Quantitative Magnetic Resonance Imaging di malattia muscolare scheletrico
Summary
Le malattie neuromuscolari spesso mostrano una temporalmente variabile, patologia spazialmente eterogeneo e multiforme. L'obiettivo di questo protocollo è quello di caratterizzare questa patologia utilizzando magnetici metodi di imaging di risonanza non invasive.
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
la risonanza magnetica quantitativa (qMRI) descrive lo sviluppo e l'uso della risonanza magnetica per quantificare fisiche, chimiche e / o biologiche dei sistemi viventi. QMRI richiede che si adottano un modello biofisico per il sistema, costituita dal tessuto di interesse e una sequenza di impulsi MRI. La sequenza di impulsi è progettato per sensibilizzare intensità di segnale delle immagini 'al parametro di interesse nel modello. proprietà del segnale di risonanza magnetica (segnale di grandezza, la frequenza e / o di fase) sono misurati e analizzati secondo il modello. L'obiettivo è quello di produrre un imparziale, stima quantitativa di un parametro fisico o biologico dover continuamente distribuite, unità fisiche di misura. Spesso le equazioni che descrivono il sistema sono analizzati e montati su una base pixel per pixel, producendo un'immagine cui valori pixel riflettono direttamente i valori della variabile. Tale immagine viene indicato come una mappa parametrica.
Un uso comune di qMRI è il dviluppo e l'applicazione di biomarcatori. Biomarkers possono essere usati per studiare un meccanismo di malattia, stabilire una diagnosi, determinare una prognosi, e / o valutare una risposta terapeutica. Essi possono assumere la forma di concentrazioni o le attività di molecole endogeni o esogeni, un campione istologico, una grandezza fisica, o un'immagine interna. Alcuni requisiti generali di biomarcatori sono che oggettivamente misurano una variabile in continuo distribuito utilizzando unità fisiche di misura; avere una chiara, rapporto ben compreso con la patologia di interesse; sono sensibili al miglioramento e peggioramento dello stato clinico; e può essere misurata con adatto accuratezza e precisione. biomarcatori non invasivi o minimamente invasive sono particolarmente desiderabili, in quanto promuovono il comfort del paziente e minimamente disturbare la patologia di interesse.
Un obiettivo per lo sviluppo di biomarcatori basati su immagine per la malattia muscolare è quello di riflettere malattia muscolare in modi che sono complementary, più specifico rispetto, più selettivo rispetto spazialmente, e / o meno invasiva rispetto agli approcci esistenti. Un particolare vantaggio di qMRI a questo proposito è che ha la capacità di integrare diversi tipi di informazioni e quindi potenzialmente caratterizzare molti aspetti del processo di malattia. Questa capacità è molto importante in malattie muscolari, che spesso presentano una patologia complessa spazialmente variabile che comprende l'infiammazione, necrosi e / o atrofia con sostituzione grassi, fibrosi, interruzione del reticolo myofilament ( "streaming Z-disk"), e danni membrana . Un altro vantaggio di metodi qMRI è che le descrizioni qualitative o semi-quantitative delle immagini RM di contrasto a base di riflettere non solo la patologia, ma anche differenze nei parametri di acquisizione di immagini, hardware, e la percezione umana. Un esempio di questo ultimo numero è stato dimostrato da Wokke et al., Che hanno dimostrato che le valutazioni semi-quantitativa di infiltrazione di grasso sono molto variabili e spesso errate, wgallina in confronto con la risonanza magnetica di grasso / acqua quantitativa (FWMRI) 1.
Il protocollo qui descritto include sequenze di impulsi per misurare la longitudinale (T 1) e trasversale (T 2) costanti di tempo di relax, trasferimento di magnetizzazione quantitativa (QMT) parametri, coefficienti di acqua di diffusione utilizzando tensore di diffusione MRI (DT-MRI), e la struttura del muscolo utilizzando immagini strutturali e FWMRI. T 1 è misurato utilizzando una sequenza inversion recovery, in cui il vettore di magnetizzazione è invertita e la sua grandezza è campionata come il sistema ritorna all'equilibrio. T 2 viene misurata ripetutamente rifocalizzazione magnetizzazione trasversale con un treno di impulsi di riorientamento, come il metodo Carr-Purcell Meiboom-Gill (CPMG), e il campionamento dei risultanti spin-eco. T 1 e T 2 i dati possono essere analizzati usando metodi curva-montaggio non lineari che o assumono un numero di Exponecomponenti ntial a priori (tipicamente da uno a tre) o utilizzando un approccio inverso lineare che si adatta ai dati osservati alla somma di un gran numero di esponenziali decomposizione, con conseguente uno spettro di ampiezze dei segnali. Questo approccio richiede una soluzione a 3 non negativo dei minimi quadrati (NNLS), e comprende tipicamente regolarizzazione supplementare per produrre risultati stabili. T 1 e T 2 misurazioni sono stati ampiamente utilizzati per lo studio di malattie muscolari e lesioni 4-9. T 1 I valori sono in genere diminuiti in regioni grassi infiltrati di muscoli e di elevati nelle regioni infiammate 4-6; T 2 valori sono elevati in entrambe le regioni grassi infiltrati e infiammate 10.
