Summary

Количественный магнитно-резонансная томография скелетных мышечных заболеваний

Published: December 18, 2016
doi:

Summary

Нервно заболевания часто демонстрируют, изменяющуюся во времени пространственно неоднородной, и многогранный патологии. Целью данного протокола является характеристика этой патологии с использованием неинвазивных магнитных методов резонансной томографии.

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

Количественный магнитно-резонансная томография (qMRI) описывает развитие и использование МРТ для количественного определения физических, химических и / или биологических свойств живых систем. QMRI требует, чтобы один принять биофизической модель для системы, состоящей из интересующей ткани и последовательности импульсов МРТ. Последовательность импульсов предназначен для информирования интенсивности сигнала образы 'параметру интереса к модели. МРТ свойства сигнала (амплитуды сигнала, частоты и / или фазы) измеряются и анализируются в соответствии с моделью. Цель состоит в том, чтобы произвести объективную, количественную оценку физического или биологического параметра, имеющего непрерывно распределенные, физические единицы измерения. Часто уравнения, описывающие систему анализируются и устанавливаются на основе пиксель за пикселем, создавая изображение, значения которого пикселя непосредственно отражают значения переменной. Такое изображение называется параметрической карте.

Обычное использование qMRI является dАЗВИТИЕ и применение биомаркеров. Биомаркеры могут быть использованы для исследования механизма заболевания, установить диагноз, определить прогноз, и / или оценить терапевтический ответ. Они могут принимать форму концентрации или деятельности эндогенных или экзогенных молекул, гистологического образца, физическая величина, или внутренний образ. Некоторые общие требования биомаркеров, что они объективно измерять непрерывно распределенной переменной с использованием физических единиц измерения; иметь четкий, хорошо понимают взаимоотношения с патологией интересов; чувствительны к улучшению и к ухудшению клинического состояния; и может быть измерена с подходящей точностью и точностью. Неинвазивные или минимально инвазивные биомаркеры особенно желательно, так как они способствуют комфорт пациента и минимально нарушать патологии интерес.

Цель разработки изображений на основе биомаркеров для болезни мышц, чтобы отразить болезнь мышц способами, которые комплементарнаяу к, более конкретно, чем, более пространственно селективным, чем, и / или менее инвазивными, чем существующие подходы. Одно главное преимущество qMRI в этой связи является то, что она имеет потенциал для интеграции нескольких типов информации и, таким образом, потенциально характеризуют многие аспекты процесса заболевания. Эта способность очень важна в мышечных заболеваний, которые часто обнаруживают пространственно переменную, сложную патологию, которая включает воспаление, некроз и / или атрофии с заменой жира, фиброз, нарушение функций myofilament решетки ( "Z-диска потоковой передачи"), а также повреждение мембраны , Еще одним преимуществом методов qMRI является то, что качественные или Полуколичественные описания контраста на основе МР-изображений отражают не только патологии, но и различия в параметрах захвата изображений, аппаратные средства, и человеческое восприятие. Примером этого последнего вопроса была продемонстрирована Wokke и др., Который показал , что Полуколичественные оценки жировой инфильтрации весьма разнообразны и часто неправильно, WКурица по сравнению с количественным MRI жира / воды (FWMRI) 1.

