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Kardiale Magnetresonanztomographie

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Cardiac Magnetic Resonance Imaging

6.2: SEM Imaging of Biological Samples

6.9: Near-infrared Fluorescence Imaging of Abdominal Aortic Aneurysms

14,696 Views

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11:37 min

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April 30, 2023

Overview

Quelle: Frederick W. Damen und Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

In diesem Video wird gezeigt, dass hochfeldige, kleinbohrige Magnetresonanztomographie (MRT) mit physiologischer Überwachung gated cine Loops des murinen Herz-Kreislauf-Systems erfasst. Dieses Verfahren bietet eine Grundlage für die Beurteilung der linksventrikulären Funktion, die Visualisierung von Gefäßnetzwerken und die Quantifizierung der Bewegung von Organen durch Atmung. Vergleichbare kardiovaskuläre Bildgebungsmodalitäten für Kleintiere umfassen Hochfrequenz-Ultraschall und Mikrocomputertomographie (CT); Jede Modalität ist jedoch mit Kompromissen verbunden, die in Betracht gezogen werden sollten. Während Ultraschall eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung bietet, sind bildgebende Artefakte häufig. Beispielsweise kann dichtes Gewebe (d. h. das Brustbein und die Rippen) die Bildtiefe der Bilddaten einschränken, und hyperechoisches Signal an der Schnittstelle zwischen Gas und Flüssigkeit (d. h. Pleura, die die Lunge umgibt) kann den Kontrast im nahegelegenen Gewebe verwischen. Micro-CT dagegen leidet nicht unter so vielen in-ebenen Artefakten, aber hat eine geringere zeitliche Auflösung und einen begrenzten Weichgewebekontrast. Darüber hinaus verwendet micro-CT Röntgenstrahlung und erfordert häufig die Verwendung von Kontrastmitteln, um die Vaskulatur zu visualisieren, von denen beide bekanntermaßen Nebenwirkungen bei hohen Dosen verursachen, einschließlich Strahlenschäden und Nierenverletzungen. Herz-Kreislauf-MRT bietet einen netten Kompromiss zwischen diesen Techniken, indem die Notwendigkeit von ionisierender Strahlung negiert und dem Benutzer die Möglichkeit gegeben wird, ohne Kontrastmittel abzubilden (obwohl Kontrastmittel häufig für MRT verwendet werden).

Diese Daten wurden mit einer auslösenden Fast Low Angle SHot (FLASH) MRT-Sequenz erfasst, die von den R-Spitzen im Herzzyklus und expiratorischen Plateaus in der Atmung abgegrenzt wurde. Diese physiologischen Ereignisse wurden durch subkutane Elektroden und ein druckempfindliches Kissen überwacht, das gegen den Bauch gesichert war. Um sicherzustellen, dass die Maus richtig erwärmt wurde, wurde eine rektale Temperatursonde eingesetzt, mit der der Ausgang eines MRT-sicheren Heizlüfters gesteuert wurde. Sobald das Tier in die Bohrung des MRT-Scanners eingeführt wurde und Navigationssequenzen ausgeführt wurden, um die Positionierung zu bestätigen, wurden die abgesperrten FLASH-Bildebenen vorgeschrieben und Daten erfasst. Insgesamt ist die High-Field-MRT ein leistungsfähiges Forschungswerkzeug, das Weichteilkontrast für die Untersuchung von Modellen für kleine Tierseuchen liefern kann.

Principles

Magnetresonanztomographie ist eine Technik, die die paramagnetischen Eigenschaften des Gewebes nutzt, um Weichteilkontrast eisbildt zu visualisieren. Die Bohrung einer MRT-Maschine wird konventionell mit einer Magnetspule umwickelt, die bei Anwendung eines elektrischen Stroms ein konstantes homogenes Magnetfeld (B₀₎liefert. In der vorgestellten Hochfeld-Murine-Bildgebung wird eine 7 Tesla (T) magnetische Feldstärke verwendet, die etwa 140.000 Mal so hoch ist wie das Erdmagnetfeld und mehr als das Doppelte der üblichen klinischen 3T- und 1,5T-Scannerfeldstärken. Dieses homogene Magnetfeld bewirkt, dass die Wasserstoffprotonen, die fast allen lebenden Geweben inhärent sind, ihre Rotationsachsen ausrichten. Diese Spins können dann mit Hochfrequenzwellen (RF) in einem bestimmten Winkel relativ zur Drehachse (d. h. dem Drehwinkel) “gekippt” werden. Während die Protonen dann versuchen, sich wieder in ihre ursprüngliche Ausrichtung zu entspannen, induziert die Komponente ihrer Drehung senkrecht zu ihrer Hauptachse ein nachweisbares elektrisches Signal.

