Cardiale Magnetische Resonantie Beeldvorming
Bron: Frederick W. Damen en Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana
In deze video wordt…
1. Animal Preparation
- Identify the muis die beeldvorming ondergaat in zijn kooi en breng hem over naar de anesthesie-inductiekamer.
- Anesthetiseer de muis met isofluraan en bevestig de knock-down met een teenpriktechniek. Neem de poot tussen uw duim en wijsvinger en knijp stevig om op een reactie te controleren. Als het dier zijn poot terugtrekt, moet u wachten of opnieuw anesthesie toedienen volgens het goedgekeurde protocol.
- Controleer of al het personeel dat de beeldvormingsfaciliteit binnenkomt, MR-veilig is. Dit omvat het verwijderen van alle magnetische kleding/accessoires, het bevestigen dat er geen magnetische implantaten of pacemakers zijn en het verwijderen van piercings met metaal.
- Open de isofluraanstroom naar de neuskoker in de MRI-ruimte. Dit stelt u in staat de langere buis vooraf met anesthesie te vullen voordat de muis wordt overgebracht om ervoor te zorgen dat het dier niet wakker wordt.
- Sluit de isofluraanstroom naar de anesthesie-inductiekamer en breng de muis over naar de beeldvormingsfase. Plaats de muis op de fase zodanig dat de geschatte locatie van het hart is uitgelijnd met het midden van de magneet.
- Bevestig de neuskoker en bevestig de knock-down opnieuw met behulp van de teenpriktechniek.
- Breng de drie elektrocardiogramleidingen subcutaan aan met één leiding links en rechts van het hart en één aan de basis van de linker achterpoot.
- Breng de rectale temperatuursensor in met behulp van een steriele sondehoes en glijmiddel.
- Plaats de kussenademhalingssensor op de epigastrische regio van de buik en bevestig deze met behulp van een kartonnen plaat. Het karton zal zorgen voor een drukgevoelige signaal.
- Bevestig dat alle fysiologische signalen worden verkregen via de monitoringssoftware buiten de scannerruimte. Als een hartslag, ademhalingssnelheid of temperatuur buiten het normale bereik wordt gedetecteerd, onderbreek dan de beeldvorming en beoordeel of het dier op de juiste manier is geanesthetiseerd. Als het dier in nood wordt gevonden, moet de toediening van anesthesie worden stopgezet en moet het dier worden teruggeplaatst in de kooi om te herstellen.
- Stel het verwarmingsmodule en de ventilator in en begin met het verwarmen van de luchtstroom naar het dier. Bevestig alle luchtslangen op hun plaats zodat de warme lucht naar de muis begint te waaien net na de punt van de staart.
- Plaats de gradiënt spoel over het dier en zorg ervoor dat alle kabels/slangen zijn bevestigd.
2. Cardiale Magnetische Resonantie Beeldvorming - Deze sectie kan worden aangepast voor andere toepassingen.
- Tunen en matchen van de gradiënt spoel buiten de boring van de magneet om ervoor te zorgen dat het maximale signaal wordt gedetecteerd van het onderwerp.
- Breng de beeldvormingsfase langzaam in de boring van de magneet zodat het dier direct in het midden van de boring is gepositioneerd. Dit omvat het ervoor zorgen dat de gradiënt spoel gelijkmatige afstanden heeft langs alle radiale richtingen. Dit is de positie waarin het hoofdmagneetveld het meest homogeen zal zijn.
- Voer een localizer/navigator-scan uit om de locatie van de muis in de scanner te bevestigen. Een segment van het hart moet zichtbaar zijn in alle drie de vlakken (d.w.z. axiaal, sagittaal en coronaal). Als dit niet het geval is, herhaal dan het proces van het opnieuw positioneren van de muis en het uitvoeren van localizer/navigatie-scans tot de gewenste positie is bereikt.
