Arteriële stijfheid is een belangrijke factor bij hart-en vaatziekten en pulsgolfsnelheid (PWV) kan als een surrogaat index voor arteriële stijfheid worden beschouwd. Dit protocol beschrijft een beeld processing algoritme voor het berekenen van PWV in muizen op basis van echografie beeldverwerking die van toepassing zijn op verschillende arteriële sites is.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Ultrasound-gebaseerde Pulse Wave Velocity Evaluatie in Muizen
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Arteriële stijfheid kan worden geëvalueerd door het berekenen pulsgolfsnelheid (PWV), dat wil zeggen, de snelheid waarmee de pulsgolf reist in een leiding vat. Deze parameter wordt steeds onderzocht in kleine knaagdiermodellen waarin het wordt gebruikt voor het beoordelen van veranderingen in vasculaire functie van het specifieke genotypen / of behandelingen voor het karakteriseren van cardiovasculaire ziekte progressie. Dit protocol beschrijft een beeldverwerkingsalgoritme die leidt tot niet-invasieve arteriële PWV metingen bij muizen met alleen ultrasone (US) beelden. De voorgestelde techniek is gebruikt om abdominale aorta PWV beoordelen muizen en leeftijdsgebonden veranderingen te evalueren.
Abdominale aorta US scans verkregen uit muizen onder verdoving middels gasvormige specifieke US apparaat uitgerust met hoogfrequent US probes. B-modus en Pulse-Wave Doppler (PW-Doppler) beelden worden geanalyseerd om een diameter van respectievelijk verkrijgen en gemiddelde snelheid momentane waarden,. Daartoe worden randdetectie en bodemaanpassing technieken toegepast. De single-beat gemiddelde diameter en snelheid golfvormen tijdaangepaste en gecombineerd om het diameter velocity (lnD-V) loop te bereiken. PWV waarden worden verkregen uit de helling van het lineaire gedeelte van de lus, die overeenkomt met de vroege systolische fase.
Met deze benadering, anatomische en functionele informatie over de muis abdominale aorta niet invasief verwezenlijkt. Waarbij de verwerking van echografiebeelden alleen kan het een nuttig instrument voor de niet-invasieve karakterisatie van verschillende arteriële sites in de muis qua elastische eigenschappen vertegenwoordigen. De toepassing van de onderhavige techniek kan gemakkelijk worden uitgebreid tot andere vasculaire gebieden, zoals de halsslagader, waardoor de mogelijkheid om een multi-site arteriële stijfheid beoordeling te verkrijgen.
Inleiding
Muizenmodellen steeds toegepast voor het onderzoeken van cardiovasculaire ziekte (CVD) en vooral gebruikt in longitudinale studies die de karakterisering van verschillende stadia van ziekteontwikkeling 1 mogelijk. Elastische eigenschappen van grote slagaders zijn aan andere ziekten lijden vanuit een technisch oogpunt, kan arteriële stijfheid worden beoordeeld door het meten polsgolfsnelheid (PWV), die de snelheid waarmee de puls golf reist in een leiding vat 2 vertegenwoordigt. Vanwege de klinische relevantie is het steeds gemeten zelfs in preklinische diermodellen kleine 3.
Verschillende technieken zijn beschikbaar voor het beoordelen PWV in muizen. Invasieve benaderingen zijn gebaseerd op het gebruik van katheter-tip drukopnemers. PWV wordt beoordeeld door het verwerven druksignalen op twee verschillende arteriële plaatsen en verdelen van de afstand tussen de twee meetgebieden sieten tegen de tijd verschuiving tussen de signalen 4. Het belangrijkste nadeel in verband met dergelijke technieken is dat zij offeren van dieren voor de beoordeling van de afstand tussen de twee meetpunten en dus kan niet worden gebruikt in longitudinale studies. Om deze beperking te overwinnen, niet-invasieve benaderingen, gebaseerd op verschillende beeldvormende technieken ontwikkeld. Eerdere studies hebben PWV evaluaties bij muizen verkregen met de transittijd methode en snelheid-gecodeerde magnetische resonantie beeldgegevens en 5 gepulste Doppler signalen 6 vermeld. Echter, de PWV waarde verkregen met deze methoden is een regionale evaluatie van de arteriële stijfheid. In feite, het vertegenwoordigt een gemiddelde waarde, goed voor verschillende slagaders in termen van omvang en elastische eigenschappen. Bovendien, dit soort van evaluaties vereist de beoordeling van de afstand tussen de twee metingen sites die een bron van fouten die kunnen influence het eindresultaat.
