Diffusion Imaging in het Rat ruggenmerg

OPMERKING: Ethiek Verklaring: De institutionele zorg en het gebruik Comités (IACUC) van het Medical College of Wisconsin en de Clement J. Zablocki VA Medical Center keurden alle procedures. 1. Dierlijke Voorbereiding en Monitoring Verdoven van de rat in een inductie kamer, met behulp van 5% isofluraan in de medische lucht. Wanneer de oprichtreflex afwezig is en knijpen de achterpoot produceert geen terugtrekking reflex, verminderen anesthesie tot 2% en de overdracht van het dier naar de scanner bed in een head-first buikligging. Handhaaf 2% isofluraan via een neuskegel inrichting gedurende de procedure, en houdt medische lucht bij een stroomsnelheid van ongeveer 1 l / min. Breng een kleine hoeveelheid smerende zalf ogen van de rat om schade aan de cornea terwijl onder verdoving te vermijden. Plaats een controle van de ademhaling riem stevig rond de romp van de rat. Sluit de riem een ​​respiratoire gating systeem. Voordat het bevorderen van de rat in de scanner boring, CHEC k de controle van de ademhaling computer om ervoor te zorgen de respiratoire cyclus is duidelijk en consistent. Stel de band indien noodzakelijk omdat deze stap is noodzakelijk voor de beeldkwaliteit. Controleren en de lichaamstemperatuur van het dier bij 37 ° C te houden door middel van een rectale sonde en heteluchtverwarming systeem. Handhaving van de ademfrequentie tussen 30-45 ademhalingen per minuut door het aanpassen van het niveau van de anesthesie tussen 1,2 en 2%. Plaats de rat in het hoofd houder met een hapje bar en schroef-in-ear bars (figuur 1) en schuif de kop in een kwadratuur volume coil tot de cervicale wervelkolom is gepositioneerd in het midden van de spoel. OPMERKING: schouders De rat kan verdere progressie in de spoel te voorkomen. Vooraf de rat en het ondersteunen van de houders in de scanner boring. Indien van toepassing, past u de tuning en bijpassende condensatoren van de spoel op de juiste frequentie en impedantie volgens de instructies van de leverancier spoel. e_title "> 2. MRI scannen Parameters LET OP: De hier beschreven procedures gebruikte een 9.4 T horizontale boring klein dier systeem, maar zijn van toepassing op andere veldsterktes van kleine dieren MRI-systemen. Geautomatiseerde procedures van het MRI-systeem voor de detectie van de resonantiefrequentie, iteratief verbeteren van de homogeniteit van het magnetisch veld (vulplaten), ijking van de radiofrequente vermogen, en aanpassing van de ontvangerversterking. Met behulp van software-interface van het systeem, het verkrijgen van een standaard drie-vliegtuig scout scan naar de juiste positionering te garanderen. Klik op "Nieuwe scan", selecteer TriPilot, en klik op de "stoplicht" om de beelden te verwerven. Controleer het centrum van de cervicale wervelkolom is uitgelijnd met zowel het centrum van de magneet en het midden van de MRI spoel. Aan de wervelkolom te centreren binnen de magneet, duwen of trekken aan de wieg en reacquire de scout scan voor verificatie. Om de positio passenn van de cervicale wervelkolom ten opzichte van de MRI-spoel, verwijdert u de houder van de magneet voor herpositionering. Indien nodig, herhaal dit proces totdat de positie is consistent. Als het dier wordt verplaatst, herhaal stap 2.1. Voeg een nieuwe echo-vlakke diffusie gewogen spin-echo sequentie (DtiEpi) om de huidige beeldvorming protocol. Configureren en het verwerven van diffusie-gewogen beelden met de DWI sequentie met de standaardinstellingen, met uitzondering van het volgende: Open de slice positie grafische interface 12 segmenten schrijven met een dikte van 0,75 mm. Richt de plakken loodrecht op de hoofdas van de cervicale snoer. Consistente plak het tussen verschillende dieren of in verschillende beeldvormende sessies met de basis van het cerebellum als interne referentie. Stel de verzadiging bands op 'aan'. Positie 4 verzadiging banden met een dikte van 10 mm buiten het ruggenmerg op het signaal van deze weefsels minimaliseren enhun potentieel artefacten (figuur 3) induceren. Stel respiratoire gating ('trigger-module') op 'aan'. OPMERKING: De aangepaste respiratoire gating vereist kennis en ervaring in pulssequentie programmering. Als dit niet een oplossing is het aantal segmenten tot 3-5 en de TR 1 s beperken, opdat alle segmenten zijn verkregen in de ademhaling van het dier. Herhaal de volledige sequentie met andere deelverzameling van segmenten de volledige dekking van de cervicale koord verkrijgen. Klik op het pictogram toolbox en vervolgens op "methode Bewerken." Stel het aantal EPI segmenten tot 4. Verander de fasecoderingsrichting naar links-rechts. Andere standaard instellingen zou moeten zijn: echo afstand = 0,3234 ms, totale echo treinlengte per EPI segment = 32. OPMERKING: De fase codering op de links-rechts richting plaats anterieur-posterieur de verontreiniging van beweging te beperken van andere structuren. Gebruik de volgende geometrical instellingen. Matrixgrootte = 128 x 128, en in het vlak field-of-view = 25,6 x 25,6 mm, resulterend in een in-vlak ruimtelijke resolutie = 0,200 x 0,200 mm. Zorgen plakdikte = 0,75 mm. Slice order = 'verweven', plak gap = 0 mm. Gebruik de volgende diffusie weging instellingen: DW maatregel mode = 'DW contrast', diffusiegradiënt duur (δ) = 7 ms, diffusie gradiënt scheiding (Δ) = 12 ms, aantal b-waarden = 8, gewenste b-waarden = 0 , 250, 500, 750, 1000, 1500, 2500, 3500 mm / s 2, aantal diffusie richtingen = 2, diffusie coëfficiënt directions = [0 0 1] en [0 0 1] (gemaakt in de vlakken evenwijdig en loodrecht op het ruggenmerg as). OPMERKING: Met deze instellingen we B-waarden zo hoog als 3.500 s / mm2 bereikt. Hardware specificaties en andere systeemprestaties kenmerken kunnen de B-waarde te beperken, aangezien diffusiegradiënt duur (δ) en diffusie gradiëntscheiding (Δ) zijn afhankelijk van de gradient prestaties, die op ons systeem waren: (maximale helling sterkte: 440 mT / m, maximale slew rate: 3440 T / m / s). Voor metingen van kurtosis, 2b-waarden met de hogere B-waarde van ten minste 2000 s / mm2, aanbevolen. Gebruik de volgende timing instellingen. echo tijd (TE) = 27 ms (ingesteld op minimum door het invoeren van 0), herhalingstijd (TR) = 1800 msec. Verwerven de bereide volgorde. Met de hierboven genoemde parameters, de totale acquisitietijd bedraagt ​​ongeveer 25 minuten. Gedurende alle scans, bewaken de respiratoire gating software en stel de vertragingsperiode tussen de "trigger" (softwaredetectie van expiratie) en het signaal naar het MRI-systeem, zodat acquisities alleen voorkomen in de rusttoestand (onbeweeglijk) deel van de ademhalingscyclus (Fig 2a, stabiele deel van de grijze lijn). Een tijdvertraging tussen 100-400 msec nodig afhankelijk ademhaling patroon van het dier. Dit zal helpen om arti verminderenfeiten die zich voordoen met respiratoire beweging (figuur 3e). Indien beschikbaar, herhaal de volgorde met de aangepaste "reverse echo 'op' aan ', die een extra 25 minuten van de overname tijd vergt. OPMERKING: Als de aangepaste 'reverse-blip' sequence 9 (vereist voor de vatbaarheid artefact correctie tijdens Stap 3) niet beschikbaar is, slechts een enkele EPI fasecoderingsrichting mogelijk is, terwijl het omgekeerde blip sequence wijziging maakt het mogelijk de keuze van fasecoderingsrichting (rechts tot-links of links naar rechts). Wanneer beeldvorming is voltooid, verwijdert u het dier uit de houder en terug te sturen naar zijn kooi. Heeft een dier niet onbeheerd achter, totdat het voldoende weer bij bewustzijn is om borstligging behouden. 3. Beeldverwerking Gegevens uit het systeem in DICOM-formaat exporteren rechtstreeks uit het systeem (bij voorkeur) of om te zetten van de gegevens naar Nifti formaat met behulp van aangepaste of third-party software. Voeren gevoeligheid artefact correctie. Pak het b = 0 volumes van elke scan in een enkel bestand, met behulp van hulpprogramma's voorzien van FSL of andere MRI-softwarepakketten. Een bestand voor elke fasecoderende richting vereist. Opmerking: Als bijvoorbeeld elke scan bestond uit 8 scans van verschillende B-waarden diffusie weging in de dwarsrichting, gevolgd door 8 scans diffusie weging in de langsrichting, het beeldbestand bevat b = 0 scan in de 1e en 9 e volumes en kan worden geëxtraheerd en samengevoegd met de volgende shell code: fslroi $ {boven} _dwi_masked.nii.gz temp1 0 1 fslroi $ {boven} _dwi_masked.nii.gz temp2 8 1 fslroi $ {naar beneden} _dwi_masked.nii.gz temp3 0 1 fslroi $ {naar beneden} _dwi_masked.nii.gz temp4 8 1 fslmerge -t blip_both temp1 temp2 temp3 temp4 (Die in dit geval $ en $ neer de scans normale en omgekeerde fase coderen richtingen, respectievelijk). </li> Gebruik de 'topup' commando in FSL 10,11 tot een gecorrigeerde bestand met beperkte beeldvervorming artefacten te creëren. Breng deze correctie op de