Önerilen kurulum, farelerde ve sıçanlarda kontrollü mekanik ventilasyona ve 3D toraks hareketinin Manyetik Rezonans görüntülemesine izin verir. Bu düzeneği, mekanik ventilasyona bağlı solunum kası disfonksiyonunun altında yatan patofizyolojiyi incelemek için kullandık.
Yöntem makalesi
Mekanik Olarak Havalandırılan Fare ve Sıçanlarda Solunum Hareketinin 3D Cine Manyetik Rezonans Görüntülemesi
* These authors contributed equally
Bu makalede
Özet
Özet
Mekanik ventilasyona tabi tutulan hastalarda diyafram disfonksiyonunun patofizyolojisi henüz tam olarak anlaşılamamıştır ve daha fazla araştırmaya uyum sağlamak için yeterli hayvan modellerine ihtiyaç vardır. Pozitif ekspiratuar son basınç (PEEP) seviyesi gibi mekanik ventilasyon ayarları çok önemli bir rol oynar. Amaç, farklı solunum basıncı ayarlarında farelerin ve sıçanların mekanik ventilasyonu sırasında 3D torasik hareketi görüntülemek için bir yöntem geliştirmekti. Sıçanlar (Wistar) ve fareler (C57BL/6) ketamin, atropin ve deksmedetomidin karışımı ile uyuşturuldu. Anestezi, peritoneal kateter yoluyla sürekli infüzyonla sağlandı. Daha sonra hayvanların mekanik ventilasyonunu sağlamak için trakeostomi yapıldı. Hayvanlar, MR uyumlu bir ventilatör ile havalandırılırken 7T MR sistemine yerleştirildi. Toraksın 3 boyutlu sine görüntülemesi, psödo-spiral k-boşluk dolgulu 3 boyutlu gradyan eko sekansı kullanılarak gerçekleştirildi. Dilim seçimi geri sarıcı gradyanı tarafından üretilen bir navigatör sinyali her TR'de kaydedildi. Verilerin 12 solunum sinesi zaman diliminde geriye dönük olarak gruplanması ve yeniden yapılandırılması, şirket içinde geliştirilen yazılım kullanılarak gerçekleştirildi. Mekanik ventilasyon sırasında her iki türde de torasik hareketi 3D olarak başarılı bir şekilde görselleştirdik ve değişen PEEP seviyelerinde solunum döngüsü boyunca toraks geometrisindeki değişikliklerin araştırılmasını sağladık. Solunum çerçevelerinin geriye dönük olarak gruplanmasının sabit solunum hızı ile oldukça kolaylaştırıldığını bulduk. Burada sunulan protokol, mekanik olarak havalandırılan fare ve sıçanlarda kardiyak ve torasik geometri ve hareketi incelemek için kullanılabilir.
Giriş
Mekanik ventilasyon, yoğun bakım ünitesinde akut solunum yetmezliği tedavisinin temel taşıdır. Ne yazık ki, yaralanmaya da neden olabilir. Ventilatöre bağlı akciğer hasarı, ventilatöre bağlı beyin hasarı ve ventilatöre bağlı diyafram disfonksiyonu, akut mekanik ventilasyonla ilişkili iyatrojenik komplikasyonlara örnektir 1,2,3. Bu yaralanma mekanizmalarının altında yatan patofizyoloji tam olarak anlaşılamamıştır. Hayvanlarda yapılan deneysel çalışmalar, mekanik ventilasyon komplikasyonlarının altında yatan önemli mekanizmaları tanımlamış ve yeni ventilasyon stratejilerinin uygulanması yoluyla klinik uygulamaya çevrilmesine izin vermiştir4. Yakın tarihli bir örnek, domuz ARDS modellerindeventilatör senkronizasyon bozukluklarının diyafram fonksiyonu üzerindeki etkisi üzerine yapılan araştırmadır 5. Mekanik olarak havalandırılan hayvan modellerinde yapılan bu tür araştırmalar, hayvan testlerinden uzaklaşma eğiliminde olsa bile, yaralanma mekanizmalarını aydınlatmak için hayati önem taşımaktadır. Mekanik ventilasyonun etkileri üzerine yapılan çalışmalar, sağlam bir kardiyopulmoner sistem ve yoğun bakım ünitesinde yaygın olarak görülen patofizyolojiyi simüle etme yeteneği gerektirir4. Büyük hayvan modelleri, insan fizyolojisini kemirgenlerden daha yakından taklit ettikleri ve yoğun bakım ünitesinde kullanılan makinelerle havalandırılabildikleri için sıklıkla kullanılmaktadır4. Başlıca dezavantajlar, büyük hayvanların kullanılmasıyla ilişkili yüksek maliyet ve hastalığın moleküler mekanizmalarını araştırmak için genetiği değiştirilmiş büyük hayvan modellerinin olmamasıdır 6,7. Bu nedenle, karmaşık doku kültürleri veya çip üzerinde organ modelleri gibi alternatifler mevcut olmadığı sürece, mekanik olarak havalandırılan kemirgenlerde deneyler kaçınılmazdır.
Hayvanlarda sonuçları iyileştiren çeşitli müdahaleler insanlara tercüme edilmedi 4,6, bu da yaygın olarak kullanılan mekanik ventilasyon hayvan modellerinin insanlardan ne kadar farklı olduğunu anlamanın öneminin altını çizdi. Ventilatör ayarlarının solunum sistemi üzerindeki etkileri, doku elastansı, kas tonusu ve yaygın olarak kullanılan anesteziklere yanıttaki varyasyon gibi türe özgü olabilecek çok sayıda faktör tarafından belirlenir 8,9,10,11. Bu farklılıklar, insanlar ve hayvanlar arasındaki eşitsizliği açıklayabilecek göğüs ve akciğer hareketi ve geometrisi üzerinde zıt etkilere yol açabilir. Ventilasyon ayarlarının kardiyopulmoner sistemin geometrisi ve hareketi üzerindeki etkisinin araştırılması, türler arasındaki farklılıkları aydınlatabilir ve hayvan çalışmalarından elde edilen patofizyolojik kavramların klinik ortama çevrilmesine yardımcı olabilir. Hareket çözümlü kardiyovasküler manyetik rezonans görüntülemenin teknik ilerlemesi, kemirgen modellerinde atan kalbin görüntülenmesini mümkün kılmış ve kardiyovasküler hastalığın kemirgen modellerinde şekil, işlev ve patofizyoloji hakkında bilgi sağlamıştır12,13. Bu yöntemler, mekanik olarak havalandırılan hayvanlarda solunum döngüsü sırasında göğüs kafesini ve hareketi görüntülemek için yeterince kullanılmamaktadır.
