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Biomedical Engineering

Resonancia Magnética Cardíaca

Overview

Fuente: Frederick W. Damen y Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

En este video, se demuestra que la resonancia magnética de campo alto y pequeño diámetro (RM) con monitoreo fisiológico adquiere bucles cine cerrados del sistema cardiovascular murino. Este procedimiento proporciona una base para evaluar la función ventricular izquierda, visualizar las redes vasculares y cuantificar el movimiento de los órganos debido a la respiración. Las modalidades de imágenes cardiovasculares de animales pequeños comparables incluyen ultrasonido de alta frecuencia y tomografía microcomputada (TC); sin embargo, cada modalidad está asociada con compensaciones que deben considerarse. Mientras que el ultrasonido proporciona una alta resolución espacial y temporal, los artefactos de imagen son comunes. Por ejemplo, el tejido denso (es decir, el esternón y las costillas) puede limitar la profundidad de penetración de imágenes, y la señal hiperecoica en la interfaz entre el gas y el líquido (es decir, la pleura que rodea los pulmones) puede desenfocar el contraste en el tejido cercano. Micro-CT en contraste no sufre de tantos artefactos en el plano, pero tiene menor resolución temporal y contraste limitado de tejido blando. Además, micro-CT utiliza radiación de rayos X y a menudo requiere el uso de agentes de contraste para visualizar la vasculatura, ambos de los cuales se sabe que causan efectos secundarios a dosis altas, incluyendo daño por radiación y lesión renal. La RMN cardiovascular proporciona un buen compromiso entre estas técnicas al negar la necesidad de radiación ionizante y proporcionar al usuario la capacidad de crear imágenes sin agentes de contraste (aunque los agentes de contraste se utilizan a menudo para la RMN).

Estos datos se adquirieron con una secuencia de resonancia magnética Fast Low Angle SHot (FLASH) que fue cerrada fuera de los picos R en el ciclo cardíaco y mesetas espiratorias en la respiración. Estos eventos fisiológicos fueron monitoreados a través de electrodos subcutáneos y una almohada sensible a la presión que estaba asegurada contra el abdomen. Para garantizar que el ratón se calentó correctamente, se insertó una sonda de temperatura rectal que se utilizó para controlar la salida de un ventilador de calefacción seguro para RMN. Una vez que el animal fue insertado en el orificio del escáner de RMN y se ejecutaron secuencias de navegación para confirmar el posicionamiento, se prescribieron los planos de imágenes FLASH cerrados y se adquirieron los datos. En general, la RMN de campo alto es una poderosa herramienta de investigación que puede proporcionar contraste de tejido blando para el estudio de modelos de enfermedades animales pequeñas.

Principles

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La resonancia magnética es una técnica que aprovecha las propiedades paramagnéticas del tejido para visualizar el contraste de los tejidos blandos. El orificio de una máquina de RMN se envuelve convencionalmente utilizando una bobina solenoide que proporciona un campo magnético homogéneo constante (B0)cuando se aplica una corriente eléctrica. En la imagen murinosde de campo alto presentada, se utiliza una intensidad de campo magnético de 7 Tesla (T), que es aproximadamente 140.000 veces la del campo magnético de la Tierra y más del doble de las intensidades de campo de escáner clínicos comunes 3T y 1.5T. Este campo magnético homogéneo hace que los protones de hidrógeno inherentes a casi todos los tejidos vivos alineen sus ejes de rotación. Estos giros pueden entonces ser "inclinados" usando ondas de radiofrecuencia (RF) a un cierto ángulo en relación con el eje de rotación (es decir, el ángulo de volteo). A medida que los protones intentan relajarse de nuevo a su orientación original, el componente de su giro perpendicular a su eje principal induce una señal eléctrica detectable.

