Summary
Denna studie beskriver en omfattande kardiovaskulär magnetic resonance imaging (CMR) protokoll för att kvantifiera de vänstra ventrikulära funktionella parametrarna i mus hjärtat. Protokollet beskriver förvärv, efterbehandling och analys av CMR-bilderna samt bedömning av olika hjärtfunktionella parametrar.
Abstract
Musmodeller har bidragit avsevärt till att förstå genetiska och fysiologiska faktorer som är involverade i hälsosam hjärtfunktion, hur störtben resulterar i patologi och hur hjärtmuskelsjukdomar kan behandlas. Kardiovaskulär magnetisk resonanstomografi (CMR) har blivit ett oumbärligt verktyg för en omfattande in vivo-bedömning av hjärtanatomi och funktion. Detta protokoll visar detaljerade mätningar av mus hjärtat vänster ventrikulärt funktion, hjärtinfarkt stam och hemodynamic krafter med 7-Tesla CMR. För det första demonstreras djurberedning och positionering i skannern. Undersökningsskanningar utförs för planering av bildsegment i olika kort- och långaxliga vyer. En serie prospektiva EKG-utlösta kortaxliga (SA) filmer (eller CINE bilder) förvärvas som täcker hjärtat från topp till bas, fånga end-systolic och end-diastolic faser. Därefter förvärvas enstaka, efterhand gated CINE-bilder i en midventricular SA-vy och i 2-, 3- och 4-kammarvyer, som ska rekonstrueras till hög temporal upplösning CINE-bilder med hjälp av specialbyggd och öppen källkod programvara. CINE-bilder analyseras därefter med hjälp av dedikerad CMR-bildanalysprogramvara.
Delineating endomyocardial och epicardial gränser i SA end-systolic och end-diastolic CINE bilder möjliggör beräkning av slutet-systolic och slutet-diastolic volymer, utmatning fraktion och hjärt utdata. Midventricular SA CINE bilder är avgränsade för alla hjärt tidsramar för att extrahera en detaljerad volym-tid kurva. Dess tidsderivat möjliggör beräkning av den diastoliska funktionen som förhållandet mellan tidiga fyllnings- och förmakskontraktionsvågor. Slutligen är vänster ventrikulärt endokardial väggar i 2-, 3- och 4-kammaren vyer avgränsas med hjälp av funktionsspårning, från vilken longitudinella hjärtmuskel stam parametrar och vänster Ventrikulärt hemodynamic krafter beräknas. Sammanfattningsvis ger detta protokoll detaljerad in vivo kvantifiering av mus hjärtparametrarna, som kan användas för att studera tidsmässiga förändringar i hjärtfunktionen i olika musmodeller av hjärtsjukdomar.
Introduction
Kardiovaskulär magnetisk resonans (CMR) hos små djur ger en noggrann in vivo-mätning av hjärtmuskelfunktion, vilket gör CMR till ett optimalt verktyg för preklinisk forskning inom hjärt-kärlsjukdom. På grund av den höga rumsliga upplösningen och den höga kontrasten mellan blod och myokardi i CMR-bilder är det möjligt att avgränsa de endok- och epicardiella konturerna och beräkna hjärtmuskelmassa och ventrikulära volymer1,2. Trots de höga hjärtfrekvenserna på upp till 600 slag/min möjliggör användningen av elektrokardiogram (EKG) och andningsutlösande högkvalitativa mätningar av olika hjärtfaser (även kallade CINE-bilder) utan andningsrörelser. På detta sätt kan flera skivor användas för att täcka hjärtat från topp till bas för att extrahera systoliska funktionsparametrar som utmatningsfraktion (EF), end-systolisk volym (ESV), end-diastolisk volym (EDV) och hjärtutgång (CO)3. Bortsett från grundläggande systolisk funktionsbedömning har ytterligare CMR-tekniker nyligen utvecklats för att bedöma diastolisk dysfunktion4,myokardbelastning5och hemodynamiska krafter (HDF)6.
EKG-gating möjliggör synkronisering till hjärtcykeln genom att starta MR-signalförvärv efter detektion av R-toppen och registrera ett definierat antal hjärtfaser under R-R-intervallet. Antalet hjärtfaser (bildhastighet) som kan förvärvas på detta sätt beror dock på lägsta möjliga upprepningstid (TR) som systemet kan nå samtidigt som ett acceptabelt signal-till-brus-förhållande (SNR) och rumslig upplösning4upprätthålls . Eftersom användningen av höga magnetfältsgradienter tillfälligt kan förvränga EKG-signalen stoppas förvärvet vanligtvis före den slutdiastoliska fasen. Båda faktorerna begränsar användningen av sådana skanningar till systoliska funktionsbedömningar, eftersom beräkningen av andra hjärt funktionella parametrar kräver en bättre definition av den vänstra ventrikulära (LV) volymtidskurvan.
Hög-bildhastighet CINE bilder kan förvärvas genom retrospektiv gating, varigenom MR signal förvärvas kontinuerligt under skanning, och en inkorporerad navigatör eko efter radiofrekvensabsorberande (RF) excitation upptäcker hjärt och luftvägarna rörelse. Eftersom CMR-förvärvet utförs asynkront med hjärtrörelsen kan de förvärvade MR-signalerna sedan tilldelas ett retroaktivt valt antal hjärtramar. På detta sätt, om tillräckligt med data samlas in, kan CINE-bilder med hög bildhastighet rekonstrueras4,7. Detta möjliggör sedan diastolisk funktionsbedömning, representerad av förhållandet mellan den högsta tidiga fyllningshastigheten (E') och den högsta sena fyllningshastigheten från förmakskontraktion (A).).