Burada, 3D sine MRI kullanarak mekanik olarak havalandırılan kemirgenlerde göğüs geometrisini ve hareketlerini incelemek için bir yöntem sunuyoruz. Bu, mekanik olarak havalandırılan kemirgenlerde çok sayıda ventilatör ayarının veya diğer müdahalelerin göğüs geometrisi ve hareketi üzerindeki akut etkilerinin incelenmesine izin verir. Havalandırılmış küçük hayvanlar için yeni bir psödo-spiral, solunum kapılı 3D sine MRI çekimi uyguladık13,14. Bu ilk çalışmada, pozitif ekspiratuar basıncın (PEEP) etkilerini araştırdık, ancak bu yöntem aynı zamanda I: E oranı, tidal hacim ve solunum hızı gibi diğer müdahalelerin veya solunum ortamlarının etkisini incelemek için de kullanılabilir. Bu yöntem, yoğun bakım araştırmaları alanında ve ötesinde mekanik ventilasyon gerektiren kemirgen modellerinin klinik öncesi görüntülenmesi için bir dizi olasılık açacaktır.
Protokol
Açıklanan tüm prosedürler, Avrupa Birliği EC direktifi 86/609'a göre gerçekleştirilmiştir. Deneyler, Amsterdam UMC Hayvan Etik Kurulu, VUmc ve AMC lokasyonu tarafından onaylandı. C57BL/N fareleri ve Wistar sıçanları Charles River laboratuvarlarından elde edildi. Tüm deneyler için 25-32 g ağırlığında 3-6 aylık erkek ve dişi fareler ile 200-400 g ağırlığında 3-6 aylık erkek ve dişi sıçanlar kullanıldı. Yiyecek ve su ad libitum olarak sağlandı. Tüm hayvanlar, deneylerin başlamasından en az 1 hafta önce iklimlendirildi.
1. Kurulumun hazırlanması
- Anestezi ilaçlarını 2. adımda belirtilen dozajlara göre hazırlayın.
- Ventilatör menüsünde gezinerek ve Kurulum > Daha Fazla Ventilatör > Calib&Tests'e tıklayarak mekanik ventilatörü kalibre edin. Burada listelenen dört testi ve kalibrasyonu da gerçekleştirin: Sızıntı Testi, Boruyu Temizle, Ölü Alanı Ölç ve Boruyu Temizle.
- MR uyumlu mekanik ventilatörü MR odasına yerleştirin ve MR uyumlu ventilatöre bağlı kabloları MR makinesinin deliğinden çekin. MR uyumlu ventilatörden gelen ventilasyonu kontrol etmek için bir test akciğeri (örneğin küçük bir balon) kullanılabilir.
- MR uyumlu mekanik ventilatörü kompresöre ve bir oksijen akışı kaynağına bağlayın.
- 10 mL'lik bir ölçüm kolonunu suyla doldurarak ve suyun derinliğini santimetre cinsinden işaretleyerek bir PEEP kolonu hazırlayın. MR uyumlu ventilatörün ekspiratuar tüpünü PEEP kolonuna yerleştirin. Kuruluma genel bir bakış Şekil 1'de gösterilmektedir.
- Hayvanın göğüs kafesinin olacağı yerde MR beşiğine gevşek bir şekilde bir solunum yastığı bantlayın.
2. Anestezi ve mekanik ventilasyonun başlaması
- Hayvanın (fare veya sıçan) sedasyonunu% 100 O2 içinde% 4 izofluran ile dolu bir gaz odasına yerleştirerek başlatın.
- Anestezi dozunu belirlemek için hayvanı tartın. Ameliyat bölgesine (gırtlak bölgesi) 3 mg/kg bupivakain enjekte edin ve her iki göze de göz merhemi sürün.
- Bir burun konisinden 0 oksijende izofluranın %2-%4'ünü kendiliğinden solurken hayvanı bir ısıtma yastığına yerleştirin. Hayvanın patilerinden birine bir nabız oksimetresi yerleştirerek ve rektal termometre probunu yerleştirerek kalp atış hızının, oksijen doygunluğunun ve sıcaklığın izlenmesini sağlayın.
- Kesiden önce reflekslerin yokluğunu test edin. Gırtlak ve soluk borusunu kaplayan cildi cerrahi forseps ile kaldırın ve bükülmüş makas kullanarak bir kesi yapın.
- Trakea görünene kadar tükürük bezlerini ve alttaki kasları kör bir şekilde inceleyin.
- Bükülmüş, keskin forseps kullanarak, trakeanın dorsal tarafını diseke edin ve trakeanın etrafına emilmeyen örgülü ipek bir sütür (6/0 boyutunda) çekmek için trakeanın altına forseps yerleştirin.
- Trakeayı bir kıkırdak halkasından tutun ve yaylı makas kullanarak trakeayı halkanın hemen altında açın.
- Trakeayı yaklaşık 1-1,5 cm uzunluğunda kesilmiş 20G (fare) veya 14G (sıçan) Abbocath ile kanüle edin. Hava geçirmez bir sızdırmazlık sağlamak için dikişi kanüllü trakeanın etrafına bağlayın.
- Hayvanın ventilasyonunu 7 mL/kg gelgit hacmi, fareler için 150 BPM ve sıçanlar için 80 BPM frekans, 0 oksijen içinde %3 izofluran ile 2 cmH2O PEEP ile başlatın.
