Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Automatic Translation
Cite This Article
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Kvantificering af mus hjerte venstre ventrikulær funktion, myokardiestamme, og hæmodynamiske kræfter ved hjerte-kar-magnetisk resonans imaging

Published: May 24, 2021 doi: 10.3791/62595
Automatic Translation
1, 1,2, 2, 3, 1,4, 5, 1
1Department of Biomedical Engineering & Physics, Amsterdam University Medical Centers, Amsterdam Cardiovascular Sciences, University of Amsterdam, 2BioMedical Engineering and Imaging Institute, Icahn School of Medicine at Mount Sinai, 3MR Solutions Ltd., 4Laboratory for Myology, Department of Human Movement Sciences, Faculty of Behavioral and Movement Sciences, Vrije Universiteit Amsterdam, 5Medis medical imaging systems B.V.

Summary

Denne undersøgelse beskriver en omfattende hjerte-kar-magnetisk resonans imaging (CMR) protokol til at kvantificere venstre ventrikulære funktionelle parametre af musens hjerte. Protokollen beskriver erhvervelse, efterbehandling og analyse af CMR-billederne samt vurdering af forskellige hjertefunktionelle parametre.

Abstract

Musemodeller har bidraget væsentligt til at forstå genetiske og fysiologiske faktorer, der er involveret i sund hjertefunktion, hvordan forstyrrelser resulterer i patologi, og hvordan myokardiesygdomme kan behandles. Hjerte-kar-magnetisk resonans imaging (CMR) er blevet et uundværligt redskab til en omfattende in vivo vurdering af hjerte anatomi og funktion. Denne protokol viser detaljerede målinger af musen hjerte venstre ventrikulær funktion, myokardiestamme, og hæmodynamiske kræfter ved hjælp af 7-Tesla CMR. For det første demonstreres dyreforberedelse og placering i scanneren. Undersøgelsesscanninger udføres til planlægning af billeddiagnostiske udsnit i forskellige kort- og langaksede visninger. En række potentielle EKG-udløste kortaksede (SA) film (eller CINE-billeder) erhverves, der dækker hjertet fra spids til base og fanger endsystoliske og end-diastoliske faser. Efterfølgende erhverves enkeltudløse, retrospektivt indhegnede CINE-billeder i en midventrikulær SA-visning og i 2-, 3- og 4-kammervisninger, der skal rekonstrueres til CINE-billeder med høj tidsmæssig opløsning ved hjælp af specialbygget og open source-software. CINE-billeder analyseres efterfølgende ved hjælp af dedikeret CMR-billedanalysesoftware.

Afgrænsning af endomyocardial og epicardial grænser i SA ende-systoliske og end-diastoliske CINE billeder giver mulighed for beregning af end-systoliske og end-diastoliske mængder, udslyngning fraktion, og hjerte output. De midventrikulære SA CINE-billeder afgrænses for alle hjertetidsrammer for at udtrække en detaljeret volumentidskurve. Dens tid derivat giver mulighed for beregning af den diastoliske funktion som forholdet mellem den tidlige påfyldning og atrie sammentrækning bølger. Endelig er venstre ventrikulære endocardial vægge i 2-, 3-, og 4-kammer synspunkter afgrænses ved hjælp af feature-tracking, hvorfra langsgående myokardiestamme parametre og venstre ventrikulære hæmodynamiske kræfter beregnes. Afslutningsvis giver denne protokol detaljeret in vivo kvantificering af musens hjerteparametre, som kan bruges til at studere tidsmæssige ændringer i hjertefunktion i forskellige musemodeller af hjertesygdomme.

Introduction

Hjerte-kar-magnetisk resonans (CMR) hos små dyr giver en nøjagtig in vivo måling af myokardiefunktion, hvilket gør CMR et optimalt værktøj til præklinisk forskning i hjerte-kar-sygdom. På grund af den høje rumlige opløsning og høje kontrast mellem blod og myokardiium i CMR-billeder er det muligt at afgrænse endo- og epicardial konturerne og beregne myokardiemasse og ventrikulære volumener1,2. På trods af de høje hjertefrekvenser på op til 600 slag / min, brugen af elektrokardiogram (EKG) og respiratorisk udløsning tillader høj kvalitet målinger af forskellige hjertefaser (også kaldet CINE billeder) uden respiratoriske bevægelse artefakter. På denne måde kan flere skiver bruges til at dække hjertet fra spids til base for at udtrække systoliske funktionsparametre som udslyngningsfraktion (EF), slutsystolisk volumen (ESV), end-diastolisk volumen (EDV) og hjerteudgang (CO)3. Bortset fra grundlæggende systolisk funktionsvurdering er der for nylig udviklet yderligere CMR-teknikker til vurdering af diastolisk dysfunktion4,myokardiestamme5og hæmodynamiske kræfter (HDF)6.

EKG-gating gør det muligt at synkronisere hjertecyklussen ved at starte MR-signalopsamling efter påvisning af R-toppen og registrere et defineret antal hjertefaser i R-R-intervallet. Antallet af hjertefaser (billedhastighed), der kan erhverves på denne måde, afhænger imidlertid af den lavest mulige gentagelsestid (TR), som systemet kan nå, samtidig med at der opretholdes et acceptabelt signal-til-støj-forhold (SNR) og rumlig opløsning4. Da brugen af høje magnetfeltgradienter desuden midlertidigt kan forvrænge EKG-signalet, stoppes erhvervelsen normalt inden slutfasen. Begge faktorer begrænser brugen af sådanne scanninger til systoliske funktionsvurderinger, da beregningen af andre hjertefunktionelle parametre kræver en bedre definition af den venstre ventrikulære (LV) volumentidskurve.

