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通过心血管磁共振成像定量小鼠左心室功能、心肌应变及血流动力学力

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DOI：

10.3791/62595

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2021年5月24日

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1Department of Biomedical Engineering & Physics, Amsterdam University Medical Centers, Amsterdam Cardiovascular Sciences, University of Amsterdam, 2BioMedical Engineering and Imaging Institute, Icahn School of Medicine at Mount Sinai, 3MR Solutions Ltd., 4Laboratory for Myology, Department of Human Movement Sciences, Faculty of Behavioral and Movement Sciences, Vrije Universiteit Amsterdam, 5Medis medical imaging systems B.V.

本文内容

摘要

本研究描述了一种全面的小鼠心脏左心室功能参数定量评估的心血管磁共振成像（CMR）方案。该方案涵盖了CMR图像的采集、后处理与分析，以及多种心脏功能参数的评估。

摘要

小鼠模型在理解健康心脏功能相关的遗传和生理因素、扰动如何导致病理变化以及心肌疾病可能的治疗方法方面做出了重要贡献。心血管磁共振成像（CMR）已成为全面评估心脏解剖结构和功能不可或缺的体内工具。本方案展示了利用7特斯拉CMR对小鼠心脏左心室功能、心肌应变及血流动力学力进行详细测量的方法。首先，演示动物的准备及在扫描仪中的定位。进行定位扫描，以规划多个短轴和长轴视角的成像切面。随后，采集一系列前瞻性心电图触发的短轴（SA）动态电影图像（或称CINE图像），覆盖从心尖到心底的心脏区域，捕捉收缩末期和舒张末期相位。接着，在心室中段短轴切面以及两腔、三腔和四腔切面，采集单层、回顾性门控的CINE图像，并利用自主开发的开源软件重建为高时间分辨率的CINE图像。随后使用专用的CMR图像分析软件对CINE图像进行分析。

在短轴（SA）收缩末期和舒张末期电影图像中勾画心内膜和心外膜边界，可计算收缩末期和舒张末期容积、射血分数及心输出量。对所有心动周期时相的中段心室短轴电影图像进行勾画，以提取详细的容积-时间曲线。对其时间导数的分析可用于计算舒张功能，即早期充盈波与心房收缩波的比值。最后，利用特征追踪技术勾画两腔、三腔和四腔观中的左心室心内膜边界，据此计算心肌纵向应变参数及左心室血流动力学力。综上所述，本方案可实现对小鼠心脏参数的详细体内定量，可用于研究多种心脏病小鼠模型中心功能随时间变化的特征。

引言

小动物心血管磁共振（CMR）可对心肌功能进行准确的体内测量，使其成为心血管疾病临床前研究的理想工具。由于CMR图像具有高空间分辨率以及血液与心肌之间的高对比度，因此可以清晰勾画心内膜和心外膜轮廓，并计算心肌质量及心室容积1,2。尽管心率可高达每分钟600次，但通过使用心电图（ECG）和呼吸触发技术，仍可获得高质量的不同心动周期相位图像（也称为电影图像），且无呼吸运动伪影。通过该方法，可采用多个切面覆盖从心尖到心底的整个心脏，从而提取收缩功能参数，如射血分数（EF）、收缩末期容积（ESV）、舒张末期容积（EDV）和心输出量（CO）3。除了基本的收缩功能评估外，近年来还发展了多种CMR技术用于评估舒张功能障碍4、心肌应变5和血流动力学力（HDF）6。

心电门控通过在检测到R波峰值后启动磁共振信号采集，并在R-R间期内记录特定数量的心动周期时相，从而实现与心动周期的同步。然而，以此方式可采集的心动周期时相数量（帧率）取决于系统在保持可接受的信噪比（SNR）和空间分辨率的前提下所能达到的最短重复时间（TR）4。此外，由于使用高磁场梯度可能暂时扭曲心电信号，采集通常在舒张末期之前停止。这两个因素限制了此类扫描仅适用于收缩功能的评估，因为其他心脏功能参数的计算需要更精确的左心室（LV）容积-时间曲线定义。

