Summary
Denne studien beskriver en omfattende CMR-protokoll (cardiovascular magnetic resonance imaging) for å kvantifisere de venstre ventrikulære funksjonelle parametrene til musehjertet. Protokollen beskriver anskaffelse, etterbehandling og analyse av CMR-bildene samt vurdering av ulike hjertefunksjonelle parametere.
Abstract
Musemodeller har bidratt betydelig til å forstå genetiske og fysiologiske faktorer involvert i sunn hjertefunksjon, hvordan perturbasjoner resulterer i patologi, og hvordan myokardsykdommer kan behandles. Kardiovaskulær magnetisk resonansavbildning (CMR) har blitt et uunnværlig verktøy for en omfattende in vivo-vurdering av hjerteanatomi og funksjon. Denne protokollen viser detaljerte målinger av musehjerte venstre ventrikkelfunksjon, myokardstamme og hemodynamiske krefter ved hjelp av 7-Tesla CMR. For det første demonstreres dyreforberedelse og posisjonering i skanneren. Undersøkelsesskanninger utføres for planlegging av bildebehandlingsstykker i ulike kort- og langaksevisninger. En rekke potensielle EKG-utløste kortaksefilmer (ELLER CINE-bilder) er anskaffet som dekker hjertet fra topp til base, og fanger endesystoliske og enddiastoliske faser. Deretter anskaffes CINE-bilder med én skive i ettertid i en midtventricular SA-visning, og i 2-, 3- og 4-kammervisninger skal de rekonstrueres til CINE-bilder med høy temporal oppløsning ved hjelp av spesialbygd og åpen kildekode-programvare. CINE-bilder analyseres deretter ved hjelp av dedikert CMR-bildeanalyseprogramvare.
Avgrensende endomyokardiske og epikardiale grenser i SA endesystoliske og end-diastoliske CINE-bilder gjør det mulig å regne ut endesystoliske og enddiastoliske volumer, utkasterfraksjon og hjerteutgang. De midtventricular SA CINE-bildene avgrenses for alle hjerte tidsrammer for å trekke ut en detaljert volumtidskurve. Dens tidsderivat tillater beregning av diastolisk funksjon som forholdet mellom tidlig fylling og atriekontraksjonsbølger. Til slutt avgrenses venstre ventrikulære endokardvegger i visningene 2-, 3- og 4-kammer ved hjelp av funksjonssporing, hvorfra langsgående myokardstammeparametere og venstre ventrikulære hemodynamiske krefter beregnes. Til slutt gir denne protokollen detaljert in vivo-kvantifisering av musens hjerteparametere, som kan brukes til å studere temporale endringer i hjertefunksjon i ulike musemodeller av hjertesykdom.
Introduction
Kardiovaskulær magnetisk resonans (CMR) hos små dyr gir en nøyaktig in vivo-måling av myokardfunksjon, noe som gjør CMR til et optimalt verktøy for preklinisk forskning på kardiovaskulær sykdom. På grunn av den høye romlige oppløsningen og den høye kontrasten mellom blod og myokardi i CMR-bilder, er det mulig å avgrense endo- og epikardialkonturene og beregne myokardmasse og ventrikulære volumer1,2. Til tross for de høye hjertefrekvensene på opptil 600 slag/min, tillater bruk av elektrokardiogram (EKG) og respiratorisk utløsning målinger av høy kvalitet av forskjellige hjertefaser (også kalt CINE-bilder) uten respiratoriske bevegelsesartefakter. På denne måten kan flere skiver brukes til å dekke hjertet fra topp til base for å trekke ut systoliske funksjonsparametere som utkasterfraksjon (EF), endesystolisk volum (ESV), end-diastolisk volum (EDV) og hjerteutgang (CO)3. Bortsett fra grunnleggende systolisk funksjonsvurdering, har ytterligere CMR-teknikker nylig blitt utviklet for å vurdere diastolisk dysfunksjon4, myokardstamme5og hemodynamiske krefter (HDF)6.
EKG-gating tillater synkronisering til hjertesyklusen ved å starte MR-signalanskaffelse etter påvisning av R-toppen og registrere et definert antall hjertefaser under R-R-intervallet. Antall hjertefaser (bildefrekvens) som kan anskaffes på denne måten, avhenger imidlertid av lavest mulig repetisjonstid (TR) systemet kan nå samtidig som det opprettholder et akseptabelt signal-til-støy-forhold (SNR) og romlig oppløsning4. Videre, fordi bruk av høye magnetiske feltgradienter midlertidig kan forvrenge EKG-signalet, stoppes oppkjøpet vanligvis før sluttdiastolisk fase. Begge faktorene begrenser bruken av slike skanninger til systoliske funksjonsvurderinger, da beregningen av andre hjertefunksjonelle parametere krever en bedre definisjon av venstre ventrikkel (LV) volumtidskurve.
