RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Daniel Stäb1,2, Aiman Al Najjar1, Kieran O'Brien1,3, Wendy Strugnell4, Jonathan Richer3, Jan Rieger5, Thoralf Niendorf5, Markus Barth1
1The Centre for Advanced Imaging,The University of Queensland, Brisbane, Australia, 2Department of Diagnostic and Interventional Radiology,University Clinic Würzburg, Würzburg, Germany, 3Siemens Healthcare Pty Ltd, Brisbane, Australia, 4Richard Slaughter Centre of Excellence in CVMRI,The Prince Charles Hospital, Brisbane, Australia, 5MRI.Tools GmbH, Berlin, Germany
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Przyrost czułości charakterystyczny dla rezonansu magnetycznego o ultrawysokim polu daje nadzieję na obrazowanie serca w wysokiej rozdzielczości przestrzennej. W tym miejscu opisujemy protokół dostosowany do funkcjonalnego rezonansu magnetycznego układu sercowo-naczyniowego (CMR) przy 7 Teslach przy użyciu zaawansowanej wielokanałowej cewki o częstotliwości radiowej, podkładkowania pola magnetycznego i koncepcji wyzwalania.
CMR przy ultra-wysokim polu (natężenie pola magnetycznego B0 ≥ 7 Tesla) korzysta z przewagi stosunku sygnału do szumu (SNR) nieodłącznie związanej z wyższymi natężeniami pola magnetycznego i potencjalnie zapewnia lepszy kontrast sygnału i rozdzielczość przestrzenną. Chociaż osiągnięto obiecujące wyniki, CMR o bardzo wysokim polu jest wyzwaniem ze względu na ograniczenia osadzania energii i zjawiska fizyczne, takie jak niejednorodności pola transmisyjnego i niejednorodności pola magnetycznego. Ponadto efekt magnetohydrodynamiczny utrudnia synchronizację akwizycji danych z ruchem serca. Odpowiedzią na te wyzwania są obecnie badania nad nową technologią rezonansu magnetycznego. Jeśli uda się przezwyciężyć wszystkie przeszkody, CMR w ultrawysokim polu może stworzyć nowe możliwości w zakresie funkcjonalnego CMR, charakterystyki tkanki mięśnia sercowego, obrazowania mikrostruktury lub obrazowania metabolicznego. Dostrzegając ten potencjał, pokazujemy, że wielokanałowa technologia cewek o częstotliwości radiowej (RF) dostosowana do CMR przy 7 Teslach wraz z podkładkowaniem wyższego rzędu B0 i sygnałem zapasowym do wyzwalania serca ułatwia działanie CMR o wysokiej wierności. Dzięki proponowanej konfiguracji kwantyfikacja komory serca może być realizowana w czasie badania podobnym do tego, jaki uzyskuje się przy niższych natężeniach pola. Aby podzielić się tym doświadczeniem i wesprzeć rozpowszechnianie tej wiedzy, w niniejszej pracy opisano naszą konfigurację i protokół dostosowany do funkcjonalnego CMR w 7 Tesla.
Sercowo-naczyniowy rezonans magnetyczny (CMR) ma udowodnioną wartość kliniczną w rosnącym zakresie wskazań klinicznych1,2. W szczególności ocena morfologii i funkcji serca ma ogromne znaczenie i zwykle odbywa się poprzez śledzenie i wizualizację ruchu serca przez cały cykl pracy serca przy użyciu segmentowanych technik obrazowania kinematograficznego (CINE) z wdychanym oddechem (2D). Chociaż wymagana jest wysoka rozdzielczość czasoprzestrzenna, wysoki kontrast krew-mięsień sercowy i wysoki stosunek sygnału do szumu (SNR), pozyskiwanie danych jest silnie ograniczone przez ruch serca i układu oddechowego, a stosowanie wielu wstrzymań oddechu, a także potrzeba pokrycia całego serca lub lewej komory często prowadzi do długiego czasu skanowania. Obrazowanie równoległe, symultaniczne obrazowanie wielowarstwowe lub inne techniki przyspieszania pomagają rozwiązać problemy związane z ruchem3,4,5,6.
