המערך המוצע מאפשר אוורור מכני מבוקר והדמיית תהודה מגנטית של תנועת בית החזה בתלת מימד בעכברים וחולדות. השתמשנו במערך זה כדי לחקור את הפתופיזיולוגיה העומדת בבסיס תפקוד לקוי של שרירי הנשימה הנגרמת על ידי הנשמה מכנית.
מאמר שיטה
הדמיית תהודה מגנטית תלת מימדית של תנועת נשימה בעכברים וחולדות מאווררים מכנית
* These authors contributed equally
במאמר זה
סיכום
תקציר
הפתופיזיולוגיה של תפקוד לקוי של הסרעפת בחולים מונשמים מכנית עדיין לא הובנה במלואה, ונדרשים מודלים מתאימים של בעלי חיים כדי להתאים למחקר נוסף. הגדרות אוורור מכניות, כגון רמת לחץ הנשיפה החיובי (PEEP), ממלאות תפקיד מכריע. המטרה הייתה לפתח שיטה להדמיית תנועת בית החזה בתלת מימד במהלך הנשמה מכנית של עכברים וחולדות בהגדרות לחץ נשימה שונות. חולדות (Wistar) ועכברים (C57BL/6) הורדמו בתערובת של קטמין, אטרופין ודקסמדטומידין. ההרדמה נשמרה על ידי עירוי רציף דרך קטטר צפק. לאחר מכן, בוצעה טרכאוסטומיה כדי לאפשר אוורור מכני של בעלי החיים. בעלי החיים הוכנסו למערכת MR 7T כשהם מונשמים עם מכונת הנשמה תואמת MR. הדמיית קולנוע תלת מימדית של בית החזה בוצעה באמצעות רצף הד שיפוע תלת מימדי עם מילוי חלל k פסאודו-ספירלי. אות נווט, שנוצר על ידי שיפוע ה-Slice Selecter Rewinder, נרשם בכל TR. שילוב רטרוספקטיבי ושחזור של הנתונים ב-12 מסגרות זמן נשימתיות בוצע באמצעות תוכנה שפותחה בבית. דמיינו בהצלחה את תנועת בית החזה בתלת מימד בשני המינים במהלך הנשמה מכנית, מה שמאפשר לחקור שינויים בגיאומטריית בית החזה לאורך מחזור הנשימה ברמות PEEP משתנות. מצאנו כי שילוב רטרוספקטיבי של מסגרות נשימה היה קל מאוד על ידי קצב הנשימה הקבוע. הפרוטוקול המוצג כאן יכול לשמש לחקר גיאומטריה ותנועה של הלב ובית החזה בעכברים וחולדות מאווררים מכנית.
מבוא
הנשמה מכנית היא אבן הפינה לטיפול באי ספיקת נשימה חריפה ביחידה לטיפול נמרץ. למרבה הצער, זה יכול גם לגרום לפציעה. פגיעה ריאתית הנגרמת על ידי מכונת הנשמה, פגיעה מוחית הקשורה למכונת הנשמה ותפקוד לקוי של הסרעפת הנגרמת על ידי מכונת הנשמה הם דוגמאות לסיבוכים יאטרוגניים הקשורים להנשמה מכנית חריפה 1,2,3. הפתופיזיולוגיה העומדת בבסיס מנגנוני הפגיעה הללו נותרה לא מובנת היטב. עבודה ניסויית בבעלי חיים זיהתה מנגנונים חשובים העומדים בבסיס סיבוכים של הנשמה מכנית, המאפשרים תרגום לפרקטיקה קלינית באמצעות יישום אסטרטגיות אוורור חדשות4. דוגמה עדכנית היא המחקר על ההשפעה של דיסנכרוני מכונות הנשמה על תפקוד הסרעפת בדגמי ARDS חזיריים5. מחקר כזה במודלים של בעלי חיים מאווררים מכנית חיוני להבהרת מנגנוני הפציעה, אפילו עם הנטייה הנוכחית להתרחק מניסויים בבעלי חיים. מחקרים על השפעות ההנשמה המכנית דורשים מערכת לב ריאה שלמה ויכולת לדמות פתופיזיולוגיה הנפוצה בטיפול נמרץ4. מודלים של בעלי חיים גדולים משמשים לעתים קרובות מכיוון שהם מחקים את הפיזיולוגיה האנושית יותר מאשר מכרסמים וניתן לאוורר אותם במכונות המשמשות בטיפול נמרץ4. החסרונות העיקריים הם העלות הגדולה הכרוכה בשימוש בבעלי חיים גדולים והיעדר מודלים של בעלי חיים גדולים מהונדסים גנטית לחקירת מנגנונים מולקולריים של מחלות 6,7. לכן, ניסויים במכרסמים מאווררים מכנית הם בלתי נמנעים כל עוד חלופות, כגון תרביות רקמה מתוחכמות או מודלים של איבר על שבב, אינן זמינות.
התערבויות שונות ששיפרו את התוצאות בבעלי חיים לא תורגמו לבני אדם 4,6, מה שמדגיש את החשיבות של הבנת ההבנה עד כמה מודלים נפוצים של הנשמה מכנית בבעלי חיים שונים מבני אדם. ההשפעות של הגדרות מכונות הנשמה על מערכת הנשימה נקבעות על ידי שפע של גורמים שעשויים להיות ספציפיים למין, כגון גמישות רקמות, טונוס שרירים ושונות בתגובה לחומרי הרדמה נפוצים 8,9,10,11. הבדלים אלה עשויים להוביל להשפעות מנוגדות על תנועת בית החזה והריאות והגיאומטריה שעשויות להסביר את הפער בין בני אדם לבעלי חיים. חקירת ההשפעה של הגדרות אוורור על הגיאומטריה והתנועה של מערכת הלב-ריאה עשויה להבהיר הבדלים בין מינים ועשויה לסייע בתרגום מושגים פתופיזיולוגיים הנגזרים ממחקרים בבעלי חיים לסביבה הקלינית. ההתקדמות הטכנית של הדמיית תהודה מגנטית קרדיווסקולרית שנפתרה בתנועה אפשרה הדמיה של הלב הפועם במודלים של מכרסמים, ומספקת תובנות לגבי צורה, תפקוד ופתופיזיולוגיה במודלים של מכרסמים של מחלות לב וכלי דם12,13. שיטות אלו אינן מנוצלות מספיק כדי לדמות את בית החזה והתנועה במהלך מחזור הנשימה בבעלי חיים מאווררים מכנית.
