Artykuł metodologiczny

Protokół obrazowania metodą rezonansu magnetycznego do szacowania czasu wystąpienia udaru w trwałym niedokrwieniu mózgu

DOI:

10.3791/55277

⸱

16 września 2017

 ,  ,  ,  , 
1School of Experimental Psychology and Clinical Research and Imaging Center Bristol, University of Bristol, 2Department of Neurobiology, A.I. Virtanen Institute, University of Eastern Finland

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Opisano protokół szacowania czasu wystąpienia udaru w szczurzym modelu udaru, wykorzystujący parametry ilościowego rezonansu magnetycznego (qMRI). Procedura wykorzystuje dyfuzyjny rezonans magnetyczny do wyznaczenia zmiany w ostrym udarze mózgu oraz ilościowych czasów relaksacji T1 i T2 (qT1 i qT2) w celu określenia czasu udaru.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

MRI dostarcza czułego i specyficznego narzędzia do wykrywania ostrego udaru niedokrwiennego za pomocą zmniejszonego współczynnika dyfuzji wody mózgowej. W szczurzym modelu udaru niedokrwiennego różnice w ilościowych czasach relaksacji MRI T1 i T2 (qT1 i qT2) między zmianą niedokrwienną (wyznaczoną przez niską dyfuzję) a przeciwległą półkulą nieniedokrwienną zwiększają się z czasem od wystąpienia udaru. Zależność czasowa różnic w czasie relaksacji MRI jest heurystycznie opisana przez funkcję liniową, a zatem zapewnia proste oszacowanie czasu wystąpienia udaru. Dodatkowo objętości nieprawidłowych qT1 i qT2 w obrębie zmiany niedokrwiennej zwiększają się liniowo w czasie, co stanowi komplementarną metodę pomiaru czasu udaru. Przedstawiono (pół)zautomatyzowaną procedurę komputerową opartą na ilościowo określonym współczynniku dyfuzji w celu nakreślenia ostrej tkanki udaru niedokrwiennego w niedokrwieniu szczurów. Procedura ta określa również różnice półkulowe w czasach relaksacji qT1 i qT2 oraz lokalizację i objętość nieprawidłowych wokseli qT1 i qT2 w obrębie zmiany. Niepewności związane z oszacowaniem czasu wystąpienia danych MRI qT1 i qT2 wahają się od ± 25 minut do ± 47 minut dla pierwszych 5 godzin udaru. Najdokładniejsze oszacowanie czasu wystąpienia choroby można uzyskać, określając ilościowo objętość nakładających się na siebie nieprawidłowych objętości zmian qT1 i qT2, określanych jako "nakładanie się V" (± 25 min) lub określając ilościowo różnice półkul w samych czasach relaksacji qT2 (± 28 min). Ogólnie rzecz biorąc, parametry pochodne qT2 przewyższają te z qT1. Obecny protokół MRI jest testowany w fazie nadostrej modelu stałego ogniskowego niedokrwienia, który może nie mieć zastosowania do przejściowego ogniskowego niedokrwienia mózgu.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tkanka mózgowa jest szczególnie podatna na niedokrwienie ze względu na dużą zależność fosforylacji oksydacyjnej od syntezy ATP i ograniczone rezerwy energii. Niedokrwienie powoduje subtelne, zależne od czasu zmiany jonowe w przestrzeniach wewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomórkowych, które prowadzą do redystrybucji basenów wodnych w mózgu, uwalniania ekscytotoksycznych neuroprzekaźników i ostatecznie inicjacji procesów destrukcyjnych 1. W ogniskowym niedokrwieniu uszkodzenie tkanki rozprzestrzenia się poza początkowy rdzeń, jeśli przepływ krwi nie zostanie przywrócony w określonym czasie 2. Czas wystąpienia udaru mózgu jest obecnie jednym z kluczowych kryteriów w decyzjach klinicznych dotyczących farmakoterapii udaru niedokrwiennego mózgu, w tym rekanalizacji za pomocą leków trombolitycznych 3. W związku z tym wielu pacjentów automatycznie nie kwalifikuje się do leczenia trombolitycznego z powodu nieznanego czasu wystąpienia objawów, z powodu udaru występującego podczas snu ("udar budzenia"), braku świadka lub nieświadomości objawów 4,5. W związku z tym wymagana jest procedura, która określa czas wystąpienia udaru, aby tacy pacjenci mogli być rozważeni do trombolizy.