Ponadto, aby skorzystać z nieodłącznego przyrostu SNR przy wyższych polach magnetycznych, systemy wysokiego pola o B0 = 3 Tesla są coraz częściej stosowane w rutynowych praktykach klinicznych7,8. Rozwój zachęcił również do badań nad ultrawysokim polem (B0≥7 Tesla, f≥298 MHz) CMR9,10,11,12,13,14. Wzrost SNR i kontrastu krew-mięśni sercowy związany z wyższym natężeniem pola daje nadzieję na przeniesienie do ulepszonego funkcjonalnego CMR przy użyciu rozdzielczości przestrzennej, która przekracza dzisiejsze limity15,16,17. Z kolei spodziewane są nowe możliwości charakterystyki tkanki mięśnia sercowego w oparciu o rezonans magnetyczny (MR), obrazowania metabolicznego i obrazowania mikrostruktury13. Do tej pory kilka grup zademonstrowało wykonalność CMR w 7 Tesla i wprowadzono specjalnie dostosowaną technologię ultra-wysokiego pola17,18,19,20,21,22. Biorąc pod uwagę te obiecujące osiągnięcia, można uznać, że potencjał CMR o ultrawysokim polu jest jeszcze niewykorzystany13. Jednocześnie zjawiska fizyczne i przeszkody praktyczne, takie jak niejednorodność pola magnetycznego, niejednorodność pola wzbudzenia o częstotliwości radiowej (RF), artefakty rezonansowe, efekty dielektryczne, miejscowe ogrzewanie tkanek i niezależne od natężenia pola ograniczenia depozycji mocy RF sprawiają, że obrazowanie w ultrawysokim polu jest trudne10,17. Te ostatnie są wykorzystywane do kontrolowania nagrzewania tkanek wywołanego falami radiowymi i zapewnienia bezpiecznej pracy. Co więcej, na wyzwalanie oparte na elektrokardiogramie (EKG) może mieć znaczący wpływ efekt magnetohydrodynamiczny (MHD)19,23,24. Aby sprostać wyzwaniom związanym z krótką długością fali w tkance, zaproponowano wieloelementowe układy cewek RF nadawczo-odbiorczych dostosowane do CMR przy 7 Teslach21,25,26,27. Równoległa transmisja RF zapewnia środki do kształtowania pola transmisyjnego, znanego również jako podkładkowanie B1 +, co pozwala na zmniejszenie niejednorodności pola magnetycznego i artefaktów podatności18,28. Chociaż na obecnym etapie niektóre z tych środków mogą zwiększyć złożoność eksperymentu, koncepcje okazały się pomocne i mogą zostać przełożone na mocne strony pola klinicznego CMR 1,5 T lub 3 T.
Obecnie, obrazowanie CINE 2D balanced steady state free precession (bSSFP) jest standardem odniesienia dla klinicznego funkcjonalnego CMR przy 1,5 T i 3 T1. Ostatnio sekwencja ta została z powodzeniem zastosowana w 7 Tesla, ale pozostaje wiele wyzwań19. Zastosowano specyficzne dla pacjenta podkładkowanie B1+ i dodatkowe regulacje cewki RF w celu zarządzania ograniczeniami osadzania mocy RF, a także przeprowadzono staranne podkładkowanie B0 w celu kontrolowania typowych artefaktów pasmowania sekwencji. Przy średnim czasie skanowania wynoszącym 93 minuty w celu oceny funkcji lewej komory (LV), wysiłki wydłużyły czas badania poza klinicznie dopuszczalne limity. W tym przypadku zepsute sekwencje echa gradientowego stanowią realną alternatywę. Przy 7 Teslach podano całkowity czas badania (29 ± 5) minut w celu oceny funkcji lewej komna, co dobrze odpowiada protokołom obrazowania klinicznego przy niższych natężeniach pola21. W ten sposób zepsuty CMR oparty na echu gradientowym korzysta z wydłużonych czasów relaksacji T1 w bardzo wysokim polu, co skutkuje zwiększonym kontrastem krew-mięsień sercowy, lepszym niż obrazowanie gradientowe echa przy 1,5 T. Dzięki temu subtelne struktury anatomiczne, takie jak osierdzie, zastawki mitralne i trójdzielne, a także mięśnie brodawkowate są dobrze rozpoznawalne. Zgodnie, zepsuta kwantyfikacja komory serca oparta na echu gradientowym przy 7 Teslach ściśle zgadza się z parametrami LV uzyskanymi z obrazowania 2D bSSFP CINE przy 1,5 T20. Poza tym, dokładna kwantyfikacja komory prawej komory (RV) została niedawno wykazana, że jest możliwa do wykonania przy użyciu sekwencji echa gradientowego o wysokiej rozdzielczości przy 7 Tesla29.
