Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Fase kontrast magnetisk resonans i rotte fælles halspulsåren

Published: September 5, 2018 doi: 10.3791/57304
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 2
1Center for Advanced Molecular Imaging and Translation, Chang Gung Memorial Hospital, 2Department of Biomedical Imaging and Radiological Science, China Medical University

Summary

Det overordnede mål med denne procedure er at måle blodgennemstrømningen i rotte fælles halspulsåren ved hjælp af noninvasive fase kontrast magnetisk resonans.

Abstract

Fase kontrast magnetisk resonans imaging (PC-Mr) er en noninvasiv tilgang, der kan kvantificere flow-relaterede parametre såsom blodgennemstrømning. Tidligere undersøgelser har vist, at unormal blodgennemstrømning kan være forbundet med systemisk vaskulær risiko. Således kan PC-Mr lette oversættelsen af data indhentet fra dyremodeller for hjerte-kar-sygdomme til relevante kliniske undersøgelser. I denne betænkning, vi beskrive proceduren for måling af blodgennemstrømningen i den fælles halspulsåren (CCA) af rotter benytter cine-gated PC-MRI og diskutere relevante analysemetoder. Denne procedure kan udføres i et levende, bedøvede dyr og kræver ikke aktiv dødshjælp efter indgrebet. De foreslåede scanningsparametre udbytte gentagelig målinger for blodgennemstrømning, der angiver fremragende reproducerbarhed af resultaterne. PC-Mr fremgangsmà ¥ den i denne artikel kan bruges til farmakologisk testning, patofysiologiske vurdering og cerebral Hæmodynamik evaluering.

Introduction

Magnetisk resonans imaging (MR) er en alsidig tilgang, der giver detaljerede oplysninger om indre organ strukturer og fysiologi, og er i stigende grad anvendes til klinisk diagnose og i prækliniske dyreforsøg. Dyremodeller er afgørende for forståelsen af betydelige kliniske implikation 1. Som dyremodeller afviger betydeligt fra mennesker med hensyn til anæstesi krav og fysiologiske parametre, antager optimering af Mr procedurer for sådanne dyr betydning.

Fase kontrast MRI (PC-MRI) er en specialiseret type af MRI, som bruger hastigheden af strømmende spins til at kvantificere flow-relaterede parametre såsom blodgennemstrømning. Med PC-MRI, kan kortlægning flow mønstre i de store arterier, ved hjælp af dyremodeller hjælpe kaste lys på hjerte-kar-sygdomme 2. Derudover kan PC-Mr ikke-invasivt overvåge de iboende vekslen i blodgennemstrømningen i patofysiologiske forhold 3. Disse observationer tyder på, at PC-Mr er en værdifuld fremgangsmåde, der kan bruges i dyremodeller for humane hjerte-kar-sygdomme.

I denne betænkning beskriver vi en metode til kvantificering af blodgennemstrømningen i den fælles halspulsåren (CCA) af rotter. De to CCAs levere hoved og hals med iltet blod, og halspulsåren sygdom er en væsentlig årsag til slagtilfælde. Derfor afsløre tidlige patologi i CCA er afgørende. Denne procedure har en varighed på ca. 15 min. og potentielt kan anvendes til tilstande med Hæmodynamik ændringer, sådan åreforkalkning eller slagtilfælde.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Institutionel pleje og brug udvalg (IACUC) af Kina medicinske universitet godkendt alle procedurer.

