Summary
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, den Blutfluss in der Ratte gemeinsame Halsschlagader Messen mithilfe nicht-invasive Phase Kontrast Magnetresonanz-Bildgebung.
Abstract
Phase Kontrast Magnetresonanz-Bildgebung (PC-MRI) ist eine nicht-invasive Ansatz, der Fluss-relevante Parameter wie Blutfluss quantifizieren kann. Frühere Studien haben gezeigt, dass abnormale Blutfluss mit systemischen vaskulären Risiko verbunden sein kann. So kann PC-MRI die Übersetzung der Daten aus Tiermodellen der Herz-Kreislauf-Krankheiten, relevante klinische Untersuchungen erleichtern. In diesem Bericht wir beschreiben das Verfahren für die Messung von Blutfluss in die gemeinsame Halsschlagader (CCA) von Ratten mit Cine-gated PC-MRI und entsprechenden Analysemethoden zu diskutieren. Dieses Verfahren kann in einem Leben, narkotisierten Tier durchgeführt werden und erfordert keine Euthanasie nach dem Eingriff. Die vorgeschlagenen Scanparameter liefern wiederholbare Messungen für Blutfluss, zeigt hervorragende Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Die PC-MRT-Verfahren in diesem Artikel beschriebenen kann für pharmakologische Tests, pathophysiologische Bewertung und zerebrale Hämodynamik Bewertung verwendet werden.
Introduction
Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein vielseitiger Ansatz, der liefert detaillierte Informationen über interne Körperstrukturen und Physiologie, und wird zunehmend für die klinische Diagnose und in präklinischen tierexperimentellen Studien genutzt. Tiermodelle sind entscheidend für ein besseres Verständnis der erhebliche klinische Implikation 1. Da Tiermodelle deutlich von Menschen im Hinblick auf die Anästhesie Anforderungen und physiologischen Parametern unterscheiden, nimmt Optimierung der MRI-Verfahren für solche Tiere Bedeutung.
Phase Kontrast MRI (PC-MRT) ist eine spezielle Art von MRI, die die Geschwindigkeit des fließenden Spins verwendet, um Fluss-relevante Parameter wie Blutfluss zu quantifizieren. Mit PC-MRI können mapping Strömungsmuster in den großen Arterien mit Tiermodellen Aufschluss über Herz-Kreislauf-Krankheiten 2. Darüber hinaus kann PC-MRI nicht-invasiv die inhärente Wechsel des Blutflusses im pathophysiologischen Bedingungen 3überwachen. Diese Beobachtungen legen nahe, dass PC-MRI ist ein wertvoller Ansatz in Tiermodellen der menschlichen Herz-Kreislauf-Krankheiten verwendet werden kann.
In diesem Bericht beschreiben wir eine Methode zur Quantifizierung des Blutflusses in die gemeinsame Halsschlagader (CCA) von Ratten. Zwei CCAs Kopf und Hals mit sauerstoffreichem Blut zu versorgen, und die Halsschlagader-Krankheit ist eine der Hauptursachen für Schlaganfall. Nachweis der frühen Pathologie in der CCA ist daher entscheidend. Dieses Verfahren hat eine Laufzeit von ca. 15 min und kann potenziell auf Bedingungen mit Veränderungen der Hämodynamik, solche Arteriosklerose oder Schlaganfall angewendet werden.
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Protocol
Die institutionelle Pflege und Nutzung Ausschüsse (IACUC) von der China Medical University genehmigt alle Verfahren.
(1) tierische Vorbereitung und Begleitung
- Lassen Sie alle magnetisch empfindlilch Objekte wie Geldbörsen, Schlüssel, Kreditkarte usw. außerhalb des Scanners Zimmers vor Beginn der tierischen Vorbereitung auf MRI Scan.
- Zunächst die Ratte (2 Monate alten männlichen Sprague-Dawley (SD) Ratte, 280-350 g) in eine Induktion-Box mit einer Mischung aus 5 % Isofluran (ISO) und Sauerstoff (2 L/min) für 3 – 5 min, nach Bedarf zu betäuben.
- Wenn das Tier Liegerad und keine Reaktion auf eine Rute oder Zehe Prise zeigt, ISO Verwaltung unterbrechen und das Tier in den Scan Raum zu übertragen.
- Legen Sie die Ratte in die MRI-Bett in Bauchlage Kopf voran, und liefern Sie ca. 2-3 % ISO durch eine Nase Kegel-Gerät für die Aufrechterhaltung der Narkose.