CINE-bilder med høy bildefrekvens kan anskaffes ved retrospektiv gating, der MR-signal kontinuerlig anskaffes under skanning, og et inkorporert navigatørekko etter radiofrekvens (RF) eksitasjon oppdager hjerte- og åndedrettsbevegelse. Fordi CMR-oppkjøpet utføres asynkront med hjertebevegelsen, kan de oppkjøpte MR-signalene deretter tilordnes et retrospektivt valgt antall hjerterammer. På denne måten, hvis tilstrekkelige data samles inn, kan CINE-bilder med høy bildefrekvens rekonstrueres4,7. Dette muliggjør deretter diastolisk funksjonsvurdering, representert ved forholdet mellom topp tidlig fyllingsgrad (E') og topp sen fyllingshastighet fra atriekontraksjon (A').
I klinisk forskning kan CINE-bilder analyseres med CMR-funksjonssporing for å vurdere myokardstammen og HDF6,8. Myokardstamme er en hjertedeformasjonsparameter som måler forskjellen i prosenter mellom den opprinnelige lengden (vanligvis i enddiastolisk lengde) og maksimal lengde (vanligvis i end-systole) av et myokardsegment9. Myokardstammemålinger kan være av inkrementell verdi for å vurdere LV-funksjonen som strekkverdier kvantifisere myokardveggforkortelse og fortykning. En reduksjon i forkortingsfunksjonen kan være en indikasjon på subendokardiell fiberskade10. Endringer i myokardstamme kan forekomme uavhengig av EF og kan være en forløper for underliggende komplikasjoner.
Spesielt har den globale langsgående stammen (GLS) og den globale omkretsstammen (GCS) vist seg å være av merverdi ved karakterisering av hjertesykdom10,11,12. På samme måte har HDF blitt foreslått å være en potensiell ny parameter for å indikere endret hjertefunksjon6,13. Disse HDF- eller interventrikulære trykkgradientene (IVPG) driver blodbevegelsen under utkastelse og fylling av hjertet og påvirkes av momentumutvekslingen mellom blod og myokardi, inkludert aorta- og mitralventilen14,15.
I denne studien er en omfattende protokoll beskrevet for å utføre robuste CMR-målinger for små dyr for å kvantifisere LV-funksjon, myokardstamme og HDF av musehjerter. Den inneholder de nødvendige trinnene for dyreforberedelse, datainnsamling ved hjelp av både prospektivt og retrospektivt inngjerdede CINE-bilder av hjertet, samt analyse med dedikert programvare som er i stand til å beregne volumetriske målinger, E '/ A ' forhold, myokardstamme og HDF i hjertet. Denne protokollen kan brukes til omfattende vurdering av LV-funksjon i ulike musemodeller av kardiovaskulær sykdom.
Protocol
De beskrevne dyreforsøkene gjennomføres i samsvar med EUs retningslinjer for velferden til forsøksdyr (direktiv 2010/63/EU) og ble godkjent av Academic Medical Center Animal Ethics Committee.
1. Oppsett og dyreforberedelse
- Før du starter eksperimentet, må du sørge for at det er tilstrekkelig isofluranbedøvelse i minst 2 timer, og at batteriet som er tilgjengelig for EKG og respiratorisk overvåking er tilstrekkelig ladet. Sørg for at skannerområdet er utstyrt med et fungerende avtrekksrør for å fjerne overflødig isofluran.
- Forbered museholderen (Figur 1A), og slå på dyrevarmesystemet med temperaturen satt til 40 °C. Klargjør EKG/åndedrettsgrensesnittmodulen og batterioppsettet (Figur 1B), og start programvaren for sanntidsovervåking av EKG- og åndedrettssignaler (Figur 1C).
- Fjern musen fra husburet og mål kroppsvekten.
- Plasser musen i et anestesiinduksjonskammer under en avtrekksarm for avtrekkshette, og gi 3-4% isofluran i en blanding av 0,2 l / min O2 og 0,2 l / min medisinsk luft. Etter at dyret er fullstendig bedøvet, bruk en liten dråpe øyesalve på hvert øye, og lukk øyelokkene på musen.
- Plasser musen i liggende stilling på museholderen. Hekt snittene på musen i bitebaren på museholderen, og juster nesekjeglen slik at den passer riktig (Figur 1A). Kontroller visuelt om pusten er stabil under 100 pust/min, og reduser isofluranen til ~2% under dyreforberedelse.
- Flytt museholderen slik at hjertet ligger i den delen av vuggeholderen som vil ende opp i midten av RF-spolen og iso-midten av magneten.
- Bruk petroleumjell til å sette inn rektal temperatursonden, og teip den fiberoptiske kabelen til temperatursonden til museholderen.
- Plasser åndedrettsballongen på underlivet på musen og fest den med tape. Sett inn to EKG-elektrodenåler subkutant i thoraxen i høyden på forpaws og teip dem forsiktig ned for å forhindre bevegelse (Figur 1A).
