Overview
Fonte: Frederick W. Damen e Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana
Neste vídeo, a ressonância magnética de campo alto e pequeno (RM) com monitoramento fisiológico é demonstrada para adquirir laços de cine fechados do sistema cardiovascular murino. Este procedimento fornece uma base para avaliar a função ventricular esquerda, visualizar redes vasculares e quantificar o movimento dos órgãos devido à respiração. As modalidades de imagem cardiovascular animal de pequeno porte comparáveis incluem ultrassom de alta frequência e tomografia microcomputada (TC); no entanto, cada modalidade está associada a compensações que devem ser consideradas. Embora o ultrassom forneça alta resolução espacial e temporal, artefatos de imagem são comuns. Por exemplo, tecido denso (ou seja, esterno e costelas) pode limitar a profundidade de penetração de imagem, e o sinal hiperecóico na interface entre gás e líquido (ou seja, pleura ao redor dos pulmões) pode desfocar o contraste no tecido próximo. A micro-TC em contraste não sofre de tantos artefatos no avião, mas tem menor resolução temporal e contraste limitado de tecido mole. Além disso, a micro-TC usa radiação de raios-X e muitas vezes requer o uso de agentes de contraste para visualizar a vasculatura, ambos conhecidos por causar efeitos colaterais em altas doses, incluindo danos à radiação e lesão renal. A ressonância magnética cardiovascular proporciona um bom compromisso entre essas técnicas, negando a necessidade de radiação ionizante e proporcionando ao usuário a capacidade de imagem sem agentes de contraste (embora agentes de contraste sejam frequentemente usados para ressonância magnética).
Esses dados foram adquiridos com uma sequência de ressonância magnética rápida de ângulo baixo (FLASH) que foi fechada dos picos R no ciclo cardíaco e planaltos expiratórios na respiração. Estes eventos fisiológicos foram monitorados através de eletrodos subcutâneos e um travesseiro sensível à pressão que foi fixado contra o abdômen. Para garantir que o mouse fosse devidamente aquecido, uma sonda de temperatura retal foi inserida e usada para controlar a saída de um ventilador de aquecimento seguro para ressonância magnética. Uma vez que o animal foi inserido no furo do scanner de ressonância magnética e as sequências de navegação foram executadas para confirmar o posicionamento, os planos de imagem FLASH fechados foram prescritos e os dados adquiridos. No geral, a ressonância magnética de alto campo é uma poderosa ferramenta de pesquisa que pode fornecer contraste de tecido mole para o estudo de modelos de pequenas doenças animais.
Principles
A ressonância magnética é uma técnica que explora as propriedades paramagnéticas do tecido para visualizar o contraste do tecido mole. O furo de uma máquina de ressonância magnética é convencionalmente embrulhado usando uma bobina solenoide que fornece um campo magnético constante e homogêneo (B0) quando uma corrente elétrica é aplicada. Na imagem murina de alto campo apresentada, uma força de campo magnético 7 Tesla (T), que é aproximadamente 140.000 vezes maior que a do campo magnético da Terra e mais que o dobro das forças clínicas comuns do campo de scanner 3T e 1,5T, é usada. Este campo magnético homogêneo faz com que os prótons de hidrogênio inerentes a quase todos os tecidos vivos alinhem seus eixos de rotação. Esses giros podem então ser "derrubados" usando ondas de radiofrequência (RF) para um determinado ângulo em relação ao eixo de rotação (ou seja, o ângulo de inflexão). À medida que os prótons tentam relaxar de volta à sua orientação original, o componente de seu giro perpendicular ao seu eixo principal induz um sinal elétrico detectável.