- Atmung zu überwachen, indem man einen Sensor Atemwege Kissen unter das Tier Torso.
- Schließen Sie den Sensor an ein Atmungssystem und suchen Sie nach Atemfrequenz zwischen 40-50 Schlägen pro Minute (Bpm).
- Cine-gated PC-MRI Akquisition, legen Sie eine Elektrode auf der rechten Vorderpfote und der linken hinteren Pfote bzw. (Abbildung 1a).
- Verdrillen Sie die Elektrokardiographie (EKG) Kabel.
- Verwenden Sie einen Kopf Halter mit Ohr-Bars und eine Snack-Bar, um das Tier um Kopfbewegungen einzuschränken zu sichern.
- Verwenden Sie eine Warmluftheizung System oder Gaze-Pads, um Körpertemperatur während im Magneten.
- Sicherzustellen Sie, dass der R-Zacke klar auf dem ECG Monitor (Abbildung 1 b ist), und legen Sie das Tier in den Scanner. Es gibt keine Notwendigkeit, die Oberfläche Spule oben auf den Hals des Tieres zu platzieren, wie Bilder von der Lautstärke-Spule erworben werden.
(2) MRI-Übernahme
- Verwenden Sie 2 – 3 % ISO um Anästhesie während des gesamten bildgebenden Verfahrens beizubehalten. Ständige Überwachung physiologischen Reaktionen und möglichst konstant zu halten.
- Die MRI-Scans zu starten, sobald das Tier im Inneren des Scanners platziert und weiterhin physiologisch stabil sein. In dieser Studie verwenden ein 7 T kleines Tier MRT-System mit einer Steigung Stärke von 630 m/m, aber andere Feldstärken von kleinen Tieren MRT-Systeme eingesetzt werden.
- Wählen Sie die Sequenz "Localizer" aus der Konsole Monitor von der MRI-Scanner und erwerben Scout entlang aller drei Ausrichtungen mit schnelle Bildfolge Erwerb, z.B., die schnelle Spin-Echo, koronale, axial, erstellen und sagittale Bilder zu . Der Zweck dieser scout Bilder besteht darin, die bildgebende Flugzeuge zu bestimmen.
- Stellen Sie sicher, dass das Zentrum von Kopf und Hals des Tieres in der Mitte des Magneten. Passen Sie ggf. das Tier Position, bis die richtige Position erreicht ist. Wenn das Tier neu positioniert ist, wiederholen Sie Scannen um Scout Bilder zu erhalten.
- Wählen Sie die "Time-of-Flight (TOF) Angiogramm" Sequenz aus der Konsole Monitor von der MRI-Scanner und erwerben ein 2D TOF Angiogramm zunächst zu prüfen, die genaue anatomische Lage des CCA. Verwenden Sie die folgenden Scan-Parameter: Wiederholung Zeit (TR) / echo der Zeit (TE) = 22/4,87 ms, flipwinkel = 90°, Sichtfeld (FOV) = 40 × 40 mm2, Matrixgröße = 256 × 256, Scheibendicke 0,6 mm, mit der Anzahl der Erregung (NEX) = 1.
Hinweis: Der Name der TOF-Sequenz könnte Vender-spezifisch sein. Die Benutzer kann diese Parameter in der Konsole Monitor einfügen. - Stellen Sie sicher, dass die Sättigung Band ist "on" und sich auf der Oberseite zur Vermeidung von Interferenzen von venösen Signale befindet.
Hinweis: Für die Sättigung Band kommt es in der Regel mit der TOF-Sequenz. Wenn die Sättigung Band nicht auf dem Monitor angezeigt wird, wenden Sie der Person. - Nach dem Auffinden der CCA mit TOF-Angiogramm, Ziel der Bildebene des PC-MRT in die Mitte des CCA und orientieren, so dass die Scheibe senkrecht zur Richtung des Blutflusses (Abbildung 2a).
- Sicherzustellen Sie, dass Atmung und ECG Anspritzung angeschlossenen MRI, zeigen das klare Signal auf dem Monitor Computer (Abbildung 1 b), und Sie das Trigger-Modul legen "auf" in den "Trigger-Modus" aus der Konsole Monitor des Mr-Gerätes sein.
- Bestätigen Sie, dass das Tier physiologischen Reaktionen stabil sind, vor Einleitung eines PC-MRT-Untersuchung von den Überwachungscomputer (Abbildung 1 b). Überprüfen Sie, ob gating Auswahlen "auf" in den Monitor-Computer und Konsole Monitor des MRT sind.
