הדמיית תהודה מגנטית מבנית ברזולוציה גבוהה של תת-הקליפה&quot; האדם<I&gt; In vivo</I&gt; ולאחר המוות

Summary

Here we present a protocol to determine the minimum number images that needed to be registered and averaged to resolve subcortical structures and test whether the individual layers of the LGN could be resolved in the absence of physiological noise.

Abstract

המוקד של מחקר זה היה לבחון את גבולות הרזולוציה של MRI המבני של מוח שלאחר המוות בהשוואה לחיים מוח אנושי. הרזולוציה של MRI המבני in vivo מוגבל סופו של דבר על ידי רעש פיסיולוגי, כוללים פעימה, נשימה ותנועת הראש. למרות חומרת ההדמיה ממשיכה להשתפר, זה עדיין קשה כדי לפתור מבנים בקנה מידת המילימטר. לדוגמא, סינפסה הראייה העיקרית מסלולים חושיים בגרעין הברך הצדי (LGN), ממסר חזותי וגרעין שליטה בתלמוס, כי בדרך כלל מאורגן בשש שכבות המשקפת רציף. מחקרי הדמייה לא הצליחו להבחין באופן מהימן שכבות אלה בשל גודלם הקטן, כי הם פחות מ 1 מ"מ עובי.

מגבלת הפתרון של MRI המבני, במוח שלאחר המוות נבדקה מספר רב של תמונות באמצעות ממוצע במשך זמן רב (~ 24 שעות). המטרה הייתה לבדוק אם ניתן היה לפתור את l הבודדאיירס של LGN בהעדר הרעש פיסיולוגי. צפיפות פרוטון (PD) ¹ רצף דופק משוקלל שימשה עם משתנה רזולוציה ופרמטרים נוספים כדי לקבוע את המספר המזערי של תמונות צורך להיות רשומות בממוצע להבחין LGN ואזורים קורטיקליים אחרים באופן מהימן. התוצאות גם הושוו לתמונות שנרכשו בחיים מוח אנושי. בvivo נושאים נסרקו על מנת לקבוע את ההשפעות נוספות של רעש פיסיולוגי במספר המינימאלי של סריקות PD צריכים להבדיל מבנים קורטיקליים, שימושיים ביישומים קליניים.

Introduction

מטרתו של מחקר זה הייתה לבחון את גבולות הרזולוציה של MRI המבני בהעדר הרעש הפיזיולוגי. צפיפות תמונות משוקללת (PD) פרוטון נרכשו במוח שלאחר המוות במשך זמן רב (שני ~ 24 מפגשי שעות) כדי לקבוע את המספר המזערי של תמונות שהיו צריך להיות רשומים וממוצע כדי לפתור את המבנים קורטיקליים. לשם השוואה, תמונות משוקללים PD היו גם רכשו בחיים בני אדם על פני מספר המפגשים. בפרט, המטרה הייתה לבדוק אם זה יהיה אפשרי בתרחיש הטוב ביותר במקרה לפתור את כל שש שכבות בודדות של LGN האדם, שהם כ 1 מ"מ עובי (איור 1).

איור 1. שכבות רוחב האדם הברכיתיים גרעין. סכמטי של מבנה עלעלי של LGN. המגנוסלולריים שכבות (M) מורכבות מעצבית גדולותגודל תא וצפיפות תאים קטן יותר כי הם אחראים לפתרון קווי המתאר תנועה וכמובן (שכבות 1-2, מתואר כאפור כהה). שכבות הפרווסלולריים (P) מורכבות מגודל קטן יותר תאים עצביים וצפיפות תאים גדולה יותר, שאחראים לפתרון עדין צורה וצבע (שכבות 4-6, מתואר כאפור בהיר). בר סולם של 1 מ"מ. איור המבוסס על ¹² LGN האדם המוכתם.