Darüber hinaus können magnetische Gradienten angewendet werden, die das Hauptmagnetfeld stören und räumlich isolierte HF-Erregungen ermöglichen, um das empfangene Signal zu lokalisieren. Spezifisch für die hier beschriebenen Methoden verwendet die FLASH-Sequenz repetitive Niedrigwinkelanregungen, um ein stationäres Muster in der Protonenbewegung zu induzieren. Dieses Paradigma ermöglicht es, Gewebe, die von Natur aus dynamisch sind, wie z. B. im Herz-Kreislauf-System, schnell abzubilden und relativ stabile Momentaufnahmen innerhalb des Herzzyklus zu erzielen. Durch das Auslösen der FLASH-Sequenz mit physiologischen Signalen können Bilder des Herz-Kreislauf-Systems erfasst werden, die sowohl die Herz-, Gefäß- als auch die Atembewegung hervorheben.

Procedure

1. Tierzubereitung

Identifizieren Sie die Maus, die in ihrem Käfig abgebildet werden soll, und übertragen Sie sie in die Anästhesie-Induktionskammer.
Anästhetisieren Sie die Maus mit Isofluran und bestätigen Knockdown mit einer Zehen-Pinch-Technik. Nehmen Sie die Pfote zwischen Daumen und Zeigefinger und kneifen Sie fest, um nach einer Antwort zu suchen. Wenn das Tier seinen Fuß zurückzieht, sollten Sie entweder warten oder mit Anästhesie nach dem genehmigten Protokoll erneut dosieren.
Überprüfen Sie, ob alle Mitarbeiter, die die Bildgebungseinrichtung betreten, MR-sicher sind. Dazu gehören das Entfernen von magnetischer Kleidung/Zubehör, die Bestätigung von magnetisch-implantaten oder Herzschrittmachern und das Entfernen von Metall, das Piercings enthält.
Offener Isofluran-Fluss zum Nosecon im MRT-Raum. Dadurch können die längeren Schläuche vor dem Maustransfer mit Anästhetikum grundiert werden, um sicherzustellen, dass das Tier nicht aufwacht.
Schließen Sie den Isofluranfluss zur Anästhesie-Induktionskammer und übertragen Sie die Maus in die Bildaufnahme. Platzieren Sie die Maus auf der Bühne so, dass die ungefähre Position des Herzens mit der Mitte des Magneten ausgerichtet ist.
Sichern Sie den Nasenkegel und bestätigen Sie den Knockdown mit der Zehen-Pinch-Technik.
Fügen Sie die drei Elektrokardiogramm-Leitungen subkutan mit einer Leitung nach links und rechts des Herzens und eine an der Basis der linken Hinterglied.
Setzen Sie die rektale Temperatursonde mit einem sterilen Sondenmantel und Schmiermittel ein.
Stellen Sie den Kissen-Atmungssensor auf den epigastrischen Bereich des Bauches und sichern Sie ihn mit einem Pappteller an Ort und Stelle. Der Karton sorgt für ein druckempfindliches Signal.
Bestätigen Sie, dass alle physiologischen Signale über die Überwachungssoftware außerhalb des Scannerraums erfasst werden. Wenn eine Herzfrequenz, Atemfrequenz oder Temperatur außerhalb des normalen Bereichs festgestellt wird, halten Sie die Bildgebung an und beurteilen Sie, ob das Tier entsprechend anästhesiert ist. Wenn festgestellt wird, dass sich das Tier in Not befindet, sollte die Anästhesieanwendung eingestellt und das Tier zur Genesung in den Käfig zurückgebracht werden.
Richten Sie das Heizmodul und den Lüfter ein und beginnen Sie mit der Erwärmung des Luftstroms zum Tier. Sichern Sie alle Luftschläuche an Ort und Stelle, so dass die warme Luft in Richtung der Maus bläst, die kurz hinter der Spitze des Schwanzes beginnt.
Legen Sie die Gradientenspule über das Tier und stellen Sie sicher, dass alle Kabel/Schläuche gesichert sind.