Hinweis: Die Physiologie, die in dieser Studie verwendeten Überwachungssystem wird von dem Verkäufer bereitgestellt. Für die meisten tierischen Scanner sind die ähnlichen Physiologie-monitoring-Systeme und Vender-spezifische. - Wählen Sie die Reihenfolge der PC-MRT-Sequenz aus der Konsole Monitor von der MRI-Scanner und geschlossenen PC-MRI-Scans mit den folgenden Parametern ausführen: TR/TE=15.55/4.51 ms (minimale TR und TE), flip Winkel = 30°, FOV = 40 × 40 mm2, Matrixgröße = 192 × 192, Scheibe Dicke = 2 mm, Geschwindigkeit Codierung (VENC) = 120 cm/s, mit NEX = 8. Unidirektionale VENC wird in der Richtung durch die Ebene erworben.
Hinweis: Die Scan-Zeit ist etwa 8,5 min, aber die eigentliche Scan-Zeit möglicherweise geringfügig unter den Tieren durch die Variation der herzzyklen. - Wiederholen Sie die Schritte 2,6 – 2,9 der Bildaufnahme, wenn die Region of Interest (ROI) ist an einen anderen Speicherort in der CCA, wie z. B. an der Bifurkation 4geändert werden.
- Das Tier aus dem Scanner zu entfernen und zu ihrer Erholung Käfig zurück, wenn der Scan abgeschlossen ist.
- Wärmen Sie das Tier mit einer Wärmelampe auf Körpertemperatur zu halten. Halten Sie die Lampe mindestens 15 cm entfernt von dem Tier um eine Überhitzung zu verhindern.
- Wenn das Tier beginnt sich zu bewegen und eine Antwort auf eine Rute oder Zehe Prise stellt, schalten Sie die Heizung-Lampe.
(3) die Verarbeitung der Daten
- Speichern Sie MRT-Daten in Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) oder jede andere Vender-spezifische Format. Cine-Serie mit zwei Arten von Bildern zu generieren: eine Größenordnung Bild (Anatomie) und ein Phase-Bild (Abb. 2 b).
Hinweis: Bei einigen Scannern die dritte Art von Bild, das die Größe Bild × Phase Bild oder den Komplex-Unterschied (die komplexe Subtraktion zwischen den beiden Akquisitionen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit Codierung Gradienten) sein könnte, wird erzeugt. Das dritte Bild ist Hersteller-abhängig. - Vorverarbeitung der Bilddaten. Verdeckte die Phase in der Geschwindigkeit-Karte Bild und korrigieren Phasenversatz Fehler 5.
Hinweis: Die Phase-Bild hat eine willkürliche Herr Einheit der Signalintensität anstelle von true Velocity-Werte, aber der Herr Signalintensität ist linear proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Die maximale MRT-Signal aus dem Phase-Bild ist in der Regel als Wert der VENC zugewiesen, und das minimale Signal erhält den entgegengesetzten Wert VENC. Finden Sie ein Beispiel für die Matlab-Skript-zusätzlicher Codedatei 1 und drücken Sie die TasteAusführen". - Skizzieren Sie den ROI sorgfältig Nachzeichnen der Begrenzung des CCA. Da die Arterie kann erweitern und in den verschiedenen Lebensabschnitten kardiale konstruieren, abzugrenzen ROIs für jeden Zeitrahmen. Berechnen Sie den Blutfluss durch die Integration über der Arterie ROI, d. h., Geschwindigkeit × Bereich. Die entstandenen Durchblutung jeder Arterie war in den Einheiten der mL/s. Sehen Sie zusätzlicher Codedatei 2 ein Beispiel für das Matlab-Skript zu, und drücken Sie die TasteAusführen".
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Representative Results
Richtige Scheibe Geometrie ist von zentraler Bedeutung für den Erfolg des PC-MRI-Experiments. Das genaue Bild Flugzeug Positionierung ergibt sich eine "Runde" Arterie Form (Abbildung 3a), und mit zunehmender Winkelungen, d. h., wenn es weniger senkrecht auf die Arterie ist die resultierende Geometrie der Arterie wird eiförmig, führt zu größeren Teilvolumen Effekte (Abb. 3 b). Schwere Teilvolumen Wirkung führt zu die Überschätzung von Blut fließen 6,7. Daher befürworten wir Re-Positionierung der Bildebene wenn die Arterie Form eiförmig ist.
