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

Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego stanowi czułe i specyficzne narzędzie do wykrywania ostrego udaru niedokrwiennego poprzez określenie współczynnika dyfuzji pozornej tkanki mózgowej określanego jako ADC. W szczurzym modelu udaru niedokrwiennego półkulowe różnice w ilościowych czasach relaksacji T1 i T2 w obrębie zmiany niedokrwiennej zwiększały się wraz z upływem czasu od wystąpienia udaru. Zależność czasowa tych różnic jest heurystycznie opisana przez funkcję liniową, a więc zapewnia ona proste oszacowania czasu wystąpienia udaru.

Objętość tkanki z podwyższonymi czasami relaksacji T1 i T2 w obrębie zmiany niedokrwiennej również wzrasta liniowo, zapewniając uzupełniającą metodę pomiaru czasu udaru. W tym miejscu przedstawiamy półautomatyczną procedurę komputerową, która wykorzystuje ADC do wyznaczania tkanki ostrego udaru niedokrwiennego w nadostrej fazie stałego ogniskowego niedokrwienia. Podwyższone czasy relaksacji, również zidentyfikowane w tkance niedokrwiennej udaru, są wykorzystywane do określenia czasu wystąpienia udaru.

Użyto samców szczurów rasy Wistar o wadze od 300 do 400 gramów, którym podano stałą niedrożność tętnicy środkowej mózgu w celu wywołania ogniskowego udaru niedokrwiennego. Na czas operacji i eksperymentów MRI szczur jest znieczulany izofluranem przez maskę na twarz. Po wykonaniu nacięcia w szyi tchawica zostaje odsłonięta, a mięśnie oddzielone od tchawicy.

Rana jest rozszerzana, aby oczyścić drogę do wspólnej tętnicy szyjnej lub CCA. CCA jest odsłonięte, omijając pęczek nerwowy obok niego. Mikro haczyk służy do złapania CCA i odsłonięcia tętnicy szyjnej zewnętrznej, ECA i tętnicy szyjnej wewnętrznej, ICA.

Krążenie CCA jest zablokowane za pomocą nici chirurgicznej. ECA jest zszyty. Ciało szyjne jest oddzielone od ICA, a rozwidlenie ICA jest zlokalizowane tak, aby zapewnić, że po włożeniu nici zamykającej dociera ona i blokuje lewą środkową tętnicę mózgową.

Wokół ICA wprowadza się luźny szew. W ICA wkłada się klips tak, aby był umieszczony głębiej niż szew. ECA jest utrzymywany blisko podwójnego węzła, który jest zawiązany wokół tętnicy szyjnej zewnętrznej.

Nadmiar ECA jest spalany w celu zapobieżenia krwotokowi z ECA. Gwint okluzyjny jest wprowadzany do ETO, a ICA jest dopasowywany do ETO. Nić jest następnie przesuwana aż do klipsa.

Luźny szew jest następnie napinany tak, aby nić mogła nadal wsuwać się do wnętrza ECA. Klips jest następnie usuwany, a gwint zamykający jest dalej przesuwany, aż zostanie włożony około dwóch centymetrów. Dodaje się kolejny węzeł, więc luźny węzeł staje się podwójnym węzłem.

Szwy są wiązane, a zwijacze usuwane. Rana jest następnie zamykana. Natychmiast po okluzji szczur jest mocowany w kołysce pośrodku pręta magnetycznego 9,4 Tesli za pomocą wkładek dousznych i bloku zgryzu.

Podczas obrazowania poziom izofluranu utrzymuje się na poziomie około 2%, a temperatura jest utrzymywana na poziomie zbliżonym do 37 stopni Celsjusza za pomocą wodnej poduszki grzewczej umieszczonej pod tułowiem szczura. Podczas obrazowania monitorowana jest częstość oddechów i temperatura w odbycie. Dane MRI są pozyskiwane przez okres do pięciu godzin po okluzji, a w odstępach godzinowych pobiera się 12 przystających próbek osiowych wycinków śladu tensora dyfuzji, CPMG T2 i Flash T1.

Szczegółowe informacje na temat parametrów sekwencji znajdują się w manuskrypcie. Pod koniec eksperymentu szczury są uśmiercane i wykonuje się barwienie chlorkiem trifenylotetrazolu lub TTC w celu potwierdzenia obecności niedokrwienia w mózgach szczurów. Szczegóły dotyczące barwienia TTC podano w manuskrypcie.

Po uzyskaniu danych MRI staraliśmy się następnie opracować półautomatyczną metodę wykrywania niedokrwionej tkanki i charakteryzowania jej sygnatury relaksometrycznej. Relaksację T2 modelowano jako mono rozpad wykładniczy. Mapy T2 dopasowano, biorąc naturalny algorytm wzdłuż wymiaru czasu echa i dopasowując funkcję liniową do każdego woksela.