通过回顾性门控技术可获取高帧率电影（CINE）图像，该方法在扫描过程中持续采集磁共振信号，并在射频（RF）激发后利用集成的导航回波检测心脏和呼吸运动。由于心脏磁共振（CMR）采集与心脏运动不同步，所采集的磁共振信号随后可被分配至回顾性选定数量的心动周期帧中。因此，若采集了足够的数据，即可重建高帧率CINE图像4,7。这使得能够评估舒张功能，其指标表现为早期充盈峰值速率（E'）与心房收缩引起的晚期充盈峰值速率（A'）之间的比值。

在临床研究中，可使用心脏磁共振特征追踪（CMR feature-tracking）技术分析电影（CINE）图像，以评估心肌应变和 HDF6,8。心肌应变是一种心肌形变参数，用于测量心肌节段初始长度（通常为舒张末期长度）与最大长度（通常为收缩末期长度）之间的百分比差异9。心肌应变测量值在评估左心室（LV）功能方面具有附加价值，因为应变值能够量化心肌壁的缩短和增厚程度。缩短功能的降低可能提示心内膜下纤维受损10。心肌应变的改变可能独立于射血分数（EF）发生，并可能预示潜在并发症的早期迹象。

具体而言，全局纵向应变（GLS）和全局周向应变（GCS）在表征心脏病方面已被证明具有额外的临床价值10,11,12。类似地，血流动力学力（HDF）也被认为可能是反映心脏功能改变的一个潜在新参数6,13。这些HDF或心室间压力梯度（IVPG）驱动心脏射血和充盈期间的血流运动，并受到血液与心肌之间动量交换的影响，包括主动脉瓣和二尖瓣的作用14,15。

本研究描述了一种全面的实验方案，用于开展可靠的小动物心脏磁共振（CMR）测量，以定量评估小鼠心脏的左心室（LV）功能、心肌应变以及舒张功能指标（HDF）。该方案包括动物准备、采用前瞻性及回顾性门控心脏电影（CINE）图像进行数据采集的必要步骤，以及使用专用软件进行分析，以计算心脏的容积参数、E'/A' 比值、心肌应变和舒张功能指标（HDF）。该方案可用于多种心血管疾病小鼠模型中左心室功能的系统性评估。

方案

所述动物实验遵循欧盟关于实验动物福利的指南（指令 2010/63/EU），并已获得学术医学中心动物伦理委员会的批准。

1. 实验设置与动物准备

  1. 实验开始前，确保异氟烷麻醉剂充足，至少可维持 2 小时，并确认用于心电图和呼吸监测的电池已充分充电。确保扫描区域配备有效的排风管，以清除过量的异氟烷。
  2. 准备好小鼠固定架（图 1A），开启动物加热系统并将温度设定为 40 °C。准备好心电图/呼吸接口模块及电池装置（图 1B），并启动用于实时监测心电图和呼吸信号的软件（图 1C）。
  3. 从小鼠饲养笼中取出动物，并测量其体重。
  4. 将小鼠置于通风橱下的麻醉诱导室中，通入由 0.2 L/min 氧气（O2）和 0.2 L/min 医用空气组成的混合气体，其中异氟烷浓度为 3–4%。待动物完全麻醉后，每只眼睛滴加少量眼膏，并闭合小鼠眼睑。
  5. 将小鼠仰卧位放置于固定架上。将小鼠门齿钩入固定架上的咬合杆，并调整鼻罩使其贴合（图 1A）。观察呼吸频率是否稳定在 100 次/分钟以下，并在动物准备过程中将异氟烷浓度降至约 2%。
  6. 移动小鼠固定架，使心脏位于固定架托盘中最终将处于射频线圈中心及磁体等中心的位置。
  7. 使用凡士林将直肠温度探针插入，并用胶带将温度探针的光纤电缆固定在小鼠固定架上。
  8. 将呼吸气囊放置于小鼠下腹部并用胶带固定。在胸部前肢水平位置皮下插入两个心电图电极针，并轻轻用胶带固定以防止移动（图 1A）。
  9. 检查呼吸和心电图信号质量是否足够良好，以及软件是否能正确识别触发点（图 1C）。
    1. 确保呼吸频率为 50–80 次/分钟，心率约为 400–600 次/分钟，体温维持在约 37 °C。若呼吸频率超出此范围，应调整异氟烷给药量；若体温有超过 37 °C 的趋势，应降低动物加热系统的温度设定。
  10. 将射频线圈置于小鼠上方。
    注意：根据系统不同，此步骤可能需要暂时断开心电图电极和呼吸气囊与心电图/呼吸接口模块之间的连接。
  11. 连接线圈电缆，并将固定架推入磁体孔内。检查心电图信号是否仍然稳定。
    1. 若心电图信号不理想，应重新调整电极位置以获得更佳信号，因为后续阶段若不显著改变动物体位则无法再进行调整。

