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:
    10132985
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 64.69万
  • 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 代谢性骨疾病,包括骨质疏松症 (OP)、骨质减少、骨软化症和肾性骨营养不良 (ROD) 影响超过 5500 万美国人,每年花费超过 17B 美元黄金标准,双重。 能量 X 射线吸收测定法 (DEXA) 测量骨矿物质密度 (BMD) 然而,大多数骨骼, 有机基质和水合计占骨骼体积的约 60%,是无法接近的。 超过 14,613 名参与者发现,约 80% 的非椎骨骨折发生在患有以下疾病的个体中: BMD 高于 WHO 对 OP 的定义 此外,OP/骨质减少的病因和治疗方法(减少) 骨含量)和骨软化/ROD(矿化减少)不同,但 DEXA 无法区分 这些疾病之间需要更全面的技术来评估皮质和 小梁骨的数量/质量不仅包含有关矿物质的信息,还包含有关有机基质和水的信息。 由于其短 T2* 序列,骨骼在临床 MRI 序列中是“不可见的”。 8 µs 的最小 TE 使得在该奖项的前四年(1R01)中检测来自骨骼的信号成为可能。 AR068987,09/2015 – 08/2019),我们研究了结合水和孔隙水含量的 3D UTE 锥体成像: 以及 T1、T2* 和磁化转移 (MT) 比率,但这些生物标志物仅表现出低至中等水平。 与生物力学的相关性,可能是由于结合水和孔隙水的测量不准确以及不完整 使用软硬复合脉冲评估骨骼中的有机基质和矿物质,抑制化学物质。 位移伪影,从而可以更准确地测量总水量。 (DIR-UTE) 可以更完全地抑制孔隙水,从而可以更准确地测量结合 水 UTE 与 MT (UTE-MT) 模型测量胶原蛋白质子分数、交换和松弛。 通过定量磁化率绘图 (UTE-QSM) 绘制骨磁化率图,提供有关 我们的目标是开发一套快速准确地绘制总水、结合水和孔隙水、胶原蛋白的软件包。 质子分数、交换、松弛和矿物质,并将其应用于 OP、骨质减少和 ROD 患者目标 1。 目标 UTE 技术可快速准确地绘制股骨(中轴、头部)中的水、胶原蛋白和矿物质 和颈部),使用 µCT、组织形态测定、拉曼和重量测定作为参考标准进行评估。 UTE 技术对患有 OP (n=20)、骨质减少 (n=20) 和 ROD (n=20),UTE 生物标志物与 µCT、组织形态计量学、拉曼和生物力学测试相关。 目标 3 以翻译 UTE 序列为目标,测量年轻人(<40 岁、 n=30) 和老年女性 (>70 岁),有 (n=30) 和没有 (n=30) OP,有骨质减少 (n=30) 和 ROD (n=30) 将比较不同组的UTE生物标志物,并与BMD、生化标志物相关。 这项工作将提供 3D UTE 生物标志物组,以便更准确地评估 骨的数量和质量,可能对各种代谢性骨疾病的诊断产生重大影响。

项目成果

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