Rezonans magnetyczny bada wodę in vivo. Których dynamika jest poważnie zaburzona przez ostrą niedokrwienną niewydolność energetyczną 6. Przede wszystkim dyfuzja wody rządzona przez ruch translacyjny (termiczny) cząsteczek wody jest zmniejszona we wczesnych momentach niedokrwienia z powodu awarii energetycznej 7. To z kolei powoduje beztlenową depolaryzację komórek nerwowych 8. Dyfuzyjny rezonans magnetyczny (DWI) stał się złotym standardem diagnostyki obrazowej w leczeniu ostrego udaru mózgu 9. Sygnał DWI gwałtownie wzrasta w odpowiedzi na niedokrwienie, co pozwala na identyfikację tkanki niedokrwiennej, ale nie wykazuje żadnej zależności od czasu w ciągu pierwszych kilku godzin udaru niedokrwiennego 10. Podobnie, ilościowe miary dyfuzji wody, takie jak pozorny współczynnik dyfuzji (ADC) lub ślad tensora dyfuzji (Dav), gwałtownie zmniejszają się w tkance niedokrwiennej, ale nie wykazują związku z czasem od wystąpienia udaru w zwierzęcych modelach udaru 10 i pacjentach 11.

Ilościowe parametry relaksacji MRI (qMRI), qT1, qT2 i qT1ρ, są regulowane przez ruch obrotowy i wymianę atomów wodoru w wodzie i wykazują złożone, zależne od czasu zmiany w miąższu mózgu po niedokrwiennej awarii energetycznej 6. Takie zależne od czasu zmiany umożliwiły oszacowanie czasu wystąpienia udaru u pacjentów 12 i zwierzęcych modeli niedokrwienia 13,14,15. W przypadku udaru ogniskowego u szczurów qT1ρ wzrasta niemal natychmiast po wystąpieniu niedokrwienia i utrzymuje się liniowo przez co najmniej 6 godzin 13,14. Czasy relaksacji qT1 również zwiększają się w sposób zależny od czasu w niedokrwiennej tkance mózgowej, co można opisać za pomocą dwóch stałych czasowych: początkowej fazy szybkiej, po której następuje faza wolna trwająca przez wiele godzin 8,16. Ze względu na ten dwufazowy wzrost, zastosowanie qT1 w czasie udaru może być bardziej skomplikowane niż w przypadku qT1ρ MRI 15. Czasy relaksacji qT2 pokazują również dwufazową zmianę w ogniskowym udarze u szczura, w wyniku której następuje początkowe skrócenie w ciągu pierwszej godziny, po którym następuje liniowy wzrost w czasie 13. Początkowe skrócenie można wytłumaczyć dwoma równoległymi czynnikami, w tym: (i) nagromadzeniem się deoksyhemoglobiny powodującym tak zwany "efekt zależny od ujemnego poziomu natlenienia krwi" oraz (ii) przesunięciem wody zewnątrzkomórkowej do przestrzeni wewnątrzkomórkowej 17,18. Zależny od czasu wzrost qT2 jest prawdopodobnie spowodowany obrzękiem cytotoksycznym i/lub naczyniopochodnym z późniejszym rozpadem wewnątrzkomórkowych struktur makromolekularnych 18. Zarówno dane qT1ρ, jak i qT2 dostarczają dokładnych szacunków czasu wystąpienia udaru w modelach przedklinicznych 14. qT2 12 i T 2-ważone intensywności sygnału 19,20 zostały również wykorzystane do oszacowania czasu wystąpienia udaru w warunkach klinicznych.

Oprócz różnic między półkulami w ilościowych czasach relaksacji, przestrzenny rozkład podwyższonych czasów relaksacji w obszarze niedokrwiennym może również służyć jako substytut czasu wystąpienia udaru 14. W szczurzych modelach udaru regiony z podwyższonymi czasami relaksacji qT1ρ, qT2 i qT1 są początkowo mniejsze niż zmiana niedokrwienna zdefiniowana dyfuzją, ale zwiększają się z czasem 14,15,21. W związku z tym kwantyfikacja rozkładu przestrzennego podwyższonych czasów relaksacji jako procentu wielkości zmiany niedokrwiennej umożliwia również oszacowanie czasu wystąpienia udaru 14,15. W tym miejscu opisujemy protokół określania czasu wystąpienia udaru w szczurzym modelu udaru przy użyciu parametrów qMRI.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Procedury na zwierzętach zostały przeprowadzone zgodnie z wytycznymi Rady Wspólnoty Europejskiej 86/609/EWG i zatwierdzone przez Komitet ds. Opieki nad Zwierzętami i Użytkowania Uniwersytetu Wschodniej Finlandii, Kuopio, Finlandia.

