Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Fase kontrast magnetisk resonans Imaging i rotte carotis communis

Published: September 5, 2018 doi: 10.3791/57304
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 2
1Center for Advanced Molecular Imaging and Translation, Chang Gung Memorial Hospital, 2Department of Biomedical Imaging and Radiological Science, China Medical University

Summary

Det overordnede målet med denne prosedyren er å måle blodstrømmen i rotte carotis communis ved hjelp av noninvasive fase kontrast magnetisk resonans imaging.

Abstract

Fase kontrast magnetisk resonans imaging (PC-MRI) er en noninvasive metode som kan kvantifisere flyt-relaterte parametere som blodstrøm. Tidligere studier har vist at unormal blodstrøm være knyttet til systemisk vaskulær risiko. PC-Mr kan dermed forenkle oversettelsen av data fra dyr modeller av hjerte-karsykdommer til relevant kliniske undersøkelser. I denne rapporten vi beskriver prosedyrene for å måle blodstrømmen i carotis communis (CCA) av rotter bruke cine-gated PC-MRI og diskutere relevante metoder. Denne fremgangsmåten kan utføres i en levende, bedøvet dyr og krever ikke euthanasia etter inngrepet. Foreslåtte skanning parameterne gi repeterbare mål for blodstrøm, som angir utmerket reproduserbarhet resultatene. PC-MRI-fremgangsmåten som er beskrevet i denne artikkelen kan brukes for farmakologiske tester, patofysiologiske vurdering og cerebral hemodynamics evaluering.

Introduction

Magnetisk resonans imaging (MRI) er en allsidig tilnærming som gir detaljert informasjon om interne kroppen strukturer og fysiologi, og stadig blir brukt for klinisk diagnose og i preklinisk dyrestudier. Dyremodeller er avgjørende for bedre forståelse av betydelig klinisk implikasjon 1. Som dyremodeller avviker betydelig mennesker med hensyn til anestesi krav og fysiologiske parametere, antar optimalisering av Mr prosedyrer for slike dyr betydning.

Fase kontrast Mr (PC-MRI) er en spesialisert type MRI som bruker hastigheten av flytende spinner for å kvantifisere flyt-relaterte parametere som blodstrøm. Med PC-MRI, kan kartlegging flyt mønstre i store arteriene bruker dyremodeller bidra belyse hjerte patologi 2. Videre kan PC-Mr ikke-invasively overvåke de iboende alternations i blodstrømmen i patofysiologiske forhold 3. Disse observasjonene foreslår at PC-Mr er en verdifull tilnærming som kan brukes i dyr modeller av menneskelig hjerte-og karsykdommer.

I denne rapporten beskriver vi en metode for kvantifisering av blodstrøm i carotis communis (CCA) av rotter. De to CCAs leverer hodet og halsen med oksygenrikt blod, og arteria carotis sykdommen er en viktig årsak til slag. Det er derfor avgjørende å oppdage tidlig patologi i CCA. Denne prosedyren har en varighet på ca 15 min og potensielt kan brukes til forhold med hemodynamics endringer, slik aterosklerose eller slag.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Institusjonelle vare og bruk komiteer (IACUC) av Kina Medical University godkjent alle prosedyrer.