כאן, אנו מציגים שיטה לחקר גיאומטריית בית החזה ותנועות במכרסמים מאווררים מכנית באמצעות MRI קולנועי תלת מימדי. זה מאפשר לחקור את ההשפעות החריפות של הגדרות רבות של מכונות הנשמה או התערבויות אחרות על גיאומטריית בית החזה והתנועה במכרסמים מאווררים מכנית. יישמנו רכישת MRI תלת מימדית פסאודו-ספירלית, מגודרת נשימה עבור בעלי חיים קטנים מונשמים13,14. במחקר ראשוני זה, חקרנו את ההשפעות של לחץ נשיפה חיובי (PEEP), אך ניתן להשתמש בשיטה זו גם כדי לחקור את ההשפעה של התערבויות או הגדרות נשימה אחרות, כגון יחס I: E, נפח גאות ושפל וקצב נשימה. שיטה זו תפתח מגוון אפשרויות להדמיה פרה-קלינית של מודלים של מכרסמים הדורשים הנשמה מכנית בתחום מחקר הטיפול הנמרץ ומעבר לו.
פרוטוקול
כל ההליכים המתוארים בוצעו על פי הנחיית האיחוד האירופי EC 86/609. הניסויים אושרו על ידי מועצת האתיקה של בעלי חיים באמסטרדם UMC, מיקום VUmc ו-AMC. עכברי C57BL/N וחולדות Wistar התקבלו ממעבדות נהר צ'ארלס. עכברים זכרים ונקבות בגילאי 3-6 חודשים במשקל של 25-32 גרם וחולדות זכרים ונקבות בגילאי 3-6 חודשים במשקל שבין 200-400 גרם שימשו לכל הניסויים. מזון ומים סופקו אד ליביטום. כל בעלי החיים התאקלמו לפחות שבוע אחד לפני תחילת הניסויים.
1. הכנת ההתקנה
- הכן את תרופות ההרדמה בהתאם למינונים המוזכרים בשלב 2.
- כייל את מכונת ההנשמה המכנית על ידי גלילה בתפריט המאוורר ולחיצה על הגדרה > מאוורר נוסף > Calib&Tests. בצע את כל ארבע הבדיקות והכיולים המפורטים שם: בדיקת דליפה, צינורות טיהור, מדידת שטח מת וצינורות טיהור.
- הנח את מכונת ההנשמה המכנית התואמת MR בחדר ה-MR ומשוך את הכבלים המחוברים למאוורר תואם MR דרך הקדח של מכונת ה-MR. ניתן להשתמש בריאה לבדיקה (למשל, בלון קטן) כדי לבדוק את האוורור המגיע ממכונת ההנשמה התואמת MR.
- חבר את מכונת ההנשמה המכנית התואמת MR למדחס ולמקור זרימת חמצן.
- הכן עמוד PEEP על ידי מילוי עמוד מדידה של 10 מ"ל במים וסימון עומק המים בסנטימטרים. הנח את צינור הנשיפה של מכונת ההנשמה התואמת MR בעמודת PEEP. מעלview של ההתקנה מוצגת באיור 1.
- הדביקו כרית נשימה באופן רופף לעריסת ה-MR במיקום שבו יהיה בית החזה של החיה.
2. הרדמה ותחילת הנשמה מכנית
- התחל בהרגעה של החיה (עכבר או חולדה) על ידי הנחתה בתא גזים מלא באיזופלורן 4% ב-100% O2.
- שקלו את החיה כדי לקבוע את מינון ההרדמה. יש להזריק לאזור הניתוח (אזור הגרון) 3 מ"ג/ק"ג בופיבקאין ולמרוח משחת עיניים בשתי העיניים.
- הנח את החיה על כרית חימום תוך כדי נשימה ספונטנית של 2%-4% איזופלורן ב-100% חמצן דרך חרוט האף. ודא ניטור של דופק, ריווי חמצן וטמפרטורה על ידי הנחת אוקסימטר דופק על אחת מכפות החיה והכנסת בדיקת מדחום פי הטבעת.
- בדיקת היעדר רפלקסים לפני החתך. הרם את העור המכסה את הגרון וקנה הנשימה בעזרת מלקחיים כירורגיים ובצע חתך באמצעות מספריים כפופות.
- נתח בבוטות את בלוטות הרוק והשרירים הבסיסיים עד שקנה הנשימה נראה לעין.
- בעזרת מלקחיים כפופים וחדים, נתחו את הצד הגבי של קנה הנשימה והניחו מלקחיים מתחת לקנה הנשימה כדי למשוך תפר משי קלוע שאינו נספג (מידה 6/0) סביב קנה הנשימה.
- תפוס את קנה הנשימה בטבעת סחוס ופתח את קנה הנשימה מיד מתחת לטבעת בעזרת מספריים קפיציים.
- קנול קנה הנשימה בעזרת אבוקאט 20 גרם (עכבר) או 14 גרם (חולדה), חתוך באורך של כ-1-1.5 ס"מ. קושרים את התפר סביב קנה הנשימה המשופר כדי להבטיח אטימה אטומה.
- התחל את אוורור החיה בנפח גאות של 7 מ"ל/ק"ג, תדר של 150 פעימות לדקה לעכברים ו-80 פעימות לדקה לחולדות, 2 סמ"ש2O PEEP עם 3% איזופלורן ב-100% חמצן.