- Stel de parameters in voor de FLASH-sequentie. Bijvoorbeeld: TR/TE = 8,0/2,0 ms, FA = 20°, FOV = 35 x 35 mm, matrixgrootte = 192 x 192 en NEX = 6. Selecteer vervolgens de externe trigger zodat deze 'aan' staat.
- Configureer op de monitoringssoftware de externe triggers zodat de MRI-sequenties worden gestart bij het identificeren van de R-pieken in de hartcycli en terwijl de ademhaling stabiel is tijdens de expiratoire fase. Zodra deze twee voorwaarden zijn vervuld, kan de sequentie serieel worden uitgevoerd en worden gegevens verzameld.
- Schrijf en voer een initiële FLASH-sequentiesnede uit in de coronale weergave zodat het snedevlak de as volgt vanaf de top van het hart tot aan de aortaklep. Deze eerste cine-lus zal een tweekamerweergave van het hart bieden.
- Met verwijzing naar de resultaten van de tweekamerweergave, schrijf en voer een nieuwe FLASH-sequentie uit langs de apex-aortaklep-as om een vierkamerweergave te visualiseren.
- Schrijf tenslotte een kort-as-snede voor die loodrecht staat op de apex-aortaklep-as ongeveer halverwege het hart. De papillaire spieren moeten duidelijk zichtbaar zijn binnen de cine-lus-uitvoer op deze locatie.
- Aanvullende sneden kunnen parallel aan deze worden verkregen om tijd-gesynchroniseerde volumes van het hart op te bouwen. Deze volumes worden gecreëerd door aangrenzende cine-lussen in post-processing te concateneren.
- Zodra de beeldvorming is voltooid, breng de verworven gegevens over naar een geschikte locatie voor analyse en verwijder het dier uit de scanner.
High-field small-bore magnetische resonantiebeeldvorming, of cardiale MRI, beoordeelt de cardiovasculaire functie zonder het gebruik van ioniserende straling of contrastmiddelen.
Vergelijkbare cardiovasculaire beeldvormingsmodaliteiten omvatten hoogfrequente echografie, die een straal van akoestische golven uitzendt vanuit een transducer en de echo's opneemt die worden gecreëerd wanneer de golven reflecteren om live beelden te genereren. Het biedt beelden met hoge ruimtelijke en temporele resolutie; echter, beeldartefacten kunnen worden waargenomen als gevolg van de beperkte penetratiediepte in dicht weefsel.
Een andere beeldvormingstechniek is micro-CT, die een reeks röntgenprojecties maakt om 3D-dwarsdoorsneden te creëren. Het heeft een lagere temporele resolutie en beperkte weke weefselcontrast, en vereist vaak het gebruik van contrastmiddelen om vasculaire structuren te visualiseren. Deze zijn bekend om het veroorzaken van stralingsschade en nierfalen bij hoge doses.
Alternatief gebruikt MRI sterke elektromagneten om weefsels in het lichaam te beeldvormen op basis van hun magnetische eigenschappen. In cardiale MRI worden conventionele MRI-sequenties gesynchroniseerd met R-pieken in de hartcyclus en expiratoire plateaus in de ademhaling om de cardiovasculaire functie te beoordelen.
Deze video zal illustreren hoe MRI-gegevens kunnen worden verzameld met een triggering fast low angle shot, of FLASH MRI-sequentie. Deze techniek biedt hoogwaardig weke weefselcontrast voor het onderzoek van kleine diermodellen van ziekten.
Magnetische resonantiebeeldvorming is een techniek die de paramagnetische eigenschappen van weefsel gebruikt om weke weefselcontrast te visualiseren. De boring van een MRI-apparaat is conventioneel omwikkeld met een solenoïde spoel die een constant homogeen magnetisch veld, B-nul, biedt wanneer er een elektrische stroom wordt toegepast.
