כימות של תפקוד החדר השמאלי של לב העכבר, זן שריר הלב וכוחות המודינמיים על ידי הדמיית תהודה מגנטית לב וכלי דם

Summary

מחקר זה מתאר פרוטוקול הדמיית תהודה מגנטית לב וכלי דם מקיפה (CMR) כדי לכמת את הפרמטרים התפקודיים של החדר השמאלי של לב העכבר. הפרוטוקול מתאר רכישה, לאחר עיבוד וניתוח של תמונות CMR, כמו גם הערכה של פרמטרים תפקודיים לב שונים.

Abstract

מודלים של עכבר תרמו באופן משמעותי להבנת גורמים גנטיים ופיזיולוגיים המעורבים בתפקוד לב בריא, כיצד הפרעות גורמות לפתולוגיה וכיצד ניתן לטפל במחלות שריר הלב. דימות תהודה מגנטית לב וכלי דם (CMR) הפך לכלי הכרחי להערכה מקיפה של אנטומיה ותפקוד הלב. פרוטוקול זה מציג מדידות מפורטות של תפקוד החדר השמאלי של לב העכבר, מאמץ שריר הלב וכוחות המונמיים באמצעות 7-טסלה CMR. ראשית, הכנה של בעלי חיים ומיקום בסורק מוצגים. סריקות סקר מבוצעות לתכנון פרוסות הדמיה בתצוגות שונות לטווח קצר וארוך. סדרה של סרטים פוטנציאליים המופעלים על ידי אק"ג קצר (SA) (או תמונות CINE) נרכשים המכסים את הלב מפסגה לבסיס, ולוכדים שלבים סיסטוליים וקצוות דיאסטוליים. לאחר מכן, תמונות CINE מגודרות בפרספקטיבה נרכשות בתצוגת SA באמצע ההמצאה, ובתצוגות של 2, 3 ו-4 תאים, שישוחזרו לתמונות CINE ברזולוציה גבוהה-זמניות באמצעות תוכנת CINE שנבנתה בהתאמה אישית וקוד פתוח. תמונות CINE מנותחות לאחר מכן באמצעות תוכנת ניתוח תמונה CMR ייעודית.

תיווג גבולות אנדומיוקרדיים ואפיקרדיים בתמונות CINE קצה-סיסטוליות וקצוות-דיאסטוליות מאפשר חישוב של כרכים סיסטוליים וקצוות, שבר פליטה ותפוקת לב. תמונות SA CINE באמצע ה-1222 מיועדות לכל מסגרות זמן הלב כדי לחלץ עקומת זמן נפח מפורטת. נגזרת הזמן שלה מאפשרת את חישוב הפונקציה הדיאסטולית כיחס של גלי המילוי המוקדמים והתכווצות האיתנים. לבסוף, קירות הלב השמאליים של חדרי הלב בתצוגות של 2, 3 ו-4 תאים מסומנים באמצעות מעקב אחר תכונות, שממנו מחושבים פרמטרי מאמץ שריר הלב האורך וכוחות המודינמיים השמאליים. לסיכום, פרוטוקול זה מספק כימות ויוו מפורט של הפרמטרים לב העכבר, אשר ניתן להשתמש בהם כדי ללמוד שינויים זמניים בתפקוד הלב במודלים שונים של עכבר של מחלות לב.

Introduction

תהודה מגנטית לב וכלי דם (CMR) בבעלי חיים קטנים מספקת מדידת ויוו מדויקת של תפקוד שריר הלב, מה שהופך את CMR לכלי אופטימלי למחקר פרה-אקליני במחלות לב וכלי דם. בשל הרזולוציה המרחבית הגבוהה וניגודיות גבוהה בין דם לשריר הלב בתמונות CMR, ניתן לשנווט את קווי המתאר האנדו והאפיקרדיים ולחשב את מסת שריר הלב וכרכים חדריים^1,2. למרות קצב הלב הגבוה של עד 600 פעימות/דקה, השימוש באלקטרוקרדיוגרמה (ECG) ובהפעלת נשימה מאפשר מדידות באיכות גבוהה של שלבי לב שונים (הנקראים גם תמונות CINE) ללא ממצאי תנועה נשימתית. בדרך זו, פרוסות מרובות ניתן להשתמש כדי לכסות את הלב מפסגת לבסיס כדי לחלץ פרמטרים פונקציה סיסטולית כגון שבר פליטה (EF), נפח סיסטולי קצה (ESV), נפח דיאסטולי קצה (EDV) ופלט לב (CO)³. מלבד הערכת תפקוד סיסטולי בסיסית, טכניקות CMR נוספות פותחו לאחרונה כדי^להעריךתפקוד דיאסטולי 4 , זן שריר הלב⁵, וכוחות המודינמיים (HDF)⁶.

ECG gating מאפשר סנכרון למחזור הלב על ידי הפעלת רכישת אותות MR לאחר זיהוי של R-שיא והקלטת מספר מוגדר של שלבי לב במהלך מרווח R-R. עם זאת, מספר שלבי הלב (קצב פריימים) שניתן לרכוש בדרך זו תלוי בזמן החזרה הנמוך ביותר האפשרי (TR) שהמערכת יכולה להגיע אליו תוך שמירה על יחס אות לרעש מקובל (SNR) ורזולוציה מרחבית⁴. יתר על כן, מכיוון שהשימוש בשיפועי שדה מגנטי גבוהים יכול לעוות באופן זמני את אות האק"ג, הרכישה נעצרת בדרך כלל לפני השלב הסופי-דיאסטולי. שני הגורמים מגבילים את השימוש בסריקות כאלה להערכות תפקוד סיסטוליות, שכן חישוב של פרמטרים תפקודיים אחרים של הלב דורש הגדרה טובה יותר של עקומת זמן הנפח של החדר השמאלי (LV).