Uznając wyzwania i możliwości CMR na ultrawysokim polu, ta praca przedstawia konfigurację i protokół dostosowany do funkcjonalnego pozyskiwania CMR na eksperymentalnym skanerze badawczym 7 Tesla. Protokół nakreśla podstawy techniczne, pokazuje, w jaki sposób można przezwyciężyć przeszkody, i zawiera praktyczne rozważania, które pomagają ograniczyć dodatkowe koszty ogólne do minimum. Proponowany protokół obrazowania stanowi czterokrotną poprawę rozdzielczości przestrzennej w porównaniu z dzisiejszą praktyką kliniczną. Ma on na celu zapewnienie wytycznych dla adaptatorów klinicznych, lekarzy-naukowców, badaczy translacyjnych, ekspertów ds. zastosowań, radiologów MR, technologów i nowych osób w tej dziedzinie.
Badanie zostało zatwierdzone przez komisję etyczną University of Queensland, Queensland, Australia i uzyskano świadomą zgodę od wszystkich uczestników badania.
1. Tematy
2. Przygotowanie
Reprezentatywne wyniki badań serca CINE pochodzące od ochotników są przedstawione w Rysunek 4. Pokazano rozkurczowe i skurczowe ramy czasowe o krótkiej osi i czterokomorowej osi długiej ludzkiego serca. Wyraźnie widoczna jest znacznie wyższa rozdzielczość przestrzenna dla widoków z krótkimi osiami (Rysunek 4a, 4b, 4e, 4f) w porównaniu z widokami z długimi osiami (Rysunek 4c, 4d, 4g, 4h). Zarówno w krótkich, jak i długich wycinkach osi, obrazy zapewniają wystarczający stosunek sygnału do szumu i kontrastu krew-mięsień sercowy, aby wyraźnie nakreślić ściany mięśnia sercowego, nawet przy zastosowaniu warstwy o grubości zaledwie 4 milimetrów. Zastosowany schemat akceleracji obrazowania równoległego zrekonstruował obrazy z wysoką jakością obrazu i bez rzucającego się w oczy wzmocnienia szumów.
Ze względu na niepowodzenie rozpoznawania załamka R w EKG, do akwizycji obrazu po prawej stronie zastosowano wyzwalanie oparte na pulsoksymetrii (Rysunek 4e-4h). Jitter w piku sygnału pulsoksymetrii indukował drobne artefakty ruchu, które były wyraźne w okresach skurczu i relaksacji serca, jak podkreślono w widoku długiej osi pokazanym na Rysunek 4h (czerwona strzałka). Puste sygnały spowodowane destrukcyjnymi zakłóceniami w polu transmisyjnym są oznaczone żółtymi strzałkami.