1. dyr forberedelse og overvåking

  1. La alle magnetisk utsatt objekter som lommebøker, nøkler, kredittkort, etc. utenfor skanner rommet før du setter dyr forberedelser for skanning av Mr.
  2. Utgangspunktet bedøve rotta (2 måneder gammel mannlig Sprague-Dawley (SD) rotten, 280 350 g) i en induksjon boks med en blanding av 5% isoflurane (ISO) og oksygen (2 L/min) for 3-5 minutter, etter behov.
  3. Når Dyret er tilbakelent og viser ingen respons på hale eller toe knipe, avslutte ISO administrasjon og overføre dyret til skanning rommet.
  4. Plasser rotta i Mr seng i hodet først utsatt posisjon, og levere 2-3% ISO via en forpart enhet for å opprettholde anestesi.
  5. Overvåke åndedrett ved å plassere en åndedretts pute sensor under dyrets torso.
  6. Koble sensoren til en luftveiene og kontroller pustefrekvens mellom 40-50 slag per minutt (bpm).
  7. Cine-gated PC-Mr oppkjøpet, plasserer en elektrode hver på den høyre forepaw og de venstre bakben paw, henholdsvis (figur 1a).
  8. Vri electrocardiography (ECG) kabler sammen.
  9. Bruk en hodet holder med øret barer og bite bar for å sikre dyret for å begrense head bevegelse.
  10. Bruk en varm luft oppvarming system eller gasbind pads for å opprettholde kroppstemperatur i magneten.
  11. Kontroller at R-bølgen er klart på ECG skjermen (figur 1b), og plassere dyret i skanneren. Det er ikke nødvendig å plassere overflaten spolen på dyr hals som bildene er ervervet i volum CoILen.

2. MRI oppkjøp

  1. Bruke 2-3% ISO for å opprettholde anestesi under hele tenkelig prosedyren. Kontinuerlig overvåke fysiologiske responser og holde så konstant som mulig.
  2. Starte Mr skanner når dyret er plassert inne i skanneren og fortsetter å være fysiologisk stabil. I denne studien bruker en 7 T liten dyr MRI systemet med en gradient styrke på 630 mT/m, men andre feltstyrken av små dyr MRI systemer kan brukes.
  3. Velg "Localizer" sekvensen fra konsollen skjermen på Mr skanneren og erverve speider bilder langs alle tre retninger med en rask bilde oppkjøpet sekvens, f.eks, rask spinn ekko, opprette koronale, aksial, og sagittal bilder . Formålet med disse speider bilder er å fastslå tenkelig flyene.
  4. Kontroller at midten av dyrets hodet og nakken er i midten av magneten. Eventuelt justere dyrets posisjon til riktig posisjon. Hvis dyret er flyttet, gjenta skanning å få speider bilder.
  5. Velg "tid-av-fly (TOF) angiografi" sekvensen fra konsollen skjermen på Mr skanneren og skaffe en 2D TOF angiografi først for å fastslå nøyaktig anatomiske plasseringen av CCA. Bruk følgende skanning parametere: repetisjon tid (TR) / echo tid (TE) = 22/4.87 ms, snu vinkel = 90°, synsfelt (FOV) = 40 × 40 mm2, matrisen størrelsen = 256 × 256 bit tykkelse 0.6 mm, med antall eksitasjon (NEX) = 1.
    Merk: Navnet på TOF sekvensen kunne vender-spesifikke. Du kan sette inn disse parameterne i konsollen skjermen.
  6. Kontroller at metning bandet er "på", og er plassert på toppen for å unngå interferens fra venøs signaler.
    Merk: For metning bandet, det kommer vanligvis med TOF sekvensen. Hvis metning bandet ikke vises på skjermen, vennligst informer den tjenesten.
  7. Etter finne CCA bruker TOF angiografi, målrette bildet flyet av PC-Mr til midten av CCA og orientere slik at stykket er vinkelrett på retningen av blodstrøm (figur 2a).
  8. Kontroller at både åndedrett og ECG gating er koblet til Mr systemet, viser klarsignalet på skjermen datamaskinen (figur 1b), og angi modulen utløser å være "på" i "utløse modus" fra konsollen skjermen på Mr skanneren.
  9. Bekreft at dyrets fysiologiske responser er stabilt før du starter PC-MRI-skanning fra overvåking datamaskinen (figur 1b). Kontroller at gating valg er "på" både overvåke datamaskinen og konsollen skjermen til Mr skanner.
    Merk: Fysiologi overvåkingssystem som er brukt i denne studien er gitt av vender. For de fleste dyr skannere er lignende fysiologi overvåking systemer levert og vender-spesifikke.
  10. Velge en rekke PC-Mr sekvens fra konsollen skjermen på Mr skanneren og utføre gated PC-Mr skanner med følgende parametere: TR/TE=15.55/4.51 ms (minimum TR og TE), snu vinkel = 30°, FOV = 40 × 40 mm2, matrisen størrelsen = 192 × 192, sektor tykkelse = 2 mm, hastighet koding (VENC) = 120 cm/s, med NEX = 8. Enveis VENC er ervervet i gjennom-plane retning.
    Merk: Skanningen tid er ca 8,5 min, men selve skanningen tid kan være noe annerledes blant dyr på grunn av variasjoner i cardiac sykluser.
  11. Gjenta trinn 2.6 – 2.9 i bildeopptak hvis regionen rundt (ROI) skal endres til et annet sted i CCA, som på bifurkasjonen 4.
  12. Fjern dyret fra skanneren og returnere den til sin utvinning bur når skanningen er fullført.
  13. Varm dyret med varme lampe å opprettholde kroppstemperatur. Hold lampen minst 15 cm fra dyret å hindre overoppheting.
  14. Når Dyret begynner å flytte og viser et svar på en hale eller toe knipe, slå av varme lampe.