Cine-billeder med høj billedhastighed kan erhverves ved retrospektiv gating, hvorved MR-signal løbende erhverves under scanning, og et indbygget navigator-ekko efter radiofrekvens (RF) excitation registrerer hjerte- og åndedrætsbevægelse. Fordi CMR-erhvervelsen udføres asynkront med hjertebevægelsen, kan de erhvervede MR-signaler derefter tildeles et retrospektivt valgt antal hjerterammer. På denne måde kan CINE-billeder med høj billedhastighed rekonstrueres4,7,hvis der indsamles tilstrækkelige data. Dette giver derefter mulighed for diastolisk funktionsvurdering, repræsenteret ved forholdet mellem den tidlige påfyldningshastighed (E') og spidsbelastningshastigheden fra atriesammentrækning (A').

I klinisk forskning kan CINE-billeder analyseres med CMR-funktionssporing for at vurdere myokardiestammen og HDF6,8. Myokardiestammen er en hjertedeformationsparameter, der måler forskellen i procenter mellem den oprindelige længde (normalt i end-diastolisk længde) og maksimal længde (normalt i end-systole) af et myokardiesegment9. Myokardiestammemålinger kan være af trinvis værdi til vurdering af LV-funktionen, da stammeværdier kvantificerer myokardievægforkortning og fortykkelse. En reduktion i afkortningsfunktionen kan være en indikation af subendocardial fiber skader10. Ændringer i myokardiestammen kan forekomme uafhængigt af EF og kan være en forløber for underliggende komplikationer.

Specifikt har den globale langsgående stamme (GLS) og den globale omkredsstamme (GCS) vist sig at være af merværdi ved karakterisering af hjertesygdomme10,11,12. Tilsvarende er HDF blevet foreslået at være en potentiel ny parameter til at indikere ændret hjertefunktion6,13. Disse HDF- eller interventrikulære trykgradienter (IVPG) driver blodbevægelsen under udslyngning og påfyldning af hjertet og påvirkes af momentumudvekslingen mellem blod og myokardie, herunder aorta- og mitralventilen14,15.

I denne undersøgelse er en omfattende protokol beskrevet for at udføre robuste cmr-målinger af små dyr for at kvantificere LV-funktion, myokardiestamme og HDF af musehjerter. Den indeholder de nødvendige trin til dyreforberedelse, dataindsamling ved hjælp af både fremadrettet og retrospektivt gated CINE billeder af hjertet, samt analyse med dedikeret software i stand til at beregne volumetriske målinger, E '/ A'-forholdet, myokardiestamme, og HDF af hjertet. Denne protokol kan bruges til en omfattende vurdering af LV-funktion i forskellige musemodeller af hjerte-kar-sygdom.

Protocol

De beskrevne dyreforsøg udføres i overensstemmelse med EU's retningslinjer for laboratoriedyrs velfærd (direktiv 2010/63/EU) og blev godkendt af Academic Medical Center Animal Ethics Committee.

1. Opsætning og dyreforberedelse

  1. Før forsøget påbegyndes, skal du sørge for, at der er tilstrækkelig isoflurane anæstesi i mindst 2 timer, og at batteriet til rådighed til EKG og luftvejsovervågning er tilstrækkeligt opladet. Sørg for, at scannerområdet er udstyret med et fungerende røgudsugningsrør for at fjerne overskydende isoflurane.
  2. Forbered museholderen (Figur 1A), og tænd for dyrets varmesystem med temperaturen indstillet til 40 °C. Klargør EKG/respiratorisk grænseflademodul og batteriopsætning (Figur 1B), og start softwaren til realtidsovervågning af EKG- og åndedrætssignaler (Figur 1C).
  3. Fjern musen fra sit husbur og mål kropsvægten.
  4. Placer musen i et anæstesi induktion kammer under en røg hætte ekstraktion arm, og give 3-4% isoflurane i en blanding af 0,2 L/min O2 og 0,2 L/min medicinsk luft. Når dyret er fuldt bedøvet, skal du anvende en lille dråbe øjensalt på hvert øje og lukke musens øjenlåg.
  5. Placer musen i liggende stilling på museholderen. Krog musens fortænder i bidstangen på museholderen, og juster næsekeglen, så den passer korrekt (Figur 1A). Visuelt kontrollere, om vejrtrækningen er stabil under 100 vejrtrækninger / min, og reducere isoflurane til ~ 2% under dyreforberedelse.
  6. Flyt museholderen, så hjertet er placeret i den del af vuggeholderen, der ender i midten af RF-spolen og iso-midten af magneten.
  7. Brug vaseline til at indsætte rektal temperatur sonde, og tape fiberoptiske kabel af temperaturen sonde til musen vugge.
  8. Placer luftballonen på underlivet af musen og fastgør den med tape. Sæt to EKG-elektrodenåle subkutant i brystkassen i højden af forepaws, og tape dem forsigtigt ned for at forhindre bevægelse (Figur 1A).
  9. Kontroller, om respirations- og EKG-signaler er af tilstrækkelig kvalitet, og om der registreres korrekte udløserpunkter af softwaren (Figur 1C).
    1. Sørg for, at åndedrætsfrekvensen er 50-80 vejrtrækninger/min, puls ~400-600 slag/min og kropstemperatur omkring 37 °C. Isoflurane administrationen justeres, når åndedrætshastigheden ligger uden for dette område, og reducer temperaturen i dyrevarmesystemet, hvis kropstemperaturen har tendens til at overstige 37 °C.
  10. Placer RF-spolen over musen.
    BEMÆRK: Afhængigt af systemet kan dette kræve midlertidig frakobling af EKG-elektroderne og luftballonstik fra EKG/åndedrætsgrænseflademodulet.
  11. Tilslut spolekablerne, og placer holderen i magnetboret. Kontroller, om EKG-signalet stadig er stabilt.
    1. Hvis EKG-signalet er suboptimalt, skal EKG-elektroderne flyttes for et bedre signal, da dette ikke kan gøres på et senere tidspunkt uden væsentligt at ændre dyrets orientering.