- Kontroller om respirasjons- og EKG-signaler er av tilstrekkelig kvalitet, og om riktige utløserpunkter oppdages av programvaren (Figur 1C).
- Pass på at luftveiene er 50-80 pust/min, hjertefrekvens ~400-600 slag/min og kroppstemperatur rundt 37 °C. Juster isofluranadministrasjonen når luftveiene er utenfor dette området, og reduser temperaturen på dyrevarmesystemet hvis kroppstemperaturen har en tendens til å overstige 37 °C.
- Plasser RF-spolen over musen.
MERK: Avhengig av systemet kan dette kreve midlertidig frakobling av EKG-elektrodene og luftveiene fra EKG/åndedrettsgrensesnittmodulen. - Koble til spolekablene, og plasser holderen i magnetboringen. Sjekk om EKG-signalet fortsatt er stabilt.
- Hvis EKG-signalet er suboptimalt, omplasser eKG-elektrodene for et bedre signal, da dette ikke kan gjøres på et senere tidspunkt uten å endre dyrets orientering betydelig.
Figur 1: Dyreforberedelse og utstyrsoppsett for CMR-avbildning av musehjertet. (A) Fullstendig bedøvet mus i liggende stilling, plassert i den oppvarmede museholderen med en respiratorisk pneumatisk pute plassert på magen, rektal fiberoptisk temperatursensor og subkutane EKG-ledninger i brystet nær forpaws. (B) Muskroppsspole plassert over museholderen, med EKG-ledninger og åndedrettspute koblet til EKG- og åndedrettsgrensesnittet før holderen plasseres i MR-magneten. (C) Skildring av EKG- og åndedrettssignaler i dedikert programvare for overvåking av små dyr. R-toppen av EKG-signalet oppdages og brukes som utgangspunkt for MR-signalanskaffelse. En blankingsperiode mellom R-topper kan justeres manuelt basert på perioden med hjerteslag. Utløsning kan bare forekomme under luftveiene (grønn linje i midtpanelet) som startforsinkelsen og maksimal bredde kan justeres manuelt for. Forkortelser: CMR = kardiovaskulær magnetisk resonansavbildning; EKG = elektrokardiogram; MR = magnetisk resonansavbildning. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
2. MR-skanning kalibrering og utløsning
- Juster EKG- og åndedrettsparameterne i signalovervåkingsprogramvaren slik at utløserpunkter genereres på R-toppene og bare under den flate delen av luftveiene. Hvis du vil minimere EKG-gatingfeil, angir du en tomingsperiode som er 10-15 ms kortere enn R-R-intervallet.
MERK: Denne blankingsperioden bør justeres under hele eksperimentet hvis det oppstår endringer i hjertefrekvensen. - Utfør en senterfrekvenskalibrering og en standard (utakknemlig) SCOUT-skanning med null forskyvning for å bestemme plasseringen av musen i skanneren i koronal-, aksial- og sagittalanvisninger. Hvis hjertet ikke er plassert innenfor 0,5-1 cm fra synsfeltsenteret (FOV), justerer du posisjonen til holderen tilsvarende og gjør om SCOUT-skanningen.
- Utfør en manuell mellomlag og RF-kalibrering ved hjelp av tilgjengelige leverandørmetoder.
3. Skann planlegging og anskaffelse
MERK: Se tabell 1 for detaljerte skanneparametere for følgende skanninger.
- Basert på den første SCOUT, utfør en inngjerdet gradientekko (GRE) speiderskanning med én ramme (Tabell 1, skann 1) med 5 stykker i tre ortogonale retninger, og plasser hver stabel med skiver på den omtrentlige plasseringen av hjertet for å finne den nøyaktige posisjonen til hjertet (Figur 2A).
- Utfør en inngjerdet SA-speiderskanning med én ramme med flere deler (Tabell 1, skanning 2). Til dette formål bruker du den forrige GRE-speideren til å plassere 4-5 stykker i en midtre venstre ventrikulær stilling, vinkelrett på hjertets lange akse for å finne et innledende estimat av den midtventricular SA-visningen, som er nødvendig for å planlegge den lange aksen 2-kammerspeider (Figur 2B).
- For følgende prospektive skanninger (trinn 3.4-3.6), juster antall hjerterammer (Nframes) slik at Nframes × TR er ~ 60-70% av R-R-intervallet.
MERK: Oppkjøpet av 60-70% av R-R-intervallet er nok til å fange sluttdiastolisk fase av hjertesyklusen, samtidig som du tillater ekstra T1-avslapning under end-diastole for forbedret SNR og forhindrer forstyrrelse av følgende R-topp ved gradientveksling. - Utfør en inngjerdet GRE-skanning med én skive for å generere long-axis 2-chamber (2CH)-speideren, som kombinert med SA-skanningen, er nødvendig for å planlegge 4-kammeret (4CH) (Tabell 1, skanning 3). Til dette formål plasserer du et stykke vinkelrett på de tidligere SA-visningene som kjører parallelt med koblingspunktene mellom venstre og høyre ventrikel. Flytt denne sektoren til midten av venstre ventrikel, og sjekk inn coronal-bildet til GRE-speideren hvis stykket er på linje med den lange LV-aksen slik at den plasseres gjennom toppen (figur 2C).