1. animalsk forberedelse og overvågning

  1. Forlade alle magnetisk modtagelige objekter såsom punge, nøgler, kreditkort m.v. udenfor scanner værelset før påbegyndelse animalske forberedelse til MR scanning.
  2. I første omgang bedøver rotte (2-måned-forhenværende mandlige Sprague-Dawley (SD) rotte, 280-350 g) i en induktion boks ved hjælp af en blanding af 5% isofluran (ISO) og ilt (2 L/min) i 3-5 min, som nødvendigt.
  3. Når dyret er liggende og udviser ingen svar til en hale eller tå knivspids, afbryde ISO administration og overføre dyret til scanning rummet.
  4. Placere rotten i Mr bed i en hoved-først udsat position, og leverer 2-3% ISO gennem næsen kegle enhed for at opretholde anesthesia.
  5. Overvåge åndedræt ved at placere en respiratorisk pude sensor under at dyret torsoen.
  6. Forbinde sensoren til en åndedrætsorganerne og check for åndedræt sats mellem 40-50 slag pr. minut (bpm).
  7. For cine-gated PC-Mr erhvervelse, placere en elektrode på den rigtige forpoteknogler og de venstre bagben paw henholdsvis (figur 1a).
  8. Twist Elektrokardiografi (EKG) kabler sammen.
  9. Brug en hoved indehaveren med øre barer og en bid bar til at sikre dyr for at begrænse hoved bevægelse.
  10. Brug en varm luft varme system eller gaze puder til at opretholde kropstemperaturen i magneten.
  11. Sikre, at R-bølgen er klar på ECG skærmen (figur 1b), og placere dyret i scanneren. Der er ingen grund til at placere overflade spolen på toppen af dyrets hals som billeder er erhvervet af volumen spole.

2. Mr erhvervelse

  1. Bruge 2-3% ISO til at opretholde anesthesia under hele imaging proceduren. Løbende overvåge fysiologiske reaktioner og holde så konstant som muligt.
  2. Start Mr-scanninger, når dyret er placeret inde i scanneren og fortsætter med at være fysiologisk stabil. I denne undersøgelse, bruge en 7 T lille dyr MRI-systemet med en gradient styrken af 630 mT/m, men andre Feltstyrker af små dyr Mr systemer kan bruges.
  3. Vælg "Localizer" sekvens fra konsollen skærm af MR-scanneren og erhverve spejder langs alle tre retningslinjer ved hjælp af en hurtig billede erhvervelse sekvens, fx, hurtig spin ekko, oprette koronale, aksial, og sagittal billeder . Formålet med disse spejder billeder er at bestemme de billeddiagnostiske fly.
  4. Sikre, at midten af dyrets hoved og hals i midten af magneten. Hvis det er nødvendigt, justere dyrets position, indtil den korrekte position er nået. Hvis dyret er flyttes, Gentag scanning for at få spejder billeder.
  5. Vælg "tid for flyvning (TOF) angiogram" sekvens fra konsollen skærm af MR-scanneren og erhverve en 2D TOF angiogram først at fastslå den præcise anatomiske placering af CCA. Brug de følgende scanningsparametre: gentagelse tid (TR) / echo tid (TE) = 22/4.87 ms, flip vinkel = 90°, field of view (FOV) = 40 × 40 mm2, matrix størrelse = 256 × 256, Skive tykkelse 0,6 mm, med antallet af excitation (NEX) = 1.
    Bemærk: Navnet på TOF sekvens kunne være venders-specifikke. Brugeren kan indsætte disse parametre i konsollen skærm.
  6. Sikre, at frekvensbåndet mætning er "på" og er placeret på toppen for at undgå interferens fra venøs signaler.
    Bemærk: For mætning band, det normalt kommer med TOF sekvens. Hvis mætning bandet ikke vises på skærmen, bedes du underrette service person.
  7. Efter at lokalisere CCA bruger TOF angiogram, målrette billedplan af PC-MRI til midten af CCA og orientere således, at udsnittet er vinkelret af blodgennemstrømningen (figur 2a).
  8. Sikre, at både respiration og ECG gating er forbundet til MRI-systemet, viser den klart signal på skærm computer (figur 1b), og indstille modulet trigger til at være "på" i "udløse Mode" fra konsollen skærm af MR-scanneren.
  9. Bekræfte, at dyrets fysiologiske reaktioner er stabile inden PC-MR-scanning fra overvågning computeren (figur 1b). Kontroller, at gating valg er "på" i både skærm computer og konsol skærm af MR-scanneren.
    Bemærk: Fysiologi overvågningssystem anvendes i denne undersøgelse er fastsat af venders. For de fleste dyr scannere er fysiologi lignende overvågningssystemer forudsat og venders-specifikke.
  10. Vælg sekvensen af PC-Mr sekvens fra konsollen skærm af MR-scanneren og udføre gated PC-Mr-scanninger ved hjælp af følgende parametre: TR/TE=15.55/4.51 ms (minimum TR og TE), flip vinkel = 30°, FOV = 40 × 40 mm2, matrix størrelse = 192 × 192, Skive tykkelse = 2 mm, velocity kodning (VENC) = 120 cm/s, med NEX = 8. Envejs VENC er erhvervet i retningen via fly.
    Bemærk: Scan tid er ca 8,5 min, men den faktiske scanningstidspunktet kan være lidt anderledes blandt dyr på grund af variationen i hjertets cyklusser.
  11. Gentag trin 2.6-2,9 af image erhvervelse, hvis region af interesse (ROI) skal ændres til en anden placering i CCA, såsom på bifurcation 4.
  12. Fjerne dyret fra scanneren og returnere det til dets opsving bur, når scanningen er fuldført.
  13. Varm dyret med en varme lampe til at opretholde kropstemperaturen. Hold lampen mindst 15 cm fra dyret til at forhindre overophedning.
  14. Når dyret begynder at bevæge sig og udstiller en reaktion på en hale eller tå knivspids, slukke for varme lampe.