ניתן לרכוש תמונות CINE בקצב פריימים גבוה על ידי גטינג רטרוספקטיבי, לפיו אות MR נרכש ברציפות במהלך הסריקה, והד נווט משולב לאחר עירור בתדר רדיו (RF) מזהה תנועה לבבית ונשימה. מכיוון שרכישת CMR מבוצעת באופן אסינכרוני עם תנועת הלב, ניתן להקצות את אותות ה- MR שנרכשו למספר נבחר בדיעבד של מסגרות לב. בדרך זו, אם נאספים מספיק נתונים, ניתן לשחזר תמונות CINE בקצב פריימים גבוה^4,7. לאחר מכן זה מאפשר הערכת פונקציה דיאסטולית, המיוצגת על ידי היחס בין שיעור המילוי המוקדם שיא (E') ושיעור מילוי מאוחר שיא מהתכווצות אצ"ל (A').

במחקר קליני, תמונות CINE ניתן לנתח עם CMR מעקב תכונה כדי להעריך את זן שריר הלב HDF^6,8. זן שריר הלב הוא פרמטר עיוות לב המודד את ההבדל באחוזים בין האורך ההתחלתי (בדרך כלל באורך דיאסטולי קצה) לבין אורך מקסימלי (בדרך כלל בסוף-systole) של קטע שריר הלב⁹. מדידות מאמץ שריר הלב יכולות להיות בעלות ערך מצטבר להערכת תפקוד LV כערכי המתח לכמת את קיצור הקיר והעיבוי של קיר שריר הלב. ירידה בתפקוד קיצור עשוי להיות אינדיקציה לנזק סיבים תת-קרדיאלי¹⁰. שינויים בזן שריר הלב יכול להתרחש ללא תלות EF והוא יכול להיות הקדמה עבור סיבוכים הבסיסיים.

באופן ספציפי, זן האורך העולמי (GLS) וזן היקף גלובלי (GCS) הוכחו להיות בעל ערך מוסף באפיון מחלות לב^10,11,12. באופן דומה, HDF הוצע להיות פרמטר חדשני פוטנציאלי כדי להצביע על תפקוד לב שונה^6,13. שיפועי לחץ HDF או בין-חדריים אלה (IVPG) מניעים את תנועת הדם במהלך פליטה ומילוי של הלב ומושפעים מחילופי המומנטום בין דם לשריר הלב, כולל שסתום אבי העורקים והמיטרלי^14,15.

במחקר זה, פרוטוקול מקיף מתואר לביצוע מדידות CMR קטנות וחזקות של בעלי חיים כדי לכמת את תפקוד LV, זן שריר הלב, ו- HDF של לבבות עכבר. הוא מכיל את השלבים הדרושים להכנת בעלי חיים, רכישת נתונים באמצעות תמונות CINE מגודרות פוטנציאליות ובדיעבד של הלב, כמו גם ניתוח עם תוכנה ייעודית המסוגלת לחשב את המדידות נפחיות, יחס E'/A, זן שריר הלב, HDF של הלב. פרוטוקול זה יכול לשמש להערכה נרחבת של פונקציית LV במודלים שונים של מחלות לב וכלי דם.

Protocol

הניסויים בבעלי חיים המתוארים נערכים בהתאם להנחיות האיחוד האירופי לרווחת חיות המעבדה (הנחיה 2010/63/האיחוד האירופי) ואושרו על ידי ועדת האתיקה של המרכז הרפואי האקדמי לאתיקה של בעלי חיים.

1. התקנה והכנה לבעלי חיים

1. לפני תחילת הניסוי, ודא שיש מספיק הרדמה איזופלוריין לפחות 2 שעות, וכי הסוללה הזמינה עבור אק"ג וניטור נשימה הוא טעון מספיק. ודא שאזור הסורק מצויד בצינור חילוץ אדים עובד כדי להסיר איזופלוראן עודף.
2. הכן את עריסת העכבר (איור 1A), והדליק את מערכת חימום בעלי החיים עם הטמפרטורה מוגדרת ל 40 °C (50 °F). הכן את מודול ממשק האק"ג/הנשימה ואת הגדרת הסוללה (איור 1B), והפעל את התוכנה לניטור בזמן אמת של אותות אק"ג ונשימה (איור 1C).
3. הסר את העכבר מכלוב הדיור שלו ולמדוד את משקל הגוף.
4. מניחים את העכבר בתא אינדוקציה הרדמה תחת זרוע חילוץ אדים, ומספקים 3-4% איזופלוראן בתערובת של 0.2 ליטר / דקה O₂ ו 0.2 L / min אוויר רפואי. לאחר החיה הוא מרדים לחלוטין, להחיל טיפה קטנה של משחת העין על כל עין, ולסגור את העפעפיים של העכבר.
5. מקם את העכבר במצב ה- supine על עריסת העכבר. חברו את החותכות של העכבר בסרגל הנשיכה בעריסת העכבר, והתאמו את חרוט האף כך שיתאים כראוי(איור 1A). בדוק חזותית אם הנשימה יציבה מתחת 100 נשימות / דקה, ולהפחית את isoflurane כדי ~ 2% במהלך הכנת בעלי חיים.
6. הזז את עריסת העכבר כך שהלב ממוקם בחלק של מחזיק העריסה שבסופו של דבר במרכז סליל RF ו- iso-center של המגנט.
7. השתמש בג'לי נפט כדי להכניס את בדיקת הטמפרטורה רקטלית, ולהדביק את כבל הסיבים האופטיים של בדיקת הטמפרטורה לעריסת העכבר.
8. מניחים את בלון הנשימה על הבטן התחתונה של העכבר ומאבטחים אותו עם סרט הדבקה. הכנס שתי מחטי אלקטרודה א.ק.ג. תת עורית בבית החזה בגובה הפתחים והדבק אותן בעדינות כדי למנוע תנועה (איור 1A).
9. בדוק אם אותות נשימה וא.ק.ג הם באיכות מספקת, והאם נקודות ההדק הנכונות מזוהות על ידי התוכנה (איור 1C).
   1. ודא קצב הנשימה הוא 50-80 נשימות / דקה, קצב הלב ~ 400-600 פעימות / דקה, וטמפרטורת הגוף סביב 37 °C (50 °F). התאם את ניהול isoflurane כאשר קצב הנשימה הוא מחוץ לטווח זה, ולהפחית את הטמפרטורה של מערכת חימום בעלי חיים אם טמפרטורת הגוף נוטה לעלות על 37 °C (50 °F).
10. מקם את סליל ה- RF מעל העכבר.
    הערה: בהתאם למערכת, זה עשוי לדרוש ניתוק זמני של אלקטרודות אק"ג ותקעים בלון נשימה ממודול ממשק אק"ג / נשימה.
11. חבר את כבלי סליל, ומניח את העריסה במגנט משעמם. בדוק אם אות האק"ג עדיין יציב.
    1. אם אות האק"ג הוא suboptimal, למקם מחדש את אלקטרודות אק"ג עבור אות טוב יותר, כמו זה לא יכול להיעשות בשלב מאוחר יותר מבלי לשנות באופן משמעותי את הכיוון של החיה.

