Fedt-vand Phantoms for magnetisk resonans validering: en fleksibel og skalerbar protokol
Summary
Formålet med dette arbejde er at beskrive en protokol for at skabe en praktisk fedt-vand phantom, som kan tilpasses til at producere phantoms med varierende fedt procenter og diskenheder.
Abstract
Da er udviklet nye metoder til billede fedtvæv, bliver metoder til at validere sådanne protokoller stadig vigtigere. Spøgelser, eksperimentelle reproduktioner af et væv eller organ af interesse, giver en billig og fleksibel løsning. Dog uden adgang til dyre og specialiseret udstyr, konstruere stabil phantoms med højt fedt fraktioner (fx., > 50% fedtfraktionen niveauer som dem set i brunt fedtvæv) kan være vanskelig på grund af den hydrofobiske karakter af lipider. Dette arbejde præsenterer en detaljeret, lave omkostninger protokol for at skabe 5 x 100 mL phantoms med fedt brøkdele af 0%, 25%, 50%, 75% og 100% ved hjælp af grundlæggende lab forsyninger (kogeplade, bægre, osv.) og let tilgængelige komponenter (destilleret vand, agar, vandopløselige overfladeaktivt stof, natriumbenzoat, gadolinium-diethylenetriaminepentacetate (DTPA) kontraststof, jordnøddeolie, og olie-opløselige overfladeaktivt stof). Protokollen var designet til at være fleksibel. Det kan bruges til at oprette phantoms med forskellige fedt fraktioner og en bred vifte af diskenheder. Fantomer lavet med denne teknik blev evalueret i den feasibility-undersøgelse, som sammenlignede fedtfraktionen værdier fra fedt-vand magnetisk resonans at målværdierne i de beregnede spøgelser. Denne undersøgelse givet en konkordans korrelationskoefficienten af 0.998 (95% konfidensinterval: 0.972-1,00). Sammenfattende viser disse undersøgelser nytte af fedt phantoms til validering af fedtvæv imaging teknikker på tværs af en vifte af klinisk relevante væv og organer.
Introduction
Interessen for kvantificering af fedtvæv og triglycerid indhold ved hjælp af Billeddannende modaliteter, såsom magnetisk resonans imaging (MR), strækker sig over mange felter. Forskningsområder omfatter undersøgelse af hvidt og brunt fedtvæv depoter og ektopisk opbevaring af lipid i organer og væv som lever1, bugspytkirtlen2og skeletmuskulatur3. Da disse nye teknikker for fedt kvantificering er udviklet, metoder er nødvendige for at bekræfte, at billeddannelse parametre er gyldig for forskning og kliniske applikationer.
Spøgelser, eksperimentelle reproduktioner af et væv eller organ, giver en low-cost, fleksibel og kontrolleret værktøj til at udvikle og validere billeddiagnostiske teknikker4. Specifikt, kan spøgelser konstrueres til at bestå af fedt og vand i forholdet eller fedt volumenfraktion (FF) sammenlignes med væv af klinisk interesse. Klinisk, FF værdier i væv og organer kan variere meget: FF i brunt fedtvæv falder mellem 29,7% og 93,9%5; den gennemsnitlige leveren FF i steatose patienter er 18,1 ± 9,0%6; pancreas FF i voksne i risiko for type 2 diabetes varierer mellem 1,6% og 22,2%7; og i nogle tilfælde på forhånd sygdom, patienter med Duchennes muskeldystrofi kan have FF værdier på næsten 90% i nogle muskler8.
Fordi ikke-polære molekyler såsom lipider ikke opløses i opløsninger af polære molekyler såsom vand, forbliver at skabe stabile phantoms med et højt mål FF udfordrende. For FF op til kan 50%, mange eksisterende metoder bruges til at oprette fat vand phantoms9,10,11,12. Andre metoder, at opnår højere FFs typisk kræver dyrt udstyr såsom en homogeniseringsapparat eller en ultralyd celle disruptor13,14. Selv om disse teknikker give en køreplan for høj FF phantoms, begrænse udstyr begrænsninger og varierende mængder af eksperimentelle detaljer bestræbelserne på at skabe reproducerbare og robust fedt vand spøgelser.
Bygger på disse tidligere teknikker, udviklet vi en metode til at konstruere omkostningseffektive og stabil fat vand spøgelser på tværs af en tilpasselig vifte af FF værdier. Denne protokol detaljer de nødvendige skridt for at gøre 5 x 100 mL fedt phantoms med FF værdier af 0%, 25%, 50%, 75% og 100% ved hjælp af en enkelt kogeplade. Det kan nemt justeres for at skabe forskellige mængder (10 til 200 mL) og fedt procenter (0 til 100%). Effekten af de fantom teknik blev evalueret i de feasibility undersøgelse sammenligner fedt-vand Mr FF værdier målværdier på FF i de beregnede spøgelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi beskriver en robust metode til at oprette fat vand phantoms egnet til validering af de medicinske Billeddannende teknikker bruges til at kvantificere fedtvæv og triglycerid indhold in vivo. Ved at oprette to reservoirer (én for olie løsning) og én til vand løsning, blev der bygget stabil spøgelser med en bred vifte af FF værdier-herunder værdier på over 50% – uden behov for dyrt udstyr. Høj FF phantoms (> 50%) giver nytte for at sikre Billeddannende teknikker for fedt kvantificering er gyldig for …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finansiering støtte denne forskning blev ydet National Institutes of Health (NIH) og nationale Institut for Diabetes og Digestive og nyre sygdomme (NIDDK) / NIH R01-DK-105371. Vi takker Dr. Houchun (Harry) Hu for råd og forslag på fedt vand phantom skabelse.
Materials
| Distilled Water | Amazon | B000P9BY38 | Base of water solution |
| Agar | Sigma Aldrich Incorporated | A1296-100G | Gelling agent |
| Water-Soluble Surfactant | Sigma Aldrich Incorporated | P1379-500ML | Surfactant/emulsifying agent |
| Gadolinium-DTPA Contrast Agent | Bayer Healthcare | 50419-0188-01 | Magnetic Resonance Imaging Contrast Agent. |
| Sodium Benzoate | Sigma Aldrich Incorporated | 71300-250G | Preservative |
| Peanut Oil | Amazon | 54782-LOU | Base of oil solution |
| Oil-Soluble Surfactant | Sigma Aldrich Incorporated | S6760-250ML | Surfactant/emulsifying agent |
| Hotplate w/ Stirrer | Fisher Scientific | 07-770-152 | |
| Stir bars (Egg-Shaped) | Sigma Aldrich Incorporated | Z127116-1EA | |
| 400 mL Beaker | Sigma Aldrich Incorporated | CLS1003400-48EA | |
| 250 mL Erlenmeyer Flask | Sigma Aldrich Incorporated | CLS4450250-6EA | |
| 25 mL Glass Volumetric Pipette | Fisher Scientific | 13-650-2P | Quantity = 2 |
| 50 mL Glass Volumetric Pipette | Fisher Scientific | 13-650-2S | Quantity = 2 |
| 75 mL Glass Volumetric Pipette | Fisher Scientific | 13-650-2T | Quantity = 2 |
| 3.0 mL Syringe | Sigma Aldrich Incorporated | Z248002-1PAK | |
| 1.0 mL Syringe | Sigma Aldrich Incorporated | Z230723-1PAK | |
| Spatula | Sigma Aldrich Incorporated | S3897-1EA | |
| Scale (100g X 0.01g Resolution) | Amazon | AWS-100-BLK | |
| Weigh Boats | Sigma Aldrich Incorporated | Z740499-500EA | |
| 120 mL Glass Jars | McMaster Carr Supply Co | 3801T73 | |
| Heat Resistant Gloves (pair) | Amazon | B075GX43MN | |
| Syringe Needles | Sigma Aldrich Incorporated | Z192341-100EA | |
| 18" stir bar retriver | Fisher Scientific | 14-513-70 | |
| 1 Dram Clear Glass Vial | Fisher Scientific | 03-339-25B |
References
- Franz, D., et al. Association of proton density fat fraction in adipose tissue with imaging-based and anthropometric obesity markers in adults. Int J Obes. , 1-8 (2017).
- Chai, J., et al. MRI chemical shift imaging of the fat content of the pancreas and liver of patients with type 2 diabetes mellitus. Exp Ther Med. 11 (2), 476-480 (2016).
- Hogrel, J. Y., et al. NMR imaging estimates of muscle volume and intramuscular fat infiltration in the thigh: variations with muscle, gender, and age. Age (Omaha). 37 (3), 1-11 (2015).
- Hoskins, P. R. Simulation and Validation of Arterial Ultrasound Imaging and Blood Flow. Ultrasound Med Biol. 34 (5), 693-717 (2008).
- Hu, H. H., Perkins, T. G., Chia, J. M., Gilsanz, V. Characterization of human brown adipose tissue by chemical-shift water-fat MRI. Am J Roentgenol. 200 (1), 177-183 (2013).
- d’Assignies, G., et al. Noninvasive quantitation of human liver steatosis using magnetic resonance and bioassay methods. Eur Radiol. 19 (8), 2033-2040 (2009).
- Schwenzer, N. F., et al. Quantification of pancreatic lipomatosis and liver steatosis by MRI: comparison of in/opposed-phase and spectral-spatial excitation techniques. Invest Radiol. 43 (5), 330-337 (2008).
- Wokke, B. H., et al. Quantitative MRI and strength measurements in the assessment of muscle quality in Duchenne muscular dystrophy. Neuromuscul Disord. 24 (5), 409-416 (2014).
- Fischer, M. A., et al. Liver Fat Quantification by Dual-echo MR Imaging Outperforms Traditional Histopathological Analysis. Acad Radiol. 19 (10), 1208-1214 (2012).
- Hayashi, T., et al. Influence of Gd-EOB-DTPA on proton density fat fraction using the six-echo Dixon method in 3 Tesla magnetic resonance imaging. Radiol Phys Technol. , (2017).
- Hines, C. D. G., Yu, H., Shimakawa, A., McKenzie, C. A., Brittain, J. H., Reeder, S. B. T1 independent, T2* corrected MRI with accurate spectral modeling for quantification of fat: Validation in a fat-water-SPIO phantom. J Magn Reson Imaging. 30 (5), 1215-1222 (2009).
- Fukuzawa, K., et al. Evaluation of six-point modified dixon and magnetic resonance spectroscopy for fat quantification: a fat-water-iron phantom study. Radiol Phys Technol. , 1-10 (2017).
- Bernard, C. P., Liney, G. P., Manton, D. J., Turnbull, L. W., Langton, C. M. Comparison of fat quantification methods: A phantom study at 3.0T. J Magn Reson Imaging. , (2008).
- Poon, C., Szumowski, J., Plewes, D., Ashby, P., Henkelman, R. M. Fat/Water Quantitation and Differential Relaxation Time Measurement Using Chemical Shift Imagin Technique. Magn Reson Imaging. 7 (4), 369-382 (1989).
- Yu, H., Shimakawa, A., Mckenzie, C. a., Brodsky, E., Brittain, J. H., Reeder, S. B. Multi-Echo Water-Fat Separation and Simultaneous R2* Estimation with Multi-Frequency Fat Spectrum Modeling. Spectrum. 60 (5), 1122-1134 (2011).
- Peri, C. . The extra-virgin olive oil handbook. , (2014).
- Kell, G. S. Density, Thermal Expansivity, and Compressibility of Liquid Water from 0° to 150°C: Correlations and Tables for Atmospheric Pressure and Saturation Reviewed and Expressed on 1968 Temperature Scale. J Chem Eng Data. 20 (1), 97-105 (1975).