Протокол , описанный здесь , включает в себя последовательности импульсов для измерения продольной (T 1) и поперечные (T 2) постоянные времени релаксации, количественного переноса намагниченности (QMT) параметры, коэффициенты диффузии воды с использованием тензора диффузии МРТ (ДТ-МРТ), а также структура мышц с использованием структурные изображения и FWMRI. T 1 измеряют с помощью последовательности инверсии восстановления, в которой суммарный вектор намагниченности перевернутую и его величина дискретизируется как система возвращается в состояние равновесия. Т 2 измеряется многократно перефокусировав поперечной намагниченности , используя череду перефокусировкой импульсов, таких как метод Карра-Перселла Meiboom-Gill (CPMG), и отбора проб результирующие спин-эхо – сигналы. T 1 и Т 2 данные могут быть проанализированы с помощью нелинейных кривых закрывающейся методы , которые либо предполагают ряд exponential компоненты априори ( как правило , от одного до трех) , либо с помощью линейной обратной подход , который соответствует полученным данным в сумме большого числа разлагающихся экспонент, в результате чего в спектре амплитуд сигналов. Такой подход требует решения 3 неотрицательным методом наименьших квадратов (NNLS), и , как правило , включает в себя дополнительную регуляризацию для получения стабильных результатов. Т 1 и Т 2 измерения были широко используются для изучения мышечных заболеваний и травм 4-9. T 1 значения , как правило , уменьшается в жировой инфильтрации регионах мышцы и повышен в воспаленных регионах 4-6; Значения T 2 возводятся в обоих обезжиренных и проникали воспаленных областей 10.

QMT-МРТ характеризует свободную воду и полупроводниковое как высокомолекулярные бассейны протонов в тканях путем оценки соотношения макромолекулярных к свободных протонов воды (соотношение размер пула, PSR); характеристическая расслабитьсятемпы Ation этих бассейнов; а темпы обмена между ними. Общие подходы включают QMT импульсного насыщения 11 и селективные методы 12,13 инверсии восстановления. Протокол ниже описывает использование импульсного подхода насыщения, который использует широкую ширину линии макромолекулярном протонного сигнала, относительно узкой ширины линии сигнала протона воды. Насыщая макромолекулярную сигнал на резонансных частотах достаточно отличных от сигнала воды, сигнал воды уменьшается в результате переноса намагниченности между твердыми и свободными бассейнах вода протонов. Данные анализируют с помощью количественного биофизической модели. QMT был разработан и применен в здоровых мышцах 14,15, а в последнее время появились абстрактные описания его реализации в мышечных заболеваний 16. QMT был использован для изучения мелких животных моделях воспаления мышц, в котором было показано , что воспаление уменьшает PSR 17. Поскольку MTотражает как высокомолекулярные и воды содержимое, данные MT могут также отражать фиброзом 18,19.

DT-МРТ используется для количественного определения анизотропную поведение диффузии молекул воды в тканях с упорядоченными, удлиненные клетки. В ДТ-МРТ, диффузия воды измеряется в шести или более разных направлениях; Затем эти сигналы установлены на тензорной модели 20. Тензор диффузии, D, диагонализируется для получения трех собственных значений (которые являются тремя основными температуропроводности) и три собственных векторов (которые указывают направления , соответствующие трем коэффициентов диффузии). Эти и другие количественные показатели , полученные из D предоставляют информацию о структуре ткани и ориентации на микроскопическом уровне. Свойства диффузии мышц, особенно третье собственное значение D и степень анизотропии диффузии, отражают воспаление мышц 17 и повреждение мышц вследствие экспериментальной травмы 21, штамм травмы 22, и болезнь 23,24. Другие потенциальные влияния на диффузию свойства мышц включают изменения в диаметре 25 клеток и изменения проницаемости мембраны.

И, наконец, атрофию мышц, без или без макроскопической жировой инфильтрации, является патологическим компонентом многих заболеваний мышц. Атрофия мышц может быть оценена с использованием структурных изображений для измерения мышечной площадь или объем поперечного сечения и FW-МРТ для оценки жировой инфильтрации. Жировая инфильтрация может быть качественно описано в Т 1Т 2 -weighted изображения 26, но жира и воды , сигналы лучше всего снимать путем формирования изображения, использующие различные резонансные частоты жира и воды протонов 27-29. Количественные методы жира / визуализации воды, были применены при мышечных заболеваний , таких как мышечная дистрофия 1,30,31, и может предсказать потерю передвижению у этих больных 31.