איור 1: הכנת בעלי חיים והגדרת ציוד להדמיית CMR של לב העכבר. (A)עכבר מורדם לחלוטין בתנוחת supine, ממוקם בעריסת העכבר המחוממת עם כרית פנאומטית נשימתית המונחת על הבטן, חיישן טמפרטורה סיבים אופטיים רקטליים, ומובילים א.ג.ג'י תת עורי בחזה ליד הפתחים. (B)סליל גוף העכבר שהונח מעל עריסת העכבר, עם מוליכי אק"ג וכרית נשימה מחוברת מחדש לאק"ג ולממשק הנשימה לפני הצבת המחזיק במגנט ה- MRI. (C)תיאור של אותות אק"ג ונשימה בתוכנת ניטור בעלי חיים קטנה ייעודית. שיא ה- R של אות האק"ג מזוהה ומשמש כנקודת התחלה לרכישת אותות MRI. ניתן לכוונן באופן ידני תקופת ריקנות בין פסגות R בהתבסס על תקופת פעימת הלב. הפעלת יכול להתרחש רק במהלך רמת הנשימה (קו ירוק בלוח האמצעי) שעבורו ניתן להתאים באופן ידני את ההשהיה ההתחלה והרוחב המרבי. קיצורים: CMR = הדמיית תהודה מגנטית לב וכלי דם; אק"ג = אלקטרוקרדיוגרמה; MRI = הדמיית תהודה מגנטית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

2. כיול סריקת MRI והפעלת סריקה

1. התאם את הפרמטרים אק"ג ו gating נשימתי בתוך תוכנת ניטור האות, כך נקודות ההדק נוצרים ב R-פסגות ורק במהלך החלק השטוח של אות הנשימה. כדי למזער שגיאות gating אק"ג, הגדר תקופת ריקה קצרה ב- 10-15 מיליותיות מרווח הזמן R-R.
   הערה: יש להתאים תקופת ריקה זו במהלך הניסוי כולו אם מתרחשים שינויים בקצב הלב.
2. בצע כיול תדר מרכזי וסריקה סטנדרטית (ungated) SCOUT עם אפס היסט כדי לקבוע את מיקום העכבר בסורק בכיוונים קורונליים, ציריים ושעון קשתי. אם הלב אינו ממוקם בטווח של 0.5-1 ס"מ ממרכז שדה הראייה (FOV), התאם את מיקום העריסה בהתאם ו בצע מחדש את סריקת SCOUT.
3. בצע כיול שיים ו- RF ידני בשיטות ספק זמינות.

3. סריקת תכנון ורכישה

הערה: ראה טבלה 1 לקבלת פרמטרי סריקה מפורטים של הסריקות הבאות.