Além disso, gradientes magnéticos podem ser aplicados que perturbam o campo magnético principal e permitem excitações de RF isoladas espacialmente para localizar o sinal recebido. Específica dos métodos descritos aqui, a sequência FLASH usa excitações repetitivas de ângulo de lançamento baixo para induzir um padrão de estado constante no movimento do próton. Esse paradigma permite que tecidos inerentemente dinâmicos, como no sistema cardiovascular, sejam imagens rapidamente e alcancem instantâneos relativamente estáveis dentro do ciclo cardíaco. Através do desencadeamento da sequência FLASH com sinais fisiológicos, podem ser adquiridas imagens do sistema cardiovascular que destacam tanto o movimento cardíaco, vascular quanto respiratório.
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Procedure
1. Preparação animal
- Identifique o rato para ser imageado em sua gaiola e transfira-o para a câmara de indução da anestesia.
- Anestesiar o mouse usando isoflurane e confirmar o knockdown usando uma técnica de beliscar o dedo do dedo do dedo do dedo. Pegue a pata entre o polegar e o dedo indicador e belisque firmemente para verificar se há uma resposta. Se o animal retirar o pé, você deve esperar ou se avermelhar com anestesia de acordo com o protocolo aprovado.
- Verifique se todos os funcionários que entram na instalação de imagem são seguros para mr. Isso inclui a remoção de qualquer roupa/acessórios magnéticos, a confirmação de implantes magnéticos ou marcapassos, e a remoção de metais contendo piercings.
- Fluxo de isoflurano aberto para o nariz na sala de ressonância magnética. Isso permite que a tubulação mais longa seja preparada com anestésico antes da transferência do rato para garantir que o animal não acorde.
- Feche o fluxo isoflurane para a câmara de indução da anestesia e transfira o rato para o estágio de imagem. Coloque o mouse no palco de tal forma que a localização aproximada do coração esteja alinhada com o centro do ímã.
- Fixar o cone do nariz e reconfirmar o knockdown usando a técnica de beliscão do dedo do dedo do sol.
- Insira os três condutores de eletrocardiograma subcutâneamente com uma pista para a esquerda e direita do coração e uma na base do membro traseiro esquerdo.
- Insira a sonda de temperatura retal usando uma baia e lubrificante estéril.
- Coloque o sensor de respiração do travesseiro na região epigástrica do abdômen e fixe-o no lugar usando uma placa de papelão. O papelão permitirá garantir um sinal sensível à pressão.
- Confirme se todos os sinais fisiológicos estão sendo adquiridos através do software de monitoramento fora da sala do scanner. Se for detectada uma frequência cardíaca, frequência respiratória ou temperatura fora da faixa normal, faça uma pausa na imagem e avalie se o animal está apropriadamente anestesiado. Se o animal estiver em perigo, a administração da anestesia deve cessar e o animal deve ser devolvido à gaiola para se recuperar.
- Configure o módulo de aquecimento e o ventilador e comece a aquecer o fluxo de ar para o animal. Segure toda a tubulação de ar no lugar para que o ar quente sopre em direção ao mouse começando logo após a ponta da cauda.
- Coloque a bobina de gradiente sobre o animal e certifique-se de que todos os cabos/tubos estejam protegidos.
2. Ressonância Magnética Cardíaca - Esta seção pode ser adaptada para outras aplicações.
- Sintonize e combine a bobina de gradiente fora do furo do ímã para garantir que o sinal máximo esteja sendo detectado do sujeito.
- Insira lentamente o estágio de imagem no furo do ímã de tal forma que o animal esteja posicionado diretamente no centro do furo. Isso inclui certificar-se de que a bobina gradiente tenha espaçamento igual ao longo de todas as direções radiais. Esta é a posição onde o campo magnético principal será mais homogêneo.
- Execute uma varredura localizadora/navegadora para confirmar a localização do mouse dentro do scanner. Algum segmento do coração deve ser visualizado dentro dos três planos (ou seja, axial, sagital e coronal). Se este não for o caso, repita o processo de reposicionamento do mouse e executando varreduras de localizador/navegação até que a posição desejada seja alcançada.