PWV kan worden beoordeeld aan de hand van de diameter-velocity (lnD-V) lus 7. Deze methode is gebaseerd op de gelijktijdige evaluatie diameter en stroomsnelheid waarden in een geselecteerd vat. Volgens deze benadering wordt de lnD V-lus verkregen door het uitzetten van de natuurlijke logaritme diameterwaarden vs gemiddelde snelheidswaarden en PWV wordt geschat door het berekenen van de helling van het lineaire gedeelte van de verkregen lus overeenkomt met de vroege systolische fase. Wat betreft de praktische toepassing van deze methode, hebben eerdere werken reeds gerapporteerde resultaten over de toepassing in een in vitro opzet systeem 7 en het gebruik ervan voor de beoordeling van zowel carotis femorale PWV bij mensen 8.
Het belangrijkste doel van deze studie is een gedetailleerde beschrijving van een beeld processing algoritme dat een niet-invasieve arteriële PWV metingen in muizen met U biedt biedenAlleen S beelden. De voorgestelde benadering maakt de evaluatie van de lokale arteriële stijfheid door middel van het verwerken van zowel B-modus en gepulste Doppler Wave (PW-Doppler) beelden en kunnen worden toegepast bij slagaderen van belang, zoals de abdominale aorta.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Animal experimenten werden uitgevoerd in overeenstemming met de Europese richtlijn (2010/63 / EU) en de Italiaanse wet (D.Lvo 26/2014), en volgde principes van proefdier zorg. De lokale ethische goedkeuring Panel ingestemd met de studie.
1. Imaging Procedure
- Plaats de muis in een anesthesie inductie kamer gevuld met 2,5% isofluraan in 1 l / min zuivere zuurstof. Controleer of de diepte van de anesthesie door ongevoeligheid tot teen knijpen.
- Leg het dier op een temperatuur gecontroleerde bord in een liggende positie. Bevochtig de ogen van het dier met ogenzalf, teneinde te vermijden drooglopen. Leveren verdoving gasstroom (1,5% isofluraan) door het plaatsen van de neus van de muis in de speciale neuskegel. Pas indien nodig het percentage van isofluraan van geval tot geval, afhankelijk van het dier onder studie. Bevestig de raad van bestuur temperatuur van 40 ° C.
- Coat de vier poten van het dier met geleidende pasta en plak ze op de ECG elektroden ingebed in deboord. Meet de lichaamstemperatuur met een rectale sonde smeren met vaseline. Controleer of alle fysiologische metingen (ECG en ademhaling signaal evenals temperatuur) juist zijn overgenomen en weergegeven.
- Verwijder het haar chemisch uit de buik met ontharingscrème en smeer het met akoestische koppeling gel.
- Plaats de (13-24 MHz) US probe in de mechanische arm.
- Bevestig de Amerikaanse sonde evenwijdig aan het dier en zijn positie aan te passen om het lengteprofiel beelden van de abdominale aorta met het gebied van belang in het focale gebied te verkrijgen.
- Verzamel anatomische informatie.
- Klik op de knop waardoor de hoge framerate ECG-gated overname 9, kies dan een frame rate overname gelijk aan 700 fps en start de acquisitie. Opmerking: Zo anatomische beelden van het vaartuig bij één hartcyclus worden verkregen.
- Verzamel stroomsnelheid informatie. </ Strong>
- Met dezelfde scan projectie op het PW-Doppler knop, zet het monstervolume in het midden van het vat en afbeeldingen waarborgen dat de cine lus niet korter dan 3 s verwerven. Deze gegevens ontvangt gegevens handhaven van de hoekcorrectie zo klein mogelijk wordt aangepast van geval tot geval op basis van de Amerikaanse projectie verkregen.
- Verwijder het dier uit de temperatuurgecontroleerde board en wachten op volledig herstel.
LET OP: In onze ervaring dit duurt ongeveer 10 minuten. Niet verlaten en dierlijke onbeheerd totdat het voldoende bewustzijn heeft herwonnen om borstligging handhaven.
2. Post-Processing
- Export B-modus en PW-Doppler beelden als DICOM-bestanden en deze opslaan op een personal computer. Transformeer PW-Doppler DICOM bestanden naar .tiff beelden.
- Werkwijze B-modus beelden.
- Importeer het corresponderende DICOM-bestand met behulp van de speciale Graphical User Interface (GUI).
- Om contouren initialiseren, trek een lijn in de buurt van de muur van het vat (enkele klik voor het starten van het en dubbelklik voor het beëindigen van het) en dubbelklik op dicht bij de dichtbij muur. Een lijn parallel aan die dicht bij de muur verschijnt automatisch. Breng het algoritme op een enkel frame door op de knop "ANALYSE" knop.