Figure 1
Figur 1: Opsætning af dyreforberedelse og -udstyr til CMR-billeddannelse af musehjertet. (A) Fuldt bedøvet mus i liggende stilling, placeret i den opvarmede museholder med en respiratorisk pneumatisk pude placeret på maven, rektal fiberoptisk temperatursensor og subkutane EKG-ledninger i brystet nær forepaws. (B) Musekropsspole placeret over museholderen, med EKG-ledninger og åndedrætspude tilsluttet EKG og åndedrætsgrænsefladen, før holderen placeres i MR-magneten. (C) Skildring af EKG og luftvejssignaler i dedikeret software til overvågning af små dyr. EKG-signalets R-top registreres og bruges som udgangspunkt for erhvervelse af MR-signal. En blanking periode mellem R-toppe kan justeres manuelt baseret på den periode af et hjerteslag. Udløsning kan kun forekomme under åndedrætsplateauet (grøn linje i midten), for hvilken begyndelsen forsinkelse og maksimal bredde kan justeres manuelt. Forkortelser: CMR = hjerte-kar-magnetisk resonansbilleddannelse; EKG = elektrokardiogram; MR = magnetisk resonansbilleddannelse. Klik her for at se en større version af dette tal.

2. MR-scanning kalibrering og udløser

  1. Juster EKG- og åndedrætsgningsparametrene i signalovervågningssoftwaren, således at der genereres triggerpunkter ved R-spidserne og kun under den flade del af luftvejssignalet. Hvis du vil minimere EKG-gatingfejl, skal du angive en tomideringsperiode, der er 10-15 ms kortere end R-R-intervallet.
    BEMÆRK: Denne blankingperiode skal justeres under hele eksperimentet, hvis der sker ændringer i pulsen.
  2. Udfør en centerfrekvenskalibrering og en standard (ungated) SCOUT-scanning med nul offset for at bestemme musens position i scanneren i koronar, aksial og sagittal retninger. Hvis hjertet ikke er placeret inden for 0,5-1 cm fra FOV-midten (Field-of-View), skal du justere holderens position i overensstemmelse hermed og gentage SCOUT-scanningen.
  3. Udfør en manuel shim- og RF-kalibrering ved hjælp af tilgængelige leverandørmetoder.

3. Scan planlægning og anskaffelse

BEMÆRK: Se tabel 1 for detaljerede scanningsparametre for følgende scanninger.

  1. Baseret på den oprindelige SCOUT, udføre en gated single-frame Gradient Echo (GRE) spejder scanning (Tabel 1, scan 1) med 5 skiver i 3 ortogonale retninger, og placere hver stak af skiver på den omtrentlige placering af hjertet for at finde den nøjagtige position af hjertet (Figur 2A).
  2. Udfør en indhegnet single-frame sa scout scanning med flere skiver (Tabel 1, scan 2). Til dette formål skal du bruge den tidligere GRE spejder til at placere 4-5 skiver i en midten af venstre ventrikulær position, vinkelret på den lange akse i hjertet for at finde et første skøn over den midventrikulære SA-visning, som er nødvendig for at planlægge den lange akse 2-kammerspejder (Figur 2B).
  3. For følgende potentielle scanninger (trin 3.4-3.6) justeres antallet af hjerterammer (Nframes), således at Nframes × TR er ~ 60-70% af R-R-intervallet.
    BEMÆRK: Erhvervelse for 60-70% af R-R-intervallet er nok til at fange den end-diastoliske fase af hjertecyklussen, samtidig med at der tillades yderligere T1 afslapning under end-diastole for forbedret SNR og forhindrer forstyrrelse af følgende R-peak ved gradientskift.
  4. Udfør en gated enkelt-skive GRE scanning til at generere den lange akse 2-kammer (2CH) spejder, som kombineret med SA scanning, er nødvendig for at planlægge 4-kammer (4CH) (Tabel 1, scanning 3). Til dette formål skal du placere et udsnit vinkelret på de tidligere sa-visninger, der løber parallelt med forbindelsespunkterne mellem venstre og højre ventrikel. Flyt denne skive til midten af venstre ventrikel, og tjek i koronar billede af GRE spejder, hvis skiven er på linje med LV lange akse, således at det er placeret gennem toppen (Figur 2C).
  5. Udfør endnu en indhegnet GRE-scanning med en enkelt skive for at generere 4-kammers (4CH) scout-scanningen, som er nødvendig for at planlægge sa'en med flere skiver og 3-kammerscanningen (Tabel 1, scan 4). Til dette formål skal du placere en skive vinkelret på 2CH-spejderscanningen og justere til midten af den lange akse, så skiven går gennem mitralventilen og toppen. I SA-visningerne justeres skiven, så den placeres parallelt med den bageste og forreste ventrikulære væg og mellem de to papillære muskler (Figur 2D). Kontroller, om skiven forbliver i midten af ventrikel gennem hele hjertecyklussen.
  6. Udfør en indhegnet sekventiel SA GRE-scanning med flere udsnit (Tabel 1, scan 5) for systoliske funktionsmålinger. Til dette formål skal du placere en midventrikulær skive vinkelret på den lange LV-akse i 2CH- og 4CH-visningerne i midten af hjertet og øge antallet af skiver (typisk et ulige tal, f.eks. 7 eller 9 skiver, ingen mellemrum mellem skiverne) for at dække hjertet fra bund til spids (Figur 2E).
  7. For følgende retrospektivt gated scanninger (trin 3.8-3.9), slukke alle potentielle hjerte-og respiratorisk gating funktionalitet. Noter hjerte- og åndedrætshastigheden før og efter hver retrospektivt gated scanning, og brug disse værdier til genopbygningsformål senere (trin 5.2.2).
  8. Udfør tre sekventielle enkeltskærede med tilbagevirkende kraft indhegnede GRE-scanninger i den midventrikulære SA-visning (til kvantificering af E'/A-forholdet), 2CH og 4CH-visningen, de to sidstnævnte, som er nødvendige for kvantificeringen af myokardiestammen og HDF-værdierne(tabel 1, scan 6-8). Hvis det er nødvendigt, optimere de endelige 2CH og 4CH skive orienteringer baseret på multi-slice SA visninger samt de tilgængelige 2CH og 4CH spejder scanninger.
  9. Udfør en ekstra retrospektivt indhegnet GRE-scanning med én skive i en 3-kammers (3CH) visning, som kombineret med 2CH- og 4CH-visningen fra trin 3.8 er nødvendig for kvantificeringen af myokardiestammen og HDF-værdierne (Tabel 1, scan 9). Til dette formål skal du placere en skive vinkelret på den midventrikulære SA-visning svarende til placeringen af den endelige lange akse 4CH-visning og dreje skiven 45 ° for at passere fra den forreste væg til den papilllære muskel tættest på den bageste væg. Undersøg den basale SA skive for at se, om skiven passerer gennem mitral og aortaklappen. Undersøg i den endelige 4CH-visning med lang akse, om skiven går gennem toppen (Figur 2F).