Intra-Scan Reproduzierbarkeit der zeitlichen Verlauf ändert sich im Blutfluss innerhalb eines Herzzyklus aus einer repräsentativen Ratte in Zahlen 4angezeigt wird. Wie ersichtlich, Durchblutung erreicht ihr Maximum in der systolischen Phase und kehrt zum Ausgangswert in der diastolischen Phase für beide Abschnitte. Abbildung 5a und 5 b zeigen ein Bland-Altman Plot und ein Streudiagramm, bzw. zwischen zwei Blut-Messungen in der gleichen Sitzung zeigen eine gute Korrelation zwischen den Messungen (R2= 0,7, P < 0,001). Mit der vorgeschlagenen Scanparameter erreicht Blutfluss wiederholbare Messungen zeigen hervorragende Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Diese Eigenschaft kann bei der Prüfung der pharmakologischer Wirkungen am großen Arterien 8,9vorteilhaft.
Wie PC-MRT eine nicht-invasive Ansatz ist, Blutfluss zu messen, kann es in den Protokollen vorteilhaft sein, die longitudinale Überwachung erfordern. Abbildung 6 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Herzzyklus in ein Tier im Alter von 2 und 4 Monaten gescannt und zeigt, dass die Durchblutung in der CCA ist stark altersabhängig, rasante Entwicklung bei Ratten darauf hindeutet. Diese quantitativen Bewertungen des Blutflusses sind essentiell für ein besseres Verständnis des Herz-Kreislauf-Systems und werden daher ein potenziell nützliche Tool in präklinischen Studien auf Schlaganfall und Arteriosklerose.
Abbildung 1 : Tierische Überwachung. (ein) ECG Elektroden befinden sich auf der rechten Vorderpfote der linken hinteren Pfote und die Atemwege Kissen-Sensor sitzt unter Rumpf des Tieres. (b) das EKG und Atemwege Signale sind deutlich sichtbar auf dem Monitor. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2 : Darstellung der Position des PC-MRI-Scans und repräsentative Bilder. (ein) Stück Positionierung auf der rekonstruierten sagittalen und koronalen Ansichten von TOF-Angiogramm. Die blaue Linie zeigt die Bildebene auf der Ebene des Mittelpunktes des CCA. (b) Betrag und Phase Bilder aus einem Zeitraum der Cine-Serie Bilder aus einem repräsentativen Tier. Rote Pfeile zeigen Sie CCA Position. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3 : Repräsentative Größe Bilder. (ein) Imaging-Ebene steht senkrecht auf die Arterie und die Abbildungsebene (b) ist nicht senkrecht auf die Arterie. Die Form der Arterie wechselt von Runde zu eiförmig, wenn die Abbildungsebene nicht senkrecht auf die Arterie ist. Der Bereich mit der CCA ist im roten Feld verstärkt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4 : Intra-Scan-Test des Blutflusses aus einer repräsentativen Ratte. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5 : Intra-Abschnitt Reproduzierbarkeit der CCA Blut Durchflussmessungen. (ein) Bland-Altman Plot vergleicht zwei Blut Durchflussmessungen zwischen Abschnitten erworben. Die durchgezogene Linie stellt die mittlere Differenz zwischen zwei Messungen während gestrichelte Linien das 95 %-Konfidenzintervall zeigen. (b) Scatter Plot von die zwei Blut Durchflussmessungen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6 : Longitudinal Scan in einem 2-Monats- und 4 - Monate alten Tier zeigt altersabhängige Veränderungen des Blutflusses in den CCA.
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Discussion
PC-MRI ist ein umfassender Ansatz für non-invasive und longitudinale Auswertung des Blutflusses. Wir präsentieren Ihnen ein Protokoll für die Durchführung von PC-MRI der Ratte CCA. Dieses Verfahren ist einfach, in jedem Tier MRT durchzuführen und zeigt gute Reproduzierbarkeit.
Die PC-MRI-Technik hat zunehmende Popularität in menschlichen 10,11 , sowie Tierstudien 4,12. Unter diesen Studien, Ergebnisse der Peng Et al. 4 ist von besonderem Interesse wegen der Ähnlichkeit ihres Ansatzes, aber der große Unterschied bei den laufenden Arbeiten ist die Verwendung von der räumlichen Auflösung von 0,21 mm, im Vergleich zu 0,31 mm in dem genannten Bericht. Die begrenzte räumliche Auflösung reduziert die Scan-Zeit, aber die daraus resultierende Teilvolumen Wirkung kann die Strömung Quantifizierung, vor allem für kleinere Schiffe 6,7bias. Da Messgenauigkeit auf der Liste der Prioritäten, eine räumliche Auflösung von 0,21 mm mit mehr Scan-Zeit wird vorgeschlagen, zukünftig Tierversuche.