3. databehandling

  1. Lagre MRI data i Digital Imaging og kommunikasjon i medisin (DICOM) eller andre vender-spesifikke formater. Generere cine serien med to typer bilder: en størrelsesorden bilde (anatomi bilde) og en fase bilde (figur 2b).
    Merk: I enkelte skannere, tredje typen bilde, som kan være omfanget bildet × fase eller komplekse-forskjellen (den komplekse subtraksjon mellom to oppkjøpene med ulike hastighet-koding graderinger), genereres. Det tredje bildet er leverandør-avhengige.
  2. Behandle bildedataene. Skjult fasen bilde inn hastighet og riktig fase-offset feil 5.
    Merk: Fase bildet har en vilkårlig MR enhet signal intensiteten i stedet for sann hastighet verdier, men MR signal intensiteten er lineært proporsjonal med hastighet. Maksimal MRI signalet fra fase bildet blir vanligvis tilordnet som verdien av VENC, og minimum signalet tilordnes motsatte verdien av VENC. Se Utdypende kodefilen 1 et eksempel på Matlab script og trykk på "Kjør".
  3. Avgrense Avkastningen nøye av sporing grensen til CCA. Arteria kan dilate og konstruere fra ulike cardiac faser, avgrense ROIs for hvert tidsrom. Beregne blodstrømmen ved å integrere over arterien avkastning, dvs, hastighet × området. Resulterte blodstrømmen av hver subclavia var i enheter av mL/s. Se Utdypende kodefilen 2 et eksempel på Matlab script og trykk på "Kjør".

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Riktig skive geometri er avgjørende for å sikre suksess for PC-Mr eksperimentet. Akkurat image flyet posisjonering gir en "runde" arterien figur (figur 3a), og som angulation øker, i.e.når det er mindre vinkelrett i forhold til arterien, resulterende arterien geometrien blir ovale, fører til større delvis volum effekter (tallet 3b). Alvorlig delvis volum effekter ville føre til overvurdering av blod flyte 6,7. Derfor argumentere vi re plassering av bildet flyet hvis arterien figuren er ovale.

Intra-scan reproduserbarhet tid selvfølgelig endringer i blodstrømmen i en cardiac syklus fra rotte representant vises i tallene 4. Som kan sees, blodstrøm når sitt maksimum i systolisk fasen og returnerer til planlagt i diastolisk fasen for begge deler. Figur 5a og 5b viser et Bland-Altman plott og et spredningsdiagram, henholdsvis mellom to målinger av blod i samme økt, demonstrere en god sammenheng mellom målinger (R2= 0,7, P < 0,001). Med foreslåtte skanning parametere oppnår blodstrøm repeterbare målinger, demonstrere utmerket reproduserbarhet resultatene. Denne karakteristiske kan være nyttig i testing farmakologiske effekter på store arterier 8,9.