1. Model zwierzęcy

  1. Samce szczurów rasy Wistar o wadze 300 - 400 g należy znieczulić izofluranem w przepływie N2/O2 (70%/30%) przez maskę na czas operacji i eksperymentów MRI. Wywołaj znieczulenie w wentylowanym kapturze. Utrzymuj poziom izofluranu między 1,5 a 2,4%.
    1. Monitoruj głębokość znieczulenia podczas rezonansu magnetycznego od częstotliwości oddychania za pomocą poduszki pneumatycznej pod tułowiem. Brak reakcji na odruch szczypania jest traktowany jako oznaka wystarczającej głębokości do znieczulenia chirurgicznego. Użyj zmiatacza izofluranu przymocowanego do otworu magnesu.
  2. Wykonaj stałe zamknięcie tętnicy środkowej mózgu (MCAO) w celu wywołania ogniskowego udaru niedokrwiennego. Użyj modelu gwintu śródświetlnego dla MCAO i przeprowadź operację zgodnie z metodami podanymi przez Longa i wsp.22.
    1. Pozostaw gwint okluzyjny (hartowany filament monofilowy silikon-PTFE, średnica 0,22 mm) na miejscu na czas eksperymentu MRI.
  3. Analizuj gazometrię krwi tętniczej i pH za pomocą analizatora krwi.
    1. Podczas rezonansu magnetycznego monitoruj częstość oddechów za pomocą poduszki pneumatycznej umieszczonej pod tułowiem oraz temperaturę w odbycie za pomocą systemu monitorowania temperatury w odbycie. Utrzymuj temperaturę rdzenia na poziomie zbliżonym do 37 °C za pomocą wodnej poduszki grzewczej pod tułowiem.
    2. Natychmiast po MCAO zabezpiecz szczura w kołysce pośrodku otworu magnesu za pomocą uchwytu na głowę szczura. Wstrzyknij dootrzewnowo 2 ml soli fizjologicznej przed przeniesieniem szczurów do otworu magnesu.

2. Rezonans magnetyczny

  1. Pozyskiwanie danych MRI za pomocą poziomego magnesu o wymiarach 9,4 T/31 cm (z wkładką gradientową 12 cm) połączonego z konsolą wyposażoną w aktywnie odsprzężony liniowy nadajnik objętości i kwadraturową parę cewek odbiorczych.
  2. Skanuj każdego szczura przez maksymalnie 5 godzin po MCAO. W odstępach godzinowych (60, 120, 180, 240 min po MCAO) pobrać 12 przystających próbek (0,5 mm odstęp między warstwami, grubość warstwy = 1 mm, pole widzenia = 2,56 cm x 2,56 cm) warstw koronalnych tensora śladu dyfuzji (2.2.1.), Carr-Purcell-Meiboom-Gill T2 (2.2.2.) i Fast Low Angle Shot T1 (2.2.3.).
    1. Otrzymać ślad obrazów tensora dyfuzji (Dav = 1/3 śladu [D]) z trzema dwubiegunowymi gradientami wzdłuż każdej osi (czas trwania gradientu dyfuzji = 5 ms, czas dyfuzji = 15 ms) i trzy wartości b (0, 400 i 1400 s/mm-2s), gdzie, Δ = 15 ms, ∂ = 5 ms, czas echa (TE) = 36 ms, czas powtórzenia (TR) = 4000 ms i czas akwizycji = 7,36 min.
    2. Uzyskaj sekwencję Carra-Purcella-Meibooma-Gilla T2 z 12 echami dla kwantyfikacji T2, gdzie odstępy między echami = 10 ms, TR = 2000 ms i czas akwizycji = 4,20 min.
    3. Uzyskaj szybki strzał pod niskim kątem (FLASH) dla T1, gdzie czas od odwrócenia do pierwszej sekwencji FLASH (T10) wynosi 7,58 ms, z przyrostami 600 ms co 10 inwersji do 5407,58 ms, TR = 5,5 ms, czas między impulsami inwersji (Trelax) = 10 s i czas akwizycji = 8,20 min.