Non-gated PC-MRI wird als alternative Methode der Blut-Durchflussmessung in vielen Studien am Menschen aufgrund seiner deutlich geringeren Scan Zeit 6,13,14,15verwendet. Allerdings wird nicht eingezäunt PC-MRI nicht vorgeschlagen bei Tieren für präklinische Tests verwendet, da die Herzfrequenz von Ratten sind so hoch wie 400 Bpm führt zu den schnellen Wechsel zwischen den systolischen und diastolischen Phasen. Non-gated PC-MRI kann wichtige Informationen während der Phase der systolischen verpassen, was relativ niedriger Flow-Werten und höhere Variationen 7; Daher kann nur verwendet werden, für die Ankunft auf groben Schätzungen bei Tieren für präklinische Tests verwendet.
Viele Scanparameter mit präzise Quantifizierungen für PC-MRT-Daten verknüpft sind, und VENC ist einer von ihnen. VENC Unterschätzung führt Phase Aliasing 16 aber höherwertige VENC führt zur Verschlechterung der Bild Qualität 17. Wir nutzten einen VENC-Wert von 120 cm/s, die eignet sich für normale Erwachsene SD-Ratten. Wenn Gefäßtonus Veränderungen zu, wie zum Beispiel verschiedene Arten 4 erwarten sind, sollte der VENC Wert optimiert werden, so dass bessere Bilder oder Bewertungen erworben werden können.
Besonderes Augenmerk sollte auf wichtige Schritte des Protokolls bezahlt werden, um ein zuverlässiges Ergebnis zu erhalten. Zur Vermeidung von Schwingkreise und MRI Resonanzfrequenz Korruption durch das EKG-Signal wird zunächst vorgeschlagen, EKG-Kabel zusammen drehen. Zweitens enthalten die Mehrzahl der kleinen tierischen Kernspintomographen eine zirkulierende Warmwasser-Schaltung um das Tier Körpertemperatur während im Magneten. Jedoch das fließende Wasser Rauschen führt und daher stört das EKG-Signal. So, in dieser geschlossenen PC-MRI-Untersuchung empfehlen wir die Verwendung einer Warmluftheizung System oder Gaze-Pads anstatt das Warmwasser-Kreislauf-System zur Verbesserung der gating Qualität.
Es sei darauf hingewiesen, dass in dieser Arbeit nur eine 2D PC-MRT-Sequenz für die Datenerfassung tätig war. Die grundlegende Technik der Cine-gated 2D PC-MRT hat ein viel versprechendes Instrument für Blut fließen Quantifizierung durch die Vorteile der reduzierten Scanzeit und einfach durchzuführende in standard-Scanner entwickelt. Daten, die durch die 2D PC-MRI-Technik ist jedoch begrenzt, aufgrund des Fehlens von volumetrischen Übernahmen und zuverlässige Streamline tracking, damit fehlen einige wichtige Informationen wie turbulente Strömung. Zeitaufgelöste 3D PC-MRI Impulsfolgen mit State-of-the-Art Techniken wie beschleunigte Cine, die PC-MRI mit komprimierten sensing und parallele Bildgebung 18,19 sollten umgesetzt in Zukunft Ratte CCA Experimente. Diese Verbesserung wird Einblicke in die räumlichen Aspekte der Geschwindigkeitsverteilung und Fluss Strukturen bereitzustellen. Dennoch gelten die tierische Vorbereitung und Überwachung in diesem Bericht vorgestellten Protokolle nach wie vor in diesen 4D PC-MRI-Techniken.
Abschließend zeigen wir eine einfache und zuverlässige Verfahren, die Durchblutung in der Ratte mittels nicht-invasive PC-MRI CCA misst. Weitere Anwendungen dieses bildgebenden Verfahrens sind der pharmakologischen Wirkungen, pathophysiologischen Beurteilung und Bewertung der zerebrale Hämodynamik testen.
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Disclosures
Es gibt nichts preisgeben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan, unter Grant-Nummer von MOST-105-2314-B-039-044-MY2 unterstützt.
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 |
References
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