- Controleer het resultaat. Als de randen correct geïdentificeerd (bijv., Hebben de evolutie van de geïnitialiseerde punten zowel het achterste en de voorste wand gevonden), toe te passen het algoritme over het geheel cine-loop door te klikken op de knop "GO". Als de randen niet correct geïdentificeerd, wist ze door te klikken op "Clear Contour" en initialiseren ze weer door het herhalen van punt 2.2.2.
Opmerking: Het algoritme is gebaseerd op randdetectie en bodemaanpassing technieken en is eerder in detail beschreven 10. - Het verkrijgen van het uiteindelijke resultaat door op de "record" knop en sla de corrEN ANTWOORD .mat file welke waarden onmiddellijk diameter met betrekking tot een enkele hartcyclus bevat.
- Open de GUI voor de lnD-V loop implementatie.
- Op de "velocity" knop om PW Doppler-beeld verwerking die leidt tot een enkele slag betekenen velocity curve starten.
- Identificeer de PW-Doppler trace en zoek de regel die overeenkomt met een snelheid gelijk aan nul door op de "WHITE LINE" knop.
- Voer snelheid kalibratie en tijd kalibratie met behulp van de 'Velocity "en" TIME "knop (in het deelvenster), respectievelijk. Door op deze knoppen maakt het mogelijk om een lijn waarvan de lengte overeenkomt met de kalibratiefactor ingebracht trekken.
- Selecteer handmatig een ROI met de fysiologische signalen met behulp van de "ROI PHYSIO" knop.
- Selecteer handmatig een ROI met de PW-Doppler trace door op de "ROI signaal" knop.
- Click op de "ANALYSE" knop en controleer of de envelop is geïdentificeerd. Als het resultaat niet bevredigend is, verander dan de drempel (door het intikken van de nieuwe waarde in de "Velocity Threshold" bewerkbare tekst veld) en druk nogmaals op de "ANALYSE" knop. Tune de drempel van geval tot geval, afhankelijk van de kwaliteit van de beelden. Druk op de "UITWERKING" knop.
- Zoek de R-toppen van het ECG-signaal en dus verdeel de snelheid enveloppe signaal door te klikken op de knop 'Update'. Kies beats die niet door lawaai beschadigd zijn of zich in de inspiratie fase door te klikken op de "KIES BEATS" knop. Zo krijgen één-slag betekenen snelheidsgolfvorm.
- Gebruik de Fast Fourier Transform methode om de geselecteerde beats interpoleren in het frequentiedomein en maken ze allemaal uit hetzelfde aantal punten, zoals beschreven in referentie 11. automatisch uit te voeren deze operatie door gewoon op de return toets op het toetsenbord van de computer zodra de beats zijn geselecteerd. Als de "gemiddelde snelheid" checkbox is aangevinkt de interne ritme gemiddelde snelheid signaal wordt bereikt door het verdelen van de maximale snelheid curve door twee, hypothese een parabolische snelheidsprofiel 12. Druk op de knop "OK".
- Klik op de "diameter" knop. Interpoleren de enkele-beat diameter golfvorm in het tijddomein om een signaal single-beat diameter met dezelfde sample frequentie als de één-beat snelheid signaal door op de "Interpolate" knop te verkrijgen. Klik op de knop "OK".
Opmerking: Om de enkelvoudige slag diameter en gemiddelde snelheid bochten met dezelfde samplefrequentie en hetzelfde aantal gegevenspunten worden geïnterpoleerd ze in het frequentiedomein. - Selecteer de "tweede afgeleide" benadering als de uitlijning methode (boven de grafiek weergeven van de golfvormen diameter en snelheid) en klik op de "UPDATE" button. De twee curves automatisch-time uitgelijnd met behulp van de tweede afgeleide methode 14 zijn.
- Bouw de uiteindelijke lnD-V lus door het uitzetten van de natuurlijke logaritme van de enkele-beat diameter waarden ten opzichte van de enkele-beat bedoel velocity waarden. Dit gebeurt automatisch wanneer de twee golfvormen worden uitgelijnd. Opmerking: De punten gelegen tussen de 5% en 90% van de maximale waarde van de één-slag betekenen velocity curve worden automatisch gevonden en een lineaire interpolatie op deze punten wordt aangebracht op de helling van het lineaire gedeelte van de lus evalueren.
