Imaging a risonanza magnetica con Tensor di diffusione nella compressione del midollo spinale cronico
7 maggio 2019
Qui, presentiamo un protocollo per l'applicazione dei parametri di imaging tensore di diffusione per valutare la compressione del midollo spinale.
Il dettaglio della microstruttura anatomica del midollo spinale fornito dalla risonanza prima convenzionale non stima con precisione l'effettivo danno neuronale o il potenziale di recupero neuronale nei pazienti con compressione cronica del midollo spinale. L'imaging del tensore di diffusione, o DTI, può aiutarci a ottenere informazioni prognostiche più specifiche rilevando il cambiamento della microstruttura della quantità nei tessuti attraverso la diffusione di molecole d'acqua. La compressione cronica del midollo spinale può causare danni ischemici ricorrenti al midollo spinale, con conseguente cambiamento istopatologico nelle fibre nervose a valle.
Questa modifica può essere visualizzato con il DTI. Il DTI è una tecnica sensibile che può fornire una misura della direzione e la grandezza di diffusione delle molecole d'acqua nei tessuti. Qui, dimostriamo l'applicazione di parametri di imaging del tensore di diffusione nella valutazione del midollo spinale compresso per l'uso in scanner di risonanza magnetica clinica ad alte prestazioni che utilizzano un sistema MR 3.0T.
Prima di iniziare la procedura di imaging, fornire tappi per le orecchie al partecipante e aiutare il partecipante in una comoda posizione supina. Posizionare una bobina testa/collo sopra la regione cervicale e un punto di riferimento a livello della cartilagine tiroidea. Quando il partecipante è in posizione, usa l'eco del gradiente di perturbazione veloce per ottenere mappe di posizione assiali, sagittali e coronali.
Individuare il piano sagittale ponderato T2 e copiare e incollare la linea di posizionamento ponderata T1 sagittale sulla linea di posizionamento ponderata T2 utilizzando le mappe di posizione coronale per assicurarsi che la linea di base di posizionamento sia parallela al canale spinale. Impostare il campo visivo ponderato T1 e T2 su 240 per 240 millimetri, la dimensione del voxel a uno per 0,8 per tre millimetri, lo spazio della fetta a 0,3 millimetri, lo spessore della fetta a tre millimetri, il numero di eccitazione a due, la direzione di ripiego alla testa dei piedi, il tempo di eco della ripetizione a 10 oltre 700 millisecondi per il campo ponderato T1 e 101 su 2 , 500 per il campo ponderato T2. Quindi, ottenere nove immagini sagittali che coprono l'intero midollo spinale cervicale e posizionare la linea di posizionamento assiale sull'immagine sagittale T2 W.
Quindi, coprire il disco intervertebrale da C2-3 a C6-7, centrato sul diametro anteriore dello spazio intervertebrale, e impostare il campo visivo a 180 per 180 millimetri, la dimensione voxel a 0,7 per 0,6 per tre millimetri, lo spessore della fetta a tre millimetri, la direzione di ripiego a anteriore-posteriore, il numero di eccitazione a due e il tempo di eco della ripetizione a 120 su 3 , 000 millisecondi. Quindi, posizionare la linea di posizionamento assiale sull'immagine pesata T2 sagittale, centrata sul diametro anteriore dello spazio intervertebrale, con 45 fette che coprono il midollo spinale cervicale da C1 a C7. Per ottenere l'imaging del tensore di diffusione, utilizzare l'imaging eco-planare spin-echo a colpo singolo con 20 direzioni ortogonali e direzioni di diffusione non complanari con valori B pari a 800 secondi per millimetro al quadrato, e impostare il campo visivo a 230 per 230 millimetri, la matrice di acquisizione a 98 per 98, la risoluzione ricostruita a 1,17 per 1,17, lo spessore della fetta a tre millimetri, la direzione di ripiego su anteriore-posteriore , il numero di eccitazione a due, il fattore di imaging eco-planare a 98 e il tempo di ripetizione dell'eco a 74 su 8.300 millisecondi. Per la post-elaborazione delle immagini, esportare le immagini nell'analizzatore e caricare le immagini sagittali e assiali ponderate T2 dello spazio intervertebrale nell'interfaccia di riprese.
Individuare la parte più compressa del midollo spinale cervicale e caricare l'immagine di anisotropia frazionata nell'interfaccia di visualizzazione due a uno. Fare clic su Posiziona serie di visualizzazione e determinare il livello di compressione più alta dall'alto verso il basso della mappa della posizione. Fare clic su File per selezionare l'immagine del tensore.
Selezionate Risonanza Magnetica Neuro 3D per creare automaticamente coefficienti di diffusione apparenti e mappe di colore dell'anisotropia frazionata. Avanzare sul lato della compressione più alta e utilizzare la modalità di valutazione iniziale per creare regioni sferiche a sei millimetri a cubetti di interesse all'interno e intorno al midollo spinale interno per escludere gli effetti parziali del volume del liquido cerebrospinale. L'anisotropia frazionale e i valori apparenti del coefficiente di diffusione saranno calcolati automaticamente.
Quindi, fare clic su Diffusione e selezionare E1, E2 ed E3 per visualizzarne i valori. Qui vengono mostrate mappe rappresentative di imaging del tensore di diffusione di volontari sani. Queste mappe di imaging del tensore di diffusione dei pazienti con compressione cronica del midollo spinale consentono di misurare lo stato funzionale della compressione in questi pazienti come appena dimostrato.
L'imaging post-operatorio di pazienti cronici a compressione del midollo spinale sottoposti a intervento chirurgico consente una valutazione funzionale dell'alleviamento della compressione per aiutare a monitorare il recupero del paziente. Le regioni di interesse devono essere disegnate al midollo spinale interno per escludere gli effetti parziali del volume dei fluidi cerebrospinali. I dati quantitativi ottenuti da DTI consentono un giudizio accurato dell'entità del danno da lesione e forniscono indicazioni oggettive tempestive e accurate per il trattamento in clinica.
Prima della scansione, chiediamo a ciascun partecipante di compilare e firmare un modulo di consenso che delinea il protocollo di imaging e le linee guida per la sicurezza della risonanza magnetica.
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Panoramica
Questo studio presenta un protocollo dettagliato che utilizza parametri di imaging a tensori di diffusione (DTI) per valutare la compressione del midollo spinale nei pazienti. Affrontando i limiti della risonanza magnetica convenzionale nella determinazione del danno neuronale, questo protocollo mira a migliorare le valutazioni prognostiche e a monitorare il recupero dopo l'intervento chirurgico.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Tecniche di Imaging
- Ricerca sul Midollo Spinale
Sfondo
- La risonanza magnetica convenzionale non riesce a misurare con precisione i danni neuronali nella compressione cronica del midollo spinale.
- La compressione cronica provoca danni ischemici ricorrenti, che portano a modifiche istopatologiche persistenti.
- La diffusione con imaging a tensore fornisce un approccio più sensibile per visualizzare i cambiamenti microstrutturali.
- La valutazione dei parametri di DTI può fornire informazioni prognostiche in ambito clinico.
Scopo dello studio
- Dimostrare come la DTI possa valutare la compressione del midollo spinale in modo più efficace rispetto alla risonanza magnetica convenzionale.
- Creare protocolli di imaging standardizzati per scanner RM clinici ad alte prestazioni.
- Fornire dati quantificabili per la valutazione dello stato funzionale del midollo spinale nei pazienti.
Metodi Utilizzati
- È stata utilizzata l'immagine della diffusione tensoriale per analizzare la compressione del midollo spinale cervicale.
- Il modello biologico ha coinvolto pazienti con compressione cronica del midollo spinale.
- L'acquisizione delle immagini ha utilizzato sistemi MRI da 3,0 T con protocolli specifici per l'immagine pesata in T1 e T2.
- L'analisi dei dati ha incluso la creazione di mappe di anisotropia frazionaria e misurazioni del coefficiente apparente di diffusione.
Risultati principali
- L'applicazione dei parametri DTI ha permesso di visualizzare l'entità della compressione e del danno neuronale.
- Dati quantitativi supportano il monitoraggio del recupero e dello stato funzionale nei pazienti chirurgici.
- I risultati forniscono indicatori oggettivi per le decisioni cliniche relative al trattamento.
Conclusioni
- Questo studio stabilisce un protocollo di DTI per una migliore valutazione della compressione del midollo spinale.
- Dimostra l'efficacia delle tecniche di imaging avanzate nella comprensione del danno neuronale e del recupero.
- I risultati evidenziano l'utilità dell'imaging nelle valutazioni cliniche e nei potenziali approcci terapeutici.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La risonanza magnetica a tensore di diffusione (DTI) consente una valutazione quantitativa della microstruttura del tessuto del midollo spinale, colmando un'importante lacuna della risonanza magnetica convenzionale nella valutazione del danno neuronale e del potenziale di recupero in caso di compressione cronica del midollo spinale. Questa capacità supporta la validazione preclinica degli obiettivi terapeutici, permettendo un monitoraggio oggettivo e non invasivo dei cambiamenti istopatologici rilevanti per strategie terapeutiche di tipo neuroprotettivo o neurorestaurativo. Parametri derivati dalla DTI, come l'anisotropia frazionaria e il coefficiente apparente di diffusione, forniscono biomarcatori predittivi utili per ridurre i rischi nei percorsi di traduzione clinica della ricerca sulle lesioni del midollo spinale.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Permette l'analisi di ipotesi terapeutiche visualizzando i cambiamenti patologici microstrutturali nel tessuto del midollo spinale attraverso la riduzione dell'anisotropia frazionaria e l'aumento dei coefficienti di diffusione apparente.
