Ultrashort Echo Time (UTE) Magnetic Resonance Imaging of Bone

骨超短回波时间 (UTE) 磁共振成像

基本信息

  • 批准号:
    9981928
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 68.89万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-09-17 至 2025-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

7. Abstract Metabolic bone diseases including osteoporosis (OP), osteopenia, osteomalacia and renal osteodystrophy (ROD) affect more than 55 million Americans with an annual cost of more than $17B. The gold standard, dual energy X-ray absorptiometry (DEXA) measures bone mineral density (BMD). However, the majority of bone, the organic matrix and water which together occupy ~60% of bone by volume, is inaccessible. A recent study of over 14,613 participants found that ~80% of all non-vertebral fractures occurred among individuals with BMD above the WHO definition of OP. Furthermore, the etiologies and treatments for OP/osteopenia (reduced bone content) and osteomalacia/ROD (reduced mineralization) are different, but DEXA cannot differentiate between these diseases. More comprehensive techniques are needed for the evaluation of cortical and trabecular bone quantity/quality with information not only about mineral, but about organic matrix and water. Bone is “invisible” with clinical MRI sequences due to its short T2*. Ultrashort echo time (UTE) sequences with minimal TEs of 8 µs make it possible to detect signal from bone. In the first four years of this award (1R01 AR068987, 09/2015 – 08/2019), we investigated 3D UTE Cones imaging of bound and pore water content as well as T1, T2* and magnetization transfer (MT) ratio. However, those biomarkers showed only low to moderate correlation with biomechanics, likely due to inaccurate measure of bound and pore water as well as incomplete assessment of organic matrix and mineral in bone. UTE with a soft-hard composite pulse suppresses chemical shift artifact, thus allowing more accurate measure of total water. Double adiabatic inversion recovery UTE (DIR-UTE) provides more complete suppression of pore water, thus allowing more accurate measure of bound water. UTE with MT (UTE-MT) modeling measures collagen proton fraction, exchange and relaxation. UTE with quantitative susceptibility mapping (UTE-QSM) maps bone susceptibility, providing information about BMD. Our goal is to develop a package for fast and accurate mapping of total, bound and pore water, collagen proton fraction, exchange, relaxation, and mineral, and to apply it to OP, osteopenia and ROD patients. Aim 1 targets UTE techniques for fast and accurate mapping of water, collagen and mineral in femur (midshaft, head and neck), using µCT, histomorphometry, Raman and gravimetry as reference standard. Aim 2 will evaluate UTE techniques for water, collagen and mineral in femur from donors with OP (n=20), osteopenia (n=20) and ROD (n=20), with UTE biomarkers correlated with µCT, histomorphometry, Raman and biomechanical testing. Aim 3 targets translational UTE sequences to measure water, collagen and mineral in femur of young (<40y, n=30) and older women (>70y) with (n=30) and without (n=30) OP, with osteopenia (n=30) and with ROD (n=30). UTE biomarkers in different groups will be compared, and correlated with BMD, biochemical markers and fracture history. This work will provide panels of 3D UTE biomarkers for more accurate assessment of bone quantity and quality, and may have a major impact on the diagnosis of various metabolic bone diseases.
7。摘要 代谢骨疾病,包括骨质疏松症(OP),骨质减少症,骨质体和肾脏骨肌营养不良 (ROD)影响超过5500万美国人,年费用超过17B美元。黄金标准,双重 能量X射线绝对密度(DEXA)测量骨矿物质密度(BMD)。但是,大多数骨头, 有机基质和水共同占据了约60%的骨头,这是无法访问的。最近的研究 超过14,613名参与者发现,所有非椎骨骨折中约有80%发生在患有 BMD高于OP的WHO定义。此外,OP/骨质减少症的病因和治疗方法(减少 骨骼含量)和骨质乳核/杆(矿化降低)不同,但Dexa无法区分 在这些疾病之间。需要更全面的技术来评估皮质和 小梁骨数量/质量不仅提供有关矿物的信息,而且还包括有机基质和水。 由于其短T2*,骨骼具有临床MRI序列“不可见”。 Ultrashort回声时间(UTE)序列 最小的TES为8 µs,可以从骨骼中检测信号。在该奖项的前四年(1R01 AR068987,09/2015 - 08/2019),我们研究了3D UTE锥成像和孔隙水含量的成像 以及T1,T2*和磁化转移(MT)比。但是,这些生物标志物仅显示为现代 与生物力学的相关性,可能是由于绑定和孔隙水的测量不正确以及不完整的 评估有机基质和骨骼中的矿物质。用软钢脉冲的UTE抑制化学 移动伪像,从而可以更准确地测量总水。双绝热倒转恢复UTE (Dir-ut)提供了更完整的孔隙水抑制,从而可以更准确地测量结合 水。用MT(UTE-MT)建模的UTE测量胶原蛋白质子部分,交换和放松。 ute 具有定量敏感性映射(UTE-QSM)地图骨易感性,提供有关 BMD。我们的目标是开发一个包装,以快速准确地映射总,绑定和孔隙水,胶原蛋白 质子分数,交换,放松和矿物质,并将其应用于OP,骨质减少和ROD患者。目标1 靶向UTE技术,用于在股骨中快速准确地映射水,胶原蛋白和矿物质(中期,头部 和颈部),使用µCT,组织形态计量学,拉曼和重量表作为参考标准。 AIM 2将评估 OP(n = 20),骨质减少(n = 20)和 杆(n = 20),具有UTE生物标志物与µCT,组织形态法,拉曼和生物力学测试相关。 AIM 3靶标转化UTE序列,以测量年轻股骨的水,胶原蛋白和矿物质(<40y,, n = 30)和老年女性(> 70y),带(n = 30)和没有(n = 30)OP,骨质减少症(n = 30)和杆 (n = 30)。将比较不同组中的UTE生物标志物,并与BMD,生化标记相关 和骨折历史。这项工作将提供3D UTE生物标志物的面板,以更准确评估 骨骼数量和质量,可能会对各种代谢骨疾病的诊断产生重大影响。

项目成果

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