2. Herzmagnetresonanztomographie – Dieser Abschnitt kann für andere Anwendungen angepasst werden.

Optimieren und passen Sie die Gradientenspule außerhalb der Bohrung des Magneten an, um sicherzustellen, dass das maximale Signal vom Motiv erkannt wird.
Setzen Sie die Bildstufe langsam in die Bohrung des Magneten ein, so dass das Tier direkt in der Mitte der Bohrung positioniert ist. Dazu gehört auch, sicherzustellen, dass die Gradientenspule den gleichen Abstand entlang aller radialen Richtungen aufweist. Dies ist die Position, wo das Hauptmagnetfeld am homogensten sein wird.
Führen Sie einen Lokalisierungs-/Navigator-Scan aus, um den Speicherort der Maus im Scanner zu bestätigen. Ein Teil des Herzens sollte innerhalb aller drei Ebenen visualisiert werden (d. h. axial, sagittal und koronal). Wenn dies nicht der Fall ist, wiederholen Sie den Vorgang der Neupositionierung der Maus und der Ausführen von Lokalisierungs-/Navigationsscans, bis die gewünschte Position erreicht ist.
Richten Sie die Parameter für die FLASH-Sequenz ein. Zum Beispiel: TR/TE = 8,0/2,0 ms, FA = 20°, FOV = 35 x 35 mm, Matrixgröße = 192 x 192 und NEX = 6. Wählen Sie dann die externe Auslösung aus, um “ein” zu sein.
Konfigurieren Sie auf der Überwachungssoftware die externen Auslöser so, dass die MRT-Sequenzen bei der Identifizierung der R-Peaks in den Herzzyklen gestartet werden und während die Atmung während der Exspirierungsphase stabil ist. Da diese beiden Bedingungen erfüllt sind, kann die Sequenz seriell ausgeführt werden, und Daten werden erfasst.
Verschreiben und führen Sie eine erste FLASH-Sequenzscheibe in der koronalen Ansicht so aus, dass die Schnittebene der Achse vom Scheitelpunkt des Herzens durch die Aortenklappe folgt. Diese erste Cine-Schleife wird eine Zwei-Kammer-Ansicht des Herzens bieten.
Unter Bezugnahme auf die Ergebnisse aus der Zweikammeransicht wird eine neue FLASH-Sequenz entlang der Apex-Aorten-Ventilachse vorgeschrieben und ausgeführt, um eine Vierkammeransicht zu visualisieren.
Verschreiben Sie schließlich eine Kurzachsscheibe, die senkrecht zur Spitzenaortenklappenachse etwa auf halbem Weg durch das Herz liegt. Die Papillenmuskeln sollten an dieser Stelle innerhalb des Cine-Loop-Ausgangs deutlich sichtbar sein.
1. Zusätzliche Slices können parallel zu diesem Slice erworben werden, um zeitsynchronisierte Volumes des Herzens zu erstellen. Diese Volumes werden durch Ververketten benachbarter Cine-Schleifen in der Nachbearbeitung erstellt.
Nach Abschluss der Bildgebung übertragen Sie die erfassten Daten an einen geeigneten Ort für die Analyse und entfernen Sie das Tier aus dem Scanner.

Die Hochfeld-Kleinband-Magnetresonanztomographie oder Kardiat-MRT bewertet die Herz-Kreislauf-Funktion ohne den Einsatz ionisierender Strahlung oder Kontrastmittel.

Zu den vergleichbaren kardiovaskulären bildgebenden Modalitäten gehört Hochfrequenz-Ultraschall, der einen Strahl akustischer Wellen von einem Wandler aussendet und die Echos aufzeichnet, die entstehen, wenn die Wellen reflektieren, um Live-Bilder zu erzeugen. Es bietet Bilder mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung; Aufgrund der begrenzten Eindringtiefe im dichten Gewebe können jedoch bildgebende Artefakte beobachtet werden.

Eine weitere bildgebende Technik ist micro-CT, das eine Reihe von Röntgenprojektionen benötigt, um 3D-Querschnitte zu erstellen. Es hat eine geringere zeitliche Auflösung und einen begrenzten Weichteilkontrast und erfordert oft die Verwendung von Kontrastmitteln, um Gefäßstrukturen zu visualisieren. Diese sind dafür bekannt, Strahlenschäden und Nierenversagen bei hohen Dosen verursachen.

Alternativ verwendet die MRT starke Elektromagnete, um Gewebe im Körper basierend auf ihren magnetischen Eigenschaften abzubilden. Im Kardiat-MRT werden herkömmliche MRT-Sequenzen von R-Spitzen im Herzzyklus und exspiratorischen Plateaus in der Atmung abgezäut, um die Herz-Kreislauf-Funktion zu beurteilen.

In diesem Video wird veranschaulicht, wie MRT-Daten mit einer auslösenden schnellen Low-Winkel-Aufnahme oder FLASH-MRT-Sequenz gesammelt werden. Diese Technik bietet einen hochwertigen Weichteilkontrast für die Untersuchung von Modellen für kleine Tierseuchen.

