Summary
Kontrast förbättrad hjärt magnetisk resonans (CMR) bildbehandling gör omfattande
Abstract
Små djur magnetisk resonanstomografi är ett viktigt verktyg för att studera hjärtfunktion och förändringar i myokardvävnaden. De höga hjärtfrekvenser från små djur (200-600 slag / min) har tidigare begränsat rollen av CMR avbildning. Små djur Look-Locker inversion återhämtning (SALLI) är en T1 avbildningssekvensen för smådjur att övervinna detta problem en. T1 kartor ger kvantitativ information om vävnadsförändringar och kontrast kinetik agent. Det är också möjligt att detektera diffusa hjärtinfarkt processer såsom interstitiell fibros eller ödem 1-6. Dessutom, från en enda uppsättning av bilddata, är det möjligt att undersöka hjärtats funktion och hjärtinfarkt ärrbildning genom att generera cine och inversion recovery-förberedda sena gadolinium förbättring-typ MR-bilder 1.
Den presenterade video visar steg-för-steg förfaranden för att utföra litet djur CMR avbildning. Här presenteras med en hälsosam Sprague-DawlEY råtta, men naturligtvis kan det utökas till olika hjärt små djurmodeller.
Introduction
Myokardit är en viktig orsak till akut hjärtsvikt, plötslig död, och kronisk dilaterad kardiomyopati 7. CMR har etablerats som guldmyntfoten teknik för mätning av funktion och för in vivo vävnad analys. Nya avbildningstekniker och förbättringar i avbilda kunde inte bara förbättra diagnosen av myokardit, utan också stöd att studera patofysiologin och hastighet identifiera terapeutiska mål 8-10. Små djur imaging är ett viktigt redskap för studiet av hjärt-och kärlsjukdomar. Tekniker som används rutinmässigt i klinisk CMR, såsom sent gadolinium förbättring (LGE) kan inte enkelt överföras till litet djur CMR grund djurens höga hjärtfrekvens, men kunde redan visas 11. Det lilla djuret Look-Locker inversion återhämtning (SALLI) tillvägagångssätt genererar multimodala bilddata sätter möjliggör för den övergripande bedömningen av både hjärtfunktion och morfologi (figur 1 and 3). Här visar vi i detalj förfarandet och setup för små djur avbildning med en typisk SALLI protokoll. I synnerhet visar vi återuppbyggnaden och analys av T1 avbildning datamängder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Ett. Framställning
1.1. Anestesi av råttorna
- Placera råttan in i en kammare förfylld med isofluran (beroende på storleken av kammaren ca 3 minuter av 5%) för att söva råttan.
- När sövda, ta bort råttan och väga den.
- Placera nosen på råttan i anestesi masken (isofluran 2-3% i syrgas 1 L / min) för att upprätthålla anestesi. Under anestesi med isofluran, de hjärtfrekvens hos råttor minska till 300-340 bpm (380-420 bpm i möss).
1.2. Sätt en kanyl svansven
- Tvätta svansen hos råttan med varmt vatten (38 ° C) och tvål för att göra det möjligt för blodkärlen att vara lättare att uppfatta.
- Kanylera antingen ven, som lätt kan ses på den laterala delen av svansen. Använda en 22-24 G IV kateter, påbörja försök ungefär 1/3 av vägen från spetsen.
- Om de initiala insatserna är misslyckade, försök igen mer proximalt.
- Ta blod samniskor för analys av hematokrit (nödvändigt att beräkna extracellulära volymandel = ECV).
- Säkra IV-kateter med hud lim och tejp.
1.3. Positionering av elektroderna
- Rengör alla trampdynorna med alkohol mättad tops eller med tvål och vatten.
- Fyra elektroder krävs, en för varje fot.
- Anslut elektroderna till mitten av fotsulan och säkra dem med tejp.
- Twist eller fläta de EKG-kablar runt varandra för att minimera bildningen av slingor som skulle orsaka interferens med EKG-signalen.
2. Scanning
2.1. Positionering av djuret och övervakning
- Placera råttan liggande på rygg eller mage på avbildning röret och placera hjärtat i centrum av spolen.
- Arrange råttan så att dess näsa vilar i könen som levererar isoflurananestesi (2-3% i syre 1 L / min). Råttan får andasfritt under hela avbildning förfarande.
- Placera sensorn på termometern vid analöppningen och fixa det på bordet med tejp.