3. databehandling

  1. Gem MRI data i Digital Imaging og kommunikation i Medicine (DICOM) eller nogen andre venders-specifikt format. Generere cine serie med to typer af billeder: en størrelsesorden billede (anatomi billede) og en fase billede (figur 2b).
    Bemærk: I nogle scannere, den tredje type af billede, som kunne være størrelsesorden billede × fase billede eller kompleks-forskel (den komplekse subtraktion mellem de to opkøb med forskellig hastighed-kodning forløb), der genereres. Det tredje billede er leverandøren-afhængig.
  2. Pre-behandle billeddataene. Skjult fasen billed i hastighed kortet og rette fase-forskydning fejl 5.
    Bemærk: Fase billede har en vilkårlig hr. enhed af signal intensitet i stedet for at true velocity værdier, men hr. signal intensitet er lineært proportionelt til hastighed. Den maksimale Mr signal fra fase billedet tildeles typisk som værdien af VENC, og den mindste signal er tildelt den modsatte værdi af VENC. Supplerende kodefil 1 for eksempel af Matlab script og tryk på knappen i "Kør".
  3. Afgrænse ROI omhyggeligt ved at spore grænsen af CCA. Da arterien kan spile og konstruere under de forskellige kardiale faser, afgrænse ROIs i hvert tidsinterval. Beregne blodgennemstrømningen ved at integrere over arterie ROI, dvs, velocity × område. Det resulterede blodgennemstrømning af hver arterie var i andele i mL/s. Supplerende kodefil 2 for eksempel af Matlab script og tryk på knappen i "Kør".

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Korrekte skive geometri er afgørende for at sikre succes for PC-Mr eksperiment. Nøjagtige billede fly positionering udbytter en "runde" arterie figur (figur 3a), og som vinkling stiger, dvs., når det er mindre vinkelret på arterie, den resulterende arterie geometri bliver æggeformet, fører til større delvis volumen effekter (figur 3b). Svær delvis volumen effekter ville føre til overvurdering af blod flow 6,7. Derfor går vi ind for, re positionering af billedet flyet hvis figuren arterie er ovale.

Intra-scan reproducerbarhed af tidsforløb ændringer i blodgennemstrømningen i en hjertets cyklus fra en repræsentativ rotte vises i tal 4. Som det kan ses, blodgennemstrømningen når sit maksimum i systolisk fase og vender tilbage til baseline diastolisk fase for begge dele. Figur 5a og 5b viser en Bland-Altman plot og en scatter plot, henholdsvis mellem to blod målinger i samme session, demonstrerer en god korrelation mellem målinger (R2= 0,7, P < 0,001). Med de foreslåede scanningsparametre opnår blodgennemstrømning gentagelig målinger, påviser udmærkede reproducerbarhed af resultaterne. Denne egenskab kan vise sig gavnlig i test farmakologiske virkninger på store arterier 8,9.