I klinisk forskning kan CINE-bilder analyseras med CMR-funktionsspårning för att bedöma hjärtmuskelstammen och HDF6,8. Myokardbelastning är en hjärtdeformationsparameter som mäter skillnaden i procent mellan den ursprungliga längden (vanligtvis i end-diastolisk längd) och maximal längd (vanligtvis i end-systole) för ett myokardsegment9. Myokardiella stammätningar kan vara av inkrementellt värde för att bedöma LV-funktionen eftersom stamvärden kvantifierar myokardiell väggförkortning och förtjockning. En minskning av förkortningsfunktionen kan vara en indikation på underkortsfiberskada10. Förändringar i hjärtmuskel stam kan uppstå oberoende av EF och kan vara en föregångare för underliggande komplikationer.
Specifikt har den globala longitudinella stammen (GLS) och den globala omkretsstammen (GCS) visat sig vara av mervärde vid kännetecknande av hjärtsjukdom10,11,12. På samma sätt har HDF föreslagits vara en potentiell ny parameter för att indikera förändrad hjärtfunktion6,13. Dessa HDF eller interventricular tryckgradienter (IVPG) driver blodrörelsen under utstötning och fyllning av hjärtat och påverkas av momentumutbytet mellan blod och myokardi, inklusive aorta- och mitralventilen14,15.
I denna studie beskrivs ett omfattande protokoll för att utföra robusta smådjur CMR mätningar för att kvantifiera LV funktion, hjärtinfarkt stam och HDF av mus hjärtan. Den innehåller nödvändiga steg för djurberedning, datainsamling med hjälp av både prospektivt och retroaktivt gated CINE bilder av hjärtat, samt analys med dedikerad programvara som kan beräkna volymetriska mätningar, E'/A' förhållande, hjärtinfarkt stam och HDF i hjärtat. Detta protokoll kan användas för omfattande bedömning av LV-funktionen i olika musmodeller av hjärt-kärlsjukdom.
Protocol
De beskrivna djurförsöken utförs i enlighet med EU:s riktlinjer för laboratoriedjurs välbefinnande (direktiv 2010/63/EU) och godkändes av Academic Medical Centers djuriska kommitté.
1. Installation och djurberedning
- Innan experimentet påbörjas ska du se till att det finns tillräckligt med isofluranbedövning i minst 2 timmar och att det batteri som finns tillgängligt för EKG- och andningsövervakning är tillräckligt laddat. Se till att skannerområdet är utrustat med ett fungerande rökutsugningsrör för att avlägsna överskott av isofluran.
- Förbered musvaggan (figur 1A) och slå på djurvärmesystemet med temperaturen inställd på 40 °C. Förbered EKG/andningsgränssnittsmodulen och batteriinställningen(figur 1B) och starta programvaran för realtidsövervakning av EKG- och andningssignaler(figur 1C).
- Ta bort musen från dess husbur och mät kroppsvikten.
- Placera musen i en anestesiinduktionskammare under en rökhuvutsugningsarm och ge 3-4% isofluran i en blandning av 0,2 L/min O2 och 0,2 L/min medicinsk luft. När djuret är helt bedövat, applicera en liten droppe ögonsalva på varje öga och stäng musens ögonlock.
- Placera musen i ställningen på musvaggan. Haka fast musens snedställningar i bitstången på musvaggan och justera noskonen så att den passar ordentligt (figur 1A). Kontrollera visuellt om andningen är stabil under 100 andetag/min och minska isofluranen till ~2% under djurpreparatet.
- Flytta musvaggan så att hjärtat ligger i den del av vaggan som kommer att hamna i mitten av RF-spolen och iso-mitten av magneten.
- Använd petroleumgel för att sätta in rektaltemperatursonden och tejpa temperatursondens fiberoptiska kabel till musvaggan.
- Placera andningsballongen på musens nedre buk och säkra den med tejp. För in två EKG-elektrodnålar subkutant i bröstkorgen i forepawernas höjd och tejpa försiktigt fast dem för att förhindra rörelse (figur 1A).
- Kontrollera om andningen och EKG-signalerna är av tillräcklig kvalitet och om korrekta utlösningspunkter upptäcks av programvaran(figur 1C).
- Se till att andningsfrekvensen är 50-80 andetag/min, puls ~400-600 slag/min och kroppstemperatur runt 37 °C. Justera isofluranadministrationen när andningshastigheten ligger utanför detta intervall och sänk temperaturen på djuruppvärmningssystemet om kroppstemperaturen tenderar att överstiga 37 °C.
- Placera RF-spolen över musen.
OBS: Beroende på systemet kan detta kräva tillfällig frånkoppling av EKG-elektroderna och andningsballongpluggarna från EKG/andningsgränssnittsmodulen. - Anslut spolkablarna och placera vaggan i magnethålet. Kontrollera om EKG-signalen fortfarande är stabil.
- Om EKG-signalen är suboptimal, flytta EKG-elektroderna för en bättre signal, eftersom detta inte kan göras i ett senare skede utan att djuret väsentligt ändras.
