Name: quantitative magnetic resonance imaging of skeletal muscle disease
Uploaded: 2016-12-18T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Quantitative Magnetic Resonance Imaging of Skeletal Muscle Disease at JoVE.com

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.

MERK: Leseren blir minnet om at all forskning som omfatter mennesker må godkjennes av den lokale Institutional Review Board (IRB) for bruk av bilder av mennesker i Research. Forskningsdeltakere skal informeres om hensikten, prosedyrer, risiko og fordeler ved den foreslåtte forskning; tilgjengeligheten av alternative behandlinger eller prosedyrer; tilgjengeligheten av godtgjørelse; og deres rettigheter til privatliv og til å trekke tilbake sitt samtykke og avvikle sin deltakelse. Før MR testøkt, en etterforsker, må vise en potensiell ...

Muskelsykdommer som de muskeldystrofier og idiopatisk inflammatorisk myopatier utgjør av gruppen av sykdommer som er heterogene i etiologi, og som individuelle enheter, sjelden i sin forekomst. For eksempel Duchenne muskeldystrofi - den vanligste formen for muskeldystrofi - har en forekomst på 1 av 3500 levende mannlige fødsler 37,38; dermatomyositt, som denne protokollen har blitt brukt, har en insidens på 1 i 100 000 39. Jo høyere kollektive forekomsten av disse sykdommene, imidlertid, og de...