QMT-MRI caratterizza l'acqua e solido come piscine protone macromolecolari liberi nei tessuti stimando il rapporto tra macromolecolare di protoni dell'acqua liberi (il rapporto dimensioni della piscina, PSR); l'intrinseca rilassarsitariffe ation di queste piscine; e il tasso di cambio tra di loro. Approcci comuni QMT includono saturazione pulsata 11 e metodi 12,13 recupero inversione selettivi. Il protocollo che segue descrive l'uso del metodo di saturazione pulsata, che sfrutta l'ampia larghezza di riga del segnale protonica macromolecolare, rispetto alla stretta larghezza di riga del segnale dell'acqua protone. Saturando il segnale macromolecolare a frequenze di risonanza sufficientemente diversi dal segnale dell'acqua, il segnale acqua si riduce a causa del trasferimento di magnetizzazione tra le piscine dell'acqua protone solidi e libero. I dati vengono analizzati utilizzando un modello biofisico quantitativa. QMT è stato sviluppato e applicato nei muscoli sani 14,15, e un estratto recente apparso descrivendo la sua attuazione nella malattia del muscolo 16. QMT è stato utilizzato per studiare piccoli modelli animali di infiammazione muscolare, in cui è stato dimostrato che l'infiammazione diminuisce la PSR 17. Nella misura in cui MTriflette il contenuto sia macromolecolari e di acqua, i dati MT possono anche riflettere la fibrosi 18,19.
DT-MRI viene utilizzato per quantificare il comportamento diffusione anisotropo delle molecole di acqua nei tessuti con ordinati, cellule allungate. In DT-MRI, diffusione dell'acqua viene misurata in sei o più direzioni diverse; questi segnali vengono poi montati su un modello di tensore 20. Il tensore di diffusione, D, è diagonalizzata di ottenere tre autovalori (che sono le tre principali diffusività) e tre autovettori (che indicano le direzioni corrispondenti ai tre coefficienti di diffusione). Questi ed altri indici quantitativi derivati da D forniscono informazioni sulla struttura dei tessuti e orientamento a livello microscopico. Le proprietà di diffusione di muscoli, in particolare il terzo autovalore di D ed il grado di anisotropia diffusione, riflettono l'infiammazione del muscolo 17 e danno muscolare a causa di lesioni sperimentali 21, lesioni da sforzo 22, e la malattia 23,24. Altre influenze potenziali sulle proprietà di diffusione del muscolo includono cambiamenti di diametro cella 25 e le variazioni di permeabilità della membrana.
Infine, atrofia muscolare, senza o senza macroscopica grasso di infiltrazione, è un componente patologica di molte malattie muscolari. Atrofia muscolare può essere valutata utilizzando immagini strutturali per misurare muscolare sezione trasversale o di volume e FW-MRI per valutare infiltrazione grassa. Infiltrazione di grasso può essere qualitativamente descritto in T 1 – e T 2 pesate 26, ma i segnali grasso e acqua migliore misurato formando immagini che sfruttano le diverse frequenze di risonanza di grassi e acqua protoni 27-29. Metodi quantitativi grasso / acqua di imaging sono state applicate nelle malattie muscolari come la distrofia muscolare 1,30,31, e possono prevedere la perdita della deambulazione in questi pazienti 31.
<pclass = "jove_content"> Il protocollo qMRI qui descritto utilizza tutte queste misurazioni per caratterizzare condizione muscolare nei autoimmuni infiammatorie miopatie dermatomiosite (DM) e polimiosite (PM). Ulteriori dettagli del protocollo, compresa la sua riproducibilità, sono stati pubblicati in precedenza 32. Il protocollo include sequenze standard di impulsi così come a radiofrequenza (RF) e il campo magnetico oggetti sfumati specificamente programmati sui nostri sistemi. Gli autori prevedono che il protocollo è applicabile anche in altri disturbi neuromuscolari caratterizzati da atrofia muscolare, infiammazione, e infiltrazione grassa (come la distrofia muscolare).Protocol
Representative Results
Discussion
malattie muscolari come le distrofie muscolari e le miopatie infiammatorie idiopatiche costituiscono di un gruppo di malattie che sono eterogenee in eziologia e, come entità individuali, rara nella loro incidenza. Ad esempio, la distrofia muscolare di Duchenne – la forma più comune di distrofia muscolare – ha un'incidenza di 1 su 3.500 maschi nati vivi 37,38; dermatomiosite, a cui è stato applicato questo protocollo, ha un'incidenza di 1 su 100.000 39. La maggiore incidenza collettiva di…
Disclosures
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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