- Utfør en annen inngjerdet GRE-skanning med én skive for å generere speiderskanningen med fire kammer (4CH), som er nødvendig for å planlegge multi-slice SA og 3-kammerskanning (Tabell 1, skanning 4). Til dette formål plasserer du en skive vinkelrett på 2CH-speiderskanningen, og justerer seg til midten av den lange aksen slik at skiven går gjennom mitralventilen og toppen. I SA-visningene justerer du skiven slik at den plasseres parallelt med den bakre og fremre ventrikkelveggen og mellom de to papillære musklene (Figur 2D). Sjekk om skiven forblir i midten av ventrikelen gjennom hele hjertesyklusen.
- Utfør en inngjerdet sekvensiell SA GRE-skanning med flere stykker (Tabell 1, skanning 5) for systoliske funksjonsmålinger. Til dette formål plasserer du en midtventrikulær skive vinkelrett på den lange LV-aksen i 2CH- og 4CH-visningene midt i hjertet, og øker antall skiver (vanligvis et oddetall, for eksempel 7 eller 9 skiver, ingen mellomrom mellom sektorene) for å dekke hjertet fra base til apex (figur 2E).
- For følgende retrospektivt inngjerdede skanninger (trinn 3.8-3.9), slå av all potensiell hjerte- og åndedrettsfunksjonalitet. Legg merke til hjerte- og åndedrettsfrekvensen før og etter hver retrospektivt inngjerdede skanning, og bruk disse verdiene til rekonstruksjon senere (trinn 5.2.2).
- Utfør tre sekvensielle GRE-skanninger med én skive i ettertid i den midterventricular SA-visningen (for kvantifisering av forholdet mellom E'/A), 2CH- og 4CH-visning, de to sistnevnte som er nødvendige for kvantifisering av myokardstammen og HDF-verdiene (Tabell 1, skann 6-8). Hvis det er nødvendig, optimaliserer du de endelige 2CH- og 4CH-stykkeretningene basert på SA-visningene med flere stykker, i tillegg til tilgjengelige 2CH- og 4CH-speiderskanninger.
- Utfør en ekstra RETROSpektivt inngjerdet GRE-skanning med én skive i en 3-kammersvisning (3CH), som kombinert med 2CH- og 4CH-visningen fra trinn 3.8 er nødvendig for kvantifisering av myokardstammen og HDF-verdiene (Tabell 1, skanning 9). Til dette formål plasserer du en skive vinkelrett på den midtventrikulære SA-visningen som ligner på posisjonen til den endelige langakse-4CH-visningen, og vri skiven 45° for å passere fra den fremre veggen til den papillære muskelen nærmest den bakre veggen. Inspiser basal SA-skive for å se om skiven passerer gjennom mitral- og aortaventilen. Undersøk i den endelige 4CH-visningen med lang akse hvis stykket går gjennom toppunktet (figur 2F).
Figur 2: Stykkeplanlegging for CMR-avbildning i en mus. (A) GRE SCOUT planlegger gjennom hjertet i 3 ortogonale visninger ved hjelp av første speiderskanning. (B) Kortaksespeiderplanlegging på GRE SCOUT coronal og sagittal skiver. (C) Planlegging av 2CH speidervisning ved hjelp av kortaksespeideren og GRE SCOUT coronal-sektoren. (D) Planlegging av 4CH speidervisning ved hjelp av kortaksespeideren og 2CH-speideren. (E) Planlegging av kortaksevisningen med flere stykker ved hjelp av 2CH- og 4CH-speidere. (F) (venstre) Planlegging av endelige 2CH-, 3CH- og 4CH-visninger ved hjelp av mellomventricular kortakse- og 2CH/4CH-speidervisningene. Forkortelser: CMR = kardiovaskulær magnetisk resonansavbildning; GRE = Gradert ekko; CH = kammer. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Skann(e) nummer(er) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6-9 |
| Skann navn | GRE speider | SA-speider med flere stykker | 2CH speider | 4CH speider | sikkerhetstilordning for flere stykker | SA, 2CH, 4CH, 3CH |
| totalt antall stykker | 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 |
| Vend 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 *** |
| Størrelse på matrise | 192 x 192 | 192 x 192 | 192 x 192 | 192 x 192 | 192 x 192 | 192 x 192 |
| EKG-utløser | Nei | Ja | Ja | Ja | Ja | Retrospektiv |
| Åndedrettsutløser | Ja | Ja | Ja | Ja | Ja | Retrospektiv |
| Gjennomsnitt | 1 | 3 | 5 | 5 | 5 | retrospektiv **** |
| Total bildetid (estimert *****) | 2 min. | 2 min. | 3-4 min | 3-4 min | 20-25 min | 13 min / skanning |
Tabell 1: Anskaffelsesparametere for hver sekvens som brukes under CMR-protokollen. * Skanninger utføres i tre forskjellige ortogonale retninger (aksial, koronal, sagittal). **Den korteste mulige TE-en, gitt alle andre parametere, brukes, som avhenger av den spesifikke skannerkonfigurasjonen. Dette er antall hjerterammer etter retrospektiv binning. Den effektive gjennomsnittet avhenger av tilfeldig k-plassfylling i løpet av den totale oppkjøpstiden. Totalt ble det utført 400 repetisjoner av alle k-linjer. Inkludert EKG/respiratoriske utløsende forsinkelser. Forkortelser: CMR = kardiovaskulær magnetisk resonansavbildning; EKG = elektrokardiogram; GRE = gradert ekko; FOV = synsfelt; TE = ekkotid; TR = repetisjonstid; Nframes = antall hjerterammer; SA = kort akse; CH = kammer. Klikk her for å laste ned denne tabellen.