Figure 2
Figur 2: Udsnitsplanlægning for CMR-billeddannelse i en mus. (A) GRE SCOUT planlægger gennem hjertet i 3 ortogonale synspunkter ved hjælp af indledende spejder scanning. (B) Kort akse spejder planlægning på GRE SCOUT koronar og sagittal skiver. (C) Planlægning af 2CH spejder visning ved hjælp af den korte akse spejder og GRE SCOUT koronar skive. (D) Planlægning af 4CH spejder visning ved hjælp af den korte akse spejder og 2CH spejder. (E) Planlægning af multi-slice kortakse visning ved hjælp af 2CH og 4CH spejdere. (F) (venstre) Planlægning af endelige 2CH, 3CH og 4CH visninger ved hjælp af den midventrikulære kortakse og 2CH / 4CH spejder synspunkter. Forkortelser: CMR = hjerte-kar-magnetisk resonansbilleddannelse; GRE = Gradient Echo; CH = kammer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Scannummer(er) 1 2 3 4 5 6-9
Scan navn(r) GRE spejder SA-spejder i flere skiver 2CH spejder 4CH spejder SA med flere udsnit SA, 2CH, 4CH, 3CH
samlede udsnit 15 (3 x 5)* 4-5 1 1 7-9 1
Tykkelse (mm) 1 1 1 1 1 1
FOV (mm) 60 35 30 30 35 30
FOV-forhold 1 1 1 1 1 1
Flip Vinkel 40 20 20 20 20 15
TE (ms)** 3.8 3.4 2.5 2.5 2.5 3.6
TR (ms) 200 1 R-R 7 7 7 8
Nframes 1 1 12-14 12-14 12-14 32 ***
Matrixstørrelse 192 x 192 192 x 192 192 x 192 192 x 192 192 x 192 192 x 192
EKG udløser Nej Ja Ja Ja Ja Retrospektiv
Respiratorisk udløsning Ja Ja Ja Ja Ja Retrospektiv
Gennemsnit 1 3 5 5 5 retrospektiv ****
Samlet billedtid (anslået *****) 2 min 2min 3-4 min 3-4 min 20-25 min 13 min/ scan

Tabel 1: Anskaffelsesparametre for hver sekvens, der bruges under CMR-protokollen. * Scanninger udføres i tre forskellige ortogonale orienteringer (aksial, koronar, sagittal). **Det kortest mulige TE, givet alle andre parametre bruges, hvilket afhænger af den specifikke scannerkonfiguration. Dette er antallet af hjerterammer efter retrospektiv binning. Den effektive gennemsnit afhænger af den tilfældige k-plads påfyldning i løbet af den samlede erhvervelse tid. I alt blev der udført 400 gentagelser af alle k-linjer. Herunder EKG/respiratoriske udløser forsinkelser. Forkortelser: CMR = hjerte-kar-magnetisk resonansbilleddannelse; EKG = elektrokardiogram; GRE = gradient ekko; FOV = synsfelt; TE = ekkotid; TR = gentagelsestid; Nframes = antal hjerterammer; SA = kort akse; CH = kammer. Klik her for at downloade denne tabel.

4. Færdiggørelse af eksperimentet og datalagring

  1. Fjern musen fra holderen efter afmontering af alt andet måleudstyr, og sluk for anæstesi. I tilfælde af langsgående forsøg skal musen placeres i et forvarmet staldbur ved 37 °C til nyttiggørelse, indtil dyret er vågent og aktivt.
  2. Rengør alt udstyr, der er blevet brugt med rengøringsservietter eller 70% alkohol.
  3. Generer DICOM-filer (Digital Imaging and Communication in Medicine) til de fremadrettede MR-data, og kopier disse sammen med MR-scanningernes RAW-datafiler fra de retrospektivt indhegnede scanninger til en sikker server til efterfølgende dataanalyse.

5. Offline rekonstruktion af de retrospektivt erhvervede scanninger

BEMÆRK: Til rekonstruktion af de retrospektivt indhegnede scanninger blev der anvendt en specialbygget open source-software (figur 3). Udfør følgende trin for hver af de efterfølgende udløste data separat.

  1. Åbn rekonstruktionssoftwaren Retrospective, og indlæs den rå datafil, der svarer til en retrospektivt indhegnet MR-scanning.
  2. Undersøg Raw navigator-signalet, og bemærk, at de højere signaltoppe repræsenterer åndedrætsfrekvensen, og de lavere signaltoppe repræsenterer pulsen.
    1. Hvis toppe er registreret på hovedet, flip signalet med op / ned switch.
    2. Derudover skal du kontrollere, om den automatisk registrerede puls svarer til 10% af de observerede værdier under hver scanning. Hvis ikke, skal du manuelt justere disse værdier, fordi automatisk registrering mislykkedes.
    3. Vælg en passende vinduesprocent for udelukkelse af data under åndedrætsbevægelser, normalt 30%.
  3. Tryk på Filter for at udføre navigatoranalysen, og adskil hjertenavigatoren fra åndedrætsnavigatoren.
  4. Angiv antallet af CINE-rammer til 32 (værdi, der bruges i dette studie), og tryk på sorter k-space.
  5. Vælg de relevante indstillinger for regulering af komprimeret sensing (CS), og tryk på rekonstruer. Brug følgende typiske regulariseringsparametre: wavelet regularization parameter i de rumlige (x, y og z) dimensioner (WVxyz) 0,001 eller 0; total variationsbegrænsning i CINE-dimensionen (TVcine) 0.1 total variationsbegrænsning i den rumlige dimension (TVxyz) 0 og den samlede variationsbegrænsning i dynamikdimensionen (TVdyn) 0,05.
  6. Når genopbygningen er færdig, kan du se CINE-filmen for at evaluere genopbygningen. Eksporter DICOM-afbildninger til yderligere analyse med Export DCM.

Figure 3
Figur 3: »Retrospektivt«, der udløser grafisk brugergrænseflade. 'Retrospective' er en specialbygget rekonstruktionsapplikation til retrospektivt udløste hjerte magnetisk resonansbilleddannelsesscanninger. I brugergrænsefladen er det muligt at evaluere navigatorsignalet, justere antallet af CINE-rammer, der skal rekonstrueres, justere de komprimerede sensingparametre for at forbedre genopbygningen, få vist CINE-billederne som en dynamisk film og eksportere de rekonstruerede data. Klik her for at se en større version af dette tal.

6. Billedanalyse software

BEMÆRK: Billedanalysesoftwaren (Figur 4) kræver brug af DICOM-billeder og har flere plugins til forskellige kardiovaskulære analyseapplikationer, såsom plugin til volumetriske målinger og plugin til stamme- og HDF-analyse.

  1. For volumetrisk vurdering af LV skal du vælge sa-scanningen med flere skiver og indlæse den i plugin til volumetriske målinger.
    1. Tildel endsystoliske (ES) og end-diastoliske (ED) etiketter til den tilsvarende hjerteramme.
    2. Brug konturværktøjerne til at segmentere de endomyocardiale kanter i ES- og ED-rammerne.
      BEMÆRK: Analysesoftwaren, der bruges til denne protokol, viser automatisk parametrene LV EF, EDV, ESV, når alle nødvendige anmærkninger er foretaget.
  2. For diastoliske målinger skal du vælge de midventricular SA CINE-billeder og indlæse disse i plugin til volumetriske målinger.
    1. Tildel ED- og ES-etiketterne til de tilsvarende hjerterammer.
    2. Brug konturværktøjerne til at segmentere endocardial-kanten for alle rammer. Sammenlign segmentering af tilstødende rammer for at sikre glatte overgange af segmentering i hele hjertecyklussen.
    3. Eksporter tidsudviklingen fra alle hjerterammer og tilsvarende LV-endomyocardialvolumener (LV ENDO). Anvende et specialbygget script (se Supplerende materiale) for at beregne E'/A-forholdet.
      BEMÆRK: Scriptet anvender et Savitzky-Golay-filter til robust beregning af dV/dt-kurverne og bruger halvautomatisk topdetektering til at finde T' og A's toppe.
  3. For belastnings- og HDF-beregninger skal du vælge 2CH-, 3CH- og 4CH-4CH-cine-billederne på langakse og indlæse dem i plugin til volumetriske målinger.
    1. Tildel ED- og ES-etiketterne til den tilsvarende hjerteramme i hver udsnitsretning.
    2. Brug konturværktøjerne til at segmentere endocardial-kanten for alle rammer i alle 3 retninger. Sammenlign segmentering af tilstødende rammer for at sikre glatte overgange af segmentering i hele hjertecyklussen.
    3. Når konturerne er tegnet i plugin til volumetriske målinger, skal du køre plugin til stammen og HDF-analysen.
    4. Tildel hvert af de erhvervede datasæt til de tilsvarende etiketter for 2CH-, 3CH- og 4CH-visninger, og udfør stammeanalysen.
    5. Til HDF-analyse tegnes diameteren af mitralventilen ved den end-diastoliske ramme i alle 3 retninger og tegner aortaens diameter i det 3-kammer lange aksebillede.

Figure 4
Figur 4: Grafisk brugergrænseflade til billedanalysesoftware. Plugin til volumetrisk måling i billedanalysesoftwaren, som bruges til konturering af den endomyocardiale grænse. For hvert datasæt vælges de end-diastoliske og endsystoliske hjertefaser, og den endomyocardiale kant er segmenteret for alle rammer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Representative Results

Ved hjælp af den tidligere beskrevne protokol blev en gruppe sunde C57BL/6 wildtypemus (n = 6, 14 uger) scannet ved hjælp af en 7-Tesla MR-scanner ved hjælp af en 38 mm diameter birdcage spole. Under hver scanning session, multi-slice CINE SA billeder blev erhvervet ved hjælp af fremadrettet gated GRE sekvenser, mens enkelt-skive midventricular SA, 2CH, 3CH, og 4CH visninger CINE billeder blev erhvervet ved hjælp af retrospektiv gating. Repræsentative rekonstruktioner med høj billedhastighed af retrospektivt indhegnede scanninger ved hjælp af en specialbygget efterbehandlingssoftware kan ses i supplerende video 1. Ud fra de resulterende billeder blev volumentidskurver under hjertecyklussen (Figur 5A) fastlagt samt de tilsvarende førstederivater (dV/dt) til beregning af systolisk (EF = 72,4 ± 2,8%) og diastoliske funktionsparametre (E'/A' ratio = henholdsvis 1,5 ± 0,3).