Magnetresonanztomographie ist eine Technik, die die paramagnetischen Eigenschaften des Gewebes verwendet, um Weichteilkontrast eimpernzu zu visualisieren. Die Bohrung einer MRT-Maschine wird konventionell mit einer Magnetspule umwickelt, die ein konstantes homogenes Magnetfeld B-Null liefert, wenn ein elektrischer Strom aufgebracht wird.

In der High-Field-Spiegelbildgebung kann eine 7-Tesla-Magnetfeldstärke eingesetzt werden, etwa 140.000 Mal so viel wie das Erdmagnetfeld und mehr als doppelt so viel wie die üblichen klinischen 3-Tesla- und 1,5-Tesla-Scanner-Feldstärken. Dieses homogene Magnetfeld bewirkt, dass die Wasserstoffprotonen, die fast allen lebenden Geweben inhärent sind, ihre Rotationsachsen ausrichten. Diese Drehungen können dann mit Hochfrequenz- oder HF-Wellen in einen bestimmten Winkel relativ zur Drehachse gekippt werden, der auch als Drehwinkel bezeichnet wird.

Während die Protonen dann versuchen, sich wieder in ihre ursprüngliche Ausrichtung zu entspannen, induziert die Komponente ihrer Drehung senkrecht zu ihrer Hauptachse ein nachweisbares elektrisches Signal, was zu einem Bild führt. Darüber hinaus können magnetische Gradienten angewendet werden, die das Hauptmagnetfeld stören und räumlich isolierte HF-Erregungen ermöglichen, um das empfangene Signal zu lokalisieren. Spezifisch für die in diesem Video beschriebenen Methoden ist die FLASH-Sequenz, die HF-Anregungen mit niedrigem Drehwinkel verwendet, die schnell wiederholt werden, um ein stetiges Zustandsmuster in der Protonenbewegung zu induzieren. Die Wiederholungszeit ist viel kürzer als die typische Protonenentspannungszeit.

Wenn unaufgeregter Wasserstoff, wie der im Blut, in den Bildrahmen gelangt, entsteht ein relativ hohes Signal. Dadurch kann das Herz-Kreislauf-System schnell ababgebildet werden und stabile Momentaufnahmen innerhalb des Herzzyklus liefern. Durch das Auslösen der FLASH-Sequenz mit physiologischen Signalen können Bilder des Herz-Kreislauf-Systems erfasst werden, die Herz-, Gefäß- und Atembewegungen hervorheben.

Nachdem wir die wichtigsten Prinzipien der Kardiat-MRT überprüft haben, sollten wir nun das Schrittweiseverfahren zur Vorbereitung und Abbildung eines Tieres durchlaufen.

Identifizieren Sie zuerst die zu bebilderte Maus, und übertragen Sie die Maus dann in die Klopfkammer. Dann befeuchten Sie das Tier mit Isofluran und bestätigen Knockdown mit einer Zehen-Pinch-Technik. Als nächstes öffnen Sie den Isofluranfluss zum Nasenkegel im MRT-Raum und schließen Sie den Isofluranfluss zur Klopfkammer. Dies grundiert die längeren Schläuche mit Anästhetikum.

Stellen Sie sicher, dass alle Mitarbeiter MR-sicher sind, dann übertragen Sie die Maus auf die Bildgebungsstufe und sichern Sie den Nasenkegel um das Tier herum. Positionieren Sie die Maus so, dass ihr Herz ungefähr mit einem Zentrum der HF-Spule ausgerichtet ist. Bestätigen Sie als Nächstes den Knockdown mit der Zehen-Pinch-Technik. Legen Sie dann die drei Elektrokardiogramm-Leitungen subkutan ein. Platzieren Sie jeweils eine Führung nach links und rechts des Herzens und eine an der Basis der linken Hintergliedmaße.

Setzen Sie die rektale Thermometersonde mit einem sterilen Sondenmantel und Schmiermittel ein. Legen Sie dann einen Kissen-Atmungssensor auf die epigastrischen Bereiche des Bauches und sichern Sie ihn mit Pappe an Ort und Stelle, um druckempfindliche Signalisierung zu erfassen.