- לבצע הזרקה תוך צפקית של מנת האינדוקציה של הרדמה בהזרקה (עכבר: קטמין 126 מ"ג/ק"ג, דקסמדטומידין 0.1 מ"ג/ק"ג, אטרופין 0.5 מ"ג/ק"ג; חולדה: קטמין 90 מ"ג/ק"ג, דקסמדטומידין 0.25 מ"ג/ק"ג, אטרופין 0.05 מ"ג/ק"ג) ולאחר 5 דקות, להפחית בהדרגה את זרימת האיזופלורן (3% עד 0% תוך 10 דקות) כדי לאפשר מעבר חלק מהרדמה בגז להזרקה.
- יש למקם 24G Abbocath תוך צפקית ולהתחבר לפרפוסור עם השיעורים הבאים עכבר: קטמין 36 מ"ג/ק"ג/שעה, דקסמדטומידין 0.02 מ"ג/ק"ג/שעה, אטרופין 0.075 מ"ג/ק"ג/שעה; חולדה: קטמין 30 מ"ג/ק"ג/שעה, דקסמדטומידין 0.015 מ"ג/ק"ג/שעה, אטרופין 0.075 מ"ג/ק"ג/שעה. התחל עירוי.
הערה: ביצענו טרכאוסטומיה כדי לאוורר את החיות במקום אינטובציה דרך הפה מכיוון שזה איפשר לנו למקם תפר סביב קנה הנשימה. זה נדרש כדי למנוע דליפת אוויר, שהיא חיונית לשמירה על PEEP מספיק.
3. MRI תחת אוורור מכני
- הנח את החיה בעריסת ה-MR הייעודית במצב שכיבה, והנח מעליו את סליל ה-MR המתאים לעכברים או חולדות תוך שמירה על צינור הטרכאוטומיה.
- עצור ונתק את מכונת ההנשמה המכנית המשמשת ב-1.2 ואת משאבת ההרדמה והעבר את בעל החיים לחדר ה-MR. חברו מחדש את החיה למכונת ההנשמה התואמת MR והתחילו לאוורר בנפח גאות של 10 מ"ל/ק"ג ותדירות של 150 פעימות לדקה לעכברים ו-80 פעימות לדקה לחולדות. נפח הגאות גדול יותר מאשר במכונת ההנשמה המשמשת ב-1.2 לגיוס רקמת ריאה שאולי קרסה במהלך ההובלה.
- חבר מחדש את משאבת ההרדמה בשיעורים הנ"ל כדי לשמור על עומק ההרדמה. בהתאם למערכת ה-MR, הנח את קווי ההרדמה בתוך או מחוץ לקדח ה-MR.
- הנח את חיישן הרוויה ומד הדופק על הגפה האחורית של החיה והכנס את בדיקת המדחום הרקטלי. חבר את מערכת ניטור הנשימה לכרית הנשימה. בדוק את כל האותות וודא שהדופק, ריווי החמצן והטמפרטורה נמצאים בטווח הפיזיולוגי.
הערה: ניטור נשימתי צריך לציין את תדירות הנשימה שנקבעה במכונת ההנשמה התואמת MR ומשמש רק לאיתור מאמץ נשימתי מבעל החיים. במקרה של מאמץ נשימתי מהחיה, עקומת הנשימה מציגה שיאים נוספים. זה דורש מתן מנה נוספת של הרדמה (1/3 ממינון האינדוקציה הראשוני). - הנח את החיה בסורק ה-MR כשהסליל מרוכז מעל בית החזה וחבר את כבלי תדר הרדיו לסליל. יש סליל ועריסה נפרדים כדי להתאים להפרש הגודל בין עכברים לחולדות (סליל חולדה ועריסה בקוטר גדול יותר בהשוואה לסליל העכבר). טבלו את צינור הנשיפה 6 ס"מ בעמוד המים, תוך מתן 6 ס"מ H2O PEEP.
- טיטר את נפח הגאות ל-7-9 מ"ל/ק"ג בהתאם לרוויית החמצן (לכו על נפח הגאות הנמוך ביותר האפשרי עם רוויה של 100%).
4. רכישת סריקה
הערה: טבלה 1 מספקת מעלview של הגדרות הסריקה.
- השתמש בשיטות שצוינו על ידי הספק כדי לבצע כיול והחלקה של RF.
- רכוש SCOUT עם חמש תמונות בכיוון עטרה וציר וודא שבית החזה המלא נמצא בשדה הראייה (FOV). Scout היא סריקה מהירה המשמשת לתכנון מישורי ההדמיה האחרים ובדרך כלל מכסה שדה ראייה גדול יותר מהתמונות האחרות. במידת הצורך, התאימו מחדש את מיקום החיה בעריסה ובצעו מחדש את הצופים.
- תכנן את הסריקות הדו-ממדיות (ראה טבלה 1 ואיור 2) על תמונות הצופים. ודא שהמישור העטרתי והסגיטלי מכסים את בית החזה כולו.
הערה: המישור הסגיטלי ממוקם בחלק העליון של ההמידיאפרגמה הימנית כדי להגביל את חלק הלב בתוך ה-FOV. על ידי רכישת ה-SCOUT ב-6 ס"מ2O PEEP, אנו מוודאים שהדיאפרגמה מצולמת במיקום הזנב ביותר. - רכוש את הסריקות הדו-ממדיות ב-6 סמ"ש2O PEEP ושחזר מיד את התמונות כדי לבדוק את מיקום החיה ולהבטיח את איכות התמונה (בצע את שלב 6). במידת הצורך, התאם מחדש את המיקום של ה-FOV או החיה ובצע מחדש את הסריקות.
- תכנן את הסריקה התלת-ממדית (איור 2) על ידי הצבת ה-FOV סביב בית החזה השלם וכסה את הסריקות הדו-ממדיות. ודא שכ-20% מה-FOV בכיוון הפרוסה נמצא מחוץ לבעל החיים כדי למנוע חפצים מתקפלים.
הערה: הסריקות הדו-ממדיות מתווספות לפרוטוקול מכיוון שזמן הרכישה קצר יותר מאשר בסריקות התלת-ממדיות, מה שהופך אותן למתאימות לבדיקה מהירה של השפעת ההתערבויות. - רכוש את הסריקה התלת-ממדית עם סכימת הדגימה הפסאודו-ספירלית הנדרשת של k-space (איור 3), המאפשרת שילוב רטרוספקטיבי חסון של נתונים והדמיה של תנועת הנשימה14.
