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Medicine

Quantitativa Ressonância Magnética da doença do 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

doenças neuromusculares geralmente exibem um temporalmente variando patologia, espacialmente heterogêneo e multifacetado. O objetivo deste protocolo é caracterizar esta patologia utilizando métodos de ressonância magnética não-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

Quantitativa ressonância magnética (qMRI) descreve o desenvolvimento e uso de MRI para quantificar físicas, químicas e / ou propriedades biológicas dos sistemas vivos. QMRI requer que um adoptar um modelo biofísico para o sistema, composto por o tecido de interesse e uma sequência de impulsos de ressonância magnética. A seqüência de pulso é projetado para sensibilizar intensidades de sinal das imagens ao parâmetro de interesse no modelo. propriedades do sinal de ressonância magnética (magnitude do sinal, frequência e / ou fase) são medidos e analisados ​​de acordo com o modelo. O objectivo é o de produzir uma estimativa imparcial, quantitativa de um parâmetro físico ou biológica tendo continuamente distribuídos unidades físicas, de medição. Muitas vezes, as equações que descrevem o sistema são analisados ​​e montado numa base de pixel-a-pixel, produzir uma imagem de pixel cujos valores reflectem directamente os valores da variável. Tal imagem é referido como um mapa paramétrico.

Um uso comum do qMRI é o desenvolvimento e aplicação de biomarcadores. Os biomarcadores podem ser utilizados para investigar um mecanismo da doença, estabelecer um diagnóstico, determinar um prognóstico, e / ou avaliar uma resposta terapêutica. Eles podem tomar a forma das concentrações ou actividades das moléculas endógenas ou exógenas, uma amostra histológica, uma grandeza física, ou uma imagem interna. Alguns requisitos gerais de biomarcadores são de que eles medir objetivamente uma variável contínua distribuído utilizando unidades físicas de medida; ter uma relação clara e bem compreendido com a patologia de interesse; são sensíveis à melhoria e piora do estado clínico; e pode ser medido com exactidão e precisão adequada. biomarcadores não-invasivas ou minimamente invasivas são particularmente desejável, uma vez que promovem o conforto do paciente e minimamente perturbar a patologia de interesse.

A meta para o desenvolvimento de biomarcadores com base em imagens para a doença muscular é refletir doença muscular de maneiras que são complementary para, mais específico do que, espacialmente mais seletiva do que, e / ou menos invasiva do que as abordagens existentes. Uma vantagem particular da qMRI a este respeito é que ela tem o potencial para integrar vários tipos de informação e, portanto, potencialmente caracterizar muitos aspectos do processo da doença. Esta capacidade é muito importante em doenças musculares, que frequentemente apresentam uma patologia espacialmente variável, complexo que inclui inflamação, necrose e / ou atrofia com substituição de gordura, fibrose, perturbação da estrutura miofilamentos ( "streaming de Z-disco"), e os danos da membrana . Outra vantagem de métodos qMRI é que as descrições qualitativas ou semi-quantitativa de imagens de RM baseada em contraste refletem não apenas patologia, mas também diferenças nos parâmetros de aquisição de imagem, hardware e percepção humana. Um exemplo desta última edição foi demonstrada por Wokke et al., Que mostrou que as avaliações de semi-quantitativa da infiltração de gordura são altamente variáveis e freqüentemente incorretos, when comparação com MRI de gordura / água quantitativa (FWMRI) 1.

O protocolo aqui descrito inclui sequências de pulso para medir a longitudinal (T 1) e transversal (T 2) constantes de tempo de relaxamento, transferência de magnetização quantitativa (QMT) parâmetros, coeficientes de difusão de água através do tensor de difusão MRI (DT-MRI), e estrutura muscular usando imagens estruturais e FWMRI. T 1 é medida por meio de uma sequência de recuperação de inversão, em que o vector de magnetização do líquido é invertido e a sua magnitude é amostrado como o sistema de volta ao equilíbrio. T é medido por dois reorientar repetidamente magnetização transversal através de um trem de impulsos de reorientação, tais como o método de Carr-Purcell-Meiboom Gill (CPMG), e amostragem dos spin-eco resultantes. Dados T 1 e T 2, podem ser analisados utilizando métodos de ajuste de curvas não-lineares que assumem, quer um número de Exponecomponentes ntial a priori (tipicamente entre uma e três) ou usando uma abordagem inversa linear que se ajusta aos dados observados para a soma de um grande número de exponenciais em decomposição, resultando em um espectro de amplitudes do sinal. Esta abordagem requer uma solução quadrada não-negativa menos (NNLS) 3, e normalmente inclui regularização adicional para produzir resultados estáveis. T 1 e T 2 medições têm sido amplamente utilizado para estudar doenças e lesões musculares 4-9. Valores T 1 são tipicamente diminuída em regiões infiltrado com gordura de músculo e elevada em regiões inflamadas 4-6; Valores de T 2 são elevados em ambas as regiões se infiltrado em gordura e inflamados 10.

