Summary
L'obiettivo generale di questa procedura è quello di misurare il flusso sanguigno nell'arteria carotica comune ratto utilizzando la risonanza magnetica di contrasto di fase non invadente.
Abstract
Fase di contrasto risonanza magnetica (PC-MRI) è un approccio non invasivo che può quantificare il flusso relativi parametri quali il flusso di sangue. Gli studi precedenti hanno indicato che il flusso sanguigno anormale può essere associato con il rischio vascolare sistemico. Quindi, PC-MRI può facilitare la traduzione dei dati ottenuti da modelli animali di malattie cardiovascolari a indagini cliniche pertinenti. In questo rapporto, descriviamo la procedura per la misurazione del flusso sanguigno nell'arteria carotica comune (CCA) di ratti utilizzando cine-gated PC-MRI e discutere i metodi di analisi pertinenti. Questa procedura può essere eseguita in un animale vivo, anestetizzato e non richiede l'eutanasia dopo la procedura. I parametri di scansione proposti resa misurazioni ripetibili per il flusso di sangue, che indica eccellente riproducibilità dei risultati. La procedura di PC-MRI descritta in questo articolo può essere utilizzata per test farmacologici, valutazione patofisiologica e valutazione emodinamica cerebrale.
Introduction
La formazione immagine a risonanza magnetica (MRI) è un approccio versatile che fornisce informazioni dettagliate sulla fisiologia e strutture interne del corpo e sempre più sta usanda per la diagnosi clinica e negli studi sugli animali preclinici. Modelli animali sono vitali per una migliore comprensione di notevole implicazione clinica 1. Come modelli animali differiscono notevolmente da esseri umani per quanto riguarda l'anestesia requisiti e parametri fisiologici, ottimizzazione delle procedure di MRI per tali animali assume importanza.
MRI di contrasto di fase (PC-MRI) è un tipo specializzato di MRI che utilizza la velocità dei giri che scorre per quantificare il flusso relativi parametri quali il flusso di sangue. Con PC-MRI, mappatura schemi di flusso nelle arterie principali utilizzando modelli animali può aiutare a fare luce su patologie cardiovascolari 2. Inoltre, PC-MRI non invadente può monitorare le alternanze insite nel flusso sanguigno in condizioni fisiopatologiche 3. Queste osservazioni suggeriscono che PC-MRI è un valido approccio che può essere utilizzato nei modelli animali di malattie cardiovascolari.
In questo rapporto, descriviamo un metodo per la quantificazione del flusso sanguigno nell'arteria carotica comune (CCA) dei ratti. I due CCAs fornire la testa ed il collo con sangue ossigenato, e la malattia dell'arteria carotica è delle principali cause di ictus. Pertanto, rilevando la patologia iniziale in CCA è fondamentale. Questa procedura ha una durata di circa 15 min e potenzialmente applicabile a condizioni con alterazioni di emodinamica, tale aterosclerosi o ictus.
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Protocol
La cura istituzionale e uso comitati (IACUC) di China Medical University ha approvato tutte le procedure.
1. animale preparazione e monitoraggio
- Lasciare tutti gli oggetti magneticamente suscettibili quali portafogli, chiavi, carta di credito, ecc. all'esterno della camera dello scanner prima di iniziare la preparazione degli animali per l'esame di MRI.
- Inizialmente anestetizzare il rat (ratto Sprague-Dawley (deviazione standard) maschio di 2 mesi, 280 – 350 g) in una scatola di induzione utilizzando una miscela di 5% isoflurane (ISO) e ossigeno (2 L/min) per 3 – 5 min, se necessario.
- Quando l'animale è recumbent e non mostre nessuna risposta a un pizzico di punta o coda, interrompere la somministrazione di ISO e trasferire l'animale nella stanza di scansione.
- Posizionare il ratto nel letto MRI in posizione prona a capofitto e consegnare 2-3% ISO attraverso un dispositivo di cono di naso per mantenere l'anestesia.
- Respirazione di monitor posizionando un sensore respiratoria cuscino sotto il busto dell'animale.
- Collegare il sensore a un sistema respiratorio e verificare per tasso respiratorio tra 40-50 battiti al minuto (bpm).
- Per l'acquisizione di PC-MRI cine-gated, posizionare un elettrodo ogni sulla zampa anteriore destra e la sinistra posteriore della zampa, rispettivamente (Figura 1a).
- Attorcigliare i cavi di elettrocardiografia (ECG).
- Utilizzare un supporto per testine con orecchio bar e un morso per proteggere l'animale per limitare il movimento della testa.
- Utilizzare un sistema o una garza pastiglie di riscaldamento ad aria per mantenere la temperatura corporea mentre nel magnete.
- Assicurarsi che l'onda R è chiaro sul monitor ECG (Figura 1b) e inserire l'animale nello scanner. Non c'è nessun bisogno di posizionare la bobina di superficie nella parte superiore il collo dell'animale come immagini vengono acquisite dalla bobina di volume.
2. MRI acquisizione
- Utilizzare 2 – 3% ISO per mantenere l'anestesia durante l'intera procedura di imaging. Monitorare continuamente le risposte fisiologiche e mantenere quanto più possibile costante.
- Avviare le scansioni MRI, una volta che l'animale è posto all'interno dello scanner e continua ad essere fisiologicamente stabile. In questo studio, utilizzare un animale di piccola T 7 sistema MRI con una resistenza di pendenza di 630 metri, ma possono essere utilizzati altri punti di forza di campo di sistemi MRI per piccoli animali.
- Selezionare la sequenza di "Localizzatore" dal monitor console dello scanner MRI e acquisire immagini scout lungo tutti e tre gli orientamenti utilizzando qualsiasi sequenza di acquisizione rapida delle immagini, ad esempio, l'eco di rotazione veloce, per creare coronale, assiale e immagini sagittali . Lo scopo di questi scout immagini consiste nel determinare i piani di formazione immagini.
- Assicurarsi che il centro della testa e del collo dell'animale è al centro del magnete. Se necessario, regolare la posizione dell'animale fino a quando non viene raggiunta la posizione corretta. Se l'animale viene riposizionata, ripetere la scansione per ottenere immagini scout.
- Selezionare la sequenza di "tempo di volo (TOF) angiogramma" dal monitor console dello scanner MRI e acquisire un angiogramma 2D TOF in primo luogo per accertare l'esatta posizione anatomica del CCA. Utilizzare i seguenti parametri di scansione: ripetizione tempo (TR) / echo tempo (TE) = 22/4,87 ms, flip angolo = 90°, campo visivo (FOV) = 40 × 40 mm2, dimensione della matrice = 256 × 256, spessore 0,6 mm, con il numero di eccitazione (NEX) = 1.
Nota: Il nome della sequenza TOF potrebbe essere vender-specifici. L'utente può inserire questi parametri nel monitor console. - Assicurarsi che la band di saturazione è "on" ed è posizionata sulla parte superiore per evitare le interferenze da segnali di venosi.
Nota: Per la band di saturazione, viene solitamente con la sequenza TOF. Se la banda di saturazione non viene visualizzato sul monitor, si prega di avvisare la persona di servizio. - Dopo aver individuato il CCA utilizzando l'angiogramma TOF, il piano dell'immagine del PC-MRI al centro del CCA di destinazione e orientare tale che la fetta è perpendicolare alla direzione di flusso sanguigno (Figura 2a).
- Assicurarsi che la respirazione sia ECG gating sono collegati al sistema MRI, mostrando il chiaro segnale del computer monitor (Figura 1b) e impostare il modulo trigger di essere "on" in "modalità operativa" dal monitor console dello scanner MRI.
- Confermare che le risposte fisiologiche dell'animale sono stabili prima di iniziare la scansione del PC-MRI dal monitoraggio computer (Figura 1b). Verificare che le selezioni Gate sono "on" nel monitor computer e il monitor console di scanner MRI.
Nota: La fisiologia monitoraggio sistema utilizzato in questo studio è fornita dal vender. Per gli scanner più animali, i sistemi di monitoraggio di fisiologia simili sono forniti e vender-specifici. - Selezionare la sequenza di sequenza di PC-MRI dal monitor console dello scanner MRI ed eseguire scansioni del PC-MRI gated utilizzando i seguenti parametri: TR/TE=15.55/4.51 ms (minimo TR e TE), flip angle = 30°, FOV = 40 × 40 mm2, dimensione della matrice = 192 × 192, fetta spessore = 2 mm, velocità di codifica (VENC) = 120 cm/s, con NEX = 8. VENC unidirezionale viene acquisito nella direzione del attraverso-piano.
Nota: Il tempo di scansione è di circa 8,5 min, ma il tempo di scansione effettiva può essere leggermente diverso tra gli animali a causa della variazione nei cicli cardiaci. - Ripetere i passaggi da 2.6 – 2,9 di acquisizione dell'immagine se la regione di interesse (ROI) è di essere cambiato in un'altra posizione del CCA, come ad esempio presso la biforcazione 4.
- Rimuovere l'animale dallo scanner e restituirlo alla sua gabbia di recupero quando la scansione è completata.
- Caldo l'animale con una lampada riscaldante per mantenere la temperatura corporea. Tenere la lampada almeno 15 cm dall'animale per evitare il surriscaldamento.
- Quando l'animale comincia a muoversi ed esibisce una risposta ad un pizzico di punta o coda, spegnere la lampada di riscaldamento.
3. elaborazione dei dati
- Salvare i dati di MRI in Digital Imaging and Communications in formato medicina (DICOM) o qualsiasi altro formato di vender-specifici. Generare la serie cine con due tipi di immagini: una grandezza immagine (anatomia) e un'immagine di fase (Figura 2b).
Nota: In alcuni scanner, il terzo tipo di immagine, che potrebbe essere l'immagine di grandezza immagine × fase o il complesso-differenza (sottrazione complessa tra le due acquisizioni con diversi gradienti di velocità di codifica), viene generato. La terza immagine è dipendente dal fornitore. - Pre-elaborare i dati di immagine. Segreta la fase immagine nella mappa delle velocità e correggere l'errore di offset di fase 5.
Nota: L'immagine di fase ha un'unità di MR arbitraria dell'intensità del segnale invece di valori della velocità vera, ma l'intensità di segnale del signor è linearmente proporzionale alla velocità. Il massimo segnale di MRI dall'immagine fase in genere viene assegnato come valore di VENC e il minimo segnale viene assegnato il valore opposto di VENC. Vedere file di codice supplementare 1 per un esempio dello script Matlab e premere il pulsante di "eseguire". - Delineare il ROI attentamente tracciando il contorno del CCA. Come l'arteria può dilatare e costruire durante le varie fasi cardiache, delineare ROIs per ogni intervallo di tempo. Calcolare il flusso di sangue integrando sopra l'arteria ROI, cioè, velocità × area. Il flusso di sangue è derivato di ogni arteria era nelle unità di mL/s. Vedere file di codice supplementare 2 per un esempio dello script Matlab e premere il pulsante di "eseguire".
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Representative Results
Corretta fetta della geometria è fondamentale per garantire il successo dell'esperimento PC-MRI. Il posizionamento di un'immagine precisa aereo produce una forma di "turno" dell'arteria (Figura 3a), e come l'angolazione aumenta, vale a dire, quando è meno perpendicolare all'arteria, la geometria risultante dell'arteria diventa Ovo, portando a maggiore volume parziale effetti (Figura 3b). Effetti di volume parziale severo comporterebbe la sovrastima di sangue flusso 6,7. Di conseguenza, sosteniamo che ri-posizionamento del piano dell'immagine, se la forma dell'arteria è ovoidale.
Riproducibilità intra-scansione di corso di tempo i cambiamenti nel flusso sanguigno all'interno di un ciclo cardiaco da un rappresentante del ratto è visualizzato in figure 4. Come si può vedere, il flusso sanguigno raggiunge il suo massimo durante la fase sistolica e ritorna ai valori basali durante la fase diastolica per entrambe le sezioni. Figura 5a e 5b mostrano una trama di Bland-Altman e un grafico a dispersione, rispettivamente, tra le due misurazioni di sangue nella stessa sessione, dimostrando una buona correlazione tra le misurazioni (R2= 0,7, P < 0,001). Con i parametri di scansione proposti, flusso sanguigno realizza misurazioni ripetibili, dimostrando eccellente riproducibilità dei risultati. Questa caratteristica potrebbe rivelarsi utile in fase di test gli effetti farmacologici principali arterie 8,9.
Come PC-MRI è un approccio non invasivo per misurare il flusso di sangue, può essere vantaggioso nei protocolli che richiedono il monitoraggio longitudinale. Figura 6 Visualizza il corso di tempo per un ciclo cardiaco in un animale scansionati in età 2 e 4 mesi e dimostra che il flusso di sangue in CCA è significativamente età-dipendente, suggerendo il rapido sviluppo in ratti. Queste valutazioni quantitative del flusso sanguigno sono essenziali per una migliore comprensione del sistema circolatorio e possono, pertanto, diventare uno strumento potenzialmente utile in studi preclinici su ictus e aterosclerosi.
Figura 1 : Monitoraggio animali. (un) ECG elettrodi sono posizionati sulla zampa anteriore destra e la sinistra posteriore della zampa e il sensore respiratoria cuscino è posto sotto il busto dell'animale. (b) The ECG e segnali respiratori sono chiaramente visibili sul monitor. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 : Illustrazione della posizione del PC-risonanze magnetiche e immagini rappresentative. (un) fetta posizionamento sulle viste sagittali e coronale ricostruite dall'angiogramma TOF. La linea blu indica il piano dell'immagine a livello del punto medio del CCA. (b) immagini di grandezza e la fase da un lasso di tempo delle immagini cine-serie da un animale rappresentativo. Frecce rosse indicano la posizione di CCA. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 : Immagini di grandezza rappresentativa. (un) piano di Imaging è perpendicolare all'arteria e piano di formazione immagine (b) è non perpendicolari all'arteria. La forma dell'arteria cambia dal giro al ovoid se il piano di formazione immagine non è perpendicolare all'arteria. L'area contenente il CCA è amplificato nel riquadro rosso. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 : Intra-scansione di prova di flusso sanguigno da un rappresentante rat. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5 : Riproducibilità Intra-sezione di misure di flusso sanguigno CCA. (un) Bland-Altman trama confrontando due misure del flusso sanguigno ha acquisite tra le sezioni. La linea continua rappresenta la differenza media tra due misurazioni, mentre le linee tratteggiate rappresentano l'intervallo di confidenza del 95%. (b), Scatter plot delle misurazioni del flusso di due sangue. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6 : Scansione longitudinale in un animale di 2 mesi e 4 - mese-vecchio mostrando cambiamenti età-dipendenti nel flusso sanguigno in CCA.
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Discussion
PC-MRI è un approccio globale per la valutazione non invasiva e longitudinale del flusso sanguigno. Vi presentiamo un protocollo per l'esecuzione di PC-MRI del ratto CCA. Questa procedura è facile da eseguire in qualsiasi animale scanner MRI e dimostra buona riproducibilità.
La tecnica di PC-MRI ha guadagnato la popolarità aumentante in umano 10,11 , nonché gli studi sugli animali 4,12. Tra questi studi, risultati di Peng et al. 4 è di particolare interesse a causa della somiglianza del loro approccio, ma la differenza principale nel lavoro attuale è l'uso della risoluzione spaziale di 0,21 mm, paragonato a quello di 0,31 mm nella suddetta relazione. La risoluzione spaziale limitata riduce significativamente il tempo di scansione, ma l'effetto di volume parziale risultante può influenzare la quantificazione del flusso, soprattutto per i più piccoli vasi 6,7. Dal momento che la precisione di misura è presente nell'elenco delle priorità, una risoluzione spaziale di 0,21 mm con più tempo di scansione è suggerito in futuro studi.
Non-gated PC-MRI è utilizzato come metodo alternativo di misurazione del flusso ematico in molti studi umani a causa di sue considerevolmente minore scansione tempo 6,13,14,15. Tuttavia, non-gated PC-MRI non è suggerito in animali utilizzati per sperimentazione pre-clinica, come la frequenza cardiaca di ratti può essere alta come 400 bpm, che conduce al veloce alternanza tra fasi di pressione sistolica e diastoliche. Non-gated PC-MRI può perdere informazioni cruciali durante la fase sistolica, con conseguente relativamente più bassi valori di flusso e di variazioni superiori 7; Pertanto, può essere utilizzato solo per arrivare al ruvide stime degli animali utilizzati per sperimentazione pre-clinica.
Molti parametri di scansione sono legati a precise quantificazioni per dati PC-MRI e VENC è uno di loro. Sottovalutazione di VENC provoca fase aliasing 16 ma un più alto valore VENC porterà a deterioramento nella qualità di immagine 17. Abbiamo utilizzato un valore VENC di 120 cm/s, che è adatto per ratti SD adulti normali. Quando sono previsti cambiamenti nel tono vascolare, quali specie diverse 4, il valore VENC dovrebbe essere ottimizzato tale che meglio immagini o le valutazioni possono essere acquisite.
Particolare attenzione dovrebbe essere pagata a passi importanti del protocollo per ottenere un risultato affidabile. In primo luogo, per evitare circuiti risonanti e corruzione di frequenza di risonanza MRI dal segnale ECG, si suggerisce di attorcigliare i cavi ECG. In secondo luogo, la maggior parte di piccolo animale scanner MRI incorpora un circuito di circolazione acqua calda per mantenere la temperatura corporea dell'animale mentre nel magnete. Tuttavia, l'acqua che scorre introduce rumore e, di conseguenza, interferisce con il segnale ECG. Così, in questo studio di PC-MRI con cancello, si consiglia di utilizzare un sistema o una garza pastiglie invece di utilizzare il sistema di circolazione di acqua calda per migliorare la qualità di gating di riscaldamento ad aria.
Dovrebbe essere notato che, in questo lavoro, solo una sequenza di PC-MRI 2D è stata impiegata per l'acquisizione dati. La tecnica di base di cine-gated 2D PC-MRI è emerso come uno strumento promettente per quantificazione di flusso di sangue dovuto i vantaggi di tempi di scansione ridotti e facile da attuare in scanner standard. Tuttavia, i dati acquisiti mediante la tecnica di PC-MRI 2D sono limitati a causa della mancanza di acquisizioni volumetriche e snellire affidabile di rilevamento, quindi mancano alcune informazioni importanti come il flusso turbolento. Risolta in tempo di sequenze di impulsi 3D PC-MRI con tecniche più di state-of-the-art come accelerata cine CHE PC-MRI con compressa di rilevamento parallelo imaging 18,19 dovrebbe essere implementato in futuro gli esperimenti del ratto CCA. Questo miglioramento consentirà la fornitura di approfondimenti di aspetti spaziali di distribuzione di velocità e di strutture di flusso. Tuttavia, la preparazione degli animali e protocolli presentati in questo rapporto di monitoraggio sono ancora applicabili a queste tecniche di PC-MRI 4D.
In conclusione, dimostriamo una procedura semplice e affidabile che misura il flusso di sangue nel ratto CCA utilizzando PC-MRI non invasivo. Ulteriori applicazioni di questo metodo di imaging includono prove di effetti farmacologici, valutazione patofisiologiche e valutazione dell'emodinamica cerebrale.
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Disclosures
Non c'è niente di divulgare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni dal Ministero della scienza e della tecnologia, Taiwan, sotto il numero di concessione di 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 |
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