Kvantitativ magnetic resonance imaging (qMRI) beskriver utvikling og bruk av MR for å kvantifisere fysiske, kjemiske og / eller biologiske egenskaper levende systemer. QMRI krever at man adoptere en biofysisk modell for systemet, som består av vevet av interesse, og et MRI-pulssekvens. Den pulssekvens er utformet for å sensitiv bildenes signalintensiteter for parameteren av interesse i modellen. MR signal egenskaper (signal omfang, frekvens og / eller fase) blir målt og analysert i henhold til modellen. Målet er å produsere en objektiv, kvantitativt estimat av fysisk eller biologisk parameter å ha kontinuerlig fordelt, fysiske måleenheter. Ofte ligningene som beskriver systemet blir analysert og montert på en bildeelement-for-bildeelement basis, som produserer et bilde som har pikselverdier direkte reflekterer verdiene for den variable. Et slikt bilde er referert til som en parametrisk kart. En vanlig bruk av qMRI er development og anvendelse av biomarkører. Biomarkører kan brukes til å undersøke en sykdom mekanisme, etablere en diagnose, bestemme en prognose, og / eller bedømme en terapeutisk respons. De kan være i form av konsentrasjonene eller aktiviteter fra endogene eller eksogene molekyler, en histologisk prøve, en fysisk størrelse, eller en intern image. Noen generelle kravene i biomarkører er at de objektivt måle en kontinuerlig fordelt variabel ved hjelp av fysiske måleenheter; har et klart, godt forstått forhold til patologi av interesse; er følsomme for forbedring og forverring av klinisk tilstand; og kan måles med passende nøyaktighet og presisjon. Non-invasiv eller minimalt invasive biomarkører er spesielt ønskelig, da de fremmer pasientkomfort og minimal forstyrre patologi av interesse. Et mål for utvikling av bildebaserte biomarkører for muskelsykdommer er å reflektere muskel sykdom på måter som er complementary til, mer spesifikk enn, mer romlig selektiv enn, og / eller mindre inngrep enn eksisterende tilnærminger. En spesiell fordel qMRI i denne forbindelse er at den har potensial til å integrere flere typer informasjon, og dermed potensielt karakterisere mange aspekter av sykdomsprosessen. Denne evnen er meget viktig i muskelsykdommer, som ofte oppviser en romlig variabel, kompleks patologi som inkluderer inflammasjon, nekrose og / eller atrofi med fetterstatning, fibrose, forstyrrelser i myofilament gitteret ( &quot;Z-disk streaming&quot;), og membranskade . En annen fordel med qMRI metoder er at kvalitative eller semi-kvantitative beskrivelser av kontrastbasert MR-bilder gjenspeiler ikke bare patologi, men også forskjeller i bildeinnhentingsparametre, maskinvare, og menneskelig persepsjon. Et eksempel på dette siste spørsmålet ble demonstrert ved al. Wokke et, som viste at halv kvantitative vurderinger av fettinfiltrasjon er svært variabel og ofte feil, whøne sammenlignet med kvantitative fett / vann MRI (FWMRI) 1. Protokollen er beskrevet her inkluderer pulssekvenser for å måle lengde (T 1) og tverrgående (T 2) avslapping tidskonstanter, kvantitativ magnetisering transfer (qMT) parametre, vann Diffusjonskoeffisientene bruker diffusjon tensor MR (DT-MRI), og muskelstruktur hjelp strukturelle bilder og FWMRI. T 1 blir målt ved å bruke en inversjon utvinning sekvens, karakterisert ved at netto magnetisering vektoren blir invertert, og dens størrelse blir samplet som systemet går tilbake til likevekt. T 2 måles ved gjentatt refokusering transversale magnetisering ved hjelp av et tog av refokuserende pulser, slik som Carr-Purcell-Meiboom Gill (CPMG) -metoden, og de resulterende prøvetaking spin-ekko. T 1 og T 2 data kan analyseres ved hjelp av ikke-lineære kurvetilpasning metoder som enten anta en rekke exponential komponentene a priori (vanligvis mellom en og tre) eller ved anvendelse av en lineær invers metode som passer til de observerte data til summen av et stort antall av råtnende eksponenter, noe som resulterer i et spektrum av signalamplituder. Denne tilnærmingen krever en ikke-negativ minst square (NNLS) løsning 3, og inkluderer vanligvis ekstra regularisering for å produsere stabile resultater. T 1 og T 2 målinger har vært mye brukt til å studere muskelsykdommer og skader 4-9. T 1-verdier er vanligvis redusert i fett infiltrert regioner i muskel og forhøyet i betente områder 4-6; T 2 verdier er forhøyet i både fett infiltrert og betente områder 10. QMT-MRI karakteriserer de frie vann- og solid som makromolekylære proton bassenger i vev ved å beregne forholdet mellom macromolecular til gratis vann protoner (utvalgsstørrelsen forhold, PSR); egenverdi slappe avasjon priser av disse bassengene; og satsene for utveksling mellom dem. Vanlige qMT tilnærminger inkluderer pulset metning 11 og selektive inversjon utvinning 12,13 metoder. Protokollen under beskriver bruk av den pulsede metning tilnærming, som utnytter den brede linjebredde av de makromolekylære proton signalet, i forhold til den smale linjebredden av vannprotonsignalet. Ved metning av makromolekylære signal ved resonansfrekvenser er tilstrekkelig forskjellig fra vannet signal, blir det vann-signalet redusert som et resultat av magnetiseringen overføring mellom den faste og den frie vannproton bassenger. Dataene blir analysert ved hjelp av en kvantitativ biophysical modell. QMT har blitt utviklet og anvendt i sunne muskler 14,15, og en fersk abstrakt dukket beskrive gjennomføringen i muskelsykdom 16. QMT har blitt brukt til å studere små dyremodeller av muskelbetennelse, karakterisert ved at det har vist seg at betennelse senker PSR 17. Ettersom MTreflekterer både makromolekylære og vanninnhold, kan MT data også reflektere fibrose 18,19. DT-MRI brukes til å kvantifisere den anisotrope diffusjon virkemåten av vannmolekyler i vev med bestilt, langstrakte celler. I DT-MRI, vann diffusjon målt i seks eller flere forskjellige retninger; Disse signalene blir så montert på en tensor modell 20. Den diffusjon tensor, D, diagonaliseres å få tre egenverdier (som er de tre viktigste diffusivities) og tre egenvektorer (som angir retninger som tilsvarer de tre Diffusjonskoeffisientene). Disse og andre kvantitative indekser avledet fra D gi informasjon om vev struktur og retning på et mikroskopisk nivå. Den diffusjonsegenskaper muskel, spesielt den tredje eigenverdi av D og graden av diffusjon anisotropi, reflektere muskelbetennelse 17 og muskelskader på grunn av eksperimentell skade 21, belastningsskader 22, og sykdom 23,24. Andre mulige påvirkninger på diffusjon egenskapene til muskel omfatter endringer i celle diameter 25 og membran permeabilitet endringer. Til slutt, muskelatrofi, uten eller uten makroskopisk fettinfiltrasjon, er en patologisk del av mange muskelsykdommer. Muskelatrofi kan evalueres ved å bruke strukturelle bilder for å måle muskeltverrsnittsarealet eller volumet og FW-MRI for å vurdere fettinfiltrasjon. Fettinfiltrasjon kan kvalitativt rives i T 1 - og T 2-vektet bilde 26, men fett og vann signaler måles best ved å danne bilder som utnytter de forskjellige resonansfrekvenser av fett og vann protoner 27-29. Kvantitative fett / vann avbildningsmetoder har blitt brukt i muskelsykdommer som for eksempel muskeldystrofi 1,30,31, og kan forutsi tap av førlighet hos disse pasientene 31. <pclass = &quot;jove_content&quot;&gt; The qMRI Protokollen er beskrevet her bruker alle disse målingene for å karakterisere muskel tilstanden i de autoimmune inflammatoriske myopatier dermatomyositt (DM) og polymyositt (PM). Ytterligere detaljer om protokollen, herunder reproduserbarhet, har blitt publisert tidligere 32. Protokollen inkluderer standardpulssekvenser samt radiofrekvens (RF) og magnetiske felt gradient gjenstander spesielt programmert på våre systemer. Forfatterne forutse at protokollen er også anvendelig på andre nevromuskulære lidelser som kjennetegnes av muskel atrofi, inflammasjon og fettinfiltrasjon (for eksempel muskeldystrofier).