3. Przetwarzanie obrazu

  1. Obliczanie map relaksometrycznych i ADC: Obliczanie map qT2, qT1 i ADC przy użyciu funkcji Matlab udostępnionych na stronie internetowej Uniwersytetu w Bristolu [DOI:10.5523/bris.1bjytiabmtwqx2kodgbzkwso0k], dla których danymi wejściowymi jest ścieżka do pliku do lokalizacji danych MRI.
    1. W przypadku danych T2 należy zastosować filtrowanie Hamminga w przestrzeni k przed rekonstrukcją obrazów (lub w domenie obrazu przez konwolucję, z równoważnymi wynikami, ale mniej wydajnymi obliczeniowo). Obliczaj mapy qT2, biorąc logarytm każdego szeregu czasowego i rozwiązując na podstawie wokseli za pomocą liniowych najmniejszych kwadratów (można również przeprowadzić dwuwykładnicze dopasowanie do rozpadów T2, ale testy F-testów dla wokseli wykazały, że woksele w obrazie nie mogą być uzasadnione dodatkowymi parametrami).
    2. W przypadku danych T1 zastosuj filtrowanie Hamminga w przestrzeni k przed rekonstrukcją obrazów. Wykonaj dopasowanie T1 zgodnie z metodami podanymi w odnośniku 23. Aby poradzić sobie z problemem nieznanego znaku (ze względu na zastosowanie obrazów magnitudo), punkt o najniższej intensywności może zostać albo wykluczony, albo oszacowany w trakcie dopasowania z podobnymi wynikami.
    3. W przypadku danych ważonych dyfuzją zastosuj filtrowanie Hamminga przez konwolucję w domenie obrazu (jest to prostsze ze względu na segmentowaną trajektorię k-przestrzeni). Dopasuj mapy ADC za pomocą metody in13.
  2. Identyfikacja tkanki niedokrwionej
    1. Zidentyfikuj niedokrwioną tkankę na wzajemnych obrazach Dav (1 / Dav), ponieważ zapewnia to wyraźny kontrast do identyfikacji zmiany. Aby wygenerować niedokrwienne objętości zainteresowania (VOI), zdefiniuj niedokrwioną tkankę jako woksele o wartościach o jedno mediana odchylenia bezwzględnego powyżej medianywartości rozkładu av 1/D w całym mózgu. Aby zidentyfikować regiony homologiczne na półkuli nieniedokrwiennej, odwróć niedokrwienny VOI wokół osi pionowej. Ręcznie dostosuj nieniedokrwienne VOI, aby uniknąć włączania wokseli zawierających płyn mózgowo-rdzeniowy.
    2. Aby określić związek qT1 i qT2 z czasem po MCAO, dla każdego szczura i punktu czasowego załaduj niedokrwienne i nieniedokrwienne VOI na mapy qT1 i qT2. Wyodrębnij średnie czasy relaksacji i oblicz procentową różnicę w qT1 i qT2 między półkulami (ΔT1 i ΔT2) za pomocą następującego równania:
      figure-protocol-1
      Gdzie Tx jest wybranym parametrem, qT1 lub qT2. figure-protocol-2odnosi się do średniego czasu relaksacji niedokrwiennego VOI i figure-protocol-3 średni czas relaksacji w nieniedokrwiennym VOI. Nieniedokrwienny VOI powinien być stosowany tak, aby każdy szczur służył jako osobna kontrola.
    3. Do identyfikacji wokseli z podwyższonym qT1 i qT2 należy stosować następujące kryteria: dowolne woksele w obrębie niedokrwiennego VOI z czasami relaksacji przekraczającymi medianę czasu relaksacji rozkładu qT1 lub qT2 w nieniedokrwiennym VOI o więcej niż połowę szerokości w połowie maksimum (HWMH). Kryteria te oznaczają, że czasy relaksacji muszą mieścić się w 95. percentylu lub wyższym, aby można je było zaklasyfikować jako "wysokie". Wykorzystanie mediany czasu relaksacji nieniedokrwiennego VOI pozwala każdemu szczurowi służyć jako jego własna kontrola.
    4. Aby zobrazować rozkład przestrzenny zmian czasu relaksacji w obszarach zmniejszonej dyfuzji, zidentyfikuj i oznacz kolorami woksele z podwyższonym qT1 lub qT2, a także woksele z podwyższonym qT1 i qT2 określane jako "nakładanie się qT1 i qT2".
    5. Aby określić rozmiar zmiany zgodnie z qT1 i qT2, oblicz parametr f (wprowadzony przez Knighta i wsp. 18) z danych MRI uzyskanych dla każdego szczura i punktu czasowego. f1 i f2 reprezentują liczbę wokseli o wysokim qT1 lub qT2 (odpowiednio) jako procent wielkości niedokrwiennego VOI.
      1. Użyj poniższego równania, aby obliczyć f1 i f2:
        figure-protocol-4
        Gdzie figure-protocol-5 odnosi się do czasu relaksacji (qT1 lub qT2), figure-protocol-6odnosi się do liczby "wysokich" wokseli czasu relaksacji w niedokrwiennym VOI, figure-protocol-7 to liczba "niskich" wokseli relaksacyjnych w niedokrwiennym VOI i figure-protocol-8, całkowita liczba wokseli w obrębie niedokrwiennego VOI. Kryteria identyfikacji wokseli z podwyższonym qT1 i qT2 są przedstawione w sekcji 3.2.3. "Niskie" woksele to woksele, których czasy relaksacji są krótsze niż mediana qT1 lub qT2 nieniedokrwiennego VOI o jeden HWHM. Odejmowanie figure-protocol-9 pozwala na skrócenie czasu relaksacji z powodu niedokrwienia lub innych patologii 17.
      2. Określić zakres "nakładania się qT1 i qT2", obliczając objętość nakładających się na siebie podwyższonych qT1 i qT2 jako procent całkowitej objętości mózgu, zwany dalej "nakładaniem się V". Użyj następującego równania:
        figure-protocol-10
        Gdzie, figure-protocol-11 odnosi się do liczby wokseli w niedokrwiennym VOI z zarówno 'wysokim' qT1, jak i 'wysokim' qT2 i figure-protocol-12 reprezentuje całkowitą liczbę wokseli w całym mózgu szczura. Określ liczbę wokseli w mózgu szczura, ręcznie tworząc VOI wokół całego mózgu na mapach relaksometrycznych qT2.