Además, se pueden aplicar gradientes magnéticos que perturban el campo magnético principal y permiten excitaciones de RF aisladas espacialmente para localizar la señal recibida. Específicamente de los métodos descritos aquí, la secuencia FLASH utiliza excitaciones repetitivas de ángulo de volteo bajo para inducir un patrón de estado estacionario en el movimiento del protón. Este paradigma permite que los tejidos que son inherentemente dinámicos, como en el sistema cardiovascular, sean imágenes rápidamente y logren instantáneas relativamente estables dentro del ciclo cardíaco. Mediante la activación de la secuencia FLASH con señales fisiológicas, se pueden adquirir imágenes del sistema cardiovascular que resalten el movimiento cardíaco, vascular y respiratorio.

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Procedure

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1. Preparación animal

  1. Identifique el ratón que se va a tomar una imagen en su jaula y transfiéralo a la cámara de inducción de anestesia.
  2. Anestetiza el ratón usando isoflurano y confirma el derribo usando una técnica de pelusa de los dedos. Tome la pata entre el pulgar y el dedo índice y pellizca firmemente para comprobar si hay una respuesta. Si el animal retira el pie, usted debe esperar o redosel con anestesia de acuerdo con el protocolo aprobado.
  3. Compruebe que todo el personal que ingresa a la instalación de imágenes es seguro para RMN. Esto incluye eliminar cualquier ropa/accesorios magnéticos, confirmar que no hay implantes magnéticos ni marcapasos, y eliminar el metal que contiene perforaciones.
  4. Flujo de isoflurano abierto al nosecone en la sala de resonancia magnética. Esto permite que el tubo más largo se ceba con anestesia antes de la transferencia del ratón para asegurar que el animal no se despierte.
  5. Cierre el flujo de isoflurano a la cámara de inducción de anestesia y transfiera el ratón a la etapa de diagnóstico por imágenes. Coloque el ratón sobre el escenario de forma que la ubicación aproximada del corazón esté alineada con el centro del imán.
  6. Asegure el cono de la nariz y vuelva a confirmar el derribo utilizando la técnica del dedo del pie y el pellizco.
  7. Inserte los tres cables del electrocardiograma por vía subcutánea con una pista a la izquierda y a la derecha del corazón y otra en la base de la extremidad posterior izquierda.
  8. Inserte la sonda de temperatura rectal con una funda de sonda estéril y lubricante.
  9. Coloque el sensor de respiración de almohada en la región epigástrica del abdomen y fíjelo en su lugar con una placa de cartón. El cartón permitirá asegurar una señal sensible a la presión.
  10. Confirme que todas las señales fisiológicas se están adquiriendo a través del software de monitoreo fuera de la sala del escáner. Si se detecta una frecuencia cardíaca, una frecuencia respiratoria o una temperatura fuera del rango normal, detenga las imágenes y evalúe si el animal está anestesiado adecuadamente. Si se encuentra que el animal está en peligro, la administración de anestesia debe cesar y el animal debe ser devuelto a la jaula para recuperarse.
  11. Configure el módulo de calefacción y el ventilador y comience a calentar el flujo de aire al animal. Asegure todo el tubo de aire en su lugar para que el aire caliente sople hacia el ratón comenzando justo después de la punta de la cola.
  12. Coloque la bobina de gradiente sobre el animal y asegúrese de que todos los cables/tubos estén asegurados.

2. Imágenes de resonancia magnética cardíaca - Esta sección se puede adaptar para otras aplicaciones.

  1. Ajuste y haga coincidir la bobina de gradiente fuera del orificio del imán para asegurarse de que la señal máxima se detecta desde el sujeto.
  2. Inserte lentamente la etapa de imagen en el orificio del imán de manera que el animal se coloque directamente en el centro del agujero. Esto incluye asegurarse de que la bobina de gradiente tenga el mismo espaciado a lo largo de todas las direcciones radiales. Esta es la posición donde el campo magnético principal será más homogéneo.
  3. Ejecute un análisis del localizador/navegador para confirmar la ubicación del ratón dentro del escáner. Algunos segmentos del corazón deben visualizarse dentro de los tres planos (es decir, axial, sagital y coronal). Si este no es el caso, repita el proceso de reposicionamiento del ratón y la ejecución de exploraciones de localización/navegación hasta que se alcance la posición deseada.
  4. Configure los parámetros para la secuencia FLASH. Por ejemplo: TR/TE a 8,0/2,0 ms, FA a 20o, FOV a 35 x 35 mm, tamaño de matriz a 192 x 192 y NEX a 6. A continuación, seleccione la activación externa para que esté "activada".
  5. En el software de monitoreo, configure los disparadores externos de modo que las secuencias de RMN se inicien al identificar los Picos R en los ciclos cardíacos y mientras la respiración sea estable durante la fase espiratoria. A medida que se cumplen esas dos condiciones, la secuencia se puede ejecutar en serie y se adquirirán los datos.
  6. Prescribir y ejecutar una rebanada de secuencia FLASH inicial en la vista coronal de modo que el plano de corte siga el eje desde el ápice del corazón a través de la válvula aórtica. Este bucle cine inicial proporcionará una vista de dos cámaras del corazón.
  7. Al hacer referencia a los resultados de la vista de dos cámaras, prescribir y ejecutar una nueva secuencia FLASH a lo largo del eje de la válvula aórtica ápice para visualizar una vista de cuatro cámaras.
  8. Por último, receta una rebanada de eje corto perpendicular al eje de la válvula ápice-aórtica aproximadamente a la mitad del corazón. Los músculos papilares deben ser claramente visibles dentro de la salida del bucle cine en esta ubicación.
    1. Se pueden adquirir sectores adicionales paralelos a este para crear volúmenes sincronizados en el tiempo del corazón. Estos volúmenes se crean concatenando bucles cine adyacentes en el postprocesamiento.
  9. Una vez completada la toma de imágenes, transfiera los datos adquiridos a un lugar apropiado para su análisis y retire el animal del escáner.

La resonancia magnética de pequeño diámetro de campo alto, o resonancia magnética cardíaca, evalúa la función cardiovascular sin el uso de radiación ionizante o agentes de contraste.

Las modalidades de imagen cardiovascular comparables incluyen ultrasonido de alta frecuencia, que emite un haz de ondas acústicas desde un transductor y registra los ecos creados a medida que las ondas se reflejan para generar imágenes en vivo. Proporciona imágenes de alta resolución espacial y temporal; sin embargo, se pueden observar artefactos de imágenes debido a la limitada profundidad de penetración en el tejido denso.

Otra técnica de imagen es la micro-TC, que toma una serie de proyecciones de rayos X para crear secciones transversales 3D. Tiene una resolución temporal más baja y un contraste limitado de tejidos blandos, y a menudo requiere el uso de agentes de contraste para visualizar estructuras vasculares. Se sabe que causan daño por radiación e insuficiencia renal a dosis altas.

Alternativamente, la RMN utiliza electroimanes fuertes para tomar imágenes de los tejidos del cuerpo en función de sus propiedades magnéticas. En la resonancia magnética cardíaca, las secuencias de RMN convencionales se eliminan de los picos de R en el ciclo cardíaco y las mesetas espiratorias en la respiración para evaluar la función cardiovascular.

Este video ilustrará cómo recopilar datos de RMN con una toma rápida de ángulo bajo o una secuencia de RMN FLASH. Esta técnica proporciona contraste de tejido blando de alta calidad para el estudio de modelos de enfermedades animales pequeñas.

La resonancia magnética es una técnica que utiliza las propiedades paramagnéticas del tejido para visualizar el contraste de los tejidos blandos. El orificio de una máquina de RMN se envuelve convencionalmente utilizando una bobina solenoide que proporciona un campo magnético homogéneo constante, B-cero, cuando se aplica una corriente eléctrica.

En las imágenes de espejo de campo alto, se puede emplear una intensidad de campo magnético de 7-Tesla, aproximadamente 140.000 veces la del campo magnético de la Tierra, y más del doble de las intensidades de campo del escáner clínico 3-Tesla y 1.5-Tesla. Este campo magnético homogéneo hace que los protones de hidrógeno inherentes a casi todos los tejidos vivos alineen sus ejes de rotación. Estos giros se pueden inclinar utilizando radiofrecuencia, o ondas RF, a un cierto ángulo en relación con el eje de rotación, también conocido como el ángulo de volteo.

