Summary
Det övergripande målet med detta förfarande är att mäta blodflödet i den gemensamma halspulsådern råtta med hjälp av noninvasiv fas kontrast magnetisk resonanstomografi.
Abstract
Fas kontrast magnetisk resonanstomografi (PC-MRI) är en icke-invasiv metod som kan kvantifiera flöde-relaterade parametrar såsom blodflödet. Tidigare studier har visat att onormala blodflödet kan vara associerat med systemisk vaskulär risk. PC-MRI kan således underlätta översättningen av data från djurmodeller för hjärt-och kärlsjukdomar till relevanta kliniska undersökningar. I detta betänkande, vi beskriver proceduren för att mäta blodflödet i den gemensamma halspulsådern (CCA) hos råttor med hjälp av cine-gated PC-MRI och diskutera relevanta analysmetoder. Proceduren kan utföras i ett levande, sövda djur och kräver inte dödshjälp efter ingreppet. De föreslagna genomsökningsparametrar ger repeterbara mätningar för blodflödet, vilket indikerar utmärkt reproducerbarhet. PC-MRI proceduren som beskrivs i denna artikel kan användas för farmakologisk testning, patofysiologiska bedömning och cerebrala hemodynamiken utvärdering.
Introduction
Magnetisk resonanstomografi (MRT) är en mångsidig strategi som ger detaljerad information om inre kroppsstrukturer och fysiologi och används allt oftare för klinisk diagnos och i prekliniska djurstudier. Djurmodeller är avgörande för bättre förståelse av betydande kliniska implikation 1. Djurmodeller skiljer sig avsevärt från människor vad gäller krav på anestesi och fysiologiska parametrar, förutsätter optimering av MRI förfaranden för sådana djur betydelse.
Fas MRT (PC-MRI) är en specialiserad typ av MRI som använder hastigheten av flödande spins för att kvantifiera flöde-relaterade parametrar såsom blodflödet. Med PC-MRI, kan mappning flödesmönster i stora artärerna med hjälp av djurmodeller hjälpa belysa kardiovaskulära patologier 2. PC-MRI kan dessutom icke-invasivt övervaka de inneboende växlingen i blodflödet i patofysiologiska villkor 3. Dessa observationer tyder på att PC-MRI är en värdefull strategi som kan användas i djurmodeller av kardiovaskulära sjukdomar.
I den här rapporten beskriver vi en metod för kvantifiering av blodflödet i den gemensamma halspulsådern (CCA) av råttor. De två CCAs leverera huvud och hals med syresatt blod och halspulsådern sjukdomen är en viktig orsak till stroke. Att upptäcka tidiga patologin i CCA är därför avgörande. Detta förfarande har en varaktighet på cirka 15 min och potentiellt kan tillämpas på förhållanden med hemodynamiken ändringar, sådana åderförkalkning eller stroke.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
De institutionella vård och användning kommittéer (IACUC) den Kina Medical University godkända alla förfaranden.
1. animaliskt förberedelse och övervakning
- Lämna alla magnetiskt känsliga objekt såsom plånböcker, nycklar, kreditkort, etc. utanför scanner rummet innan djur förberedelse för magnetröntgen.
- Initialt söva råtta (2 månader gammal hane Sprague-Dawley (SD) råtta, 280 – 350 g) i en induktion box använder en blandning av 5% isofluran (ISO) och syre (2 L/min) under 3 – 5 minuter, efter behov.
- När djuret är recumbent och uppvisar ingen svar på en svans eller tå nypa, ISO administreringen och överföra djuret till skanning rummet.
- Placera råtta i MRI sängen i en huvud-först liggande position och leverera 2-3% ISO via en Kona-enhet för att underhålla anestesi.
- Övervaka andningen genom att placera en respiratorisk kudde sensor under djurets överkropp.
- Ansluta sensorn till en andningsorganen och kontrollera för respiration klassar mellan 40-50 slag per minut (bpm).
- För cine-gated PC-MRI förvärv, placera en elektrod varje på den högra framtassen och de vänstra bakben paw, respektive (figur 1a).
- Twist EKG (EKG) kablarna tillsammans.
- Använd en rakhuvudshållaren med örat barer och bita bar för att säkra djuret för att begränsa huvudrörelser.
- Använd en varm luft system eller gasväv värmedynor för att upprätthålla kroppstemperaturen i magneten.
- Se till att den R-vågen är tydlig på ECG monitorn (figur 1b) och placera djuret i skannern. Det finns ingen anledning att placera surface spolen på toppen av djurets hals som bilder förvärvas av volym spolen.
2. MRI förvärv
- Använd 2 – 3% ISO för att underhålla anestesi under förfarandet för hela imaging. Kontinuerligt övervaka fysiologiska reaktioner och hålla så konstant som möjligt.
- Starta Magnettomografi när djuret är placerat inuti skannern och fortsätter att vara fysiologiskt stabila. I denna studie använda en 7 T litet djur MRI-systemet med en gradient styrka av 630 mT/m, men andra fältstyrka av små djur MRI system kan användas.
- Välj ”Localizer” sekvensen från konsolen monitor av MRI scanner och förvärva scout längs alla tre riktningar med hjälp av någon snabb bildsekvens för förvärvet, t.ex., den snabba snurrandet ekar, för att skapa koronalt, axiell, och sagittala bilder . Syftet med dessa scout bilder är att bestämma de imaging plan.
- Se till att mitten av djurets huvud och hals i mitten av magneten. Om nödvändigt, justera djurets position tills rätt läge nås. Om djuret flyttas, upprepa scanning för att få scout-bilder.
- Välj ”Time-av-flight (TOF) angiografi” sekvensen från konsolen monitor av MRI scanner och förvärva en 2D TOF angiografi först för att fastställa den exakta anatomiska platsen för CCA. Använda de följande genomsökningsparametrar: upprepning tid (TR) / echo tid (TE) = 22/4,87 ms, flip vinkel = 90°, synfält (FOV) = 40 × 40 mm2, matrisstorlek = 256 × 256, slice tjocklek 0.6 mm, med antalet excitation (NEX) = 1.
Obs: Namnet på sekvensen TOF kunde vara vender-specifika. Användaren kan infoga dessa parametrar i konsolen monitor. - Säkerställa att mättnad bandet är ”på” och placeras på toppen för att undvika störningar från venös signaler.
Obs: För mättnad bandet, det kommer vanligtvis med TOF sekvens. Om mättnad bandet inte visar på bildskärmen, vänligen meddela service. - Efter att lokalisera CCA använder TOF angiogrammet, rikta bildplanet av PC-MRI till mitten av CCA och rikta så att segmentet är vinkelrät till riktningen av blodflödet (figur 2a).
- Se till att både andning och ECG gating är ansluten till MRI-systemet, visar den tydliga signalen på bildskärm datorn (figur 1b), och ställa in utlösare modulen att vara ”på” i ”Trigger-läge” från konsolen monitor av MRI scanner.
- Bekräfta att djurets fysiologiska reaktioner är stabil innan de PC-MRI scan från övervakning datorn (figur 1b). Kontrollera att Usenets val är ”på” i både övervaka datorn och konsolen övervaka av magnetkamera.
Obs: Fysiologi övervakningssystem som används i denna studie ges av vender. För mest animaliskt skannrar finns liknande fysiologi övervakningssystemen och vender-specifika. - Välj sekvensen av PC-MRI-sekvens från konsolen monitor av MRI scanner och utföra gated PC-Magnettomografi med följande parametrar: TR/TE=15.55/4.51 ms (lägsta TR och TE), knäppa vinkel = 30°, FOV = 40 × 40 mm2, matrisstorlek = 192 × 192, skiva tjocklek = 2 mm, hastighet kodning (VENC) = 120 cm/s, med NEX = 8. Enkelriktad VENC förvärvas i genom-plane riktning.
Obs: Bildläsningstiden är cirka 8,5 min, men den faktiska skanningstiden kan vara något annorlunda bland djur på grund av variationen i hjärt cykler. - Upprepa steg 2,6 – 2,9 bild förvärv om regionen av intresse (ROI) kommer att ändras till en annan plats i CCA, såsom på bifurkation 4.
- Ta bort djuret från skannern och returnera den till dess återhämtning buren när skanningen är klar.
- Värma djuret med en värme lampa att upprätthålla kroppstemperaturen. Hålla den lampa minst 15 cm från djuret att förhindra överhettning.
- När djuret börjar röra och uppvisar ett svar på en svans eller tå nypa, stänga av lampan värme.
3. databearbetning
- Spara MRI data i Digital Imaging and Communications i medicin (DICOM) format eller någon annan vender-specifika format. Generera cine-serien med två typer av bilder: en magnitud bild (anatomi bild) och en fas bild (figur 2b).
Obs: I vissa skannrar, den tredje typen av bild, som kunde vara magnitud bild × fas bilden eller komplex-skillnaden (den komplexa subtraktionen mellan två förvärven med olika hastighet-encoding lutningar), genereras. Tredje bilden är leverantör-beroende. - Förbehandla bilddata. Hemliga fasen bild in i hastighet kartan och korrigera fas-offset fel 5.
Obs: Fas bilden har en godtycklig herr enhet signalintensitet i stället för sann hastighet värden, men herr signal intensiteten är linjärt proportionellt mot hastigheten. Maximala MRI signalen från bildens fas normalt tilldelas som värdet av VENC, och den minsta signalen tilldelas VENC motsatt värde. Se tilläggskod filen 1 exempel på skriptet Matlab och tryck på knappen ”Kör”. - Avgränsa ROI noggrant genom att spåra gränsen av CCA. Artären kan vidgas och konstruera under de olika hjärta faserna, avgränsa ROIs för varje tidsram. Beräkna blodflödet genom att integrera över artären ROI, dvs, velocity × område. Resulterade blodflödet av varje artär var i enheter av mL/s. Se tilläggskod filen 2 exempel på skriptet Matlab och tryck på knappen ”Kör”.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Rätt skiva geometri är avgörande för att säkerställa framgången för PC-MRI experimentet. Korrekt bild plan placeringen ger en ”runda” artär form (figur 3a), och som vinkling ökar, dvsnär det är mindre vinkelrätt mot artären, den resulterande artär geometrin blir ovala, leder till större partiell volym effekter (figur 3b). Svår partiell volym effekter skulle leda till en överskattning av blod flöde 6,7. Vi förespråkar därför, omplacering av bildplanet om formen artär är äggformade.
Intra-scan reproducerbarhet tid naturligtvis förändringar i blodflödet inom en hjärt cykel från en representativ råtta visas i figur 4. Som kan ses, blodflödet når sitt maximum under fasen systoliskt och återgår till baslinjen under den diastoliska fasen för båda delarna. Figur 5a och 5b visar en Bland-Altman tomt och ett spridningsdiagram, respektive mellan två blod mätningar i samma session, visar en god korrelation mellan mätningar (R2= 0,7, P < 0,001). Med de föreslagna genomsökningsparametrar uppnår blodflödet repeterbara mätningar, vilket visar utmärkt reproducerbarhet. Detta kännetecken kunde visa sig fördelaktigt i testning farmakologiska effekter på större artärer 8,9.
Som PC-MRI är en noninvasiv metod för att mäta blodflödet, kan det vara fördelaktigt i protokoll som kräver longitudinella övervakning. Figur 6 visar tidsförloppet för en hjärt cykel i ett djur skannas på åldrar 2 och 4 månader och visar att blodflödet i CCA är kraftigt åldersberoende, vilket tyder på snabb utveckling hos råttor. Dessa kvantitativa bedömningar av blodflödet är väsentliga för en bättre förståelse av cirkulationssystemet och kan därför bli ett potentiellt användbart verktyg i prekliniska studier på stroke och åderförkalkning.
Figur 1 : Djur övervakning. (en) ECG elektroderna placeras på den högra framtassen på vänster bakben tass och respiratoriska kudde sensorn placeras under djurets överkropp. (b) The EKG och respiratoriska signaler syns tydligt på skärmen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Illustration av PC-Magnettomografi och representativa bilder ställning. (en) skiva positionering på den rekonstruerade sagittal och koronalt vyer från TOF angiogrammet. Den blå linjen visar bildplanet i nivå med mittpunkten av CCA. (b) omfattningen och fas bilder från en tidsramen för cine-serie bilder från en representativ djur. Röda pilarna visar CCA läge. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Representativa magnitud bilder. (en) Imaging plan som är vinkelrätt mot artären och (b) bildplanen är icke-vinkelrätt till artären. Form av artär ändras från runda till äggformade om bildplanen inte är vinkelrät mot artären. Området som innehåller CCA förstärks i den röda rutan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Intra-scan test av blodflödet från en representativ rat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 : Intra-avsnitt reproducerbarhet av CCA blod flöde mätningar. (en) Bland-Altman komplott jämföra två blod flöde mätningar förvärvade mellan sektioner. Den heldragna linjen representerar den genomsnittliga skillnaden mellan två mätningar medan streckade linjer skildra det 95% konfidensintervallet. (b), Scatter plot av två blod flöde mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 : Längsgående scan i en 2-månaders och 4 - månader gamla djur visar åldersberoende förändringar i blodflödet i CCA.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
PC-MRI är en övergripande strategi för icke-invasiv och längsgående utvärdering av blodflödet. Vi presenterar ett protokoll för att utföra PC-MRI råttans CCA. Detta förfarande är enkelt att utföra på djur magnetkamera och visar god reproducerbarhet.