4. Sluttføring av eksperimentet og datalagring
- Fjern musen fra holderen etter å ha løsnet alt annet måleutstyr, og slå av anestesi. Når det gjelder langsgående eksperimenter, plasser musen i et forvarmet boligbur ved 37 °C for utvinning til dyret er våkent og aktivt.
- Rengjør alt utstyr som er brukt med rengjøringsservietter eller 70% alkohol.
- Generer DICOM-filer (Digital Imaging and Communication in Medicine) for de potensielt inngjerdede MR-dataene, og kopier disse sammen med MR-rådatafilene til de retrospektivt inngjerdede skanningene til en sikker server for etterfølgende dataanalyse.
5. Offline rekonstruksjon av de retrospektivt oppkjøpte skanningene
MERK: For rekonstruksjon av de retrospektivt inngjerdede skanningene ble det brukt en spesialbygd åpen kildekode-programvare (figur 3). Utfør følgende trinn for hver av de retrospektivt utløste dataene separat.
- Åpne rekonstruksjonsprogramvaren Retrospective, og last inn RAW-datafilen som tilsvarer en MR-skanning som er inngjerdet i ettertid.
- Inspiser Raw-navigasjonssignalet, og legg merke til at de høyere signaltoppene representerer luftveiene og de lavere signaltoppene representerer hjertefrekvensen.
- Hvis toppene registreres opp-ned, snur du signalet med opp/ned-bryteren.
- I tillegg må du kontrollere om den automatisk registrerte pulsen tilsvarer 10 % av de observerte verdiene under hver skanning. Hvis ikke, må du justere disse verdiene manuelt fordi automatisert gjenkjenning mislyktes.
- Velg en passende vindusprosent for utelukkelse av data under åndedrettsbevegelse, vanligvis 30%.
- Trykk filter for å utføre navigatøranalysen, og skill hjertenavigatoren fra åndedrettsnavigatoren.
- Sett antall CINE-rammer til 32 (verdi som brukes i denne studien), og trykk sorter k-mellomrom.
- Velg riktige innstillinger for regelmessiggjøring av komprimert sensor (CS), og trykk rekonstruer. Bruk følgende vanlige regulariseringsparametere: wavelet regularization parameter i de romlige (x, y og z) dimensjonene (WVxyz) 0,001 eller 0; total variasjonsbetingelse i CINE-dimensjonen (TVcine) 0,1; total variasjonsbetingelse i romlig dimensjon (TVxyz) 0; og total variasjonsbetingelse i dynamikkdimensjonen (TVdyn) 0,05.
- Når rekonstruksjonen er fullført, forhåndsviser du CINE-filmen for å evaluere rekonstruksjonen. Eksporter DICOM-avbildninger for videre analyse med Eksporter DCM.
Figur 3: "Retrospektiv" som utløser grafisk brukergrensesnitt. 'Retrospective' er et spesialbygget rekonstruksjonsprogram for retrospektivt utløste hjertemagnetiske resonansavbildningsskanninger. I brukergrensesnittet er det mulig å evaluere navigatørsignalet, justere antall CINE-rammer som skal rekonstrueres, justere de komprimerte sensorparametrene for å forbedre rekonstruksjonen, forhåndsvise CINE-bildene som en dynamisk film og eksportere de rekonstruerte dataene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
6. Programvare for bildeanalyse
MERK: Bildeanalyseprogramvaren (figur 4) krever bruk av DICOM-bilder og har flere plugins for forskjellige kardiovaskulære analyseapplikasjoner, for eksempel plugin for volumetriske målinger og plugin for belastning og HDF-analyse.