Bestätigen Sie, dass alle physiologischen Signale über die Überwachungssoftware außerhalb des Scannerraums erfasst werden. Als nächstes richten Sie das Heizmodul und den Lüfter ein, um den Luftstrom zur Maus zu erwärmen. Sichern Sie die Luftschläuche so an Ort und Stelle, dass die warme Luft in Richtung der Maus weht, beginnend kurz hinter der Spitze ihres Schwanzes. Schließlich legen Sie die HF-Spule über die Maus und stellen Sie sicher, dass alle Kabel und Schläuche sicher sind.

Betrachten wir nun das Schritt-für-Schritt-Protokoll zur Durchführung der Kardiat-MRT an der anästhesierten Maus.

Stimmen Sie zunächst die HF-Spule außerhalb der Bohrung des Magneten ab, um eine maximale Signalerkennung zu gewährleisten. Dies wird durch ein schmales Tal bei Nullhertz für jede Komponente der HF-Spule angezeigt. Als nächstes setzen Sie langsam die Bildstufe in die Bohrung des Magneten ein. Stellen Sie sicher, dass die Maus direkt in der Mitte der Bohrung positioniert ist und die Gradientenspule den gleichen Abstand entlang aller radialen Richtungen aufweist. Diese Position sorgt für ein homogenes Hauptmagnetfeld.

Führen Sie als Nächstes einen Navigationsscan aus, um die Maus im Scanner zu finden. Bestätigen Sie, ob ein Segment des Herzens innerhalb aller drei Ebenen visualisiert ist, nämlich axial, sagittal und koronal. Legen Sie dann die Parameter für die FLASH-Sequenz fest, und wählen Sie die externe Auslösung aus, die eingeschaltet sein soll. Konfigurieren Sie in der Überwachungssoftware die externen Trigger so, dass die MRT-Sequenzen bei stabiler Atmung in der Exspirationsphase nur auf R-Peaks in Herzzyklen seriell ausgeführt werden.

Als Nächstes verschreiben Sie die anfängliche FLASH-Sequenz, indem Sie die Parameter festlegen und ein rechteckiges Rechteck der Bildebene in der koronalen Ansicht positionieren. Dann drücken Sie weiter, um es so laufen, dass die Scheibenebene der Achse von der Spitze des Herzens durch die Aortenklappe folgt. Diese erste Cine-Schleife wird eine Zwei-Kammer-Ansicht des Herzens bieten.

Wenn Sie dann auf die Ergebnisse aus der Zweikammeransicht verweisen, verschreiben und führen Sie eine neue FLASH-Sequenz entlang der Apex-Aortenklappenachse aus, um eine Vierkammeransicht zu visualisieren.

Schließlich verschreiben Sie eine kurze Achsenscheibe, die senkrecht zur Apex-Aortenklappenachse etwa auf halbem Weg durch das Herz ist. Die Papillenmuskeln sollten an dieser Stelle innerhalb des Cine-Loop-Ausgangs deutlich sichtbar sein. Nach Abschluss der Bildgebung übertragen Sie die erfassten Daten an einen geeigneten Ort für die Analyse, ziehen Sie dann die Bildgebungsstufe aus der Bohrung des Magneten zurück und entfernen Sie die Gradientenspule und alle Sonden vom Tier, bevor Sie das Tier vom Scannerbett übertragen.

Nun, da wir eine Herz-MRT in einer Maus erhalten haben, lassen Sie uns die Ergebnisse der Scans überprüfen. Diese Abbildung zeigt die Cine-Schleife einer kurzen Achsenansicht des linken Ventrikels, direkt senkrecht zur Basisspitze des Herzens und an einer Position, die die Papillenmuskulatur einschließt.

Hier sehen wir die Blut-Cine-Bildgebung eines Mausherzes mit 14 kurzen Achsenansicht-Snapshots über den Herzzyklus, einschließlich Enddiastole und Peak-Systole. Die Regionen des Aussetzersignals innerhalb des Lumens des linken Ventrikels weisen auf eine schnelle Blutbewegung hin, die ursprünglich aus der Ebene heraus und nicht durch die HF-Wellenerregung markiert wurde.

Dieses Bild zeigt eine Vierkammeransicht des Herzens mit hellem Blutzufluss durch die Mitral- und Trikuspidalklappen und dann durch die Aorten- bzw. Lungenklappen.

Schließlich ist hier eine maximale Intensitätsprojektion, die zeigt, wie mehrere Slices räumlich kombiniert werden können, um das Herz-Kreislauf-System der gesamten Maus zu visualisieren. Die Abbildung zeigt einen dreidimensionalen Stapel zeitsynchronisierter, heller, 2-dimensionaler Blutbilder, die die Brust- und Bauchbereiche einer Maus zeigen.