- Enjeksiyon anestezisinin indüksiyon dozunun intraperitoneal enjeksiyonunu gerçekleştirin (fare: ketamin 126 mg / kg, deksmedetomidin 0.1 mg / kg, atropin 0.5 mg / kg; sıçan: ketamin 90 mg / kg, deksmedetomidin 0.25 mg / kg, atropin 0.05 mg / kg) ve 5 dakika sonra, gazdan enjeksiyon anestezisine yumuşak bir geçiş sağlamak için izofluran akışını kademeli olarak azaltın (10 dakikada% 3 ila% 0).
- 24G Abbocath'ı intraperitoneal olarak yerleştirin ve aşağıdaki oranlarda perfüzöre bağlayın fare: ketamin 36 mg/kg/saat, deksmedetomidin 0.02 mg/kg/saat, atropin 0.075 mg/kg/saat; Sıçan: ketamin 30 mg/kg/saat, deksmedetomidin 0.015 mg/kg/saat, atropin 0.075 mg/kg/saat. İnfüzyona başlayın.
NOT: Oral entübasyon yerine hayvanları havalandırmak için trakeostomi yaptık çünkü bu, trakea çevresine bir dikiş atmamızı sağladı. Bu, yeterli PEEP'i korumak için çok önemli olan hava sızıntısını önlemek için gerekliydi.
3. Mekanik ventilasyon altında MRI
- Hayvanı sırtüstü pozisyonda özel MR beşiğine yerleştirin ve trakeotomi tüpüne göz kulak olurken fareler veya sıçanlar için uygun MR bobinini üzerine yerleştirin.
- 1.2'de kullanılan mekanik ventilatörü ve anestezi pompasını durdurun ve bağlantısını kesin ve hayvanı MR odasına taşıyın. Hayvanı MR uyumlu ventilatöre yeniden bağlayın ve 10 mL/kg tidal hacim ve fareler için 150 BPM ve sıçanlar için 80 BPM frekansla ventilasyona başlayın. Tidal hacim, nakil sırasında çökmüş olabilecek akciğer dokusunu almak için 1.2'de kullanılan ventilatörden daha büyüktür.
- Anestezi derinliğini korumak için anestezi pompasını yukarıda belirtilen oranlarda yeniden bağlayın. MR sistemine bağlı olarak, anestezi hatlarını MR deliğinin içine veya dışına yerleştirin.
- Doygunluk ve kalp atış hızı monitörünün sensörünü hayvanın arka uzvuna yerleştirin ve rektal termometre probunu takın. Solunum izleme sistemini solunum yastığına bağlayın. Tüm sinyalleri kontrol edin ve kalp atış hızının, oksijen doygunluğunun ve sıcaklığın fizyolojik aralıkta olduğundan emin olun.
NOT: Solunum izleme, MR uyumlu ventilatörde ayarlanan solunum frekansını göstermelidir ve yalnızca hayvanın solunum çabasını tespit etmek için kullanılır. Hayvanın solunum çabası göstermesi durumunda, solunum eğrisi ek zirveler gösterir. Bu, ek bir anestezi dozunun (ilk indüksiyon dozajının 1/3'ü) uygulanmasını gerektirir. - Hayvanı, bobin göğüs kafesi üzerinde ortalanmış olarak MR tarayıcıya yerleştirin ve radyofrekans kablolarını bobine bağlayın. Fareler ve sıçanlar arasındaki boyut farkını karşılamak için ayrı bir bobin ve beşik vardır (sıçan bobini ve beşik, fare bobinine kıyasla daha büyük bir çapa sahiptir). Ekspiratuar tüpü 6 cm su sütununa daldırın ve 6 cmH2O PEEP uygulayın.
- Oksijen doygunluğuna bağlı olarak tidal hacmi 7-9 mL/kg'a titre edin (0 doygunlukla mümkün olan en düşük tidal hacmi tercih edin).
4. Tarama alımı
NOT: Tablo 1 , tarama ayarlarına genel bir bakış sağlar.
- RF kalibrasyonu ve şimleme gerçekleştirmek için satıcı tarafından belirtilen yöntemleri kullanın.
- Koronal ve eksenel yönde beş görüntü içeren bir GÖZCÜ edinin ve tüm göğüs kafesinin görüş alanında (FOV) olduğundan emin olun. SCOUT, diğer görüntüleme düzlemlerini planlamak için kullanılan hızlı bir taramadır ve genellikle diğer görüntülerden daha geniş bir görüş alanını kapsar. Gerekirse, hayvanın beşikteki konumunu yeniden ayarlayın ve SCOUT'u yeniden yapın.
- SCOUT görüntüleri üzerinde 2D taramaları planlayın (bkz. Tablo 1 ve Şekil 2). Koronal ve sagital düzlemin tüm göğüs kafesini kapladığından emin olun.
NOT: Sagital düzlem, kalbin FOV içindeki kısmını sınırlamak için sağ hemidiyaframın üstüne yerleştirilir. SCOUT'u 6 cmH2O PEEP'te alarak, diyaframın en kaudal pozisyonda görüntülenmesini sağlıyoruz. - 2D taramaları 6 cmH2O PEEP'te alın ve hayvanın konumunu kontrol etmek ve görüntü kalitesini sağlamak için görüntüleri hemen yeniden oluşturun (6. adımı izleyin). Gerekirse, FOV'un veya hayvanın konumunu yeniden ayarlayın ve taramaları yeniden yapın.
- FOV'u tüm göğüs kafesinin etrafına yerleştirerek 3D taramayı (Şekil 2) planlayın ve 2D taramaları kapatın. Katlama artefaktlarını önlemek için dilim yönündeki FOV'un yaklaşık 'sinin hayvanın dışında olduğundan emin olun.
NOT: 2D taramalar protokole eklenir çünkü edinme süresi 3D taramalardan daha kısadır, bu da onları müdahalelerin etkisini hızlı bir şekilde test etmek için uygun hale getirir. - Gerekli sözde spiral k-uzay örnekleme şeması (Şekil 3) ile 3D taramayı elde edin, bu da verilerin sağlam bir şekilde geriye dönük olarak gruplanmasına ve solunum hareketinin14 görselleştirilmesine olanak tanır.