1. בהתבסס על ה- SCOUT הראשוני, בצע סריקת סיור מגודרת של Echo הדרגתי (GRE) בגראונד פריים יחיד(טבלה 1,סריקה 1) עם 5 פרוסות ב-3 כיוונים אורתוגונליים, ומיקם כל ערימת פרוסות במיקום המשוער של הלב כדי לאתר את המיקום המדויק של הלב(איור 2A).
2. בצע סריקת סקאוט SA מרובת פרוסות(טבלה 1,סריקה 2). כדי לכך, השתמש בסייר GRE הקודם כדי למקם 4-5 פרוסות בתנוחת חדר שמאל בינונית, בניצב לציר הארוך של הלב כדי למצוא הערכה ראשונית של תצוגת SA באמצע המאה ה-20, הדרושה לתכנון הסקאוט הדו-תאי בעל הציר הארוך (איור 2B).
3. עבור הסריקות הפוטנציאליות הבאות (שלבים 3.4-3.6), התאם את מספר מסגרות הלב (Nframes) כך Nframes × TR הוא ~ 60-70% של מרווח R-R.
   הערה: רכישה עבור 60-70% מרווח R-R מספיק כדי ללכוד את השלב הסופי-דיאסטולי של מחזור הלב, תוך מתן אפשרות הרפיה T1 נוספת במהלך סוף דיאסטולה עבור SNR משופר ומניעת הפרעה של R-שיא הבא על ידי מעבר הדרגתי.
4. בצע סריקת GRE מגודרת פרוסה אחת כדי ליצור את הציר הארוך 2 תאים (2CH) סקאוט, אשר בשילוב עם סריקת SA, יש צורך לתכנן את 4 תאים (4CH)(טבלה 1,סריקה 3). כדי לשים קץ זה, מקם פרוסה בניצב לתצוגות שיוך ההפעלה הקודמות הפועלות במקביל לנקודות החיבור בין החדר השמאלי והיני. הזז פרוסה זו לאמצע החדר השמאלי, ובדוק את התמונה הקורונה של סייר GRE אם הפרוסה מיושרת עם הציר הארוך של LV כך שהיא ממוקמת דרך השיא (איור 2C).
5. בצע סריקת GRE מגודרת נוספת עם פרוסה אחת כדי ליצור את סריקת הסקאוט בעלת 4 התאים (4CH), הדרושה לתכנון שיוך ה- SA הרב-פרוסתי וסריקת 3 התאים(טבלה 1,סריקה 4). כדי לכך, למקם פרוסה בניצב לסריקת הסקאוט 2CH, וליישר למרכז הציר הארוך כך הפרוסה עוברת דרך השסתום המיטרלי ואת השיא. בתצוגות SA, התאימו את הפרוסה כך שהיא ממוקמת במקביל לקיר האחורי והיומי ובין שני שרירי הפפילרי(איור 2D). בדוק אם הפרוסה נשארת במרכז החדר לאורך כל מחזור הלב.
6. בצע סריקת SA GRE מרובת פרוסות מגודרת(טבלה 1, סריקה 5) למדידות פונקציה סיסטוליות. כדי לכך, מקמו פרוסה באמצע ה-1000 לציר הארוך של LV בתצוגות 2CH ו-4CH במרכז הלב, והגדילו את מספר הפרוסות (בדרך כלל מספר אי זוגי, למשל 7 או 9 פרוסות, ללא רווח בין הפרוסות) כדי לכסות את הלב מבסיס לשיא(איור 2E).
7. עבור הסריקות המגודרות הבאות בדיעבד (שלבים 3.8-3.9), כבה את כל פונקציונליות הג'יטינג הלב והנשימה הפוטנציאלית. שימו לב לקצב הלב והנשימה לפני ואחרי כל סריקה מגודרת בדיעבד, והשתמשו בערכים אלה למטרות שחזור מאוחר יותר (שלב 5.2.2).
8. בצע שלוש סריקות GRE מגודרות בדיעבד בתצוגת SA באמצע המחצית (לכימות יחס E'/A), 2CH ותצוגת 4CH, השניים האחרונים הנחוצים לכימות זן שריר הלב וערכי HDF(טבלה 1,סריקה 6-8). במידת הצורך, מיטוב את כיווני הפרוסה הסופיים של 2CH ו- 4CH בהתבסס על תצוגות SA מרובות פרוסות, כמו גם על סריקות הסקאוט הזמינות של 2CH ו- 4CH.
9. בצע סריקת GRE מגודרת בדיעבד נוספת בתצוגת GRE תלת-תאית (3CH), בשילוב עם תצוגת 2CH ו- 4CH משלב 3.8 נחוצה לכימות זן שריר הלב וערכי HDF(טבלה 1,סריקה 9). כדי לשים קץ זה, למקם פרוסה בניצב לתצוגת SA באמצע הקומה הדומה למיקום של הנוף הסופי של ציר ארוך 4CH, ולהפוך את הפרוסה 45 ° כדי לעבור מהקיר הקדמי לשריר הפפילרי הקרוב ביותר לקיר האחורי. בדוק את פרוסת SA בזאלי כדי לראות אם הפרוסה עוברת דרך שסתום מיטרלי אבי העורקים. בדקו בתצוגת 4CH הסופית של הציר הארוך אם הפרוסה עוברת דרך השיא (איור 2F).

איור 2: תכנון פרוסות להדמיית CMR בעכבר. (א)GRE SCOUT מתכנן דרך הלב ב 3 תצוגות אורתוגונליות באמצעות סריקת סקאוט ראשונית. (ב)סיור ציר קצר מתכנן על גר"פ סקאוט קורונל ופרוסות קשת. (C)תכנון תצוגת סייר 2CH באמצעות הסקאוט בציר הקצר ופרוסת קורנל GRE SCOUT. (ד)תכנון תצוגת סייר 4CH באמצעות הסקאוט בציר הקצר וסקאוט 2CH. (ה)תכנון תצוגת הציר הקצר מרובת הפרוסות באמצעות סיירי 2CH ו- 4CH. (F)(משמאל) תכנון של תצוגות סופיות של 2CH, 3CH ו- 4CH באמצעות ציר קצר באמצע המאה ותצוגות סקאוט של 2CH / 4CH. קיצורים: CMR = הדמיית תהודה מגנטית לב וכלי דם; GRE = הד הדרגתי; CH = תא. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

סריקת מספרים	1	2	3	4	5	6-9
שמות סריקה	סקאוט GRE	סקאוט שיוך רב-פרוסות	סקאוט 2CH	סקאוט 4CH	שיוך רב-פרוסות	SA, 2CH, 4CH, 3CH
סה"כ פרוסות	15 (3 x 5)*	4-5	1	1	7-9	1
עובי (מ"מ)	1	1	1	1	1	1
FOV (מ"מ)	60	35	30	30	35	30
יחס FOV	1	1	1	1	1	1
הפוך זווית	40	20	20	20	20	15
TE (ms)**	3.8	3.4	2.5	2.5	2.5	3.6
TR (ms)	200	1 R-R	7	7	7	8
מסגרות Nframe	1	1	12-14	12-14	12-14	32 ***
גודל מטריצה	192 x 192	192 x 192	192 x 192	192 x 192	192 x 192	192 x 192
מפעיל אק"ג	לא	כן	כן	כן	כן	רטרוספקטיבה
הפעלת נשימה	כן	כן	כן	כן	כן	רטרוספקטיבה
ממוצעים	1	3	5	5	5	רטרוספקטיבה ****
זמן הדמיה כולל (מוערך *****)	2 דקות	2 דקות	3-4 דקות	3-4 דקות	20-25 דקות	13 דקות / סריקה