用于小鼠MRI的临床前设置，包含ECG监测；包括加热底座、麻醉面罩和ECG导联。
图1：小鼠心脏CMR成像的动物准备与设备设置。（A）仰卧位的完全麻醉小鼠，置于加热的小鼠底座中，腹部放置呼吸气动垫，插入直肠光纤温度传感器，并在胸部靠近前肢处连接皮下ECG导联。（B）将小鼠体线圈覆盖在小鼠底座上方，在将支架置入MRI磁体前，重新连接ECG导联和呼吸垫至ECG及呼吸接口。（C）专用小动物监测软件中显示的ECG与呼吸信号。ECG信号的R波峰值被检测并用作MRI信号采集的起始点。可根据心跳周期手动调整R波峰值之间的空白期。触发仅可在呼吸平台期（中图中的绿线）发生，其起始延迟和最大宽度可手动调节。缩写：CMR = 心血管磁共振成像；ECG = 心电图；MRI = 磁共振成像。 请点击此处查看该图的放大版本。

2. MRI 扫描校准与触发

  1. 在信号监测软件中调整心电图（ECG）和呼吸门控参数，使触发点在R波峰值处产生，并仅在呼吸信号的平稳阶段触发。为尽量减少心电图门控误差，设置的空白期应比R-R间期短10–15 ms。
    注意：若实验过程中心率发生变化，应全程相应调整该空白期。
  2. 执行中心频率校准，并进行一次零偏移的标准（非门控）SCOUT扫描，以确定小鼠在扫描仪中冠状面、轴向面和矢状面方向的位置。如果心脏未位于视野（FOV）中心0.5–1 cm范围内，应相应调整托架位置，并重新进行SCOUT扫描。
  3. 使用厂商提供的方法进行手动匀场和射频（RF）校准。