- Configure os parâmetros para a sequência FLASH. Por exemplo: TR/TE = 8,0/2,0 ms, FA = 20°, FOV = 35 x 35 mm, tamanho da matriz = 192 x 192 e NEX = 6. Em seguida, selecione o acionamento externo para estar "ligado".
- No software de monitoramento, configure os gatilhos externos de tal forma que as sequências de ressonância magnética sejam iniciadas ao identificar os picos R nos ciclos cardíacos e enquanto a respiração estiver estável durante a fase expiratória. À medida que essas duas condições são atendidas, a sequência pode ser executada em série e os dados serão adquiridos.
- Prescreva e execute uma fatia inicial de sequência FLASH na visão coronal de tal forma que o plano de fatia siga o eixo do ápice do coração através da válvula aórtica. Este loop de cine inicial fornecerá uma visão de duas câmaras do coração.
- Fazendo referência aos resultados da visão de duas câmaras, prescreva e execute uma nova sequência FLASH ao longo do eixo da válvula aórtica ápice para visualizar uma visão de quatro câmaras.
- Por fim, prescreva uma fatia de eixo curto que seja perpendicular ao eixo da válvula aórtica aórtica aproximadamente na metade do coração. Os músculos papilares devem ser claramente visíveis dentro da saída do loop do cine neste local.
- Fatias adicionais podem ser adquiridas paralelamente a esta para construir volumes sincronizados pelo tempo do coração. Esses volumes são criados concatenando loops de cine adjacentes no pós-processamento.
- Uma vez concluída a imagem, transfira os dados adquiridos para um local apropriado para análise e remova o animal do scanner.
A ressonância magnética de pequeno porte de campo, ou ressonância magnética cardíaca, avalia a função cardiovascular sem o uso de radiação ionizante ou agentes de contraste.
As modalidades de imagem cardiovascular comparáveis incluem ultrassom de alta frequência, que emite um feixe de ondas acústicas de um transdutor e registra os ecos criados à medida que as ondas refletem para gerar imagens ao vivo. Fornece imagens de alta resolução espacial e temporal; no entanto, artefatos de imagem podem ser observados devido à profundidade de penetração limitada no tecido denso.
Outra técnica de imagem é a micro-CT, que leva uma série de projeções de raios-X para criar seções transversais 3D. Tem uma resolução temporal mais baixa e contraste limitado de tecido mole, e muitas vezes requer o uso de agentes de contraste para visualizar estruturas vasculares. Estes são conhecidos por causar danos à radiação e insuficiência renal em altas doses.
Alternativamente, a ressonância magnética usa eletroímãs fortes para imagem de tecidos no corpo com base em suas propriedades magnéticas. Na ressonância magnética cardíaca, as sequências convencionais de ressonância magnética são fechadas de picos de R no ciclo cardíaco e planaltos expiratórios na respiração para avaliar a função cardiovascular.
Este vídeo ilustrará como coletar dados de ressonância magnética com um tiro de ângulo rápido e baixo ou sequência de ressonância magnética flash. Esta técnica fornece contraste de tecido mole de alta qualidade para o estudo de modelos de pequenas doenças animais.
A ressonância magnética é uma técnica que usa as propriedades paramagnéticas do tecido para visualizar o contraste do tecido mole. O furo de uma máquina de ressonância magnética é convencionalmente embrulhado usando uma bobina solenoide que fornece um campo magnético constante e homogêneo, B-zero, quando uma corrente elétrica é aplicada.
Em imagens de espelhamento de alto campo, uma força de campo magnético 7-Tesla pode ser empregada, aproximadamente 140.000 vezes a do campo magnético da Terra, e mais do que o dobro das forças clínicas comuns 3-Tesla e 1,5-Tesla. Este campo magnético homogêneo faz com que os prótons de hidrogênio inerentes a quase todos os tecidos vivos alinhem seus eixos de rotação. Esses giros podem então ser derrubados usando radiofrequência, ou ondas RF, para um certo ângulo em relação ao eixo de rotação, também conhecido como o ângulo de lançamento.