2CH-, 3CH- og 4CH-visnings-CINE-billederne blev analyseret ved hjælp af billedanalysesoftware til at bestemme endocardial GLS (endoGLS) ændringer på tværs af hjertecyklussen (Figur 5B) og tilsvarende spidse GLS-værdier (-22,8 ± 2,4%) som et mål for myokardiestamme. Derudover beregner softwaren roden middelværdi kvadrat (RMS) HDF i langsgående (apex-base) (135,2 ± 31,7%) og tværgående (inferolateral-anteroseptal) (12,9 ± 5,0%) retninger. For hvert dyr er det også muligt at producere en HDF-tidsprofil, som følger et konsekvent mønster af positive og negative toppe, der repræsenterer størrelsen og retningen af HDF under hjertecyklussen (Figur 5C). Beskrivende resultater af alle resultatparametre opsummeres i figur 5D.

Figure 5
Figur 5: Kvantificering af LV-funktionelle parametre baseret på musehjertet. (A) Repræsentativ volumentidskurve og tilsvarende dV/dt-kurve. Sidstnævnte skildrer strømningshastigheden med tydelig tidlig påfyldning peak (E') og atriesammentrækning (A') peak. (B) Repræsentativ GLS-kurve, der angiver stammedeformation i længderetningen i hele hjertecyklussen. (C) Repræsentativ HDF-kurve med forskellige krafttoppe i spidsbasretningen, begyndende med den systoliske udslyngningskraft og efterfulgt af en nedadgående kraft ved overgangen mellem systole og diastole, E-bølgedecelerationskraft, A-bølgeacceleration og decelerationskraft. (D) Beskrivende resultater af alle dyr for værdier af EF, E'/A'-forhold, top GLS og grundværdi kvadrat af HDF i spids-base og inferolateral-anteroseptal retninger. Værdier udtrykkes som gennemsnitlige ± SD. Forkortelser: LV = venstre ventrikel; V = volumen; t = tid; GLS = global langsgående stamme; HDF = hæmodynamiske kræfter; EF = udslyngningsfraktion. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende Video 1: Repræsentativ rekonstruktion af retrospektivt indhegnede CINE-billeder i SA-, 2CH-, 3CH- og 4CH-visninger. Forkortelser: SA = kort akse; CH = kammer. Klik her for at downloade denne video.

Supplerende materiale: Klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Den præsenterede protokol beskriver brugen af CMR-billeddannelse til langsgående, ikke-invasive in vivo-eksperimenter for at analysere hjertefunktion hos mus. Disse resultater er eksempler på sunde dyr for at påvise muligheden for at bruge CINE-billeder til at kvantificere hjerteparametrene. De beskrevne metoder kan dog bruges til forskellige dyremodeller. Selv om specifikke sygdomsmodeller kan kræve små ændringer af protokollen, vil dens grundlæggende struktur til at vurdere de forskellige hjertefunktionelle parametre være meget ens. Et særligt tilfælde værd at nævne er en myokardieinfarkt model, hvor en del af hjertet har betydelige tab i kontraktlighed. Dette kan forårsage lav kvalitet af hjertenavigatorsignalet i denne skive. I dette tilfælde ville en alternativ mulighed være at erhverve navigatoren fra en separat skive, som beskrevet i en tidligere undersøgelse af Coolen et al.16. CINE-billeder i forskellige visninger rekonstrueres fra retrospektivt indhegnede data ved hjælp af CS-algoritmer og analyseres ved hjælp af billedanalysesoftware til at beregne stammen og HDF-værdierne.

Kvaliteten af de erhvervede billeder afhænger naturligvis af alle forberedelsestrin, som skal udføres omhyggeligt, før du starter hjerte MRI-protokollen. For eksempel, hvis der ikke ses klare EKG- og åndedrætssignaler, når dyret placeres inde i MR-scanneren, vil dette sandsynligvis resultere i suboptimale erhvervelser og endda øgede scanningstider på grund af den ekstra effekt af magnetohydrodynamiske forvrængninger17. Det er vigtigt at indse, at på grund af den sekventielle planlægning af skiveorienteringerne kan dyrene ikke bare flyttes mellem scanninger. Det er derfor ikke muligt at justere EKG-ledningerne mellem scanningerne igen, da dette vil ændre musens position i scanneren. Under scanning er temperaturkontrol afgørende for at opretholde et konstant hjerte- og åndedrætsinterval, hvilket især gavner kvaliteten af de retrospektivt indhegnede scanninger, der erhverves over en længere periode. Under denne høj-duty-cyklus scanning, temperaturen af dyret kan støt stige, forårsager puls og åndedrætsfrekvens til at stige. Justering af temperaturen i varmesystemet og anæstesi kan i høj grad bidrage til at stabilisere åndedrætsfrekvensen før eller under scanning.

Et kritisk skridt under analysen er konsistensen i konturtegningen. Mens automatisk segmentering fungerer godt for kliniske data, fungerer den ikke robust i tilfælde af musecardiacdata (ikke testet for rotter). Den høje puls og høje blodgennemstrømning under specifikke hjertefaser, især i starten af LV-påfyldningen, kan forårsage intravoxelaffasing og signalhuller, hvilket kompromitterer myokardievægafgrænsning. Det anbefales derfor ikke at analysere hver ramme uafhængigt, men visuelt inspicere bevægelsen af myokardievæggen mellem rammer og tage dette i betragtning, når du tegner konturerne på tværs af alle rammer. Det anbefales at kopiere og justere endocardial kontur mellem to på hinanden følgende rammer for at opretholde en mere naturlig kontraktile bevægelse i analysen. I denne protokol er papillære muskler udelukket fra ventrikulær lumen volumen i SA billeder til systolisk og diastolisk funktion vurdering, mens de er inkluderet i 2CH, 3CH, og 4CH synspunkter for stamme og HDF analyse, fordi sidstnævnte bygger på viden om den præcise bevægelse af myokardievæggen, snarere end den præcise volumen af ventrikulær lumen.

