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.
Magnetic resonance imaging (MRI) er en ikke-invasiv verktøy som gir et vindu inn i hjernen og ryggmargen i både helse og sykdom. MR har revolusjonert klinisk diagnose, men det er også et verdifullt verktøy for laboratorieundersøkelse. Dyremodeller av nevrologiske skader eller sykdom gi en plattform for å forstå patofysiologien og akselerere oppdagelsen av terapi. I denne rapporten har vi demonstrere bruk av MR til en rottemodell av ryggmargsskade for å undersøke mulige biomarkører for mikro skade en bruker diffusjon tensor imaging (DTI). Den potensielle funn av tenkelig biomarkører vil hjelpe i diagnostisering og behandling av pasienter med ryggmargsskade. Disse markørene er sannsynlig å spille en rolle i oppdagelsen av behandlinger i prekliniske modeller og aktiver observasjon eller prognose i deres oversettelse til klinisk setting.
DTI er en spesialisert form for MRI som måler mikroskopisk bevegelse avvannmolekyler (dvs. diffusjon). DTI har vært særlig fordelaktig i sentralnervesystemet som skyldes tilstedeværelsen av aksoner der diffusjon er uforholdsmessig raskere langs axoner enn vinkelrett på dem, noe som gir informasjon om deres orientering og mikrostruktur sammensetning. Skalar indekser avledet fra DTI, inkludert et mål på den samlede diffusjon i vevet, betyr diffusivitet (MD), og et mål på orientering avhengighet av diffusjon, er fraksjonell anisotropi (FA) 2,3, sett omfattende programmer for å karakterisere mikrostrukturen av nervesystemet i både helse og sykdom fire. Disse beregningene har avdekket mikroskopiske vev funksjoner som er usynlig gjennom de fleste andre MR-metoder. Tidligere forsøk har vist at DTI oppdager eksterne mikro endringer i livmorhalsen ledningen etter thorax SCI i rotter 1. DTI endringer eksterne fra lesjonen sannsynlig reflektere hvordan hele ryggmargs resdammer til skade, og er potensielt en markør for sekundærskader.
Imaging rotte ryggmarg in vivo presenterer flere unike utfordringer. Mest spesielt er ryggmargen påvirket av luft bevegelse og krever nøye oppmerksomhet for å minimere bevegelse ved hjelp av flere metoder. I tidligere studier, immobilisering enheter fjernet bevegelse av ryggsøylen under skanning 5. For avbildning av livmorhals ledningen, vi utnytte fysisk tilbakeholdenhet i form av et hodeholderen og øre barer, som demper, men ikke eliminere bevegelse forårsaket av respirasjon. Videre benytter vi en tilpasset luft gating ordningen til å synkronisere bildet oppkjøpet med respirasjonssyklusen på en effektiv måte. Disse modifiseringer gjør det mulig å fjerne gjenstandene på annen måte på grunn av den store massebevegelse som følge av respirasjon 6. DWI er svært følsom for mikroskopisk bevegelse, inkludert CSF flyt og blod pulsering, og disse mindre kilder til bevegelse contamination er også mildnet av luft gating ordningen. I tillegg har ryggmargen et lite tverrsnittsareal, og representerer kun en brøkdel av synsfeltet. For nakkesøylen avbildning, hvor ryggmargen er plassert dypt inne i kroppen til dyret, er et sylindrisk radiofrekvens spole med tilstrekkelig signal penetrering er nødvendig for å avbilde cervical ryggmargen med høy oppløsning. En reduksjon i synsfeltet oppnås ved ytre volum undertrykkelse (OVS), som også tjener til å avbryte, eller ødelegge, signalet fra vev utenfor ryggmargen. Denne metoden, som kalles spoiler gradienter eller ytre volum undertrykkelse, tjener også til å redusere forurensing av gjenværende dyr bevegelse, CSF flyt, eller blod pulse innenfor disse vev.
Anordningen av ryggmargen kan også utnyttes til å forenkle avbildningsprotokollen. De ryggmargs axoner i hvit substans (WM) er nesten alle orientert parallelt med hovedaksen i ryggmargen. Thoss, mens DWI av hjernen krever målinger langs minst seks retninger for å sikre resultatene er ikke avhengig av den posisjonen innenfor magnet (en prosess som kalles diffusjon tensor imaging), målinger i ryggmargen kan erverves bare langs to retninger parallelt og vinkelrett i forhold til ledningen 7,8, heretter referert til som langsgående og tversgående, henholdsvis. Således er diffusiviteten og andre parametere målt langs de to retninger for seg og tillater slutninger i mikrostrukturen av vevet i både helse og sykdom eller skade.