טבלה 1: פרמטרי רכישה עבור כל רצף המשמש במהלך פרוטוקול CMR. * הסריקות מבוצעות בשלושה אוריינטציות אורתוגונליות שונות (צירי, קורונל, קשת). **נעשה שימוש ב- TE הקצר ביותר האפשרי, בהתחשב בכל הפרמטרים האחרים, התלויים בתצורת הסורק הספציפית. זהו מספר מסגרות הלב לאחר ביננינג רטרוספקטיבי. ממוצע יעיל תלוי במילוי k-space אקראי במהלך זמן הרכישה הכולל. בסך הכל בוצעו 400 חזרות על כל קווי ה- k. כולל אק"ג/נשימה מפעיל עיכובים. קיצורים: CMR = הדמיית תהודה מגנטית לב וכלי דם; אק"ג = אלקטרוקרדיוגרמה; GRE = הד הדרגתי; FOV = שדה תצוגה; TE = זמן הד; TR = זמן חזרה; Nframes = מספר מסגרות לב; SA = ציר קצר; CH = תא. נא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

4. סיום הניסוי ואחסון הנתונים

1. הסר את העכבר מן העריסה לאחר ניתוק כל ציוד המדידה האחר, ולכבה את ההרדמה. במקרה של ניסויים אורך, למקם את העכבר בכלוב דיור מחומם מראש ב 37 °C (50 °F) להתאוששות עד החיה ערה ופעילה.
2. נקה את כל הציוד ששימש עם מגבונים לניקוי או 70% אלכוהול.
3. צור קבצי הדמיה דיגיטלית ותקשורת ברפואה (DICOM) עבור נתוני MRI מגודרים פוטנציאליים, והעתק אותם יחד עם קבצי הנתונים הגולמיים של MRI של הסריקות המגודרות בדיעבד לשרת מאובטח לניתוח נתונים עוקב.

5. שחזור לא מקוון של הסריקות שנרכשו בדיעבד

הערה: לשחזור הסריקות המגודרות בדיעבד, נעשה שימוש בתוכנת קוד פתוח שנבנתה בהתאמה אישית (איור 3). בצע את השלבים הבאים עבור כל אחד מהנתונים המופעלים בדיעבד בנפרד.

1. פתח את תוכנת השחזור רטרוספקטיבה, לטעון את קובץ הנתונים הגולמי המתאים סריקת MRI מגודרת בדיעבד.
2. בדוק את אות הנווט Raw, ושים לב כי פסגות האות הגבוהות יותר מייצגות את תדירות הנשימה ואת פסגות האות התחתון מייצגות את קצב הלב.
   1. אם הפסגות רשומות במהופך, הפוך את האות באמצעות מתג למעלה/למטה.
   2. בנוסף, בדוק אם הדופק שזוהה באופן אוטומטי מתאים ל- 10% מהערכים שנצפו במהלך כל סריקה. אם לא, התאם ערכים אלה באופן ידני מאחר שזיהוי אוטומטי נכשל.
   3. בחר אחוז חלון מתאים עבור אי הכללת נתונים במהלך תנועה נשימתית, בדרך כלל 30%.
3. לחץ על מסנן כדי לבצע את ניתוח הנווט ולהפריד את נווט הלב מהנווט הנשימתי.
4. הגדר את מספר מסגרות CINE ל- 32 (ערך המשמש במחקר זה) והקש על מיון k-space.
5. בחר הגדרות מתאימות להסדרת חישה דחוסה (CS) והקש על שחזור. השתמש בפרמטרי ההסדרה האופייניים הבאים: פרמטר הסדרת גלים בממדים המרחביים (x, y ו- z) (WVxyz) 0.001 או 0; אילוץ וריאציה כולל בממד CINE (TVcine) 0.1; אילוץ וריאציה כולל בממד מרחבי (TVxyz) 0; ואילוץ וריאציה כולל בממד הדינאמיקס (TVdyn) 0.05.
6. לאחר סיום השחזור, הצג בתצוגה מקדימה את הסרט CINE כדי להעריך את השחזור. יצא תמונות DICOM לניתוח נוסף באמצעות ייצוא DCM.

איור 3: 'רטרוספקטיבה' המפעילה ממשק משתמש גרפי. 'רטרוספקטיבה' הוא יישום שחזור שנבנה בהתאמה אישית לסריקות הדמיית תהודה מגנטית לבבית המופעלות בדיעבד. בממשק המשתמש, ניתן להעריך את אות הנווט, להתאים את מספר מסגרות CINE שיש לשחזר, להתאים את פרמטרי החישה הדחוסים כדי לשפר את השחזור, להציג בתצוגה מקדימה את תמונות CINE כסרט דינמי ולייצא את הנתונים המשוחזרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

6. תוכנה לניתוח תמונה

הערה: תוכנת ניתוח התמונה (איור 4) דורשת שימוש בתמונות DICOM ויש לה תוספים מרובים עבור יישומי ניתוח לב וכלי דם שונים, כגון התוסף למדידות נפחיות והתוסף לניתוח מאמץ ו- HDF.