À medida que os prótons tentam relaxar de volta à sua orientação original, o componente de seu giro perpendicular ao seu eixo principal induz um sinal elétrico detectável, resultando em uma imagem. Além disso, gradientes magnéticos podem ser aplicados que perturbam o campo magnético principal e permitem excitações de RF espacialmente isoladas para localizar o sinal recebido. Específico dos métodos descritos neste vídeo é a sequência FLASH, que usa excitações rf de ângulo de baixo ângulo que são rapidamente repetidas para induzir um padrão de estado constante no movimento do próton. O tempo de repetição é muito menor do que o tempo típico de relaxamento de prótons.
Quando hidrogênio não excitado, como o do sangue, entra na moldura de imagem, um sinal relativamente alto é produzido. Isso permite que o sistema cardiovascular seja imagedo rapidamente e forneça instantâneos estáveis dentro do ciclo cardíaco. Através do desencadeamento da sequência FLASH com sinais fisiológicos, podem ser adquiridas imagens do sistema cardiovascular que destacam o movimento cardíaco, vascular e respiratório.
Tendo revisto os principais princípios da ressonância magnética cardíaca, vamos agora passar pelo procedimento passo a passo para preparar e imaginar um animal.
Primeiro, identifique o mouse para ser imageado, em seguida, transfira o mouse para a câmara de knockdown. Em seguida, anestesiar o animal usando isoflurane e confirmar o knockdown usando uma técnica de beliscão do dedo do dedo do dedo. Em seguida, abra o fluxo de isoflurane para o cone do nariz na sala de ressonância magnética e feche o fluxo isoflurane para a câmara de knockdown. Isso prepara a tubulação mais longa com anestésico.
Certifique-se de que todo o pessoal é seguro mr, em seguida, transfira o mouse para o estágio de imagem e fixar o cone do nariz ao redor do animal. Posicione o mouse de tal forma que seu coração esteja aproximadamente alinhado com um centro da bobina RF. Em seguida, reconfirmar knockdown usando a técnica de beliscar o dedo do sol. Em seguida, insira os três condutores de eletrocardiograma subcutâneamente. Coloque uma pista para a esquerda e direita do coração e outra na base do membro traseiro esquerdo.
Insira a sonda do termômetro retal usando uma baia e lubrificante estéril. Em seguida, coloque um sensor de respiração de travesseiro nas regiões epigástricas do abdômen, e fixe-o no lugar usando papelão para adquirir sinalização sensível à pressão.
Confirme que todos os sinais fisiológicos estão sendo adquiridos através do software de monitoramento fora da sala do scanner. Em seguida, configure o módulo de aquecimento e o ventilador para começar a aquecer o fluxo de ar para o mouse. Fixar a tubulação de ar no lugar de tal forma que o ar quente sopra em direção ao mouse, começando logo após a ponta de sua cauda. Por fim, coloque a bobina RF sobre o mouse e certifique-se de que todos os cabos e tubos estejam seguros.
Vamos agora rever o protocolo passo-a-passo para realizar ressonância magnética cardíaca no rato anestesiado.
Primeiro, sintonize e combine com a bobina RF fora do furo do ímã para garantir a máxima detecção de sinal. Isto é indicado por um vale estreito a zero hertz para cada componente da bobina RF. Em seguida, insira lentamente o estágio de imagem no furo do ímã. Certifique-se de que o mouse está posicionado diretamente no centro do furo e que a bobina gradiente tenha espaçamento igual ao longo de todas as direções radiais. Esta posição garante um campo magnético principal homogêneo.