- חזור על הסריקות הדו-ממדיות והתלת-ממדיות ב-3 ו-0 סמ"ק2O PEEP. זמן הסריקה הכולל היה 2.5 דקות לסריקה דו-ממדית ו-15 דקות לסריקה תלת-ממדית.
הערה: במקרה זה, התאמנו את PEEP במהלך הניסויים. בחרנו 0, 3 ו-6 ס"מ2O PEEP מכיוון שאנו יודעים מניסויים (מחקרים קודמים ומחקרים מתמשכים) עם בעלי חיים מונשמים לטווח ארוך שרמות PEEP אלה גורמות לשינויים רלוונטיים בסרעפת ובגיאומטריית בית החזה15. בנוסף, בחרנו להשתמש באפס, רמה בינונית ורמה גבוהה של PEEP בעבודה זו כדי להראות את ההשפעה של PEEP. בהתאם לשאלת המחקר, התערבויות אחרות אפשריות. לדוגמה, ניתן לחקור את ההשפעות של מרפי שרירים או תרופות אחרות על גיאומטריית בית החזה. הפרוטוקול מאפשר לנו לחקור את ההשפעות הפנימיות של ההתערבות.
איור 1: סקירה כללית של ההגדרה. (A) סקירה סכמטית של ההגדרה, (B) הגדרת הסליל עבור עכבר, (C) הגדרת הסליל עבור חולדה, עם קדח גדול יותר מסליל העכבר, (D) הגדרת סליל ביחס לסורק ה-MR, (E) עמודת ה-PEEP עם צינורות נשיפה הממוקמים ב-3 סמ"ש2O PEEP ו-(F) תקריב של השסתום המווסת את האוורור, המציין אילו צינורות יש למקם בעמודת PEEP. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תכנון תמונות ה-MR עבור ה-2D וה-3D cines. איור המראה כיצד שדה הראייה נקבע עבור סריקות דו-ממדיות בכיוון סגיטלי ועטרתי (שורה עליונה ואמצעית) וסריקות תלת-ממדיות בכיוון סגיטלי (שורה תחתונה). העמודה השמאלית מייצגת את אחת הפרוסות של הצופה בכיוון צירי בגובה הלב, העמודה האמצעית מציגה פרוסה של הצופה בכיוון עטרה, והעמודה הימנית מציגה פרוסה בכיוון צירי בגובה הכבד. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: דפוס דגימה פסאודו-ספירלי MR. דפוס הדגימה הוא בכיוון קידוד פאזה ky/kz עם גודל מטריצה 80 x 80 המותאם לשילוב תנועה נשימתית רטרוספקטיבית. ספירלות נוצרות על ידי התחלה במרכז מרחב k ואז סיבוב החוצה ופנימה, ובכך חוזרות על כל ספירלה. דפוס הדגימה כולו מבוצע עם 25 חזרות כדי לייצר מספיק נתונים בתוך כל מסגרת נשימה. לכל ספירלה צבע שונה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
5. סוף הניסוי
- לאחר סיום כל הסריקות, הסר את בעל החיים מהסורק. בעלי החיים אינם יכולים לשרוד את הניסוי בגלל הטרכאוסטומיה. המתת חסד של עכברים עם פריקת צוואר הרחם וחולדות על ידי הוצאה.
- שמור את כל קבצי ה-MR הגולמיים והמשוחזרים.
| סוג סריקה | צופית הד שיפוע | הד שיפוע 2D | הד הדרגתי תלת מימד |
| כיוון | קורונל וקשת | קורונל וקשת | קשת |
| ערכת דגימת k-Space | קרטזיאני | קרטזיאני | פסאודו-ספירלה |
| מספר פרוסות | 10 | 1 | 80 |
| עובי פרוסה (מ"מ) | 1 (עכבר) | 1 (עכבר) | 0.38 (עכבר) |
| 1 (חולדה) | 1 (חולדה) | 0.81 (חולדה) | |
| פער פרוסה (מ"מ) | 2 (עכבר) | 0 (עכבר) | 0 (עכבר) |
| 5 (חולדה) | 0 (חולדה) | 0 (חולדה) | |
| דגימת פרוסות* | 0.8 | 0.8 | 0.8 |
| FOV (קרא x שלב x פרוסה; מ"מ) | 35 x 35 (עכבר) | 30 x 23 (עכבר) | 30 x 23 x 30 (עכבר) |
| 80 x 80 (חולדה) | 65 x 49 (חולדה) | 65 x 49 x 65 (חולדה) | |
| גודל מטריצה (תדר x פאזה) | 256 על 192 | 256 על 192 | 211 x 80 x 80 |
| ת"ר / TE (אלפיות השנייה) | 45328 | 45330 | 45328 |
| זווית היפוך (°) | 15 | 15 | 10 |
| מספר חזרות | 80 | 70 | 25 |
| טריגר נשימתי | לא | כן, בדיעבד | כן, בדיעבד |
| זמן הדמיה (דקות:s) | 2:02 | 2:23 | 16:00 |
| רמות PEEP (סמ"ק2O) | 6 | 6, 3, 0 | 6, 3, 0 |
טבלה 1: פרמטרי רכישה עבור כל הסריקות. * דגימת פרוסה מציינת איזה אחוז מדופק בחירת הפרוסה משמש להדמיה
6. שחזור תמונה
- כדי לבצע שחזור תמונה, השתמש בתוכנה שפותחה בתוך החברה הזמינה ב-GitHub16. בצע שלבים אלה עבור כל הסריקות עם נווט הדורש שער נשימה רטרוספקטיבי.
הערה: זה תואר בעבר על ידי דאל ועמיתיו, אך עבודה זו התמקדה בהדמיית לב13. כאן, אנו מתארים שיטה לשחזור תמונות מגודרות נשימה של כל בית החזה. - טען את קובץ הנתונים הגולמיים על ידי לחיצה על טען MRD. זה מדמיין את אות הנווט הגולמי ואת הספקטרום שלו בפאנל השמאלי העליון. אם אות הנשימה אינו נראה בבירור, התאימו את הנווט הראשי בכרטיסייה הגדרות.