1. להערכה נפחית של ה-LV, בחר את סריקת שיוך ה- SA מרובת הפרוסות וטען אותה לתוסף למדידות נפחיות.
   1. הקצה תוויות קצה סיסטוליות (ES) וסוף דיאסטולי (אד) למסגרת הלב המתאימה.
   2. השתמש בכלי קווי המתאר כדי לפלח את גבולות אנדומיוקרדיוקרדיאל במסגרות ES ו- ED.
      הערה: תוכנת הניתוח, המשמשת לפרוטוקול זה, מציגה באופן אוטומטי את הפרמטרים LV EF, EDV, ESV כאשר כל הביאורים הדרושים נעשו.
2. למדידות דיאסטוליות, בחרו את תמונות SA CINE באמצע ההמצאה וטענו אותן לתוסף למדידות נפחיות.
   1. הקצה את תוויות אד ו- ES למסגרות הלב המתאימות.
   2. השתמש בכלי קווי המתאר כדי לפלח את גבול אנדוקרדיאלי עבור כל המסגרות. השווה את הפילוח של מסגרות שכנות כדי להבטיח מעברים חלקים של הפילוח לאורך מחזור הלב.
   3. לייצא את התפתחות הזמן מכל מסגרות הלב ואת נפחי אנדומיוקרדיו המקבילים LV (LV ENDO). החל קובץ Script מותאם אישית (ראה חומר משלים) כדי לחשב את יחס E'/A.
      הערה: התסריט מחיל מסנן Savitzky-Golay לחישוב חזק של עקומות dV/dt ומשתמש בזיהוי שיא חצי אוטומטי כדי למצוא את פסגות E' ו- A.
3. לחישובי מאמץ ו-HDF, בחר את התמונות CINE בעלות צירים ארוכים של 2CH, 3CH ו-4CH, וטען אותן לתוסף למדידות נפחיות.
   1. הקצה את תוויות אד ו- ES למסגרת הלב המתאימה בכל כיוון פרוסה.
   2. השתמש בכלי קווי המתאר כדי לפלח את גבול אנדוקרדיאלי עבור כל המסגרות בכל 3 הכיוונים. השווה את הפילוח של מסגרות שכנות כדי להבטיח מעברים חלקים של הפילוח לאורך מחזור הלב.
   3. לאחר קווי המתאר נמשכים בתוסף למדידות נפחיות, הפעל את התוסף עבור המתח וניתוח HDF.
   4. הקצה כל אחת מערכות הנתונים שנרכשו לתוויות המתאימות עבור תצוגות 2CH, 3CH ו- 4CH, ובצע את ניתוח המתח.
   5. לניתוח HDF, לצייר את הקוטר של שסתום מיטרלי במסגרת הסופית-דיאסטולית בכל 3 כיוונים, ולצייר את הקוטר של אבי העורקים בתמונה 3 תאים ארוך ציר.

איור 4: ממשק משתמש גרפי שלתוכנת ניתוח תמונה. התוסף למדידה נפחית בתוכנת ניתוח התמונה, המשמשת לתיאום הגבול האנדומיוקרדי. עבור כל ערכת נתונים, נבחרים שלבי הלב הסופי-דיאסטוליים והסיסטוליים, והגבול האנדומיוקרדי מחולק לכל המסגרות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Results

באמצעות הפרוטוקול שתוארה בעבר, קבוצה של עכברי C57BL/6 בריאים מסוג בר (n = 6, גיל 14 שבועות) נסרקה באמצעות סורק MRI 7-טסלה באמצעות סליל כלוב ציפורים בקוטר 38 מ"מ. במהלך כל מפגש סריקה, תמונות CINE SA מרובות פרוסות נרכשו באמצעות רצפי GRE מגודרים פוטנציאליים, בעוד שתמונות ה- SA, 2CH, 3CH ו- 4CH של תצוגות CINE בעלות פרוסה חד-פעמיות נרכשו באמצעות גטינג רטרוספקטיבי. שחזורים מייצגים של קצב פריימים גבוה של סריקות מגודרות בדיעבד באמצעות תוכנה מותאמת אישית, לאחר עיבוד ניתן לראות בסרטון משלים 1. מהתמונות שהתקבלו, עקומות זמן נפח במהלך מחזור הלב(איור 5A) נקבעו,כמו גם העקומות הנגזרות הראשונות המתאימות (dV/dt) לחישוב של סיסטולי (EF = 72.4 ± 2.8%) ופרמטרים של פונקציה דיאסטולית (יחס E'/A' = 1.5 ± 0.3) בהתאמה.

תמונות CINE של 2CH, 3CH ו- 4CH נותחו באמצעות תוכנת ניתוח תמונה כדי לקבוע שינויים ב- GLS אנדוקרדי (endoGLS) על פני מחזור הלב (איור 5B) וערכי שיא GLS תואמים (-22.8 ± 2.4%) כמדד לזן שריר הלב. בנוסף, התוכנה מחשבת את ה- HDF הריבועי הממוצע השורשי (RMS) בכיוונים אורכיים (בסיס שיא) (135.2 ± 31.7%) וכיוונים רוחביים (שטם-אנטרוזפטלי) (12.9 ± 5.0%). עבור כל בעל חיים, ניתן גם לייצר פרופיל זמן HDF, אשר עוקב אחר דפוס עקבי של פסגות חיוביות ושליליות המייצגות את הגודל והכיוון של ה- HDF במהלך מחזור הלב (איור 5C). התוצאות התיאורטיביות של כל פרמטרי התוצאה מסוכמות באיור 5D.