Teknikkene er skissert her kan tilby høy kvalitet diffusjon vektede bilder av rotte ryggmarg in vivo. Bildekvaliteten avhenger av mange faktorer, men ryggmargen har flere unike saker som er viktige.
Bevegelse er et viktig problem at hvis dette ikke korrigeres, vil resultere i ubrukelige bilder. Dermed krever det nøye overvåking under MR-økt. Hvis bilde gjenstander er observert på første MR som er konsistent med bevegelse, stoppe oppkjøpet og iverksette tiltak for å eliminere gjenstander, siden disse er vanskelig å fjerne i etterbehandling. Sørg for at luft datamaskin mottar en sterk, vanlig signal fra luftovervåkningsenhet. Respirasjonen belte kan være nødvendig å justere for riktig spenning som gir en konsistent signal, men ikke begrenser ikke puste dyrets. Opprettholde riktig nivå av anestesi til alle tider; 1,5-2,0% isofluorane har blitt brukt i vår erfaringsutvekslingce. Likeledes, reduksjon i den totale bevegelse av dyret og ryggraden er et annet viktig aspekt for å gi artefakt frie bilder. I motsetning til den menneskelige ryggmargen, som opplever betydelig bevegelse forårsaket av CSF pulse relatert til hjertesyklusen, er CSF pulsering i gnager hovedsakelig assosiert med respirasjonssyklusen 18. Mens det er vanskelig å fullt eliminere all bevegelse i ledningen, er det spesielt viktig å redusere bevegelse i den grad det er mulig, som ofte oppnås gjennom prøving og feiling. Videre kan rotter med ulike nevrologiske skader eller lidelser har unormale puste priser eller andre fysiologiske komplikasjoner som kan kreve tilpasning av prosedyrene skissert her.
Tilpasningene i pulssekvens for luft gating, sammen med bilde gjenoppbygging prosedyrer som er skreddersydd for dette formålet, minimere effekten av forvrengning forårsaket av inhomogene magnetfelt som ikke kan fjernelseed av justeringer som utføres på MRI-system.
Tilsvarende bildekvalitet avhenger av varigheten av bildebehandling tid. I vårt eksempel å begrense antall diffusjon vekting sammen bare to retninger aktivert en reduksjon i total bilde tid. En begrensning ved denne metoden er at det ikke lenger er kompatibel med full tensor analyse (DTI), som er normen for mange andre studier. Alternativt bruke færre gjennomsnitt og flere diffusjon retninger eller b-verdier kan gi rom for bedre karakterisering og samtidig opprettholde samme oppkjøp tid. Tidligere studier har vist at to-retning tilnærming gir informasjon i samsvar med den 6-retning (DTI) tilnærming 19, men forsiktighet må tas for å sikre skiver (og diffusjon retninger) er orientert presist sammen og vinkelrett på ledningen. Imidlertid anskaffe flere b-verdier gir bedre karakterisering og matematisk montering av kurtose og anbefales fremfor bruk av en enkelt B-Value. Videre ble det full sekvens gjentatt med en omvendt fase kode retning som reduserer effekten av magnetfelt resistens gjenstander, og forbedrer den generelle bildekvaliteten gjennom gjennomsnittsberegning. Til slutt, bildeoppløsningen brukes i vår protokoll gir klart skille den hvite og grå materie. Bilder med høyere oppløsning er mulig, selv om dette ofte går på bekostning av lengre skanne ganger eller potensialet for flere gjenstander.
Forbedringer i radiofrekvens spoler, pulssekvenser, og etterbearbeidingsmetoder vil alle ha den effekten av å forbedre avbildning av ryggmargen i fremtidige tilpasninger av denne metoden. For eksempel kan overflate spoler være gunstig for forbedret bildekvalitet lik den som ble observert hos mus. 20 Disse tiltakene har en høy sannsynlighet for å være nyttig som biomarkører for diagnostikk og behandling av ryggmargsskader.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Kyle Stehlík, Natasha Wilkins, og Matt Runquist for eksperimentell hjelp. Finansiert gjennom forskning og utdanning Initiative Fund, en komponent av Advancing en sunnere Wisconsin legat ved Medical College of Wisconsin, og Craig H. Neilsen Foundation.
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 |