- Kroppstemperaturen hålls vid 38 ± 1 ° C genom en varm vatten värmesystem. Den värmande matta placeras under lägre aspekten av det djur som sträcker sig utanför spolen. Se den schematiska representationen av MRI-experimentuppställning (figur 2) för mer information.
- Anslut EKG-elektroder, när EKG-signalen är stabil börjar avbildning.
2.2. Scan protokoll / Imaging parametrar
- I denna studie en Philips Ingenia 3.0T klinisk MRT-system med en spole med 70 mm innerdiameter användes [MR systemkraven är ett litet hål (t.ex. 16 cm) eller stora hål (mänsklig storlek, t.ex. 65 cm) med dedikerade litet djur spole, EKG slussning funktioner för hjärtfrekvens upp till 500/min, syretillförsel och ett system för borttagning för anestesigaser].
- Börja med en undersökning för att lokalisera hjärta i centrera av MRI-synfältet.
- När positionen är korrekt, fortsätt med två kammare och fyra-kammare cine MRI vyer för att bestämma geometrin för stapeln av korta axeln bilder.
- För SALLI, ställning mid-hålrummet korta axeln skiva på två-och fyra-kammare bilder (PreSALLI). En kombination av 4000 msek förvärv varaktighet och 4000 msek avkoppling varaktighet möjliggör tillräcklig återvinning av magnetisering längs z-axeln och förhindrar överhettning av gradienter. För att aktivera funktionell analys, bör faser sättas till minst 12, med temporal undersampling av faktor 2 för att påskynda förvärvet.
- Injicera gadolinium-baserade kontrastmedel in kvarkatetern, utan att flytta råttan. Vänta fem minuter.
- Börja planera SALLI som multisnitts korta axeln stacken, bestående av minst 7 skivor (skiva tjocklek 2,4 mm). Placera skivorna så att den mest distala ligger under spetsen av hjärtat och tHan översta nivån är precis distalt de hjärtklaffar. Försök att se till att de korta axlarna är vinkelräta mot septum. Nästan var 30 minuter (ca tre Sallis) injicera en dos av kontrastmedlet.
- När bilden förvärvet är klar ta bort råttan från skannern och låt den återhämta sig från anestesi.
Tre. Bild återuppbyggnad
Bild rekonstruktion kan utföras antingen online med fördefinierade rekonstruktionsparametrar, eller offline med en dedikerad verktyg bildrekonstruktion:
3.1. Online återuppbyggnad
- Olika parametrar kan definieras inklusive:
- För T1 kartläggning: placering och bredd av återuppbyggnaden fönstret i hjärtcykeln (t.ex. från 50 till 100 msek för att uppnå systoliskt T1 karta på puls 300/min)
- För IR-förberedda (LGE) bilder: placering och bredd av inversion tid (TI) fönster och antal bilder som ska rekonstrueras witunn att fönstret (t.ex. TI 100-300 ms, 5 bilder, för att generera 5 LGE bilder med tis 100-150-200-250-300 msek).
3.2. Offline återuppbyggnad
- Vid användning av en särskild mjukvara (Gyrotools, Zürich, Schweiz) för bildrekonstruktion, extrahera tre uppsättningar av data (cine MR, inversion återhämtning och T1 kartor) på ett mer interaktivt sätt.
- Justera definition av end-systole eller end-diastole för T1 genom att välja motsvarande cine bilden.
- Visualisera T1 kartor som färgkartor. Hitta exakta värden genom att föra musen över ett område av intresse. Bilder kan lagras i olika bildformat för vidare analys (t.ex. beräkning av ECV från pre-och post-kontrast T1 värden av hjärtmuskeln och blod pool) 12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Här visar vi resultaten från en frisk Sprague Dawley Rat. Med en väl förberedd djur inställning vi beskrivit tidigare, är det möjligt att få en stabil EKG-signal. Liknar mänskliga hjärt MRI protokoll, börjar vi med en undersökning för att lokalisera hjärtat. Om positionen hos råttan i spolen är korrekt, fortsätter vi med ett tvåkammarsystem vy och en fyra-kammare för att detektera geometrin för SALLI stacken.
Salli tekniken producerar tre typer av bilder som förvärvats vid samma tidpunkt. Dessa är, för det första, cine bilder som kan användas för att studera lokal och global vänsterkammarfunktion. LV parametrar som skall bedömas med hjälp av ett CMR programpaket inkluderar slutsystoliska och slutdiastoliska volymer, ejektionsfraktion, och massa. Den andra typen av bild är flera IR-bilder med olika nominella TI, som bilder med optimal nollställning av normal hjärtmuskulaturen kan väljas. Detta säkerställer maximal förstärkning av områden med fokal myokardfibros / scar, som behövs för LGE avbildning. För det tredje, är T1 kartor genereras. Dessa bör uppvisa homogena relaxationstider över friska myokardium såsom visas i fig. 3 (representativ T1 kartan). Före administrering av gadopentetat dimeglumin uppvisar hjärtmuskeln kortare T1 värden än blod inom LV hålighet. Under de första minuterna efter administrering av kontrastmedel, är T1 för blod förkortas mer än hjärtmuskeln. Medan de presenterade data från ett friskt djur visar homogen T1 beteende över hela hjärtmuskeln, skulle förekomsten av myocardial skada t.ex. modeller av hjärtinfarkt visar T1 förkortning i den drabbade regionen. T1 kartor kan rekonstrueras för varje fas av hjärtcykeln (Figur 3c).
Figur 1. Pulssekvensen system för fullt samplade datamängder och system Rekonstruktion av multimodala bilder Top:. SALLI pulssekvens system. Efter en adiabatisk inversion puls (180 °), är bilddata för första radiella segmentet (segment = färgade sektorer av cirklar) kontinuerligt provtas för konsekutiva hjärt faser (cirklar i olika storlekar) samt cyklar hjärta (olika cirkel färger) under en fördefinierad AD medan magnetiseringen återhämtar sig med en tidskonstant T1 * (heldragen linje). Temporal upplösning (t.ex. antal hjärt faser) är teoretiskt begränsad av minsta upprepning tid. Efter en fördefinierad RD, under vilken magnetiseringen återvinner utan några avläsning-inducerade störningar med en tidskonstant T1 (streckad linje), är processen upprepas för nästa radiella segmentet och så vidare. A. Rekonstruktion av T1 kartor. I ett första steg omfattas råbilder för antalet hjärtcykler av AD rekonstrueras från alla tillgängliga bilddata förvärvade dnder ett fördefinierat tidsfönster inom RR-intervallet (t ex under systole). I ett andra steg är pixel-wise ickelinjär kurvanpassning utförs och resulterande T1 * Värdena är korrigerade för avläsning-inducerad avvikelse magnetiseringen återhämtningen kurvan att generera T1 karta från dessa råa bilder. B. Rekonstruktion av IR-förberedda bilder. För ett fördefinierat intervall efter inversion (t.ex. 100-300 ms), en uppsättning av IR-förberedda bilder med fördefinierade steg inversion tid (t.ex. 25 ms) rekonstrueras från alla bilddata som finns inom intervallet. C. Rekonstruktion av cine bilder. Cine bilderna för ett fördefinierat antal hjärt faser rekonstrueras från alla bilddata som finns utöver den tidpunkt vid vilken all longitudinell magnetisering inom synfältet hade återhämtat sig med minst 90%. (Messroghli et al., Små djur look locker inversion återhämtning (SALLI) för samtidig produktion av T1 kartor och cine och reversion återhämtning-förberedda bilder med hög hjärtfrekvens: initial erfarenhet, Radiologi 2011. Omtryckt med tillåtelse från RSNA). Klicka här för att visa en större bild .
Figur 2. MRI experimentuppställning. MRI experimentuppställning, inklusive djur positionering på djuret hållaren och möjligheterna övervakning vid skanning.
Figur 3. Representant SALLI stapel från en frisk Sprague-Dawley-råtta: a) cine bild diastole, b) cine image systole, c) T1 karta före intravenös administrering av gadopentetat-dimeglumin (diastole), d) LGE bilden innan intravenös administrering av gadopentetat-dimeglumin. Typiskt SALLI Data: slice tjocklek (mm) 2.4, FOV (mm) 64 x 64, pixel slice (mm) 0,59 x 0,59, flip vinkel 10 °, AD (ms) 4000; RD (ms) 4.000, Act. TR / TE (ms) 6.7/2.7, NSA 2, hjärta faser 12, temporal undersampling faktor 2, hjärt-frekvens (bpm) 320, scan längd 7 minuter.
AD = förvärv varaktighet
bpm = slag per minut
CMR = hjärt magnetisk resonans
ECV = extracellulär volymandel
IR = inversion återhämtning
LGE = sent gadolinium förbättring
NSA = antal signaler genomsnitt
RD = avkoppling varaktighet
SALLI = litet djur Look-Locker inversion återhämtning
TR = upprepning tid
TE = ekotid
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Här presenterar vi en metod för att generera multimodalitet (cine MR, inversion-recovery och T1 kartor) MR-bilder i små djur. Små djur forskning spelar en allt viktigare roll i kardiovaskulär sjukdom forskning, och CMR är ett kraftfullt verktyg som gör att vi kan studera funktionen, struktur och vävnad sammansättning av hjärtmuskeln. Dock har litet djur CMR ett antal unika utmaningar på grund av de höga hjärtljud och litet hjärta format. Förbättrade metoder för bildframställning, inklusive mer tidseffektivt metoder kommer att spela en ytterligare roll i utvecklingen av denna teknik.
Den första konfigurationen av djuret är en viktig del av detta protokoll. Det är viktigt inte bara för att möjliggöra generering av optimala bilder, men också för att möjliggöra för djuret att förbli stabil under hela ofta långvarig undersökning (komplett protokoll inklusive återuppbyggnaden tar ca 2 timmar). Eftersom bilderna är gated med EKG, störning av dålig ledning kontakt, ellerfrån öglor bildade av EKG-kablar, kan leda till långvariga genomsökningstider eller misslyckande av sekvenserna. En dålig EKG-signalen på grund av höga hjärtfrekvens eller arytmi är en av de viktigaste utmaningarna för det lilla djuret CMR. Dessutom måste temperatur och anestesi kontrolleras noggrant för att få exakta, reproducerbara mätningar och att djuren genomgår långvarig undersökning. På ett liknande sätt till en standard human CMR undersökning, är hjärtat beläget, följt av två lång-axliga cine skanningar som sedan tillåter den korta-axeln SALLI bilder (T1 kartor) som skall utföras. Beroende på given tillämpning, det finns ett antal variationer avseende Salli bilder: 1) En enda kort-axel prekontrast SALLI och flera kort-axeln efter kontrast SALLI (som presenteras här). Detta tillvägagångssätt gör funktionell information, infarktstorlek, och grundläggande information om ECV skall erhållas. 2) Flera korta axeln före kontrast och flera kort-axeln efter kontrast SALLI. Detta protokoll ger information om regional myocardial ödem och distribution av ECV (t.ex. i akut hjärtinfarkt) på bekostnad av förlängd tid för skanning. 3) Single-slice pre-och post-kontrast SALLI, multi-slice konventionell cine. Denna snabba metod ger funktionell information och global ECV, och kan vara tillräckligt i modeller av diffusa hjärtinfarkt sjukdom.
Befintliga CMR-sekvenser kan få utmärkta cine MR-bilder i både människor och smådjur. LGE avbildning i små djur är fortfarande en utmaning. På grund av de höga hjärtfrekvens, förvärv tid för en inversion återhämtning förberedda sekvensen ökas till 6-10 minuter per bild 13, vilket orsakar allvarliga problem med att justera inversion tid till null signal från friska myokardiet.
T1 kvantifiering ger information om vävnad egenskaper och gadolinium kinetik. Typiska hjärt T1 metoder kräver förvärv av flera bilder med olika inversion gånger för att möjliggöra en Accurate montering av den underliggande T1 kurvan 14. T1 kartläggning tekniker för användning på människor förvärvar vanligtvis icke-segmenterade råbilder med löptider på 150-200 ms vardera. Denna metod är inte lämplig för små djur, där hjärtfrekvens 200-600 slag per minut beräknas (dvs. hjärtcykler av 100-300 ms). SALLI löser detta problem genom att använda en segmenterad tillvägagångssätt, varigenom myocardial T1 som skall kvantifieras i råttor.
T1 kartläggning ger en kvantitativ metod för karakterisering av hjärtmuskeln. Det gör därför diffusa processer som ska studeras. T1-värden kan jämföras mellan olika studier och enskilda ämnen, vilket gör att studien av kroniska förändringar i hjärtmuskeln. Förmågan att samtidigt utvärdera funktion och myokardiala egenskaper kommer att möjliggöra studier av kronologisk bildandet av myokardskada. I framtiden kommer multimodal imaging tillåter en kombination av funktionell information med kvalitativa och quantitativ bedömning av myokardiet för att ge en mer fullständig bild av hjärt-kärlsjukdom.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Alla djurförsök har utförts i enlighet med de riktlinjer för vård och användning av försöksdjur, och som godkänts av de lokala myndigheterna djurskötsel. Inga intressekonflikter deklareras.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Adhesive Tape (Silkafix) | Lohmann und Rauscher | 34327 | |
| Gadopentetat-Dimeglumin (Magnevist) | Bayer | G-00012163 | 2mmol/Kg |
| Introcan Safety-W (G24) | B. Braun | 4254503-01 | |
| Red Dot, Neonatal Monitoring Electrode with Pre-Attached Lead Wire | 3M | 2269T | |
| Skin glue (Histoacryl) | B. Braun | 1050052 | |
| Scales (Typ 440) | Kern | 95088 | |
| Skin desinfection (Softasept N) | B. Braun Petzold | 360250 | |
| Thermometer | LumaSense Technologies | Luxtron 812 |
References
- Messroghli, D. R., Nordmeyer, S., Buehrer, M., et al. Small animal Look-Locker inversion recovery (SALLI) for simultaneous generation of cardiac T1 maps and cine and inversion recovery-prepared images at high heart rates: initial experience. Radiology. 261 (1), 258-2565 (2011).
- Messroghli, D. R., Nordmeyer, S., Dietrich, T., et al. Assessment of diffuse myocardial fibrosis in rats using small-animal Look-Locker inversion recovery T1 mapping. Circ. Cardiovasc. Imaging. 4 (6), 636-640 (2011).
- Flett, A. S., Hayward, M. P., Ashworth, M. T., et al. Equilibrium contrast cardiovascular magnetic resonance for the measurement of diffuse myocardial fibrosis: preliminary validation in humans. Circulation. 122 (2), 138-144 (2010).
- Arheden, H., Saed, M., Higgins, C. N., et al. Measurement of the distribution volume of gadopentetate dimeglumine at echo-planar MR imaging to quantify myocardial infarction: comparison with 99mTc-DTPA autoradiography in rats. Radiology. 211 (3), 698-708 (1999).
- Messroghli, D. R., Walters, K., Plein, S., et al. Myocardial T1 mapping: application to patients with acute and chronic myocardial infarction. Magn. Reson. Med. 58 (1), 34-40 (2007).
- O H-Ici, D., Ridgway, J., Kuehne, T., et al. Cardiovascular magnetic resonance of myocardial edema using a short inversion time inversion recovery (STIR) black-blood technique: Diagnostic accuracy of visual and semi-quantitative. 14 (1), (2012).
- Sagar, S., Liu, P. P., Cooper, L. T. Jr
- Skouri, H. N., Dec, G. W., Friedrich, M. G., Cooper, L. T.
- Zagrosek, A., Abdel-Aty, H., Boyé, P., et al. Cardiac magnetic resonance monitors reversible and irreversible myocardial injury in myocarditis. JACC Cardiovasc. Imaging. 2 (2), 131-138 (2009).
- Friedrich, M. G., Sechtem, U., Schulz-Menger, J., et al. Cardiovascular magnetic resonance in myocarditis: a JACC White Paper. J. Am. Coll. Cardiol. 54, 1475-1487 (2009).
- Korkusuz, H., Esters, P., Naguib, N., et al. Acute myocarditis in a rat model: late gadolinium enhancement with histopathological correlation. Eur. Radiol. 19 (11), 2672-2678 (2009).
- Ugander, M., Oki, A. J., Hsu, L. Y. Extracellular volume imaging by magnetic resonance imaging provides insights into overt and sub-clinical myocardial pathology. Eur. Heart J. 33 (10), 1268-1278 (2012).
- Gilson, W. D., Kraitchman, D. L. Cardiac magnetic resonance imaging in small rodents using clinical 1.5. T and. 3 (1), 35-45 (2007).
- Messroghli, D. R., Radjenovic, A., Kozerke, S., Higgins, D. M., Sivananthan, M. U., Ridgway, J. P. Modified Look-Locker inversion recovery (MOLLI) for high-resolution T1 mapping of the heart. Magnetic resonance in medicine. 52 (1), 141-146 (2004).