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="942">
	<tbody>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:329px;">Name of Reagent/ Equipment</td>
			<td style="width:327px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:167px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:329px;">3T human MRI system</td>
			<td style="width:327px;">Philips Medical Systems (Best, the Netherlands)</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Achieva/Intera</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:329px;">Cardiac phased array receive coil</td>
			<td style="width:327px;">Philips Medical Systems</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:329px;">Pillows, straps, bolsters, and other positioning devices</td>
			<td style="width:327px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:329px;">Computer with MATLAB software</td>
			<td style="width:327px;">The Mathworks, Inc (Natick, MA)</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>r. 2014</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

quantitative magnetic resonance imaging of skeletal muscle disease

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.

Figur 1 viser representative aksiale anatomiske bilder ervervet på midten av låret av en pasient med polymyositt. Også vist er plasseringen av i-planet projeksjon til avstandsstykket volum. Representative parameter kart for hver qMRI metode, alle hentet fra denne samme pasient, er gitt av figurene 2 - 7. Figurene 2A og 2B viser Δ B 0 og...

Watch this Scientific Journal Video about Quantitative Magnetic Resonance Imaging of Skeletal Muscle Disease at JoVE.com

Quantitative Magnetic Resonance Imaging of Skeletal Muscle Disease

Nevromuskulære sykdommer ofte viser en timelig varierende, romlig heterogen, og mangesidig patologi. Målet med denne protokollen er å karakterisere denne patologi ved hjelp av ikke-invasive Magnetic Resonance Imaging metoder.

Kvantitativ Magnetic Resonance Imaging of Skeletal Muscle Disease

Quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) describes the development and use of MRI to quantify physical, chemical, and/or biological properties of ...

Research

JoVE Journal

Medicine

Magnetic Resonance Derived Myocardial Strain Assessment Using Feature Tracking

Purpose: An accurate and practical method to measure parameters like strain in myocardial tissue is of great clinical value, since it has been shown, that ...

Magnetic Resonance Imaging Quantification of Pulmonary Perfusion using Calibrated Arterial Spin Labeling

This demonstrates a MR imaging method to measure the spatial distribution of pulmonary blood flow in healthy subjects 
during normoxia (inspired O2, ...

Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging in the Analysis of Neurodegenerative Diseases

Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging i Analyse av nevrodegenerative sykdommer

Diffusion tensor imaging (DTI) techniques provide information on the microstructural processes of the cerebral white matter (WM) in vivo. The present ...

Tracking the Mammary Architectural Features and Detecting Breast Cancer with Magnetic Resonance Diffusion Tensor Imaging

Spore Bryst Arkitektoniske funksjoner og oppdage brystkreft med Magnetic Resonance Diffusion Tensor Imaging

Breast cancer is the most common cause of cancer among women worldwide. Early detection of breast cancer has a critical role in improving the quality of ...

Simultaneous PET/MRI Imaging During Mouse Cerebral Hypoxia-ischemia

Samtidig PET / MR Imaging Under Mouse Cerebral Hypoksi-iskemi

Dynamic changes in tissue water diffusion and glucose metabolism occur during and after hypoxia in cerebral hypoxia-ischemia reflecting a bioenergetics ...

Phosphorus-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: A Tool for Measuring In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle

Phosphorus-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: A Tool for Measuring In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle

Fosfor-31 Magnetic Resonance spektroskopi: Et verktøy for måling<em&gt; I Vivo</em&gt; Mitokondriell oksidativ fosforylering Kapasitet i Human Skeletal Muscle

Skeletal muscle mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) capacity, which is critically important in health and disease, can be measured in vivo ...

Cardiac Magnetic Resonance Imaging at 7 Tesla

CARDIAC magnetisk resonans Imaging på 7 Tesla

CMR at an ultra-high field (magnetic field strength B0&#160;&#8805; 7 Tesla) benefits from the signal-to-noise ratio (SNR) advantage inherent at higher ...

In Vivo Morphometric Analysis of Human Cranial Nerves Using Magnetic Resonance Imaging in Meni&#232;re's Disease Ears and Normal Hearing Ears

In Vivo Morphometric Analysis of Human Cranial Nerves Using Magnetic Resonance Imaging in MeniÃƒÆ’Ã†'Ãƒâ€šÃ‚Â¨re's Disease Ears and Normal Hearing Ears

I Vivo Morphometric analyse av menneskelig Hjernenerve bruker magnetisk resonans Imaging i Menières sykdom ører og Normal hørsel ører

Analysis of neural structures in Meni&#232;re's Disease (MD) is of importance, since a loss of such structures has previously been proposed for this ...

Phase Contrast Magnetic Resonance Imaging in the Rat Common Carotid Artery

Fase kontrast magnetisk resonans Imaging i rotte carotis communis

Phase contrast magnetic resonance imaging (PC-MRI) is a noninvasive approach that can quantify flow-related parameters such as blood flow. Previous ...

Skeletal Muscle Neurovascular Coupling, Oxidative Capacity, and Microvascular Function with 'One Stop Shop' Near-infrared Spectroscopy

Skjelettmuskel nevrovaskulære kopling og oksidativt kapasitet mikrovaskulær funksjon med 'One Stop Shop' nær infrarød spektroskopi

Exercise represents a major hemodynamic stress that demands a highly coordinated neurovascular response in order to match oxygen delivery to metabolic ...