3. 扫描规划与采集

注意：以下扫描的详细扫描参数见表1。

  1. 根据初始的 SCOUT，执行一次门控单帧梯度回波（GRE）定位扫描（表1，扫描1）在3个正交方向上获取5层切片，并将每组切片堆叠定位至心脏的大致位置，以确定心脏的精确位置（图2A).
  2. 进行门控单帧多层短轴定位扫描（表1，扫描2）。为此，利用先前的GRE定位像，在左心室中部位置放置4-5个切片，切片方向垂直于心脏长轴，以初步确定心室中部短轴观（SA view），该切面用于规划长轴二腔心定位像的扫描图2B).
  3. 对于以下前瞻性扫描（步骤 3.4–3.6），调整心脏时相帧数（Nframes），使 Nframes × TR 约为 R-R 间期的 60–70%。
    注意：采集 R-R 间期的 60–70% 已足以捕捉心动周期的心室舒张末期，同时可在舒张末期提供额外的 T1 弛豫时间以提高信噪比，并避免梯度切换对后续 R 波峰值的干扰。
  4. 进行门控单层GRE扫描以获取长轴两腔心（2CH）定位像，该图像需结合短轴（SA）扫描，用于规划四腔心（4CH）扫描表1，扫描3）。为此，将一个切面垂直于先前的短轴视图，并平行于左右心室的连接点。将该切面移至左心室中部，并在GRE定位像的冠状位图像中检查该切面是否与左心室长轴对齐，确保其穿过心尖部。图2C).
  5. 执行另一次门控单层GRE扫描，以获取四腔心（4CH）定位像，该图像用于规划多层短轴（SA）扫描和三腔心扫描表1，扫描4）。为此，将切面垂直于两腔心定位扫描，并与长轴中心对齐，使切面穿过二尖瓣和心尖。在短轴视图中，调整切面位置，使其与左心室前后壁平行，并位于两个乳头肌之间。图 2D）。检查切片在整个心动周期中是否始终保持在心室的中心位置。
  6. 执行门控顺序多层SA GRE扫描（表1，扫描5）以测量收缩功能。为此，在心脏中心处的2CH和4CH视图中，将一个中室层面垂直于左心室长轴放置，并增加切片数量（通常为奇数， 例如， 7 或 9 层切片，切片间无间隙，以覆盖从心底部到心尖的整个心脏（图 2E).
  7. 对于以下回顾性门控扫描（步骤 3.8–3.9），关闭所有前瞻性心脏和呼吸门控功能。在每次回顾性门控扫描前后记录心率和呼吸频率，并在后续重建时使用这些数值（步骤 5.2.2）。
  8. 在心室中段短轴观（用于定量 E'/A' 比值）、两腔心观（2CH）和四腔心观（4CH）上，依次进行三次单层、回顾性门控的梯度回波（GRE）扫描，其中后两者对于心肌应变和 HDF 值的定量是必需的表1如有需要，可根据多层面短轴视图以及可用的两腔心和四腔心定位扫描，优化最终的两腔心和四腔心切面方向。
  9. 在3腔心（3CH）切面进行一次额外的回顾性门控单层GRE扫描，该切面与步骤3.8中获得的2腔心（2CH）和4腔心（4CH）切面相结合，用于心肌应变和HDF值的定量分析。表1，扫描9）。为此，将切面置于与中室短轴（SA）视图垂直的位置，类似于最终的长轴四腔（4CH）视图的切面位置，并旋转该切面 45° 从前壁延伸至最靠近后壁的乳头肌。检查基底部短轴切面，观察切面是否穿过二尖瓣和主动脉瓣。在最终的长轴四腔心视图中检查切面是否通过心尖。图2F).

MRI心脏扫描方位；轴向、冠状、矢状定位图像；示意图；心脏病学成像。
图2：小鼠心脏磁共振成像的切片规划。（A）利用初始定位扫描，通过三个正交平面（GRE SCOUT）进行心脏扫描切片规划。（B）基于GRE SCOUT冠状面和矢状面图像，进行短轴定位切片规划。（C）利用短轴定位图像和GRE SCOUT冠状面切片，规划2腔心（2CH）定位视图。（D）利用短轴定位图像和2CH定位图像，规划4腔心（4CH）定位视图。（E）利用2CH和4CH定位图像，规划多层短轴切面视图。（F）（左）利用心室中段短轴及2CH/4CH定位图像，规划最终的2CH、3CH和4CH视图。缩写：CMR = 心血管磁共振成像；GRE = 梯度回波；CH = 心腔。请点击此处查看此图的高清版本。

扫描编号123456-9
扫描名称GRE scoutmulti-slice SA scout2CH scout4CH scoutmulti-slice SA  SA, 2CH, 4CH, 3CH 
总层数15 (3 x 5)*4-5117-91
层厚 (mm)111111
视野 (FOV, mm)603530303530
视野比例 (FOV Ratio)111111
翻转角402020202015
回波时间 (TE, ms)**3.83.42.52.52.53.6
重复时间 (TR, ms)2001 R-R7778
帧数 (Nframes)1112-14 12-1412-1432 ***
矩阵大小192 x 192192 x 192192 x 192192 x 192192 x 192192 x 192
心电触发无是是是是回顾性
呼吸触发是是是是是回顾性
平均次数13555回顾性 ****
总成像时间（估算 *****）2 分钟2分钟 3-4 分钟3-4 分钟20-25 分钟13 分钟 / 次扫描