Typowe sygnały EKG uzyskane w jednym kanale urządzenia wyzwalającego u jednego zdrowego osobnika są przedstawione w Rysunek 5. Porównując sygnał EKG uzyskany na zewnątrz otworu magnesu (Rysunek 5a) z sygnałem uzyskanym z obiektem umieszczonym w izośrodku magnesu (Rysunek 5b), widoczne stają się znaczące różnice. W bardzo silnym polu magnetycznym sygnał EKG jest poważnie zniekształcony przez efekt MHD. Niekorzystne zjawisko wynika z interakcji między przewodzącym płynem krwi a zewnętrznym polem magnetycznym. Indukuje zniekształcające pole elektryczne nakładające się na własne pola depolaryzacyjne serca, a tym samym zniekształca sygnał odbierany przez elektrody EKG na skórze badanego. Efekt MHD skaluje się z B0 i jest szczególnie wyraźny podczas faz skurczowego przepływu aorty serca, dlatego dotyczy to głównie odcinka S-T sygnału EKG. Chociaż załamek R sygnału EKG zazwyczaj nie jest bezpośrednio dotknięty, może upośledzać rozpoznawanie załamka R i synchronizację serca. Warto zauważyć, że ze względu na zniekształcenia sygnału EKG, sygnały EKG uzyskane w obecności silnych pól magnetycznych nie mogą być wykorzystywane jako wskaźnik stanu nagłego pacjenta. Reprezentatywny sygnał impulsowy uzyskany wewnątrz otworu magnesu jest wyświetlany w Rysunek 5c. Pole magnetyczne nie ma wpływu na sygnał impulsowy. Opóźnienie fali tętna do fali R po 0 ms, które może wprowadzać artefakty, jest wyraźnie widoczne.

Rysunek 1: Eksperymentalna konfiguracja i elementy 32-kanałowej cewki Tx/Rx serca i sprzętu cewki. (a, b) Sprzęt pomocniczy składający się z 7 skrzynek sprzętowych i połączeniowych BNC jest umieszczony na górnym końcu stołu pacjenta, aby zapewnić jak najwięcej miejsca na ustawienie pacjenta. Tylny i przedni element cewki jest połączony ośmioma ze skrzynkami interfejsu. W przypadku omawianego systemu tylny układ cewek jest umieszczony nie dalej niż 1470 mm od górnego końca stołu, aby zapewnić umieszczenie serca w izośrodku magnesu. (c) Mała skrzynka rozgałęźnika mocy. (d) po jednym rozdzielaczu mocy i skrzynce przesuwnika fazowego dla tylnego i przedniego układu cewek. (e) Skrzynki interfejsu Tx/Rx dla przedniego (górnego) i tylnego (dolnego) układu cewek. Pomarańczowe i czarne kropkowane strzałki wskazują ścieżki sygnału nadawczego (Tx) i odbiorczego (Rx). (f) Obiekt umieszczony na tylnym układzie cewki. Głowica spoczywa na poduszce na 8 złączach cewki. Predefiniowany punkt cewki jest oznaczony czerwoną etykietą. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Podkładkowanie 3. rzędu za pomocą narzędzi do regulacji systemów i podkładek. (a) Menu Start z przyciskami narzędzia "podkładka 3. rzędu" i programu "ustaw podkładkę". (b) Narzędzie "podkładka 3. rzędu". (c) Umiejscowienie obszaru regulacyjnego nad sercem. (d) Uruchomienie narzędzia "Regulacje" z menu "Opcje". (e) Narzędzie "Regulacje" z przyciskami do obliczania i stosowania prądów podkładek2-go rzędu w zakładce "3D spalm". Kliknij tutaj aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Planowanie warstw dla obrazowania CINE serca. (a) planowanie lokalizatora 2-komorowego prostopadle do lokalizatora podstawowego. (b) Planowanie lokalizatora 4 komorowego prostopadłego do lokalizatora 2 komorowego, (c) Planowanie lokalizatora krótkiej osi na lokalizatorze 2 komorowym (po lewej) i prostopadłego do lokalizatora 4 komorowego (po prawej). (d) Planowanie 4-komorowego widoku lewej komory prostopadłej do lokalizatora krótkiej osi (po lewej) i lokalizatora 2-komorowego (po prawej). (e) Planowanie wycinków o krótkiej osi lewej komory na lewym komorze 4-komorowym (po lewej) i lokalizatorze 2-komorowym (po prawej).