- For volumetrisk vurdering av LV, velg multi-slice SA-skanningen, og last den inn i plugin-modulen for volumetriske målinger.
- Tilordne endesystoliske (ES) og enddiastoliske (ED) etiketter til den tilsvarende hjerterammen.
- Bruk konturverktøyene til å segmentere endomyokardielle kantlinjer i ES- og ED-rammene.
MERK: Analyseprogramvaren, som brukes for denne protokollen, viser automatisk LV EF-, EDV-, ESV-parametrene når alle nødvendige merknader er gjort.
- For diastoliske målinger velger du midventricular SA CINE-bilder, og laster disse inn i plugin-modulen for volumetriske målinger.
- Tilordne ED- og ES-etikettene til de tilsvarende hjerterammene.
- Bruk konturverktøyene til å segmentere endokardielle kantlinjer for alle rammer. Sammenlign segmenteringen av nærliggende rammer for å sikre jevne overganger av segmenteringen gjennom hjertesyklusen.
- Eksporter tidsutviklingen fra alle hjerterammer og tilsvarende LV-endomyokardiale volumer (LV ENDO). Bruk et spesialbygd skript (se Tilleggsmateriale) for å beregne forholdet mellom E og A.
MERK: Skriptet bruker et Savitzky-Golay-filter for robust beregning av dV/dt-kurvene og bruker halvautomatisk toppdeteksjon for å finne toppene E' og A.
- For belastnings- og HDF-beregninger velger du 2CH-, 3CH- og 4CH-langakse-CINE-bildene, og laster dem inn i plugin-modulen for volumetriske målinger.
- Tilordne ED- og ES-etikettene til den tilsvarende hjerterammen i hver skiveretning.
- Bruk konturverktøyene til å segmentere endokardielle kantlinjer for alle rammer i alle tre retningene. Sammenlign segmenteringen av nærliggende rammer for å sikre jevne overganger av segmenteringen gjennom hjertesyklusen.
- Når konturene er trukket i plugin for volumetriske målinger, kjør plugin for belastning og HDF-analyse.
- Tilordne hvert av de innhentede datasettene til de tilsvarende etikettene for 2CH-, 3CH- og 4CH-visninger, og utfør belastningsanalysen.
- For HDF-analyse tegner du diameteren på mitralventilen ved den enddiastoliske rammen i alle 3 retninger, og tegner diameteren på aorta i 3-kammer langaksebildet.
Figur 4: Grafisk brukergrensesnitt for bildeanalyseprogramvare. Plugin for volumetrisk måling i bildeanalyseprogramvaren, som brukes til konturering av endomyokardielle grensen. For hvert datasett velges endediastoliske og end-systoliske hjertefaser, og endomyokardielle grensen segmenteres for alle rammer. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Representative Results
Ved hjelp av den tidligere beskrevne protokollen ble en gruppe sunne C57BL/6 wildtype mus (n = 6, alder 14 uker) skannet ved hjelp av en 7-Tesla MR-skanner ved hjelp av en fuglespole med 38 mm diameter. Under hver skanneøkt ble CINE SA-bildene med flere skiver anskaffet ved hjelp av potensielt inngjerdede GRE-sekvenser, mens enkeltskiven midventricular SA, 2CH, 3CH og 4CH-visninger CINE-bilder ble anskaffet ved hjelp av retrospektiv gating. Representative høybildefrekvensrekonstruksjoner av retrospektivt inngjerdede skanninger ved hjelp av en spesialbygd, etterbehandlingsprogramvare kan ses i Supplemental Video 1. Fra de resulterende bildene ble volumtidskurver under hjertesyklusen (figur 5A) bestemt, samt de tilsvarende første-derivatkurvene (dV/dt) for beregning av systolisk (EF = 72,4 ± 2,8 %) og diastoliske funksjonsparametere (E'/A'-forholdet = henholdsvis 1,5 ± 0,3).
CINE-bildene for 2CH-, 3CH- og 4CH-visning ble analysert ved hjelp av bildeanalyseprogramvare for å bestemme endokardmessige GLS-endringer (endoGLS) på tvers av hjertesyklusen (figur 5B) og tilsvarende topp GLS-verdier (-22,8 ± 2,4 %) som et mål for hjerteinfarktstamme. I tillegg beregner programvaren rotgjennomsnittet kvadratisk (RMS) HDF i langsgående (apex-base) (135,2 ± 31,7%) og tverrgående (inferolateral-anteroseptal) (12,9 ± 5,0%) retninger. For hvert dyr er det også mulig å produsere en HDF-tidsprofil, som følger et konsistent mønster av positive og negative topper som representerer størrelsen og retningen til HDF under hjertesyklusen (Figur 5C). Beskrivende resultater av alle resultatparametere summeres i Figur 5D.