表1：心血管磁共振成像（CMR）方案中各序列的采集参数。 * 扫描在三个不同的正交方向（轴向、冠状、矢状）上进行。 ** 给定所有其他参数的情况下，所能达到的最短回波时间（TE），具体数值取决于特定扫描仪的配置。 *** 此为回顾性门控后获得的心动周期帧数。 **** 有效平均次数取决于整个采集时间内k空间的随机填充情况。总共进行了400次全k线重复采集。 ***** 包括心电图/呼吸触发延迟。缩写：CMR = 心血管磁共振成像；ECG = 心电图；GRE = 梯度回波；FOV = 视野；TE = 回波时间；TR = 重复时间；Nframes = 心动周期帧数；SA = 短轴；CH = 心腔。 请点击此处下载该表格。

4. 实验的最终完成与数据存储

  1. 拆除所有其他测量设备后，将小鼠从支架中取出，并关闭麻醉装置。对于纵向实验，将小鼠置于预热至37 °C的饲养笼中恢复，直至动物清醒并恢复活动能力。
  2. 使用清洁湿巾或70%酒精清洁所有已使用的设备。
  3. 为前瞻性门控MRI数据生成医学数字成像与通信（DICOM）文件，并将这些文件连同回顾性门控扫描的MRI原始数据文件一起复制到安全服务器，用于后续数据分析。

5. 回顾性采集扫描数据的离线重建

注意：对于回顾性门控扫描的重建，使用了一款自主开发的开源软件（图3）。请对每个回顾性触发的数据分别执行以下步骤。

  1. 打开重建软件 Retrospective，并加载与回顾性门控 MRI 扫描相对应的原始数据文件。
  2. 检查 Raw navigator 信号，并注意较高信号峰代表呼吸频率，较低信号峰代表心率。
    1. 如果信号峰显示为倒置，请使用 up/down 开关翻转信号。
    2. 此外，检查自动检测的心率是否与每次扫描期间观察值的 10% 相符；若不符，则需手动调整这些数值，因为自动检测已失败。
    3. 选择适当的数据窗宽百分比以排除呼吸运动期间的数据，通常为 30%。
  3. 点击 Filter 执行导航信号分析，并将心脏导航信号与呼吸导航信号分离。
  4. 设置 CINE 帧数量为 32（本研究采用的数值），然后点击 sort k-space。
  5. 选择合适的压缩感知（CS）正则化参数设置，然后点击 reconstruct。使用以下典型正则化参数：空间维度（x、y 和 z）的小波正则化参数（WVxyz）0.001 或 0；CINE 维度的全变差约束（TVcine）0.1；空间维度的全变差约束（TVxyz）0；动态维度的全变差约束（TVdyn）0.05。
  6. 重建完成后，预览 CINE 动画以评估重建效果。使用 Export DCM 导出 DICOM 图像以进行进一步分析。

心脏MRI分析软件；显示心率/呼吸率曲线图、导航信号谱、图像重建。
图3：回顾性触发图形用户界面。 “回顾性”是一款为回顾性触发心脏磁共振成像扫描定制开发的重建应用程序。在该用户界面中，可对导航信号进行评估，调整需重建的电影（CINE）帧数，调节压缩感知参数以优化重建效果，预览作为动态电影的CINE图像，并导出重建后的数据。请点击此处查看此图的放大版本。

