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Medicina

골격근 질환의 정량적 자기 공명 영상

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

신경 근육 질환은 종종 다양한 시간적, 공간적으로 불균일하고, 다방면 병변을 나타낸다. 이 프로토콜의 목적은 비 침습 자기 공명 영상 법을 이용하여이 병변을 특성화한다.

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

양 자기 공명 영상 (qMRI)는 물리적, 화학적 정량화 개발 및 MRI의 사용을 설명하고 / 또는 생명체의 생물학적 특성. QMRI 한 관심 조직 및 MRI 펄스 시퀀스로 구성된 시스템의 생물 리 학적 모델을 채용하는 것이 필요하다. 펄스 시퀀스는 모델에 대한 관심의 파라미터로 영상 '신호 세기 민감하도록 설계되었다. MRI 신호 특성 (신호 강도, 주파수, 및 / 또는 위상) 모델에 따라 측정되고 분석된다. 목표는 지속적으로 측정 한 분산 된 물리적 단위를 갖는 물리적 또는 생물학적 파라미터의 바이어스 정량적 추정치를 생성한다. 종종 시스템을 기술하는 방정식을 분석하고, 그 화소 값을 직접 변수의 값을 반영하여 이미지를 생성하는 화소 단위에 장착된다. 이러한 화상은 파라미터 맵으로 지칭된다.

qMRI의 일반적인 사용은 D이다evelopment 및 바이오 마커의 응용 프로그램입니다. 바이오 마커는 질병 메카니즘을 조사 진단을 확립 예후를 결정 및 / 또는 치료 학적 반응을 평가하기 위해 사용될 수있다. 이들은 내인성 또는 외인성 분자, 조직 학적 표본 물리량, 또는 내부 화상의 농도 또는 활동의 형태를 취할 수있다. 바이오 마커의 일반적인 요건은 객관적 측정의 물리적 단위를 사용하여 연속적으로 분산 변수를 측정한다는 것이다; 관심의 병리와 명확하고 잘 이해 관계를 가지고; 에 대한 개선과 임상 상태의 악화에 민감하다; 적합한 정확도와 정밀도로 측정 할 수있다. 그들은 환자의 편안함을 촉진하고 최소한의 관심의 병리를 방해로 비 침습적 또는 최소 침습 바이오 마커는, 특히 바람직하다.

근육 질환 이미지 기반 바이오 마커를 개발하기위한 목표 complementar있는 방법 근육 질환을 반영하는 것이다Y, 더욱보다 구체적 더 이상 선택적 공간적 및 / 또는 기존의 방법보다 덜 침습적. 이와 관련 qMRI의 한 가지 특별한 장점은 여러 가지 유형의 정보를 통합하고, 이에 따라 잠재적으로 질병 과정의 많은 부분을 특성화하는 잠재력을 가지고있다. 이 기능은 자주 지방 교체, 섬유증의 myofilament 격자 ( "Z 디스크 스트리밍")의 중단, 그리고 막 손상과 염증, 괴사 및 / 또는 위축을 포함하는 공간적 변수, 복잡한 병리학을 전시하는 근육 질환에서 매우 중요하다 . qMRI 방법의 또 다른 이점은 대조 계 MR 이미지의 질적 또는 반 정량적 인 설명이 아니라 병리학뿐만 아니라, 화상 취득 파라미터 하드웨어의 차이, 그리고 인간의 지각을 반영한다는 것이다. 이 마지막 문제의 예는 Wokke 등., 지방 침투의 반 정량적 평가 승, 매우 다양하고 자주 잘못된 것으로 나타났다에 의해 입증되었다양적 지방 / 물 MRI (FWMRI)에 비해 암탉 1.

여기에 설명되는 프로토콜 (QMT) 파라미터, 확산 텐서 MRI (DT-MRI)를 사용하여 수분 확산 계수, 그리고 근육의 구조를 사용하여 길이 (T 1)와 횡 방향 (T 2) 완화 시간 상수 정량적 자화 전송을 측정하기위한 펄스 시퀀스를 포함 구조적인 이미지와 FWMRI. T 1 순 자화 벡터가 반전되고 시스템은 평형 상태로 복귀하여 그 크기로 샘플링하는 반전 회수 시퀀스를 사용하여 측정된다. T 2는 반복적으로 같은 카 – 퍼셀 카르 · 퍼 어셀 · 메이 붐 · 길 (CPMG) 방법으로 재조명 펄스의 기차를 이용하여 가로 자화를 재조명하고, 생성 된 스핀 에코를 샘플링하여 측정한다. T 1 및 T 2 데이터 expone들을 가정 중 비 – 선형 곡선 피팅 방법을 사용하여 분석 될 수있다ntial 성분 사전 (일반적으로 하나 내지 3 개) 또는 신호의 진폭 스펙트럼의 결과 감쇠 지수 함수의 다수의 합 관측 데이터에 맞는 선형 역 방식을 사용하여이. 이 방법은 적어도 음이 아닌 사각 (NNLS) 용액 3을 요구하고 전형적 안정적인 결과를 생성하기 위해 추가 정규화를 포함한다. T 1과 T 2 측정 널리 근육 질환 및 부상 4-9을 연구하는 데 사용되었다. T 1 값은 일반적으로 근육의 지방 침투 지역에서 감소 및 염증 지역 4-6에서 증가된다 T 2 값은 모두 지방 침투 및 염증 영역 (10)에서 증가된다.