Figur 5: Kvantifisering av LV-funksjonsparametere basert på musehjertet. (A) Representativ volumtidskurve og tilsvarende dV/dt-kurve. Sistnevnte skildrer strømningshastigheten med distinkt tidlig fyllingstopp (E') og atriekontraksjon (A') topp. (B) Representativ GLS-kurve som indikerer belastningsdeformasjon i langsgående retning gjennom hele hjertesyklusen. (C) Representativ HDF-kurve med distinkte krafttopper i toppretningen, starter med systolisk utkastelseskraft og etterfulgt av en nedadgående kraft ved overgangen mellom systole og diastole, E-bølge retardasjonskraft, A-bølgeakselerasjon og retardasjonskraft. (D) Beskrivende resultater av alle dyr for verdier av EF, E'/A' forhold, topp GLS og rotgjennomsnitt kvadrat av HDF i apex-base og inferolateral-anteroseptal retninger. Verdier uttrykkes som gjennomsnittlig ± SD. Forkortelser: LV = venstre ventrikel; V = volum; t = klokkeslett; GLS = global langsgående stamme; HDF = hemodynamiske krefter; EF = utkasterbrøk. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Ekstra video 1: Representativ rekonstruksjon av retrospektivt inngjerdede CINE-bilder i SA-, 2CH-, 3CH- og 4CH-visninger. Forkortelser: SA = kort akse; CH = kammer. Klikk her for å laste ned denne videoen.
Tilleggsmateriale: Klikk her for å laste ned denne filen.
Discussion
Den presenterte protokollen beskriver bruken av CMR-avbildning for langsgående, ikke-invasive, in vivo-eksperimenter for å analysere hjertefunksjon hos mus. Disse resultatene er eksempler på friske dyr for å demonstrere muligheten for å bruke CINE-bilder for å kvantifisere hjerteparametrene. Metodene som er beskrevet, kan imidlertid brukes til ulike dyremodeller. Selv om spesifikke sykdomsmodeller kan kreve små endringer i protokollen, vil den grunnleggende strukturen for å vurdere de forskjellige hjertefunksjonelle parametrene være svært like. Et spesielt tilfelle verdt å nevne er en hjerteinfarktmodell der en del av hjertet har betydelig tap i kontraktilitet. Dette kan føre til lav kvalitet på hjertenavigatorsignalet i denne sektoren. I dette tilfellet vil et alternativt alternativ være å skaffe navigatøren fra en egen skive, som beskrevet i en tidligere studie av Coolen et al.16. CINE-bilder i forskjellige visninger rekonstrueres fra retrospektivt inngjerdede data ved hjelp av CS-algoritmer og analyseres ved hjelp av bildeanalyseprogramvare for å beregne belastnings- og HDF-verdiene.
Kvaliteten på de oppkjøpte bildene avhenger naturlig av alle forberedelsestrinn, som må utføres nøye før du starter hjerte-MR-protokollen. For eksempel, hvis det ikke ses klare EKG- og åndedrettssignaler når du plasserer dyret inne i MR-skanneren, vil dette sannsynligvis resultere i suboptimale oppkjøp og til og med økte skannetider på grunn av den ekstra effekten av magnetohydrodynamiske forvrengninger17. Det er viktig å innse at på grunn av sekvensiell planlegging av skiveretningene, kan dyrene ikke bare omplasseres mellom skanninger. Det er derfor ikke mulig å justere EKG-ledningene mellom skanninger, da dette vil endre musens posisjon i skanneren. Under skanning er temperaturkontroll avgjørende for å opprettholde et konstant hjerte- og åndedrettsintervall, noe som spesielt fordeler kvaliteten på de retrospektivt inngjerdede skanningene som er anskaffet over en lengre periode. Under denne høye syklusskanningen kan temperaturen på dyret øke jevnt og trutt, noe som fører til at hjertefrekvensen og luftveiene øker. Justering av temperaturen i varmesystemet og anestesi kan i stor grad bidra til å stabilisere luftveiene før eller under skanning.
Et kritisk trinn under analysen er konsistensen i konturtegningen. Mens automatisk segmentering fungerer bra for kliniske data, fungerer den ikke robust når det gjelder muse hjertedata (ikke testet for rotter). Den høye hjertefrekvensen og den høye blodstrømmen i spesifikke hjertefaser, spesielt ved starten av LV-fylling, kan forårsake intravokseldefaserings- og signalhull, noe som kompromitterer hjerteveggens avgrensning. Det anbefales derfor ikke å analysere hver ramme uavhengig, men visuelt inspisere bevegelsen av myokardveggen mellom rammer og ta hensyn til dette når du tegner konturene på tvers av alle rammer. Det anbefales å kopiere og justere endokardielle konturen mellom to påfølgende rammer for å opprettholde en mer naturlig kontraktil bevegelse i analysen. I denne protokollen er papillære muskler utelukket fra ventrikulær lumenvolum i SA-bildene for systolisk og diastolisk funksjonsvurdering, mens de er inkludert i 2CH-, 3CH- og 4CH-visningene for belastnings- og HDF-analyse fordi sistnevnte er avhengig av kunnskap om den nøyaktige bevegelsen til myokardveggen, i stedet for det nøyaktige volumet av ventrikulære lumen.
