Retrospektywne bramkowanie serca z prototypem rentgenowskiego tomografu komputerowego małych zwierząt
21 lutego 2025
Dostarczamy wyczerpujący opis wewnętrznej metody retrospektywnego bramkowania serca CrumpCAT, prototypu tomografu komputerowego (CT) dla małych zwierząt, zaprojektowanego i zbudowanego w naszej instytucji badawczej.
Opracowaliśmy technologie obrazowania, które umożliwiają naukowcom odpowiadanie na pytania biologiczne. Obecnie istnieje zapotrzebowanie na techniki bramkowania w celu zamrożenia ruchu w tomografii komputerowej małych zwierząt. Chcieliśmy pokazać, że możliwe jest wykonywanie bramkowanych skanów za pomocą standardowych komponentów tomografii komputerowej. Wszystko to odbywa się w oprogramowaniu, bez potrzeby specjalnego sprzętu.
Zrozumienie ograniczeń i możliwości powszechnie dostępnych detektorów przedklinicznych do obrazowania rentgenowskiego tomografii komputerowej prowadzi do opracowania technologii dającej znaczące wyniki eksperymentalne. Fizjologiczny ruch serca w badaniach na gryzoniach jest często uważany za wyzwanie nie do pokonania, które doprowadziło do braku doniesień naukowych. Mamy nadzieję, że dzięki opisanym tutaj pracom przekonamy branżę, że możliwe jest pokonanie tej trudności za pomocą powszechnie dostępnego sprzętu.
Nasze podejście nie wymaga fizycznego połączenia elektrod i może być osiągnięte bez interwencji chirurgicznej. Rentgenowska tomografia komputerowa z retrospektywnym bramkowaniem serca umożliwia dokładne ilościowe określenie małych struktur w sercu i wokół niego oraz pomiary toczenia komór serca w różnych punktach czasowych cyklu pracy serca. Technologia ta znacznie zwiększa naszą zdolność do badania chorób sercowo-naczyniowych i opracowywania skutecznych terapii.
Aby rozpocząć, umieść znieczuloną mysz w obszarze roboczym. Ściśnij taśmę między palcami, aby sprawdzić głębokość znieczulenia. Wstrzyknąć dożylnie 100 mikrolitrów środka kontrastowego CT przez żyłę ogonową tuż przed obrazowaniem.
Przenieś znieczuloną mysz do komory obrazowania CT. Uruchom oprogramowanie CrumpCAT. Aby wykonać obrazowanie TK bez bramkowania w wysokiej rozdzielczości, należy najpierw wprowadzić identyfikator badania w interfejsie użytkownika.
Wybierz opcję Mouse Hi-Res (Wysoka rozdzielczość myszy) z menu rozwijanego Protocol (Protokół). Następnie kliknij przycisk Skanuj w interfejsie użytkownika, aby uzyskać 720 projekcji z czasem naświetlania 80 milisekund na projekcję. Aby wykonać obrazowanie TK bez bramki ze średnią rozdzielczością, wprowadź identyfikator badania w interfejsie użytkownika.
Wybierz opcję Mouse Standard (Standard myszy) z menu rozwijanego Protocol (Protokół). Kliknij przycisk Skanuj w interfejsie użytkownika, aby uzyskać 720 projekcji z czasem naświetlania wynoszącym 100 milisekund na projekcję. Aby wykonać bramkowaną tomografię komputerową, wprowadź identyfikator badania w interfejsie użytkownika.
Wybierz opcję Bramkowanie serca z menu rozwijanego Protocol (Protokół). Kliknij przycisk Skanuj w interfejsie użytkownika i uzyskaj 21 600 projekcji z czasem naświetlania wynoszącym 20 milisekund na projekcję. W przypadku ekstrakcji sygnału oddechowego wyznacz prostokątny obszar zainteresowania lub ROI1, który będzie reprezentował membranę.
Zsumuj intensywność pikseli wewnątrz ROI1 dla każdej projekcji, aby wygenerować sygnał oddechowy. W celu ekstrakcji sygnału sercowego wyznacz drugi prostokątny obszar zainteresowania lub ROI2 w szablonie w pobliżu serca. Zsumuj intensywności pikseli wewnątrz ROI2 dla każdej projekcji, aby wygenerować sygnał serca.
Następnie uruchom obraz CT w przeglądarce DICOM, takiej jak AMIDE. Ustaw wartość CT na minus 500, 500, aby zwiększyć widoczny kontrast. Aby określić ilościowo objętość lewej komory, narysuj odręczny obszar zainteresowania 3D, aby zidentyfikować lewą komorę w każdej fazie.
Obliczanie wokseli z progową wartością CT wynoszącą 730 jednostek Hounsfielda. Obrazowanie TK bez bramki wykazało wyraźniejszą identyfikację zwapnień serca na obrazach o wysokiej rozdzielczości w porównaniu z obrazami o średniej rozdzielczości, z wartościami stosunku kontrastu do szumu wynoszącymi odpowiednio około 4 i 3,2. Bramkowane obrazowanie TK wykazało poprawę stosunku kontrastu do szumu z około 4,2 w rurach oddechowych do około 5,2 w systemach oddechowych i sercowych.
