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Medicina

Imágenes por resonancia magnética cuantitativa de la enfermedad del músculo esquelético

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

enfermedades neuromusculares a menudo presentan una patología de variación temporal y espacialmente heterogéneos y de múltiples facetas. El objetivo de este protocolo es la caracterización de esta patología usando métodos de resonancia magnética no invasivos.

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

imágenes de resonancia magnética cuantitativa (qMRI) describe el desarrollo y el uso de MRI para cuantificar características físicas, químicas, y / o propiedades biológicas de los sistemas vivos. QMRI requiere que uno adopte un modelo biofísico para el sistema, compuesto por el tejido de interés y una secuencia de impulsos de MRI. La secuencia de pulsos está diseñado para sensibilizar a las intensidades de señal de las imágenes 'para el parámetro de interés en el modelo. Propiedades de la señal de resonancia magnética (magnitud de la señal, la frecuencia y / o fase) son medidos y analizados de acuerdo con el modelo. El objetivo es producir una estimación objetiva, cuantitativa de un parámetro físico o biológico que tiene distribuidos de forma continua, unidades físicas de medición. A menudo, las ecuaciones que describen el sistema se analizan y se acoplen a una base de pixel por pixel, produciendo una imagen cuyos valores de pixel reflejar directamente los valores de la variable. Tal imagen se conoce como un mapa paramétrico.

Un uso común de qMRI es el desarrollo y aplicación de biomarcadores. Los biomarcadores se pueden usar para investigar un mecanismo de la enfermedad, establecer un diagnóstico, determinar un pronóstico, y / o evaluar una respuesta terapéutica. Pueden adoptar la forma de las concentraciones o actividades de las moléculas endógenas o exógenas, una muestra histológica, una cantidad física, o una imagen interna. Algunos de los requisitos generales de biomarcadores son que miden objetivamente una variable distribuida de forma continua utilizando unidades físicas de medida; tener una relación clara y bien entendida con la patología de interés; son sensibles a la mejora y empeoramiento del estado clínico; y se puede medir con exactitud y precisión adecuada. biomarcadores no invasivos o mínimamente invasivos son particularmente deseables, ya que promueven la comodidad del paciente y mínimamente perturban la patología de interés.

Uno de los objetivos para el desarrollo de biomarcadores basados ​​en imágenes para enfermedades musculares es reflejar la enfermedad del músculo en formas que son Complementary a, más específico que, más espacialmente selectivo que, y / o menos invasiva que los enfoques existentes. Una ventaja particular de qMRI en este sentido es que tiene el potencial de integrar múltiples tipos de información y por lo tanto potencialmente caracterizar muchos aspectos del proceso de la enfermedad. Esta capacidad es muy importante en enfermedades musculares, que con frecuencia exhiben una patología espacialmente variables, complejo que incluye la inflamación, necrosis y / o atrofia con sustitución de la grasa, fibrosis, la interrupción de la red myofilament ( "streaming de Z-disco"), y daño de la membrana . Otra ventaja de los métodos qMRI es que las descripciones cualitativas o semi-cuantitativos de las imágenes de RM basadas en contraste reflejan no sólo la patología, sino también diferencias en los parámetros de adquisición de imágenes, hardware, y la percepción humana. Un ejemplo de este último punto fue demostrado por Wokke et al., Que mostraron que las evaluaciones semicuantitativas de la infiltración de grasa son muy variables y con frecuencia incorrecta, wgallina en comparación con la RM de grasa / agua cuantitativa (FWMRI) 1.

El protocolo descrito aquí incluye secuencias de pulso para medir la longitudinal (T1) y transversal (T 2) constantes de tiempo de relajación, transferencia de magnetización cuantitativa (Qmt) parámetros, coeficientes de difusión del agua utilizando tensor de difusión de resonancia magnética (DT-MRI) y la estructura muscular usando imágenes estructurales y FWMRI. T 1 se mide mediante el uso de una secuencia de recuperación de la inversión, en el que se invierte el vector de magnetización neta y su magnitud se muestrea como el sistema vuelve al equilibrio. T 2 se mide gracias a la reorientación repetidamente magnetización transversal usando un tren de pulsos reorientando, tales como el método de Carr-Purcell Meiboom-Gill (CPMG), y el muestreo de los spin-eco resultante. T 1 y T 2 de datos se pueden analizar utilizando métodos de ajuste de curvas no lineales que, o bien asumir un número de Exponecomponentes ntial a priori (típicamente entre uno y tres) o mediante el uso de un enfoque inverso lineal que se ajusta a los datos observados a la suma de un gran número de exponenciales en descomposición, lo que resulta en un espectro de amplitudes de señal. Este enfoque requiere una solución no negativo de mínimos cuadrados (NNLS) 3, y típicamente incluye regularización adicional para producir resultados estables. T 1 y T 2 mediciones se han utilizado ampliamente para estudiar las enfermedades musculares y lesiones 4-9. T 1 Los valores están normalmente disminuyeron en regiones infiltrado en la grasa de los músculos y elevados en las regiones inflamadas 4-6; T 2 valores son elevados en ambas regiones en grasa infiltrada e inflamadas 10.