Som PC-Mr er en noninvasiv tilgang til at måle blodgennemstrømningen, kan det være en fordel i protokoller, der kræver langsgående overvågning. Figur 6 viser tidsforløb for et hjertets cyklus i dyrets scannet på aldre 2 og 4 måneder og viser, at blodgennemstrømningen i CCA er betydeligt aldersbetinget, tyder på hurtige udvikling i rotter. Disse kvantitative vurderinger af blodgennemstrømningen er afgørende for en bedre forståelse af kredsløbssygdomme og kan derfor blive en potentielt nyttig værktøj i prækliniske studier på slagtilfælde og åreforkalkning.

Figure 1
Figur 1 : Dyrs overvågning. (en) ECG elektroder er placeret på de rigtige forpoteknogler og de venstre bagben pote, og respiratoriske pude sensor er placeret under den dyret torsoen. (b) den EKG og respiratoriske signaler er klart synlige på skærmen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Illustration af PC-Mr-scanninger og repræsentative billeder stilling. (en) skive positionering på de rekonstruerede sagittal og koronale udsigt fra TOF angiogram. Den blå linje angiver billedplan på niveauet for midtpunktet af CCA. (b) omfanget og fase billeder fra en tidsramme af cine-serie billeder fra en repræsentativ dyr. Røde pile indikerer CCA placering. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Repræsentative størrelsesklasse billeder. (en) tænkelig plan er vinkelret på arterie og (b) tænkelig plan er ikke-vinkelret til arterie. Form af arterie skifter fra runde til ovale hvis imaging flyet ikke er vinkelret på arterie. Det område, der indeholder CCA forstærkes i det røde felt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 : Intra-scanning test af blod flow fra en repræsentativ rotte. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5 : Intra-sektion reproducerbarhed af CCA blod flow målinger. (en) Bland-Altman plot sammenligne to blod flow målinger erhvervet mellem sektioner. Den faste linje repræsenterer den gennemsnitlige forskel mellem to målinger mens stiplede linjer skildrer et 95% konfidensinterval. (b) Scatter plot af to blod flow målinger. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6 : Langsgående scanning i en 2-måned og 4 - måneder gamle dyr viser aldersbetinget ændringer i blodgennemstrømningen i CCA.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

PC-Mr er en omfattende strategi for non-invasiv og langsgående vurdering af blodgennemstrømningen. Vi præsenterer en protokol til at udføre PC-MRI af rotte CCA. Denne procedure er let at udføre i ethvert dyr MR scanner og viser god reproducerbarhed.

PC-Mr-teknik har opnået stigende popularitet i menneskelige 10,11 samt dyreforsøg 4,12. Blandt disse undersøgelser, resultaterne af Peng et al. 4 er af særlig interesse på grund af ligheden i deres tilgang, men den store forskel i det nuværende arbejde er brugen af den rumlige opløsning af 0.21 mm, sammenlignet med 0.31 mm i ovennævnte betænkning. Den begrænsede rumlige opløsning reducerer scan tid, men den resulterende delvise volumen virkning kan bias flow kvantificeringen, især for mindre fartøjer 6,7. Da målenøjagtighed er på listen over prioriteter, en rumlig opløsning på 0.21 mm med længere scanningstiden er foreslået i fremtiden dyreforsøg.

Non-gated PC-Mr bruges som en alternativ metode af blod flowmåling i mange humane undersøgelser på grund af dens betydeligt mindre scanning tid 6,13,14,15. Dog er ikke-gated PC-Mr ikke foreslået i dyr, der anvendes til præ-klinisk test som puls af rotter kan være så højt som 400 bpm, fører til hurtig vekslen mellem systolisk og diastolisk faser. Non-gated PC-Mr kan glip af vigtige oplysninger under den systoliske fase, resulterer i relativt lavere flowværdier og højere variationer 7; Det kan derfor kun bruges til ankommer på uslebne skøn i dyr, der anvendes til præ-klinisk test.