onbewerkte DWI beelden worden gebruikt voor het maken van kaarten parameter. OPMERKING: Instructies voor het gebruik van het commando is te vinden op http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/TOPUP/TopupUsersGuide . Voorbeeld code om het commando gebruikt in dit geval is als volgt: topup –imain = blip_both_nlmf_b0images_masked.nii –datain = .. / topup_data.txt –config =. / b02b0_ratspine.cnf –out = topup_splines_nlmf –iout = $ uit –verbose –logout = topuplog.log dwiup = `ls $ {boven} * dwi_nlmFilt.nii` dwidown = `ls $ {naar beneden} * dwi_nlmFilt.nii` applytopup –imain = $ {dwiup}, $ {dwidown} –datain = .. / topup_data.txt –method = jac –inindex = 1, $ ind –topup = topup_splines_nlmf –out = DWI _ $ {out } -v Kopieer en het standaard bestand in $ {FSLDIR} /etc/flirtsch/b02b0.cnf bewerken voor de spin ratal koord doordat elk van de waarden in de –warpres en –fwhm lijnen met een factor 10. Als beelden met diffusie gewogen worden verworven langs ten minste 6 niet orthogonale richtingen (met behulp van een DTI regeling Paravision of een gelijkaardig ontwerp op maat), gebruik van software pakketten zoals FSL's Diffusion Toolbox 12 of Camino 13 tot standaard DTI parameter kaarten te berekenen. Zo niet, een aangepaste procedure tot nuttige gegevens, die diffusie coëfficiënt werken uitsluitend langs 2 richtingen, bijvoorbeeld zoals aangegeven in stap 3.4 verder. Laad het gecorrigeerde DWI bestand afgegeven door OPWAARDEREN in fslview en selecteer "Bestand -> Maak Mask" in het menu. Gebruik het potlood tools om een ​​regio van belang binnen één weefseltype te trekken (bijvoorbeeld GM, rug- WM, of ventrolaterale WM). Sla dit bestand op en herhaal voor alle andere gewenste ROI's om later te gebruiken. OPMERKING: Andere procedures voor het segmenteren van de ROI van het ruggenmerg zijn gedocumenteerd 14,15 </sup> en kan de voorkeur voor gevorderde gebruikers. Gebruik de ROI-bestand naar de DWI-bestand te maskeren en bereken dan het gemiddelde signaal binnen de ROI voor elk beeld volume met het volgende commando: fslstats -t DWI_corrected.nii.gz -k GM_mask.nii.gz -M Kopieer de eerste 8 resultaten in numerieke computer programma zoals MATLAB, als een vector voor transversale signaal (bijvoorbeeld noemen sig_T), en de tweede 8 resultaten als vector voor longitudinale signaal (sig_L), waarbij 8 het aantal b- waarden gebruikt. Kopieer de B-waarden in een numerieke computing-programma als een vector van 8 b-waarden. De B-waarden voor de transversale en longitudinale richtingen waren identiek. Indien mogelijk, de effectieve B-waarde, in plaats van de nominale b-waarde, moet worden verkregen van de scanner, die is opgenomen in de parameter venster uit stap 2.3.5 als "Effectieve B-waarde". Gebruik de numerieke computing-programma's curve fitting gereedschapskist om het signaal te passen vs. data b-waarde aan The gewenste model door te typen cftools bij de opdrachtprompt. Om dit te doen, klikt u op "Data …" en selecteer het signaal vectoren als y-gegevens en de b-waarden als x-data. Klik op "Fitting …" en onder "Type fit" kies "Custom Equation," en klik op "Nieuw" en "algemene vergelijkingen" om een ​​vergelijking op te voeren voor de montage. Te passen aan de norm diffusiemodel, voert de vergelijking: S0. * Exp (-x. * D) "(1) Aan te passen aan een model dat diffusie en een tweede orde term (kurtosis; K) omvat om de afwijking van Gauss-diffusie 16 te meten, voert de vergelijking: S0. * Exp (-x. * D + (1/6). * (X. * D). ^ 2 * K) "(2) Klik op "OK" en "Apply". Let op de geschatte waarden voor diffusiviteit (D) en kurtosis (K) op de uitgaande venster. In de "Data Set:" selector selecteert u de sig_T (of sig_L) gegevens voor gebruik met vergelijking (1)of (2) in en klik op "Apply". Bereken de anisotropie-index (AI) met de transversale en longitudinale diffusiviteiten: AI = (D L D T) / (D + L D T) (3) Dit is analoog aan de fractionele anisotropie (FA) berekend uit de DTI model. Een anisotropie index voor kurtosis kan ook worden berekend met behulp van de lengte- en breedterichting kurtosis in plaats van diffusie. OPMERKING Deze methode geeft waarden van modelparameters, zoals K T, D T, etc. Het is ook mogelijk de commandoregel werking van de curve fitting toolbox voor elke voxel binnen de wervelkolom om een kaart van elke parameter te maken van het model . Alternatieve montage methoden worden gebruikt en worden elders gedetailleerd. 17