<pкласс = "jove_content"> Протокол qMRI, описанный здесь использует все эти измерения, чтобы охарактеризовать состояние мышц в аутоиммунных воспалительных миопатий дерматомиозит (ДМ) и полимиозит (ПМ). Более подробная информация о протоколе, включая его воспроизводимости, были опубликованы ранее 32. Протокол включает в себя стандартные последовательности импульсов, а также радиочастотная (RF) и объекты градиента магнитного поля, специально запрограммированным на наших системах. Авторы полагают, что этот протокол также применимо в других нервно-мышечных нарушений, характеризующихся мышечной атрофии, воспаления и жировой инфильтрации (такие как мышечная дистрофия).

Protocol

Примечание: Напоминаем читателю, что все исследования с участием человека должны быть одобрены местным Институциональным наблюдательным советом (IRB) для использования человеческих субъектов в научных исследованиях. Участники исследования должны быть проинформированы о целях, процедурах, риско…

Representative Results

На рисунке 1 показаны типичные осевые анатомических изображений , полученных в середине бедра пациента с полимиозит. Также показано расположение в плоскости проекции объема Шим. Типичные карты параметров для каждого метода qMRI, все полученные из этого же паци…

Discussion

Мышечные заболевания, такие как мышечные дистрофии и идиопатические воспалительные миопатии представляют собой группы заболеваний, которые неоднородны по этиологии и, как отдельных лиц, редко в их падении. Например, мышечная дистрофия Дюшенна – наиболее распространенной формой мышеч…

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

Referências

  1. Wokke, B. H., et al. Comparison of Dixon and T1-weighted MR methods to assess the degree of fat infiltration in duchenne muscular dystrophy patients. J Magn Reson Imaging. 38 (3), 619-624 (2013).
  2. Carr, H., Purcell, E. Effects of diffusion on free precession in NMR experiments. Phys Rev. 94, 630-638 (1954).
  3. Whittall, K. P., MacKay, A. L. Quantitative interpretation of NMR relaxation data. Journal of Magnetic Resonance. 84 (1), 134-152 (1989).
  4. Park, J. H., et al. Dermatomyositis: correlative MR imaging and P-31 MR spectroscopy for quantitative characterization of inflammatory disease. Radiology. 177 (2), 473-479 (1990).
  5. Park, J. H., et al. Magnetic resonance imaging and p-31 magnetic resonance spectroscopy provide unique quantitative data useful in the longitudinal management of patients with dermatomyositis. Arthritis & Rheumatism. 37 (5), 736-746 (1994).
  6. Park, J. H., et al. Use of magnetic resonance imaging and p-31 magnetic resonance spectroscopy to detect and quantify muscle dysfunction in the amyopathic and myopathic variants of dermatomyositis. Arthritis & Rheumatism. 38 (1), 68-77 (1995).
  7. Huang, Y., et al. Quantitative MR relaxometry study of muscle composition and function in Duchenne muscular dystrophy. J Magn Reson Imaging. 4 (1), 59-64 (1994).
  8. Kim, H. K., et al. T2 mapping in Duchenne muscular dystrophy: distribution of disease activity and correlation with clinical assessments. Radiology. 255 (3), 899-908 (2010).
  9. Arpan, I., et al. T2 mapping provides multiple approaches for the characterization of muscle involvement in neuromuscular diseases: a cross-sectional study of lower leg muscles in 5-15-year-old boys with Duchenne muscular dystrophy. NMR in Biomedicine. 26 (3), 320-328 (2013).
  10. Fan, R. H., Does, M. D. Compartmental relaxation and diffusion tensor imaging measurements in vivo in λ-carrageenan-induced edema in rat skeletal muscle. NMR in Biomedicine. 21 (6), 566-573 (2008).
  11. Sled, J. G., Pike, G. B. Quantitative interpretation of magnetization transfer in spoiled gradient echo MRI sequences. J Magn Reson. 145 (1), 24-36 (2000).
  12. Gochberg, D. F., Gore, J. C. Quantitative magnetization transfer imaging via selective inversion recovery with short repetition times. Magn Reson Med. 57 (2), 437-441 (2007).
  13. Li, K., et al. Optimized inversion recovery sequences for quantitative T1 and magnetization transfer imaging. Magn Reson Med. 64 (2), 491-500 (2010).
  14. Louie, E. A., Gochberg, D. F., Does, M. D., Damon, B. M. Magnetization transfer and T2 measurements of isolated muscle: effect of pH. Magn Reson Med. 61 (3), 560-569 (2009).
  15. Sinclair, C. D. J., et al. Quantitative magnetization transfer in in vivo healthy human skeletal muscle at 3 T. Magn Reson Med. 64 (6), 1739-1748 (2010).
  16. Sinclair, C., et al. Multi-parameter quantitation of coincident fat and water skeletal muscle pathology. Proc 21st Ann Meeting ISMRM. , (2013).
  17. Bryant, N., et al. Multi-parametric MRI characterization of inflammation in murine skeletal muscle. NMR Biomed. 27 (6), 716-725 (2014).
  18. Aisen, A. M., Doi, K., Swanson, S. D. Detection of liver fibrosis with magnetic cross-relaxation. Magn Reson Med. 31 (5), 551-556 (1994).
  19. Kim, H., et al. Induced hepatic fibrosis in rats: hepatic steatosis, macromolecule content, perfusion parameters, and their correlations-preliminary MR imaging in rats. Radiology. 247 (3), 696-705 (2008).
  20. Basser, P. J., Mattiello, J., LeBihan, D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophys J. 66 (1), 259-267 (1994).
  21. Heemskerk, A., Strijkers, G., Drost, M., van Bochove, G., Nicolay, K. Skeletal muscle degeneration and regeneration following femoral artery ligation in the mouse: diffusion tensor imaging monitoring. Radiology. 243 (2), 413-421 (2007).
  22. Zaraiskaya, T., Kumbhare, D., Noseworthy, M. D. Diffusion tensor imaging in evaluation of human skeletal muscle injury. J Magn Reson Imaging. 24 (2), 402-408 (2006).
  23. Qi, J., Olsen, N. J., Price, R. R., Winston, J. A., Park, J. H. Diffusion-weighted imaging of inflammatory myopathies: polymyositis and dermatomyositis. J Magn Reson Imaging. 27 (1), 212-217 (2008).
  24. McMillan, A. B., Shi, D., Pratt, S. J., Lovering, R. M. Diffusion tensor MRI to assess damage in healthy and dystrophic skeletal muscle after lengthening contractions. J Biomed Biotech. , (2011).
  25. Scheel, M., et al. Fiber type characterization in skeletal muscle by diffusion tensor imaging. NMR Biomed. 26 (10), 1220-1224 (2013).
  26. Kaufman, L. D., Gruber, B. L., Gerstman, D. P., Kaell, A. T. Preliminary observations on the role of magnetic resonance imaging for polymyositis and dermatomyositis. Annalsrheumatic Dis. 46 (8), 569-572 (1987).
  27. Dixon, W. T. Simple proton spectroscopic imaging. Radiology. 153 (1), 189-194 (1984).
  28. Glover, G. H. Multipoint Dixon technique for water and fat proton and susceptibility imaging. J Magn Reson Imaging. 1 (5), 521-530 (1991).
  29. Berglund, J., Kullberg, J. Three-dimensional water/fat separation and T2* estimation based on whole-image optimization–application in breathhold liver imaging at 1.5 T. Magn Reson Med. 67 (6), 1684-1693 (2012).
  30. Gloor, M., et al. Quantification of fat infiltration in oculopharyngeal muscular dystrophy: Comparison of three MR imaging methods. J Magn Reson Imaging. 33 (1), 203-210 (2011).
  31. Fischmann, A., et al. Quantitative MRI and loss of free ambulation in Duchenne muscular dystrophy. J Neurol. 260 (4), 969-974 (2013).
  32. Li, K., et al. Multi-parametric MRI characterization of healthy human thigh muscles at 3.0 T – relaxation, magnetization transfer, fat/water, and diffusion tensor imaging. NMR Biomed. 27 (9), 1070-1084 (2014).
  33. Morrison, C., Stanisz, G., Henkelman, R. M. Modeling magnetization transfer for biological-like systems using a semi-solid pool with a super-Lorentzian lineshape and dipolar reservoir. J Magn Reson Series B. 108 (2), 103-113 (1995).
  34. Li, J. G., Graham, S. J., Henkelman, R. M. A flexible magnetization transfer line shape derived from tissue experimental data. Magn Reson Med. 37 (6), 866-871 (1997).
  35. Mangin, J. F., Poupon, C., Clark, C., Le Bihan, D., Bloch, I. Distortion correction and robust tensor estimation for MR diffusion imaging. Med Image Anal. 6 (3), 191-198 (2002).
  36. Moser, H. Duchenne muscular dystrophy: pathogenetic aspects and genetic prevention. Hum Genet. 66 (1), 17-40 (1984).
  37. van Essen, A. J., Busch, H. F., te Meerman, G. J., ten Kate, L. P. Birth and population prevalence of Duchenne muscular dystrophy in The Netherlands. Hum Genet. 88 (3), 258-266 (1992).
  38. Bendewald, M. J., Wetter, D. A., Li, X., Davis, M. P. Incidence of dermatomyositis and clinically amyopathic dermatomyositis: A population-based study in olmsted county, minnesota. Arch Dermatol. 146 (1), 26-30 (2010).
  39. Carlier, P. G. Global T2 versus water T2 in NMR imaging of fatty infiltrated muscles: different methodology, different information and different implications. Neuromuscul Disord. 24 (5), 390-392 (2014).
  40. Foley, J. M., Jayaraman, R. C., Prior, B. M., Pivarnik, J. M., Meyer, R. A. MR measurements of muscle damage and adaptation after eccentric exercise. J Appl Physiol. 87 (6), 2311-2318 (1999).
  41. Garrood, P., et al. MR imaging in Duchenne muscular dystrophy: quantification of T1-weighted signal, contrast uptake, and the effects of exercise. J Magn Reson Imaging. 30 (5), 1130-1138 (2009).
  42. Bratton, C. B., Hopkins, A. L., Weinberg, J. W. Nuclear magnetic resonance studies of living muscle. Science. 147, 738-739 (1965).
  43. Fleckenstein, J. L., Canby, R. C., Parkey, R. W., Peshock, R. M. Acute effects of exercise on MR imaging of skeletal muscle in normal volunteers. AJR Am J Roentgenol. 151 (2), 231-237 (1988).
  44. Williams, S., Heemskerk, A., Welch, E., Damon, B., Park, J. The quantitative effects of inclusion of fat on muscle diffusion tensor MRI measurements. J Magn Reson Imaging. 38 (5), 1292-1297 (2013).
  45. Hernando, D., et al. Removal of olefinic fat chemical shift artifact in diffusion MRI. Magn Reson Med. 65 (3), 692-701 (2011).
  46. Willcocks, R. J., et al. Longitudinal measurements of MRI-T2 in boys with Duchenne muscular dystrophy: effects of age and disease progression. Neuromuscul Disord. 24 (5), 393-401 (2014).
  47. Poon, C. S., Henkelman, R. M. Practical T2 quantitation for clinical applications. J Magn Reson Imaging. 2 (5), 541-553 (1992).
  48. Does, M. D., Gore, J. C. Complications of nonlinear echo time spacing for measurement of T2. NMR Biomed. 13 (1), 1-7 (2000).
  49. Poon, C. S., Henkelman, R. M. 180° refocusing pulses which are insensitive to static and radiofrequency field inhomogeneity. J Magn Reson. 99 (1), 45-55 (1992).
  50. Hollingsworth, K. G., de Sousa, P. L., Straub, V., Carlier, P. G. Towards harmonization of protocols for MRI outcome measures in skeletal muscle studies: consensus recommendations from two TREAT-NMD NMR workshops, 2 May 2010, Stockholm, Sweden, 1-2 October 2009, Paris, France. Neuromuscul Disord. 22, S54-S67 (2010).
  51. Underhill, H. R., Rostomily, R. C., Mikheev, A. M., Yuan, C., Yarnykh, V. L. Fast bound pool fraction imaging of the in vivo rat brain: Association with myelin content and validation in the C6 glioma model. Neuroimage. 54 (3), 2052-2065 (2011).
  52. Smith, S. A., et al. Quantitative magnetization transfer characteristics of the human cervical spinal cord in vivo: application to adrenomyeloneuropathy. Magn Reson Med. 61 (1), 22-27 (2009).
  53. Li, K. D. R., Dortch, R. D., Gochberg, D. F., Smith, S. A., Damon, B. M., Park, J. H. Quantitative magnetization transfer with fat component in human muscles. Proc. 20th Ann Meeting ISMRM. , (2012).
  54. Damon, B. M. Effects of image noise in muscle diffusion tensor (DT)-MRI assessed using numerical simulations. Magn Reson Med. 60 (4), 934-944 (2008).
  55. Damon, B. M., Buck, A. K. W., Ding, Z. Diffusion-tensor MRI-based skeletal muscle fiber tracking. Imaging Med. 3 (6), 675-687 (2011).
  56. Froeling, M., Nederveen, A. J., Nicolay, K., Strijkers, G. J. DTI of human skeletal muscle: the effects of diffusion encoding parameters, signal-to-noise ratio and T2 on tensor indices and fiber tracts. NMR in Biomedicine. 26 (11), 1339-1352 (2013).
  57. Basser, P. J., Pajevic, S. Statistical artifacts in diffusion tensor MRI (DT-MRI) caused by background noise. Magn Reson Med. 44 (1), 41-50 (2000).
  58. Anderson, A. W. Theoretical analysis of the effects of noise on diffusion tensor imaging. Magn Reson Med. 46 (6), 1174-1188 (2001).
  59. Saupe, N., White, L. M., Stainsby, J., Tomlinson, G., Sussman, M. S. Diffusion tensor imaging and fiber tractography of skeletal muscle: optimization of B value for imaging at 1.5 T. AJR Am J Roentgenol. 192 (6), W282-W290 (2009).
  60. Levin, D. I., Gilles, B., Madler, B., Pai, D. K. Extracting skeletal muscle fiber fields from noisy diffusion tensor data. Med Image Anal. 15 (3), 340-353 (2011).
  61. Sinha, U., Sinha, S., Hodgson, J. A., Edgerton, R. V. Human soleus muscle architecture at different ankle joint angles from magnetic resonance diffusion tensor imaging. J Appl Physiol. 110 (3), 807-819 (2011).
  62. Jones, D. K., Cercignani, M. Twenty-five pitfalls in the analysis of diffusion MRI data. NMR Biomed. 23 (7), 803-820 (2010).
  63. Hamilton, G., et al. In vivo characterization of the liver fat 1H MR spectrum. NMR Biomed. 24 (7), 784-790 (2011).
  64. Hernando, D., Kellman, P., Haldar, J. P., Liang, Z. P. Robust water/fat separation in the presence of large field inhomogeneities using a graph cut algorithm. Magn Reson Med. 63 (1), 79-90 (2010).
  65. Hernando, D., Hines, C. D., Yu, H., Reeder, S. B. Addressing phase errors in fat-water imaging using a mixed magnitude/complex fitting method. Magn Reson Med. 67 (3), 638-644 (2012).

Play Video

Citar este artigo
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).

View Video