4. Weryfikacja zmiany niedokrwiennej za pomocą chlorku trifenyletrazoliowego (TTC)

  1. Natychmiast po ścięciu głowy ostrożnie wyjmij mózg szczura z czaszki. Wykonaj tę procedurę w ciągu 10 minut od momentu odcięcia głowy szczurowi.
  2. Przechowuj mózgi w schłodzonym roztworze soli fizjologicznej buforowanej fosforanem 0,01 M (PBS) przed użyciem matrycy krajalnicy do mózgu szczura do podzielenia mózgu na szeregowe plasterki koronalne o grubości 1 mm.
  3. Po podziale na sekcje inkubować każdy wycinek mózgu w 20 ml PBS zawierającym TTC w temperaturze 37 °C przez 30 minut w ciemności, zgodnie z zaleceniami w 24. Chociaż dopuszczalne jest stężenie 1% TTC, użyj 0,5%, aby poprawić kontrast.
    1. Przykryj pojemniki sekcji folią, aby była ciemna.
  4. Po inkubacji usunąć roztwór TTC za pomocą pipety i umyć plastry w trzech zmianach PBS.
  5. Natychmiast sfotografuj plastry za pomocą standardowego mikroskopu świetlnego i aparatu cyfrowego.

5. Analiza statystyczna

  1. Przeprowadzaj analizy statystyczne za pomocą Matlaba i oprogramowania statystycznego.
  2. Wyznaczanie zależności parametrów MR z czasem
    1. Wykonaj korelacje Pearsona na zbiorczych danych szczurów, aby określić związek ΔT1, ΔT2, f1 i f2 orazVNakładanie się z czasem po MCAO.
    2. W przypadku parametrów, które wykazują istotną zależność liniową (p <0,05), należy wykonać liniową regresję metodą najmniejszych kwadratów, aby określić, czy czas wystąpienia udaru można przewidzieć, określając ilościowo parametr będący przedmiotem zainteresowania. Użyj błędu średniokwadratowego (RMSE), aby ocenić dokładność oszacowań czasu wystąpienia.
  3. Kwantyfikacja wielkości zmiany chorobowej
    1. Aby porównać rozmiary zmian według różnych parametrów qMRI, przeprowadź jednokierunkowe ANOVA i najmniej istotną różnicę post-hoc Fishera dotyczącą średniej liczby wokseli w niedokrwiennym VOI i średniej liczby wokseli z wysokim qT1 i qT2. Różnice uważa się za istotne przy p <0,05. Jeśli założenia dotyczące sferyczności nie są spełnione zgodnie z testem sferyczności Mauchly'ego, należy skorygować wartości stopni swobody i istotności zgodnie z oszacowaniami Geissera w szklarni.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

U szczurów profile gazometrii krwi były następujące: SO2 95,8 ± 3,2%, PaCO2 51,6 ± 2,9 mmHg i pH 7,30 ± 0,04.

Typowe obrazy Dav, qT2 i qT1 z centralnego wycinka reprezentatywnego szczura w 4 punktach czasowych po MCAO są pokazane w pierwszych 3 panelach Rysunek 1a. Obrazy w innych panelach Rysunek 1 pokazują automatycznie wykrytą zmianę niedokrwienną na czerwono, a obszary w obrębie zmiany niedokrwiennej z podwyższonym qT1, qT2 i regiony zzakładką V są pokazane na zielono. Do 2 godzin po MCAO, regiony z wysokim qT1 w obrębie zmiany niedokrwiennej były znacznie większe niż wysokie qT2 (p <0,01), ale zbiegały się z czasem (Figura 1). Zmiana niedokrwienna przez Dav była również większa niż obszary wysokiego qT1 (p <0,05) i qT2 (p <0,05) w ciągu pierwszych dwóch godzin.

Zależności czasowe parametrów qMRI są pokazane w Rysunek 2. Wszystkie parametry qMRI były istotnymi predyktorami czasu po MCAO (ΔT1: R2 = 0,71, ΔT2: R2 = 0,75, f1: R2 = 0,53, f2: R2 = 0,82, Vnakładanie się: R2 = 0,87). Na podstawie wartości RMSE dla każdego parametru niepewności związane z oszacowaniem czasu od wystąpienia udaru wynosiły ± 37 minut dla ΔT1, ± 28 minut dla ΔT2, ± 47 minut dla f1, ±34 min dla f2 i ±25 minut dla Vnakładających się. W związku z tymnakładanie się V dało najdokładniejsze oszacowanie czasu od wystąpienia udaru.

Barwienie TTC próbek mózgu około 6 godzin po tym, jak MCAO potwierdziło nieodwracalne uszkodzenia niedokrwienne, głównie w istocie szarej (Rysunek 1d).