Betrachten wir nun einige andere Anwendungen dieser MRT-Technik. Als Erweiterung der beschriebenen Technik können wir diese Technologie verwenden, um die Kinematik von gesunden und kranken Herzen zu vergleichen. Murine Modelle der Herzdysfunktion kann viel kontrollierter als die in der Klinik gefunden werden. Dies ermöglicht es den Forschern, bestimmte Faktoren zu identifizieren, die zu Herzerkrankungen beitragen, sowie den Umbauprozess nach Verletzungen zu untersuchen.

Ein vergleichbares Forschungsprojekt kann mit einem vaskulären Fokus durchgeführt werden, wie das mit abdominaler Aortenaneurysmbildung. Blut gibt ein Hochintensitätssignal mit der hier beschriebenen High-Field-Kleinbohr-MRT-Methode. Diese Erhöhung des Kontrasts kann genutzt werden, um die Ausdehnung eines abdominalen Aortenaneurysms zu bewerten und Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften des Gefäßes zu messen.

Sie haben gerade JoVeTs Einführung in die kardiovaskuläre Magnetresonanztomographie beobachtet.

Sie sollten jetzt wissen, wie man Herz-Bildgebung durchführt und wie man Cine-Loop-Daten des murinen Herzens mit Standard-Blitz-MRT-Sequenzen im hellen Blut erfasst, die mit Herz- und Atmungssignalen synchronisiert sind. Schließlich sollten Sie auch wissen, wie man Herzstrukturen in diesen Bildern identifiziert. Danke fürs Zuschauen!

Results

Abbildung 1 zeigt eine Cine-Schleife einer Kurzachsansicht des linken Ventrikels, die direkt senkrecht zur Basisspitzenachse des Herzens und an einer Position ist, die die Papillenmuskeln einschließt.

Abbildung 1:Helle Blutcine-Bildgebung eines Mausherzes mit 14 Kurzachs-Ansichtsmomentaufnahmen über den Herzzyklus, einschließlich Enddiastole (t = 8) und Peak-Systole (t = 13). Die Regionen des Aussetzersignals innerhalb des Lumens des linken Ventrikels weisen auf eine schnelle Blutbewegung hin, die ursprünglich aus der Ebene heraus und nicht durch die HF-Wellenerregung markiert wurde.

Das zweite repräsentative Bild zeigt eine 4-Kammer-Ansicht des Herzens mit hellem Blutdurchfluss durch die Mitral- und Trikuspidalklappen, die dann durch die Aorten- bzw. Lungenklappen ausströmt.

Abbildung 2:Helle Blut-Cine-Bildgebung eines Mausherzes mit einer Vier-Kammer-Ansicht, die Enddiastole (links) und Spitzen-Systole (rechts) zeigt. Die Regionen des Aussetzersignals innerhalb des Lumens des linken Ventrikels weisen auf eine schnelle Blutbewegung hin, die ursprünglich aus der Ebene heraus und nicht durch die HF-Wellenerregung markiert wurde.

Ein drittes repräsentatives Ergebnis ist schließlich eine Projektion mit maximaler Intensität (Maximum Intensity Projection, MIP), die zeigt, wie die mehrfachen Slices räumlich kombiniert werden können, um das Herz-Kreislauf-System des gesamten Mauskörpers zu visualisieren.

Abbildung 3: Maximale Intensitätsprojektion eines dreidimensionalen Stapels von zeitsynchronisierten zweidimensionalen hellen Blutbildern, die die Brust- und Bauchbereiche einer Maus zeigen. Das Herz, die minderwertige Vena cava und das kleine bauchige Aortenaneurysm (roter Kreis) sind aus dieser Sicht zu sehen.

Applications and Summary

Hier bei Herz-MRT wird in Verbindung mit Herz- und Atmungs-Gating cine Loop-Daten des murinen Herzens erfasst. Während das Herz im Mittelpunkt der Demonstration stand, können weitere Regionen des Herz-Kreislauf-Systems nach der gleichen Methodik abgebildet werden. Auch wenn die MRT nicht unter den gleichen Artefakten leidet, die häufig mit anderen bildgebenden Modalitäten zu sehen sind, gibt es einen spürbaren Kompromiss mit räumlicher Auflösung, die pro Erfassungsdauer erreicht wird. Dieser Kompromiss ist bedenklich, wenn die Maus längeren Dauern der Anästhesie nicht standhalten kann, wie z. B. bei Modellen schwerer Krankheiten. Dennoch hat die MRT den Vorteil, das darunter liegende Gewebe zu visualisieren, ohne das Risiko einer ionisierenden Strahlenschädigung, die dem Mikro-CT innewohnt. Mit MRT-Techniken kann eine In-vivo-Bewertung des Kardiovaskulärs durchgeführt werden, die den Grundstein für Längsschnittstudien sowohl der Krankheitsprogression als auch der damit verbundenen Therapiereaktion in Kleintiermodellen legt.