- Valore operativo: Fornisce letture quantitative e riproducibili per valutare l'interazione con il bersaglio e la riduzione del rischio biologico in modelli preclinici di compressione del midollo spinale.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Valore scientifico: Prepara sistemi biologici validati per flussi di lavoro successivi, stabilendo protocolli standardizzati di imaging a risonanza magnetica per la diffusione (DTI) che escludono gli effetti di volume parziale del liquido cerebrospinale mediante un posizionamento preciso delle regioni di interesse.
- Valore operativo: Garantisce la riproducibilità e la scalabilità del saggio su scanner MRI clinici ad alte prestazioni a 3,0 T, utilizzando parametri di acquisizione definiti (valore b 800 s/mm², 20 direzioni ortogonali).
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Supporta la modellizzazione di sistemi rilevanti per le malattie collegando i cambiamenti istopatologici derivati dalla DTI agli esiti funzionali, consentendo la stratificazione prognostica e il monitoraggio del recupero neurale dopo l'intervento.
- Valore operativo: Favorisce la continuità traslazionale dalla fase di scoperta alla validazione preclinica fornendo indicatori oggettivi e quantitativi per la valutazione dell'estensione della lesione e della risposta al trattamento.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
La DTI si integra nel percorso della scoperta consentendo la verifica delle ipotesi nella fase iniziale di validazione del target, sostenendo la preparazione dei saggi nello screening e orientando le decisioni di avanzamento con rischio calibrato nella ricerca traslazionale attraverso metriche quantitative di microstruttura.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi biologici rilevando le variazioni nella diffusione delle molecole d'acqua che riflettono l'integrità assonale e la demielinizzazione in tessuti del midollo spinale compressi.
- Screening: Garantisce prontezza per saggi mediante protocolli standardizzati che producono mappe riproducibili di anisotropia frazionaria e coefficiente di diffusione apparente per l'analisi comparativa tra diverse condizioni.
- Analisi: Genera misurazioni quantitative di variabili dipendenti (valori di FA, ADC e degli autovettori) che permettono il confronto statistico tra stati del midollo spinale sani, compressi e post-trattamento.
- Ricerca traslazionale: Si collega alla continuità preclinica fornendo informazioni prognostiche sui danni neuronali e sul potenziale di recupero, orientando decisioni di avanzamento o interruzione per candidati neuroterapeutici.
- Riutilizzo aziendale: Funziona come capacità di imaging riutilizzabile in ambiti preclinici e clinici grazie alla sua natura non invasiva e alla compatibilità con piattaforme MRI standard da 3,0 T.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Migliora la fiducia predittiva riducendo l'ambiguità meccanicistica nei modelli di lesione del midollo spinale attraverso la visualizzazione diretta della patologia microstrutturale.
- Valore operativo: Garantisce standardizzazione e riproducibilità grazie a passaggi protocollati di acquisizione e post-elaborazione, inclusa la collocazione di ROI sferiche per minimizzare la contaminazione da liquido cerebrospinale.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione dello sviluppo fornendo dati oggettivi e quantitativi sulla gravità della lesione e sul potenziale di recupero funzionale, riducendo il rischio biologico in fase avanzata dello sviluppo di neurofarmaci.
- Impatto sul portafoglio: Consente una priorizzazione adeguata al rischio dei trattamenti per lesioni del midollo spinale basata su biomarcatori derivati dalla DTI relativi alla preservazione assonale e all'integrità microstrutturale.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in neuroimmagini, elaborazione del tensore di diffusione e anatomia del midollo spinale per l'esecuzione accurata del protocollo e l'interpretazione dei dati.
- Presuppone l'accesso a sistemi MRI ad alte prestazioni da 3,0 T in grado di eseguire immagini eco-planari a spin-eco single-shot con 20 direzioni di diffusione non coplanari.
- Necessita di una standardizzazione intersoggettiva dei protocolli di delimitazione delle regioni di interesse per escludere gli effetti di volume parziale del liquido cerebrospinale negli studi longitudinali.
- Comporta considerazioni di adattamento nella traduzione dei protocolli tra diversi modelli di lesione del midollo spinale o diversi campi magnetici, mantenendo valori b e campionamenti direzionali costanti.
- Comprende limitazioni pratiche come la sensibilità agli artefatti di suscettibilità magnetica nelle zone vicine alle interfacce osso-tessuto e la necessità di tempi di scansione prolungati per ottenere un rapporto segnale-rumore sufficiente nelle piccole regioni del midollo spinale cervicale.