- במסנני לב/נשימה, מלא את קצב הנשימה שנקבע במכונת ההנשמה המכנית התואמת MR והגדר את הרוחב ל-15. ההגדרות בתיבות האחרות אינן רלוונטיות לסוג זה של שחזור. לחץ על מסנן כדי להחיל את ההגדרות, מה שמביא לאות ניווט מגודר, כפי שמוצג באיור 4. ודא שהאות האדום בתיבה נווט הנשימה וקצב הנשימה עוקבים אחר אות הניווט הכחול והגולמי.
- ב-Cine, בחרו ב-Respiratory Movie והגדירו את מספר המסגרות ל-12 ואת מספר הדינמיקה ל-1. בכרטיסייה גיאומטריה, הפעל את ה-PCA (רמה 8) ואת מסנן הצלצול. לחץ על מיין k-רווח כדי להחיל את ההגדרות.
- בפרמטרים של CS reco, החל את ההגדרות הבאות: WVxyz 0.0010, TVxyz 0.0000, LLRxyz 0.0050, TVcine 0.015, TVdyn 0.000. לחץ על Reco Movies כדי להתחיל בשחזור.
- בדוק את השחזור בחלונית הימנית התחתונה על-ידי גלילה בין המסגרות והפרוסות (אם רלוונטי). ייצא את התמונות המשוחזרות על-ידי לחיצה על Export DCM ו/או Export GIF.
7. ניתוח תמונות
הערה: בהתאם לשאלת המחקר, ניתן לחשב מספר פרמטרים של תוצאה מתמונות הקולנוע. כאן, אנו מתמקדים בפרמטרים המכמתים את גיאומטריית בית החזה, נפח הריאות והסטייה.
- פתח מציג DICOM מתאים, למשל, התוכנה המוזכרת בטבלת החומרים וטען קולנוע דו-ממדי על ידי לחיצה על קובץ > פתח ובחירת קבצי הקולנוע הדו-ממדיים. זהה את המסגרת עם מיקום הסרעפת הגבוה ביותר (מסגרת נשיפה קצה). בחר את המסגרת ופתח אותה במציג DICOM.
- מדוד את ממדי הריאה הקדמית-אחורית והגולגולת (איור 5) בסין הדו-ממדי הסגיטלי ואת הממד השמאלי-ימני בסין הדו-ממדי בעל אוריינטציה קורונלית באופן ידני באמצעות כפתור המדידה במיקרו-דיקום. חזור על מדידות אלה עבור כל רמות ה-PEEP או התערבויות אחרות. ניתן לבצע מדידות אלו גם במסגרת אחת של הקולנוע התלת מימדי, בהתאם לבחירת הסריקות.
- טען את הקולנוע התלת-ממדי בתוכנית ניתוח התמונות התלת-ממדיות ומקם את התמונה בכיוון הנכון על-ידי לחיצה על Tools > Reorient Image. מלא את SPL כקוד RAI. בחר את מסגרת התפוגה הסופית על-ידי גלילה בדינמיקה ב-Tools > Layer Inspector ולאחר מכן הגדל את מספר הרכיב.
- אתחל את הסגמנטציה על ידי קווי מתאר ידניים של החלק האמצעי של הריאות בשתי פרוסות עבור כל כיוון (איור 6). השתמש במצב מברשת צבע והתאם את גודל המברשת במידת הצורך.
- התחל את הפילוח התלת-ממדי על-ידי לחיצה על Active Contour בסרגל הכלים הראשי. ודא שהתיבה האדומה (ROI) מכסה את בית החזה כולו. הפעילו את Initialize with Current Segmentation ולחצו על Segment 3D.
- בחר סף כמצב Presegmentation והשתמש רק בסף עליון על-ידי בחירה במצב הסף הימני ביותר. לחץ על הבא. לאחר מכן דלג על שלב הוספת הבועות על ידי לחיצה נוספת על הבא. מכיוון שהפילוח כבר אותחל בשלב 7.5, אין צורך להוסיף בועות.
- התחל קווי מתאר פעילים על ידי לחיצה על כפתור ההפעלה והשהה אותו ברגע שהסגמנטציה מגיעה לקצוות הריאה. גלול בין התמונות כדי לבדוק את הפילוח. לחץ על סיום כדי לסיים את הפילוח.
- לחץ על Update כדי להמחיש את הפילוח התלת-ממדי בחלונית השמאלית התחתונה ולבדוק ולסובב אותו.
- שמור את הפילוח כ- NiFTI על-ידי לחיצה על Segmentation > Save Segmentation Image ו- STL Mesh File על-ידי לחיצה על Segmentation > Export Segmentation Mesh.
- רשום את נפח הריאות שניתן למצוא בסגמנטציה, נפח וסטטיסטיקה.
- רשום את התמונות של מצבי הנשימה האחרים לדינמיקת התפוגה הסופית באמצעות הסקריפט המסופק בקובץ קידוד משלים 1. החל את הטרנספורמציות המחושבות על הפילוח, וכתוצאה מכך פילוח לכל דינמיקה. השתמש בפילוחים אלה כדי לחשב פרמטרים של תוצאות, כגון טיולים לכל הכיוונים.
תוצאות
באמצעות הפרוטוקול המתואר במחקר זה, סרקנו בהצלחה קבוצה של 8 עכברי C57BL/6 WT בריאים ו-8 חולדות Wistar WT באמצעות סורק MRI של 7 טסלה. הצלחנו לאוורר את החיות באופן מכני ברמות שונות של PEEP ולעקוב אחר פרמטרים פיזיולוגיים בסיסיים במהלך הסריקה (איור 7).
באיור 5, דוגמה לשלוש סריקות דו-ממדיות במסגרת סוף הנשיפה מוצגת של עכבר וחולדה בכיוון סגיטלי. כפי שניתן לראות, PEEP מציג תזוזה זנבית של הסרעפת בשני בעלי החיים, אך בעכברים הדבר מלווה גם בהרחבת בית החזה, המעידה על עלייה בקוטר הקדמי-אחורי.