6. 图像分析软件

注意：图像分析软件（图4）需要使用 DICOM 图像，并具有多种用于不同心血管分析应用的插件，例如用于容积测量的插件以及用于应变和 HDF 分析的插件。

  1. 进行左心室（LV）容积评估时，选择多层短轴（SA）扫描图像，并将其加载到容积测量插件中。
    1. 将收缩末期（ES）和舒张末期（ED）标签分别分配给相应的心动周期帧。
    2. 使用轮廓工具在ES和ED帧中分割心内膜边界。
      注：本方案所用的分析软件在完成所有必要标注后，会自动显示左心室射血分数（LV EF）、舒张末期容积（EDV）和收缩末期容积（ESV）等参数。
  2. 进行舒张功能测量时，选择心室中部短轴CINE图像，并将其加载到容积测量插件中。
    1. 将ED和ES标签分别分配给相应的心动周期帧。
    2. 使用轮廓工具对所有心动周期帧的心内膜边界进行分割。比较相邻帧的分割结果，确保在整个心动周期中分割过渡平滑。
    3. 导出所有心动周期帧对应的时间演变数据及左心室心内膜容积（LV ENDO）。应用自定义脚本（参见补充材料）计算E'/A'比值。
      注：该脚本采用Savitzky-Golay滤波器稳健地计算dV/dt曲线，并通过半自动峰值检测确定E'和A'峰值。
  3. 进行应变和心肌形变分数（HDF）计算时，选择两腔心（2CH）、三腔心（3CH）和四腔心（4CH）长轴CINE图像，并将其加载到容积测量插件中。
    1. 在每种切面方向中，将ED和ES标签分别分配给相应的心动周期帧。
    2. 使用轮廓工具对所有3个方向的全部心动周期帧的心内膜边界进行分割。比较相邻帧的分割结果，确保在整个心动周期中分割过渡平滑。
    3. 在容积测量插件中完成轮廓绘制后，运行应变与HDF分析插件。
    4. 将获取的各数据集分别分配至2CH、3CH和4CH视图对应的标签，并执行应变分析。
    5. 进行HDF分析时，在所有3个方向的舒张末期帧中绘制二尖瓣直径，并在三腔心长轴图像中绘制主动脉直径。

心脏 MRI 分析；心内膜壁分割；心脏时相图表；分割工具
图 4：图像分析软件的图形用户界面。 图像分析软件中用于体积测量的插件，用于心内膜边界的勾画。对于每套数据集，选择舒张末期和收缩末期的心脏时相，并对所有帧的心内膜边界进行分割。请点击此处查看该图的放大版本。

结果

采用先前描述的方案，对一组健康的C57BL/6野生型小鼠（n = 6，年龄14周）使用7特斯拉磁共振成像仪和直径为38 mm的鸟笼线圈进行扫描。在每次扫描过程中，多层面CINE短轴图像采用前瞻性门控GRE序列获取，而单层面心室中段短轴、两腔心、三腔心和四腔心视图的CINE图像则采用回顾性门控获取。使用自主开发的后处理软件对回顾性门控扫描进行高帧率重建，代表性结果见补充视频1。根据所得图像，绘制出心动周期中的容积-时间曲线（图5A），并计算相应的容积变化率曲线（dV/dt），用于评估收缩功能参数（射血分数EF = 72.4 ± 2.8%）和舒张功能参数（E'/A'比值 = 1.5 ± 0.3）。

采用图像分析软件分析2CH、3CH和4CH切面的CINE图像，以确定心动周期中内膜整体纵向应变（endoGLS）的变化（图5B），并获得相应的峰值GLS值（-22.8 ± 2.4%），作为心肌应变的评估指标。此外，该软件还可计算纵向（心尖-基底部方向）（135.2 ± 31.7%）和横向（下外侧-前间隔方向）（12.9 ± 5.0%）方向的均方根心肌形变梯度（RMS HDF）。对于每只动物，还可生成HDF随时间变化的曲线图，其呈现出一致的正负峰值模式，反映心动周期中HDF的大小和方向（图5C）。所有结局参数的描述性结果汇总于图5D。

收缩期/舒张期功能图表；左心室容积、心肌应变、血流动力学力；心脏分析。
图 5：基于小鼠心脏的左心室功能参数定量分析。（A）典型的容积-时间曲线及其对应的 dV/dt 曲线。后者显示血流速度，具有明显的早期充盈峰（E'）和心房收缩峰（A'）。（B）典型的全局纵向应变（GLS）曲线，表示在整个心动周期中纵向方向的应变变形。（C）典型的血流动力学力（HDF）曲线，在心尖-基底方向上显示出明显的力峰值，包括收缩射血力，随后在收缩期与舒张期过渡阶段出现向下的力、E波减速力、A波加速力及减速力。（D）所有动物的射血分数（EF）、E'/A' 比值、峰值 GLS 以及心尖-基底方向和下外侧-前间隔方向 HDF 均方根值的描述性结果。数据以均值 ± 标准差表示。缩写：LV = 左心室；V = 容积；t = 时间；GLS = 全局纵向应变；HDF = 血流动力学力；EF = 射血分数。请点击此处查看该图的放大版本。