Mange scanningsparametre hænger sammen med præcise kvantificeringer for PC-MRI data, og VENC er en af dem. VENC undervurdering forårsager fase aliasing 16 , men en højere VENC værdi vil føre til forværring af billede kvalitet 17. Vi brugte en VENC værdi af 120 cm/s, som er relevant for normale voksne SD rotter. Når forventes ændringer i vaskulære tone, som forskellige arter 4, skal værdien VENC optimeres, så bedre billeder eller vurderinger kan erhverves.

Særlig opmærksomhed bør betales til vigtige trin i protokollen til at opnå et pålideligt resultat. Først, for at undgå resonanskredsløb og Mr resonant frekvens korruption af EKG-signalet, er det foreslået for at vride ECG kabler sammen. Det andet indarbejde flertal af små dyr MRI-scannere en cirkulerende varmt vand kredsløb for at bevare dyrets kropstemperatur mens i magneten. Men det rindende vand introducerer støj, og derfor griber ind i EKG-signalet. Derfor foreslår vi i denne låge PC-Mr-undersøgelse, ved hjælp af en varm luft varme system eller gaze puder i stedet for at bruge varmt vand cirkulation system til at forbedre gating.

Det skal bemærkes, at kun en 2D PC-Mr sekvens i dette arbejde, var ansat for dataopsamling. Den grundlæggende teknik, cine-gated 2D PC-Mr er opstået som et lovende redskab for blood flow kvantificering fordele af reduceret scanning tid og let at blive implementeret i standard scannere. Data erhvervet af 2D PC-Mr teknikken er dog begrænset på grund af manglende volumetriske erhvervelser og pålidelige strømlining tracking, dermed mangler nogle vigtige oplysninger såsom turbulent strømning. Tidsopløst 3D PC-Mr puls sekvenser med flere state-of-the-art teknikker såsom accelererede cine PC-Mr med komprimeret sensing og parallelle imaging 18,19 bør være gennemført fremover rotte CCA eksperimenter. Denne forbedring vil aktivere levering af indsigt i rumlige aspekter af både hastighed distribution og flow strukturer. Ikke desto mindre, den animalsk forberedelse og overvågning protokoller præsenteres i denne rapport er stadig gældende i disse 4D PC-Mr teknikker.

Afslutningsvis vil vise vi en enkel og pålidelig procedure, der måler blodgennemstrømningen i rotte CCA ved hjælp af ikke-invasive PC-MRI. Yderligere anvendelser af denne billedbehandling metode omfatter test af farmakologiske virkninger, patofysiologiske vurdering og evaluering af cerebral Hæmodynamik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Der er intet at videregive.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af tilskud fra ministeriet for videnskab og teknologi, Taiwan, under tilskud antal MOST-105-2314-B-039-044-MY2.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
7T small animal MRI system Bruker
Isoflurane  Baxter 1001936040 anesthetic
ECG lead  3M 2269T
Matlab MathWorks sofeware for image processing
Monitoring and gating system SA instruments, Inc Model 1030