סריקות איכותיות אלו מראות כי באמצעות טכניקה זו אנו יכולים למדוד את גודל חלקי בית החזה השונים ולהראות את ההשפעות של הגדרות הנשמה שונות על תנועת בית החזה והסרעפת. זמן הסריקה הקצר מאפשר השוואה בתוך הנבדק של פרמטרי התוצאה בהם הוא מעוניין, ומצמצם את מספר בעלי החיים הנדרש. טבלה 2 מציגה את פרמטרי התוצאה של כל החיות.
איור 8 מציג את פילוח הריאות של דינמיקת סוף הנשיפה בשלוש רמות PEEP עם נפח הריאות המתאים. כצפוי, הגדלת PEEP הביאה לעלייה בנפח הריאות. הקולנוע התלת-ממדי מוצג גם כסרט בסרטון משלים 1 ובסרטון משלים 2.
איור 4: צילום מסך של התוכנה המשמשת לשחזור התמונות עם שער רטרוספקטיבי של הנתונים. שער הנתונים מבוסס על אות הנווט. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: תוצאות מייצגות של תמונות דו-ממדיות בחולדה ובעכבר בשלוש רמות PEEP, עם ממדי הריאה הקדמית-אחורית והגולגולתית-זנבית. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: צילום מסך של התוכנה המשמשת לפילוח הריאות במערכות התלת-ממדיות. בפאנל השמאלי העליון, מוצג מבט צירי של הקולנוע התלת-ממדי עם הריאה המפולחת באדום. בפאנל הימני העליון מוצגת תצוגה סגיטלית עם הריאה מפולחת באדום. בפאנל התחתון השמאלי מוצג עיבוד תלת-ממדי של הריאה המפולחת. בפאנל השמאלי-ימני מוצג מבט עטרתי עם הריאה המפולחת באדום. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: פרמטרים חיוניים של החיות במהלך הניסויים. N = 8 עכברים (כחול), N = 8 חולדות (כתום). הנתונים מוצגים כממוצע עם SD. שימו לב לירידה בקצב הלב כאשר החיות נכנסות למישור הרדמה כירורגי. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 8: פילוח תלת מימדי של הריאות בשלוש רמות PEEP עם נפחי הריאות המתאימים. פילוח של ריאת חולדה ב-PEEP 0 (עמודה שמאלית), PEEP 3 (עמודה אמצעית) ו-PEEP 6 (עמודה ימנית). בשורה העליונה מוצג הצד האחורי של הריאות. בשורה האמצעית מוצג הצד הקדמי של הריאות. הנפחים המוצגים בשורה התחתונה נמדדים בתוך הריאות המעובדות בתלת-ממד הגלויות באיור זה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
סרטון משלים 1: קולנוע תלת מימד של עכבר. אנא לחץ כאן להורדת סרטון זה.
סרטון משלים 2: קולנוע תלת מימד של חולדה. אנא לחץ כאן להורדת סרטון זה.
קובץ קידוד משלים 1: סקריפט לרישום הפילוח לרכישות אחרות. אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.
דיון
מחקר זה מראה כי הדמיית MR תלת מימדית עם שער רטרוספקטיבי מאפשרת למדוד את תנועת בית החזה בשני מודלים של בעלי חיים במהלך הנשמה מכנית. לטכניקות אלו יש פוטנציאל לשמש במחקר עתידי הכולל הדמיית לב וחזה בעכברים וחולדות מונשמים מכנית. מצאנו כי בשל תדירות הנשימה הקבועה, binning רטרוספקטיבי היה חזק מאוד.
שלב קריטי בפרוטוקול הוא הגדרת המיקום הנכון של בעלי החיים בתוך סלילי ה-MR. במהלך הסריקה לא ניתן למקם מחדש את בעלי החיים. בנוסף, שמירה על נורמותרמיה חשובה מאוד כדי להבטיח שהמדידות נעשות בתנאים פיזיולוגיים, שכן חומרי הרדמה עלולים לגרום להיפותרמיה באמצעות הרחבת כלי דם היקפיים, ופולסי תדרי הרדיו של פרוטוקול MRI זה עלולים לגרום להיפרתרמיה17,18. באיור 7, ניתן לראות תנודות בטמפרטורת הגוף במהלך התקופה הקצרה סביב העברת החיות לסורק (בסביבות סימן השעה) שבה לא מופעל חום ממקור חיצוני. שלב קריטי נוסף הוא טיטרציה של הרדמה, במיוחד בעכברים. מישור ההרדמה בו העכברים אינם מפגינים מאמץ נשימתי אך שומרים על פרמטרים חיוניים יציבים הוא צר ודורש ניטור קפדני של אות הנשימה והתאמת קצב עירוי ההרדמה. בחולדות, לא נתקלנו בבעיות כאלה בטווח ההרגעה בו נעשה שימוש. איכות התמונה תושפע לרעה אם יהיו מאמצי נשימה של בעל החיים בגלל שחזור רטרוספקטיבי של התמונות על סמך תדירות הנשימה שנקבעה. ניתן להשתמש במשטר הרדמה שונה, כגון הרדמה באינהלציה עם איזופלורן או חומרי הרדמה בהזרקה חלופית הגורמים לדיכוי רב יותר של מאמץ הנשימה. מכונת ההנשמה CWE-MRI-1 לבעלי חיים קטנים המשמשת בפרוטוקול זה תואמת לחומרי הרדמה באינהלציה19.
ישנם שלושה שלבים קריטיים לשחזור שיטת ה-MRI המוצעת במחקר זה. ראשית, יש להשתמש באותו רצף MRI בסיסי (כלומר, פלאש תלת מימדי). רצף כזה זמין בעצם בכל מערכות ה-MRI. שנית, מסלול k-space המוזכר בעבודה זו (פסאודו-ספירלה) עשוי לדרוש תיקון תוכנה שיכול לבצע מסלולי k-space המוגדרים על ידי המשתמש. אנו מזמינים את הקוראים לפנות למחבר המתאים אם ברצונם לשחזר את הרכישה. יש ניסיון בהטמעת רכישה מסוג זה במערכות של ספקים אחרים. לבסוף, צינור השחזור שאנו חולקים כתוכנת קוד פתוח הוא ניטרלי לספק ולכן ישים לכל המערכות הפרה-קליניות.