A medida que los protones intentan relajarse de nuevo a su orientación original, el componente de su giro perpendicular a su eje principal induce una señal eléctrica detectable, lo que resulta en una imagen. Además, se pueden aplicar gradientes magnéticos que perturban el campo magnético principal y permiten excitaciones de RF aisladas espacialmente para localizar la señal recibida. Específico para los métodos descritos en este video es la secuencia FLASH, que utiliza excitaciones rf de ángulo de volteo bajo que se repiten rápidamente para inducir un patrón de estado estable en el movimiento del protón. El tiempo de repetición es mucho más corto que el tiempo de relajación de protones típico.

Cuando el hidrógeno no excitado, como el de la sangre, entra en el marco de imágenes, se produce una señal relativamente alta. Esto permite que el sistema cardiovascular sea imágena rápidamente y proporcione instantáneas estables dentro del ciclo cardíaco. Mediante la activación de la secuencia FLASH con señales fisiológicas, se pueden obtener imágenes del sistema cardiovascular que resalten el movimiento cardíaco, vascular y respiratorio.

Después de haber revisado los principios principales de la resonancia magnética cardíaca, vamos a caminar ahora a través del procedimiento paso a paso para preparar e imaginar un animal.

En primer lugar, identifique el ratón que se va a crear una imagen y, a continuación, transfiera el ratón a la cámara de derribo. Luego, anestesia al animal usando isoflurano y confirma el derribo usando una técnica de pelusa de los dedos. A continuación, abra el flujo de isoflurano al cono nasal en la sala de resonancia magnética y cierre el flujo de isoflurano a la cámara de derribo. Esto prepara el tubo más largo con anestesia.

Asegúrese de que todo el personal esté seguro por RMN, luego transfiera el ratón a la etapa de imágenes y fije el cono nasal alrededor del animal. Coloque el ratón de tal forma que su corazón esté alineado aproximadamente con un centro de la bobina de RF. A continuación, reconfirme el derribo utilizando la técnica de pellizco de los dedos de los dedos. A continuación, inserte los tres cables del electrocardiograma por vía subcutánea. Coloque una sola pista a la izquierda y a la derecha del corazón y otra en la base de la extremidad posterior izquierda.

Inserte la sonda termómetro rectal con una cubierta de sonda estéril y lubricante. A continuación, coloque un sensor de respiración de almohada en las regiones epigástricas del abdomen y fíjelo en su lugar usando cartón para adquirir señalización sensible a la presión.

Confirme que todas las señales fisiológicas se están adquiriendo a través del software de monitoreo fuera de la sala del escáner. A continuación, configure el módulo de calefacción y el ventilador para comenzar a calentar el flujo de aire al ratón. Asegure el tubo de aire en su lugar de tal manera que el aire caliente sople hacia el ratón, comenzando justo más allá de la punta de su cola. Por último, coloque la bobina de RF sobre el ratón y asegúrese de que todos los cables y tubos estén seguros.

Revisemos ahora el protocolo paso a paso para realizar una resonancia magnética cardíaca en el ratón anestesiado.

En primer lugar, ajuste y haga coincidir la bobina de RF fuera del orificio del imán para garantizar la máxima detección de señal. Esto se indica mediante un valle estrecho a cero hercios para cada componente de la bobina RF. A continuación, inserte lentamente la etapa de imagen en el orificio del imán. Asegúrese de que el ratón esté colocado directamente en el centro del agujero y que la bobina de gradiente tenga el mismo espaciado a lo largo de todas las direcciones radiales. Esta posición garantiza un campo magnético principal homogéneo.

A continuación, ejecute un análisis de navegación para localizar el ratón dentro del escáner. Confirme si algún segmento del corazón se visualiza dentro de los tres planos, a saber, axial, sagital y coronal. A continuación, establezca los parámetros para la secuencia FLASH y seleccione la activación externa que desea activar. En el software de monitoreo, configure los activadores externos de modo que las secuencias de RMN se ejecuten en serie solo en R-peaks en ciclos cardíacos durante la respiración estable en la fase espiratoria.

A continuación, recete la secuencia FLASH inicial estableciendo los parámetros y colocando un rectángulo de plano de imagen en la vista coronal. A continuación, presione continuar para ejecutarlo de tal manera que el plano de la rebanada siga el eje desde el ápice del corazón a través de la válvula aórtica. Este bucle cine inicial proporcionará una vista de dos cámaras del corazón.

A continuación, al hacer referencia a los resultados de la vista de dos cámaras, recete y ejecute una nueva secuencia FLASH a lo largo del eje de la válvula aórtica del ápice para visualizar una vista de cuatro cámaras.

Por último, receta una rebanada de eje corto que sea perpendicular al eje de la válvula aórtica del ápice aproximadamente a la mitad del corazón. Los músculos papilares deben ser claramente visibles dentro de la salida del bucle cine en esta ubicación. Una vez completada la toma de imágenes, transfiera los datos adquiridos a un lugar apropiado para el análisis, luego retraiga la etapa de imagen del orificio del imán y retire la bobina de gradiente y todas las sondas del animal antes de transferir el animal desde el lecho del escáner.

Ahora que hemos obtenido una resonancia magnética cardíaca en un ratón, revisemos los resultados de las exploraciones. Esta figura muestra el bucle cine de una vista de eje corto del ventrículo izquierdo, directamente perpendicular al eje del ápice base del corazón y en una posición que incluye los músculos papilares.

Aquí, vemos la imagen de cine de sangre de un corazón de ratón con 14 instantáneas de vista de eje corto a lo largo del ciclo cardíaco, incluyendo diástole final y sistosa pico. Las regiones de la señal de caída dentro del lumen del ventrículo izquierdo indican que la sangre se mueve rápidamente, que originalmente estaba fuera de plano y no estaba etiquetada por la excitación de onda RF.

Esta imagen muestra una vista de cuatro cámaras del corazón con entrada de sangre brillante a través de las válvulas mitral y tricúspide, y luego a través de las válvulas aórtica sin efecto y pulmonar, respectivamente.

Por último, aquí hay una proyección de intensidad máxima que muestra cómo se pueden combinar espacialmente varias rebanadas para visualizar el sistema cardiovascular de todo el ratón. La figura muestra una pila tridimensional de imágenes de sangre en 2 dimensiones, brillantes y sincronizadas en el tiempo que muestran las regiones torácica y abdominal de un ratón.

Veamos ahora algunas otras aplicaciones de esta técnica de RMN. Como una extensión de la técnica descrita, podemos utilizar esta tecnología para comparar la cinemática de los corazones sanos frente a los enfermos. Los modelos murinos de disfunción cardíaca pueden ser mucho más controlados que los que se encuentran en la clínica. Esto permite a los investigadores identificar factores específicos que contribuyen a las enfermedades del corazón, así como estudiar el proceso de remodelación después de la lesión.

Un esfuerzo de investigación comparable se puede realizar con un enfoque vascular, como el que tiene formación de aneurisma de la aorta abdominal. La sangre da una señal de alta intensidad utilizando el método de RMN de pequeño diámetro de campo alto descrito aquí. Este aumento de contraste puede ser explotado para evaluar la expansión de un aneurisma de la aorta abdominal y medir los cambios en las propiedades biomecánicas del vaso.

Acabas de ver la introducción de JoVE a las imágenes por resonancia magnética cardiovascular.

Ahora debe saber cómo realizar imágenes cardíacas y cómo adquirir datos de bucle cine del corazón murino utilizando secuencias de resonancia magnética FLASH de sangre brillante estándar sincronizadas con señales cardíacas y de respiración. Por último, también debe saber cómo identificar las estructuras cardíacas en estas imágenes. ¡Gracias por mirar!

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Results

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La Figura 1 muestra un bucle cine de una vista de eje corto del ventrículo izquierdo, que es directamente perpendicular al eje de la base-ápice del corazón y en una posición que incluye los músculos papilares.

Figure 1
Figura 1:Imágenes de cine de sangre brillante de un corazón de ratón con 14 instantáneas de vista deeje corto a lo largo del ciclo cardíaco, incluyendo diatosto final (t.8) y sistosa pico (t.13). Las regiones de la señal de caída dentro del lumen del ventrículo izquierdo indican que la sangre se mueve rápidamente, que originalmente estaba fuera de plano y no estaba etiquetada por la excitación de onda RF.

La segunda imagen representativa muestra una vista de 4 cámaras del corazón con entrada de sangre brillante a través de las válvulas mitral y tricúspide, que luego fluye a través de las válvulas aórtica y pulmonar, respectivamente.

Figure 2
Figura 2:Imágenes de cine de sangre brillante de un corazón deratón con una vista de cuatro cámaras que muestra la diástole final (izquierda) y la sístole máxima (derecha). Las regiones de la señal de caída dentro del lumen del ventrículo izquierdo indican que la sangre se mueve rápidamente, que originalmente estaba fuera de plano y no estaba etiquetada por la excitación de onda RF.

Finalmente, un tercer resultado representativo es una proyección de intensidad máxima (MIP) que muestra cómo se pueden combinar espacialmente las múltiples rebanadas para visualizar el sistema cardiovascular de todo el cuerpo del ratón.

Figure 3
Figura 3: Proyección deintensidad máxima de una pila tridimensional de imágenes de sangre brillante bidimensionalsincronizadas con tiempo, que muestran las regiones torácica y abdominal de un ratón. El corazón, la vena cava inferior y el pequeño aneurisma de la aorta abdominal (círculo rojo) se pueden ver desde esta vista.

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Applications and Summary

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Aquí, la RMN cardíaca se utiliza junto con la respiración cardiaca y la respiración para adquirir datos del bucle cine del corazón murino. Mientras que el corazón era el foco de la demostración, se pueden crear imágenes de regiones adicionales del sistema cardiovascular siguiendo la misma metodología. Aunque la RMN no sufre de los mismos artefactos comúnmente vistos con otras modalidades de imagen, hay un equilibrio notable con la resolución espacial lograda por duración de adquisición. Este equilibrio es preocupante cuando el ratón no puede soportar duraciones más largas de la anestesia, como en modelos de enfermedades graves. Aún así, la RMN tiene la ventaja de visualizar el tejido subyacente sin el riesgo de daño por radiación ionizante inherente a la micro-TC. Usando técnicas de RMN, se puede realizar una evaluación in vivo de lo cardiovascular, sentando las bases para estudios longitudinales tanto de progresión de la enfermedad como de respuesta terapéutica asociada en modelos animales pequeños.

Como una extensión de la técnica descrita, esta tecnología se puede utilizar para comparar la cinemática de los corazones sanos frente a los enfermos. Los modelos murinos de disfunción cardíaca pueden ser mucho más controlados que los que se encuentran en la clínica, lo que permite a los investigadores identificar factores específicos que contribuyen a las enfermedades cardíacas, así como estudiar el proceso de remodelación después de una lesión mecánica. Además, se puede realizar un esfuerzo de investigación comparable con un enfoque vascular como el de la formación de aneurisma de la aorta abdominal (AAA). Dado que la sangre da una señal de alta intensidad bajo los métodos descritos, el contraste puede ser explotado para evaluar la expansión de un AAA y medir los cambios en las propiedades biomecánicas del vaso. Finalmente, se pueden realizar estudios que examinan la vascularización del cerebro para comparar las respuestas angiogénicas con lesiones cerebrales traumáticas o accidente cerebrovascular. Idealmente, al igual que con la mayoría de las imágenes preclínicas, técnicas como la resonancia magnética cardiovascular de alto campo pueden mejorar nuestra comprensión de los procesos de enfermedades humanas, así como provocar la innovación hacia la próxima generación de tecnología de diagnóstico.

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