتيب الحبل الشوكي يمكن استغلالها لتبسيط بروتوكول التصوير. المحاور الحبل الشوكي في المادة البيضاء (WM) وكلها تقريبا موجهة نحو مواز للمحور الرئيسي من الحبل الشوكي. عشرلنا، في حين دوى في المخ يتطلب قياسات طول لا يقل عن 6 الاتجاهات لضمان النتائج لا تعتمد على الموقف داخل المغناطيس (عملية تسمى انتشار التصوير موتر)، والقياسات في الحبل الشوكي يمكن الحصول عليها فقط على طول 2 الاتجاهات متوازية و عمودي على الحبل 7،8، ويشار إليها فيما يلي باسم طولية وعرضية، على التوالي. وهكذا، ويتم قياس انتشارية وغيرها من المعالم على طول الاتجاهات 2 بشكل منفصل والسماح الاستدلالات في المجهرية للنسيج في كل من الصحة والمرض أو الإصابة.
Protocol
Representative Results
Discussion
يمكن للتقنيات المذكورة هنا تقديم خدمات عالية الجودة نشر الصور المرجحة من الحبل الشوكي الفئران في الجسم الحي. جودة الصورة تعتمد على العديد من العوامل، ولكن الحبل الشوكي لديها العديد من القضايا الفريدة التي تعتبر مهمة.
الاقتراح هو مشكلة هامة أنه إذا لم يتم تصحيحها، سيؤدي في الصور غير صالحة للاستعمال. وهكذا، فإنه يتطلب مراقبة دقيقة خلال الدورة MRI. إذا لوحظ التحف الصورة على الفحص الأولي التي تنسجم مع الحركة، والتوقف عن اقتناء واتخاذ خطوات للقضاء على القطع الأثرية، لأن هذه من الصعب إزالتها في مرحلة ما بعد المعالجة. تأكد من أن الكمبيوتر التنفسي يتلقى، إشارة قوية منتظمة من وحدة مراقبة الجهاز التنفسي. قد تحتاج حزام التنفس إلى تعديل للتوتر الصحيح الذي يوفر إشارة متسقة ولكن لا تقيد التنفس الحيوان. الحفاظ على مستوى مناسب من التخدير في جميع الأوقات؛ وقد استخدم 1.5-2.0٪ isofluorane في بتجارب لدينام. وبالمثل، انخفاض في حركة العامة للحيوان والعمود الفقري هو جانب آخر مهم لتوفير صور خالية من القطع الأثرية. على عكس الحبل الشوكي البشري، التي تعاني حركة كبيرة سببها CSF نبض المتعلقة دورة القلب، نبض CSF في القوارض هو في الغالب المرتبطة بدورة الجهاز التنفسي (18). في حين أنه من الصعب القضاء عليها تماما كل حركة في النخاع، من المهم بصفة خاصة للحد من الحركة إلى أقصى حد ممكن، والتي غالبا ما يتحقق من خلال التجربة والخطأ. وعلاوة على ذلك، قد الفئران مع مختلف الإصابات العصبية أو اضطرابات الجهاز التنفسي لدى معدلات غير طبيعية أو مضاعفات الفسيولوجية الأخرى التي قد تتطلب التكيف من الإجراءات الواردة في هذه الوثيقة.
التعديلات على تسلسل النبض لالنابضة التنفسي، جنبا إلى جنب مع إجراءات إعادة الإعمار صورة مصممة خصيصا لهذا الغرض، والتقليل من آثار التشويه التي تسببها المجالات المغناطيسية غير متجانسة التي لا يمكن ازالتهاإد من التعديلات التي تجرى على نظام التصوير بالرنين المغناطيسي.
وبالمثل، جودة الصورة تعتمد على مدة من الزمن التصوير. في مثالنا، مما يحد من عدد من نشر الترجيح على طول الاتجاهين فقط تمكين انخفاض في إجمالي وقت التصوير. وجود قيود على هذا النهج هو أنه لم يعد متوافقا مع تحليل موتر كامل (زارة التجارة والصناعة)، والذي هو المعيار لكثير من الدراسات الأخرى. بدلا من ذلك، وذلك باستخدام عدد أقل من المتوسطات والمزيد من الاتجاهات نشر أو ب-القيم قد تسمح لتوصيف أفضل مع الحفاظ على نفس اكتساب الوقت. وقد أظهرت الدراسات السابقة أن نهج 2-الاتجاه ويوفر معلومات متسقة مع 6-الاتجاه (DTI) نهج 19، ولكن يجب توخي الحذر لضمان شرائح (والتوجهات نشر) والموجهة بدقة على طول وعمودي على الحبل. ومع ذلك، والحصول على عدة ب-القيم يسمح لأفضل توصيف وتركيب الرياضي للالتفرطح ويوصى على استخدام واحد B-VALUه. وعلاوة على ذلك، وتكررت التسلسل الكامل مع اتجاه ترميز الطور المعكوس مما يقلل من آثار التحف قابلية المجال المغناطيسي، ويحسن من جودة الصورة بشكل عام من خلال المتوسط. وأخيرا، فإن دقة الصورة المستخدمة في بروتوكول لدينا يوفر فصل واضح من المادة البيضاء والرمادية. الصور مع دقة أعلى ممكنة، على الرغم من أن هذا غالبا ما يأتي على حساب الأوقات مسح أطول أو احتمال لمزيد من التحف.