רזולוציה מרחבית בMRI משופר בעת גודל המטריצה ​​הוא גדל, וכאשר שדה-ראייה (FOV) ועובי פרוסה הם ירדו. עם זאת, רזולוציה מוגברת מקטינה את יחס האות לרעש (SNR), שהוא פרופורציונלי לvoxel הנפח. יחס האות לרעש הוא גם פרופורציונלית לשורש הריבועי של מספר המדידות. בבני אדם חיים, אם כי ניתן לרכוש מספר רב של תמונות על פני מספר פגישות הדמיה נפרדות, הרזולוציה האולטימטיבית היא מוגבלת על ידי רעש פיסיולוגי, כגון נשימה, פעימות דם ותנועת הראש.

גָבוֹהַ-resolution (voxels 0.35 מ"מ במטוס) PD סריקות משוקללים נרכשו. סריקות PD לשפר ניגוד אפור ולבן בתלמוס ^1, ולגרום לתמונות שלמזער השפעות ₂ T ₁ ו- T. התמונה שלה תלויה בצפיפות של פרוטונים בצורה של מים ומולקולות גדולים כמו חלבונים ושומן בהדמית הנפח. המספרים מוגברים של פרוטונים בתוצאות רקמות באות בהירה בתמונה בשל המרכיב גבוה יותר של אורכי המגנטיזציה ^2.

סריקות משוקללות PD נאספו מכיוון שהם מספקים ניגודיות גבוהה יותר של מבנים קורטיקליים עם רקמה הסובבת. ניגודים אחרים, כגון T1- ותמונות T2 המשוקלל לגרום לקושי בהתוויית מבנים קורטיקליים כמו LGN בשל יחס ניגודיות לרעש קטן יותר, כפי שנקבע על ƒ ^1,3.

כמו כן, מחקרים קודמים מצאו כי תמונות משוקללות PD של פורמלין קבועים מוח פוסט-מורטם resulteד בהבדלי ניגודיות גבוהים יותר בין חומר אפור ולבן בהשוואה לT1- ותמונות T2 המשוקלל שעוצמות תמונת חומר אפורות והלבנות דומות ^3,4. גורמי biophysical הבסיסיים יכולים להסביר הבדלים אלה. T1 (אורך) וT2 (רוחבי) פעמים הרפיה של פרוטוני מימן תלויות איך מהלכי מים בתוך הרקמה. Fixatives כגון עבודת פורמלין על ידי חלבוני קישור צולבים. ההבדלים בין ניידות מים מופחתים בין סוגים שונים של רקמות כאשר fixatives משמש. לעומת זאת רקמת T1 מופחת נצפה לאחר קיבוע, ואילו ההבדלים בצפיפות היחסית של פרוטונים בתוך רקמות מוח גדלו עם קיבעון, מתן ניגוד בידול טוב יותר ^{3, 4.}

מחקרים קודמים זיהו LGN בסריקות משוקלל PD באמצעות 1.5 T ^5,6,7, ולאחר 3 T סורק ^8,9. זה קריטי כדי לקבל סריקות אלה כדי להיות מסוגלים להתוות את היקף מדויקLGN. כדי לשמור על כיסוי מלא של הגרעינים קורטיקליים, 18 פרוסות משוקללות PD נתקבלו בתלמוס. כל כרך מחדש נדגמו לפעמיים מטריצת החלטת 1024, (גודל 0.15 מ"מ במטוס voxel), בשרשור, תנועת תיקון וממוצע לייצר תמונת 3D ברזולוציה גבוהה של מבנים קורטיקליים. המספר האופטימלי של תמונות PD נדרשות למרשם הפרוסה הבא היה 5, צמצום זמן סריקה פחות מ 15 דקות בבני אדם חיים. רק 1 תמונת PD נדרשה לסמן בבירור אזורים קורטיקליים במוח שלאחר המוות, צמצום זמן סריקה פחות מ 3 דקות (איור 2 ו -3).

דגימת מוח כל-קבוע פורמלין שלאחר המוות נסרקה מאישה שמתו מדום לב-ריאה בגיל 82 שנים. סקירה של רשומות רפואיות גילתה שיש לה: מחלת ריאות חסימתית כרוני, אנגינה, מעקף משולש ניתוח 8 שנים שקדמו למותו, סרטן הרחם שטופל בכריתת רחם7 שנים שקדמו למוות, היפרליפידמיה, גלאוקומה, וניתוח קטרקט. דגימת המוח שלאחר המוות הייתה טבילה-קבועה ב 10% ניטראלי שנאגרו פורמלין לפחות 3 שבועות על 4 מעלות המוח שלאחר המוות C.The נסרקה עם אותו פרוטוקול ההדמיה, כמו גם עם פרמטרים אחרים במהלך שעות רבות להשוואות איכות תמונה . רק הפרמטרים האופטימליים יתוארו לפרוטוקול.