Als Erweiterung der beschriebenen Technik kann diese Technologie verwendet werden, um die Kinematik von gesunden und kranken Herzen zu vergleichen. Murine Modelle der Herzdysfunktion kann viel kontrollierter als die in der Klinik gefunden werden, so dass Forscher bestimmte Faktoren, die zu Herzerkrankungen zu identifizieren sowie den Umbauprozess nach mechanischen Verletzungen zu studieren. Darüber hinaus kann ein vergleichbares Forschungsprojekt mit einem vaskulären Fokus wie dem mit Abdominalaortenaneurysm (AAA) durchgeführt werden. Da Blut unter den beschriebenen Methoden ein Signal mit hoher Intensität ausgibt, kann der Kontrast genutzt werden, um die Ausdehnung eines AAA zu bewerten und Veränderungen der biomechanischen Eigenschaften des Gefäßes zu messen. Schließlich können Studien zur Vaskularisation des Gehirns durchgeführt werden, um angiogene Reaktionen auf traumatische Hirnverletzungen oder Schlaganfall zu vergleichen. Idealerweise können Techniken wie die kardiovaskuläre MRT mit hohem Feld, wie z. B. die kardiovaskuläre MRT mit hohem Feld, unser Verständnis menschlicher Krankheitsprozesse fördern und Innovationen in Richtung der nächsten Generation diagnostischer Technologien anregen.

Transcript

High-field small-bore magnetic resonance imaging, or cardiac MRI, assesses cardiovascular function without the use of ionizing radiation or contrast agents.

Comparable cardiovascular imaging modalities include high frequency ultrasound, which emits a beam of acoustic waves from a transducer and records the echoes created as the waves reflect to generate live images. It provides high spatial and temporal resolution images; however, imaging artifacts can be observed due to the limited penetration depth in dense tissue.

Another imaging technique is micro-CT, which takes a series of X-ray projections to create 3D cross sections. It has a lower temporal resolution and limited soft tissue contrast, and often requires the use of contrast agents to visualize vascular structures. These are known to cause radiation damage and renal failure at high doses.

Alternatively, MRI uses strong electromagnets to image tissues in the body based on their magnetic properties. In cardiac MRI, conventional MRI sequences are gated off of R peaks in the cardiac cycle and expiratory plateaus in respiration to assess cardiovascular function.

This video will illustrate how to gather MRI data with a triggering fast low angle shot, or FLASH MRI sequence. This technique provides high quality soft tissue contrast for the study of small animal disease models.

Magnetic resonance imaging is a technique that uses the paramagnetic properties of tissue to visualize soft tissue contrast. The bore of an MRI machine is conventionally wrapped using a solenoid coil that provides a constant homogeneous magnetic field, B-zero, when an electric current is applied.

In high-field mirroring imaging, a 7-Tesla magnetic field strength can be employed, approximately 140,000 times that of Earth’s magnetic field, and more than double the common clinical 3-Tesla and 1.5-Tesla scanner field strengths. This homogeneous magnetic field causes the hydrogen protons inherent to almost all living tissues to align their axes of rotation. These spins can then be tipped using radiofrequency, or RF waves, to a certain angle relative to the axis of rotation, also known as the flip angle.

As the protons then attempt to relax back to their original orientation, the component of their spin perpendicular to their main axis induces a detectable electrical signal, resulting in an image. Furthermore, magnetic gradients can be applied that perturb the main magnetic field and allow for spatially isolated RF excitations to localize the received signal. Specific to the methods described in this video is the FLASH sequence, which uses low flip angle RF excitations that are rapidly repeated to induce a steady state pattern in the proton motion. The repetition time is much shorter than the typical proton relaxation time.

When unexcited hydrogen, such as that in blood, enters the imaging frame, a relatively high signal is produced. This allows the cardiovascular system to be imaged rapidly and provide stable snapshots within the cardiac cycle. Through triggering the FLASH sequence with physiologic signals, images of the cardiovascular system can be acquired that highlight cardiac, vascular, and respiratory motion.

Having reviewed the main principles of cardiac MRI, let us now walk through the step-by-step procedure to prepare and image an animal.

