Quantitative Imagerie par résonance magnétique de la maladie du muscle squelettique
Summary
Les maladies neuromusculaires présentent souvent un variant temporellement, pathologie spatialement hétérogène et multi-facettes. L'objectif de ce protocole est de caractériser cette pathologie en utilisant des méthodes d'imagerie par résonance magnétique non-invasives.
Abstract
Quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) describes the development and use of MRI to quantify physical, chemical, and/or biological properties of living systems. Neuromuscular diseases often exhibit a temporally varying, spatially heterogeneous, and multi-faceted pathology. The goal of this protocol is to characterize this pathology using qMRI methods. The MRI acquisition protocol begins with localizer images (used to locate the position of the body and tissue of interest within the MRI system), quality control measurements of relevant magnetic field distributions, and structural imaging for general anatomical characterization. The qMRI portion of the protocol includes measurements of the longitudinal and transverse relaxation time constants (T1 and T2, respectively). Also acquired are diffusion-tensor MRI data, in which water diffusivity is measured and used to infer pathological processes such as edema. Quantitative magnetization transfer imaging is used to characterize the relative tissue content of macromolecular and free water protons. Lastly, fat-water MRI methods are used to characterize fibro-adipose tissue replacement of muscle. In addition to describing the data acquisition and analysis procedures, this paper also discusses the potential problems associated with these methods, the analysis and interpretation of the data, MRI safety, and strategies for artifact reduction and protocol optimization.
Introduction
imagerie par résonance magnétique quantitative (QMRI) décrit le développement et l'utilisation de l'IRM pour quantifier physiques, chimiques et / ou des propriétés biologiques des systèmes vivants. QMRI exige que l'on adopte un modèle biophysique pour le système constitué par le tissu d'intérêt et une séquence d'impulsions d'IRM. La séquence d'impulsions est conçu pour sensibiliser les intensités de signal des images au paramètre d'intérêt dans le modèle. Propriétés des signaux d'IRM (d'amplitude du signal, la fréquence et / ou phase) sont mesurés et analysés selon le modèle. L'objectif est de produire une estimation non biaisée, quantitative d'un paramètre physique ou biologique ayant distribué en continu, les unités de mesure physiques. Souvent, les équations décrivant le système sont analysés et ajustés sur une base pixel par pixel, en produisant une image dont les valeurs de pixel directement refléter les valeurs de la variable. Une telle image est appelée une carte paramétrique.
Une utilisation courante de QMRI est le développement et l'application de biomarqueurs. Les biomarqueurs peuvent être utilisés pour étudier un mécanisme de la maladie, d'établir un diagnostic, de déterminer un pronostic, et / ou d'évaluer une réponse thérapeutique. Ils peuvent prendre la forme des concentrations ou des activités de molécules endogènes ou exogènes, un spécimen histologique, une quantité physique, ou une image interne. Certaines exigences générales de biomarqueurs sont qu'ils mesurent objectivement une variable distribuée en continu en utilisant des unités de mesure physiques; avoir une relation bien compris claire avec la pathologie de l'intérêt; sont sensibles à l'amélioration de et l'aggravation de l'état clinique; et peut être mesurée avec exactitude et de précision adéquate. biomarqueurs non-invasives ou minimalement invasives sont particulièrement souhaitables, car ils favorisent le confort du patient et peu perturber la pathologie d'intérêt.
Un but de développer des biomarqueurs basés sur l'image pour la maladie du muscle est de refléter la maladie du muscle de façons qui sont complementary à, plus spécifique que, plus spatialement sélectif que, et / ou moins invasive que les approches existantes. Un avantage particulier de QMRI à cet égard est qu'il a le potentiel d'intégrer plusieurs types d'informations et donc de caractériser de nombreux aspects du processus de la maladie potentiellement. Cette capacité est très important dans les maladies musculaires, qui présentent souvent une pathologie complexe variable dans l'espace qui comprend l'inflammation, de la nécrose et / ou l'atrophie de remplacement de matière grasse, la fibrose, la perturbation du réseau de myofilaments ( "Z-disque en continu») et les dommages causés à membrane . Un autre avantage des méthodes QMRI est que des descriptions qualitatives ou semi-quantitatives des images IRM à base de contraste reflètent non seulement la pathologie, mais aussi des différences dans les paramètres d'acquisition d'image, du matériel, et de la perception humaine. Un exemple de cette dernière question a été démontrée par Wokke et al., Qui ont montré que les évaluations semi-quantitatives de l' infiltration de graisse sont très variables et souvent incorrectes, wpoule par rapport quantitative IRM graisse / eau (FWMRI) 1.
Le protocole décrit ici comprend des séquences d'impulsions pour la mesure de la direction longitudinale (T 1) et transversale (T 2) , des constantes de temps de relaxation, le transfert quantitatif de l' aimantation (MTQ) des paramètres, des coefficients de diffusion de l' eau à l' aide du tenseur de diffusion IRM (DT-IRM) et la structure musculaire en utilisant images structurelles et FWMRI. T 1 est mesurée à l'aide d' une séquence de récupération d'inversion, dans lequel le vecteur d'aimantation nette est inversée et son amplitude est prélevé en tant que le système retourne à l' équilibre. T 2 est mesurée par un recentrage à plusieurs reprises aimantation transversale en utilisant un train d'impulsions de recentrage, telles que la méthode Carr-Purcell Meiboom-Gill (CPMG), et l' échantillonnage des spin-échos résultant. T 1 et T 2 données peuvent être analysées en utilisant des méthodes d'ajustement de courbe non-linéaire qui soit supposent un certain nombre de Exponential composants a priori (typiquement entre une et trois) ou en utilisant une approche linéaire inverse qui correspond aux données observées à la somme d'un grand nombre d'exponentielles en décomposition, conduisant à un spectre d'amplitudes de signal. Cette approche exige un carré non négatif moins (NNLS) solution 3, et comprend généralement la régularisation supplémentaire pour produire des résultats stables. T 1 et T 2 mesures ont été largement utilisés pour étudier les maladies musculaires et des blessures 4-9. T 1 valeurs sont généralement diminué dans les régions du muscle gras infiltré et élevés dans les régions enflammées 4-6; T 2 valeurs sont élevées dans les deux régions de graisse infiltrée et enflammées 10.
QMT-IRM caractérise les piscines de protons libres eau et solide comme macromoléculaires dans les tissus en estimant le rapport de macromoléculaire à protons de l'eau libre (le rapport de la taille de la piscine, PSR); intrinsèque détendreles taux de ation de ces piscines; et les taux de change entre eux. Approches QMT communs incluent la saturation pulsée 11 et les méthodes de 12,13 de récupération d'inversion sélectives. Le protocole ci-dessous décrit l'utilisation de l'approche de la saturation pulsée, qui exploite la grande largeur spectrale du signal du proton macromoléculaire, par rapport à la largeur de raie étroite du signal du proton de l'eau. En saturant le signal macromoléculaire à des fréquences de résonance suffisamment différent du signal de l'eau, le signal de l'eau est réduite en raison du transfert de magnétisation entre les pools de protons d'eau libres et solides. Les données sont analysées en utilisant un modèle biophysique quantitatif. QMT a été développée et appliquée dans les muscles sains 14,15, et un résumé récent paru décrivant sa mise en œuvre dans les maladies du muscle 16. BMQ a été utilisé pour étudier des modèles de petits animaux d'inflammation musculaire, dans lequel il a été montré que l' inflammation diminue le PSR 17. Etant donné que MTreflète le contenu à la fois macromoléculaires et de l' eau, les données MT peuvent également refléter la fibrose 18,19.
DT-IRM est utilisé pour quantifier le comportement de diffusion anisotrope de molécules d'eau dans les tissus des ordonnées, des cellules allongées. Dans DT-MRI, la diffusion de l'eau est mesurée en six ou plusieurs directions différentes; Ces signaux sont ensuite montés sur un modèle de 20 tenseur. Tenseur de diffusion, D, est diagonalisée pour obtenir trois valeurs propres (qui sont les trois principaux diffusivités) et trois vecteurs propres (qui indiquent les directions correspondant aux trois coefficients de diffusion). Ceux – ci et d' autres indices quantitatifs dérivés de D fournissent des informations sur la structure et l' orientation du tissu à un niveau microscopique. Les propriétés de diffusion de muscles, en particulier la troisième valeur propre de D et le degré de diffusion anisotropie reflètent l' inflammation du muscle 17 et des lésions musculaires dues à une lésion expérimentale 21, la souche 22 blessures et la maladie 23,24. D' autres influences potentielles sur les propriétés de diffusion du muscle comprennent les changements de diamètre des cellules 25 et l' évolution de la perméabilité de la membrane.
Enfin, l'atrophie musculaire, sans matière grasse ou sans infiltration macroscopique, est une composante pathologique de nombreuses maladies musculaires. L'atrophie musculaire peut être évaluée en utilisant des images structurelles pour mesurer muscle surface en coupe transversale ou du volume et FW-IRM pour évaluer l'infiltration graisseuse. L' infiltration de graisse peut être décrite qualitativement T 1 – T 2 et des images pondérées en 26, mais les signaux de graisse et l' eau sont les mieux en mesure de former des images qui exploitent les différentes fréquences de résonance de protons de graisse et d' eau 27-29. Méthodes de graisse / d'imagerie de l' eau quantitatives ont été appliquées dans les maladies musculaires telles que la dystrophie musculaire 1,30,31, et peuvent prédire la perte de la marche chez ces patients 31.
<pclass = "jove_content"> Le protocole QMRI décrit ici utilise l'ensemble de ces mesures pour caractériser l'état des muscles dans les auto-immunes inflammatoires myopathies dermatomyosite (DM) et polymyosite (PM). D' autres détails du protocole, y compris sa reproductibilité, ont été publiées antérieurement 32. Le protocole comprend des séquences d'impulsions standards ainsi que des radiofréquences (RF) et des objets de gradient de champ magnétique programmés spécifiquement sur nos systèmes. Les auteurs prévoient que le protocole est également applicable dans d'autres troubles neuromusculaires caractérisés par une atrophie musculaire, l'inflammation et l'infiltration de graisse (par exemple la dystrophie musculaire).Protocol
Representative Results
Discussion
les maladies musculaires telles que les dystrophies musculaires et myopathies inflammatoires idiopathiques constituent des groupes de maladies qui sont hétérogènes dans l'étiologie et, en tant qu'entités individuelles, rares dans leur incidence. Par exemple, la myopathie de Duchenne – la forme la plus courante de dystrophie musculaire – a une incidence de 1 à 3500 naissances masculines vivantes 37,38; dermatomyosite, à laquelle ce protocole a été appliqué, a une incidence de 1 sur 100.000 <s…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We acknowledge grant support from the National Institutes of Health: NIH/NIAMS R01 AR050101 (BMD), NIH/NIAMS R01 AR057091 (BMD/JHP), NIH/NIBEB K25 EB013659 (RDD), and the Vanderbilt CTSA award RR024975. We also thank the reviewers for the comments and the subject for participating in these studies.
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 3T human MRI system | Philips Medical Systems (Best, the Netherlands) | Achieva/Intera | |
| Cardiac phased array receive coil | Philips Medical Systems | ||
| Pillows, straps, bolsters, and other positioning devices | |||
| Computer with MATLAB software | The Mathworks, Inc (Natick, MA) | r. 2014 |
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