Lewa komora z progiem przy wartości CT wynoszącej 730 jednostek Hounsfielda. Pętla jako krótki film lepiej ujawnia zmianę objętości lewej komory podczas cyklu pracy serca.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie podejmuje problem fizjologicznego ruchu serca w obrazowaniu tomografii komputerowej (CT) promieniami Rentgena u małych zwierząt, wprowadzając retrospekcyjną metodę bramkowania serca opartą wyłącznie na oprogramowaniu. Wykorzystując prototypowy skaner CrumpCAT, wykazaliśmy, że możliwe jest uzyskanie wartościowych obrazów ilościowych serca bez zastosowania specjalistycznego sprzętu.
Kluczowe elementy badania
Obszar badawczy
- Obrazowanie układu sercowo-naczyniowego
- Technologia CT dla małych zwierząt
- Techniki obrazowania bezruchowe
Wstęp
- Wyzwania związane z ruchem serca w badaniach na gryzoniach
- Brak skutecznych technik obrazowania małych struktur
- Potrzeba dostępnych technologii obrazowania w badaniach biologicznych
Zastosowane metody
- Techniki oprogramowania do retrospektywnego bramkowania serca
- Model gryzoni do obrazowania serca
- Obrazowanie CT ze standardowymi komponentami, w tym z zastosowaniem środków kontrastowych
Główne wyniki
- Wyraźniejsza identyfikacja struktur serca i zwapnień
- Poprawiony stosunek kontrastu do szumu przy obrazowaniu z synchronizacją (gated imaging)
- Pomyślna kwantyfikacja objętości lewej komory w całym cyklu pracy serca
Wnioski
- Badanie wykazuje, że synchronizacja z rytmem serca pozwala pokonać tradycyjne problemy w obrazowaniu TK gryzoni.
- Podejście to ma istotne znaczenie dla rozwoju badań nad chorobami i terapiami układu sercowo-naczyniowego.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Retrospektywna synchronizacja z cyklem pracy serca z wykorzystaniem prototypu CrumpCAT umożliwia obrazowanie serca o wysokiej rozdzielczości, wolne od artefaktów ruchowych w modelach małych zwierząt przy użyciu standardowego sprzętu CT. Możliwość ta eliminuje krytyczną barierę w przedklinicznych badaniach nad układem sercowo-naczyniowym, pozwalając na dokładną, ilościową ocenę funkcji i struktury serca. Podejście to zwiększa pewność prognostyczną w badaniach translacyjnych i wspiera decyzje dotyczące portfela projektów z uwzględnieniem ryzyka we wczesnej fazie odkrywania leków.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia precyzyjną ocenę funkcji i struktury serca in vivo w celu walidacji celów terapeutycznych.
- Zmniejsza niejednoznaczność biologiczną poprzez eliminację artefaktów ruchowych w obrazowaniu serca małych zwierząt.
- Zwiększa pewność prognostyczną w wyborze celów sercowo-naczyniowych i w procesie ograniczania ryzyka mechanistycznego.
Przesiew i opracowanie testu
- Zapewnia standaryzowane, powtarzalne zestawy danych obrazowych do ilościowego fenotypowania serca.
- Ułatwia opracowywanie testów dla punktów końcowych funkcji serca w modelach przedklinicznych.
- Umożliwia niezawodną ocenę wpływu związków na strukturę i funkcję serca.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Usprawnia dopasowanie wyników obrazowania przedklinicznego do translacyjnych strategii biomarkerowych w chorobach układu sercowo-naczyniowego.
- Zapewnia ciągłość procesu od etapu odkrycia do walidacji przedklinicznej poprzez umożliwienie pozyskiwania 4D zbiorów danych kardiologicznych.
- Poprawia proces podejmowania decyzji o rozwoju kandydatów na leki sercowo-naczyniowe w oparciu o analizę ryzyka.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ta retrospektywna metoda bramkowania integruje się z przebiegiem obrazowania przedklinicznego, łącząc wczesną fazę odkryć z badaniami translacyjnymi w ramach programów kardiologicznych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez i wyjaśnianie szlaków sygnałowych poprzez umożliwienie obrazowania serca małych zwierząt bez artefaktów ruchowych.
- Przesiew: Dostarcza powtarzalnych, ilościowych wyników w testach funkcji serca.
- Analityka: Zapewnia zestawy danych wolumetrycznych z rozdzielczością fazową oraz wskaźniki stosunku kontrastu do szumu dla solidnego porównywania warunków.
- Badania translacyjne: Ułatwia dostosowanie do klinicznych biomarkerów obrazowania oraz modeli chorób.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Prezentuje możliwości programistyczne, które można wdrożyć na standardowych platformach CT do badań przedklinicznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad układem sercowo-naczyniowym.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i skalowalność bez konieczności stosowania specjalistycznego sprzętu lub interwencji chirurgicznych.
- Wartość strategiczna: Umożliwia lepsze podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) oraz zwiększa efektywność kapitałową w portfelach kardiologicznych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój zasobów w obszarze kardiologii.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w obsłudze małych zwierząt oraz w protokołach obrazowania CT.
- Wymaga dostępu do standardowej aparatury CT do badań przedklinicznych i oprogramowania do analizy plików DICOM.
- Wymaga standaryzacji parametrów obrazowania i progów analizy pomiędzy zespołami.
- Możliwość adaptacji do różnych modeli zwierzęcych z wykorzystaniem powszechnie dostępnego sprzętu.
- Ograniczone przez częstotliwość odświeżania detektora oraz ograniczenia czasu ekspozycji właściwe dla standardowych systemów CT.