בחרנו בטריגר רטרוספקטיבי ובינינג על פני טריגר פוטנציאלי מכמה סיבות. בעיקר, הפעלה רטרוספקטיבית ושילוב נתונים k-space מציעים גמישות מלאה במספר מסגרות CINE נשימתיות משוחזרות, מה שמאפשר לנו לייעל את הרזולוציה הזמנית, הרזולוציה המרחבית ויחס האות לרעש. בנוסף, טריגר פרוספקטיבי מציג זמן מת בסוף כל מחזור נשימה כאשר הסורק ממתין לטריגר הבא, מה שעלול לשבש את המצב היציב ולגרום למחזור לא שלם. עם אוורור מכני, הזמן המת הזה הוא מינימלי אך עדיין קיים.
המגבלה העיקרית של פרוטוקול זה היא חוסר היכולת למדוד לחצים בדרכי הנשימה או הוושט. למיטב ידיעתנו, אין בשוק חיישני לחץ ריאות או וושט תואמי MR עבור בעלי חיים קטנים. מגבלה נוספת היא היעדר מדידות לחץ דם רציפות בתוך ה-MRI. פרוטוקול ההרדמה התבסס על מחקר מוסדי קודם. אטרופין נוסף בגלל השכיחות הגבוהה של ברדיקרדיה ותת לחץ דם שנצפתה בעבר. למרות שניטור לחץ דם רציף לא היה אפשרי עקב אילוצי סביבת MR, יתר לחץ דם אינו סביר, מכיוון שלא נצפתה טכיקרדיה (איור 7). הניטור שהופעל בפרוטוקול זה כלל דופק, ריווי חמצן, טמפרטורה ואות נשימה המבוסס על תנועה של דופן בית החזה. באמצעות מדידות אלה, סקירה כללית של הפרמטרים החיוניים של בעלי החיים יכולה להנחות את מתן ההרדמה, אך קריאת לחץ דם יכולה למנוע מבעלי חיים במינון יתר המראים מאמץ נשימתי. לא פורסמו מחקרי MRI אחרים הנוגעים לפיזיולוגיה של הנשימה של מכרסמים מאווררים מכנית, אך ניתן להשתמש בשיטה זו למגוון רחב של שאלות מחקר מחוץ למחקר נשימתי. תוכנית השחזור המוזכרת בכתב היד (רטרוספקטיבית) יכולה לשמש גם לשחזור תמונות לאורך מחזור הלב, ובכך לאפשר לחוקר לרכוש תמונות ברזולוציה גבוהה של הלב וכלי הדם ללא חפצי תנועה. ניתן ליישם פרוטוקול זה בכל פרויקט הדורש אוורור מכני של חולדות או עכברים בזמן הסריקה. אפשר, למשל, לשקול לחקור את הקשר בין הגדרות הנשמה מכניות לתפקוד הלב. אפשרויות אחרות כוללות הדמיה של בעלי חיים עם חזה פתוח או לאחר ניתוחים הדורשים הנשמה מכנית.
גילויים
רוסלן גריפוב הוא עובד של MR Solutions Ltd., גילפורד, בריטניה.
תודות
עבודה זו נתמכה על ידי ZonMW Grant 09120011910004 (GS, CO, LH) ומענק NIH 5R01HL121500 (CO).
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| <חזק>ציוד | |||
| 11 פלוס משאבת מזרק כפולה דיגיטלית | מנגנון הרווארד (ארה"ב) | 229193-2 | משאבת מזרק כפולה עם תכונות הניתנות לתכנות למעבדות |
| מאזן אותות יחיד ורב-ערוצי AccuSens | Opsens Solutions Inc. (קנדה) | ACS-P4-N-62SC | משמש עם חיישן טמפרטורת סיבים אופטיים לניטור טמפרטורת הגוף |
| חיישן טמפרטורת סיבים אופטיים | Opsens Solutions Inc. (קנדה) | OTP-M | |
| עריסת עכבר | ואקוטי; ציוד Vé té rinaire Minerve (צרפת) | ||
| מוססטאט ג'וניור | קנט-סיינטיפיק (ארה"ב) | MSTAT-JR | The MouseSTAT Jr. מספק אוקסימטריית דופק מדויקת הן בעכברים והן בחולדות. |
| סורק MR | MR Solutions Lt. (בריטניה) | גברת -7024 | |
| ניטור תואם MR & מערכת שערים לבעלי חיים קטנים | SA Instruments, Inc. (ארה"ב) | 1030 | מודול RT (מודול ממשק נשימה), מודול בקרה/שער ERT, מארז סוללות |
| מאוורר תואם MRI-1 | CWE (ארה"ב) | 12-07000 | מאוורר מכני המתאים לאוורור בעלי חיים קטנים בסביבות תהודה מגנטית. הוא מאוורר עם עיקרון מבוסס זמן מבוקר נפח, זרימה x באמצעות שסתומים פנאומטיים. |
| יחידת בקרת טמפרטורה מרובת תחנות ו-PCA זרימה גבוהה | ואקוטי; ציוד Vé té rinaire Minerve (צרפת) | ||
| טור הצצה | עמוד מדידת נוזלים ייעודי מחדש | ||
| מאוורר מכני Physiosuite | קנט-סיינטיפיק (ארה"ב) | מאוורר מכני המתאים לאוורור בעלי חיים קטנים. הוא מאוורר עם עיקרון מבוקר עוצמת הקול ומווסת לחץ. | |
| חיישני כפות אוקסימטר דופק, תואמי MRI | קנט-סיינטיפיק (ארה"ב) | SPO2-MSE-MRI | חיישן כפות תואם MRI עבור Mousestat Jr. |
| עריסת עכברוש | ואקוטי; ציוד Vé té rinaire Minerve (צרפת) | ||
| סליל RF, עכבר | MR Solutions Lt. (בריטניה) | סליל RF בנפח עכבר 38 מ"מ למחקרי גוף עכבר | |
| סליל RF, חולדה | MR Solutions Lt. (בריטניה) | 65 מ"מ סליל RF בנפח חולדה למחקרי גוף חולדה | |
| <כלים כירורגיים חזקים> | |||
| אבוקאט 14 גרם, 20 גרם, 22 גרם, 24 גרם | אבוקאט | 14G, 20G, 22G לשימוש כצינור אנדוטרכיאלי, 24G לעירוי תוך צפקי של הרדמה | |
| אתילון 3-0 תפר FD-1 עם מחט | אתיקון (ארה"ב) | 663 שעות | |
| מלקחיים #55 | דומונט (שוויץ) | 55 | |
| מצנבאום מספריים | כלים מדעיים (גרמניה) | 14017-14 | |
| מחזיק מחט | כלים מדעיים (גרמניה) | 12005-15 | |
| תפר משי קלוע שאינו נספג 6/0 | כלים מדעיים (גרמניה) | 18020-60 | |
| מספריים אביביים | כלים מדעיים (גרמניה) | 15033-09 | |
| מספריים לטנוטומיה של סטיבנס | כלים מדעיים (גרמניה) | 14064-11 | |
| מלקחיים לקשירת תפרים | כלים מדעיים (גרמניה) | 18025-10 | |
| קלטת מדיפור | 3M (ארה"ב) | ||
| <חזק>תרופות | |||
| אטרופין 0.25 מ"ג/מ"ל | |||
| Dexmedetomidine 0.5 מ"ג/מ"ל Dexdormitor | אוריון פארמה (פינלנד) | ||
| משחת עיניים Duratears | Alcon Nederland BV (הולנד) | ||
| איזופלורן | AST פארמה (צרפת) | ||
| קטמין 100 מ"ג/מ"ל קטקס | Alfasan (הולנד) | ||
| וזלין וזלין וזלין | יוניליוור (הולנד) | ||
| <חזק>תוכנה | |||
| אלסטיקס | המכון למדעי התמונה, UMC אוטרכט (הולנד) | ||
| איטקנאפ | אוניברסיטת פנסילבניה (ארה"ב) | ||
| מטלב 2019א | וולפרם ריסרץ' בע"מ (ארה"ב) | ||
| מיקרודיקום | Microdicom (בולגריה) | ||
| רטרופקטיבי | אמסטרדם UMC (הולנד) |
מקורות
- Bassi, T., Taran, S., Girard, T. D., Robba, C., Goligher, E. C. Ventilator-associated brain injury: A new priority for research in mechanical ventilation. Am J Respir Crit Care Med. 209 (10), 1186-1188 (2024).
- Slutsky, A. S., Ranieri, V. M. Ventilator-induced lung injury. N Engl J Med. 369 (22), 2126-2136 (2013).
- Levine, S., et al. Rapid disuse atrophy of diaphragm fibers in mechanically ventilated humans. N Engl J Med. 358 (13), 1327-1335 (2008).
- Silva, P. L., Scharffenberg, M., Rocco, P. R. M. Understanding the mechanisms of ventilator-induced lung injury using animal models. Intensive Care Med Exp. 11 (1), 82(2023).
- Damiani, L. F., et al. Impact of reverse triggering dyssynchrony during lung-protective ventilation on diaphragm function: An experimental model. Am J Respir Crit Care Med. 205 (6), 663-673 (2022).
- Guillon, A., et al. Preclinical septic shock research: why we need an animal ICU. Ann Intensive Care. 9 (1), 66(2019).
- Larsson, L. Experimental animal models of muscle wasting in intensive care unit patients. Crit Care Med. 35 (9), S484-S487 (2007).
- Schwarte, L. A., Zuurbier, C. J., Ince, C. Mechanical ventilation of mice. Basic Res Cardiol. 95 (6), 510-520 (2000).
- Leith, D. E. Comparative mammalian respiratory mechanics. Am Rev Respir Dis. 128 (2 Pt 2), S77-S82 (1983).
- Vinegar, A., Sinnett, E. E., Leith, D. E. Dynamic mechanisms determine functional residual capacity in mice, Mus musculus. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol. 46 (5), 867-871 (1979).
- Oh, S. S., Narver, H. L. Mouse and rat anesthesia and analgesia. Curr Protoc. 4 (2), e995(2024).
- Li, H., et al. Technical aspects of small animal CMR imaging. Front Phys. 8, ARTN 183(2020).
- Daal, M. R. R., et al. Quantification of mouse heart left ventricular function, myocardial strain, and hemodynamic forces by cardiovascular magnetic resonance imaging. J Vis Exp. (171), e62595(2021).
- Gottwald, L. M., et al. Pseudo-spiral sampling and compressed sensing reconstruction provides flexibility of temporal resolution in accelerated aortic 4D flow MRI: A comparison with k-t principal component analysis. NMR Biomed. 33 (4), e4255(2020).
- Sudy, R., et al. Different contributions from lungs and chest wall to respiratory mechanics in mice, rats, and rabbits. J Appl Physiol (1985). 127 (1), 198-204 (2019).
- Strijkers, G. J. Retrospective-v9.7: Self-gated cine MRI reconstruction. , Available from: https://github.com/Moby1971/Retrospective-v9.8 (2023).
- Caro, A. C., Hankenson, F. C., Marx, J. O. Comparison of thermoregulatory devices used during anesthesia of C57BL/6 mice and correlations between body temperature and physiologic parameters. J Am Assoc Lab Anim Sci. 52 (5), 577-583 (2013).
- Tang, M., Yamamoto, T. Progress in Understanding Radiofrequency Heating and Burn Injuries for Safer MR Imaging. Magn Reson Med Sci. 22 (1), 7-25 (2023).
- Munting, L. P., et al. Influence of different isoflurane anesthesia protocols on murine cerebral hemodynamics measured with pseudo-continuous arterial spin labeling. NMR Biomed. 32 (8), e4105(2019).
הדפסות חוזרות והרשאות