איור 5: כימות הפרמטרים הפונקציונליים של LV בהתבסס על לב העכבר. (A) עקומת זמן נפח מייצגת ועקומת dV/dt תואמת. האחרון מתאר את מהירות הזרימה עם פסגת מילוי מוקדמת מובחנת (E') ופסגת התכווצות האיתור (A'). (B)עקומת GLS מייצגת המציינת עיוות מאמץ בכיוון האורך לאורך מחזור הלב. (C)עקומת HDF מייצגת עם פסגות כוח נפרדות בכיוון הבסיס, החל מכוח הפליטה הסיסטולי ואחריו כוח כלפי מטה במעבר בין סיסטולה לדיאסטולה, כוח האטה של גלי E, האצת גל A וכוח האטה. (D)תוצאות תיאוריות של כל בעלי החיים עבור ערכים של יחס EF, E'/A, שיא GLS, ריבוע ממוצע השורש של HDF בכיוונים בסיסיים-על-בסיסיים ונחיתים-anteroseptal. ערכים באים לידי ביטוי כממוצע ± SD. קיצורים: LV = חדר שמאלי; V = אמצעי אחסון; t = זמן; GLS = זן אורך גלובלי; HDF = כוחות המודינמיים; EF = שבר פליטה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

סרטון משלים 1: שחזור מייצג של תמונות CINE מגודרות בדיעבד בתצוגות SA, 2CH, 3CH ו- 4CH. קיצורים: SA = ציר קצר; CH = תא. אנא לחץ כאן כדי להוריד וידאו זה.

חומר משלים: אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

הפרוטוקול המוצג מתאר את השימוש בהדמיית CMR לניסויים אורך, לא פולשניים, ב- vivo לניתוח תפקוד הלב בעכברים. תוצאות אלה הן דוגמאות של בעלי חיים בריאים כדי להדגים את ההיתכנות של שימוש בתמונות CINE כדי לכמת את הפרמטרים הלב. עם זאת, השיטות המתוארות יכולות לשמש עבור מודלים שונים של בעלי חיים. למרות מודלים מסוימים של מחלות עשויים לדרוש שינויים קטנים בפרוטוקול, המבנה הבסיסי שלה כדי להעריך את הפרמטרים הפונקציונליים הלב השונים יהיה דומה מאוד. מקרה אחד מסוים שראוי להזכיר הוא מודל אוטם שריר הלב שבו חלק מהלב יש אובדן משמעותי התכווצות. זה יכול לגרום לאיכות נמוכה של אות נווט הלב בתוך פרוסה זו. במקרה זה, אפשרות חלופית תהיה רכישת הנווט מפרוסה נפרדת, כפי שתואר במחקר קודם של קולן ואח^'16. תמונות CINE בתצוגות שונות משוחזרות מנתונים מגודרים בדיעבד באמצעות אלגוריתמים של CS ומנותחות באמצעות תוכנת ניתוח תמונה כדי לחשב את ערכי המתח וה- HDF.

איכות התמונות שנרכשו תלויה באופן טבעי בכל שלבי ההכנה, אשר צריך להתבצע בקפידה לפני תחילת פרוטוקול MRI הלב. לדוגמה, אם לא נראה א.ק.ג ברור ואותות נשימתיים בעת הצבת החיה בתוך סורק ה- MRI, סביר להניח שהדבר יגרום לרכישות תת-אופטימליות ואף להגדלת זמני הסריקה עקב ההשפעה הנוספת של עיוותים מגנטיים¹⁷. חשוב להבין כי בשל התכנון הרציף של כיווני הפרוסה, לא ניתן למקם מחדש את בעלי החיים בין הסריקות. לכן לא ניתן להתאים מחדש את הפניות האק"ג בין סריקות, שכן זה ישנה את המיקום של העכבר בסורק. במהלך הסריקה, בקרת הטמפרטורה חיונית לשמירה על מרווח לב ונשימה קבוע, אשר מועיל במיוחד לאיכות הסריקות המגודרות בדיעבד שנרכשות על פני תקופה ארוכה יותר של זמן. במהלך סריקה זו במחזור גבוה, הטמפרטורה של החיה עשויה לעלות בהתמדה, מה שגורם לקצב הלב ולקצב הנשימה לעלות. התאמת טמפרטורת מערכת החימום וההרדמה יכולה לתרום רבות לייצוב קצב הנשימה לפני או במהלך הסריקה.

צעד קריטי במהלך הניתוח הוא העקביות בציור קווי המתאר. בעוד פילוח אוטומטי עובד היטב עבור נתונים קליניים, זה לא מבצע בחוזקה במקרה של נתוני לב העכבר (לא נבדק לחולדות). קצב הלב הגבוה וזרימת הדם הגבוהה בשלבי לב ספציפיים, במיוחד בתחילת מילוי LV, עלולים לגרום להפחתת דגשים תוך-וווקסל וחללי איתות, תוך פגיעה בפתיון דופן שריר הלב. לכן לא מומלץ לנתח כל מסגרת באופן עצמאי, אבל חזותית לבדוק את התנועה של הקיר שריר הלב בין מסגרות ולקחת את זה בחשבון בעת ציור קווי המתאר על פני כל המסגרות. מומלץ להעתיק ולהתאים את קווי המתאר אנדוקרדיאלי בין שתי מסגרות רצופות כדי לשמור על תנועה התכווצות טבעית יותר בניתוח. בפרוטוקול זה, שרירי הפפילרי אינם נכללים בנפח לומן חדרית בתמונות SA להערכת תפקודים סיסטוליים ודיאסטוליים, בעוד שהם כלולים בתצוגות 2CH, 3CH ו- 4CH לניתוח מאמץ ו- HDF מכיוון שהאחרון מסתמך על ידע על התנועה המדויקת של דופן שריר הלב, ולא על הנפח המדויק של לומן החדר.

בעוד פרמטרי פונקציה סיסטולית ודיאסטולית מבוססים על מדידת נפחי LV לאורך מחזור הלב, פרמטרים של מאמץ ו- HDF תלויים בדפוסי תנועה בתוך קיר שריר הלב גם כן. לשם כך, טכניקות מעקב אחר תכונות משמשות כאשר ניתן להעריך את ההעתקה של מקטע שריר הלב על ידי זיהוי תכונות אנטומיות ברורות ועוצמות אותות בין שלבי CINE הבאים. הניגוד החזק בין בריכת הדם לשריר הלב בתמונות CMR מקל על השימוש במעקב אחר תכונות עבור זן עוקב וניתוח HDF⁸. לפני מעקב התכונות CMR, זן שריר הלב נקבע עם אקוגרף מעקב כתמים ותיוג רקמה CMR. מעקב אחר תכונות CMR אינו דורש זמן סריקה נוסף בהשוואה לתיוג רקמות CMR. עם זאת, למרות השימוש בהפעלת רטרוספקטיבה, CMR עדיין יש רזולוציה זמנית מוגבלת, אשר יכול להקשות להעריך כראוי עיוותים מהירים בתוך מחזור הלב.

הערכה של HDF לאורך מחזור הלב דורשת מדידות של הקטרים של שסתומי מיטרליים והעורקים כדי לחשב את ה- HDF בכיוונים בסיסיים ונחיתות-anteroseptal באמצעות משוואות שתוארו בעבר¹⁸. שיטה זו הראתה הערכות עקביות של ה- HDF בהשוואה ל- MRI תקן הייחוס 4D-flow, אשר יש זמינות מוגבלת בשימוש קליני בשל מורכבותו⁶. חשוב לדעת כי הערכה חזקה של קטר השסתום קשה, ולכן, קטר השסתום צריך להישמר קבוע עבור קבוצה של בעלי חיים על פני מדידות חוזרות במחקר אורך, כמו וריאציות בפרמטר זה על ידי הערכות שגויות יכול בקלות להאפיל על שינויים עדינים בפרמטרים HDF. ייתכן שהתוכנה הספציפית המשמשת לחישוב הפרמטרים GLS ו- HDF לא תהיה זמינה לכל המשתמשים. לכן, ניתן להתייחס Voigt ואח^'19 (GLS) כמו גם Pedrizzetti ואח^'6,20 (HDF), אשר מכילים את כל התיאורים המתמטיים המהווים את הבסיס של החישובים המתאימים כפי שבוצעו על ידי תוכנת הניתוח.

לצורך מחקר זה, הפרוטוקול הוערך בבעלי חיים בריאים (N = 6). ערכה מייצגת של עקומות זמן עבור נפח LV, dV/dt, endoGLS ו- HDF מוצגות באיור 5A-C. ערכים ממוצעים של פרמטרים תפקודיים לבביים מרובים (EF, יחס E'/A,GLS שיא ו- HDF) מוצגים באיור 5D. אלה מסכימים היטב עם פרוטוקולים דומים המשמשים בספרות²¹. ספרות על נתוני GLS ו- HDF בעכברים היא נדירה. נמדד ערך ממוצע של 22.8%-, הנמצא באותו טווח כמו נתונים קליניים⁸, המציין כי מדידות GLS שהושגו בשיטה המתוארת אפשריות בעכברים. עקומות HDF המתקבלות בעכברים מציגות גם את אותם שלבים נפרדים כפי שניתן לראות בנתונים אנושיים, המציגים את התרגום המוצלח של טכניקה זו למחקר פרה-אקליני. בעוד הפרמטרים HDF הם המשוערים לשמש סמנים ביולוגיים מוקדמים של תפקוד לקוי לב, מחקרים נוספים מוצדקים לחקור את הערך האבחוני והתחזיתי של פרמטר חדש זה. התוצאות בפרוטוקול זה מראות כי תוצאות HDF ו- GLS צפויות להיות משתנות יותר על פני בעלי חיים, אשר יש לקחת בחשבון כאשר צפויים הבדלים עדינים במודלים של בעלי חיים או השפעות טיפול.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
<חזק>ציוד
AccuSens מזגן אותות חד ערוצי,	Opsens Solutions Inc., קנדה	ACS-P4-N-62SC	משמש עם חיישן טמפרטורת סיבים אופטיים לניטור טמפרטורת הגוף
משחת עיניים Duratears	Alcon Nederland BV, תא עכבר הולנדי
	ואקוטי; ציוד Vé té rinaire Minerve, צרפת		מכונה עריסת עכבר
תואם MR ניטור & מערכת שער לבעלי חיים קטנים	SA Intuments, Inc., ארצות הברית	דגם 1030	מודול ERT (מודול א.ק.ג/ממשק נשימה), מודול בקרה/שער ERT, מארז סוללות וסט אלקטרודות א.ק.ג תת-עורי
סורק MRI	MR Solutions Ltd., בריטניה	דגם: MRS-7024	מערכת MRI פרה-קלינית 7.0T/24 ס"מ
יחידת בקרת טמפרטורה מרובת תחנות ו-PCA ו-High Flow PCA	É ציוד Vé té rinaire Minerve, צרפת	דגם: URT Multipostes	מערכת חימום בעלי חיים
חיישן נשימה	Graseby Medical Limited, בריטניה	Ref 2005100
סליל RF	MR Solutions Ltd., בריטניה	MRS-MVC	38 מ"מ נפח עכבר סליל RF למחקרי גוף עכבר
מד זרימה SF	מד זרימה, איטליה	SF 3
וופורייזר סיגמא דלתא Intermed	Penlon Ltd., הממלכה
המאוחדתMaterials
Isoflurane	AST farma, הולנד
וזלין וזלין וזלין וזלין	יוניליוור, בריטניה
Software
BART toolbox			https://mrirecon.github.io/bart/
Mathematica 12.0	Wolfram Research, Inc., ארצות הברית
MATLAB 2019a	The MathWorks, Inc., ארצות הברית
MEDIS Suite MR	Medis Medical Imaging Systems BV, הולנד		תוכנת ניתוח תמונות
PC-SAM	SA Intuments, Inc., ארצות הברית
סריקה	פרה-קליניתMR Solutions Ltd., בריטניה		תוכנת סריקה
רטרוספקטיבית גרסה 7.0	Amsterdam UMC, הולנד		תוכנת בנייה: https://github.com/Moby1971?tab=repositories