कंकाल की मांसपेशी रोग के मात्रात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग
Summary
Neuromuscular रोगों अक्सर एक अस्थायी बदलती, स्थानिक विषम, और बहुआयामी विकृति दिखा रहे हैं। इस प्रोटोकॉल का लक्ष्य इस विकृति गैर इनवेसिव चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग तरीकों का उपयोग कर चिह्नित करने के लिए है।
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
मात्रात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (qMRI) के विकास और एमआरआई के उपयोग का वर्णन भौतिक, रासायनिक यों की, और / या रहने वाले सिस्टम के जैविक गुणों। QMRI है कि एक प्रणाली के लिए एक biophysical मॉडल, ब्याज की ऊतक और एक एमआरआई पल्स अनुक्रम की रचना को अपनाने की आवश्यकता है। पल्स अनुक्रम मॉडल में ब्याज के पैरामीटर के लिए छवियों को 'संकेत तीव्रता को जागरूक करने के लिए बनाया गया है। एमआरआई संकेत गुण (संकेत परिमाण, आवृत्ति, और / या चरण) मापा और मॉडल के अनुसार विश्लेषण कर रहे हैं। लक्ष्य लगातार वितरित की, माप के भौतिक इकाइयों वाले एक शारीरिक या जैविक पैरामीटर का एक निष्पक्ष, मात्रात्मक अनुमान का उत्पादन होता है। अक्सर समीकरणों प्रणाली का वर्णन करने का विश्लेषण किया और एक पिक्सेल द्वारा पिक्सेल आधार पर लगाया है, एक छवि जिसका पिक्सेल मूल्यों सीधे चर के मूल्यों को प्रतिबिंबित उत्पादन कर रहे हैं। एक ऐसी छवि एक पैरामीट्रिक नक्शे के रूप में जाना जाता है।
qMRI का एक आम उपयोग घevelopment और बायोमार्कर के आवेदन। बायोमार्कर एक रोग तंत्र की जांच करने के लिए, एक निदान की स्थापना, एक रोग का निदान का निर्धारण, और / या एक चिकित्सकीय प्रतिक्रिया का आकलन किया जा सकता है। वे सांद्रता या अंतर्जात या exogenous अणुओं, एक ऊतकीय नमूना, एक भौतिक मात्रा, या एक आंतरिक छवि की गतिविधियों का रूप ले सकता है। बायोमार्कर के कुछ सामान्य आवश्यकताओं कि वे निष्पक्ष माप के भौतिक इकाइयों का उपयोग कर एक लगातार वितरित चर को मापने कर रहे हैं; ब्याज की विकृति के साथ एक स्पष्ट, अच्छी तरह से समझ रिश्ता है; करने के लिए सुधार और नैदानिक राज्य की बिगड़ती के प्रति संवेदनशील हैं; और उपयुक्त सटीकता और परिशुद्धता के साथ मापा जा सकता है। गैर-आक्रामक या न्यूनतम इनवेसिव बायोमार्कर, विशेष रूप से वांछनीय हैं, क्योंकि वे रोगी आराम को बढ़ावा देने और न्यूनतम ब्याज की विकृति को परेशान।
मांसपेशियों की बीमारी के लिए छवि आधारित बायोमार्कर के विकास के लिए एक लक्ष्य है कि मायनों complementar हैं मांसपेशियों की बीमारी को प्रतिबिंबित करने के लिए हैY, की तुलना में अधिक विशिष्ट, और अधिक स्थानिक से चयनात्मक, और / या मौजूदा दृष्टिकोण से भी कम आक्रामक। इस संबंध में qMRI के एक विशेष लाभ यह जानकारी के कई प्रकार के एकीकृत और इस प्रकार संभावित रोग की प्रक्रिया के कई पहलुओं को चिह्नित करने की क्षमता है। इस क्षमता मांसपेशियों की बीमारियों में बहुत महत्वपूर्ण है, जो अक्सर एक स्थानिक चर, जटिल विकृति है कि सूजन, गल जाना और / या वसा प्रतिस्थापन, फाइब्रोसिस, myofilament जाली ( "जेड डिस्क स्ट्रीमिंग") के विघटन, और झिल्ली क्षति के साथ शोष शामिल दिखा रहे है । qMRI तरीकों का एक अन्य लाभ यह है कि इसके विपरीत आधारित एमआर छवियों के गुणात्मक या अर्द्ध मात्रात्मक वर्णन सिर्फ विकृति नहीं, लेकिन यह भी छवि अधिग्रहण मापदंडों, हार्डवेयर में मतभेद है, और मानव धारणा को प्रतिबिंबित करता है। यह पिछले मुद्दे का एक उदाहरण Wokke एट अल।, जो पता चला है कि वसा घुसपैठ की अर्द्ध मात्रात्मक आकलन, अत्यधिक चर और अक्सर गलत कर रहे हैं डब्ल्यू द्वारा प्रदर्शन किया गयामात्रात्मक वसा / पानी एमआरआई (FWMRI) के साथ तुलना मुर्गी 1।
