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Medizin

骨格筋疾患の定量的磁気共鳴イメージング

Published: December 18, 2016
doi:
10.3791/52352
, , , , , , , , ,
1Institute of Imaging Science,Vanderbilt University, 2Department of Radiology and Radiological Sciences,Vanderbilt University, 3Department of Biomedical Engineering,Vanderbilt University, 4Department of Molecular Physiology and Biophysics,Vanderbilt University, 5Department of Physical Medicine and Rehabilitation,Vanderbilt University, 6Department of Physics and Astronomy,Vanderbilt University

Summary

神経筋疾患は、多くの場合、時間的に変化する、空間的に不均質な、と多面的な病態を呈します。このプロトコルの目的は、非侵襲的磁気共鳴画像法を用いてこの病変を特徴づけることです。

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

定量的磁気共鳴イメージング（qMRI）は、物理的、化学的に定量化するために開発およびMRIの使用を記載し、かつ/または生体系の生物学的特性。 QMRIは1つが目的の組織とMRIのパルスシーケンスで構成されるシステムのための生物物理学的モデルを、採用することが必要です。パルスシーケンスは、モデルへの関心のパラメータにイメージ」信号強度を感作するように設計されています。 MRI信号特性（信号強度、周波数、および/または位相）がモデルに準拠して測定され、分析されます。目的は、測定の継続的分散、物理的単位を有する物理的または生物学的パラメーターの公平な、定量的な推定値を生成することです。多くの場合、システムを記述する方程式を分析し、画素値を直接変数の値を反映した画像を生成し、画素毎に取り付けられています。このような画像は、パラメータマップと呼ばれます。

qMRIの一般的な使用をdevelopmentとバイオマーカーの応用。バイオマーカーは、疾患の機構を調べ、診断を確立する、予後を決定する、および/または治療応答を評価することができます。これらは、内因性または外因性分子は、組織試料、物理量、または内部の画像の濃度または活性の形態をとることができます。バイオマーカーのいくつかの一般的な要件は、彼らが客観的測定の物理単位を使用して連続的に分布変数を測定することです。関心の病理との明確な、よく理解関係を持っています。改善し、臨床状態の悪化に敏感です。そして適切な正確さと精度で測定することができます。彼らは患者の快適性を促進し、最小限に関心の病理を乱すような非侵襲的または低侵襲性バイオマーカーは、特に望ましいです。

筋肉疾患のための画像ベースのバイオマーカーを開発するための目標は、complementarな方法で筋肉疾患を反映することですyに、より具体的な、より多くの空間より選択的な、および/または既存のアプローチよりも低侵襲。この点でqMRIの1つの特定の利点は、複数の情報タイプを統合し、潜在的に疾患プロセスの多くの側面を特徴付ける可能性を有することです。この能力は、頻繁に脂肪の交換、線維症、筋フィラメント格子（「Z-ディスクストリーミング」）の破壊、および膜損傷と炎症、壊死および/または萎縮が含まれる空間的変数、複雑な病態を呈するれ、筋肉疾患において非常に重要です。 qMRI方法の別の利点は、コントラストに基づくMR画像の定性的または半定量的な説明は、単に病理だけでなく、画像取得パラメータ、ハードウェア、および人間の知覚の違いを反映していないことです。この最後の問題の例はWokke ら 、脂肪浸潤の半定量的評価は、wは、非常に可変と頻繁に間違っていることが示されたことで証明されました定量的な脂肪/水のMRI（FWMRI）と比較した鶏1。

プロトコルは、ここで説明する（QMT）パラメータ、拡散テンソルMRI（DT-MRI）を用いて水の拡散係数、及び筋肉構造を使用して縦（T 1）および横（T 2）緩和時間定数、定量的な磁化移動を測定するためのパルスシーケンスを含みます構造的なイメージとFWMRI。 T 1は、正味の磁化ベクトルが反転され、システムが平衡状態に戻るように、その大きさがサンプリングされた反転回復シーケンスを用いて測定されます。 T 2を繰り返し、このようなカー・パーセルMeiboom-ギル（CPMG）法などのリフォーカスパルスの列を使用して横磁化を再集束し、得られたスピンエコーをサンプリングすることによって測定されます。 T 1及びT 2のデータはexpone数を想定どちら非線形曲線適合法を用いて分析することができますntial成分先験的 （典型的には1〜3）または信号振幅のスペクトルが得られ、減衰指数の多数の和に観測データに適合する線形逆のアプローチを使用しています。このアプローチは、非負最小二乗（NNLS）溶液3を必要とし 、典型的には安定した結果を生成するために追加の正則化を含んでいます。 T 1及びT 2の測定は広く筋肉疾患および傷害4-9を研究するために使用されてきました。 T 1の値は、典型的には、筋肉の脂肪浸潤の地域で減少し、炎症を起こした領域4-6で上昇しています。 T 2の値は、両方の脂肪浸潤や炎症を起こした領域10に上昇しています。

QMT-MRIは、無料の水プロトン（プールのサイズ比、PSR）に高分子の割合を推定することにより、組織内の自由水と固体状の高分子プロトンプールを特徴付けます。リラックス固有これらのプールのエーション率;そして、それらの間の為替レート。共通QMTのアプローチは、パルス彩度11および選択反転回復12,13の方法が挙げられます。以下のプロトコルは、水プロトン信号の狭い線幅に比べて高分子プロトンシグナルの広い線幅を、利用するパルス状の飽和アプローチの使用を記載しています。水信号から十分に異なる共振周波数で高分子信号を飽和させることによって、水信号は、固体及び自由水のプロトンのプールとの間の磁化移動の結果として減少します。データは、定量的な生物物理学的モデルを用いて分析します。 QMTが開発され、健康な筋肉14,15に適用され、最近の要約は、筋肉疾患16にその実装を記述する登場してきました。炎症がPSR 17を減少させることが示されている、請求QMTは、筋肉炎症の小動物モデルを研究するために使用されてきました。だけれどもMTとして高分子と水の両方の内容を反映し、MTのデータはまた、線維18,19を反映することができます。

DT-MRIは、順序付けられた、細長い細胞と組織内の水分子の異方性拡散挙動を定量化するために使用されます。 DT-MRIにおいては、水の拡散は、6以上の異なる方向で測定されます。これらの信号は、テンソルモデル20に取り付けられています。拡散テンソル、Dは 、（3主要な拡散率である）3固有値及び（3拡散係数に対応する方向を示している）3固有ベクトルを得るために対角化されます。 D由来のこれらおよび他の定量的指標は、顕微鏡レベルで組織構造と方向に関する情報を提供します。筋肉の拡散特性、特にDの第固有値および拡散異方性の程度は、実験による負傷2に筋肉の炎症17と筋損傷を反映します1、ひずみ傷害22、および疾患23,24。筋肉の拡散特性の他の潜在的影響は、細胞の直径25と膜透過性の変化における変化を含みます。

最後に、筋萎縮は、なしまたは巨視的な脂肪浸潤することなく、多くの筋肉疾患の病理学的な構成要素です。筋萎縮は、脂肪浸潤を評価するために、筋肉の断面積又は体積を測定するための構造の画像を使用してFW-MRIにより評価することができます。脂肪浸潤を定性的T 1で説明することができる-およびT 2強調画像26が、脂肪と水の信号が最良脂肪と水プロトン27-29の異なる共振周波数を利用する画像を形成することによって測定されます。定量的な脂肪/水の撮像方法は、筋ジストロフィー1,30,31などの筋肉疾患に応用されており、これらの患者において31歩行の損失を予測することができます。

<pクラスは、= "jove_content"> qMRIプロトコルは、ここで説明する自己免疫性炎症性筋疾患の皮膚筋炎（DM）および多発性筋炎（PM）の筋肉の状態を特徴付けるために、これらの測定値のすべてを使用しています。その再現性を含むプロトコルのさらなる詳細は、以前に32公開されています。プロトコルは、特に我々のシステムにプログラムの標準的なパルス配列ならびに無線周波数（RF）及び磁場勾配オブジェクトを含みます。著者らは、プロトコルはまた、筋萎縮、炎症、および（例えば筋ジストロフィーなど）の脂肪浸潤によって特徴付けられる他の神経筋疾患に適用可能であることを期待しています。

Protocol

注：読者は、ヒトを対象とするすべての研究は、研究におけるヒト被験者の使用のために地元の治験審査委員会（IRB）によって承認されなければならないことに留意されています。研究参加者は、提案された研究の目的、手順、リスクおよび便益を知らされなければなりません。代替治療や手順の利用可能性;報酬の可用性;やプライバシーへの権利のと彼らの同意を撤回し、彼らの参加を中止します。前MRI?…

Representative Results

図1は、多発性筋炎患者の大腿中央で取得された代表的な軸方向の解剖学的画像を示します。また、シム量の面内の突起の位置が示されています。 7 -各qMRIメソッドの代表的なパラメータマップ、同じ患者から得られた全ては、 図2に設けられています。 図2A?…

Discussion

そのような筋ジストロフィーおよび特発性炎症性筋疾患などの筋疾患は、病因で不均一で、個々のエンティティとして、その発生率は稀である疾患群で構成しています。例えば、デュシェンヌ型筋ジストロフィー-筋ジストロフィーの最も一般的な形態は、 – 1 3500でのライブ男性出生37,38の発生率を持っています。皮膚筋炎、このプロトコルを適用した100,000 39 1の発生率を有し…

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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Keywords: Quantitative MRISkeletal Muscle DiseaseNeuromuscular DiseasesInflammatory MyopathiesMuscular DystrophiesMuscle Strain InjuryMRI ProtocolInformed ConsentSafety ScreeningRF Receiver CoilMotion Limitation
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Damon, B. M., Li, K., Dortch, R. D., Welch, E. B., Park, J. H., Buck, A. K. W., Towse, T. F., Does, M. D., Gochberg, D. F., Bryant, N. D. Quantitative Magnetic Resonance Imaging of Skeletal Muscle Disease. J. Vis. Exp. (118), e52352, doi:10.3791/52352 (2016).
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