First, identify the mouse to be imaged, then transfer the mouse to the knockdown chamber. Then, anesthetize the animal using isoflurane and confirm knockdown using a toe-pinch technique. Next, open the isoflurane flow to the nose cone in the MRI room and close the isoflurane flow to the knockdown chamber. This primes the longer tubing with anesthetic.

Ensure that all personnel are MR safe, then transfer the mouse to the imaging stage and secure the nose cone around the animal. Position the mouse such that its heart is approximately aligned with a center of the RF coil. Next, reconfirm knockdown using the toe-pinch technique. Then, insert the three electrocardiogram leads subcutaneously. Place one lead each to the left and right of the heart and one at the base of the left hind limb.

Insert the rectal thermometer probe using a sterile probe sheath and lubricant. Then, place a pillow respiration sensor on the epigastric regions of the abdomen, and secure it in place using cardboard to acquire pressure sensitive signaling.

Confirm that all physiological signals are being acquired through the monitoring software outside the scanner room. Next, set up the heating module and fan to begin warming the airflow to the mouse. Secure the air tubing in place such that the warm air blows towards the mouse, starting just past the tip of its tail. Finally, place the RF coil over the mouse and make sure all cables and tubing are secure.

Let us now review the step-by-step protocol to perform cardiac MRI on the anesthetized mouse.

First, tune and match the RF coil outside the bore of the magnet to ensure maximum signal detection. This is indicated by a narrow valley at zero hertz for each component of the RF coil. Next, slowly insert the imaging stage into the bore of the magnet. Ensure that the mouse is positioned directly in the center of the bore and the gradient coil has equal spacing along all radial directions. This position ensures a homogeneous main magnetic field.

Next, run a navigation scan to locate the mouse within the scanner. Confirm if some segment of the heart is visualized within all three planes, namely axial, sagittal, and coronal. Then, set the parameters for the FLASH sequence and select the external triggering to be on. On the monitoring software, configure the external triggers such that the MRI sequences are serially run only on R-peaks in cardiac cycles during stable respiration in the expiratory phase.

Next, prescribe the initial FLASH sequence by setting the parameters and positioning an imaging plane rectangle in the coronal view. Then press continue to run it such that the slice plane follows the axis from the apex of the heart through the aortic valve. This initial cine loop will provide a two-chamber view of the heart.

Then, while referencing the results from the two-chamber view, prescribe and run a new FLASH sequence along the apex aortic valve axis to visualize a four-chamber view.

Finally, prescribe a short axis slice that is perpendicular to the apex aortic valve axis approximately halfway through the heart. The papillary muscles should be distinctly visible within the cine loop output at this location. Once imaging is completed, transfer acquired data to an appropriate location for analysis, then retract the imaging stage from the bore of the magnet and remove the gradient coil and all probes from the animal before transferring the animal from the scanner bed.

Now that we’ve obtained a cardiac MRI in a mouse, let us review the results of the scans. This figure shows the cine loop of a short axis view of the left ventricle, directly perpendicular to the base apex axis of the heart and at a position that includes the papillary muscles.

Here, we see the blood cine imaging of a mouse heart with 14 short axis view snapshots across the cardiac cycle, including end diastole and peak systole. The regions of dropout signal within the lumen of the left ventricle indicates fast blood moving, which was originally out of plane and not tagged by the RF wave excitation.

This image shows a four-chamber view of the heart with bright blood inflow through the mitral and tricuspid valves, and then out through the aortic and pulmonary valves, respectively.

Finally, here is a maximum intensity projection that shows how multiple slices can be spatially combined to visualize the cardiovascular system of the whole mouse. The figure shows a 3-dimensional stack of time-synced, bright, 2-dimensional blood images showing the thoracic and abdominal regions of a mouse.

Let us now look at some other applications of this MRI technique. As an extension of the described technique, we can use this technology to compare the kinematics of healthy versus diseased hearts. Murine models of cardiac dysfunction can be far more controlled than those found in the clinic. This allows researchers to identify specific factors contributing to heart disease as well as study the remodeling process after injury.

A comparable research endeavor can be performed with a vascular focus, such as that with abdominal aortic aneurysm formation. Blood gives a high intensity signal using the high-field small-bore MRI method described here. This increase in contrast can be exploited to assess the expansion of an abdominal aortic aneurysm and measure changes to the vessel’s biomechanical properties.

You’ve just watched JoVE’s introduction to cardiovascular magnetic resonance imaging.

You should now know how to perform cardiac imaging and how to acquire cine loop data of the murine heart using standard bright blood FLASH MRI sequences synced with cardiac and respiration signals. Finally, you should also know how to identify cardiac structures in these images. Thanks for watching!

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