यहां वर्णित प्रोटोकॉल (qMT) पैरामीटर, प्रसार tensor एमआरआई (डीटी एमआरआई) का उपयोग कर पानी प्रसार गुणांक, और मांसपेशियों संरचना का उपयोग अनुदैर्ध्य (टी 1) और अनुप्रस्थ (टी 2) विश्राम का समय स्थिरांक, मात्रात्मक संस्कार हस्तांतरण को मापने के लिए पल्स दृश्यों शामिल संरचनात्मक छवियों और FWMRI। टी 1 एक उलटा वसूली अनुक्रम, जिसमें शुद्ध आकर्षण संस्कार वेक्टर उलटा है और के रूप में प्रणाली संतुलन के लिए रिटर्न इसकी भयावहता को जांचा जाता है का उपयोग करके मापा जाता है। टी 2 बार बार अनुप्रस्थ संस्कार ऐसे कैर-परसेल Meiboom-गिल (CPMG) पद्धति के रूप में पुन: फोकस दालों, की एक ट्रेन का उपयोग कर पुन: फोकस, और जिसके परिणामस्वरूप स्पिन गूँज नमूने द्वारा मापा जाता है। टी 1 और 2 टी डेटा गैर रेखीय वक्र ढाले तरीके है कि या तो expone के एक नंबर के मान का उपयोग कर विश्लेषण किया जा सकताntial घटकों एक प्राथमिकताओं (आमतौर पर एक और तीन के बीच) या एक रेखीय उलटा दृष्टिकोण है, जो खस्ताहाल exponentials की एक बड़ी संख्या का योग करने के लिए मनाया डेटा फिट बैठता संकेत आयाम की एक स्पेक्ट्रम में जिसके परिणामस्वरूप का उपयोग करके। यह दृष्टिकोण एक गैर नकारात्मक कम से कम वर्ग (NNLS) समाधान 3 की आवश्यकता है, और आम तौर पर स्थिर परिणाम का उत्पादन करने के लिए अतिरिक्त नियमितीकरण भी शामिल है। टी 1 और 2 टी माप व्यापक रूप से मांसपेशियों की बीमारियों और चोट 4-9 अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। टी 1 मूल्यों आम तौर पर पेशी के वसा में घुसपैठ क्षेत्रों में कमी आई है और सूजन क्षेत्रों 4-6 में बुलंद कर रहे हैं; टी 2 मूल्यों दोनों वसा में घुसपैठ की है और सूजन क्षेत्रों में 10 बुलंद कर रहे हैं।
QMT एमआरआई मुफ्त पानी प्रोटॉन (पूल आकार के अनुपात, PSR) के लिए macromolecular के अनुपात का आकलन करके ऊतकों में मुफ्त पानी और ठोस जैसे macromolecular प्रोटॉन ताल की विशेषता है; आंतरिक को आरामइन पूल के व्यावहारिक दरों; और उन दोनों के बीच आदान-प्रदान की दरों। आम qMT दृष्टिकोण स्पंदित संतृप्ति 11 और चयनात्मक उलटा वसूली 12,13 तरीके शामिल हैं। नीचे प्रोटोकॉल स्पंदित संतृप्ति दृष्टिकोण है, जो प्रोटॉन macromolecular संकेत के व्यापक linewidth, पानी प्रोटॉन संकेत के संकीर्ण linewidth के सापेक्ष कारनामे के उपयोग का वर्णन। प्रतिध्वनि आवृत्तियों पर्याप्त पानी संकेत से अलग macromolecular संकेत saturating रखकर पानी संकेत ठोस और मुफ्त पानी प्रोटॉन ताल के बीच आकर्षण संस्कार हस्तांतरण का एक परिणाम के रूप में कम हो जाता है। डेटा एक मात्रात्मक biophysical मॉडल का उपयोग विश्लेषण कर रहे हैं। QMT विकसित किया गया है और स्वस्थ मांसपेशियों 14,15 में लागू है, और हाल ही में एक अमूर्त मांसपेशियों की बीमारी के 16 में इसके कार्यान्वयन का वर्णन दिखाई दिया। QMT, मांसपेशियों में सूजन के छोटे पशु मॉडल का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है जिसमें यह दिखाया गया है कि सूजन PSR 17 कम हो जाती है। यद्यपि मीट्रिक टन के रूप मेंदोनों macromolecular और पानी सामग्री को दर्शाता है, मीट्रिक टन डेटा भी फाइब्रोसिस 18,19 प्रतिबिंबित कर सकते हैं।