Relaksacja T1 została zamodelowana jako mono wykładnicza namagnesowanie przywrócone do równowagi i dopasowane za pomocą binarnej metody kredowej. Mapy przetwornika ADC zostały obliczone przy założeniu mono wykładniczej utraty sygnału w odniesieniu do wartości B. Mając wszystkie obrazy ilościowe, tkankę niedokrwienną można było zidentyfikować za pomocą odwrotnych map ADC.

Mapy te zostały progowane w taki sposób, że tkanka była oznaczona jako niedokrwienna, jeśli odwrotne ADC przekraczało jedno medianę odchylenia bezwzględnego powyżej mediany odwrotnego ADC tkanki nieniedokrwiennej. Proces ten mógłby być przeprowadzony automatycznie i obiektywnie. Po wyznaczeniu tkanki niedokrwiennej obliczono rozkład T1 i T2 w każdej objętości będącej przedmiotem zainteresowania.

Aby uzyskać rozkład T1 i T2 w półkuli przeciwległej, odzwierciedlono objętość będącą przedmiotem zainteresowania dla tkanki niedokrwionej. W tym przykładzie można zaobserwować, że rozkłady T1 i T2 przesuwają się w prawo w czasie po wystąpieniu. Aby opisać zmiany w rozkładach T1 i T2 w czasie, używamy dwóch różnych parametrów.

Parametr f jest zdefiniowany tak, jak pokazano. Zapewnia to heurystyczną parametryzację frakcji wokseli w zmianie niedokrwiennej, które mają niezwykle wysokie lub niskie wartości T1 lub T2. Wymagane jest, aby woksel na mapie T1 lub T2 mógł być sklasyfikowany jako mający wysoką, niską lub normalną wartość.

Wysoka wartość T1 lub T2 w zmianie niedokrwiennej zdefiniowano jako przekraczającą 1/2 maksimum powyżej mediany T1 lub T2 nieniedokrwiennej objętości będącej przedmiotem zainteresowania. F1 to frakcja wokseli niedokrwiennych o wysokich wartościach T1, F2 to frakcja wokseli o wysokich wartościach T2. Po drugie, oblicza się objętość nakładania się w regionach tkanki niedokrwiennej zidentyfikowanej przez ADC zarówno z wysokim T1, jak i wysokim T2, znormalizowaną przez całkowitą objętość mózgu.

F1, F2 i objętość nakładania się zostały obliczone dla wszystkich szczurów we wszystkich momentach pomiaru. Następnie wykorzystano je oddzielnie do wstecznego obliczenia czasu wystąpienia niedokrwienia poprzez dopasowanie modelu liniowego. W ten sposób można było obliczyć niepewność co do czasu wystąpienia.

Niepewności te zostały sparametryzowane przez błąd średniej kwadratowej dla dopasowania liniowego. W dodatniej dyfuzyjnie zmianie udarowej wszystkie parametry zwiększały się liniowo w czasie. Zgodnie ze słupkami błędu średniej kwadratowej, nasz protokół zapewnia szacunkowy czas wystąpienia udaru z dokładnością do pół godziny.

Ogólną tendencją jest to, że dane T2 przewyższają T1, a najlepszą dokładność określania czasu rozpoczęcia uzyskuje się na podstawie objętości nakładających się na siebie podwyższonych T1 i T2. Regiony z nieprawidłowymi T1 i T2 są niejednorodnie rozproszone w obrębie zmiany niedokrwiennej, prawdopodobnie z powodu różnej wrażliwości tych ilościowych parametrów MRI na zmiany patofizjologiczne spowodowane niedokrwieniem. Sugeruje to, że ilościowe parametry MRI mogą również informować o stanie tkanek. W tym miejscu przedstawiliśmy protokół MRI, który umożliwia oszacowanie czasu wystąpienia udaru ze znaczną dokładnością, a tym samym dostarcza informacji o stanie tkanki mózgowej podczas trwałego niedokrwienia.

Zaletą ilościowego określania czasów relaksacji w celu oszacowania czasu wystąpienia udaru jest to, że są one niewrażliwe na nieodłączne zmiany spowodowane czynnikami technicznymi, takimi jak niejednorodność pola magnetycznego i gęstość protonów, w tym oczekiwana zmiana pola magnetycznego w obrębie zmiany niedokrwiennej. Należy zdać sobie sprawę, że obecny protokół dotyczy tylko trwałego niedokrwienia, a parametry akwizycji danych MRI podane w artykule są specyficzne dla zastosowanego skanera MRI 9,4 Tesli. Nasze wcześniejsze badania w załączonym artykule pokazują, że procedura jest również dokładna przy 4,7 Tesli.

Ogólnie rzecz biorąc, uważamy, że nasz protokół ma zastosowanie w badaniach przedklinicznych nad udarem mózgu, w tym w badaniach nad terapiami przeciwniedokrwiennymi.