- 2D ve 3D taramaları 3 ve 0 cmH2O PEEP'te tekrarlayın. Toplam tarama süresi 2D tarama başına 2,5 dakika ve 3D tarama başına 15 dakikaydı.
NOT: Bu durumda, deneyler sırasında PEEP'i uyarladık. 0, 3 ve 6 cmH2O PEEP'i seçtik çünkü uzun süreli ventilasyonlu hayvanlarla yapılan deneylerden (önceki araştırmalar ve devam eden çalışmalar) bu PEEP seviyelerinin diyafram ve göğüs geometrisinde ilgili değişikliklere neden olduğunu biliyoruz15. Ek olarak, PEEP'in etkisini göstermek için bu çalışmada sıfır, orta ve yüksek düzeyde PEEP kullanmayı tercih ettik. Araştırma sorusuna bağlı olarak, başka müdahaleler de mümkündür. Örneğin, kas gevşeticilerin veya diğer ilaçların göğüs kafesi geometrisi üzerindeki etkileri incelenebilir. Protokol, müdahalenin konu içi etkilerini incelememize olanak tanır.
Şekil 1: Kuruluma genel bakış. (A) Kurulumun şematik bir genel görünümü, (B) bir fare için bobin kurulumu, (C) fare bobininden daha büyük bir deliğe sahip bir sıçan için bobin kurulumu, (D) MR tarayıcısına göre bobin kurulumu, (E) 3 cmH2O PEEP'e yerleştirilmiş ekspiratuar tüplü PEEP kolonu ve (F) ventilasyonu düzenleyen valfin yakın çekimi, PEEP kolonuna hangi tüplerin yerleştirilmesi gerektiğini gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: 2D ve 3D cinler için MR Görüntülerinin Planlanması. Sagital ve koronal oryantasyonda (üst ve orta sıra) 2D taramalar ve sagital oryantasyonda (alt sıra) 3D taramalar için görüş alanının nasıl ayarlandığını gösteren şekil. Sol sütun, kalp seviyesinde eksenel yönde SCOUT'un dilimlerinden birini temsil eder, orta sütun, koronal yönde SCOUT'un bir dilimini gösterir ve sağ sütun, karaciğer seviyesinde eksenel yönde bir dilimi gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: MR sözde spiral örnekleme modeli. Örnekleme modeli, geriye dönük solunum hareketi gruplaması için optimize edilmiş matris boyutu 80 x 80 ile ky/kz faz kodlama yönündedir. Spiraller, k-uzayının merkezinden başlayarak ve sonra tekrar dönerek ve böylece her spirali tekrarlayarak oluşturulur. Tüm örnekleme modeli, her solunum çerçevesinde yeterli veri üretmek için 25 tekrarla gerçekleştirilir. Her spiralin farklı bir rengi vardır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
5. Deneyin sonu
- Tüm taramaları bitirdikten sonra hayvanı tarayıcıdan çıkarın. Hayvanlar trakeostomi nedeniyle deneyden sağ çıkamazlar. Servikal çıkığı olan fareleri ve sıçanları kan kaybıyla ötenazi yapın.
- Tüm ham ve yeniden yapılandırılmış MR dosyalarını kaydedin.
| Tarama türü | Gradyan Yankı İZLEME | Gradyan Yankı 2D | Gradyan Yankı 3D |
| Yönelim | Koronal ve Sagital | Koronal ve Sagital | Sagittal |
| k-Uzay örnekleme şeması | Kartezyen | Kartezyen | Sözde spiral |
| Dilim sayısı | 10 | 1 | 80 |
| Dilim kalınlığı (mm) | 1 (Fare) | 1 (Fare) | 0,38 (Fare) |
| 1 (Sıçan) | 1 (Sıçan) | 0.81 (Sıçan) | |
| Dilim aralığı (mm) | 2 (Fare) | 0 (Fare) | 0 (Fare) |
| 5 (Sıçan) | 0 (Sıçan) | 0 (Sıçan) | |
| Dilim örnekleme* | 0.8 | 0.8 | 0.8 |
| FOV (x faz x dilimi oku; mm) | 35 x 35 (Fare) | 30 x 23 (Fare) | 30 x 23 x 30 (Fare) |
| 80 x 80 (Sıçan) | 65 x 49 (Sıçan) | 65 x 49 x 65 (Sıçan) | |
| Matris boyutu (frekans x faz) | 256 x 192 | 256 x 192 | 211 x 80 x 80 |
| TR / TE (ms) | 45328 | 45330 | 45328 |
| Çevirme açısı (°) | 15 | 15 | 10 |
| Tekrar sayısı | 80 | 70 | 25 |
| Solunum tetikleme | Hayır | Evet, geriye dönük olarak | Evet, geriye dönük olarak |
| Görüntüleme süresi (dk:sn) | 2:02 | 2:23 | 16:00 |
| PEEP seviyeleri (cmH2O) | 6 | 6, 3, 0 | 6, 3, 0 |
Tablo 1: Tüm taramalar için edinme parametreleri. * Dilim örneklemesi, görüntüleme için dilim seçim darbesinin yüzde kaçının kullanıldığını gösterir
6. Görüntü rekonstrüksiyonu
- Görüntü yeniden yapılandırmasını gerçekleştirmek için GitHub16'da bulunan şirket içi geliştirilmiş yazılımı kullanın. Geriye dönük solunum kapısı gerektiren bir navigatör ile tüm taramalar için bu adımları gerçekleştirin.
NOT: Daha önce Daal ve arkadaşları tarafından tanımlanmıştı, ancak bu çalışma kardiyak görüntülemeye odaklanmıştı13. Burada, tüm göğüs kafesinin solunum kapılı görüntülerini yeniden yapılandırmak için bir yöntem açıklıyoruz. - MRD'yi Yükle'ye tıklayarak ham veri dosyasını yükleyin. Bu, ham navigatör sinyalini ve spektrumunu sol üst panelde görselleştirir. Solunum sinyali net bir şekilde görülmüyorsa, sekmedeki birincil navigatörü uyarlayın Ayarlar.