Protocol

1. משתתף ולאחר מות מוח הסט-אפ

הערה: כל התמונות נרכשו באמצעות סורק MRI T 3 עם סליל ראש 32 ערוצים וכל סריקת MRI בוצע ב RT, כ -20 מעלות צלזיוס. כל המשתתפים היו תקין בידיים ונתנו בכתב הסכמה מדעת. כל משתתף היה במצב הבריאותי טוב ללא היסטוריה של הפרעות נוירולוגיות. פרוטוקול הניסוי אושר ועוקב אחר ההנחיות של ועדת ביקורת משתתפי יורק אדם האוניברסיטה.

1. בקש מכל משתתף למלא ולחתום על טופס הסכמת מטופל המפרט הנחיות בטיחות MRI ופרוטוקול נוירו-ההדמיה.
2. לכל משתתף, למקם את אטמי אוזניים בכל אוזן ולאבטח את ראשם עם כריות כדי למזער תנועת ראש.
3. להדמיה של מוח שלאחר מוות, לוודא המוח קבוע לפני הדמייה והוא נמצא בתוך שקית או מיכל שמתאים בתוך הראש-סליל MRI. מניחים את המוח שלאחר המוות בראש-הסליל עם Z- הציר שלה (מעולה למפל אבניםerior) מיושר עם נשא של הסורק. גזע המוח (האחורית) צריך להתמודד לקראת מרגלות מיטת הסורק.
4. הנח את ידי כרית ואקום סביב המוח שלאחר המוות לתמיכה נוספת.

2. לוקליזציה וקביעת תת-הקליפה"

הערה: התלמוס הוא מבנה אונות כפול ממוקם בסמוך למרכז המוח ממוקם בין המוח התיכון וקליפת המוח. ממוקם בתוך התלמוס הגב, LGN האנושי הוא מבנה קורטיקליים קטן המשתרע מרבי של ~ 10 מ"מ.

1. כדי להירשם משתתף חדש, לפתוח את תוכנת ההדמיה MRI ולחץ על כרטיסיית המטופל בפינה השמאלית העליונה. לאחר מכן לחץ על רישום.
2. מלא את פרטי החולה המתאימים, ולאחר מכן לחץ על כרטיסיית הבחינה.
3. כדי להשיג סריקת Localizer, לחץ על כרטיסיית הבחינה Explorer כדי ליצור פרוטוקול חדש. שים לב לחלון ההגדרה על המסך, לחץ על הכרטיסייה שגרתית, ולהזין את הפרמטרים הבאים: רכישהשניות זמן 28, מטריצת רכישה 160 × 160, פרוסה 1, גודל voxel איזוטרופיים 1.6 מ"מ עובי, FOV = 260 מ"מ, שלב FoV = 100%, רזולוציה פרוסה = 69%, שלב שלב ופורסים חלקי פורייה = 6/8, TR = 3.15 ms, TE = 1.37 אלפיות שניים, פליפ זווית = 8 מעלות.
4. כיסוי תיבת בחירת פרוסה משמשת לרכישת תמונות PD על Localizer מכסות את הגרעינים קורטיקליים בתלמוס, כמו גם סביב מבנים (איור 4).

3. פרמטרים מבניים ברזולוציה גבוהה

1. צור פרוטוקול חדש לקבלת סריקות משוקללת PD ברזולוציה גבוהה. בחלון ההגדרה על המסך, לחץ על הכרטיסייה שגרתית, ולהזין את הפרמטרים הבאים בכיוון העטרה: זמן רכישה 179 שניות, מטריצת רכישה 512 × 512, 0.3 גודל voxel × 0.3 × 1 מ"מ ^3, TR = 3.25 שניות , TE = 32 אלפיות שני, זווית להעיף = 120 °, רכישת נתח משולבת, FoV לקרוא = 160 מ"מ, FoV שלב = 100%, הדמיה מקבילה (גראפה) עםגורם האצת 2.
   1. השתמש ברצף הד ספין טורבו, עם אורך הד רכבת של 5. ההד הראשון ב 32 אלפיות השניים הוא ההד היעיל לרצף הזה. להפחית את רוחב הפס (BW) ל, 40 הרץ / פיקסל המינימום אפשרי, על מנת למקסם את יחס האות לרעש. כדי להפחית את משך סריקה, לבחור 18 פרוסות, כל 1 מ"מ עבה, עם FOV = 160 מ"מ. לוח זה מספק מספיק כיסוי של אזורים קורטיקליים של עניין.
      הערה: לזיהוי אמין של מבנים קורטיקליים, לרכוש 5 ריצות עם הפרמטרים לעיל. משך הסריקה הכולל הוא רק ~ 15 דק '(איור 5). שומן רווי-לא הועסק.
2. בהדמיה של מוח שלאחר מוות, זיהוי אמין של מבנים קורטיקליים ניתן להבחין בסריקה אחת בלבד עם משך הזמן הכולל של רק ~ 3 דקות הבאות באותו פרוטוקול הסריקה כמו ב3.1 (איור 6).

ניתוח 4. תמונה

הערה: כדי לנתח את נתוני ה- MRI, להשתמש FMRIB זמין באופן חופשי שלספריית תוכנת חבילה (FSL) זמינה להורדה ב( https://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/).