Rysunek 4: Reprezentatywne wyniki obrazowania CINE serca w wysokiej rozdzielczości u dwóch osób przy użyciu wyzwalania EKG (a-d) i wyzwalania pulsu (e-h). (a, e) Ramy czasowe końca rozkurczu wycinka krótkiej osi środkowej komory uzyskane z rozdzielczością przestrzenną 1,0 x 1,0 x 4 mm3. lit. b), f) Odpowiednie końcowoskurczowe ramy czasowe. lit. c), g) Końcoworozkurczowe ramy czasowe poziomego wycinka długiej osi. lit. d), h) Odpowiednie końcowoskurczowe ramy czasowe. Przerwy w sygnale spowodowane niejednorodnością pola RF są oznaczone żółtymi strzałkami. Niewielkie błędy wyzwalania spowodowane opóźnieniem fali tętna są przedstawione w widoku długiej osi skanowania wyzwalanego impulsem (czerwona strzałka). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Reprezentatywne sygnały EKG uzyskane na zewnątrz i wewnątrz otworu magnesu przy 7 Teslach. (a) Sygnał EKG uzyskany w dwóch kanałach (czerwony, niebieski) urządzenia wyzwalającego EKG na zewnątrz otworu magnesu. Fala R jest wyraźnie rozróżnialna. Zdarzenia wyzwalające są oznaczone kolorem zielonym. (b) Sygnał EKG uzyskany w izocentrum otworu magnesu o napięciu 7 Tesli. Efekt MHD wyraźnie wpływa na sygnał EKG, a w szczególności na element S-T sygnału EKG. Silne wahania sygnału mogą prowadzić do błędnego wyzwolenia. (c) Reprezentatywny sygnał impulsowy uzyskany w izocentrum otworu magnesu o napięciu 7 Tesli dla porównania. Pole magnetyczne nie ma wpływu na sygnał impulsowy. Zauważ, że fala tętna jest opóźniona w stosunku do załamka R EKG. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Kieran O'Brien i Jonathan Richer są zatrudnieni w firmie Siemens Ltd. Australia. Jan Rieger i Thoralf Niendorf są założycielami firmy MRI. TOOLS GmbH, Berlin, Niemcy. Jan Rieger był dyrektorem technicznym i pracownikiem firmy MRI. TOOLS GmbH. Thoralf Niendorf jest dyrektorem generalnym MRI. NARZĘDZIA Sp. z o.o.
Przyrost czułości charakterystyczny dla rezonansu magnetycznego o ultrawysokim polu daje nadzieję na obrazowanie serca w wysokiej rozdzielczości przestrzennej. W tym miejscu opisujemy protokół dostosowany do funkcjonalnego rezonansu magnetycznego układu sercowo-naczyniowego (CMR) przy 7 Teslach przy użyciu zaawansowanej wielokanałowej cewki o częstotliwości radiowej, podkładkowania pola magnetycznego i koncepcji wyzwalania.
Autorzy dziękują za udogodnienia oraz naukową i techniczną pomoc National Imaging Facility w Centre for Advanced Imaging, University of Queensland. Chcielibyśmy również podziękować Grahamowi Gallowayowi i Ianowi Breretonowi za ich pomoc w uzyskaniu grantu CAESIE dla Thoralfa Niendorfa.
| 7 System MRI Tesli | Siemens | Investigational Device | 32-kanałowy rezonans magnetyczny cewki|
| serca -1H | . Tools GmbH | Cewka nadawczo-odbiorcza RF do obrazowania MR i spektroskopii przy 7,0 Tesla | |
| Urządzenie wyzwalające EKG | Siemens Urządzenie wyzwalająceimpulsy Siemens | ||