سوف التحسينات في لفائف الترددات الراديوية، تسلسل النبض، وأساليب مرحلة ما بعد المعالجة كل ما يؤدي إلى تحسين التصوير من الحبل الشوكي في التعديلات المستقبلية لهذا الأسلوب. على سبيل المثال، قد يكون لفائف سطح مفيد لتحسين جودة الصورة مشابهة لتلك التي لوحظت في الفئران. 20 هذه التدابير لديها احتمال كبير لكونها مفيدة كما المؤشرات الحيوية للتشخيص السريري وإدارة إصابات في النخاع الشوكي.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر كايل ستيليك، ناتاشا ويلكنز، ومات Runquist للحصول على المساعدة التجريبية. تمويلها من خلال البحوث وصندوق مبادرة التعليم، وهو مكون من النهوض على الوقف أصح ولاية ويسكونسن في كلية الطب في ولاية ويسكونسن، ومؤسسة كريغ H. نيلسون.
Materials
| 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 |
References
- Jirjis, M. B., Kurpad, S. N., Schmit, B. D. Ex Vivo Diffusion Tensor Imaging of Spinal Cord Injury in Rats of Varying Degrees of Severity. J Neurotrauma. 30 (18), 1577-1586 (2013).
- Basser, P. J., Mattiello, J., Lebihan, D. Estimation of the Effective Self-Diffusion Tensor from the NMR Spin Echo. J Magn Reson. 103 (3), 247-254 (1994).
- Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophys J. 66 (1), 259-267 (1994).
- Song, S. -. K., Sun, S. -. W., Ju, W. -. K., Lin, S. -. J., Cross, A. H., Neufeld, A. H. Diffusion tensor imaging detects and differentiates axon and myelin degeneration in mouse optic nerve after retinal ischemia. NeuroImage. 20 (3), 1714-1722 (2003).
- Beckmann, N., Bruttel, K., Urban, L., Rudin, M. Signal changes in the spinal cord of the rat after injection of formalin into the hindpaw: characterization using functional magnetic resonance imaging. Proc Natl Acad Sci U S A. 94 (10), 5034-5039 (1997).
- Le Bihan, D., Poupon, C., Amadon, A., Lethimonnier, F. Artifacts and pitfalls in diffusion MRI. J Magn Reson Imaging. 24 (3), 478-488 (2006).
- Ford, J. C., Hackney, D. B., et al. MRI characterization of diffusion coefficients in a rat spinal cord injury model. Magn Reson Med. 31 (5), 488-494 (1994).
- Clark, C. A., Barker, G. J., Tofts, P. S. Magnetic resonance diffusion imaging of the human cervical spinal cord in vivo. Magn Reson Med. 41 (6), 1269-1273 (1999).
- Mohammadi, S., Nagy, Z., Hutton, C., Josephs, O., Weiskopf, N. Correction of vibration artifacts in DTI using phase-encoding reversal (COVIPER). Magn Reson Med. 68 (3), 882-889 (2012).
- Andersson, J. L. R., Skare, S., Ashburner, J. How to correct susceptibility distortions in spin-echo echo-planar images: application to diffusion tensor imaging. NeuroImage. 20 (2), 870-888 (2003).
- Smith, S. M., Jenkinson, M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. NeuroImage. 23, S208-S219 (2004).
- Behrens, T. E. J., Woolrich, M. W., et al. Characterization and propagation of uncertainty in diffusion-weighted MR imaging. Magn Reson Med. 50 (5), 1077-1088 (2003).
- Cook, P. A., Bai, Y., et al. Camino: Open-Source Diffusion-MRI Reconstruction and Processing. 14th Scientific Meeting of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine. , 2759 (2006).
- Kim, J. H., Tu, T. -. W., Bayly, P. V., Song, S. -. K. Impact Speed Does Not Determine Severity of Spinal Cord Injury in Mice with Fixed Impact Displacement. J Neurotrauma. 26 (8), 1395-1404 (2009).
- Tu, T. -. W., Kim, J. H., Yin, F. Q., Jakeman, L. B., Song, S. -. K. The impact of myelination on axon sparing and locomotor function recovery in spinal cord injury assessed using diffusion tensor imaging. NMR Biomed. 26 (11), 1484-1495 (2013).
- Jensen, J. H., Helpern, J. A., Ramani, A., Lu, H., Kaczynski, K. Diffusional kurtosis imaging: The quantification of non-gaussian water diffusion by means of magnetic resonance imaging. Magn Reson Med. 53 (6), 1432-1440 (2005).
- Veraart, J., Sijbers, J., Sunaert, S., Leemans, A., Jeurissen, B. Weighted linear least squares estimation of diffusion MRI parameters: Strengths, limitations, and pitfalls. NeuroImage. 81, 335-346 (2013).
- Budgell, B. S., Bolton, P. S. Cerebrospinal Fluid Pressure in the Anesthetized Rat. J Manipulative Physiol Ther. 30 (5), 351-356 (2007).
- Tu, T. -. W., Kim, J. H., Wang, J., Song, S. -. K. Full Tensor Diffusion Imaging Is Not Required To Assess the White-Matter Integrity in Mouse Contusion Spinal Cord Injury. J Neurotrauma. 27 (1), 253-262 (2010).
- Kim, J. H., Song, S. -. K. Diffusion tensor imaging of the mouse brainstem and cervical spinal cord. Nat Protoc. 8 (2), 409-417 (2013).