Som PC-Mr er en noninvasive tilnærming til å måle blod flyte, kan det være en fordel i protokoller som krever langsgående overvåking. Figur 6 viser time course for en cardiac syklus i et dyr skannet alderen 2 og 4 måneder og viser at blodstrøm i CCA er betydelig alder-avhengige, tyder raske utviklingen i rotter. Disse kvantitative vurderinger av blodstrøm er avgjørende for en bedre forståelse av sirkulasjonssystemet og kan derfor bli et potensielt nyttig verktøy i preklinisk studier på hjerneslag og åreforkalkning.

Figure 1
Figur 1 : Dyr overvåking. (en) ECG elektroder blir plassert på den høyre forepaw venstre bakben pote og respiratoriske pute sensoren er plassert under dyrets torso. (b) The EKG og respiratoriske signaler er synlig på skjermen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 : Bilde av plasseringen av PC-Mr skanner og representant bilder. (en) skive posisjonering på rekonstruert sagittal og koronale fra TOF angiografi. Den blå linjen angir bildet flyet på nivå med midtpunktet i CCA. (b) størrelse og fase bilder fra en tidsramme cine-serie bilder fra en representant dyr. Røde piler indikerer CCA plassering. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Representant omfanget bilder. (en) Imaging fly er vinkelrett til arterien og (b) tenkelig flyet er ikke er vinkelrett til arterien. Form av arterien endres fra runde til ovale hvis tenkelig flyet ikke er vinkelrett til arterien. Området som inneholder CCA forsterkes i den røde boksen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : Intra-skanning test av blodstrøm fra en representant rotte. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5 : Intra-delen reproduserbarhet CCA blodet flyt måleenheter. (en) Bland-Altman plott sammenligne to blod flyte målinger ervervet mellom delene. Den heltrukne linjen representerer bety forskjellen mellom to målinger mens stiplede linjer viser de 95% konfidensintervallet. (b) Scatter plott av to blod flyte målinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6 : Langsgående søk i en 2 måneders og 4 - måned gamle dyr viser alder-avhengige endringer i blodstrømmen i CCA.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

PC-Mr er en omfattende tilnærming til ikke-invasiv og langsgående evaluering av blodstrøm. Vi presenterer en protokoll for å utføre PC-Mr av rotte CCA. Denne fremgangsmåten er enkel å utføre i alle dyr Mr skanner og viser god reproduserbarhet.

PC-Mr teknikken har fått økende popularitet i menneskelig 10,11 samt dyrestudier 4,12. Blant disse studiene, resultater av Peng et al. 4 er av spesiell interesse på grunn av likheten av deres tilnærming, men den store forskjellen i arbeidet er bruken av romlig oppløsning på 0.21 mm, forhold til 0.31 mm i nevnte rapporten. Begrenset romlig oppløsning reduserer skanningen tid, men resulterende delvis volum effekten kan lede flyt kvantifiseringen, spesielt for mindre fartøyer 6,7. Siden nøyaktighet er på listen over prioriteringer, en romlig oppløsning på 0.21 mm med lenger skannetid er foreslått i fremtiden dyrestudier.

Non-gated PC-Mr brukes som en alternativ metode for måling av blod i mange menneskelige studier på grunn av sin betydelig mindre skanning tid 6,13,14,15. Imidlertid foreslås ikke-gated PC-Mr ikke i dyr brukes til pre-klinisk testing som hjertefrekvens rotter kan være så høyt som 400 bpm, fører til rask veksling mellom systolisk og diastolisk faser. Non-gated PC-Mr kan gå glipp av viktig informasjon i systolisk fasen relativt lavere strømnings verdiene og høyere variasjoner 7; Derfor, det kan bare brukes for ankommer grove beregninger i dyr brukes til pre-klinisk testing.

Mange skanning parametere er knyttet til nøyaktig quantifications for PC-MRI-data, og VENC er en av dem. VENC undervurdering fører fase aliasing 16 , men en høyere VENC-verdi vil føre til forverring i bildet kvalitet 17. Vi brukte en VENC verdi av 120 cm/s, som er passende for vanlige voksne SD rotter. Når endringer i vaskulær tone er forventet, for eksempel ulike arter 4, skal VENC verdien være optimalisert slik at bedre bilder eller vurderinger kan skaffes.

Spesiell oppmerksomhet bør betales til viktige skritt av protokollen å få et pålitelig resultat. Først, for å unngå resonant kretser og MRI resonansfrekvensen korrupsjon av EKG-signalet, er det foreslått for å vri ECG kabler sammen. Andre, fleste små dyr MRI skannere innlemme en sirkulerende vann krets for å opprettholde dyrets kroppstemperatur i magneten. Men rennende vann introduserer støy, og derfor forstyrrer EKG-signalet. Derfor i denne gated PC-Mr studien foreslå vi å bruke en varm luft oppvarming system eller gasbind pads i stedet for varmt vann sirkulasjonssystem for å forbedre gating kvaliteten.

Det bør bemerkes at i dette arbeidet, ble bare en 2D PC-Mr sekvens ansatt for datainnsamling. Den grunnleggende teknikken av cine-gated 2D PC-Mr har dukket opp som en lovende verktøy for blodet flyt kvantifisering på grunn av fordelene av redusert skanningen tid og lett å bli implementert i standard skannere. Informasjon innhentet av 2D PC-Mr teknikken er imidlertid begrenset på grunn av mangel på volumetrisk oppkjøp og pålitelig effektivisere sporing, og dermed mangler noe viktig informasjon som turbulente flyt. Tid-løst 3D PC-Mr puls sekvenser med mer state-of-the-art teknikker som akselerert cine PC-Mr med komprimert sensing og parallelle tenkelig 18,19 bør bli implementert i fremtiden rotte CCA eksperimenter. Denne forbedringen gjør levering av innsikt i romlig aspekter av både hastighet distribusjon og flyt strukturer. Likevel, dyr utarbeidelse og overvåking protokoller presentert i denne rapporten er fremdeles anvendelig i disse 4D PC-Mr teknikker.

I konklusjonen, viser vi en enkel og pålitelig prosedyre som måler blodstrøm i rotte CCA bruker ikke-invasiv PC-MRI. Ytterligere bruksområder av denne imaging metoden er tester av farmakologiske effekter, patofysiologiske vurdering og evaluering av cerebral hemodynamics.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Det er ikke noe å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av tilskudd fra departementet for vitenskap og teknologi, Taiwan, under gi antall MOST-105-2314-B-039-044-MY2.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
7T small animal MRI system Bruker
Isoflurane  Baxter 1001936040 anesthetic
ECG lead  3M 2269T
Matlab MathWorks sofeware for image processing
Monitoring and gating system SA instruments, Inc Model 1030

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zakszewski, E., Schmit, B., Kurpad, S., Budde, M. D. Diffusion imaging in the rat cervical spinal cord. J Vis Exp. (98), (2015).
  2. Wise, R. G., Al-Shafei, A. I., Carpenter, T. A., Hall, L. D., Huang, C. L. Simultaneous measurement of blood and myocardial velocity in the rat heart by phase contrast MRI using sparse q-space sampling. J Magn Reson Imaging. 22 (5), 614-627 (2005).
  3. Skardal, K., Espe, E. K., Zhang, L., Aronsen, J. M., Sjaastad, I. Three-Directional Evaluation of Mitral Flow in the Rat Heart by Phase-Contrast Cardiovascular Magnetic Resonance. PLoS One. 11 (3), e0150536 (2016).
  4. Peng, S. L., et al. Phase-contrast magnetic resonance imaging for the evaluation of wall shear stress in the common carotid artery of a spontaneously hypertensive rat model at 7T: Location-specific change, regional distribution along the vascular circumference, and reproducibility analysis. Magn Reson Imaging. 34 (5), 624-631 (2016).
  5. Yu, H. Y., Peng, H. H., Wang, J. L., Wen, C. Y., Tseng, W. Y. Quantification of the pulse wave velocity of the descending aorta using axial velocity profiles from phase-contrast magnetic resonance imaging. Magn Reson Med. 56 (4), 876-883 (2006).
  6. Peng, S. L., et al. Optimization of phase-contrast MRI for the quantification of whole-brain cerebral blood flow. J Magn Reson Imaging. 42 (4), 1126-1133 (2015).
  7. Peng, S. L., Shih, C. T., Huang, C. W., Chiu, S. C., Shen, W. C. Optimized analysis of blood flow and wall shear stress in the common carotid artery of rat model by phase-contrast MRI. Sci Rep. 7 (1), 5253 (2017).
  8. Bozgeyik, Z., Berilgen, S., Ozdemir, H., Tekatas, A., Ogur, E. Evaluation of the effects of sildenafil citrate (viagra) on vertebral artery blood flow in patients with vertebro-basilar insufficiency. Korean J Radiol. 9 (6), 477-480 (2008).
  9. Swampillai, J., Rakebrandt, F., Morris, K., Jones, C. J., Fraser, A. G. Acute effects of caffeine and tobacco on arterial function and wave travel. Eur J Clin Invest. 36 (12), 844-849 (2006).
  10. Neff, K. W., Horn, P., Schmiedek, P., Duber, C., Dinter, D. J. 2D cine phase-contrast MRI for volume flow evaluation of the brain-supplying circulation in moyamoya disease. AJR Am J Roentgenol. 187 (1), W107-W115 (2006).
  11. Stalder, A. F., et al. Quantitative 2D and 3D phase contrast MRI: optimized analysis of blood flow and vessel wall parameters. Magn Reson Med. 60 (5), 1218-1231 (2008).
  12. Dall'Armellina, E., et al. Improved method for quantification of regional cardiac function in mice using phase-contrast MRI. Magn Reson Med. 67 (2), 541-551 (2012).
  13. Peng, S. L., Ravi, H., Sheng, M., Thomas, B. P., Lu, H. Searching for a truly "iso-metabolic" gas challenge in physiological MRI. J Cereb Blood Flow Metab. 37 (2), 715-725 (2017).
  14. Liu, P., et al. Quantitative assessment of global cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) in neonates using MRI. NMR Biomed. 27 (3), 332-340 (2014).
  15. Xu, F., Ge, Y., Lu, H. Noninvasive quantification of whole-brain cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) by MRI. Magn Reson Med. 62 (1), 141-148 (2009).
  16. Lotz, J., Meier, C., Leppert, A., Galanski, M. Cardiovascular flow measurement with phase-contrast MR imaging: basic facts and implementation. Radiographics. 22 (3), 651-671 (2002).
  17. Pelc, N. J., Herfkens, R. J., Shimakawa, A., Enzmann, D. R. Phase contrast cine magnetic resonance imaging. Magn Reson Q. 7 (4), 229-254 (1991).
  18. Kim, D., et al. Accelerated phase-contrast cine MRI using k-t SPARSE-SENSE. Magn Reson Med. 67 (4), 1054-1064 (2012).
  19. Valvano, G., et al. Accelerating 4D flow MRI by exploiting low-rank matrix structure and hadamard sparsity. Magn Reson Med. 78 (4), 1330-1341 (2017).

Tags

Medisin problemet 139 blodet flyt vegg skjæring Stress hastighet koding åndedretts Gating fasen EKG Gating
Fase kontrast magnetisk resonans Imaging i rotte carotis communis
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chiu, S. C., Hsu, S. T., Huang, C.… More

Chiu, S. C., Hsu, S. T., Huang, C. W., Shen, W. C., Peng, S. L. Phase Contrast Magnetic Resonance Imaging in the Rat Common Carotid Artery. J. Vis. Exp. (139), e57304, doi:10.3791/57304 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter