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.
הדמיה בתהודה מגנטית (MRI) היא כלי לא פולשנית המספק חלון לתוך המוח וחוט השדרה בשני בריאות ובחוליים. MRI יש מהפכה אבחנה קלינית, אבל זה גם כלי רב ערך לחקירה במעבדה. מודלים של בעלי החיים של פציעה או מחלה נוירולוגית לספק פלטפורמה להבין את הפתופיזיולוגיה ולהאיץ את הגילוי של טיפולים. בדוח זה, אנחנו מדגימים את היישום של MRI למודל עכברים של פגיעה בחוט השדרה כדי לחקור סמנים ביולוגיים פוטנציאליים של פגיעת microstructural 1 באמצעות הדמיה המותחת דיפוזי (DTI). גילוי הפוטנציאל של סמנים ביולוגיים הדמיה יעזור באבחון ובטיפול בחולים עם פגיעה בחוט השדרה. סמנים אלה עשויים לשחק תפקיד בגילוי טיפולים במודלים פרה ולאפשר תצפית או הפרוגנוזה בתרגומם להגדרה הקלינית.
DTI הוא צורה מיוחדת של MRI שמודדת תנועה מיקרוסקופית שלמולקולות מים (כלומר דיפוזיה). DTI היה יתרון במיוחד במערכת העצבים בשל נוכחותם של האקסונים בהם פיזור הוא באופן לא פרופורציונאלי מהר יותר לאורך האקסונים מאשר בניצב להם, המספקת מידע בנוגע לאורינטציה שלהם והרכב microstructural. מדדי סקלר נגזרים מDTI, כולל מידה של דיפוזיה הכוללת בתוך הרקמה, אומר diffusivity (MD), ומידה מסוימת של תלות הכיוון של דיפוזיה, אנאיזוטרופיה השבר (FA) 2,3, ראו יישומים נרחבים באפיון מיקרו של מערכת העצבים בשתי בריאות ומחלות 4. מדדים אלה חשפו תכונות רקמה מיקרוסקופיות שהם בלתי נראים ברוב שיטות MRI אחרות. מאמצים קודמים הראו כי DTI מזהה שינויי microstructural מרוחקים בתוך חוט צוואר הרחם הבא SCI בית החזה בחולדות 1. שינויי DTI מרוחק מהנגע סביר משקפים כיצד מיל חוט השדרה כולובריכות לפציעה, והם עלולים להיות סמן של פגיעה משנית.
ההדמיה חוט השדרה עכברוש in vivo מציגה מספר אתגרים ייחודיים. בעיקר, חוט השדרה מושפע מתנועה בדרכי הנשימה ודורש תשומת לב קפדנית כדי למזער תנועה במספר שיטות. במחקרים האחרונים, התקני קיבוע הוסרו תנועה של עמוד השדרה במהלך סריקת 5. להדמיה של חוט צוואר הרחם, אנו מנצלים ריסון פיזי בצורה של בעל ראש וברים אוזן, אשר פוחת, אך אינו מונעים את התנועה הנגרמת על ידי נשימה. יתר על כן, אנו מנצלים ערכת gating נשימה מותאמת אישית כדי לסנכרן רכישת תמונה עם מחזור הנשימה באופן יעיל. שינויים אלה מאפשרים הסרת החפצים שנגרמו אחרת על ידי התנועה בתפזורת בקנה מידה גדולה הנגרמת על ידי נשימה 6. DWI הוא רגיש מאוד לתנועה מיקרוסקופית, כוללים זרימת CSF ופעימת דם, ומקורות אלה קטנים יותר של תנועת contamination גם להקל על ידי תכנית gating נשימה. בנוסף, יש לו את חוט השדרה באזור חתך קטן ומייצג רק חלק קטן משדה הראייה. הדמיה בעמוד השדרה הצווארי, שבחוט השדרה ממוקם עמוק בתוך גופו של בעל החיים, סליל בתדר רדיו גלילי עם חדירת אות מספקת יש צורך לתמונת חוט השדרה הצווארי עם רזולוציה גבוהה. ירידה בשדה הראייה מושגת על ידי דיכוי חיצוני נפח (OVS), המשמש גם לביטול, או לקלקל, האות מרקמות מחוץ לחוט השדרה. שיטה זו, הנקראת הדרגתיים ספוילר או דיכוי נפח חיצוני, משמשת גם כדי להפחית את זיהום כלשהו של תנועת שייר בעלי חיים, זרימת CSF, או פעימת דם בתוך רקמות אלה.
ההסדר של חוט השדרה יכול גם להיות מנוצל כדי לפשט את פרוטוקול ההדמיה. אקסונים בחוט השדרה בחומר הלבן (WM) הם כמעט כל כיוון מקביל לציר המרכזי של חוט השדרה. השלנו, ואילו DWI של המוח דורש מדידות לאורך לפחות 6 כיוונים כדי להבטיח את התוצאות אינן תלויות במיקום בתוך המגנט (הדמיה מותחת דיפוזי תהליך הנקרא), ניתן לרכוש מדידות בחוט השדרה רק לאורך 2 כיוונים מקבילים ו בניצב לכבל 7,8, המכונה אורך ורוחב, בהתאמה להלן. לפיכך, diffusivity ופרמטרים נוספים נמדדים לאורך 2 הכיוונים בנפרד ולאפשר הסקת מסקנות למייקרו הרקמה בשתי בריאות ומחלה או פציעה.