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zakszewski, E., Schmit, B., Kurpad, S., Budde, M. D. Diffusion imaging in the rat cervical spinal cord. J Vis Exp. (98), (2015).
  2. Wise, R. G., Al-Shafei, A. I., Carpenter, T. A., Hall, L. D., Huang, C. L. Simultaneous measurement of blood and myocardial velocity in the rat heart by phase contrast MRI using sparse q-space sampling. J Magn Reson Imaging. 22 (5), 614-627 (2005).
  3. Skardal, K., Espe, E. K., Zhang, L., Aronsen, J. M., Sjaastad, I. Three-Directional Evaluation of Mitral Flow in the Rat Heart by Phase-Contrast Cardiovascular Magnetic Resonance. PLoS One. 11 (3), e0150536 (2016).
  4. Peng, S. L., et al. Phase-contrast magnetic resonance imaging for the evaluation of wall shear stress in the common carotid artery of a spontaneously hypertensive rat model at 7T: Location-specific change, regional distribution along the vascular circumference, and reproducibility analysis. Magn Reson Imaging. 34 (5), 624-631 (2016).
  5. Yu, H. Y., Peng, H. H., Wang, J. L., Wen, C. Y., Tseng, W. Y. Quantification of the pulse wave velocity of the descending aorta using axial velocity profiles from phase-contrast magnetic resonance imaging. Magn Reson Med. 56 (4), 876-883 (2006).
  6. Peng, S. L., et al. Optimization of phase-contrast MRI for the quantification of whole-brain cerebral blood flow. J Magn Reson Imaging. 42 (4), 1126-1133 (2015).
  7. Peng, S. L., Shih, C. T., Huang, C. W., Chiu, S. C., Shen, W. C. Optimized analysis of blood flow and wall shear stress in the common carotid artery of rat model by phase-contrast MRI. Sci Rep. 7 (1), 5253 (2017).
  8. Bozgeyik, Z., Berilgen, S., Ozdemir, H., Tekatas, A., Ogur, E. Evaluation of the effects of sildenafil citrate (viagra) on vertebral artery blood flow in patients with vertebro-basilar insufficiency. Korean J Radiol. 9 (6), 477-480 (2008).
  9. Swampillai, J., Rakebrandt, F., Morris, K., Jones, C. J., Fraser, A. G. Acute effects of caffeine and tobacco on arterial function and wave travel. Eur J Clin Invest. 36 (12), 844-849 (2006).
  10. Neff, K. W., Horn, P., Schmiedek, P., Duber, C., Dinter, D. J. 2D cine phase-contrast MRI for volume flow evaluation of the brain-supplying circulation in moyamoya disease. AJR Am J Roentgenol. 187 (1), W107-W115 (2006).
  11. Stalder, A. F., et al. Quantitative 2D and 3D phase contrast MRI: optimized analysis of blood flow and vessel wall parameters. Magn Reson Med. 60 (5), 1218-1231 (2008).
  12. Dall'Armellina, E., et al. Improved method for quantification of regional cardiac function in mice using phase-contrast MRI. Magn Reson Med. 67 (2), 541-551 (2012).
  13. Peng, S. L., Ravi, H., Sheng, M., Thomas, B. P., Lu, H. Searching for a truly "iso-metabolic" gas challenge in physiological MRI. J Cereb Blood Flow Metab. 37 (2), 715-725 (2017).
  14. Liu, P., et al. Quantitative assessment of global cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) in neonates using MRI. NMR Biomed. 27 (3), 332-340 (2014).
  15. Xu, F., Ge, Y., Lu, H. Noninvasive quantification of whole-brain cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) by MRI. Magn Reson Med. 62 (1), 141-148 (2009).
  16. Lotz, J., Meier, C., Leppert, A., Galanski, M. Cardiovascular flow measurement with phase-contrast MR imaging: basic facts and implementation. Radiographics. 22 (3), 651-671 (2002).
  17. Pelc, N. J., Herfkens, R. J., Shimakawa, A., Enzmann, D. R. Phase contrast cine magnetic resonance imaging. Magn Reson Q. 7 (4), 229-254 (1991).
  18. Kim, D., et al. Accelerated phase-contrast cine MRI using k-t SPARSE-SENSE. Magn Reson Med. 67 (4), 1054-1064 (2012).
  19. Valvano, G., et al. Accelerating 4D flow MRI by exploiting low-rank matrix structure and hadamard sparsity. Magn Reson Med. 78 (4), 1330-1341 (2017).

Tags

Medicin sag 139 Blood Flow væg Shear Stress Velocity kodning respiratoriske Gating fase EKG Gating
Fase kontrast magnetisk resonans i rotte fælles halspulsåren
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chiu, S. C., Hsu, S. T., Huang, C.… More

Chiu, S. C., Hsu, S. T., Huang, C. W., Shen, W. C., Peng, S. L. Phase Contrast Magnetic Resonance Imaging in the Rat Common Carotid Artery. J. Vis. Exp. (139), e57304, doi:10.3791/57304 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter