Name: Activación cardíaca retrospectiva con un prototipo de tomógrafo computarizado de rayos X para animales pequeños (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-02-21T14:10:00.000+00:00
Duration: 5 min 32 s
Description: Aprende a realizar gating cardíaco retrospectivo en tomografía computarizada de rayos X para roedores sin hardware especializado. Este método mejora la relación contraste-ruido y permite cuantificar el volumen del ventrículo izquierdo durante el ciclo cardíaco.

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Los protocolos experimentales con animales fueron revisados y aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA). En este protocolo se utilizaron ratones C57BL/6J (8 semanas de edad, machos, 24-26 g). El tomógrafo utilizado en este estudio es el CrumpCAT (Figura 2), un prototipo desarrollado en nuestra institución de investigación para la investigación preclínica, que nos proporciona el control y la flexibilidad necesarios para optimizar los protocolos de adquisición y reconstrucción. El método supone que los ratones anestesiados tendrán una frecuencia cardíaca no superior a 600 latidos/min y una frecuencia respiratoria entre 20 y 180 respiraciones/min15.
1. Configuración del equipo
<ol>
	<li>Opere la fuente de rayos X a un voltaje máximo de 50 kVp con corriente continua de 200 μA.</li>
	<li>Establezca el agrupamiento de píxeles de la cámara de rayos X en 2 y el tiempo de exposición en su valor práctico más corto (20 ms de tiempo de exposición más 14 ms de tiempo de lectura para un tiempo de muestreo total de 34 ms). NOTA: La opción sin discretización (discretización 1) tiene una velocidad de fotogramas más lenta y, por lo tanto, no se puede utilizar para adquisiciones controladas. La velocidad máxima de fotogramas es de unos 30 fotogramas/s.</li>
</ol>
2. Preparación animal
<ol>
	<li>Anestesiar ratones con una mezcla de oxígeno y gas isoflurano a una concentración del 2,0%.</li>
	<li>Mantenga a los animales bajo anestesia durante 10 minutos antes de la tomografía computarizada, para asegurarse de que los signos vitales estén estables y que los animales estén relajados para evitar cualquier movimiento corporal durante la exploración. Juzgue la profundidad de la anestesia de un ratón por la falta del reflejo de pellizco del dedo del pie al pellizcar firmemente la membrana entre los dedos con una uña.</li>
	<li>Para que las imágenes con compuerta cardíaca visualicen las cavidades cardíacas, inyecte por vía intravenosa 100 μL de agente de contraste para TC a través de la vena de la cola inmediatamente antes de la imagen para TC (Figura 3A).</li>
	<li>Coloque el ratón anestesiado dentro de la cámara de imágenes de TC (Figura 3B).</li>
</ol>
3. Adquisición de datos
<ol>
	<li>Encienda el software CrumpCAT.</li>
	<li>Tomografía computarizada sin compuerta con alta resolución (125 μm, binning 1) (Figura 4A)<ol>
		<li>Introduzca un ID de estudio en la interfaz de usuario.</li>
		<li>Seleccione Mouse Hi-Res en el menú desplegable Protocolo .</li>
		<li>Haga clic en el botón Escanear de la interfaz de usuario para adquirir 720 proyecciones con un tiempo de exposición de 80 ms/proyección.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>TC no compuerta con resolución media (200 μm, binning 2) (Figura 4B)<ol>
		<li>Introduzca un ID de estudio en la interfaz de usuario.</li>
		<li>Seleccione Estándar de mouse en el menú desplegable Protocolo .</li>
		<li>Haga clic en el botón Escanear de la interfaz de usuario para adquirir 720 proyecciones con un tiempo de exposición de 100 ms/proyección.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Tomografía computarizada con compuerta (200 μm, agrupación 2) (Figura 4C)<ol>
		<li>Introduzca un ID de estudio en la interfaz de usuario.</li>
		<li>Seleccione Cardiac Gating en el menú desplegable Protocolo .</li>
		<li>Haga clic en el botón Escanear de la interfaz de usuario y adquiera 21.600 proyecciones con un tiempo de exposición de 20 ms/proyección.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Preprocesamiento de datos
NOTA: Los pasos de preprocesamiento solo son necesarios para las adquisiciones controladas. Todos estos pasos se realizan automáticamente mediante el software de reconstrucción y no se requiere la intervención del operador.
<ol>
	<li>Extracción de señales<ol>
		<li>Para el co-registro de la plantilla de tórax, deje que una pequeña imagen (plantilla) que represente de manera tosca un tórax de ratón con las costillas, el corazón, los pulmones y el hígado se registre automáticamente en la primera proyección de rayos X, maximizando la Información Mutua12 entre la proyección y la plantilla (Figura 5). NOTA: Solo se realizan operaciones de conversión en la plantilla y la plantilla de registro conjunto se utiliza para identificar regiones de interés (ROI) en todas las proyecciones.</li>
		<li>Para la extracción de señales respiratorias, permita que se designe un ROI rectangular (ROI-1) en la plantilla para representar el diafragma y la señal respiratoria que se generará sumando las intensidades de píxeles dentro de ROI-1 para cada proyección (Figura 5).</li>
		<li>Para la extracción de la señal cardíaca, se designe un segundo rectángulo ROI (ROI-2) en la plantilla cerca del corazón, y la señal cardíaca generada sumando las intensidades de píxeles en ROI-2 para cada proyección (Figura 5). NOTA: La plantilla de tórax se registra conjuntamente solo en la primera proyección para identificar qué filas y columnas de imagen (ventana) se deben usar para la extracción de señales. Esa ventana es lo suficientemente ancha como para abarcar todas las proyecciones siempre que el animal esté razonablemente centrado, como es el caso cuando se utiliza nuestro lechopara animales 16.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Filtro de paso de banda<ol>
		<li>Permite generar un filtro de paso de banda combinando dos funciones Sinc con diferentes frecuencias de corte en el dominio temporal17, que corresponden a filtros de paso bajo en el dominio de frecuencia como se describe a continuación.</li>
		<li>Deje que el software aplique el filtro de paso de banda en la señal cardíaca utilizando una banda de frecuencia de [300, 600] min-1 (Figura 6A). NOTA: La señal cardíaca sin filtrar (Figura 6B) todavía contiene una contribución significativa del movimiento respiratorio.</li>
		<li>Del mismo modo, permita filtrar la señal respiratoria utilizando una banda de frecuencia de [20, 300] min-1. Los armónicos superiores se conservan para producir una señal que no es simplemente sinusoidal e identifica más claramente las dos fases principales: inspiración y espiración. NOTA: En este punto, tanto las señales respiratorias como las cardíacas se pueden interpolar fácilmente y considerar funciones continuas de tiempo con el fin de calcular el número de fase fraccional.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Asignación de fases<ol>
		<li>Deje que el software identifique el comienzo de cada ciclo (respiratorio o cardíaco) encontrando los cruces por cero de la primera derivada de la señal. Cada paso por cero corresponde a un máximo en la señal y marca el inicio de un nuevo ciclo y el final del anterior. Para ver un ejemplo, vea la señal respiratoria en la Figura 7.</li>
		<li>Permite asignar un valor fraccionario de fase (entre 0 y 1) a cada proyección para cada una de las dos señales (respiratoria o cardíaca). NOTA: Por definición, el punto de inicio tiene un valor de fase fraccionaria de cero (para el ciclo actual) o uno (para el ciclo anterior).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Máscaras de selección<ol>
		<li>Permite crear 12 máscaras binarias (una por fase cardíaca) para seleccionar las proyecciones que pertenecen a cada fase. Cada máscara contiene 21.600 entradas (una por proyección) que son 0 o 1, lo que significa rechazar o mantener esa proyección, respectivamente.</li>
		<li>Para cada máscara (fase), observe que el software indica si una proyección se mantiene (1) o se descarta (0) de acuerdo con su número de fase fraccionaria. Para la fase 0, se mantienen las proyecciones con un valor de fase cardíaca en el intervalo [0, 1/12]. Para la fase 1, se mantienen los valores de la fase cardíaca en el intervalo [1/12, 2/12], y así sucesivamente.</li>
		<li>Para cada mascarilla (fase), tenga en cuenta que cualquier proyección con una fase respiratoria inferior a 0,15 o superior a 0,85 se rechaza (0 en la mascarilla) porque pertenece a la fase de inspiración, que tiene el mayor movimiento (Figura 8A). La figura 8B muestra la asignación de la fase cardíaca a las proyecciones durante los primeros 2 s. NOTA: No se introdujo ningún sesgo significativo en este proceso de selección, ya que el número de proyecciones por fase se mantuvo relativamente constante en 1.800 ± 194.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Reconstrucción de la imagen
<ol>
	<li>En el caso de las tomografías computarizadas sin compuertas, reconstruya las imágenes con una resolución media (200 μm) o alta (125 μm) mediante el algoritmo de retroproyección filtrada (Feldkamp18) con un filtro Shepp-Logan.</li>
	<li>En el caso de las tomografías computarizadas con activación cardíaca, se reconstruya cada imagen de fase cardíaca utilizando el algoritmo OSEMiterativo 13, con 12 subconjuntos y 8 iteraciones, teniendo en cuenta solo las proyecciones seleccionadas que contribuyen a una fase determinada (como se indica en una máscara binaria de selección de fase).</li>
	<li>Para reducir el ruido, aplique un filtro mediano posterior a la reconstrucción en la dimensión temporal (es decir, a través de imágenes) y un filtro gaussiano 3D ligero en la dimensión espacial (σ = 38 μm). NOTA: Para la reconstrucción de imágenes con compuerta respiratoria, utilice todas las fases cardíacas indistintamente. La corrección del endurecimiento de la viga (corrección del agua) se aplica a cada reconstrucción.</li>
</ol>
6. Evaluación por imagen y cuantificación del volumen del ventrículo izquierdo (VI)
<ol>
	<li>Abra la imagen de TC en un visor DICOM como Amide19 (Figura 9A).</li>
	<li>Mejore el contraste de la imagen visible ajustando el rango del valor CT (medido en la unidad de Hounsfield [HU]) como [-500, 500] (Figura 9A).</li>
	<li>Evaluación de la calidad de la imagen<ol>
		<li>Extraiga un ROI para la región calcificada, que se define como la región alrededor del máximo con un valor CT mayor o igual al 85% del valor máximo de HU (Figura 9B).</li>
		<li>Utilice la relación contraste-ruido (CNR)20,21 como métrica para evaluar la calidad de la imagen y su capacidad para identificar estructuras pequeñas, como pequeñas calcificaciones: 
		<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/67803/67803eq01.jpg" style="margin: auto;">, donde I y σ representan la intensidad media y la desviación estándar de una región: calcificación (subíndice C) o fondo (subíndice B).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Cuantificación del volumen del ventrículo izquierdo<ol>
		<li>Dibuje un ROI a mano alzada en 3D para identificar el VI en cada fase (Figura 10A).</li>
		<li>Cuantifique el volumen del VI calculando vóxeles con un valor CT umbral de 730 HU (Figura 10B). En la Figura 10C se muestra un gráfico de los volúmenes de VI. NOTA: El umbral del valor CT no es absoluto; depende del agente de contraste utilizado, el tamaño del animal, la cepa, el estado de salud y el tiempo entre la inyección y la tomografía computarizada. Amide es un software de distribución libre desarrollado en nuestro instituto, pero hay otros visores de imágenes más sofisticados disponibles (por ejemplo, ORS Dragonfly22).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Schambach, S. J., Bag, S., Schilling, L., Groden, C., Brockmann, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+micro-CT+in+small+animal+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Methods%22%5BJournal%5D)">Application of micro-CT in small animal imaging.</a> Methods. 50 (1), 2-13 (2010).</li>
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<li>Suckow, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multimodality+rodent+imaging+chambers+for+use+under+barrier+conditions+with+gas+anesthesia%5BTitle%5D)+AND+%22Mol+Imaging+Biol%22%5BJournal%5D)">Multimodality rodent imaging chambers for use under barrier conditions with gas anesthesia.</a> Mol Imaging Biol. 11 (2), 100-106 (2009).</li>
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<li>Feldkamp, L. A., Davis, L. C., Kress, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Practical+cone-beam+algorithm%5BTitle%5D)+AND+%22J+Opt+Soc+Am.+A-optics+Image+Sci+Vision%22%5BJournal%5D)">Practical cone-beam algorithm.</a> J Opt Soc Am. A-optics Image Sci Vision. 1 (6), 612-619 (1984).</li>
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<li>Rodriguez-Molares, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+generalized+contrast-to-noise+ratio%3A+A+formal+definition+for+lesion+detectability%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Ultrason+Ferroelectr+Freq+Control%22%5BJournal%5D)">The generalized contrast-to-noise ratio: A formal definition for lesion detectability.</a> IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 67 (4), 745-759 (2020).</li>
<li>Patterson, M. S., Foster, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+improvement+and+quantitative+assessment+of+B-mode+images+produced+by+an+annular+array%2Fcone+hybrid%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrason+Imaging%22%5BJournal%5D)">The improvement and quantitative assessment of B-mode images produced by an annular array/cone hybrid.</a> Ultrason Imaging. 5 (3), 195-213 (1983).</li>
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<li>Li, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+humanized+monoclonal+antibody+targeting+an+ectonucleotidase+rescues+cardiac+metabolism+and+heart+function+after+myocardial+infarction%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Rep+Med%22%5BJournal%5D)">A humanized monoclonal antibody targeting an ectonucleotidase rescues cardiac metabolism and heart function after myocardial infarction.</a> Cell Rep Med. 5 (11), 101795(2024).</li>
<li>Nadkarni, R., Clark, D. P., Allphin, A. J., Badea, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigating+deep+learning+strategies+for+fast+denoising+of+5D+cardiac+photon-counting+micro-CT+images%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Med+Biol%22%5BJournal%5D)">Investigating deep learning strategies for fast denoising of 5D cardiac photon-counting micro-CT images.</a> Phys Med Biol. 69 (20), 205010(2024).</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>Ratones C57BL/6J</td><td>Jackson Laboratory</td><td>664</td><td>Macho, 8 semanas de edad, 24-26 g</td></tr><tr><td>Cámara Dexela</td><td>Varex</td><td>1512</td><td>Detector, exposición de 20 ms, 74,8/149,6 y micro; m pixel</td></tr><tr><td>VivoVist</td><td>Nanoprobes</td><td>1301-5X0.25ML</td><td>CT Agente de contraste</td></tr><tr><td>Fuente de rayos X Moxtek</td><td></td><td>TUB00082</td><td>50 kV pico, 200 y micro; A, filtro de aluminio de 1,0 mm de espesor</td></tr></tbody></table>

activación cardíaca retrospectiva con un prototipo de tomógrafo computarizado de rayos x para animales pequeños

Retrospective Cardiac Gating with A Prototype Small-Animal X-ray Computed Tomograph

En primer lugar, comparamos imágenes de TC con y sin compuerta para visualizar la calcificación cardíaca en ratones (machos, 30-32 g). El modelo murino de calcificación cardíaca fue creado mediante la inducción de lesión cardíaca por congelación-descongelación rápida del tejido cardíaco (criolesión), como se describió anteriormente23. Con los protocolos de TC sin compuertas, las calcificaciones cardíacas se identificaron más claramente en la imagen de alta resolución (125 μm, binning 1) (<strong c...

Activación cardíaca retrospectiva con un prototipo de tomógrafo computarizado de rayos X para animales pequeños

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Describimos cómo realizar imágenes de resonancia magnética y PET del corazón del ratón. El protocolo está diseñado para evaluar la eficacia del tratamiento en modelos de infarto de miocardio e insuficiencia cardíaca.

Resonancia magnética y PET en modelos de ratón de infarto de miocardio

Este método describe el uso de la tomografía microcomputarizada cuántica (MicroCT) para evaluar la morfología cardíaca, la función, la perfusión, el metabolismo y la viabilidad con el agente de contraste yodado en ratones con isquemia miocárdica inducida experimentalmente. La técnica se puede aplicar para la obtención de imágenes longitudinales in vivo no destructivas de alto rendimiento de varios modelos animales de enfermedades cardíacas humanas.

En Vivo evaluación cuantitativa de la estructura miocárdica, la función, perfusión y viabilidad Usando computarizada micro-tomografía cardiaca

Aquí se describe un protocolo para el muestreo continuo de sangre durante la toma de imágenes PET/CT de ratas para medir la función de entrada arterial (AIF). Se demuestra el cateterismo, la calibración y configuración del sistema y el análisis de datos de la radiactividad sanguínea. Los datos generados proporcionan parámetros de entrada para el modelado biocinético posterior.

El muestreo sanguíneo continuo en tomografía por emisión de positrones de animales pequeños permite la medición de la función de entrada arterial

El movimiento óptimo basado en la amplitud (ORG) elimina eficazmente el desenfoque del movimiento inducido por las vías respiratorias de las imágenes clínicas de tomografía por emisión de positrones (PET) de 18F-fluorodeoxiglucosa (FDG). La corrección de imágenes FDG-PET para estos artefactos de movimiento respiratorio mejora la calidad de imagen, el diagnóstico y la precisión cuantitativa. La eliminación de artefactos de movimiento respiratorio es importante para un manejo clínico adecuado de...

Manejo de artefactos de movimiento respiratorio en 18tomografía por emisión de positrones F-fluorodeoxiglucosa utilizando un algoritmo de medición respiratoria óptima basado en la amplitud

Aquí, presentamos un protocolo para obtener imágenes de micro tomografía computarizada de alta resolución de corazones enteros de mamíferos grandes sanos y patológicos con mejora de contraste selectivo de colágeno.

Técnicas de preparación de tejidos para imágenes de microtomografía computarizada mejoradas con contraste de modelos cardíacos de mamíferos grandes con enfermedades crónicas

Aquí, presentamos un protocolo experimental de imagen para la cuantificación de la función cardíaca y la morfología utilizando tomografía por emisión de positrones de alta resolución / tomografía computarizada para animales pequeños. Se consideran tanto ratones como ratas, discutiendo los diferentes requisitos de los agentes de contraste de tomografía computarizada para las dos especies.

Tomografía por emisión de positrones cardíacos de alta resolución/tomografía computarizada para animales pequeños

En este protocolo, discutimos la implementación de un modelo de trasplante hepático ortotópico (OLT) exitoso en ratones. Además, también se discuten los adyuvantes para analizar más a fondo la permeabilidad del aloinjerto después de una OLT exitosa en un ratón, específicamente utilizando exploraciones de microtomografía computarizada (microCT).

Trasplante hepático ortotópico exitoso en ratones mediante angiografía por microtomografía computarizada

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