Summary
O objectivo geral deste procedimento é para medir o fluxo sanguíneo na artéria carótida comum de rato usando contraste fase não invasiva imagiologia por ressonância magnética.
Abstract
Contraste fase ressonância magnética (MRI-PC) é uma abordagem não-invasiva que pode quantificar os parâmetros de fluxo-relacionados tais como o fluxo de sangue. Estudos anteriores mostraram que o fluxo sanguíneo anormal pode estar associado com risco vascular sistêmico. Assim, o PC-MRI pode facilitar a tradução dos dados obtidos a partir de modelos animais de doenças cardiovasculares para investigações clínicas pertinentes. Neste relatório, descrevemos o procedimento para medir o fluxo sanguíneo na artéria carótida comum (CCA) de ratos utilizando PC cine-condomínio fechado-MRI e discutir os métodos de análise pertinente. Este procedimento pode ser executado em um animal vivo, anestesiado e não requer eutanásia após o procedimento. Os parâmetros de digitalização propostos produzem medições reproduzíveis para o fluxo de sangue, indicando excelente reprodutibilidade dos resultados. O procedimento de PC-MRI descrito neste artigo pode ser usado para testes farmacológicos, fisiopatológico avaliação e avaliação hemodinâmica cerebral.
Introduction
Ressonância magnética (RM) é uma abordagem versátil que fornece informações detalhadas sobre fisiologia e estruturas internas do corpo e cada vez mais está sendo usada para o diagnóstico clínico e em estudos pré-clínicos em animais. Modelos animais são vitais para uma melhor compreensão de considerável implicação clínica 1. Como modelos animais diferem consideravelmente dos humanos em relação a requisitos de anestesia e parâmetros fisiológicos, otimização dos processos de MRI de tais animais assume importância.
MRI de contraste de fase (PC-MRI) é um tipo especializado de ressonância magnética que usa a velocidade das rotações fluindo para quantificar os parâmetros de fluxo-relacionados tais como o fluxo de sangue. Com PC-MRI, padrões de fluxo nas artérias principais usando modelos animais de mapeamento pode ajudar a lançar luz sobre patologias cardiovasculares 2. Além disso, o PC-MRI não invasiva pode monitorar as alternâncias inerentes na circulação sanguínea em condições fisiopatológicas 3. Estas observações sugerem que o PC-MRI é uma abordagem valiosa que pode ser usada em modelos animais de doenças cardiovasculares.
Neste relatório, nós descrevemos um método para a quantificação do fluxo sanguíneo na artéria carótida comum (CCA) de ratos. Os dois CCAs fornecem a cabeça e o pescoço com sangue oxigenado, e a doença de artéria carótida é das principais causas de acidente vascular cerebral. Portanto, detectar a patologia precoce em CCA é crucial. Este procedimento tem uma duração de cerca de 15 min e pode ser potencialmente aplicado às condições com alterações hemodinâmicas, tais aterosclerose ou acidente vascular cerebral.
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Protocol
O cuidado institucional e comissões de utilização (IACUC) da universidade médica de China aprovaram todos os procedimentos.
1. animal preparação e acompanhamento
- Deixe todos os objetos magneticamente sensíveis tais como carteiras, chaves, cartão de crédito, etc. fora da sala de scanner antes de iniciar a preparação de animais para fazer a varredura de MRI.
- Inicialmente anestesia o rato (rato de Sprague-Dawley (SD) macho 2 meses, 280 – 350 g) em uma caixa de indução usando uma mistura de 5% de isoflurano (ISO) e oxigênio (2 L/min) por 3-5 min, conforme necessário.
- Quando o animal está reclinado e exibe sem resposta com uma pitada de cauda ou dedo do pé, interrompa a administração de ISO e transferir o animal para a sala de digitalização.
- Coloque o rato na cama em posição cabeça MRI e entregar 2-3% ISO através de um dispositivo de cone de nariz para manter a anestesia.
- Monitor de respiração, colocando um sensor respiratória travesseiro sob o tronco do animal.
- Conecte o sensor com um sistema respiratório e verificar se há taxa de respiração entre 40-50 batimentos por minuto (bpm).
- Para aquisição de PC-MRI cine-condomínio fechado, coloque um eléctrodo em cada sobre a pata dianteira direita e o hind esquerdo pata, respectivamente (Figura 1a).
- Torce os cabos do eletrocardiograma (ECG) juntos.
- Use um suporte de cabeça com orelha bares e um bar de mordida para proteger o animal para restringir o movimento da cabeça.
- Use um sistema ou gaze almofadas de aquecimento de ar quente para manter a temperatura corporal enquanto no imã.
- Certifique-se de que a onda R é clara sobre o monitor de ECG (Figura 1b) e colocar o animal no scanner. Não há nenhuma necessidade de colocar a bobina de superfície no topo do pescoço do animal como imagens são adquiridas pela bobina volume.
2. MRI aquisição
- Uso 2 – 3% ISO para manter a anestesia durante todo o procedimento da imagem latente. Controlar continuamente as respostas fisiológicas e manter tão constante quanto possível.
- Começa as ressonâncias, uma vez que o animal é colocado dentro do scanner e continua a ser fisiologicamente estável. Neste estudo, usar um animal pequeno 7 T sistema MRI com uma força de gradiente de 630 mT/m, mas outras forças de campo de sistemas de MRI animais pequenos podem ser usadas.
- Selecione a sequência de "Localizador" no monitor do console do scanner MRI e adquirir imagens sagitais e scout imagens ao longo de todas as três orientações usando qualquer sequência de aquisição de imagem rápida, por exemplo, o eco de spin rápida, criar coronal, axial, . A finalidade destes scout imagens é determinar os aviões da imagem latente.
- Certifique-se de que o centro da cabeça e do pescoço do animal está no centro do ímã. Se necessário, ajuste a posição do animal até atingir a posição correta. Se o animal é reposicionado, repita a digitalização para obter imagens de escoteiro.
- Selecione a sequência de "tempo-de-voo (TOF) angiografia" no monitor do console do scanner MRI e adquirir um angiograma TOF 2D primeiro para determinar a exata localização anatômica do CCA. Use os seguintes parâmetros de digitalização: repetição tempo (TR) / eco tempo (TE) = 22/4,87 ms, aleta ângulo = 90°, campo de visão (FOV) = 40 × 40 mm2, tamanho de matriz = 256 × 256, espessura da fatia 0,6 mm, com o número de excitação (NEX) = 1.
Nota: O nome da sequência de TOF poderia ser vendedor-específicas. O usuário pode inserir esses parâmetros no monitor do console. - Certifique-se que a banda de saturação é "na" e é colocada na parte superior para evitar interferência de sinais venosas.
Nota: Para a banda de saturação, geralmente vem com a sequência TOF. Se a banda de saturação não mostra no monitor, por favor avise a pessoa do serviço. - Depois de localizar o CCA usando o angiograma TOF, o plano de imagem de PC-ressonância para o centro de CCA-alvo e orientar tais que a fatia é perpendicular à direção do fluxo de sangue (Figura 2a).
- Certifique-se que tanto a respiração e o gating ECG são conectados ao sistema de MRI, mostrando o sinal claro sobre o monitor de computador (Figura 1b) e definir o módulo de gatilho para ser "em" no "modo de gatilho" no monitor do console do scanner MRI.
- Confirme que respostas fisiológicas do animal são estáveis antes de iniciar a varredura de MRI-PC a partir do computador de monitoramento (Figura 1b). Verifique se as seleções associadas são "na" em ambos o monitor de computador e o monitor de console do varredor de MRI.
Nota: A fisiologia monitoramento sistema utilizado neste estudo é fornecida pela vender. Para scanners mais animais, os sistemas de monitoramento de Fisiologia semelhantes são fornecido e vender específicos. - Selecione a sequência de sequência de PC-MRI do monitor console do scanner MRI e executar gated PC-ressonâncias usando os seguintes parâmetros: TR/TE=15.55/4.51 ms (mínimo TR e TE), flip ângulo = 30°, FOV = 40 × 40 mm2, tamanho de matriz = 192 × 192, fatia espessura = 2 mm, velocidade de codificação (VENC) = 120 cm/s, com NEX = 8. VENC unidirecional é adquirido na direção através de avião.
Nota: O tempo de verificação é aproximadamente 8,5 min, mas o tempo de verificação real pode ser ligeiramente diferente entre os animais devido à variação em ciclos cardíacos. - Repita as etapas de 2,6 – 2,9 de aquisição de imagem se a região de interesse (ROI) deve ser alterado para outro local no CCA, tais como à bifurcação 4.
- Retire o animal do scanner e devolvê-lo para sua gaiola de recuperação quando a verificação for concluída.
- Aquecer o animal com uma lâmpada de aquecimento para manter a temperatura corporal. Manter a lâmpada pelo menos 15 cm do animal para evitar o superaquecimento.
- Quando o animal começa a se mover e exibe uma resposta a uma pitada de cauda ou dedo do pé, desliga a lâmpada de aquecimento.
3. processamento de dados
- Salve dados de MRI na Digital Imaging and Communications em formato de medicina (DICOM) ou qualquer outro formato de vender de específicos. Gerar cine série com dois tipos de imagens: uma imagem de grandeza (imagem de Anatomia) e uma fase (Figura 2b).
Nota: Em alguns scanners, o terceiro tipo de imagem, que pode ser a imagem de fase magnitude imagem x ou o complexo-diferença (subtração complexa entre as duas aquisições com diferentes gradientes de velocidade-codificação), é gerado. A terceira imagem depende do fornecedor. - Pré-processa os dados de imagem. Secreta a fase da imagem para o mapa de velocidade e corrigir o erro de deslocamento de fase 5.
Nota: A imagem da fase tem uma unidade senhor arbitrária de intensidade de sinal em vez de valores de velocidade verdadeira, mas a intensidade de sinal do senhor é linearmente proporcional à velocidade. O máximo sinal de MRI da imagem de fase é tipicamente atribuído como o valor do VENC... e o mínimo sinal é atribuído o valor oposto de VENC. Consulte o arquivo de código suplementar 1 para obter um exemplo do script Matlab e pressione o botão de "executar". - Delinear o ROI com cuidado ao traçar a fronteira do CCA. Como a artéria pode dilatar-se e construir durante as várias fases cardíacas, delinear ROIs para cada período de tempo. Calcule o fluxo de sangue através da integração sobre a artéria, ROI, ou seja, velocidade × área. O fluxo de sangue resultou de cada artéria foi nas unidades de mL/s. Consulte o arquivo de código complementar 2 para obter um exemplo do script Matlab e pressione o botão de "executar".
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Representative Results
Geometria de fatia correta é crucial para garantir o sucesso do experimento PC-MRI. O posicionamento de avião exata imagem produz uma forma de "round" artéria (Figura 3a), e como angulação aumenta, ou seja, quando é menos perpendicular à artéria, a geometria resultante da artéria torna-se ovoide, levando a maior volume parcial efeitos (Figura 3b). Efeitos de volume parcial severa provocaria a superestimação de sangue fluxo 6,7. Portanto, defendemos que o re-posicionamento de avião a imagem se forma a artéria é ovoide.
Reprodutibilidade intravarredura do curso do tempo as alterações no fluxo de sangue dentro de um ciclo cardíaco de um rato representativo é exibido nas figuras 4. Como pode ser visto, o fluxo sanguíneo atinge o seu máximo durante a fase sistólica e retorna à linha de base durante a fase diastólica para ambas as seções. Figura 5a e 5b mostram uma trama de Bland-Altman e um gráfico de dispersão, respectivamente, entre duas medições de sangue na mesma sessão, demonstrando uma boa correlação entre as medições (R2= 0,7, P < 0,001). Com os parâmetros de digitalização propostos, fluxo sanguíneo atinge medições reproduzíveis, demonstrando excelente reprodutibilidade dos resultados. Esta característica poderia ser benéfica em testes de efeitos farmacológicos em artérias principais 8,9.
Como PC-ressonância magnética é uma abordagem não-invasiva para medir o fluxo sanguíneo, que pode ser vantajoso em protocolos que requerem acompanhamento longitudinal. A Figura 6 exibe o curso do tempo para um ciclo cardíaco num animal digitalizado em meses de idades entre 2 e 4 e mostra que o fluxo de sangue no CCA é significativamente dependente da idade, sugerindo o desenvolvimento rápido em ratos. Estas avaliações quantitativas do fluxo de sangue são essenciais para uma melhor compreensão do sistema circulatório e podem, portanto, tornar-se uma ferramenta potencialmente útil em estudos pré-clínicos de derrame e aterosclerose.
Figura 1 : Monitoramento animal. (um) ECG eletrodos são colocados sobre a pata dianteira direita e o hind esquerdo pata, e o sensor de travesseiro respiratória é colocado sob o tronco do animal. (b) o ECG e sinais respiratórios são claramente visíveis no monitor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Ilustração da posição do PC-ressonâncias e imagens representativas. (uma) fatia de posicionamento sobre a vista sagital e coronal reconstruída a partir o angiograma TOF. A linha azul indica o plano de imagem ao nível do ponto médio do CCA. (b) imagens de Magnitude e fase de um temporal das imagens de um animal representativo cine-série. Setas vermelhas indicam a localização do CCA. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Imagens de grandeza representativa. (um) avião Imaging é perpendicular à artéria e (b) imagem avião é não perpendicular à artéria. A forma da artéria muda de rodada para ovoide, se o avião de imagem não estiver perpendicular à artéria. A área que contém o CCA é amplificada na caixa vermelha. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 : Teste de Intraverificação do fluxo de sangue de um rato representativo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5 : Reprodutibilidade Intraseção de medições de fluxo de sangue CCA. (um) Bland-Altman plot comparando duas medições de fluxo de sangue, adquiridas entre seções. A linha sólida representa a diferença média entre duas medidas, enquanto as linhas tracejadas representam o intervalo de confiança de 95%. (b), Scatter plot das medidas do fluxo de dois sangue. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6 : Varredura longitudinal em um animal de 2 meses e 4 meses de idade apresentando idade-dependente alterações no fluxo sanguíneo em CCA.
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Discussion
PC-ressonância magnética é uma abordagem abrangente para avaliação não invasiva e longitudinal do fluxo de sangue. Apresentamos um protocolo para a realização de PC-MRI do rato CCA. Este procedimento é fácil de executar em qualquer animal varredor de MRI e demonstra boa reprodutibilidade.
A técnica de PC-MRI ganhou crescente popularidade em humano 10,11 , bem como estudos em animais 4,12. Entre esses estudos, resultados de Peng et al 4 é de particular interesse devido à semelhança de sua abordagem, mas a grande diferença no trabalho atual é o uso da resolução espacial de 0,21 mm, em comparação com o de 0,31 mm no referido relatório. A resolução espacial limitada reduz significativamente o tempo de varredura, mas o efeito de volume parcial resultante pode influenciar a quantificação de fluxo, especialmente para pequenos vasos 6,7. Desde que a precisão da medição é na lista de prioridades, uma resolução espacial de 0,21 mm com mais tempo de varredura é sugeridos estudos animais no futuro.
PC-MRI non-bloqueadas está sendo usado como um método alternativo de medição do fluxo de sangue em muitos estudos humanos devido sua consideravelmente menor varredura tempo 6,13,14,15. No entanto, PC-MRI não-bloqueadas não é sugerida em animais utilizados para testes pré-clínicos, como a taxa de coração de ratos pode ser tão alta quanto 400 bpm, levando a rápida alternância entre fases sistólica e diastólica. PC-MRI non-bloqueadas pode perder informações cruciais durante a fase sistólica, resultando em valores de fluxo relativamente mais baixos e maior variações 7; Portanto, só pode ser usada para chegar a estimativas ásperas em animais utilizados para testes pré-clínicos.
Muitos parâmetros de verificação estão ligados a quantificações precisas para dados de PC-MRI e VENC é um deles. Subestimação VENC provoca fase serrilhado 16 , mas um valor mais alto de VENC levará a uma deterioração na qualidade de imagem 17. Usamos um valor VENC de 120 cm/s, que é apropriado para ratos adultos normais do SD. Quando esperam-se mudanças em Tom vascular, tais como diferentes espécies 4, o valor do VENC deve ser otimizado que melhor imagens ou as avaliações podem ser adquiridas.
Deve ser dada especial atenção às etapas importantes do protocolo para obter um resultado confiável. Em primeiro lugar, para evitar circuitos ressonantes e corrupção de frequência ressonante de MRI pelo sinal de ECG, sugere-se a torcer os cabos ECG juntos. Em segundo lugar, a maioria dos scanners de MRI pequenos animais incorpora um circuito de água quente circulante para manter a temperatura do corpo do animal enquanto no imã. No entanto, a água flui introduz ruído e, portanto, interfere com o sinal de ECG. Assim, neste estudo de PC-MRI fechado, nós sugerimos o uso de um sistema ou gaze almofadas em vez de usar o sistema de circulação de água quente para melhorar a qualidade de associada de aquecimento de ar quente.
Note-se que, neste trabalho, apenas uma sequência de PC-MRI 2D foi utilizada para a aquisição de dados. A técnica básica de cine-bloqueadas 2D PC-MRI tem emergido como uma ferramenta promissora para quantificação sangue fluxo devido às vantagens da redução do tempo de varredura e fácil de ser implementado em scanners de padrão. No entanto, dados adquiridos pela técnica de PC-MRI 2D são limitados devido à falta de aquisições volumétricas e aerodinâmica confiável de rastreamento, assim faltando algumas informações importantes, tais como fluxo turbulento. Tempo-resolvido sequências de pulso de PC-MRI 3D com mais técnicas de estado-da-arte como acelerado cine QUE PC-ressonância magnética com sensoriamento compactado e paralelo de imagens 18,19 deve ser implementado no futuro experimentos CCA de rato. Esta melhoria vai permitir a oferta de insights sobre aspectos espaciais da distribuição de velocidade e estruturas de fluxo. No entanto, a animal preparação e acompanhamento de protocolos apresentados neste relatório são ainda aplicáveis nestas técnicas de PC-MRI 4D.
Em conclusão, demonstramos um procedimento simples e fiável que mede o fluxo de sangue no rato CCA usar PC-RM não-invasiva. Outras aplicações deste método de imagem incluem testes de efeitos farmacológicos, fisiopatológico avaliação e avaliação da hemodinâmica cerebral.
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Disclosures
Não há nada para divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado por concessões do Ministério da ciência e tecnologia, Taiwan, sob número de concessão de 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 |
References
- Zakszewski, E., Schmit, B., Kurpad, S., Budde, M. D. Diffusion imaging in the rat cervical spinal cord. J Vis Exp. (98), (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kim, D., et al. Accelerated phase-contrast cine MRI using k-t SPARSE-SENSE. Magn Reson Med. 67 (4), 1054-1064 (2012).
- 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).
