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.
La risonanza magnetica (MRI) è uno strumento non invasivo che offre una finestra sul cervello e il midollo spinale sia in salute e malattia. MRI ha rivoluzionato la diagnosi clinica, ma è anche uno strumento prezioso per le indagini di laboratorio. I modelli animali di danno neurologico o malattia forniscono una piattaforma per capire la fisiopatologia e accelerare la scoperta di terapie. In questo rapporto, dimostriamo l'applicazione di risonanza magnetica per un modello murino di lesioni del midollo spinale per indagare potenziali biomarcatori di danno microstrutturale 1 utilizzando l'imaging del tensore di diffusione (DTI). Il potenziale scoperta di biomarcatori di imaging aiuterà nella diagnosi e nella gestione dei pazienti con lesioni del midollo spinale. Questi marcatori sono suscettibili di svolgere un ruolo nella scoperta di terapie in modelli preclinici e consentire l'osservazione o la prognosi nella loro traduzione in ambito clinico.
DTI è una forma specializzata di risonanza magnetica che misura il movimento microscopica dimolecole di acqua (cioè di diffusione). DTI è particolarmente vantaggioso nel sistema nervoso dovuta alla presenza di assoni cui diffusione è sproporzionatamente veloce lungo gli assoni che perpendicolarmente ad essi, che fornisce informazioni riguardanti il loro orientamento e la composizione microstrutturale. Indici scalari derivati da DTI, tra una misura della diffusione complessiva all'interno del tessuto, diffusività (MD), e una misura della dipendenza orientamento della diffusione media, anisotropia frazionaria (FA) 2,3, hanno visto vaste applicazioni nel caratterizzare la microstruttura del sistema nervoso in salute e di malattia 4. Questi parametri hanno rivelato caratteristiche tissutali microscopiche che sono invisibili per la maggior parte degli altri metodi MRI. I precedenti tentativi hanno dimostrato che DTI rileva i cambiamenti microstrutturali remote all'interno del midollo cervicale seguente toracica SCI nei ratti 1. I cambiamenti DTI distanza dalla lesione probabilmente riflettono come l'intera res midollo spinalelaghetti di lesioni, e sono potenzialmente un marker di danno secondario.
Imaging midollo spinale di ratto in vivo presenta diverse sfide uniche. In particolare, il midollo spinale è influenzata dal movimento respiratorio e richiede particolare attenzione per ridurre al minimo il movimento utilizzando diversi metodi. In studi precedenti, i dispositivi di immobilizzazione rimossi movimento della colonna vertebrale durante la scansione 5. Per l'imaging del midollo cervicale, utilizziamo contenzione fisica nella forma di un titolare di testa e bar orecchio, che attenua, ma non elimina il movimento causato dalla respirazione. Inoltre, utilizziamo uno schema gating respiratorio personalizzato per sincronizzare l'acquisizione di immagini con il ciclo respiratorio in modo efficiente. Queste modifiche consentono la rimozione degli artefatti altrimenti causate dal moto bulk larga scala causata dalla respirazione 6. DWI è molto sensibile al movimento microscopico, incluso il flusso di CSF e la pulsazione del sangue, e queste fonti minori di movimento contamination sono anche alleviato dal regime gating respiratorio. Inoltre, il midollo spinale ha una piccola area in sezione trasversale e rappresenta solo una frazione del campo visivo. Per cervicale immagini della colonna vertebrale, in cui il midollo spinale è situato in profondità all'interno del corpo dell'animale, una bobina cilindrica radiofrequenza con adeguata penetrazione del segnale è necessario per immagine midollo spinale cervicale con alta risoluzione. Una riduzione del campo visivo è raggiunto dalla soppressione di volume esterno (OVS), che serve anche per cancellare o rovinare, il segnale da tessuti di fuori del midollo spinale. Questo metodo, chiamato gradienti spoiler o soppressione del volume esterno, serve anche a ridurre la contaminazione del movimento residuo animale, flusso del CSF, o pulsazione del sangue all'interno di questi tessuti.
La disposizione del midollo spinale può anche essere sfruttata per semplificare il protocollo di imaging. Gli assoni del midollo spinale nella materia bianca (WM) sono quasi tutti orientati parallelamente all'asse principale del midollo spinale. Thnoi, mentre DWI del cervello richiede misurazioni lungo almeno 6 direzioni per garantire i risultati non dipendono dalla posizione all'interno del magnete (un processo chiamato diffusione imaging del tensore), le misurazioni del midollo spinale possono essere acquisite solo lungo due direzioni parallele e perpendicolare al cavo di 7,8, in seguito denominato longitudinale e trasversale, rispettivamente. Così, la diffusività e altri parametri sono misurati lungo le direzioni 2 separatamente e permettono inferenze nella microstruttura del tessuto in salute e malattia o lesione.