Mens systoliske og diastoliske funktionsparametre er baseret på måling af LV-volumener i hele hjertecyklussen, afhænger belastnings- og HDF-parametre også af bevægelsesmønstre i myokardievæggen. Til dette anvendes funktionssporingsteknikker, hvor forskydningen af myokardiesegmentet kan vurderes ved at genkende forskellige anatomiske træk og signalintensiteter mellem efterfølgende CINE-faser. Den stærke kontrast mellem blodpøl og myokardie i CMR-billeder letter brugen af funktionssporing til efterfølgende belastning og HDF-analyse8. Forud for CMR feature-tracking, myokardiestammen blev bestemt med speckle tracking echography og CMR væv-tagging. CMR-funktionssporing kræver ikke yderligere scanningstid sammenlignet med CMR-vævsmærkning. Men på trods af brugen af retrospektiv udløsning har CMR stadig en begrænset tidsmæssig opløsning, hvilket kan gøre det vanskeligt at korrekt evaluere hurtige deformationer inden for hjertecyklussen.

Vurdering af HDF i hele hjertecyklussen kræver målinger af diametererne på mitral- og aortaventilerne for at beregne HDF i spidsbase og inferolateral-anteroseptal retninger ved hjælp af tidligere beskrevne ligninger18. Denne metode har vist konsistente skøn over HDF sammenlignet med referencestandarden 4D-flow MRI, som har en begrænset tilgængelighed i klinisk brug på grund af dens kompleksitet6. Det er vigtigt at vide, at det er vanskeligt at foretage en robust estimering af ventildiametre, og derfor bør ventildiametre holdes konstante for en gruppe dyr og på tværs af gentagne målinger i en langsgående undersøgelse, da variationer i denne parameter ved ukorrekte skøn let kan overskygge subtile ændringer i HDF-parametre. Den specifikke software, der bruges til at beregne GLS- og HDF-parametre, er muligvis ikke tilgængelig for alle brugere. Derfor kan man henvise til Voigt et al.19 (GLS) samt Pedrizzetti et al.6,20 (HDF), som indeholder alle matematiske beskrivelser, der danner grundlag for de respektive beregninger som udført af analysesoftwaren.

I forbindelse med denne undersøgelse blev protokollen evalueret hos raske dyr (N = 6). Et repræsentativt sæt tidskurver for LV-volumen, dV/dt, endoGLS og HDF er vist i figur 5A-C. Gennemsnitsværdier for flere funktionelle parametre i hjertet (EF, E'/A'-forhold, top GLS og HDF) vises i figur 5D. Disse er godt enige med sammenlignelige protokoller, der anvendes i litteraturen21. Litteratur om GLS- og HDF-data hos mus er knappe. Der blev målt en gennemsnitlig GLS-værdi på -22,8 %, hvilket er i samme interval som kliniske data8, hvilket indikerer, at GLS-målinger opnået med den beskrevne metode er mulige hos mus. HDF-kurver opnået i mus viser også de samme forskellige faser som set i menneskelige data, der viser den vellykkede oversættelse af denne teknik til præklinisk forskning. Mens HDF-parametre er hypotese til at tjene som tidlige biomarkører for hjerte dysfunktion, flere undersøgelser er berettiget til at undersøge den diagnostiske og prædiktive værdi af denne nye parameter. Resultaterne i denne protokol viser, at HDF- og GLS-resultaterne forventes at være mere variable på tværs af dyr, hvilket skal tages i betragtning, når der forventes subtile forskelle i dyremodeller eller behandlingseffekter.

Disclosures

Ruslan Garipov er ansat hos MR Solutions Ltd., Guildford, Storbritannien. David Hautemann er ansat i Medis medicinske billedbehandlingssystemer B.V., Leiden, Holland.

Acknowledgments

Forfatterne takker Dorita Dekkers og Fatimah Al Darwish for hjælp til musemålinger og dataanalyse.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Equipment
AccuSens single and multi-channel signal conditioner Opsens solutions inc., Canada  ACS-P4-N-62SC Used with fiber optic temperature sensor to monitor body temperature
Duratears eye ointment Alcon Nederland B.V., Netherlands
Mouse cell Équipment Vétérinaire Minerve, France referred to as mouse cradle
MR-compatible Monitoring & Gating System for Small animals SA Intuments, Inc., United States Model 1030 ERT Module (ECG/respiratory interface module) , ERT Control/Gating Module, battery pack and subdermal ECG Electrode Set
MRI scanner MR Solutions Ltd., United Kingdom Model: MRS-7024   Preclinical MRI System 7.0T/24 cm
Multistation temperature control unit and High Flow PCA Équipment Vétérinaire Minerve, France Model: URT Multipostes animal heating system
Respiration Sensor Graseby Medical Limited, United Kingdom Ref 2005100
RF coil MR Solutions Ltd., United Kingdom MRS-MVC 38mm mouse volume RF coil for mouse body studies
SF flowmeter flow-meter, Italy SF 3
Vaporizer sigma delta Intermed Penlon Ltd., United Kingdom
Materials
Isoflurane AST farma, Netherlands
Vaseline petroleum jelly Unilever, United Kingdom
Software
BART toolbox https://mrirecon.github.io/bart/
Mathematica 12.0 Wolfram Research, Inc., United States
MATLAB 2019a The MathWorks,Inc., United States
MEDIS Suite MR Medis Medical Imaging Systems B.V. ,Netherlands Image analysis software
PC-SAM SA Intuments, Inc., United States
Preclinical Scan MR Solutions Ltd., United Kingdom Scanning software
Retrospective version 7.0 Amsterdam UMC, the Netherlands Reconstuction software: https://github.com/Moby1971?tab=repositories