Bild 1: Djurberedning och utrustningsinställning för CMR-avbildning av mushjärtat. ( A) Helt sövd mus i supinläge, placerad i den uppvärmda musvaggan med en andningspneumatisk kudde placerad på buken, rektal fiberoptisk temperatursensor och subkutana EKG-leder i bröstet nära forepawsna. b)Muskroppsspolen placerad över musvaggan, med EKG-ledningar och andningskudde återanslutna till EKG och andningsgränssnittet innan hållaren placeras i MR-magneten. c)Avbildning av EKG och andningssignaler i särskild programvara för övervakning av smådjur. EKG-signalens R-topp detekteras och används som utgångspunkt för förvärvet av MR-signal. En blankningsperiod mellan R-toppar kan justeras manuellt baserat på pulsslagsperioden. Utlösning kan endast ske under andningsplatån (grön linje i mittenpanelen) för vilken den första fördröjningen och maximala bredden kan justeras manuellt. Förkortningar: CMR = kardiovaskulär magnetisk resonanstomografi; EKG = elektrokardiogram; MRT = magnetisk resonanstomografi. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
2. KAlibrering av MR-skanning och utlösning
- Justera EKG- och andningspåväxtparametrarna i signalövervakningsprogrammet så att triggerpunkter genereras vid R-topparna och endast under den plana delen av andningssignalen. Om du vill minimera EKG-gatingfel anger du en blankningsperiod som är 10-15 ms kortare än R-R-intervallet.
OBS: Denna blankningsperiod bör justeras under hela experimentet om förändringar i hjärtfrekvensen inträffar. - Utför en centerfrekvenskalibrering och en standard (oanerad) SCOUT-skanning med noll förskjutning för att bestämma musens position i skannern i koronal-, axiell- och sagital riktningar. Om hjärtat inte är placerat inom 0,5-1 cm från FOV-centret (Field-of-View) justerar du vaggans position i enlighet därmed och gör om SCOUT-skanningen.
- Utför en manuell shim- och RF-kalibrering med tillgängliga leverantörsmetoder.
3. Skanna planering och förvärv
Se tabell 1 för detaljerad genomsökningsparametrar för följande genomsökningar.
- Baserat på den första SCOUT, utför en gated single-frame Gradient Echo (GRE) scout scan(Tabell 1, skanna 1) med 5 skivor i 3 ortogonala riktningar och placera varje stack med skivor på hjärtats ungefärliga plats för att hitta hjärtats exakta position(figur 2A).
- Utför en gated single-frame sa-skanning med flera segment(tabell 1, skanna 2). För detta ändamål, använd den tidigare GRE-scouten för att placera 4-5 skivor i en mitten-vänster ventrikulär position, vinkelrätt mot hjärtats långa axel för att hitta en första uppskattning av midventricular SA-vyn, som behövs för att planera den långa axeln 2-kammarscout (figur 2B).
- För följande prospektiva skanningar (steg 3.4-3.6) justerar du antalet hjärtramar (Nframes) så att Nframes × TR är ~ 60-70% av R-R-intervallet.
OBS: Förvärv för 60-70% av R-R-intervallet är tillräckligt för att fånga den end-diastoliska fasen av hjärtcykeln, samtidigt som ytterligare T1 avslappning möjliggörs under slutet-diastole för förbättrad SNR och förhindrar störningar av följande R-topp genom gradientväxling. - Utför en gated GRE-skanning med en skiva för att generera den långa axeln 2-kammarscouten (2CH), som i kombination med SA-skanningen behövs för att planera 4-kammaren (4CH)(tabell 1, skanning 3). I detta syfte placerar du ett segment vinkelrätt mot de tidigare SA-vyerna som löper parallellt med kopplingspunkterna mellan vänster och höger kammare. Flytta den här biten till mitten av vänster kammare och kontrollera koronalbilden av GRE-spanaren om skivan är i linje med LV:s långa axel så att den placeras genom toppen (bild 2C).
- Utför en annan gated gre-skanning med en skiva för att generera 4-kammars (4CH) scoutskanning, som behövs för att planera sa-avdelningen med flera segment och 3-kammarskanningen(tabell 1, skanna 4). För detta ändamål placerar du en skiva vinkelrätt mot 2CH-scoutskanningen och justerar mot mitten av den långa axeln så att segmentet går genom mitralventilen och toppen. I SA-vyerna justerar du skivan så att den placeras parallellt med den bakre och främre ventrikulära väggen och mellan de två papillärmusklerna (figur 2D). Kontrollera om skivan förblir i mitten av ventrikeln under hela hjärtcykeln.
- Utför en gated sekventiell SA GRE-skanning med flera segment(tabell 1, skanning 5) för systoliska funktionsmätningar. Placera därför en midventricular skiva vinkelrätt mot LV-långaxeln i 2CH- och 4CH-vyerna i mitten av hjärtat och öka antalet skivor (vanligtvis ett udda tal, t.ex. 7 eller 9 skivor, inget mellanrum mellan skivorna) för att täcka hjärtat från bas till topp(figur 2E).
- För följande retrospektiva gated skanningar (steg 3.8-3.9), stäng av alla prospektiva hjärt- och andningsg gating-funktioner. Notera hjärt- och andningsfrekvensen före och efter varje efterhand gated scan och använd dessa värden för rekonstruktionsändamål senare (steg 5.2.2).
- Utför tre sekventiella enstaka ensegments i efterhand gated GRE-skanningar i midventricular SA-vyn (för kvantifiering av E'/A-förhållandet), 2CH och 4CH-vyn, de två senare som är nödvändiga för kvantifieringen av hjärtmuskelstammen och HDF-värdena(tabell 1, skanning 6-8). Optimera vid behov de slutliga 2CH- och 4CH-segmentorienteringarna baserat på SA-vyerna med flera segment samt tillgängliga 2CH- och 4CH-scoutskanningar.
- Utför en extra retrospektivt gated gre-skanning med en skiva i en 3-kammarvy (3CH), som i kombination med 2CH- och 4CH-vyn från steg 3.8 är nödvändig för kvantifiering av myokardbelastningen och HDF-värdena(tabell 1, skanning 9). För detta ändamål placerar du en skiva vinkelrätt mot den mittventriska SA-vyn som liknar positionen för den slutliga långaxliga 4CH-vyn och vrid skivan 45° för att passera från den främre väggen till papillärmuskeln närmast den bakre väggen. Inspektera den basala SA-skivan för att se om skivan passerar genom mitral- och aortaventilen. Kontrollera i den slutliga långaxliga 4CH-vyn om segmentet går igenom toppen (bild 2F).
Bild 2: Segmentplanering för CMR-avbildning i en mus. ( A) GRE SCOUT planerar genom hjärtat i 3 ortogonala vyer med hjälp av inledande scoutskanning. (B) Kortaxlig scoutplanering på GRE SCOUT-koronal- och sagittalskivorna. (C) Planering av 2CH scoutvy med hjälp av kortaxlad scout och GRE SCOUT koronal skiva. (D) Planering av 4CH-scoutvy med hjälp av kortaxlad scout och 2CH-spanaren. (E) Planering av den korta axeln med flera segment med hjälp av 2CH- och 4CH-scouter. (F) (vänster) Planering av slutliga 2CH-, 3CH- och 4CH-vyer med hjälp av de mellanventriculära kortaxeln och 2CH/4CH-scoutvyerna. Förkortningar: CMR = kardiovaskulär magnetisk resonanstomografi; GRE = Gradient Echo; CH = kammare. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
| Skanningsnummer | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6-9 |
| Skanna namn | GRE scout | SA-scout med flera segment | 2CH-spanare | 4CH-spanare | SA med flera segment | SA, 2CH, 4CH, 3CH |
| totalt antal segment | 15 (3 x 5)* | 4-5 | 1 | 1 | 7-9 | 1 |
| Tjocklek (mm) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| FOV (mm) | 60 | 35 | 30 | 30 | 35 | 30 |
| FOV-förhållande | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Vänd vinkel | 40 | 20 | 20 | 20 | 20 | 15 |
| TE (ms)** | 3.8 | 3.4 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 3.6 |
| TR (ms) | 200 | 1 R-R | 7 | 7 | 7 | 8 |
| Tidsramar | 1 | 1 | 12-14 | 12-14 | 12-14 | 32 *** |
| Matrisstorlek | 192 × 192 | 192 × 192 | 192 × 192 | 192 × 192 | 192 × 192 | 192 × 192 |
| EKG utlöser | Nej | Ja | Ja | Ja | Ja | retrospektiv |
| Andningsutlösande | Ja | Ja | Ja | Ja | Ja | retrospektiv |
| Medelvärden | 1 | 3 | 5 | 5 | 5 | retrospektiv **** |
| Total bildtid (uppskattad *****) | 2 min | 2min | 3-4 min | 3-4 min | 20-25 min | 13 min / skanning |
Tabell 1: Anskaffningsparametrar för varje sekvens som används under CMR-protokollet. * Skanningar utförs i tre olika ortogonala orienteringar (axiell, koronal, sagital). **Kortast möjliga TE, med tanke på alla andra parametrar används, vilket beror på den specifika skannerkonfigurationen. Detta är antalet hjärtramar efter retrospektiv binning. Det effektiva medelvärdet beror på den slumpmässiga k-utrymmesfyllningen under den totala förvärvstiden. Totalt utfördes 400 repetitioner av alla k-linjer. Inklusive EKG/andningsutlösande förseningar. Förkortningar: CMR = kardiovaskulär magnetisk resonanstomografi; EKG = elektrokardiogram; GRE = gradient echo; FOV = synfält; TE = ekotid; TR = upprepningstid; Nframes = antal hjärtramar; SA = kort axel; CH = kammare. Klicka här för att ladda ner den här tabellen.
4. Slutförande av experimentet och datalagringen
- Ta bort musen från vaggan efter att ha tagit bort all annan mätutrustning och stäng av anestesin. Vid longitudinella experiment, placera musen i en förvärmd husbur vid 37 °C för återhämtning tills djuret är vaken och aktiv.
- Rengör all utrustning som har använts med rengöringsservetter eller 70% alkohol.
- Generera DICOM-filer (Digital Imaging and Communication in Medicine) för prospektivt gated MRI-data och kopiera dessa tillsammans med MRI-rådatafilerna för de retroaktivt gated skanningarna till en säker server för efterföljande dataanalys.
5. Offline-rekonstruktion av de retroaktivt förvärvade skanningarna
OBS: För rekonstruktion av de retroaktivt gated scans användes en specialbyggd öppen källkod programvara (figur 3). Utför följande steg för var och en av de retroaktivt utlösta data separat.
- Öppna rekonstruktionsprogramvaran Retrospectiveoch ladda rådatafilen som motsvarar en efterhand gated MRI-skanning.
- Inspektera Raw navigator-signalen och observera att de högre signaltopparna representerar andningsfrekvensen och de lägre signaltopparna representerar pulsen.
- Om topparna registreras upp och ner, vänd signalen med upp/ ner-omkopplaren.
- Kontrollera dessutom om den automatiskt detekterade pulsen motsvarar 10% av de observerade värdena under varje skanning. Om inte, justera dessa värden manuellt eftersom automatisk identifiering misslyckades.
- Välj en lämplig fönsterprocent för uteslutning av data under andningsrörelser, vanligtvis 30%.
- Tryck på Filter för att utföra navigatoranalysen och separera hjärtnavigatören från andningsnavigatören.
- Ange antalet CINE-ramar till 32 (värde som används i den här studien) och tryck på sortera k-space.
- Välj lämpliga inställningar för CS-legalisering (Compressed Sensing) och tryck rekonstruera. Använd följande typiska regulariseringsparametrar: wavelet regularization parameter i dimensionerna spatiala (x, y och z) (WVxyz) 0,001 eller 0; Total variationsbegränsning i CINE-dimensionen (TVcine) 0.1. Total variationsbegränsning i rumslig dimension (TVxyz) 0; och total variationsbegränsning i dynamikdimensionen (TVdyn) 0,05.
- När rekonstruktionen är klar, förhandsgranska CINE-filmen för att utvärdera rekonstruktionen. Exportera DICOM-bilder för ytterligare analys med Exportera DCM.
Bild 3: "Retrospektivt" som utlöser grafiskt användargränssnitt. "Retrospektiv" är en specialbyggd rekonstruktionsapplikation för retrospektivt utlösta hjärtmagnetiska resonanstomografiskanningar. I användargränssnittet är det möjligt att utvärdera navigatorsignalen, justera antalet CINE-ramar som ska rekonstrueras, justera de komprimerade avkänningsparametrarna för att förbättra rekonstruktionen, förhandsgranska CINE-bilderna som en dynamisk film och exportera rekonstruerade data. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
6. Programvara för bildanalys
OBS: Bildanalysprogramvaran (figur 4) kräver användning av DICOM-bilder och har flera plugins för olika kardiovaskulära analysapplikationer, till exempel plugin för volymetriska mätningar och plugin för stam- och HDF-analys.
- För volymetrisk utvärdering av LV väljer du SA-skanningen med flera segment och laddar in den i plugin-programmet för volymetriska mätningar.
- Tilldela end-systoliska (ES) och enddiastoliska (ED) etiketter till motsvarande hjärtbildruta.
- Använd konturverktygen för att segmentera endomyocardial-kantlinjerna i ES- och ED-bildrutorna.
OBS: Analysprogramvaran, som används för detta protokoll, visar automatiskt parametrarna LV EF, EDV, ESV när alla nödvändiga anteckningar har gjorts.
- För diastoliska mätningar väljer du midventricular SA CINE-bilder och laddar dessa i plugin för volymetriska mätningar.
- Tilldela etiketterna ED och ES till motsvarande hjärtbildrutor.
- Använd konturverktygen för att segmentera endokardramen för alla bildrutor. Jämför segmenteringen av närliggande ramar för att säkerställa smidiga övergångar av segmenteringen under hela hjärtcykeln.
- Exportera tidsutvecklingen från alla hjärtramar och motsvarande LV-endomyocardialvolymer (LV ENDO). Använd ett specialbyggt skript (se Kompletterande material) för att beräkna E'/A-förhållandet.
OBS: Skriptet använder ett Savitzky-Golay-filter för robust beräkning av dV/dt-kurvorna och använder halvautomatisk toppdetektering för att hitta E- och A-topparna.
- För stam- och HDF-beräkningar väljer du 2CH-, 3CH- och 4CH-långaxliga CINE-bilder och laddar dem i plugin-programmet för volymetriska mätningar.
- Tilldela etiketterna ED och ES till motsvarande hjärtbildruta i varje segmentorientering.
- Använd konturverktygen för att segmentera endokardgränsen för alla bildrutor i alla tre orienteringarna. Jämför segmenteringen av närliggande ramar för att säkerställa smidiga övergångar av segmenteringen under hela hjärtcykeln.
- När konturerna har ritats i plugin för volymetriska mätningar, kör plugin för stammen och HDF-analysen.
- Tilldela var och en av de förvärvade data uppsättningarna till motsvarande etiketter för 2CH-, 3CH- och 4CH-vyer och utför belastnings analysen.
- För HDF-analys, rita diametern på mitralventilen vid den enddiastoliska ramen i alla 3 orienteringar och rita aortas diameter i 3-kammarens långaxliga bild.
Bild 4: Grafiskt användargränssnitt för bildanalysprogramvara. Plugin för volymetrisk mätning i bildanalysprogramvaran, som används för konturering av endomyocardialgränsen. För varje data uppsättning väljs end-diastoliska och end-systoliska hjärtfaser och endomyocardial-kantlinjen är segmenterad för alla bildrutor. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Representative Results
Med hjälp av det tidigare beskrivna protokollet skannades en grupp friska C57BL/6 vildtyp möss (n = 6, ålder 14 veckor) med hjälp av en 7-Tesla MRI skanner med hjälp av en 38 mm diameter birdcage spole. Under varje skanning session, flera-slice CINE SA bilder förvärvades med prospektivt gated GRE sekvenser, medan en-slice midventricular SA, 2CH, 3CH och 4CH vyer CINE bilder förvärvades med hjälp av retrospektiv gating. Representativa rekonstruktioner med hög bildhastighet av retrospektivt gated skanningar med hjälp av en specialbyggd, efterbehandlingsprogramvara kan ses i kompletterande video 1. Från de resulterande bilderna fastställdes volymtidskurvor under hjärtcykeln (figur 5A) samt motsvarande första-derivatkurvor (dV/dt) för beräkning av systoliska (EF = 72,4 ± 2,8%) respektive diastoliska funktionsparametrar (E'/A' ratio = 1,5 ± 0, 3).
2CH, 3CH och 4CH visa CINE bilder analyserades med hjälp av bildanalys programvara för att bestämma endokardial GLS (endoGLS) förändringar över hjärt cykeln(figur 5B) och motsvarande topp GLS värden (-22,8 ± 2,4%) som ett mått för hjärtinfarkt stam. Dessutom beräknar programvaran rotmedelplatsen (RMS) HDF i longitudinell (apex-base) (135,2 ± 31,7%) och tvärgående (inferolateral-anteroseptal) (12,9 ± 5,0%) riktningar. För varje djur är det också möjligt att producera en HDF-tidsprofil, som följer ett konsekvent mönster av positiva och negativa toppar som representerar HDF: s storlek och riktning under hjärtcykeln (figur 5C). Beskrivande resultat av alla utfallsparametrar sammanfattas i figur 5D.
Bild 5: Kvantifiering av LV-funktionella parametrar baserade på mushjärtat. (A) Representativ volymtidskurva och motsvarande dV/dt-kurva. Den senare visar flödeshastigheten med distinkt tidig fyllningstopp (E') och förmakskontraktion (A') topp. (B)Representativ GLS-kurva som indikerar stamdeformation i den längsgående riktningen under hela hjärtcykeln. (C) Representativ HDF-kurva med distinkta krafttoppar i toppbasriktningen, som börjar med den systoliska utskjutningskraften och följs av en nedåtriktad kraft vid övergången mellan systole och diastole, E-wave retardationskraft, A-vågacceleration och retardationskraft. ( D) Beskrivande resultat för alla djur för värden av EF, E'/A-förhållande, topp GLS och rotmedel kvadrat av HDF i apex-bas och inferolateral-anteroseptal riktningar. Värden uttrycks som medelvärde ± SD. Förkortningar: LV = vänster kammare; V = volym; t = tid; GLS = global longitudinell stam; HDF = hemodynamiska krafter; EF = utmatningsfraktion. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Kompletterande video 1: Representativ rekonstruktion av retroaktivt gated CINE bilder i SA, 2CH, 3CH och 4CH vyer. Förkortningar: SA = kort axel; CH = kammare. Klicka här för att ladda ner den här videon.
Kompletterande material: Klicka här för att ladda ner den här filen.
Discussion
Det presenterade protokollet beskriver användningen av CMR imaging för longitudinella, icke-invasiva, in vivo experiment för att analysera hjärtfunktionen hos möss. Dessa resultat är exempel på friska djur för att visa möjligheten att använda CINE-bilder för att kvantifiera hjärtparametrarna. De beskrivna metoderna kan dock användas för olika djurmodeller. Även om specifika sjukdomsmodeller kan kräva små ändringar av protokollet, kommer dess grundläggande struktur för att bedöma de olika hjärtfunktionella parametrarna att vara mycket lika. Ett särskilt fall som är värt att nämna är en hjärtinfarkt modell där en del av hjärtat har betydande förlust i kontraktilitet. Detta kan orsaka låg kvalitet på hjärtnavigatörens signal inom denna sektor. I detta fall skulle ett alternativt alternativ vara att förvärva navigatören från en separat sektor, som beskrivs i en tidigare studie av Coolen et al.16. CINE-bilder i olika vyer rekonstrueras från retroaktivt gated data med hjälp av CS-algoritmer och analyseras med hjälp av bildanalysprogramvara för att beräkna stam- och HDF-värden.
Kvaliteten på de förvärvade bilderna beror naturligtvis på alla förberedelsesteg, som måste utföras noggrant innan hjärt MRI-protokollet påbörjas. Till exempel, om inga tydliga EKG- och andningssignaler ses när djuret placeras inuti MRI-skannern, kommer detta sannolikt att resultera i suboptimala förvärv och till och med ökade skanningstider på grund av den extra effekten av magnetohydrodynamiska snedvridningar17. Det är viktigt att inse att på grund av den sekventiella planeringen av segmentorienteringarna kan djuren inte bara flyttas mellan skanningar. Det är därför inte möjligt att justera EKG-lederna mellan skanningarna, eftersom detta kommer att ändra musens position i skannern. Under skanning är temperaturkontroll avgörande för att upprätthålla ett konstant hjärt- och andningsintervall, vilket särskilt gynnar kvaliteten på de retroaktivt gated scans som förvärvas under en längre tid. Under denna hög-duty-cykel skanning, temperaturen på djuret kan stadigt öka, orsaka hjärtfrekvens och andningshastighet att öka. Justering av temperaturen i värmesystemet och anestesin kan i hög grad bidra till att stabilisera andningshastigheten före eller under skanningen.
Ett kritiskt steg under analysen är konsekvensen i konturritningen. Även om automatisk segmentering fungerar bra för kliniska data, fungerar den inte robust när det gäller mus hjärtdata (inte testad för råttor). Den höga hjärtfrekvensen och det höga blodflödet under specifika hjärtfaser, särskilt i början av LV-fyllningen, kan orsaka intravoxel-defasning och signalhålrum, vilket äventyrar myokardiell väggavgränsning. Det rekommenderas därför inte att analysera varje ram självständigt, men visuellt inspektera myokardväggens rörelse mellan ramar och ta hänsyn till detta när du ritar konturerna över alla ramar. Det rekommenderas att kopiera och justera endokardiell kontur mellan två på varandra följande ramar för att upprätthålla en mer naturlig kontraktil rörelse i analysen. I detta protokoll är papillary muskler utesluts från ventrikulära lumen volym i SA bilder för systoliska och diastolic funktion bedömning, medan de ingår i 2CH, 3CH och 4CH vyer för stam och HDF analys eftersom den senare förlitar sig på kunskap om den exakta rörelsen av hjärtmuskel väggen, snarare än den exakta volymen av ventrikulära lumen.
Medan systoliska och diastoliska funktionsparametrar baseras på mätning av LV-volymer under hela hjärtcykeln, beror stam- och HDF-parametrarna på rörelsemönster inom myokardväggen också. För detta används funktionsspårningstekniker där förskjutningen av hjärtmuskelsegmentet kan bedömas genom att känna igen distinkta anatomiska funktioner och signalintensiteter mellan efterföljande CINE-faser. Den starka kontrasten mellan blodpool och myokardi i CMR-bilder underlättar användningen av funktionsspårning för efterföljande stam och HDF-analys8. Före CMR funktion-tracking, med hjärtmuskel stam fastställdes med speckle spårningechography och CMR vävnad-taggning. CMR-funktionsspårning kräver inte ytterligare skanningstid jämfört med CMR-vävnadsmärkning. Men trots användningen av retrospektiv utlösning, CMR har fortfarande en begränsad tidsupplösning, vilket kan göra det svårt att korrekt utvärdera snabba deformationer inom hjärt cykeln.
Bedömning av HDF under hela hjärtcykeln kräver mätningar av diametern på mitral- och aortaventilerna för att beräkna HDF i apex-bas- och inferolateral-anteroseptal riktningar med hjälp av tidigare beskrivna ekvationer18. Denna metod har visat konsekventa uppskattningar av HDF jämfört med referensstandarden 4D-flöde MRI, som har en begränsad tillgänglighet i klinisk användning på grund av dess komplexitet6. Det är viktigt att veta att en robust uppskattning av ventildiametrarna är svår, och därför bör ventildiametrarna hållas konstanta för en grupp djur och över upprepade mätningar i en longitudinell studie, eftersom variationer i denna parameter genom felaktiga uppskattningar lätt kan överskugga subtila förändringar i HDF-parametrar. Den specifika programvaran som används för att beräkna GLS- och HDF-parametrar kanske inte är tillgänglig för alla användare. Därför kan man hänvisa till Voigt et al.19 (GLS) samt Pedrizzetti et al.6,20 (HDF), som innehåller alla matematiska beskrivningar som utgör grunden för respektive beräkningar som utförs av analysprogramvaran.
I denna studie utvärderades protokollet hos friska djur (N = 6). En representativ uppsättning tidskurvor för LV-volym, dV/dt, endoGLS och HDF visas i figur 5A-C. Medelvärden för flera hjärtfunktionella parametrar (EF, E'/A'-ratio, peak GLS och HDF) visas i figur 5D. Dessa överensstämmer väl med jämförbara protokoll som används i litteraturen21. Litteratur om GLS- och HDF-data hos möss är knapp. Ett genomsnittligt GLS-värde på -22,8% mättes, vilket ligger inom samma intervall som kliniska data8, vilket indikerar att GLS-mätningar som erhållits med den beskrivna metoden är genomförbara hos möss. HDF-kurvor som erhållits hos möss visar också samma distinkta faser som ses i mänskliga data, vilket visar den framgångsrika översättningen av denna teknik till preklinisk forskning. Medan HDF-parametrar är hypotetiska att fungera som tidiga biomarkörer för hjärtdysfunktion, är fler studier motiverade för att undersöka det diagnostiska och prediktiva värdet av denna nya parameter. Resultaten i detta protokoll visar att HDF- och GLS-resultaten förväntas vara mer varierande mellan djur, vilket måste beaktas när subtila skillnader i djurmodeller eller behandlingseffekter förväntas.
Disclosures
Ruslan Garipov är anställd av MR Solutions Ltd., Guildford, Storbritannien. David Hautemann är anställd av Medis medicinska bildsystem B.V., Leiden, Nederländerna.
Acknowledgments
Författarna tackar Dorita Dekkers och Fatimah Al Darwish för hjälp med musmätningar och dataanalys.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| AccuSens single and multi-channel signal conditioner | Opsens solutions inc., Canada | ACS-P4-N-62SC | Used with fiber optic temperature sensor to monitor body temperature |
| Duratears eye ointment | Alcon Nederland B.V., Netherlands | ||
| Mouse cell | Équipment Vétérinaire Minerve, France | referred to as mouse cradle | |
| MR-compatible Monitoring & Gating System for Small animals | SA Intuments, Inc., United States | Model 1030 | ERT Module (ECG/respiratory interface module) , ERT Control/Gating Module, battery pack and subdermal ECG Electrode Set |
| MRI scanner | MR Solutions Ltd., United Kingdom | Model: MRS-7024 | Preclinical MRI System 7.0T/24 cm |
| Multistation temperature control unit and High Flow PCA | Équipment Vétérinaire Minerve, France | Model: URT Multipostes | animal heating system |
| Respiration Sensor | Graseby Medical Limited, United Kingdom | Ref 2005100 | |
| RF coil | MR Solutions Ltd., United Kingdom | MRS-MVC | 38mm mouse volume RF coil for mouse body studies |
| SF flowmeter | flow-meter, Italy | SF 3 | |
| Vaporizer sigma delta Intermed | Penlon Ltd., United Kingdom | ||
| Materials | |||
| Isoflurane | AST farma, Netherlands | ||
| Vaseline petroleum jelly | Unilever, United Kingdom | ||
| Software | |||
| BART toolbox | https://mrirecon.github.io/bart/ | ||
| Mathematica 12.0 | Wolfram Research, Inc., United States | ||
| MATLAB 2019a | The MathWorks,Inc., United States | ||
| MEDIS Suite MR | Medis Medical Imaging Systems B.V. ,Netherlands | Image analysis software | |
| PC-SAM | SA Intuments, Inc., United States | ||
| Preclinical Scan | MR Solutions Ltd., United Kingdom | Scanning software | |
| Retrospective version 7.0 | Amsterdam UMC, the Netherlands | Reconstuction software: https://github.com/Moby1971?tab=repositories |
References
- Vallée, J. P., Ivancevic, M. K., Nguyen, D., Morel, D. R., Jaconi, M. Current status of cardiac MRI in small animals. Magnetic Resononance Materials in Physics, Biology and Medicine. 17 (3-6), 149-156 (2004).
- Bakermans, A. J., et al. Small animal cardiovascular MR imaging and spectroscopy. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 88-89, 1-47 (2015).
- Wu, Y. L., Lo, C. W. Diverse application of MRI for mouse phenotyping. Birth Defects Research. 109 (10), 758-770 (2017).
- Coolen, B. F., et al. High frame rate retrospectively triggered Cine MRI for assessment of murine diastolic function. Magnetic Resonance in Medicine. 69 (3), 648-656 (2013).
- Lapinskas, T., et al. Cardiovascular magnetic resonance feature tracking in small animals - a preliminary study on reproducibility and sample size calculation. BMC Medical Imaging. 17 (1), 51 (2017).
- Pedrizzetti, G., et al. On estimating intraventricular hemodynamic forces from endocardial dynamics: A comparative study with 4D flow MRI. Journal of Biomechanics. 60, 203-210 (2017).
- Motaal, A. G., et al. Accelerated high-frame-rate mouse heart cine-MRI using compressed sensing reconstruction. NMR in Biomedicine. 26 (4), 451-457 (2013).
- Claus, P., Omar, A. M. S., Pedrizzetti, G., Sengupta, P. P., Nagel, E. Tissue tracking technology for assessing cardiac mechanics: principles, normal values, and clinical applications. JACC. Cardiovascular Imaging. 8 (12), 1444-1460 (2015).
- Scatteia, A., Baritussio, A., Bucciarelli-Ducci, C. Strain imaging using cardiac magnetic resonance. Heart Failure Reviews. 22 (4), 465-476 (2017).
- Modin, D., Andersen, D. M., Biering-Sørensen, T. Echo and heart failure: when do people need an echo, and when do they need natriuretic peptides. Echo Research and Practice. 5 (2), 65-79 (2018).
- Onishi, T., et al. Longitudinal strain and global circumferential strain by speckle-tracking echocardiography and feature-tracking cardiac magnetic resonance imaging: comparison with left ventricular ejection fraction. Journal of American Society of Echocardiography. 28 (5), 587-596 (2015).
- Faganello, G., et al. A new integrated approach to cardiac mechanics: reference values for normal left ventricle. The International Journal of Cardiovascular Imaging. 36, 2173-2185 (2020).
- Lapinskas, T., et al. The intraventricular hemodynamic forces estimated using routine CMR Cine images: a new marker of the failing heart. JACC. Cardiovascular Imaging. 12 (2), 377-379 (2019).
- Töger, J., et al. Intracardiac hemodynamic forces using 4D flow: a new reproducible method applied to healthy controls, elite athletes and heart failure patients. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 18, Suppl 1 61 (2016).
- Eriksson, J., Bolger, A. F., Ebbers, T., Carlhäll, C. J. Assessment of left ventricular hemodynamic forces in healthy subjects and patients with dilated cardiomyopathy using 4D flow MRI. Physiological Reports. 4 (3), 12685 (2016).
- Coolen, B. F., et al. Three-dimensional T1 mapping of the mouse heart using variable flip angle steady-state MR imaging. NMR in Biomedicine. 24 (2), 154-162 (2011).
- Nijm, G. M., Swiryn, S., Larson, A. C., Sahakian, A. V. Characterization of the magnetohydrodynamic effect as a signal from the surface electrocardiogram during cardiac magnetic resonance imaging. Computers in Cardiology. 33, 269-272 (2006).
- Domenichini, F., Pedrizzetti, G. Hemodynamic forces in a model left ventricle. Physical Review Fluids. 1, 083201 (2016).
- Voigt, J. U., et al. Definitions for a common standard for 2D speckle tracking echocardiography: consensus document of the EACVI/ASE/Industry Task Force to standardize deformation imaging. European Heart Journal - Cardiovascular Imaging. 16 (1), 1-11 (2015).
- Pedrizzetti, G. On the computation of hemodynamic forces in the heart chambers. Journal of Biomechanics. 95, 109323 (2019).
- Hoffman, M., et al. Myocardial strain and cardiac output are preferable measurements for cardiac dysfunction and can predict mortality in septic mice. Journal of American Heart Association. 8 (10), 012260 (2019).