Bij high-field mirroring beeldvorming kan een magnetisch veldsterkte van 7 Tesla worden gebruikt, ongeveer 140.000 keer die van het aardmagnetisch veld, en meer dan het dubbele van de gebruikelijke klinische 3-Tesla en 1,5-Tesla scannerveldsterktes. Dit homogene magnetische veld zorgt ervoor dat de waterstofprotonen die inherent zijn aan bijna alle levende weefsels hun rotatieassen uitlijnen. Deze spins kunnen vervolgens worden gekanteld met behulp van radiofrequente, of RF-golven, naar een bepaalde hoek ten opzichte van de rotatieas, ook bekend als de flip-hoek.
Terwijl de protonen vervolgens proberen terug te keren naar hun oorspronkelijke oriëntatie, induceert de component van hun spin loodrecht op hun hoofdas een detecteerbaar elektrisch signaal, wat resulteert in een beeld. Bovendien kunnen magnetische gradiënten worden toegepast die het hoofdmagnetische veld verstoren en plaatselijk geïsoleerde RF-excitatiels toestaan om het ontvangen signaal te lokaliseren. Specifiek voor de methoden die in deze video worden beschreven, is de FLASH-sequentie, die gebruik maakt van lage flip-hoek RF-excitatiels die snel worden herhaald om een stabiel patroon in de protonbeweging te induceren. De herhalingstijd is veel korter dan de typische protonrelaxatietijd.
Wanneer ongeremd waterstof, zoals dat in het bloed, het beeldvormingskader binnenkomt, wordt een relatief hoog signaal geproduceerd. Dit maakt het mogelijk om het cardiovasculaire systeem snel te beeldvormen en stabiele momentopnamen te bieden binnen de hartcyclus. Door de FLASH-sequentie te triggeren met fysiologische signalen, kunnen beelden van het cardiovasculaire systeem worden verkregen die cardiale, vasculaire en respiratoire bewegingen benadrukken.
Nadat we de belangrijkste principes van cardiale MRI hebben besproken, laten we nu de stapsgewijze procedure doorlopen om een dier voor te bereiden en te beeldvormen.
Identificeer eerst de muis die moet worden beeldvormd, breng de muis vervolgens over naar de knockdownkamer. Vervolgens verdooft u het dier met isofluraan en bevestigt u het knockdown met behulp van een teenpriktechniek. Open vervolgens de isofluraanstroom naar de neuskoker in de MRI-kamer en sluit de isofluraanstroom naar de knockdownkamer. Dit primet de langere buis met anestheticum.
Zorg ervoor dat al het personeel MR-veilig is, breng vervolgens de muis over naar de beeldvormingsfase en bevestig de neuskoker rond het dier. Positioneer de muis zodat zijn hart ongeveer is uitgelijnd met het centrum van de RF-spoel. Bevestig vervolgens opnieuw het knockdown met behulp van de teenpriktechniek. Plaats vervolgens de drie elektrocardiogramleidingen subcutaan. Plaats een kabel links en rechts van het hart en een op de basis van de linker achterpoot.
Plaats de rectale thermometersonde met behulp van een steriele sondeschede en glijmiddel. Plaats vervolgens een kussenrespiratiesensor op de epigastrische regio's van de buik en zet hem vast met behulp van karton om drukgevoelige signalering te verkrijgen.
Bevestig dat alle fysiologische signalen worden verkregen via de monitoringsoftware buiten de scannerruimte. Stel vervolgens de verwarmingsmodule en ventilator in om de luchtstroom naar de muis te verwarmen. Zet de luchtslang vast zodat de warme lucht richting de muis waait, beginnend net voorbij het puntje van zijn staart. Plaats ten slotte de RF-spoel over de muis en zorg ervoor dat alle kabels en slangen vastzitten.
Laten we nu het stapsgewijze protocol bekijken om cardiale MRI uit te voeren op de verdoofde muis.
Sterk en pas eerst de RF-spoel buiten de boring van de magneet aan om maximale signaaldetectie te garanderen. Dit wordt aangegeven door een smalle vallei bij nul hertz voor elk onderdeel van de RF-spoel. Voer vervolgens langzaam de beeldvormingsfase in de boring van de magneet in. Zorg ervoor dat de muis direct in het midden van de boring is gepositioneerd en dat de gradiëntspoel een gelijke afstand heeft langs alle radiale richtingen. Deze positie zorgt voor een homogeen hoofdmagneetisch veld.
Voer vervolgens een navigatiescan uit om de muis binnen de scanner te lokaliseren. Bevestig of een deel van het hart in alle drie de vlakken wordt gevisualiseerd, namelijk axiaal, sagittaal en coronaal. Stel vervolgens de parameters in voor de FLASH-sequentie en selecteer het externe triggeren om aan te staan. Configureer op de monitoringsoftware de externe triggers zodat de MRI-sequenties slechts opeenvolgend worden uitgevoerd op R
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: How does cardiac MRI compare to other small animal cardiovascular imaging techniques?
Cardiac MRI offers advantages over alternative modalities. High-frequency ultrasound provides excellent spatial and temporal resolution but suffers from imaging artifacts due to limited penetration in dense tissue. Micro-CT avoids these artifacts but has lower temporal resolution, limited soft tissue contrast, and requires contrast agents that cause radiation damage and renal failure at high doses. Cardiac MRI eliminates ionizing radiation and enables imaging without contrast agents, providing a balanced approach.
Q2: What is the FLASH sequence and why is it used in cardiac MRI?
FLASH (Fast Low Angle SHot) is an MRI sequence using low flip angle radiofrequency excitations rapidly repeated to induce a steady state pattern in proton motion. The repetition time is much shorter than typical proton relaxation time. This technique allows unexcited hydrogen in blood to produce relatively high signal, enabling rapid cardiovascular imaging and stable snapshots within the cardiac cycle when triggered by physiologic signals.
Q3: How does the magnetic field strength in high-field MRI affect imaging quality?
High-field MRI employs 7-Tesla magnetic field strength, approximately 140,000 times Earth's magnetic field and more than double common clinical scanners at 3-Tesla or 1.5-Tesla. This stronger homogeneous magnetic field causes hydrogen protons to align their rotation axes more effectively. The increased alignment enhances signal detection and enables high-quality soft tissue contrast for studying small animal disease models.
Q4: What physiological signals are monitored during cardiac MRI procedures?
Cardiac MRI monitoring includes three key physiological signals. Electrocardiogram leads detect R-peaks in the cardiac cycle for triggering image acquisition. A pressure-sensitive pillow on the abdomen monitors respiration, allowing imaging during stable expiratory phases. A rectal temperature probe tracks body temperature to control heating module output, ensuring proper animal thermoregulation throughout the procedure.
Q5: What cardiac structures are visualized in different MRI imaging planes?
The two-chamber view along the apex-aortic valve axis visualizes the left ventricle and atrium. The four-chamber view shows all cardiac chambers with bright blood inflow through mitral and tricuspid valves and outflow through aortic and pulmonary valves. Short axis slices perpendicular to the apex-aortic valve axis reveal the left ventricle with distinctly visible papillary muscles, enabling assessment of cardiac function.
Q6: How does signal dropout in cardiac MRI relate to blood motion?
Signal dropout regions within the left ventricular lumen indicate fast-moving blood that was originally out of plane and not tagged by radiofrequency wave excitation. This phenomenon occurs because unexcited blood entering the imaging frame produces high signal, but blood moving rapidly out of the imaging plane before excitation appears as signal loss, providing functional information about blood flow dynamics.
Q7: What research applications does cardiac MRI enable for disease modeling?
Cardiac MRI allows researchers to compare kinematics of healthy versus diseased hearts using controlled murine disease models. This capability enables identification of specific factors contributing to heart disease and study of cardiac remodeling after injury. Additionally, vascular-focused applications assess abdominal aortic aneurysm formation by exploiting blood's high signal intensity to measure vessel expansion and biomechanical property changes.