डीटी एमआरआई आदेश दिया, लम्बी कोशिकाओं के साथ ऊतकों में पानी के अणुओं की anisotropic प्रसार व्यवहार यों इस्तेमाल किया जाता है। डीटी एमआरआई में, पानी प्रसार छह या अधिक अलग अलग दिशाओं में मापा जाता है; इन संकेतों को तो एक tensor मॉडल 20 के लिए फिट हैं। प्रसार tensor, डी, तीन eigenvalues (जो तीन प्रमुख diffusivities हैं) और तीन eigenvectors (जो तीन प्रसार गुणांक के लिए इसी दिशाओं संकेत मिलता है) प्राप्त करने के लिए diagonalized है। इन और अन्य मात्रात्मक डी से निकाली गई सूचकांकों एक सूक्ष्म स्तर पर ऊतक संरचना और उन्मुखीकरण के बारे में जानकारी प्रदान करते हैं। पेशी के प्रसार गुण, विशेष रूप से डी के तीसरे eigenvalue और प्रसार anisotropy की डिग्री है, प्रयोगात्मक चोट 2 के कारण मांसपेशियों में सूजन 17 और मांसपेशियों की क्षति को प्रतिबिंबित1, तनाव चोट 22, और रोग 23,24। पेशी के प्रसार संपत्तियों पर अन्य संभावित प्रभावों सेल व्यास 25 और झिल्ली पारगम्यता परिवर्तन में परिवर्तन शामिल हैं।
अन्त में, मांसपेशियों शोष, बिना या स्थूल वसा घुसपैठ के बिना, कई मांसपेशियों की बीमारियों का एक रोग घटक है। मांसपेशियों शोष मांसपेशी पार के अनुभागीय क्षेत्र या मात्रा और परिवार कल्याण एमआरआई को मापने के लिए फैटी घुसपैठ का आकलन करने के लिए संरचनात्मक छवियों का उपयोग करके मूल्यांकन किया जा सकता है। फैट घुसपैठ गुणात्मक टी 1 में वर्णित किया जा सकता है – और टी 2 छवियों 26 भारित, लेकिन वसा और पानी के संकेतों सबसे अच्छा चित्र है कि वसा और पानी प्रोटॉन 27-29 के विभिन्न गूंज आवृत्तियों का फायदा उठाने के गठन से मापा जाता है। मात्रात्मक वसा / पानी इमेजिंग तरीकों जैसे पेशी dystrophy 1,30,31 के रूप में मांसपेशियों की बीमारियों में लागू किया गया है, और इन रोगियों में 31 ambulation के नुकसान की भविष्यवाणी कर सकते हैं।
<pवर्ग = "jove_content"> यहाँ वर्णित qMRI प्रोटोकॉल स्व-प्रतिरक्षित भड़काऊ myopathies dermatomyositis (डीएम) और polymyositis (प्रधानमंत्री) में पेशी हालत को चिह्नित करने के लिए इन मापों के सभी उपयोग करता है। अपनी reproducibility सहित प्रोटोकॉल की आगे की जानकारी, पहले 32 प्रकाशित किया गया है। प्रोटोकॉल मानक पल्स दृश्यों के साथ ही रेडियोफ्रीक्वेंसी (आरएफ) और चुंबकीय क्षेत्र ढाल वस्तुओं विशेष रूप से हमारे सिस्टम पर प्रोग्राम भी शामिल है। लेखकों आशा करते हैं कि प्रोटोकॉल (जैसे पेशी अपविकास के रूप में) अन्य neuromuscular पेशी शोष, सूजन, और वसा घुसपैठ की विशेषता विकारों में लागू है।Protocol
Representative Results
Discussion
ऐसे पेशी अपविकास और अज्ञातहेतुक भड़काऊ myopathies के रूप में मांसपेशियों की बीमारियों रोगों कि उनके घटनाओं में एटियलजि में विषम और, अलग-अलग संस्थाओं के रूप में, दुर्लभ हैं के समूह का गठन। उदाहरण के लिए, Duchenne पे?…
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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