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Vallée, J. P., Ivancevic, M. K., Nguyen, D., Morel, D. R., Jaconi, M. Current status of cardiac MRI in small animals. Magnetic Resononance Materials in Physics, Biology and Medicine. 17 (3-6), 149-156 (2004).
  2. Bakermans, A. J., et al. Small animal cardiovascular MR imaging and spectroscopy. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 88-89, 1-47 (2015).
  3. Wu, Y. L., Lo, C. W. Diverse application of MRI for mouse phenotyping. Birth Defects Research. 109 (10), 758-770 (2017).
  4. Coolen, B. F., et al. High frame rate retrospectively triggered Cine MRI for assessment of murine diastolic function. Magnetic Resonance in Medicine. 69 (3), 648-656 (2013).
  5. Lapinskas, T., et al. Cardiovascular magnetic resonance feature tracking in small animals - a preliminary study on reproducibility and sample size calculation. BMC Medical Imaging. 17 (1), 51 (2017).
  6. Pedrizzetti, G., et al. On estimating intraventricular hemodynamic forces from endocardial dynamics: A comparative study with 4D flow MRI. Journal of Biomechanics. 60, 203-210 (2017).
  7. Motaal, A. G., et al. Accelerated high-frame-rate mouse heart cine-MRI using compressed sensing reconstruction. NMR in Biomedicine. 26 (4), 451-457 (2013).
  8. Claus, P., Omar, A. M. S., Pedrizzetti, G., Sengupta, P. P., Nagel, E. Tissue tracking technology for assessing cardiac mechanics: principles, normal values, and clinical applications. JACC. Cardiovascular Imaging. 8 (12), 1444-1460 (2015).
  9. Scatteia, A., Baritussio, A., Bucciarelli-Ducci, C. Strain imaging using cardiac magnetic resonance. Heart Failure Reviews. 22 (4), 465-476 (2017).
  10. Modin, D., Andersen, D. M., Biering-Sørensen, T. Echo and heart failure: when do people need an echo, and when do they need natriuretic peptides. Echo Research and Practice. 5 (2), 65-79 (2018).
  11. Onishi, T., et al. Longitudinal strain and global circumferential strain by speckle-tracking echocardiography and feature-tracking cardiac magnetic resonance imaging: comparison with left ventricular ejection fraction. Journal of American Society of Echocardiography. 28 (5), 587-596 (2015).
  12. Faganello, G., et al. A new integrated approach to cardiac mechanics: reference values for normal left ventricle. The International Journal of Cardiovascular Imaging. 36, 2173-2185 (2020).
  13. Lapinskas, T., et al. The intraventricular hemodynamic forces estimated using routine CMR Cine images: a new marker of the failing heart. JACC. Cardiovascular Imaging. 12 (2), 377-379 (2019).
  14. Töger, J., et al. Intracardiac hemodynamic forces using 4D flow: a new reproducible method applied to healthy controls, elite athletes and heart failure patients. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 18, Suppl 1 61 (2016).
  15. Eriksson, J., Bolger, A. F., Ebbers, T., Carlhäll, C. J. Assessment of left ventricular hemodynamic forces in healthy subjects and patients with dilated cardiomyopathy using 4D flow MRI. Physiological Reports. 4 (3), 12685 (2016).
  16. Coolen, B. F., et al. Three-dimensional T1 mapping of the mouse heart using variable flip angle steady-state MR imaging. NMR in Biomedicine. 24 (2), 154-162 (2011).
  17. Nijm, G. M., Swiryn, S., Larson, A. C., Sahakian, A. V. Characterization of the magnetohydrodynamic effect as a signal from the surface electrocardiogram during cardiac magnetic resonance imaging. Computers in Cardiology. 33, 269-272 (2006).
  18. Domenichini, F., Pedrizzetti, G. Hemodynamic forces in a model left ventricle. Physical Review Fluids. 1, 083201 (2016).
  19. Voigt, J. U., et al. Definitions for a common standard for 2D speckle tracking echocardiography: consensus document of the EACVI/ASE/Industry Task Force to standardize deformation imaging. European Heart Journal - Cardiovascular Imaging. 16 (1), 1-11 (2015).
  20. Pedrizzetti, G. On the computation of hemodynamic forces in the heart chambers. Journal of Biomechanics. 95, 109323 (2019).
  21. Hoffman, M., et al. Myocardial strain and cardiac output are preferable measurements for cardiac dysfunction and can predict mortality in septic mice. Journal of American Heart Association. 8 (10), 012260 (2019).
Kvantificering af mus hjerte venstre ventrikulær funktion, myokardiestamme, og hæmodynamiske kræfter ved hjerte-kar-magnetisk resonans imaging
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Daal, M. R. R., Strijkers, G. J., Calcagno, C., Garipov, R. R., Wüst, R. C. I., Hautemann, D., Coolen, B. F. Quantification of Mouse Heart Left Ventricular Function, Myocardial Strain, and Hemodynamic Forces by Cardiovascular Magnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (171), e62595, doi:10.3791/62595 (2021).… More

Daal, M. R. R., Strijkers, G. J., Calcagno, C., Garipov, R. R., Wüst, R. C. I., Hautemann, D., Coolen, B. F. Quantification of Mouse Heart Left Ventricular Function, Myocardial Strain, and Hemodynamic Forces by Cardiovascular Magnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (171), e62595, doi:10.3791/62595 (2021).

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