1. פתח חלון מסוף, ולהמיר את קבצי DICOM גלם מהסורק לכל PD נפח לפורמט ניפטי עם DICOM לממיר ניפטי. מספר שהם זמינים באופן חופשי להורדה (לדוגמא., Https://www.nitrc.org/projects/mricron). בשורת הפקודה, הקלד dcm2nii אחרי הספרייה של כל ריצת תמונה משוקללת PD.
2. בחלון מסוף לקבל את הפרמטרים של סריקת PD המקורית. הקלד fslinfo בשורת הפקודה ואחרי סריקת PD בפורמט ניפטי.
3. צור ברזולוציה גבוהה תמונה ריקה יעד נפח שיש פעמיים את הרזולוציה וחצי גודל voxel ניתנו על ידי הפרמטרים מfslinfo מסריקת PD המקורית. סדר תשומות נתונים לפקודה זו הוא כדלקמן:
   fslcreatehd <סוג הנתונים>
   הערה: לדוגמא, אם סריקת PD המקורית עם הפרמטרים הבאים כמתואר ב3.1 נאספות (כלומר, 512 × 512 מטריצה, 18 פרוסה, 0.3 גודל × 0.3 × 1 מ"מ ³ voxel, TR = 3.25 ים), הקלד את השורה הבאה לתוך חלון הפקודה:
   1024 1024 36 1 0.15 0.15 0.5 3.25 0 0 0 4 blankhr.nii.gz fslcreatehd
4. הגדר את השינוי באמצעות מטריצת זהות. הקלד בכל תכנית עורך טקסט קובץ טקסט שנשמר כ'identity.mat 'שנראה כך:
   0 0 0
   1 0 0
   0 0 1
   0 0 1
5. השתמש בפקודה לפלרטט להחיל את השינוי, upsampling כל משוקללת ריצת PD מקורית להכפיל את הרזולוציה הכוללת של 512 למטריצה ​​1024, ולקצץ בחצים את גודל voxel בכל ממד וכתוצאה מכך ברזולוציה של 0.15 × 0.15× 0.5 מ"מ ^3. בחלון מסוף לכל PD נפח, הקלד את הפקודה הבאה לפלרטט שינוי השמות המקוריים ותפוקה לטווח:
   לפלרטט -interp sinc -in originalPD.nii.gz -ref blankhr.nii.gz -applyxfm -init identity.mat אאוט פרטי highresPD.nii.gz
   הערה: איפה originalPD.nii.gz היא מקור עוצמת הקול, blankhr.nii.gz היא הרזולוציה הפלט הרצויה, וhighresPD.nii.gz הוא שמו של פלט הנפח.
6. להעביר את כל התמונות ברזולוציה הגבוהה לתיקייה חדשה, ולנווט אליו בחלון מסוף.
7. לכל משתתף, לשרשר את כל תמונות PD upsampled לקובץ 4D יחיד באמצעות fslmerge. בחלון סוג מסוף:
   fslmerge -t concat_highresPD * .nii.gz
   הערה: זה יוצר קובץ בשם 4D concat_highresPD.nii.gz.
8. תנועה לתקן את הקובץ בשרשור באמצעות mcflirt ^10. כלי זה מאפשר לרישום אוטומטי חזק ליניארי (affine) תמונות מוח היתר ובין-מודאלי. בחרתיקון 4 שלבים, אשר מנצל אינטרפולציה sinc (פנימי) כמו לעבור אופטימיזציה נוספת לדיוק רב יותר. בחלון סוג מסוף:
   mcflirt -in concat_highresPD אאוט הפרטי mcf_concat_highresPD.nii.gz -stages 4 -plots
   הערה: זה יוצר קובץ בשם 4D mcf_concat_highresPD.nii.gz.
9. לבסוף, ליצור 3D מתכוון fslmaths תמונה באמצעות. בחלון סוג מסוף:
   fslmaths mcf_concat_highresPD.nii.gz -Tmean mean_highresPD.nii.gz
   הערה: זה יוצר קובץ בשם 3D mean_highresPD.nii.gz שהוא באיכות גבוהה
10. דמיין את התמונה ברזולוציה גבוהה תוצאה הסופית 3D באמצעות פקודת fslview. בספרייה של איפה התמונה שלך היא, הקלד את הפקודה הבאה בחלון מסוף:
    fslview mean_highresPD.nii.gz. "
11. בדוק פרופילי עוצמת ROIs בשאלה. צור את ההחזר על ההשקעה באמצעות fslview (זה יכול להיות קו אנכי נמשך על פני אזור של LGN לדוגמא). בfslview לטעון את תמונת PD ברזולוציה הגבוהה. לחץ על כרטיסיית הכלים,לאחר מכן לחץ על כרטיסיית תמונה אחת כדי להגדיל את התמונה לציור ROIs. לאחר מכן, לחץ על הכרטיסייה הקובצת ולאחר מכן בכרטיסייה יצירת מסכה. צייר קו בהחזר על ההשקעה של עניין. שמור את ההחזר על ההשקעה על ידי לחיצה על קובץ, ולאחר מכן כשמורה. חזור על מסכות קו לאזורים מרובים בהחזר על ההשקעה עבור השוואות עוצמה וROIs אחרות בשאלה.
12. השתמש בפקודת 3dmaskdump של AFNI לנתח את עוצמת התמונה המתקבלת. בספרייה של איפה התמונות הן, השתמשו בפקודה הבאה בחלון מסוף כדי לחלץ את עוצמות תמונה ומיקום (ניתן כresult_mask.txt) של מסכת ROI שלך:
    3dmaskdump -o result_mask.txt -noijk -xyz -mask ROI_linemask.nii.gz PDaverage_image.nii.gz

תוצאות

ברגע שתת-הקליפה" נקבע בתלמוס, תמונות משוקללים PD נאספות בתוך תיבת בחירת פרוסה (איור 4). יחס האות לרעש משופר על ידי הגדלת מספר הממוצעים בשתי הנתיחה שלאחר המוות ובסריקות vivo. כדי לקבוע את איכות תמונה, יחס האות לרעש מממוצעי סריקה שונים הושוותה על ידי חלוקת ה?...

Discussion

מחקר זה מתאר פרוטוקול מותאם ברכישה וטכניקת ניתוח כדי להשיג תמונות משוקללים PD ברזולוציה גבוהה של אזורים קורטיקליים. מספר הפרמטרים סריקה נבדק ושונה עם המשמעותי ביותר הנוגעים לגודל מטריצה, גודל voxel, ורוחב פס כדי להגדיל את יחס האות לרעש ולהקטין את מספר הרכישות, שלב קריטי...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Magnetom Trio 3T  MRI	Siemens (Erlangen, Germany).
Vacuum cushion hand	Siemens	Mat No: 4765454	Manufactured by: Johannes-Stark-Stk. 8 D-92224 Amberg