QMT-MRI caracteriza os água e sólido como piscinas de prótons macromoleculares livres em tecidos estimando a proporção de macromolecular de prótons de água livre (a proporção de tamanho da piscina, PSR); o relaxe intrínsecotaxas ation destas piscinas; e as taxas de câmbio entre eles. Abordagens QMT comuns incluem a saturação pulsada 11 e métodos seletivos 12,13 recuperação de inversão. O protocolo a seguir descreve a utilização da abordagem de saturação pulsado, que explora a ampla largura de linha do sinal de protão macromolecular, em relação à largura de linha estreita do sinal de protão da água. Ao saturar o sinal macromolecular a frequências de ressonância suficientemente diferente do sinal da água, o sinal de água é reduzido como um resultado de transferência de magnetização entre as piscinas dos protões da água e sólidos livres. Os dados são analisados ​​utilizando um modelo biofísico quantitativa. QMT foi desenvolvida e aplicada nos músculos saudáveis 14,15 e um resumo recente apareceu descrevendo a sua aplicação em doenças músculo 16. QMT tem sido utilizada para estudar pequenos modelos animais de inflamação muscular, em que foi demonstrado que a inflamação diminui a PSR 17. Na medida em que MTreflete conteúdos tanto macromoleculares e de água, os dados MT pode também refletir fibrose 18,19.

DT-MRI é usado para quantificar o comportamento de difusão anisotrópica de moléculas de água nos tecidos com células ordenadas, alongadas. Em DT-MRI, a difusão de água é medido em seis ou mais direções diferentes; estes sinais são então ajustados a um modelo tensor 20. O tensor de difusão, D, é diagonalizado para se obter três valores próprios (que são as três principais difusividades) e três vectores eigen (que indicam as direcções correspondentes aos três coeficientes de difusão). Estes e outros índices quantitativos derivados de D fornecer informações sobre a estrutura do tecido e a orientação a um nível microscópico. As propriedades de difusão de músculo, especialmente o terceiro valor próprio de D e o grau de anisotropia de difusão, reflectir inflamação muscular 17 e dano muscular devido a lesão experimental 21, lesão por esforço 22 e doença 23,24. Outras influências potenciais sobre as propriedades de difusão de massa muscular incluem alterações no diâmetro da célula 25 e alterações da permeabilidade da membrana.

Por último, a atrofia muscular, sem gordura ou sem infiltração macroscópica, é um componente patológico de várias doenças musculares. A atrofia muscular pode ser avaliada através da utilização de imagens estruturais do músculo para medir a área de secção transversal ou volume e FW-MRI para avaliar a infiltração de gordura. Infiltração de gordura pode ser qualitativamente descrito no T 1 – e T 2 imagens ponderadas 26, mas sinais de gordura ea água sejam melhor medida pela formação de imagens que exploram as diferentes frequências de ressonância de gordura e água prótons 27-29. / Métodos de imagiologia água gordura quantitativos foram aplicados em doenças musculares tais como distrofia muscular 1,30,31, e pode prever a perda de deambulação em 31 destes pacientes.

<pclass = "jove_content"> O protocolo qMRI descrito aqui usa todas estas medições para caracterizar a condição muscular nas auto-imunes inflamatórias miopatias dermatomiosite (DM) e polimiosite (PM). Mais detalhes do protocolo, incluindo a sua reprodutibilidade, foram publicados anteriormente 32. O protocolo inclui sequências padrão de pulso, bem como de radiofrequência (RF) e objetos de gradiente de campo magnético especificamente programados em nossos sistemas. Os autores antecipar que o protocolo é também aplicável em outros distúrbios neuromusculares caracterizados por atrofia muscular, inflamação, e infiltração de gordura (tal como a distrofia muscular).

Protocol

NOTA: O leitor é lembrado de que toda pesquisa envolvendo seres humanos deve ser aprovado pelo Institutional Review Board local (IRB) para o uso de Seres Humanos em Pesquisa. Os participantes da pesquisa devem ser informados da finalidade, procedimentos, riscos e benefícios da pesquisa proposta; a disponibilidade de tratamentos alternativos ou procedimentos; a disponibilidade de remuneração; e de seus direitos à privacidade e retirar o seu consentimento e descontinuar a sua participação. Antes da sessão de testes de ressonância mag…

Representative Results

A Figura 1 mostra imagens anatômicas axiais representativos adquiridas no meio da coxa de um paciente com polimiosite. Também é mostrada a localização da projecção no plano do volume calço. Mapas de parâmetros representativos para cada método qMRI, todos obtidos a partir deste mesmo paciente, são fornecidos a partir das Figuras 2 – 7. As Figuras 2A e 2B</str…

Discussion

doenças musculares, como as distrofias musculares e miopatias inflamatórias idiopáticas constituem de um grupo de doenças que são heterogêneos em etiologia e, como entidades individuais, rara em sua incidência. Por exemplo, distrofia muscular de Duchenne – a forma mais comum de distrofia muscular – tem uma incidência de 1 em cada 3.500 nascimentos vivos do sexo masculino 37,38; dermatomiosite, a que foi aplicado este protocolo, tem uma incidência de 1 em 100.000 39. A maior incidência col…

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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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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