Quantitative Magnetresonanztomographie von Skelettmuskelerkrankung

Summary

Neuromuskuläre Erkrankungen weisen oft ein zeitlich variierenden, räumlich heterogen und vielschichtige Pathologie. Das Ziel des Protokolls ist es, diese Pathologie unter Verwendung von nicht-invasive Magnetresonanzbildgebungsverfahren zu charakterisieren.

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

Quantitative Magnetresonanztomographie (qMRI) beschreibt die Entwicklung und Verwendung von MRI zu quantifizieren physikalischen, chemischen und / oder biologischen Eigenschaften von lebenden Systemen. QMRI erfordert, dass man ein biophysikalischen Modell für das System zu übernehmen, von dem Gewebe von Interesse zusammengesetzt und einer MRI-Impulsfolge. Die Impulsfolge ist so konzipiert, um die Bilder "Signalintensitäten auf den Parameter von Interesse in dem Modell zu sensibilisieren. MRI-Signaleigenschaften (Signalgröße, Frequenz und / oder Phase) werden gemessen und analysiert nach dem Modell. Das Ziel ist, eine unvoreingenommene, quantitative Abschätzung eines physikalischen oder biologischen Parameter zu produzieren kontinuierlich verteilt, physikalische Maßeinheiten mit. Oft sind die Gleichungen, die das System beschreiben, werden auf einer Pixel-für-Pixel-Basis analysiert und eingebaut, Erzeugen eines Bildes, dessen Pixelwerte direkt die Werte der Variablen widerspiegeln. Ein solches Bild wird als ein parametrisches Karte.

Eine gemeinsame Nutzung von qMRI ist die development und Anwendung von Biomarkern. Biomarkers kann eine Krankheit Mechanismus zu untersuchen, stellen Sie eine Diagnose verwendet werden, eine Prognose zu bestimmen, und / oder eine therapeutische Reaktion zu beurteilen. Sie können die Form der Konzentrationen oder Aktivitäten von endogener oder exogener Moleküle, eine histologische Probe, eine physikalische Größe, oder ein internes Bild. Einige allgemeine Anforderungen von Biomarkern sind, dass sie objektiv eine kontinuierlich verteilte Variable unter Verwendung physikalischer Maßeinheiten messen; haben eine klare, gut verstanden Beziehung mit der Pathologie von Interesse; sind empfindlich gegenüber Verbesserung und klinischer Zustand verschlechtert; und können mit geeigneten Genauigkeit und Präzision gemessen werden. Nicht-invasive oder minimal-invasive Biomarker sind besonders wünschenswert, da sie den Komfort des Patienten zu fördern und minimal die Pathologie von Interesse stören.

Ein Ziel für die Entwicklung von bildbasierten Biomarker für Muskelerkrankung ist Muskelerkrankung in einer Weise zu reflektieren, die complementar sindy, spezifischer als mehr räumlich selektiver als, und / oder weniger invasiv als die existierenden Ansätze. Ein besonderer Vorteil der qMRI in dieser Hinsicht ist, dass sie das Potential hat, um mehrere Arten von Informationen zu integrieren und somit potentiell viele Aspekte des Krankheitsprozesses charakterisieren. Diese Fähigkeit ist sehr wichtig bei Muskelerkrankungen, die häufig eine räumlich variable komplexe Pathologie aufweisen, die Entzündung, Nekrose und / oder Atrophie mit Fettersatz, Fibrose, Störung des myofilament Gitter ( "Z-Disk-Streaming") und Membranschädigung beinhaltet . Ein weiterer Vorteil der qMRI Methoden ist, dass qualitative oder semi-quantitative Beschreibungen von Kontrast-basierten MR-Bilder spiegeln nicht nur Pathologie, sondern auch Unterschiede in der Bildaufnahmeparameter, die Hardware und die menschliche Wahrnehmung. Ein Beispiel für diese letzte Ausgabe wurde von Wokke et al., Die zeigten , dass semi-quantitative Bewertung der Fettinfiltration sind sehr variabel und häufig falsch, wHenne im Vergleich zu quantitativen Fett / Wasser – MRI (FWMRI) ^1.

Das hier beschriebene Protokoll umfasst Pulssequenzen zum Messen der Längs (T ₁₎ und Querrichtung (T ₂₎ Relaxationszeitkonstanten, quantitative Magnetisierungstransfer (QMT) Parameter, Wasserdiffusionskoeffizienten Diffusionstensors MRI (DT-MRI) verwendet und Muskelstruktur unter Verwendung von Strukturbilder und FWMRI. T ₁ wird unter Verwendung einer Inversion – Recovery – Sequenz gemessen wird , in dem der Netto – Magnetisierungsvektor invertiert und seine Größe abgetastet wird, da das System zum Gleichgewicht zurückkehrt. T ₂ wird durch wiederholtes Refokussierung transversale Magnetisierung unter Verwendung einer Folge von Refokussierungspulsen wie die Carr-Purcell-Meiboom Gill (CPMG) -Methode, und Abtasten der resultierenden Spin-Echos gemessen. T ₁ und T ₂ können Daten unter Verwendung von nicht-linearen Kurvenanpassungsverfahren analysiert werden , die entweder eine Anzahl von Expone nehmenntial Komponenten a priori (typischerweise zwischen einem und drei) oder durch eine lineare inverse Ansatz , die die beobachteten Daten zu der Summe aus einer großen Anzahl von abklingenden Exponentialfunktionen passt, in einem Spektrum von Signalamplituden führt. Dieser Ansatz erfordert eine nicht negative kleinsten Quadrate (NNLS) Lösung ³ und umfasst in der Regel zusätzliche Regularisierung stabile Ergebnisse zu erzielen. T ₁ und T ₂ Messungen wurden umfassend zu untersuchen Muskelerkrankungen und Verletzungen ^4-9 verwendet. T ₁ – Werte werden in der Regel in fett infiltriert Regionen Muskel verringert und erhöht in entzündeten Bereichen ^4-6; T ₂ -Werte werden in beiden fett infiltriert und entzündete Regionen erhöht ^10.

QMT-MRI charakterisiert das freie Wasser und feststoffartigen hochmolekularen Protonen Pools in Gewebe, indem das Verhältnis von hochmolekularen zu freien Wasserprotonen Schätzung (die Pool-Größe-Verhältnis, PSR); die intrinsische entspannenation Raten dieser Pools; und die Wechselkurse zwischen ihnen. Gemeinsame QMT Ansätze umfassen gepulste Sättigung ¹¹ und selektive Inversion – Recovery ^12,13 Methoden. Das Protokoll unten beschreibt die Verwendung des gepulsten Sättigungs Ansatz, der die breite Linienbreite des hochmolekularen Protonensignals, bezogen auf die schmale Linienbreite des Wasserprotonensignals ausnutzt. Durch die Sättigung des hochmolekularen Signal bei Resonanzfrequenzen ausreichend verschieden von dem Wassersignal, wird das Wassersignal als Folge der Magnetisierungstransfer zwischen den festen und freien Wasserprotonen Pools reduziert. Die Daten werden mit Hilfe eines quantitativen biophysikalischen Modells analysiert. QMT wurde bei gesunden Muskeln ^14,15, und eine kürzlich abstrakt erschien beschreibt seine Umsetzung in Muskelerkrankung ¹⁶ entwickelt und angewendet. QMT wurde verwendet , um kleine Tiermodelle von Muskelentzündung zu untersuchen, wobei es , dass eine Entzündung des PSR gezeigt wurde , ¹⁷ verringert. Da MTsowohl makromolekularen und Wassergehalte reflektiert, kann MT – Daten auch ^18,19 Fibrose reflektieren.

DT-MRI verwendet, um das anisotrope Diffusionsverhalten von Wassermolekülen in Geweben mit geordneten, länglichen Zellen zu quantifizieren. In DT-MRT, Wasserdiffusion in sechs oder mehr unterschiedlichen Richtungen gemessen; Diese Signale werden dann einem Tensor Modell ²⁰ ausgestattet. Der Diffusions – Tensor – D wird diagonalisiert drei Eigenwerte zu erhalten (das sind die drei Haupt Diffusivitäten) und drei Eigenvektoren (die die Richtungen entsprechend den drei Diffusionskoeffizienten angeben). Diese und andere quantitative Indizes abgeleitet von D liefern Informationen über Gewebestruktur und die Orientierung auf einer mikroskopischen Ebene. Die Diffusionseigenschaften der Muskeln, insbesondere der dritte Eigenwert von D und der Grad der Diffusions Anisotropie reflektieren Muskelentzündung ¹⁷ und Muskelschäden aufgrund experimenteller Schädigung ²1, Strain Injury ²² und Krankheit ^23,24. Andere mögliche Einflüsse auf die Diffusionseigenschaften des Muskels gehören unter anderem Veränderungen in der Zelldurchmesser ²⁵ und Membran – Permeabilität ändert.

Schließlich Muskelatrophie, ohne oder ohne makroskopische Fettinfiltration, ist eine pathologische Komponente vieler Muskelerkrankungen. Muskelschwund kann mit Strukturbilder ausgewertet werden Muskelquerschnittsfläche oder das Volumen und FW-MRI zu messen Fettinfiltration zu bewerten. Fettinfiltration kann qualitativ in T ₁ beschrieben – und T ₂ -gewichteten Bilder ^26, aber Fett und Wasser Signale werden am besten gemessen durch Erzeugen von Bildern, das die verschiedenen Resonanzfrequenzen von Fett und Wasserprotonen ^27-29 auszunutzen. Quantitative Fett / Wasser – Bildgebungsverfahren wurden in Muskelerkrankungen wie Muskeldystrophie ^1,30,31, angewendet und der Verlust der Gehfähigkeit in diesen ³¹ Patienten vorhersagen kann.

<pclass = "jove_content"> Die hier beschriebene Protokoll verwendet qMRI all dieser Messungen Muskelzustand in den Autoimmunentzündungs ​​Myopathien Dermatomyositis (DM) und Polymyositis (PM) zu charakterisieren. Weitere Einzelheiten des Protokolls, einschließlich der Reproduzierbarkeit wurden zuvor ³² veröffentlicht. Das Protokoll umfasst Standard-Pulssequenzen sowie Radiofrequenz (RF) und Magnetfeldgradienten Objekte speziell auf unseren Systemen programmiert. Die Autoren gehen davon aus, dass das Protokoll in anderen neuromuskulären Erkrankungen, die durch Muskelschwund, Entzündungen gekennzeichnet, anwendbar ist, und Fettinfiltration (wie die Muskeldystrophien).

Protocol

HINWEIS: Der Leser wird darauf hingewiesen, dass alle Forschung am Menschen muß von der lokalen für die Nutzung von Human Subjects in Forschung Institutional Review Board (IRB) genehmigt werden. Forschung Teilnehmer müssen der Zweck, Verfahren, Risiken informiert werden und Nutzen der vorgeschlagenen Forschung; die Verfügbarkeit von alternativen Behandlungen oder Verfahren; die Verfügbarkeit der Vergütung; und ihre Rechte auf Privatsphäre und ihre Zustimmung zu entziehen und beenden ihre Teilnahme. Vor der MRI-Test-Session, ein Ermit…

Representative Results

Abbildung 1 zeigt repräsentative axiale anatomische Bilder an der Mitte des Oberschenkels eines Patienten mit Polymyositis erworben. Ebenfalls gezeigt ist die Lage des in-plane Vorsprung des Shimvolumen. Repräsentative Parameterkarten für jede qMRI Methode, die alle aus dem gleichen Patienten erhalten werden , werden aus den Figuren bereitgestellt 2 – 7. Die 2A</str…

Discussion

Muskelerkrankungen wie die Muskeldystrophien und idiopathische entzündliche Myopathien bilden der Gruppe von Krankheiten, die in Ätiologie und als individuelle Einheiten, selten in ihrer Häufigkeit heterogen sind. Zum Beispiel, Muskeldystrophie Duchenne – die häufigste Form der Muskeldystrophie – hat eine Inzidenz von 1 zu 3'500 bei männlichen Neugeborenen ^37,38; Dermatomyositis, zu dem dieses Protokoll angewendet wurde, hat eine Inzidenz von 1 in 100.000 ^39. Je höher kollektive Auftreten…

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