补充视频 1：短轴（SA）、两腔心（2CH）、三腔心（3CH）和四腔心（4CH）视图的心电图回顾性门控电影图像的代表性重建。 缩写：SA = 短轴；CH = 腔室。请点击此处下载该视频。

补充材料： 请点击此处下载此文件。

讨论

本方案描述了使用心脏磁共振（CMR）成像进行纵向、无创、活体（in vivo）小鼠心脏功能分析的实验方法。这些结果来自健康动物，用于展示利用CINE图像量化心脏参数的可行性。然而，所述方法也可应用于多种动物模型。尽管特定疾病模型可能需要对方案进行微小调整，但其用于评估不同心脏功能参数的基本结构将非常相似。一个值得特别提及的情况是心肌梗死模型，其中心脏部分区域的收缩能力显著丧失，可能导致该层面心脏导航信号质量下降。在此情况下，可选择从另一个独立层面获取导航信号，如Coolen等人的先前研究中所述16。不同视角的CINE图像通过回顾性门控数据并采用压缩感知（CS）算法重建，并利用图像分析软件进行分析，以计算应变和HDF值。

所获取图像的质量自然取决于所有制备步骤，在开始心脏磁共振成像（MRI）方案之前，这些步骤必须仔细完成。例如，当将动物放入MRI扫描仪时，若无法观察到清晰的心电图（ECG）和呼吸信号，则很可能导致图像采集质量欠佳，甚至由于磁流体动力学失真的叠加效应而延长扫描时间17。需要注意的是，由于切面方向是依次规划的，因此在扫描过程中不能随意重新调整动物位置。因此，无法在扫描之间重新调整ECG导联，因为这会改变小鼠在扫描仪中的位置。在扫描过程中，温度控制对于维持稳定的心率和呼吸频率至关重要，这对于需要较长时间采集的回顾性门控扫描尤其有益。在高占空比扫描期间，动物体温可能持续上升，导致心率和呼吸频率升高。在扫描前或扫描过程中调节加热系统温度和麻醉水平，可显著有助于稳定呼吸频率。

分析过程中的一个关键步骤是轮廓绘制的一致性。尽管自动分割在临床数据中表现良好，但在小鼠心脏数据中（大鼠未测试）其性能不够稳健。由于高心率以及特定心脏时相（尤其是左心室充盈初期）的高血流速度，可能导致体素内信号去相位和信号缺失，从而影响心肌壁边界的清晰显示。因此，不建议对每一帧图像独立进行分析，而应目视观察心肌壁在各帧之间的运动情况，并在所有帧的轮廓绘制中考虑这一运动连续性。建议在相邻两帧之间复制并调整心内膜轮廓，以在分析中保持更自然的收缩运动。在本方案中，短轴（SA）图像用于评估收缩和舒张功能时，将乳头肌从心室腔容积中排除；而在两腔心（2CH）、三腔心（3CH）和四腔心（4CH）图像中进行应变和HDF分析时则包含乳头肌，因为后者依赖于对心肌壁精确运动的了解，而非心室腔容积的精确测量。

虽然收缩期和舒张期功能参数是基于整个心动周期中左心室容积的测量，但应变和心脏形变功能（HDF）参数还依赖于心肌壁内的运动模式。为此，采用特征追踪技术，通过识别连续电影相位之间不同的解剖特征和信号强度，来评估心肌节段的位移。心脏磁共振（CMR）图像中血池与心肌之间具有明显的对比度，这有利于应用特征追踪技术进行后续的应变和HDF分析8。在CMR特征追踪技术出现之前，心肌应变主要通过斑点追踪超声心动图和CMR组织标记技术来测定。与CMR组织标记相比，CMR特征追踪无需额外的扫描时间。然而，尽管采用了回顾性触发技术，CMR的时间分辨率仍然有限，这可能使其难以准确评估心动周期中快速发生的形变过程。

在整个心动周期中评估心形变形分数（HDF）需要测量二尖瓣和主动脉瓣的直径，以利用先前描述的公式18计算心尖-基底方向和下外侧-前间隔方向的HDF。该方法与作为参考标准的4D-flow MRI相比，对HDF的估算结果具有一致性，但由于4D-flow MRI操作复杂，在临床应用中可用性有限6。需要注意的是，瓣膜直径的可靠估算较为困难，因此在一组动物实验中以及纵向研究的重复测量中，应保持瓣膜直径恒定，因为该参数若因估算错误而产生变化，可能轻易掩盖HDF参数中的细微改变。用于计算整体纵向应变（GLS）和HDF参数的特定软件可能并非所有用户均可获取。因此，可参考Voigt等人的研究19 （GLS）以及Pedrizzetti等人的研究6,20（HDF），其中包含了分析软件所采用的各项计算方法的全部数学描述。

本研究中，该方案在健康动物（N = 6）中进行了评估。图5A-C展示了左心室容积、dV/dt、心内膜全局纵向应变（endoGLS）和心形舒张功能（HDF）的代表性时间曲线。多个心脏功能参数的平均值（射血分数EF、E'/A'比值、峰值GLS和HDF）如图5D所示。这些结果与文献中报道的类似方案结果高度一致21。目前关于小鼠GLS和HDF数据的文献较为有限。本研究测得平均GLS值为-22.8%，与临床数据范围相近8，表明采用所述方法在小鼠中获取GLS测量值是可行的。在小鼠中获得的HDF曲线也呈现出与人类数据相似的明确分期，证明该技术成功转化应用于临床前研究。尽管HDF参数被认为可能作为心脏功能障碍的早期生物标志物，但仍需进一步研究以评估这一新参数的诊断和预测价值。本方案的结果表明，HDF和GLS的检测结果在不同动物间可能存在较大变异性，因此在预期动物模型或治疗效应存在细微差异时，需充分考虑这一因素。

披露

Ruslan Garipov 是位于英国吉尔福德的 MR Solutions Ltd. 公司的员工。David Hautemann 是位于荷兰莱顿的 Medis medical imaging systems B.V. 公司的员工。

致谢

作者感谢 Dorita Dekkers 和 Fatimah Al Darwish 在小鼠测量和数据分析方面提供的帮助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
<强>仪器设备
AccuSens 单通道和多通道信号调理器Opsens solutions inc.，加拿大 ACS-P4-N-62SC与光纤温度传感器配合使用，用于监测体温
杜拉泰眼膏Alcon Nederland B.V.，荷兰
小鼠细胞É设备 Vété里内尔，法国称为小鼠固定架
磁共振兼容监测 &用于小型动物的门控系统SA Intuments, Inc.，美国Model 1030ERT 模块（心电/呼吸接口模块）、ERT 控制/门控模块、电池组和皮下心电电极套装
MRI 扫描仪MR Solutions Ltd.，英国型号：MRS-7024  7.0T/24 cm 前临床磁共振成像系统
多站温度控制单元和高流量PCAÉ设备 Vété法国里内尔-米涅尔夫模型：URT Multipostes动物加热系统
呼吸传感器英国格拉斯比医疗有限公司Ref 2005100
射频线圈MR Solutions Ltd.，英国MRS-MVC用于小鼠体部研究的38毫米小鼠容积射频线圈
SF 流量计流量计，意大利SF 3
Vaporizer sigma delta IntermedPenlon有限公司，英国
<强>材料
异氟烷AST farma，荷兰
凡士林石油冻联合利华，英国
<强>软件
BART 工具箱https://mrirecon.github.io/bart/
Mathematica 12.0美国沃尔弗拉姆研究公司
MATLAB 2019a美国 MathWorks, Inc.
MEDIS Suite MRMedis Medical Imaging Systems B.V.，荷兰图像分析软件
PC-SAMSA Intuments, Inc.，美国
临床前扫描MR Solutions Ltd.，英国扫描软件
回顾性版本 7.0荷兰阿姆斯特丹大学医学中心重建软件：https://github.com/Moby1971?tab=repositories

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