Em seguida, execute uma varredura de navegação para localizar o mouse dentro do scanner. Confirme se algum segmento do coração é visualizado dentro dos três planos, ou seja, axial, sagital e coronal. Em seguida, defina os parâmetros para a sequência FLASH e selecione o acionamento externo a ser ativado. No software de monitoramento, configure os gatilhos externos de tal forma que as sequências de ressonância magnética sejam executadas em série apenas em picos R em ciclos cardíacos durante a respiração estável na fase expiratória.
Em seguida, prescreva a sequência flash inicial definindo os parâmetros e posicionando um retângulo de plano de imagem na visão coronal. Em seguida, pressione continue a executá-lo de tal forma que o plano de fatia siga o eixo do ápice do coração através da válvula aórtica. Este loop de cine inicial fornecerá uma visão de duas câmaras do coração.
Em seguida, ao fazer referência aos resultados da visão de duas câmaras, prescreva e execute uma nova sequência FLASH ao longo do eixo da válvula aórtica ápice para visualizar uma visão de quatro câmaras.
Por fim, prescreva uma fatia de eixo curto que é perpendicular ao eixo da válvula aórtica ápice aproximadamente na metade do coração. Os músculos papilares devem ser claramente visíveis dentro da saída do loop do cine neste local. Uma vez concluída a imagem, transfira os dados adquiridos para um local apropriado para análise, em seguida, retraia o estágio de imagem do furo do ímã e remova a bobina gradiente e todas as sondas do animal antes de transferir o animal do leito do scanner.
Agora que obtivemos uma ressonância magnética cardíaca em um rato, vamos rever os resultados dos exames. Esta figura mostra o laço cine de uma visão de eixo curto do ventrículo esquerdo, diretamente perpendicular ao eixo de ápice base do coração e em uma posição que inclui os músculos papilares.
Aqui, vemos a imagem do cine sanguíneo de um coração de rato com 14 instantâneos de visão de eixo curto em todo o ciclo cardíaco, incluindo diastole final e pico de sístole. As regiões de sinal de abandono dentro do lúmen do ventrículo esquerdo indicam um rápido movimento sanguíneo, que originalmente estava fora do avião e não marcado pela excitação da onda RF.
Esta imagem mostra uma visão de quatro câmaras do coração com entrada de sangue brilhante através das válvulas mitral e tricúspide, e depois para fora através das válvulas aórticas e pulmonares, respectivamente.
Finalmente, aqui está uma projeção de intensidade máxima que mostra como várias fatias podem ser combinadas espacialmente para visualizar o sistema cardiovascular de todo o mouse. A figura mostra uma pilha tridimensional de imagens de sangue sincronizadas, brilhantes e bidimensionais mostrando as regiões torácicas e abdominais de um rato.
Vamos agora olhar para algumas outras aplicações desta técnica de ressonância magnética. Como extensão da técnica descrita, podemos usar essa tecnologia para comparar a cinemática de corações saudáveis versus doentes. Modelos murinos de disfunção cardíaca podem ser muito mais controlados do que os encontrados na clínica. Isso permite que os pesquisadores identifiquem fatores específicos que contribuem para doenças cardíacas, bem como estudem o processo de remodelação após a lesão.
Um esforço de pesquisa comparável pode ser realizado com um foco vascular, como o com formação de aneurisma de aoórtico abdominal. O sangue dá um sinal de alta intensidade usando o método de ressonância magnética de pequeno porte de campo alto descrito aqui. Esse aumento em contraste pode ser explorado para avaliar a expansão de um aneurisma de ao menos abdominal e medir mudanças nas propriedades biomecânicas da embarcação.
Você acabou de assistir a introdução do JoVE à ressonância magnética cardiovascular.
Agora você deve saber como realizar imagens cardíacas e como adquirir dados de loop cine do coração murino usando sequências padrão de ressonância magnética flash de sangue brilhante sincronizadas com sinais cardíacos e respiratórios. Finalmente, você também deve saber como identificar estruturas cardíacas nessas imagens. Obrigado por assistir!