- Kalp/solunum filtrelerinde, MR uyumlu mekanik ventilatörde ayarlanan solunum hızını doldurun ve genişliği 15'e ayarlayın. Diğer kutulardaki ayarlar bu tür yeniden yapılandırmayla ilgili değildir. Şekil 4'te gösterildiği gibi, geçitli bir gezgin sinyaliyle sonuçlanan ayarları uygulamak için Filtre'ye basın. Solunum navigatörü ve Solunum hızı kutusundaki kırmızı sinyalin mavi, ham navigasyon sinyalini takip ettiğinden emin olun.
- Cine'de Solunum Filmi'ni seçin ve kare sayısını 12'ye, dinamik sayısını ise 1'e ayarlayın. Geometri sekmesinde, PCA'yı (seviye 8) ve Zil Filtresi'ni açın. Ayarları uygulamak için Sort k-space (K alanını sırala ) düğmesine basın.
- CS reco parametrelerinde aşağıdaki ayarları uygulayın: WVxyz 0.0010, TVxyz 0.0000, LLRxyz 0.0050, TVcine 0.015, TVdyn 0.000. Yeniden yapılandırmayı başlatmak için Reco Movies'e basın.
- Çerçeveler ve (varsa) dilimler arasında gezinerek sağ alt paneldeki yeniden yapılandırmayı inceleyin. DCM'yi Dışa Aktar ve/veya GIF'i Dışa Aktar'a basarak yeniden oluşturulan görüntüleri dışa aktarın.
7. Görüntü analizi
NOT: Araştırma sorusuna bağlı olarak, sinema görüntülerinden çeşitli sonuç parametreleri hesaplanabilir. Burada toraks geometrisini, akciğer hacmini ve geziyi ölçen parametrelere odaklanıyoruz.
- Uygun bir DICOM görüntüleyici açın, örneğin Malzeme Tablosunda belirtilen yazılım ve Dosya > Aç'a tıklayıp 2D sinema dosyalarını seçerek bir 2D sinema yükleyin. En yüksek diyafram pozisyonuna sahip çerçeveyi belirleyin (ekspiratuar çerçeve). Çerçeveyi seçin ve DICOM görüntüleyicide açın.
- Sagital 2D sinede ön-arka ve kranyokaudal akciğer boyutlarını (Şekil 5) ve koronal yönelimli 2D sinede sol-sağ boyutunu mikrodikomdaki ölçüm düğmesini kullanarak manuel olarak ölçün. Bu ölçümleri tüm PEEP seviyeleri veya diğer müdahaleler için tekrarlayın. Bu ölçümler, tarama seçimine bağlı olarak 3D sinemanın tek bir karesinde de gerçekleştirilebilir.
- 3D sineyi 3D görüntü analiz programına yükleyin ve Araçlar > Görüntüyü Yeniden Yönlendir'i tıklatarak görüntüyü doğru yönde yerleştirin. SPL'yi RAI Kodu olarak doldurun. Araçlar > Katman Denetçisi'ndeki dinamikler arasında gezinerek süre sonu çerçevesini seçin ve ardından Bileşen numarasını artırın.
- Akciğerlerin orta kısmını her oryantasyon için iki dilim halinde manuel olarak şekillendirerek segmentasyonu başlatın (Şekil 6). Boya fırçası modunu kullanın ve gerekirse fırçanın boyutunu ayarlayın.
- Ana Araç Çubuğunda Aktif Kontur'a basarak 3B segmentasyonu başlatın. Kırmızı kutunun (ROI) göğüs kafesinin tamamını kapladığından emin olun. Geçerli Segmentasyonla Başlat'ı açın ve Segment 3D'ye basın.
- Ön segmentasyon modu olarak Eşikleme'yi seçin ve En Sağdaki Eşik Modu'nu seçerek yalnızca bir üst eşik kullanın. İleri'ye basın. Ardından, tekrar İleri'ye basarak baloncuk ekleme adımını atlayın. Segmentasyon 7.5. adımda zaten başlatıldığından, herhangi bir baloncuk eklemeye gerek yoktur.
- Oynat düğmesine basarak aktif şekillendirmeyi başlatın ve segmentasyon akciğerin kenarlarına ulaşır ulaşmaz duraklatın. Segmentasyonu kontrol etmek için resimler arasında gezinin. Segmentasyonu sonlandırmak için Bitir'e basın.
- Sol alt paneldeki 3B segmentasyonu görselleştirmek ve incelemek ve döndürmek için Güncelle'ye basın.
- Segmentasyon'a tıklayarak segmentasyonu NiFTI olarak kaydedin > Segmentasyon Görüntüsünü Kaydet ve STL Ağ Dosyası tıklayarak Segmentasyon > Segmentasyon Ağını Dışa Aktar'a tıklayın.
- Segmentasyon, Hacim ve İstatistik'te bulunabilecek akciğer hacmini yazın.
- Ek Kodlama Dosyası 1'de sağlanan komut dosyasını kullanarak diğer solunum durumlarının görüntülerini ekspirasyon sonu dinamiğine kaydedin. Hesaplanan dönüşümleri segmentasyona uygulayarak her dinamik için bir segmentasyon elde edin. Tüm yönlerdeki geziler gibi sonuç parametrelerini hesaplamak için bu segmentasyonları kullanın.
Sonuçlar
Bu çalışmada açıklanan protokolü kullanarak, 8 sağlıklı C57BL/6 WT faresi ve 8 Wistar WT sıçanından oluşan bir grubu 7 Tesla MRI tarayıcısı kullanarak başarıyla taradık. Hayvanları farklı PEEP seviyelerinde mekanik olarak havalandırabildik ve tarama sırasında temel fizyolojik parametreleri izleyebildik (Şekil 7).
Şekil 5'te, ekspirasyon sonu çerçevesindeki üç 2D tarama örneği, sagital oryantasyonda bir fare ve bir sıçanın gösterilmektedir. Görülebileceği gibi, PEEP her iki hayvanda da diyaframın kaudal yer değiştirmesine neden olur, ancak farelerde buna ön-arka çapta bir artışla gösterilen göğüs kafesinin genişlemesi de eşlik eder.