figure-results-1
Rycina 1: Zmiany parametrów qMRI spowodowane udarem niedokrwiennym u przykładowego szczura. (a) pokazuje przykładowe obrazy qMRI w okresie 4 godzin niedokrwienia. Pierwsze cztery kolumny pokazują odpowiednio mapy Dav, mapy qT2, mapy qT1 i obrazy ważone T2. Pozostałe kolumny pokazują mapy Dav z różnymi reprezentacjami automatycznie segmentowanych zmian. Automatycznie wykryta zmianaD-av jest pokazana w kolumnie 5 na czerwono. W kolumnie 6 zmiana Dav jest pokazana na czerwono, a woksele o wysokim qT2 są pokazane na zielono. W kolumnie 7 zmiana Dav jest pokazana na czerwono, a woksele o wysokim qT1 są pokazane na zielono. W kolumnie 8 zmiana Dav jest pokazana na czerwono, a woksele z podwyższonym qT1 i qT2 (zakładka V) są pokazane na zielono. (b) przedstawia rozkład qT2 w barwie Djako funkcję czasu po MCAO, jak również rozkład qT2 bez zmian chorobowych w czasie zero. (c) pokazuje odpowiednie rozkłady qT1, przy czym przyległa legenda odnosi się do obu paneli (b) i (c). (d) pokazuje wycinek mózgu zabarwiony TTC po uśmierceniu zwierzęcia w ciągu 6 godzin po MCAO. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rycina 2: Zależności między czasem po MCAO a parametrami qMRI istotnymi dla czasu niedokrwienia. a) pokazuje f1, b) f2, (c), Vnakładające się, (d),ΔT1 i (e), ΔT2. Pokazane jest najlepsze dopasowanie dla każdego parametru (ciągła czerwona linia) i słupki RMSE (ciągłe czarne linie). Przerywane linie reprezentują każdy z 5 indywidualnych szczurów poddanych MCAO. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obecny protokół szacowania czasu wystąpienia udaru u szczurów wykorzystuje ilościowe dane MRI dotyczące dyfuzji i relaksacji, a nie intensywność sygnału odpowiednich ważonych obrazów kontrastowych MR19. Najnowsze dane wskazują na gorszą wydajność intensywności obrazu w szacowaniu czasu wystąpienia udaru 14,25. W przypadku "dyfuzyjnie dodatniej" zmiany udarowej nasz protokół MRI podaje czas wystąpienia udaru na podstawie danych MRI qT1 i qT2 z dokładnością około pół godziny. Ogólną tendencją jest to, że dane qT2 przewyższają dane qT1. Najlepszą dokładność określania czasu rozpoczęcia uzyskuje się na podstawie objętości nakładających się na siebie podwyższonych qT1 i qT2 (nakładanie się V).

Obrazy na rycinie 1 pokazują, że podczas gdy zmniejszony współczynnik dyfuzji wydaje się raczej jednolity, obszary z nieprawidłowym qT1 i qT2 są niejednorodnie rozproszone w obrębie zmiany niedokrwiennej. Odkrycie to jest zgodne z wcześniejszymi obserwacjami i prawdopodobnie wynika z różnej wrażliwości tych parametrów qMRI na zmiany patofizjologiczne spowodowane niedokrwieniem 6. Sugeruje to, że parametry qMRI mogą informować o stanie tkanek i wspierają poglądy, że DWI przeszacowuje uszkodzenie niedokrwienne 26. Rzeczywiście, ostatnie dowody przedkliniczne wskazują na niejednorodność uszkodzeń niedokrwiennych w obrębie zmian zdefiniowanych dyfuzją 27. W związku z tym połączenie dyfuzji, qT1 i qT2 potencjalnie dostarcza informacji na temat czasu wystąpienia udaru i stanu tkanek, które są klinicznie przydatne przy podejmowaniu decyzji dotyczących leczenia pacjentów o nieznanym początku.

Nakładanie się V i f2 dały najdokładniejsze oszacowania czasu wystąpienia udaru. Zaletą ilościowego określania czasów relaksacji jest to, że w przeciwieństwie do intensywności sygnału, są one niewrażliwe na nieodłączne zmiany spowodowane czynnikami technicznymi, takimi jak niejednorodność pola magnetycznego i gęstość protonów6, w tym oczekiwana zmiana pola magnetycznego w obrębie zmiany niedokrwiennej 18. Zmniejszona niepewność związana z oszacowaniami czasu wystąpienia qT1 i f1 jest prawdopodobnie spowodowana wspomnianą wcześniej dwufazową odpowiedzią qT1 na niedokrwienie, co przyczynia się do płytkiego nachylenia zależnej od czasu zmiany qT1 8,15,16. Przedstawione dane MRI (ryc. 2) są zgodne z wcześniejszymi pracami 13,14, w tym sensie, że przebiegi czasowe różnic w czasie relaksacji między niedokrwiennym i przeciwległym mózgiem nieniedokrwiennym są odpowiednio opisane przez funkcje liniowe. Należy jednak zauważyć, że leżące u podstaw zmiany hydrodynamiczne spowodowane niedokrwieniem nie są liniowe 1,18.

Obecny protokół MRI dla czasu udaru wykazano u szczurów poddanych trwałemu niedokrwieniu przy użyciu procedury Longa i wsp. 22. Z naszego doświadczenia wynika, że procedura Longa i wsp. nie indukuje MCAO u 10-20% szczurów, jednak ponieważ ADC służy do weryfikacji obecności niedokrwienia, eksperymenty mogą zostać przedwcześnie zakończone. Niepowodzenie w indukcji MCAO jest często spowodowane niedoskonałym gwintem okluderowym. Kolejnym czynnikiem powodującym niepowodzenia eksperymentalne jest to, że MCAO jest ciężką procedurą powodującą śmierć do 20% szczurów podczas przedłużonej sesji rezonansu magnetycznego.