- Bereken PWV volgens de volgende vergelijking 7
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De voorgestelde aanpak is toegepast op muizen abdominale aorta in een eerdere studie 11. De volgende afbeeldingen tonen de resultaten van de toepassing van de beschreven aanpak op echte muizen beelden. Deze gegevens zijn afkomstig van een enkel dier (wildtype muizen, 13 weken oud, stam: C57BL6, gewicht: 33 g) in het bijzonder figuur 1 representeert het resultaat van de analyse van de echografiebeelden. Randdetectie en bodemaanpassing technieken to...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
In deze studie heeft beeldverwerkingsalgoritme basis van de lnD V-lus voor PWV beoordeling in muizen is beschreven. De voorgestelde benadering is gebaseerd op de verwerking van echografiebeelden alleen en dus kan een alternatief voor de bestaande technieken 6, 13 voor de evaluatie van arteriële stijfheid in muismodellen vertegenwoordigen. In feite omgekeerd invasieve methoden 6 die gebaseerd zijn op het verkrijgen van intra-arteriële druk...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| VEVO2100 | FUJIFILM VisualSonics Inc, Toronto, Canada | micro-ultrasound apparatuur | |
| MS250 Ultrasound Probe | FUJIFILM VisualSonics Inc, Toronto, Canada | micro-ultrasound sonde | |
| EKV Software | FUJIFILM VisualSonics Inc, Toronto, Canada | Software | |
| Matlab R2015a | MathWorks Inc, Natick, MA, USA | Software | |
| Conductive Paste | Gekozen door de operator | Laboratoriummateriaal | |
| Petroleum Jelly | Gekozen door de operator | Laboratoriummateriaal | |
| Depilatory Cream | Gekozen door de operator | Laboratoriummateriaal | |
| Acoustic Coupling Gel | Gekozen door de operator | Laboratoriummateriaal | |
| Ontwikkelde Matlab Software | De auteurs zijn bereid om samen te werken met die onderzoekers die geïnteresseerd zijn in de software en om de software onder hun supervisie beschikbaar te stellen |
Referenties
- Zaragoza, C., et al. Animal Models of Cardiovascular Diseases. J Biomed Biotechnol. 2011, 497-841 (2011).
- Laurent, S., et al. Expert consensus document on arterial stiffness: methodological issues and clinical applications. Eur Heart J. 27, 2588-2605 (2006).
- Wang, Y. X., et al. Increased aortic stiffness assessed by pulse wave velocity in apolipoprotein E-deficient mice. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 278, 428-434 (2000).
- Mitchell, G. F., Pfeffer, M. A., Finn, P. V., Pfeffer, J. M. Comparison of techniques for measuring pulse-wave velocity in the rat. J Appl Physiol. 82 (1), 203-210 (1997).
- Parczyk, M., Herold, V., Klug, G., Bauer, W. R., Rommel, E., Jakob, P. M. Regional in vivo transit time measurements of aortic pulse wave velocity in mice with high-field CMR at 17.6 Tesla. J Cardiovasc Magn Reson. 12, 72(2010).
- Hartley, C. J., Taffet, G. E., Michael, L. H., Pham, T. T., Entman, M. L. Noninvasive determination of pulse-wave velocity in mice. Am J Physiol. 273 (1), Pt 2 494-500 (1997).
- Feng, J., Khir, A. W. Determination of wave speed and wave separation in the arteries using diameter and velocity. J Biomech. 43 (3), 455-462 (2010).
- Borlotti, A., Khir, A. W., Rietzschel, E. R., De Buyzere, M. L., Vermeersch, S., Segers, P. Noninvasive determination of local pulse wave velocity and wave intensity: changes with age and gender in the carotid and femoral arteries of healthy human. J Appl Physiol. 113 (5), 727-735 (2012).
- Chérin, E., et al. Ultrahigh frame rate retrospective ultrasound microimaging and blood flow visualization in mice in vivo. Ultrasound Med Biol. 32 (5), 683-691 (2006).
- Gemignani, V., Faita, F., Ghiadoni, L., Poggianti, E., Demi, M. A system for real-time measurement of the brachial artery diameter in B-mode ultrasound images. IEEE Trans Med Imaging. 26 (3), 393-404 (2006).
- Di Lascio, N., Stea, F., Kusmic, C., Sicari, R., Faita, F. Non-invasive assessment of pulse wave velocity in mice by means of ultrasound images. Atherosclerosis. 237 (1), 31-37 (2014).
- Nichols, W. W., O'Rourke, M. F. McDonald's Blood Flow in Arteries: Theoretical, Experimental, and Clinical Principles. , Arnold. London. 215-358 (1998).
- Williams, R., et al. Noninvasive ultrasonic measurement of regional and local pulse wave velocity in mice. Ultrasound Med Biol. 33 (9), 1368-1375 (2007).
- Penny, D. J., et al. Aortic wave intensity of ventricular-vascular interaction during incremental dobutamine infusion in adult sheep. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 294, 481-489 (2008).
- Segers, P., et al. Wave reflection leads to over- and underestimation of local wave speed by the PU- and QA-loop methods: theoretical basis and solution to the problem. Physiol Meas. 35 (5), 847-861 (2014).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