PC-MRI tekniken har vunnit allt större popularitet i mänskliga 10,11 samt djurstudier 4,12. Bland dessa studier, resultaten av Peng o.a. 4 är av särskilt intresse på grund av likheten mellan deras förhållningssätt, men den stora skillnaden i det pågående arbetet är användningen av den rumsliga upplösningen i 0.21 mm, jämfört med 0,31 mm i ovan nämnda rapport. Den begränsa rumsliga upplösningen avsevärt minskar bildläsningstiden, men den resulterande partiell volymeffekten kan bias flöde kvantifiering, särskilt för mindre fartyg 6,7. Eftersom mätnoggrannheten är på listan över prioriteringar, en rumslig upplösning på 0.21 mm med längre söktiden är föreslagna i framtiden djurstudier.
Icke-gated PC-MRI används som en alternativ metod av blod flödesmätning i många studier på människa på grund av dess betydligt mindre skanning tid 6,13,14,15. Dock föreslås icke-gated PC-MRI inte djur som används för preklinisk testning eftersom hjärtfrekvensen hos råttor kan vara så hög som 400 bpm, vilket leder till snabba växlingen mellan systoliskt och diastoliskt faser. Icke-gated PC-MRI kan missa viktig information under den systoliska fasen, vilket resulterar i relativt lägre flow-värden och högre variationer 7; Det kan därför bara användas för anländer till grova uppskattningar i djur som används för preklinisk testning.
Många genomsökningsparametrar är kopplade till exakt kvantifieringar för PC-MRI data och VENC är en av dem. VENC underskattning orsakar fas aliasing 16 men ett högre VENC värde kommer att leda till försämring av bild kvalitet 17. Vi använde ett VENC värde av 120 cm/s, vilket är lämpligt för normal vuxen SD råtta. När förändringar i kärltonus förväntas, såsom olika arter 4, bör VENC värdet optimeras så att bättre bilder eller bedömningar kan förvärvas.
Särskild uppmärksamhet bör ägnas viktiga steg i protokollet att få ett tillförlitligt resultat. Först, för att undvika resonanskretsar och MRI resonant frekvens korruption av EKG-signalen, det föreslås för att vrida ECG kablarna tillsammans. För det andra, majoriteten av små djur MRI-scannrar införliva en cirkulerande varmvatten krets för att upprätthålla djurets kroppstemperatur medan i magneten. Dock det strömmande vattnet introducerar buller och därför stör EKG-signalen. Således i denna gated PC-MRI-studie föreslår vi att du använder en varm luft system eller gasväv värmedynor istället för att använda varmt vatten cirkulationssystemet för att förbättra Usenets.
Det bör noteras att endast en 2D PC-MRI-sekvens i detta arbete, var anställd för datainsamling. Den grundläggande tekniken av cine-gated 2D PC-MRI har vuxit fram som ett lovande verktyg för blod flöde kvantifiering på grund av fördelarna av minskad skanning tid och lätt att genomföras i vanliga skannrar. Uppgifter som erhållits genom 2D PC-MRI tekniken är dock begränsad på grund av volymetriska förvärv och pålitlig streamline spårning, därmed saknas en del viktig information såsom turbulent flöde. Tid-löst 3D PC-MRI puls sekvenser med mer state-of-the-art tekniker såsom påskyndade cine PC-MRI med compressed sensing och parallel imaging 18,19 bör genomföras i framtiden råtta CCA experiment. Denna förbättring kommer att möjliggöra tillhandahållandet av insikter om rumsliga aspekter av både velocity distribution och flöde strukturer. Djur beredning och uppföljning protokoll som presenteras i denna rapport är dock fortfarande är tillämpliga i dessa 4D PC-MRI tekniker.
Sammanfattningsvis visar vi ett enkelt och tillförlitligt förfarande som mäter blodflödet i råtta CCA med icke-invasiv PC-MRI. Ytterligare tillämpningar av denna bildgivande metod inkluderar testning av farmakologiska effekter, patofysiologiska bedömning och utvärdering av cerebrala hemodynamiken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Det finns inget att redovisa.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av bidrag från ministeriet för vetenskap och teknik, Taiwan, under licensnummer av 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 |
References
- Zakszewski, E., Schmit, B., Kurpad, S., Budde, M. D. Diffusion imaging in the rat cervical spinal cord. J Vis Exp. (98), (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kim, D., et al. Accelerated phase-contrast cine MRI using k-t SPARSE-SENSE. Magn Reson Med. 67 (4), 1054-1064 (2012).
- 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).