Protokół czasu wystąpienia udaru dotyczy tylko trwałego niedokrwienia. W ogniskowym niedokrwieniu szczurów z reperfuzją związek między Dav i qT1 lub qT2 ulegnie dysocjacji w miarę powrotu Dav do zdrowia, ale może nie dla qT1 i qT2 w zależności od czasu trwania niedokrwienia przed reperfuzją 8,28. Ponadto ewolucja uszkodzeń niedokrwiennych będzie prawdopodobnie bardziej zmienna u pacjentów po udarze mózgu ze względu na indywidualne różnice w czynnikach wpływających na mikrokrążenie, takich jak wiek i choroby współistniejące (np. cukrzyca, nadciśnienie, choroby serca). Czynniki te nieuchronnie wpłyną na zależność czasowąnakładania się f1,f 2 i V w udarach u ludzi, a zatem wymagają badań w warunkach klinicznych.

Podsumowując, parametry qMRI pozwalają oszacować czas wystąpienia udaru. Nakładanie się V i f2 zapewniają najdokładniejsze oszacowania i mogą również informować o stanie tkanek. qMRI może być zatem klinicznie korzystne pod względem wspomagania decyzji dotyczących leczenia pacjentów z nieznanym czasem wystąpienia. Kwestią, którą należy tutaj rozważyć, jest to, że stosunek istoty szarej do białej w mózgu szczura jest znacznie wyższy niż u ludzi, a hydrodynamika w tych typach tkanki mózgowej może się różnić 18. Niemniej jednak uzasadnione są dalsze badania nad zależnościączasową nakładania się f2, V i qT2 u pacjentów z nagłym udarem mózgu.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

BLM jest stypendystą stypendium doktoranckiego EPSRC i otrzymało stypendium na wyjazd na Uniwersytet Wschodniej Finlandii ze Szkoły Psychologii Eksperymentalnej Uniwersytetu w Bristolu. MJK jest finansowany przez Elizabeth Blackwell Institute oraz przez międzynarodowy fundusz wsparcia strategicznego Wellcome Trust [ISSF2: 105612/Z/14/Z]. KTJ i OHJG są finansowane przez Akademię Fińską, strategiczne finansowanie UEF-Brain przez Uniwersytet Wschodniej Finlandii oraz przez Biocenter Finlandia. Prace były wspierane przez The Dunhill Medical Trust [grant nr R385/1114].

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Siła pola magnetycznego< / silny>Częstotliwość operacji< / silny>
Skaner MRIAgilent, Santa Clara, CA, USA9.4T400.13 MHz
Liniowa transmisja objętościowa RF-coilRAPID Biomedical, Rimpar,Niemcy-400.13MHz
Aktywnie odsprzężona cewka odbiorczaRAPID Biomedical, Rimpar, Niemcy- 400,13 MHz
Uchwyt na głowę szczuraRAPID Biomedical, Rimpar, Niemcy
Ręczny analizator parametrów krytycznych i-StatCo, East Windsor, NJ, USA
Pneumatyczny monitor częstości oddechów z poduszkąSA Instruments Inc, Stony Brook, NY, USA
Urządzenie do monitorowania temperatury odbytnicy gryzoniSA Instruments Inc, Stony Brook, NY, USA
NazwaFirma
Chemicals
Isoflurane: Attane Vet 1000mg/gPiramal Healthcare UK Ltd, Northumberland, Wielka Brytania
Cholidek 2,3,5-trifenylotetrazolium = TTCSigma-Aldrich, Gillinham, Dorset, Wielka Brytania

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Siesjö, B. K. Mechanisms of ischemic brain damage. Crit. Care Med. 16, 954-963 (1988).
  2. Astrup, J., Siesjö, B. K., Symon, L. Thresholds in cerebral ischemia: the ischemic penumbra. Stroke. 12, 723-725 (1981).
  3. Hacke, W., et al. Association of outcome with early stroke treatment: pooled analysis of ATLANTIS, ECASS, and NINDS rt-PA stroke trials. Lancet. 363, 768-774 (2004).
  4. Rudd, A. G., et al. Stroke thrombolysis in England, Wales and Northern Ireland: how much do we do and how much do we need? J Neurol Neurosurg Psychiatry. 82, 14-19 (2011).
  5. George, M. G., et al. Paul Coverdell National Acute Stroke Registry Surveillance - four states, 2005-2007. MMWR Surveill Summ. 58, 1-23 (2009).
  6. Kauppinen, R. A. Multiparametric magnetic resonance imaging of acute experimental brain ischemia. Prog NMR Spectr. 80, 12-25 (2014).
  7. Moseley, M. E., et al. Early detection of regional cerebral ischemia in cats: comparison of diffusion and T2-weighted MRI and spectroscopy. Magn Reson Med. 14, 330-346 (1990).
  8. Kettunen, M. I., et al. Interrelations of T(1) and diffusion of water in acute cerebral ischemia of the rat. Magn Reson Med. 44, 833-839 (2000).
  9. Wintermark, M., et al. Acute stroke imaging research roadmap. Stroke. 39, 1621-1628 (2008).
  10. Knight, R. A., Dereski, M. O., Helpern, J. A., Ordidge, R. J., Chopp, M. Magnetic resonance imaging assessment of evolving focal cerebral ischemia. Comparison with histopathology in rats. Stroke. 25, 1252-1261 (1994).
  11. Madai, V. I., et al. DWI intensity values predict FLAIR lesions in acute ischemic stroke. PLoS One. 9, e92295(2014).
  12. Siemonsen, S., et al. Quantitative T2 values predict time from symptom onset in acute stroke patients. Stroke. 40, 1612-1616 (2009).
  13. Jokivarsi, K. T., et al. Estimation of the onset time of cerebral ischemia using T1 and T2 MRI in rats. Stroke. 41, 2335-2340 (2010).
  14. Rogers, H. J., et al. Timing the ischemic stroke by 1H-MRI: Improved accuracy using absolute relaxation times over signal intensities. NeuroReport. 25, 1180-1185 (2014).
  15. McGarry, B. L., et al. Stroke onset time estimation from multispectral quantitative magnetic resonance imaging in a rat model of focal permanent cerebral ischemia. Int J Stroke. , (2016).
  16. Calamante, F., et al. Early changes in water diffusion, perfusion, T1, and T2 during focal cerebral ischemia in the rat studied at 8.5 T. Magn Reson Med. 41, 479-485 (1999).
  17. Gröhn, O. H. J., et al. Graded reduction of cerebral blood flow in rat as detected by the nuclear magnetic resonance relaxation time T2: A theoretical and experimental approach. J Cereb Blood Flow Metab. 20, 316-326 (2000).
  18. Knight, M. J., et al. A spatiotemporal theory for MRI T2 relaxation time and apparent diffusion coefficient in the brain during acute ischemia: Application and validation in a rat acute stroke model. J Cereb Blood Flow Metab. 36, 1232-1243 (2016).
  19. Thomalla, G., et al. DWI-FLAIR mismatch for the identification of patients with acute ischaemic stroke within 4·5 h of symptom onset (PRE-FLAIR): a multicentre observational study. Lancet Neurol. 10, 978-986 (2011).
  20. Petkova, M., et al. MR imaging helps predict time from symptom onset in patients with acute stroke: implications for patients with unknown onset time. Radiology. 257, 782-792 (2010).
  21. Hoehn-Berlage, M., et al. Evolution of regional changes in apparent diffusion coefficient during focal ischemia of rat brain: the relationship of quantitative diffusion NMR imaging to reduction in cerebral blood flow and metabolic disturbances. J. Cereb. Blood Flow Metab. 15, 1002-1011 (1995).
  22. Longa, E. Z., Weinstein, P. R., Carlson, S., Cummins, R. Reversible middle cerebral artery occlusion without craniectomy in rats. Stroke. 20, 84-91 (1989).
  23. Nekolla, S., Gneiting, T., Syha, J., Deichmann, R., Haase, A. T1 maps by K-space reduced snapshot-FLASH MRI. J Comput Assist Tomogr. 16, 327-332 (1992).
  24. Joshi, C. N., Jain, S. K., Murthy, P. S. An optimized triphenyltetrazolium chloride method for identification of cerebral infarcts. Brain Res Brain Res Protoc. 13, 11-17 (2004).
  25. McGarry, B. L., et al. Determining stroke onset time using quantitative MRI: High accuracy, sensitivity and specificity obtained from magnetic resonance relaxation times. Cerebrovasc Dis Extra 6. 6, 60-65 (2016).
  26. Fiehler, J., et al. Severe ADC decreases do not predict irreversible tissue damage in humans. Stroke. 33, 79-86 (2002).
  27. Lestro Henriques, I., et al. Intralesional Patterns of MRI ADC Maps Predict Outcome in Experimental Stroke. Cerebrovasc Dis. 39, 293-301 (2015).
  28. Kettunen, M. I., Gröhn, O. H. J., Silvennoinen, M. J., Penttonen, M., Kauppinen, R. A. Quantitative assessment of the balance between oxygen delivery and consumption in the rat brain after transient ischemia with T2-BOLD magnetic resonance imaging. J Ceber Blood Flow Metab. 22 (3), 262-270 (2002).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Ilo ciowe T1 T2pozorny wsp czynnik dyfuzjip automatyczna rutyna komputerowatrwa e niedokrwienie ogniskowemodel szczurzyr nice p kuloweanaliza obj to ci wokselaliniowy model funkcji

Powiązane artykuły