Mens systoliske og diastoliske funksjonsparametere er basert på måling av LV-volumer gjennom hele hjertesyklusen, er belastnings- og HDF-parametere også avhengig av bevegelsesmønstre i myokardveggen. For dette brukes funksjonssporingsteknikker der forskyvningen av myokardsegmentet kan vurderes ved å gjenkjenne tydelige anatomiske egenskaper og signalintensiteter mellom påfølgende CINE-faser. Den sterke kontrasten mellom blodbasseng og myokardi i CMR-bilder letter bruken av funksjonssporing for påfølgende belastning og HDF-analyse8. Før CMR-funksjonssporing ble den myokardbaserte stammen bestemt med flekksporingsikkografi og CMR-vevsmerking. CMR-funksjonssporing krever ikke ekstra skannetid sammenlignet med CMR-vevsmerking. Til tross for bruk av retrospektiv utløsning har CMR fortsatt en begrenset temporal oppløsning, noe som kan gjøre det vanskelig å vurdere raske deformasjoner i hjertesyklusen riktig.
Vurdering av HDF gjennom hele hjertesyklusen krever målinger av diameteren på mitral- og aortaventilene for å beregne HDF i apex-base og inferolateral-anteroseptal retninger ved hjelp av tidligere beskrevneligninger 18. Denne metoden har vist konsistente estimater av HDF sammenlignet med referansestandarden 4D-flow MR, som har begrenset tilgjengelighet i klinisk bruk på grunn av kompleksiteten6. Det er viktig å vite at robust estimering av ventildiametrene er vanskelig, og derfor bør ventildiametrene holdes konstante for en gruppe dyr og på tvers av gjentatte målinger i en langsgående studie, da variasjoner i denne parameteren ved feil beregninger lett kan overskygge subtile endringer i HDF-parametere. Den spesifikke programvaren som brukes til å beregne GLS- og HDF-parametere, er kanskje ikke tilgjengelig for alle brukere. Derfor kan man referere til Voigt et al.19 (GLS) samt Pedrizzetti et al.6,20 (HDF), som inneholder alle matematiske beskrivelser som danner grunnlaget for de respektive beregningene som utføres av analyseprogramvaren.
I denne studien ble protokollen evaluert hos friske dyr (N = 6). Et representativt sett med tidskurver for LV-volum, dV/dt, endoGLS og HDF vises i figur 5A-C. Gjennomsnittsverdier for flere hjertefunksjonelle parametere (EF, E'/A'-forhold, topp GLS og HDF) vises i figur 5D. Disse er godt enige med sammenlignbare protokoller som brukes i litteraturen21. Litteratur om GLS- og HDF-data hos mus er knapp. En gjennomsnittlig GLS-verdi på -22,8% ble målt, som er i samme område som kliniske data8, noe som indikerer at GLS-målinger oppnådd med den beskrevne metoden er gjennomførbare hos mus. HDF-kurver oppnådd hos mus viser også de samme distinkte fasene som sett i menneskelige data, og viser vellykket oversettelse av denne teknikken til preklinisk forskning. Mens HDF-parametere er hypoteset til å tjene som tidlige biomarkører for hjertedysfunksjon, er flere studier berettiget til å undersøke den diagnostiske og prediktive verdien av denne nye parameteren. Resultatene i denne protokollen viser at HDF- og GLS-resultatene forventes å være mer variable på tvers av dyr, noe som må tas i betraktning når subtile forskjeller i dyremodeller eller behandlingseffekter forventes.
Disclosures
Ruslan Garipov er ansatt i MR Solutions Ltd., Guildford, Storbritannia. David Hautemann er ansatt i Medis medical imaging systems B.V., Leiden, Nederland.
Acknowledgments
Forfatterne takker Dorita Dekkers og Fatimah Al Darwish for hjelp med 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 |
References
- 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).
- Bakermans, A. J., et al. Small animal cardiovascular MR imaging and spectroscopy. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 88-89, 1-47 (2015).
- Wu, Y. L., Lo, C. W. Diverse application of MRI for mouse phenotyping. Birth Defects Research. 109 (10), 758-770 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Scatteia, A., Baritussio, A., Bucciarelli-Ducci, C. Strain imaging using cardiac magnetic resonance. Heart Failure Reviews. 22 (4), 465-476 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Domenichini, F., Pedrizzetti, G. Hemodynamic forces in a model left ventricle. Physical Review Fluids. 1, 083201 (2016).
- 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).
- Pedrizzetti, G. On the computation of hemodynamic forces in the heart chambers. Journal of Biomechanics. 95, 109323 (2019).
- 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).