הטכניקות המתוארות כאן יכולות לספק תמונות משוקללים דיפוזיה באיכות גבוהה של חוט השדרה עכברוש in vivo. איכות תמונה תלויה בגורמים רבים, אבל יש לו את חוט השדרה כמה סוגיות ייחודיות שחשובות.
תנועה היא בעיה חשובה, שאם לא יתוקן, יביא תמונות לא שמיש. לכן, זה דורש מעקב קפדני במהלך פגישת MRI. אם חפצי תמונה הם נצפו בסריקה הראשונית שעולות בקנה אחד עם תנועה, לעצור את הרכישה ולנקוט בצעדים כדי למנוע את החפצים, שכן אלה הם קשים להסיר שבלאחר עיבוד. ודא שהמחשב בדרכי הנשימה מקבל אות חזקה, קבועה מיחידת ניטור הנשימה. חגורת הנשימה ייתכן שתצטרך להיות מותאם למתח הנכון שמספק אות עקבית אך אינו מגביל את נשימתו של בעל החיים. לשמור על הרמה המתאימה של הרדמה בכל העת; isofluorane 1.5-2.0% כבר בשימוש בexperience. כמו כן, ירידה בתנועה הכוללת של בעלי החיים והעמוד השדרה היא היבט חשוב נוסף כדי לספק תמונות ללא ממצא. בניגוד לחוט השדרה של האדם, שחווה תנועה משמעותית שנגרמה על ידי פעימת CSF הקשורים למחזור הלב, פעימת CSF במכרסמים היא בעיקר קשורה עם המחזור 18 בדרכי הנשימה. בעוד שקשה לחסל את כל התנועה בכבל באופן מלא, זה חשוב במיוחד כדי להפחית את התנועה לאשר מושגת לעתים קרובות באמצעות ניסוי וטעייה, במידת האפשר,. יתר על כן, חולדות עם פגיעות נוירולוגיות שונות או הפרעות עשויות להיות שיעורים חריגים בדרכי הנשימה או סיבוכים פיסיולוגיים אחרים שעשויות לדרוש adaption של הנהלים המפורטים במסמך זה.
השינויים ברצף הדופק לgating נשימה, יחד עם נהלי שחזור תמונה מותאמים למטרה זו, למזער את ההשפעות של עיוות שנגרמו על ידי שדות מגנטיים הומוגניות שלא יכול להיות removאד על ידי התאמות שבוצעו במערכת MRI.
באופן דומה, איכות תמונה תלויה על משך זמן הדמיה. בדוגמא שלנו, המגביל את מספר שקלול דיפוזיה יחד רק שני כיוונים אפשר הפחתה בסך הכל זמן הדמיה. הגבלה של גישה זו היא שזה כבר לא בקנה אחד עם ניתוח מלא מותח (DTI), המהווה את הנורמה עבור מחקרים רבים אחרים. לחלופין, באמצעות פחות ממוצעים ועוד כיווני דיפוזיה או ב-ערכים עשויים לאפשר לאפיון טוב יותר תוך שמירה על אותו זמן רכישה. מחקרים קודמים הראו כי גישת 2-הכיוון מספקת מידע בקנה אחד עם גישת 6-כיוון (DTI) 19, אך יש להקפיד על מנת להבטיח את הפרוסות (וכיווני דיפוזיה) מכוונים בדיוק לאורך ומאונך לחוט. עם זאת, רכישה ב-ערכים מרובים מאפשרת לאפיון והתאמה מתמטית של גבנוני טובים יותר ומומלצת על השימוש בב-valu אחתדואר. יתר על כן, הרצף המלא חזר על עצמו עם כיוון לקודד שלב הפוך אשר מפחית את ההשפעות של חפצי רגישות שדה מגנטי, ומשפר את איכות תמונה הכוללת באמצעות מיצוע. לבסוף, רזולוציית התמונה בשימוש בפרוטוקול שלנו מספקת הפרדה ברורה של החומר הלבן ואפור. תמונות עם רזולוציה גבוהה יותר אפשריות, אם כי זה מגיע לעתים קרובות על חשבון זמני סריקה ארוכים או הפוטנציאל ליותר חפצים.
שיפורים בסלילים בתדר רדיו, רצפי דופק, ושיטות שלאחר העיבוד יהיה כל מה שיש השפעה של שיפור הדמיה של עמוד השדרה בעיבודים עתידיים של שיטה זו. לדוגמא, סלילי משטח עשויים להיות מועילים עבור שיפור באיכות תמונה דומה לזה שנצפה בעכברים. יש 20 צעדים אלה סבירות גבוהה להיות שימושי כסמנים ביולוגיים לאבחון וניהול קליניים של פגיעות בעמוד השדרה.
The authors have nothing to disclose.
אנו מודים לקייל שטליק, נטשה וילקינס, ומאט Runquist לסיוע ניסיוני. ממומן באמצעות המחקר וחינוך יוזמת הקרן, מרכיב של קידום התרומה בריא ויסקונסין במכללה הרפואית של ויסקונסין, וקרייג H. נילסן הקרן.
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 |