Le tecniche descritte qui di diffusione in grado di fornire immagini di alta qualità ponderato del midollo spinale di ratto in vivo. La qualità dell'immagine dipende da molti fattori, ma il midollo spinale ha diversi problemi specifici che sono importanti.
Motion è un importante problema che, se non corretta, si tradurrà in immagini inutilizzabili. Quindi, è necessario un attento monitoraggio durante la sessione MRI. Se gli artefatti di immagine si osservano sulla scansione iniziale che sono coerenti con il movimento, fermare l'acquisizione e prendere misure per eliminare gli artefatti, poiché questi sono difficili da rimuovere in post-processing. Accertarsi che il computer respiratoria riceve un segnale forte regolare dall'unità di monitoraggio respiratorio. La cinghia la respirazione può essere necessario regolare la tensione corretta che fornisce un segnale di coerenza, ma non limita il respiro dell'animale. Mantenere il livello adeguato di anestesia in ogni momento; 1,5-2,0% isofluorano è stato usato nella nostra experience. Analogamente, riduzione del movimento complessivo dell'animale e la colonna vertebrale è un altro aspetto importante per fornire immagini prive di artefatti. A differenza del midollo spinale umano, che sperimenta il movimento significativo causato da CSF pulsazione relative al ciclo cardiaco, CSF pulsazione nei roditori è prevalentemente associata con il ciclo respiratorio 18. Mentre è difficile eliminare completamente tutti i movimenti del cavo, è particolarmente importante ridurre il moto per quanto possibile, che viene spesso realizzata tramite tentativi ed errori. Inoltre, ratti con varie lesioni neurologiche o disturbi possono avere tassi respiratori anomali o altre complicazioni fisiologiche che possono richiedere l'adattamento delle procedure descritte nel presente documento.
Le modifiche alla sequenza di impulsi per gating respiratorio, insieme con immagine procedure di ricostruzione adatti per questo scopo, minimizzare gli effetti di distorsione provocati da campi magnetici omogenei che non possono essere removcato da rettifiche effettuate sul sistema MRI.
Analogamente, la qualità dell'immagine dipende dalla durata del tempo di imaging. Nel nostro esempio, limitando il numero di ponderazione diffusione lungo due direzioni attivata una riduzione del tempo totale di imaging. Un limite di questo approccio è che non è più compatibile con l'analisi completa tensore (DTI), che è la norma per molti altri studi. In alternativa, utilizzando un minor numero di medie e più direzioni di diffusione o valori b può consentire una migliore caratterizzazione mantenendo allo stesso tempo di acquisizione. Precedenti studi hanno dimostrato che l'approccio 2-direzione fornisce informazioni coerenti con l'approccio 19 6-direzione (DTI), ma bisogna fare attenzione a garantire le fette (e le direzioni di diffusione) sono orientate precisamente lungo e perpendicolare al cavo. Tuttavia, acquisendo molteplici valori b consente una migliore caratterizzazione e montaggio matematica della curtosi e si consiglia l'uso di un unico b-value. Inoltre, la sequenza completa è stata ripetuta con una direzione codifica fase inversa che riduce gli effetti del campo magnetico artefatti di suscettibilità, e migliora la qualità complessiva dell'immagine attraverso media. Infine, la risoluzione dell'immagine utilizzata nel nostro protocollo prevede la netta separazione della sostanza bianca e grigia. Le immagini con risoluzione maggiore è possibile, anche se questo viene spesso a discapito dei tempi di scansione più lunghi o il potenziale di più artefatti.
Miglioramenti in bobine a radiofrequenza, sequenze di impulsi, e metodi di post-processing avranno tutti l'effetto di migliorare l'imaging del midollo spinale in futuri adattamenti di questo metodo. Ad esempio, bobine di superficie può essere utile per una migliore qualità d'immagine simile a quello osservato nei topi. 20 Queste misure hanno un'alta probabilità di essere utili come biomarcatori per la diagnosi clinica e la gestione delle lesioni del midollo spinale.
The authors have nothing to disclose.
Ringraziamo Kyle Stehlik, Natasha Wilkins, e Matt Runquist assistenza sperimentale. Finanziato attraverso la ricerca e l'istruzione Iniziativa Fund, un componente del Advancing una dotazione sano Wisconsin presso il Medical College of Wisconsin, e la Neilsen Fondazione Craig H..
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 |