Bu yüksek kaliteli taramalar, bu tekniği kullanarak göğüs kafesinin farklı bölümlerinin boyutunu ölçebildiğimizi ve çeşitli ventilasyon ayarlarının göğüs kafesi ve diyaframın hareketi üzerindeki etkilerini gösterebildiğimizi göstermektedir. Kısa tarama süresi, kişinin ilgilendiği sonuç parametrelerinin denekler içinde karşılaştırılmasına izin vererek gerekli hayvan sayısını azaltır. Tablo 2 , tüm hayvanların sonuç parametrelerini göstermektedir.
Şekil 8, karşılık gelen akciğer hacmi ile üç PEEP seviyesinde ekspirasyon sonu dinamiğinin akciğer segmentasyonlarını göstermektedir. Beklendiği gibi, artan PEEP, akciğer hacminde bir artışa neden oldu. 3D filmler ayrıca Ek Video 1 ve Ek Video 2'de bir film olarak görüntülenir.
Şekil 4: Verilerin geriye dönük geçişi ile görüntüleri yeniden oluşturmak için kullanılan yazılımın ekran görüntüsü. Verilerin geçitlenmesi, navigatör sinyaline dayanmaktadır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Bir sıçan ve bir farede üç PEEP seviyesinde, ön-arka ve kranio-kaudal akciğer boyutları ile 2D görüntülerin temsili sonuçları. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Akciğerleri 3 boyutlu hücrelerde segmentlere ayırmak için kullanılan yazılımın ekran görüntüsü. Sol üst panelde, akciğer kırmızı renkte bölümlere ayrılmış olarak 3D sinenin eksenel bir görünümü gösterilir. Sağ üst panelde, akciğerin kırmızı renkte bölümlere ayrıldığı sagital bir görünüm gösterilmektedir. Sol alt panelde, segmentli akciğerin 3 boyutlu bir görüntüsü gösterilmektedir. Sol-sağ panelde, akciğer kırmızı renkte bölümlere ayrılmış bir koronal görünüm gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Deneyler sırasında hayvanların hayati parametreleri. N = 8 fare (mavi), N = 8 Sıçan (turuncu). Veriler SD ile ortalama olarak gösterilir. Hayvanlar cerrahi anestezi düzlemine girdiğinde kalp atış hızındaki düşüşe dikkat edin. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: Karşılık gelen akciğer hacimleri ile üç PEEP seviyesinde akciğerlerin 3D segmentasyonu. PEEP 0 (sol sütun), PEEP 3 (orta sütun) ve PEEP 6'da (sağ sütun) bir sıçan akciğerinin segmentasyonu. En üst sırada, akciğerlerin arka tarafı gösterilir. Orta sırada akciğerlerin ön tarafı gösterilmiştir. Alt satırda gösterilen hacimler, bu şekilde görünen 3D render edilmiş akciğerler içinde ölçülür. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Video 1: Bir farenin 3D sinesi. Bu videoyu indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Video 2: Bir sıçanın 3 boyutlu sinesi. Bu videoyu indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Kodlama Dosyası 1: Segmentasyonları diğer satın almalara kaydetmek için komut dosyası. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Tartışma
Bu çalışma, retrospektif geçitleme ile 3D MR görüntülemenin, mekanik ventilasyon sırasında iki hayvan modelinde toraks hareketini ölçmeye izin verdiğini göstermektedir. Bu teknikler, mekanik olarak havalandırılan fare ve sıçanlarda kardiyak ve torasik görüntülemeyi içeren gelecekteki araştırmalarda kullanılma potansiyeline sahiptir. Sabit solunum sıklığı nedeniyle geriye dönük gruplamanın oldukça sağlam olduğunu bulduk.
Protokolün kritik bir adımı, hayvanların MR bobinleri içinde doğru konumlandırılmasını sağlamaktır. Tarama sırasında hayvanları yeniden konumlandırmak mümkün değildir. Ek olarak, anestezikler periferik vazodilatasyon yoluyla hipotermiye neden olabileceğinden ve bu MRG protokolünün radyofrekans darbeleri hipertermiye neden olabileceğinden, normoterminin sürdürülmesi fizyolojik koşullar altında ölçümlerin yapılmasını sağlamak için çok önemlidir17,18. Şekil 7'de, hayvanların tarayıcıya transferi etrafındaki kısa süre boyunca (1 saat işareti civarında) vücut ısısı dalgalanmaları görülebilir ve bu süre içinde harici bir kaynaktan ısı uygulanmaz. Bir diğer kritik adım, özellikle farelerde anestezinin titrasyonudur. Farelerin solunum çabası göstermediği ancak stabil hayati parametreleri koruduğu anestezi düzlemi dardır ve solunum sinyalinin dikkatli bir şekilde izlenmesini ve anestezi infüzyon hızlarının ayarlanmasını gerektirir. Sıçanlarda, kullanılan sedasyon aralığında bu tür sorunlarla karşılaşmadık. Ayarlanan solunum frekansına göre görüntülerin geriye dönük olarak yeniden yapılandırılması nedeniyle hayvanın solunum çabaları varsa görüntü kalitesi olumsuz etkilenecektir. İzofluran ile inhalasyon anestezisi veya solunum çabasının daha fazla baskılanmasına neden olan alternatif enjeksiyon anestezikleri gibi farklı bir anestezi rejimi kullanmak mümkündür. Bu protokolde kullanılan CWE-MRI-1 küçük hayvan ventilatörü, inhalasyon anestezikleri19 ile uyumludur.
Bu çalışmada önerilen MRG yönteminin çoğaltılması için üç kritik adım vardır. İlk olarak, aynı temel MRI dizisi (yani 3D FLASH) kullanılmalıdır. Böyle bir dizi, temelde tüm MRI sistemlerinde mevcuttur. İkinci olarak, bu çalışmada bahsedilen k-uzayı yörüngesi (sözde spiral), kullanıcı tanımlı k-uzayı yörüngelerini yürütebilen bir yazılım yaması gerektirebilir. Okuyucuları, satın alma işlemini tekrarlamak isterlerse ilgili yazarla iletişime geçmeye davet ediyoruz. Bu tür bir satın almanın diğer satıcıların sistemlerinde uygulanması konusunda deneyim vardır. Son olarak, açık kaynaklı yazılım olarak paylaştığımız yeniden yapılandırma hattı satıcıdan bağımsızdır ve bu nedenle tüm klinik öncesi sistemlere uygulanabilir.
Birkaç nedenden dolayı ileriye dönük tetikleme yerine geriye dönük tetikleme ve gruplamayı seçtik. Öncelikle, geriye dönük tetikleme ve k-uzayı veri gruplama, yeniden yapılandırılmış solunum CINE çerçevelerinin sayısında tam esneklik sunarak zamansal çözünürlüğü, uzamsal çözünürlüğü ve sinyal-gürültü oranını optimize etmemize olanak tanır. Ek olarak, ileriye dönük tetikleme, tarayıcı bir sonraki tetikleyiciyi beklerken her solunum döngüsünün sonunda bir ölü zaman ortaya çıkarır, bu da kararlı durumu bozabilir ve eksik bir döngüye neden olabilir. Mekanik ventilasyonda bu ölü zaman minimum düzeydedir ancak yine de mevcuttur.
Bu protokolün ana sınırlaması, hava yolu veya özofagus basınçlarının ölçülememesidir. Bildiğimiz kadarıyla piyasada küçük hayvanlar için MR uyumlu akciğer veya yemek borusu basınç sensörü bulunmamaktadır. Diğer bir sınırlama, MRG'de sürekli kan basıncı ölçümlerinin olmamasıdır. Anestezi protokolü önceki kurumsal araştırmalara dayanıyordu. Daha önce gözlenen yüksek bradikardi ve hipotansiyon prevalansı nedeniyle atropin eklendi. MR ortamı kısıtlamaları nedeniyle sürekli kan basıncı takibi mümkün olmasa da, taşikardi gözlenmediğinden hipertansiyon olası değildir (Şekil 7). Bu protokolde kullanılan izleme, kalp atış hızı, oksijen satürasyonu, sıcaklık ve göğüs duvarının hareketine dayalı bir solunum sinyalinden oluşuyordu. Bu ölçümleri kullanarak, hayvanların hayati parametrelerine genel bir bakış, anestezi uygulamasına rehberlik edebilir, ancak kan basıncının ölçülmesi, solunum çabası gösteren aşırı doz hayvanlarını önleyebilir. Mekanik olarak havalandırılan kemirgenlerin solunum fizyolojisi ile ilgili başka bir MRI çalışması yayınlanmamıştır, ancak bu yöntem solunum araştırmaları dışında çok çeşitli araştırma soruları için kullanılabilir. Makalede bahsedilen rekonstrüksiyon programı (Retrospektif), kalp döngüsü boyunca görüntüleri yeniden yapılandırmak için de kullanılabilir, böylece araştırmacının hareket artefaktları olmadan kalp ve damarların yüksek çözünürlüklü görüntülerini elde etmesine olanak tanır. Bu protokol, tarama sırasında sıçan veya farelerin mekanik ventilasyonunu gerektiren her projede uygulanabilir. Örneğin, mekanik ventilasyon ayarları ile kardiyak fonksiyon arasındaki ilişkiyi incelemek düşünülebilir. Diğer seçenekler arasında hayvanların göğsü açıkken veya mekanik ventilasyon gerektiren ameliyatlardan sonra görüntülenmesi yer alır.
Açıklamalar
Ruslan Garipov, Guildford, Birleşik Krallık'taki MR Solutions Ltd.'nin bir çalışanıdır.
Teşekkürler
Bu çalışma ZonMW Hibe 09120011910004 (GS, CO, LH) ve NIH hibe 5R01HL121500 (CO) tarafından desteklenmiştir.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| Ekipman | |||
| 11 Plus Dijital Çift Şırınga Pompası | Harvard aygıtı (ABD) | 229193-2 | Laboratuvarlar için programlanabilir özelliklere sahip çift şırınga pompası |
| AccuSens tek ve çok kanallı sinyal koşullayıcı | Opsens çözümleri a.ş. (Kanada) | ACS-P4-N-62SC | Vücut ısısını izlemek için fiber optik sıcaklık sensörü ile birlikte kullanılır |
| Fiber optik sıcaklık sensörü | Opsens çözümleri a.ş. (Kanada) | OTP-M | |
| Fare beşiği | É quipment Vé té rinaire Minerve (Fransa) | ||
| Mousestat Jr. | Kent-bilimsel (ABD) | MSTAT-JR | MouseSTAT Jr. sağlar Hem farelerde hem de sıçanlarda doğru nabız oksimetresi. |
| MR Tarayıcı | MR Solutions Lt. (Birleşik Krallık) | MRS-7024 | |
| MR uyumlu İzleme ve Küçük hayvanlar için yolluk sistemi | SA Instruments, Inc. (ABD) | 1030 | RT Modülü (solunum arayüzü modülü), ERT Kontrolü/ Geçit Modülü, pil takımı |
| MRI-1 uyumlu ventilatör | CWE (ABD) | 12-07000 | Manyetik rezonans ortamlarında küçük hayvanları havalandırmak için uygun mekanik vantilatör. Pnömatik valfler kullanarak hacim kontrollü, akış x zaman bazlı bir prensiple havalandırma yapar. |
| Çok istasyonlu sıcaklık kontrol ünitesi ve Yüksek Akışlı PCA | É quipment Vé té rinaire Minerve (Fransa) | ||
| PEEP sütunu | Yeniden tasarlanmış sıvı ölçüm kolonu | ||
| Physiosuite Mekanik Vantilatör | Kent-bilimsel (ABD) | Küçük hayvanları havalandırmak için uygun mekanik vantilatör. Hacim kontrollü, basınç regüle prensibi ile havalandırma yapar. | |
| Nabız Oksimetresi Pençe Sensörleri, MRI Uyumlu | Kent-bilimsel (ABD) | SPO2-MSE-MRI | Mousestat Jr. için MRI uyumlu pençe sensörü. |
| Sıçan beşiği | É quipment Vé té rinaire Minerve (Fransa) | ||
| RF bobini, Fare | MR Solutions Lt. (Birleşik Krallık) | Fare gövdesi çalışmaları için 38 mm fare hacmi RF bobini | |