QMT-MRI 무료 물 양성자 (풀 크기 비율, PSR)에 고분자의 비율을 추정하여 조직에서 무료로 물과 고체와 같은 거대 분자 양자 풀을 특징; 휴식 고유이 풀의 ATION 속도; 그들 사이의 환율. 일반 QMT 방식은 펄스 채도 (11)와 선택적 반전 복구 12,13 방법을 포함한다. 프로토콜은 아래의 물 양성자 신호의 좁은 선폭에 대하여 거대 분자 양자 신호의 넓은 선폭을 이용한다 펄스 포화 접근법의 사용을 설명한다. 수분 신호로부터 충분히 서로 다른 공진 주파수에서의 거대 분자 신호를 포화시킴으로써, 수분 신호는 고체없는 물 양성자 풀 간의 자화 전달의 결과로서 감소된다. 데이터는 양적 생물 리 학적 모델을 사용하여 분석한다. QMT 개발하고 건강한 근육 14, 15에 적용하고, 최근의 추상적 인 근육 질환 (16)의 구현을 설명 등장하고있다. 이 염증은 PSR (17)를 감소 함을 보였다 특징 QMT는 근육 염증의 작은 동물 모델을 연구하는 데 사용되었습니다. 진대 MT로거대 분자와 물 모두 내용을 반영, MT 데이터는 섬유증 (18, 19)을 반영 할 수있다.

DT-MRI 주문시, 신장 세포 조직 내의 물 분자의 이방성 확산 동작을 정량화하는데 사용된다. DT-MRI에서 물의 확산은 6 개 이상의 상이한 방향에서 측정되고; 이 신호는 다음 텐서 모델 (20)에 장착되어 있습니다. 확산 텐서, D는 (세 가지 주요 확산율 있습니다) 세 가지 고유하고 (세 확산 계수에 대응하는 방향을 나타냅니다) 세 개의 고유 벡터를 얻기 위해 대각된다. D로부터 유도 및 다른 계량 지수 현미경 수준에서의 조직 구조 및 방향에 대한 정보를 제공한다. 근육의 확산 성, 특히 D의 제 3 고유 확산 이방성의 정도는, 실험 인해 손상이 염증에 근육 (17) 및 근육 손상을 반영1, 스트레인 부상 (22), 질병 (23, 24). 근육의 확산 특성에 다른 잠재적 인 영향은 기포 직경 (25)과 막 투과성의 변화의 변화를 포함한다.

마지막으로, 근육의 위축, 또는 육안없이 지방 침투없이 많은 근육 질환의 병리학 적 성분이다. 근육 위축 지방산 침투 평가 근육 단면적이나 부피 FW-MRI를 측정하는 구조의 이미지를 이용하여 평가 될 수있다. 지방 침윤 정성 T 1에서 설명 될 수있다 – 및 T (2)는 이미지 (26)를 -weighted하지만, 지방과 물 신호가 가장 지방과 물 양성자 27-29의 서로 다른 공진 주파수를 이용하는 이미지를 형성함으로써 측정된다. 양 지방 / 물 촬상 방법은 근이영양증 1,30,31으로 근육 질환으로 적용되었으며, 이들 환자 31 보행의 손실을 예측할 수있다.

<p= "jove_content"클래스> 여기서 설명 qMRI 프로토콜은 면역 염증성 근육 병증의 피부 근염 (DM) 및 다발성 근염 (PM) 근육 상태를 특성화하기 위해 이러한 측정을 모두 사용한다. 그 재현성을 포함하여 프로토콜의 더 자세한 사항은, 이전에 32 발표되었다. 프로토콜은 특히 우리의 시스템 표준 프로그래밍 펄스 시퀀스들뿐만 아니라 무선 주파수 (RF) 및 자기장 그래디언트 오브젝트를 포함한다. 저자는 프로토콜 (예, 근육 이영양증 등) 근육 위축증, 염증, 지방 침윤을 특징으로 다른 신경 근육 질환에 적용 할 수있는 것은 예상된다.

Protocol

참고 : 독자가 인체를 이용한 모든 조사 연구에서 인간 주제의 사용에 대한 지역 임상 시험 심사위원회 (IRB)의 승인을 받아야 것을 상기한다. 연구 참가자는 제안 된 연구의 목적, 절차, 위험과 혜택을 통보해야합니다; 대체 치료 또는 절차의 가용성; 보수의 가용성; 및 개인 정보 보호에 대한 자신의 권리 및 동의를 철회하고 참여를 중단합니다. MRI를 테스트 세션에 앞서, IRB 승인 동의서 문서 (ICD)와 전위 연구 참?…

Representative Results

그림 1은 다발성 근염 환자의 허벅지 중간에서 획득 대표 축 해부학 적 이미지를 보여줍니다. 또한 심 량의 면내 돌기의 위치가 도시되어있다. 7 – 각 qMRI 방법에 대한 대표 매개 변수지도,이 같은 환자에서 얻은 모두는, 그림 2에서 제공된다. 도 2a 및도 2b는 각각 ?…

Discussion

등 근육 이영양증 및 특발성 염증성 근육 병증 등 근육 질환은 발생 희귀, 개별 기관으로, 원인에 이기종 및 질병의 그룹으로 구성한다. 예를 들어, 뒤 시엔 느 근이영양증 – 근육 영양 장애의 가장 흔한 형태는 – 1 3500 라이브 남성 출산 37, 38를의 발생률이있다; 피부 근염,이 프로토콜이 적용된에, 10 39 (1)의 발생률이 있습니다. 이 질병의 높은 집단 발생하지만, 그 종종 병적 징후 중…

Declarações

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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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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