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Results
A Figura 1 mostra um laço cine de uma visão de eixo curto do ventrículo esquerdo, que é diretamente perpendicular ao eixo base-ápice do coração e em uma posição que inclui os músculos papilares.
Figura 1: Imagens de cine sanguíneo brilhante de um coração de rato com 14 instantâneos de visão de eixo curto em todo o ciclo cardíaco, incluindo diastole final (t = 8) e pico de sístole (t = 13). As regiões de sinal de abandono dentro do lúmen do ventrículo esquerdo indicam um rápido movimento sanguíneo, que originalmente estava fora do avião e não marcado pela excitação da onda RF.
A segunda imagem representativa mostra uma visão de 4 câmaras do coração com entrada de sangue brilhante através das válvulas mitral e tricúspide, que então flui através das válvulas aórticas e pulmonares, respectivamente.
Figura 2: Imagem de cine de sangue brilhante de um coração de rato com uma visão de quatro câmaras mostrando diastole final (esquerda) e pico de sístole (direita). As regiões de sinal de abandono dentro do lúmen do ventrículo esquerdo indicam um rápido movimento sanguíneo, que originalmente estava fora do avião e não marcado pela excitação da onda RF.
Finalmente, um terceiro resultado representativo é uma projeção de intensidade máxima (MIP) que mostra como as múltiplas fatias podem ser combinadas espacialmente para visualizar o sistema cardiovascular de todo o corpo do camundongo.
Figura 3: Projeção de intensidade máxima de uma pilha tridimensional de imagens de sangue brilhante bidimensional sincronizadas pelo tempo, mostrando as regiões torácicas e abdominais de um rato. O coração, veia cava inferior e pequeno aneurisma de aoórtico abdominal (círculo vermelho) podem ser vistos a partir desta visão.
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Applications and Summary
Aqui, a ressonância magnética cardíaca é usada em conjunto com o coração e respiração-gating para adquirir dados de loop cine do coração murino. Enquanto o coração foi o foco da demonstração, regiões adicionais do sistema cardiovascular podem ser imagens seguindo a mesma metodologia. Embora a ressonância magnética não sofra dos mesmos artefatos comumente vistos com outras modalidades de imagem, há uma notável compensação com a resolução espacial alcançada por duração de aquisição. Essa troca é preocupante quando o camundongo não pode suportar durações mais longas de anestesia, como em modelos de doenças graves. Ainda assim, a ressonância magnética tem a vantagem de visualizar o tecido subjacente sem o risco de danos ionizantes de radiação inerentes à microC. Utilizando técnicas de ressonância magnética, pode ser realizada uma avaliação in vivo do cardiovascular, estabelecendo as bases para estudos longitudinais de progressão da doença e resposta terapêutica associada em modelos animais de pequeno porte.
Como extensão da técnica descrita, essa tecnologia pode ser usada para comparar a cinemática de corações saudáveis versus doentes. Os modelos murinos de disfunção cardíaca podem ser muito mais controlados do que os encontrados na clínica, permitindo aos pesquisadores identificar fatores específicos que contribuem para doenças cardíacas, bem como estudar o processo de remodelação após lesão mecânica. Além disso, um esforço de pesquisa comparável pode ser realizado com um foco vascular como o da formação de aneurisma de ao mesmo coração abdominal (AAA). Dado que o sangue dá um sinal de alta intensidade sob os métodos descritos, o contraste pode ser explorado para avaliar a expansão de um AAA e medir mudanças nas propriedades biomecânicas do navio. Finalmente, estudos que analisam a vascularização do cérebro podem ser conduzidos para comparar respostas angiogênicas com lesão cerebral traumática ou derrame. Idealmente, como na maioria das imagens pré-clínicas, técnicas como a ressonância cardiovascular de alto campo podem promover nossa compreensão dos processos de doenças humanas, bem como estimular a inovação para a próxima geração de tecnologia diagnóstica.
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