QMT-RM caracteriza a las piscinas de protones macromoleculares de agua y sólido-como libres en los tejidos mediante la estimación de la proporción de macromolecular a los protones de agua libre (la relación entre el tamaño de la piscina, PSR); la intrínseca relajarsetasas de inflación de estas piscinas; y los tipos de cambio entre ellos. Enfoques Qmt comunes incluyen la saturación de impulsos 11 y los métodos de recuperación de la inversión 12,13 selectivos. El protocolo siguiente se describe el uso del enfoque de la saturación de impulsos, que explota el amplio ancho de línea de la señal de protón macromolecular, con relación a la estrecha anchura de línea de la señal de protón de agua. Saturando la señal macromolecular en frecuencias de resonancia suficientemente diferentes de la señal de agua, la señal de agua se reduce como resultado de la transferencia de magnetización entre las piscinas de protones del agua sólidos y gratuitas. Los datos se analizaron usando un modelo biofísico cuantitativo. QMT se ha desarrollado y aplicado en los músculos sanos 14,15, y un resumen reciente aparecido describiendo su aplicación en enfermedades musculares 16. QMT se ha utilizado para estudiar los pequeños modelos animales de inflamación muscular, en el que se ha demostrado que la inflamación disminuye el PSR 17. En la medida en MTrefleja tanto el contenido de agua y macromoleculares, los datos MT también pueden reflejar la fibrosis 18,19.

DT-MRI se utiliza para cuantificar el comportamiento de difusión anisotrópica de moléculas de agua en los tejidos con células alargadas, ordenados. En DT-MRI, la difusión del agua se mide en seis o más direcciones diferentes; estas señales se ajustaron a un modelo tensor 20. El tensor de difusión, D, se diagonalizarse para obtener tres valores propios (que son los tres principales difusividad) y tres vectores propios (que indican las direcciones correspondientes a los tres coeficientes de difusión). Estos y otros índices cuantitativos derivados de D proporcionan información acerca de la estructura del tejido y la orientación a nivel microscópico. Las propiedades de difusión del músculo, especialmente la tercera valor propio de D y el grado de anisotropía de difusión, reflejan la inflamación muscular 17 y el daño muscular debido a una lesión experimental 21, lesión por esfuerzo 22, y la enfermedad 23,24. Otras posibles influencias sobre las propiedades de difusión del músculo incluyen cambios en el diámetro de la celda 25 y cambios en la permeabilidad de la membrana.

Por último, la atrofia muscular, sin o sin infiltración de la grasa macroscópica, es un componente patológico de muchas enfermedades musculares. La atrofia muscular puede ser evaluada mediante el uso de imágenes estructurales para medir músculo área de sección transversal o el volumen y FW-MRI para evaluar la infiltración grasa. La infiltración de grasa se puede describir cualitativamente en T1 – y T2 y 26 imágenes, pero las señales de grasa y agua se miden mejor mediante la formación de imágenes que explotan las diferentes frecuencias de resonancia de grasa y agua protones 27-29. Métodos de imagen de grasa / agua cuantitativos se han aplicado en las enfermedades musculares como la distrofia muscular 1,30,31, y pueden predecir la pérdida de la deambulación en estos pacientes 31.

<pclass = "jove_content"> El protocolo qMRI descrito aquí utiliza todas estas mediciones para caracterizar la condición muscular en las miopatías inflamatorias autoinmunes dermatomiositis (DM) y la polimiositis (PM). Otros detalles del protocolo, incluyendo su reproducibilidad, se han publicado previamente 32. El protocolo incluye secuencias de pulso estándar, así como la radiofrecuencia (RF) y objetos gradiente de campo magnético programados específicamente en nuestros sistemas. Los autores prevén que el protocolo es también aplicable en otros trastornos neuromusculares caracterizados por atrofia muscular, inflamación, y la infiltración de grasa (como las distrofias musculares).

Protocol

NOTA: Se recuerda al lector que toda la investigación en seres humanos debe ser aprobado por la junta local de Revisión Institucional (IRB) para el Uso de Sujetos Humanos en Investigación. participantes en la investigación deben ser informados del propósito, los procedimientos, los riesgos y beneficios de la investigación propuesta; la disponibilidad de tratamientos o procedimientos alternativos; la disponibilidad de una remuneración; y de sus derechos de privacidad y de retirar su consentimiento y descontinuar su participación. Ant…

Representative Results

La Figura 1 muestra imágenes anatómicas axiales representativos adquiridos a la mitad del muslo de un paciente con polimiositis. También se muestra la localización de la proyección en el plano del volumen cuña. Mapas de parámetros representativos para cada método qMRI, todo obtenido de este mismo paciente, se proporcionan en las Figuras 2 – 7. Las figuras 2A</s…

Discussion

enfermedades musculares como las distrofias musculares y las miopatías inflamatorias idiopáticas constituyen del grupo de enfermedades que son heterogéneos en la etiología y, como entidades individuales, rara en su incidencia. Por ejemplo, la distrofia muscular de Duchenne – la forma más común de distrofia muscular – tiene una incidencia de 1 de cada 3.500 varones nacidos vivos 37,38; dermatomiositis, a la que se ha aplicado este protocolo, tiene una incidencia de 1 en 100.000 39. La mayor in…

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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Referências

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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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