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.
L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil non invasive qui offre une fenêtre dans le cerveau et la moelle épinière à la fois dans la santé et la maladie. IRM a révolutionné le diagnostic clinique, mais il est aussi un outil précieux pour les examens de laboratoire. Des modèles animaux de lésion neurologique ou d'une maladie fournissent une plate-forme pour comprendre la physiopathologie et accélérer la découverte de thérapies. Dans ce rapport, nous démontrons l'application de l'IRM à un modèle de rat de blessures de la moelle épinière pour enquêter sur des biomarqueurs potentiels de blessures microstructure 1 en utilisant l'imagerie du tenseur de diffusion (DTI). Le potentiel de découverte de biomarqueurs d'imagerie aidera dans le diagnostic et la gestion des patients atteints de lésions de la moelle épinière. Ces marqueurs sont susceptibles de jouer un rôle dans la découverte de thérapies dans des modèles précliniques et permettre l'observation ou le pronostic dans leur traduction au milieu clinique.
DTI est une forme spécialisée de l'IRM qui mesure le mouvement microscopiquemolécules d'eau (ce est à dire de diffusion). DTI a été particulièrement avantageux dans le système nerveux en raison de la présence d'axones où la diffusion est disproportionnée plus rapide le long des axones que perpendiculaire, qui fournit des informations au sujet de leur orientation et la composition de la microstructure. Indices scalaires dérivés de DTI, y compris une mesure de la diffusion globale dans le tissu, diffusivité (MD), et une mesure de la dépendance de l'orientation de la diffusion moyenne, anisotropie fractionnelle (FA) 2,3, ont vu des applications étendues dans la caractérisation de la microstructure du système nerveux à la fois la santé et la maladie 4. Ces mesures ont révélé des caractéristiques tissulaires microscopiques qui sont invisibles dans la plupart des autres méthodes d'IRM. Les efforts précédents ont démontré que DTI détecte les changements de microstructure à distance dans la moelle cervicale suivante thoracique chez les rats une SCI. Les changements DTI à distance de la lésion reflètent probablement la façon dont tout le res de la moelle épinièreétangs d'une blessure, et sont potentiellement un marqueur de blessure secondaire.
L'imagerie de la moelle épinière de rat in vivo présente plusieurs défis uniques. Plus particulièrement, la moelle épinière est touchée par le mouvement respiratoire et nécessite une attention particulière à minimiser le mouvement en utilisant plusieurs méthodes. Dans des études antérieures, dispositifs d'immobilisation enlevés mouvement de la colonne vertébrale pendant le balayage 5. Pour l'imagerie de la moelle cervicale, nous utilisons la contention physique sous la forme d'un support de tête et barres d'oreilles, qui atténue, mais ne élimine pas les mouvements respiratoires. En outre, nous utilisons un système de synchronisation respiratoire personnalisée pour synchroniser l'acquisition d'images avec le cycle respiratoire d'une manière efficace. Ces modifications permettent l'enlèvement des objets autrement causées par le mouvement en vrac à grande échelle causés par la respiration 6. DWI est très sensible au mouvement microscopique, y compris l'écoulement de CSF et la pulsation du sang, et ces petites sources du mouvement contamination sont également atténuées par le système de synchronisation respiratoire. En outre, la moelle épinière a une petite aire de section transversale et ne représente qu'une fraction du champ de vision. Pour l'imagerie de la colonne cervicale, dans laquelle la moelle épinière est située profondément dans le corps de l'animal, une bobine de radiofréquence cylindrique avec une pénétration adéquate du signal est nécessaire pour l'image de la moelle épinière cervicale avec une grande résolution. Une réduction du champ de vision est obtenu par la suppression de volume extérieur (OVS), qui sert également à annuler, ou gâcher, le signal à partir de tissus à l'extérieur de la moelle épinière. Ce procédé, appelé spoiler gradients de suppression ou de volume extérieur, sert également à réduire la contamination résiduelle de mouvement des animaux, les flux de CSF, ou pulsation du sang dans ces tissus.
L'agencement de la moelle épinière peut également être exploitée pour simplifier le protocole d'imagerie. Les axones de la moelle épinière dans la substance blanche (WM) sont presque toutes orientées parallèlement à l'axe principal de la moelle épinière. Thnous, alors que DWI du cerveau nécessite des mesures long d'au moins six directions pour se assurer que les résultats ne dépendent pas de la position au sein de l'aimant (un processus appelé tenseur de diffusion imagerie), les mesures de la moelle épinière peuvent être acquises uniquement le long de deux directions parallèles et perpendiculaire à la corde 7,8, ci-après dénommé longitudinal et transversal, respectivement. Ainsi, la diffusivité et d'autres paramètres sont mesurés le long des deux directions séparément et permettent des inférences dans la microstructure du tissu à la fois dans la santé et la maladie ou une blessure.
Les techniques décrites ici peuvent fournir diffusion de haute qualité des images pondérés de la moelle épinière de rat in vivo. La qualité d'image dépend de nombreux facteurs, mais la moelle épinière a plusieurs questions uniques qui sont importants.
Motion est un problème important que si ne est pas corrigé, se traduira par des images inutilisables. Ainsi, il nécessite une surveillance attentive pendant la session IRM. Si les artefacts d'images sont observées sur l'analyse initiale qui sont compatibles avec le mouvement, arrêter l'acquisition et prendre des mesures pour éliminer les artefacts, puisque ceux-ci sont difficiles à enlever en post-traitement. Assurez-vous que l'ordinateur respiratoires reçoit un signal fort, régulier de l'unité de surveillance respiratoire. La ceinture de la respiration peut être nécessaire d'ajuster la tension correcte qui fournit un signal compatible, mais ne limite pas la respiration de l'animal. Maintenir le niveau approprié de l'anesthésie en tout temps; 1,5 à 2,0% isofluorane a été utilisé dans notre expéCE. De même, la réduction du mouvement global de l'animal et la colonne vertébrale est un autre aspect important de fournir des images sans artefact. Contrairement à la moelle épinière humaine, qui connaît beaucoup de mouvement causée par CSF pulsation liées au cycle cardiaque, CSF pulsation dans le rongeur est principalement associé avec le cycle respiratoire 18. Même se il est difficile d'éliminer totalement tout mouvement dans le cordon, il est particulièrement important de réduire le mouvement dans la mesure du possible, qui est souvent réalisé par essai et erreur. En outre, les rats avec diverses blessures ou des troubles neurologiques peuvent avoir des taux respiratoires anormaux ou d'autres complications physiologiques qui peuvent nécessiter l'adaptation des procédures décrites ici.
Les modifications apportées à la séquence d'impulsions pour la synchronisation respiratoire, ainsi que les procédures de reconstruction d'image adaptés à cet effet, minimiser les effets de distorsion causés par les champs magnétiques non homogènes qui ne peuvent être REMOVed par des ajustements effectués sur le système d'IRM.
De même, la qualité de l'image dépend de la durée du temps de formation d'image. Dans notre exemple, limiter le nombre de pondération de diffusion long seulement deux directions a permis une réduction du temps d'imagerie totale. Une limitation de cette approche est qu'elle ne est plus compatible avec une analyse complète de tenseur (DTI), qui est la norme pour beaucoup d'autres études. Alternativement, en utilisant moins de moyennes et plusieurs directions de diffusion ou b valeurs peuvent permettre une meilleure caractérisation tout en maintenant le même temps d'acquisition. Des études antérieures ont montré que l'approche 2 direction fournit des informations conforme à l'approche 6-direction (DTI) 19, mais les soins doivent être prises pour se assurer que les tranches (et directions de diffusion) sont orientées précisément le long et perpendiculairement à la corde. Toutefois, l'acquisition de plusieurs valeurs b permet une meilleure caractérisation et montage mathématique de l'aplatissement et est recommandée sur l'utilisation d'un seul b-Value. En outre, la séquence complète a été répété avec une direction de codage de phase inversée qui réduit les effets du champ magnétique artéfacts de susceptibilité, et améliore la qualité globale de l'image par le biais de la moyenne. Enfin, la résolution de l'image utilisée dans notre protocole permet une séparation claire de la matière grise et blanche. Images avec une résolution plus élevée sont possibles, bien que cela se fait souvent au détriment des plus longs temps de scan ou le potentiel d'artefacts.
L'amélioration de bobines de radiofréquence, des séquences d'impulsions, et des procédés de post-traitement auront tous pour effet d'améliorer l'imagerie de la moelle épinière dans des adaptations ultérieures de la présente méthode. Par exemple, les bobines de surface peuvent être bénéfiques pour améliorer la qualité d'image similaire à celle observée chez les souris. 20 Ces mesures ont une forte probabilité d'être utile en tant que biomarqueurs pour le diagnostic et la gestion clinique des lésions de la moelle épinière.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions Kyle Stehlik, Natasha Wilkins, et Matt Runquist d'assistance expérimentale. Financé par la Fondation Craig H. Neilsen Fonds Initiative pour l'éducation, une composante de l'avancement une dotation sain Wisconsin au Medical College of Wisconsin de la recherche et, et.
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 |