| RF bobini, Sıçan | MR Solutions Lt. (Birleşik Krallık) | 65mm sıçan gövdesi çalışmaları için sıçan hacmi RF bobini | |
| Cerrahi aletler | |||
| Abbocath 14G, 20G, 22G, 24G | Abbocath | Endotrakeal tüp olarak kullanım için 14G, 20G, 22G, anestezinin intraperitoneal infüzyonu için 24G | |
| Ethilon 3-0 FD-1 iğneli sütür | Ethicon (ABD) | 663 saat | |
| Forseps #55 | Dumont (İsviçre) | 55 | |
| Metzenbaum Makas | Güzel bilim araçları (Almanya) | 14017-14 | |
| İğne tutucu | Güzel bilim araçları (Almanya) | 12005-15 | |
| Emilmeyen örgülü ipek sütür 6/0 | Güzel bilim araçları (Almanya) | 18020-60 | |
| Yaylı Makas | Güzel bilim araçları (Almanya) | 15033-09 | |
| Stevens tenotomi makası | Güzel bilim araçları (Almanya) | 14064-11 | |
| Dikiş Bağlama Forsepsleri | Güzel bilim araçları (Almanya) | 18025-10 | |
| Bant medipore | 3M (Amerika Birleşik Devletleri) | ||
| İlaç | |||
| Atropin 0,25 mg/mL | |||
| Deksmedetomidin 0,5 mg/mL Deksdormitor | Orion pharma (Finlandiya) | ||
| Duratears göz merhemi | Alcon Nederland BV (Hollanda) | ||
| İzofluran | AST pharma (Fransa) | ||
| Ketamin 100 mg/mL Ketexx | Alfasan (Hollanda) | ||
| Vazelin vazelin | Unilever (Hollanda) | ||
| Yazılım | |||
| Elastix | Görüntü Bilimleri Enstitüsü, UMC Utrecht (Hollanda) | ||
| Bir çırpıda | Pennsylvania Üniversitesi (ABD) | ||
| Matlab 2019a | Wolfram Araştırma A.Ş. (ABD) | ||
| Mikrodikom | Microdicom (Bulgaristan) | ||
| Geriye dönük | Amsterdam UMC (Hollanda) |
Kaynaklar
- Bassi, T., Taran, S., Girard, T. D., Robba, C., Goligher, E. C. Ventilator-associated brain injury: A new priority for research in mechanical ventilation. Am J Respir Crit Care Med. 209 (10), 1186-1188 (2024).
- Slutsky, A. S., Ranieri, V. M. Ventilator-induced lung injury. N Engl J Med. 369 (22), 2126-2136 (2013).
- Levine, S., et al. Rapid disuse atrophy of diaphragm fibers in mechanically ventilated humans. N Engl J Med. 358 (13), 1327-1335 (2008).
- Silva, P. L., Scharffenberg, M., Rocco, P. R. M. Understanding the mechanisms of ventilator-induced lung injury using animal models. Intensive Care Med Exp. 11 (1), 82(2023).
- Damiani, L. F., et al. Impact of reverse triggering dyssynchrony during lung-protective ventilation on diaphragm function: An experimental model. Am J Respir Crit Care Med. 205 (6), 663-673 (2022).
- Guillon, A., et al. Preclinical septic shock research: why we need an animal ICU. Ann Intensive Care. 9 (1), 66(2019).
- Larsson, L. Experimental animal models of muscle wasting in intensive care unit patients. Crit Care Med. 35 (9), S484-S487 (2007).
- Schwarte, L. A., Zuurbier, C. J., Ince, C. Mechanical ventilation of mice. Basic Res Cardiol. 95 (6), 510-520 (2000).
- Leith, D. E. Comparative mammalian respiratory mechanics. Am Rev Respir Dis. 128 (2 Pt 2), S77-S82 (1983).
- Vinegar, A., Sinnett, E. E., Leith, D. E. Dynamic mechanisms determine functional residual capacity in mice, Mus musculus. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol. 46 (5), 867-871 (1979).
- Oh, S. S., Narver, H. L. Mouse and rat anesthesia and analgesia. Curr Protoc. 4 (2), e995(2024).
- Li, H., et al. Technical aspects of small animal CMR imaging. Front Phys. 8, ARTN 183(2020).
- Daal, M. R. R., et al. Quantification of mouse heart left ventricular function, myocardial strain, and hemodynamic forces by cardiovascular magnetic resonance imaging. J Vis Exp. (171), e62595(2021).
- Gottwald, L. M., et al. Pseudo-spiral sampling and compressed sensing reconstruction provides flexibility of temporal resolution in accelerated aortic 4D flow MRI: A comparison with k-t principal component analysis. NMR Biomed. 33 (4), e4255(2020).
- Sudy, R., et al. Different contributions from lungs and chest wall to respiratory mechanics in mice, rats, and rabbits. J Appl Physiol (1985). 127 (1), 198-204 (2019).
- Strijkers, G. J. Retrospective-v9.7: Self-gated cine MRI reconstruction. , Available from: https://github.com/Moby1971/Retrospective-v9.8 (2023).
- Caro, A. C., Hankenson, F. C., Marx, J. O. Comparison of thermoregulatory devices used during anesthesia of C57BL/6 mice and correlations between body temperature and physiologic parameters. J Am Assoc Lab Anim Sci. 52 (5), 577-583 (2013).
- Tang, M., Yamamoto, T. Progress in Understanding Radiofrequency Heating and Burn Injuries for Safer MR Imaging. Magn Reson Med Sci. 22 (1), 7-25 (2023).
- Munting, L. P., et al. Influence of different isoflurane anesthesia protocols on murine cerebral hemodynamics measured with pseudo-continuous arterial spin labeling. NMR Biomed. 32 (8), e4105(2019).
Yeniden basım ve izinler
