Summary
L’objectif global de cette procédure est de mesurer le flux sanguin dans l’artère carotide commune de rat à l’aide de phase non invasive de contraste IRM.
Abstract
Phase de contraste IRM (PC-MRI) est une approche non invasive qui permet de quantifier les paramètres liés au flux tels que la circulation sanguine. Des études antérieures ont montré que le flux sanguin anormal peut être associée à un risque vasculaire systémique. Ainsi, le PC-MRI peut faciliter la traduction des données obtenues à partir des modèles animaux de maladies cardiovasculaires à des investigations cliniques pertinentes. Dans ce rapport, nous décrire la procédure de mesure du débit sanguin dans l’artère carotide commune (CCA) de rats à l’aide de PC-MRI cine-dépendants et discuter des méthodes d’analyse pertinents. Cette procédure peut être effectuée chez des animaux vivant, anesthésié et ne nécessite pas l’euthanasie après la procédure. Les paramètres de numérisation proposés donnent des mesures reproductibles pour l’écoulement de sang, indiquant l’excellente reproductibilité des résultats. La procédure PC-MRI décrite dans cet article peut être utilisée pour les essais pharmacologiques, évaluation physiopathologique et évaluation hémodynamique cérébrale.
Introduction
L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est une approche souple qui fournit des informations détaillées sur la physiologie et les structures internes du corps et est plus en plus utilisée pour le diagnostic clinique et préclinique chez l’animal. Modèles animaux sont essentiels pour une meilleure compréhension de l’implication clinique considérable 1. Modèles animaux diffèrent considérablement des humains en ce qui concerne les exigences de l’anesthésie et les paramètres physiologiques, optimisation des procédures de MRI pour ces animaux revêt une importance.
MRI de contraste de phase (PC-MRI) est un type spécialisé de l’IRM qui utilise la vitesse de spins qui coule pour quantifier les paramètres liés au flux tels que la circulation sanguine. Avec PC-MRI, cartographie des modèles d’écoulement dans les artères principales à l’aide de modèles animaux peut faire toute la lumière sur les pathologies cardiovasculaires 2. En outre, PC-MRI peut surveiller non invasive les alternances inhérentes dans la circulation sanguine dans des conditions physiopathologiques 3. Ces observations suggèrent que PC-IRM est une démarche précieuse qui peut être utilisée dans des modèles animaux de maladies cardiovasculaires.
Dans ce rapport, nous décrivons une méthode pour la quantification du débit sanguin dans l’artère carotide commune (CCA) de rats. La deux CCAs fournir la tête et du cou avec le sang oxygéné, et la maladie de l’artère carotide est une cause majeure d’accident vasculaire cérébral. Détection de la pathologie précoce dans le CCA est donc crucial. Cette procédure a une durée d’environ 15 min et peut être éventuellement appliquée aux conditions, moyennant les modifications hémodynamiques, telles l’athérosclérose ou un accident vasculaire cérébral.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Les soins institutionnels et utilisation comités (IACUC) de l’Université de médecine de Chine a approuvé toutes les procédures.
1. animale préparation et le suivi
- Laisser tous les objets magnétiquement sensibles tels que clés, carte de crédit, portefeuilles, etc. en dehors de la salle de scanner avant de commencer la préparation animaux pour IRM.
- Au départ, anesthésier le rat (rat Sprague-Dawley (SD) mâle de 2 mois, 280 à 350 g) dans une boîte d’induction utilisant un mélange de 5 % isoflurane (ISO) et l’oxygène (2 L/min) pendant 3 à 5 min, si nécessaire.
- Lorsque l’animal est couché et n’expositions aucune réponse à une pincée de queue ou de l’orteil, cesser l’administration de l’ISO et transférer l’animal dans la salle d’examen.
- Placez le rat dans le lit de MRI dans une position couchée la tête la première et livrer ISO 2-3 % grâce à un dispositif d’extrémité conique pour le maintien de l’anesthésie.
- Surveiller la respiration en plaçant un capteur respiratoire oreiller sous le torse de l’animal.
- Raccorder le capteur d’un appareil respiratoire et rechercher le taux de respiration entre 40 à 50 battements par minute (bpm).
- Pour l’acquisition de PC-MRI cine-dépendants, placer une électrode de chaque sur la patte avant droite et la postérieur gauche patte, respectivement (Figure 1 a).
- Torsadez les câbles de l’électrocardiographie (ECG).
- Utiliser un support de tête avec barres d’oreilles et d’un bar de morsure pour sécuriser l’animal pour restreindre les mouvements de la tête.
- Utilisez un tampons de gaze ou de système de chauffage à air chaud pour maintenir la température corporelle en l’aimant.
- Veiller à ce que l’onde R est clair sur le Moniteur ECG (Figure 1 b) et placer l’animal dans le scanner. Il n’y a pas besoin de placer la bobine de surface sur le dessus du cou de l’animal, comme les images sont acquises par la bobine de volume.
2. IRM Acquisition
- 2 – 3 % ISO permet de maintenir l’anesthésie pendant toute la procédure d’imagerie. Surveiller en permanence les réponses physiologiques et gardez aussi constante que possible.
- Une fois l’animal est placé à l’intérieur du scanner et continue d’être physiologiquement stable, démarre l’IRM. Dans cette étude, utilisez un petit animal de 7 T système IRM avec une force de gradient de 630 mT/m, mais les autres intensités de champ de petits systèmes d’IRM animales peuvent être utilisées.
- Sélectionnez la séquence « Loc » dans le moniteur de la console du scanner MRI et d’acquérir des images de scout le long de chacune des trois orientations à l’aide de n’importe quelle séquence d’acquisition rapide d’images, par exemple, l’écho de spin rapide, pour créer coronale, axiale et sagittale . Le but de ces scout images consiste à déterminer les plans d’imagerie.
- Veiller à ce que le centre de la tête et du cou de l’animal est au centre de l’aimant. Si nécessaire, ajustez la position de l’animal jusqu'à ce que la position correcte est atteinte. Si l’animal est repositionnée, répéter le balayage pour obtenir des images de scout.
- Sélectionnez la séquence « temps de vol (TOF) angiographie » dans le moniteur de la console du scanner MRI et acquérir une angiographie TOF 2D tout d’abord pour vérifier la localisation anatomique précise du CCA. Utilisez les paramètres de numérisation suivants : répétition (TR) le temps / echo temps (TE) = 22/4,87 ms, angle de flip = 90°, champ de vision (FOV) = 40 × 40 mm2, matrice taille = 256 × 256, tranche épaisseur 0,6 mm, avec le nombre d’excitation (NEX) = 1.
Remarque : Le nom de la séquence TOF pourrait être vender spécifiques. L’utilisateur peut insérer ces paramètres dans le moniteur de la console. - Veiller à ce que la bande de saturation est « on » et qu’il est placée sur le dessus pour éviter toute interférence de signaux veineux.
Remarque : Pour la bande de saturation, il vient habituellement avec la séquence TOF. Si la bande de saturation n’apparaît pas sur l’écran, veuillez en aviser la personne de service. - Après avoir localisé le CCA à l’aide de l’angiographie TOF, cibler le plan de l’image de la PC-IRM au centre de la CCA et l’orienter telle que la tranche est perpendiculaire à la direction du flux sanguin (Figure 2 a).
- Veiller à ce que la respiration et gating ECG sont connectés au système de MRI, montrant le signal clair sur l’ordinateur de moniteur (Figure 1 b) et configurer le module de déclenchement à être « on » en « Mode de déclenchement » de l’écran de la console du scanner MRI.
- Confirmer que les réactions physiologiques de l’animal sont stables avant de démarrer le PC-IRM de l’ordinateur de surveillance (Figure 1 b). Vérifiez que les sélections de blocage sont « on » dans l’ordinateur de moniteur et le moniteur de la console du scanner de MRI.
Remarque : La physiologie système utilisé dans cette étude de suivi est fournie par le vendeur. Pour les scanners plus animales, les systèmes de surveillance de physiologie similaire sont fourni et vender spécifiques. - Sélectionnez la séquence de la séquence de PC-MRI dans le moniteur de la console du scanner MRI et effectuer des analyses de PC-MRI fermées en utilisant les paramètres suivants : ms TR/TE=15.55/4.51 (minimum TR et TE), flip angle = 30°, FOV = 40 × 40 mm2, matrice taille = 192 × 192, tranche Epaisseur = 2 mm, vitesse d’encodage (VENC) = 120 cm/s, NEX = 8. VENC unidirectionnel est acquise dans la direction dans le plan.
Remarque : Le temps de scan est environ 8,5 min, mais le temps de numérisation réelle peut être légèrement différent chez les animaux en raison de la variation des cycles cardiaques. - Répétez les étapes 2.6 – 2,9 d’acquisition d’images si la région d’intérêt (ROI) doit être modifiée vers un autre emplacement dans le bilan commun de pays, comme à la bifurcation 4.
- Retirer l’animal du scanner et le retourner à sa cage de récupération lorsque l’analyse est terminée.
- Réchauffer l’animal avec une lampe chauffante pour maintenir la température du corps. Garder les cm de la lampe au moins 15 distance l’animal pour éviter la surchauffe.
- Lorsque l’animal se met en mouvement et présente une réponse à une pincée de queue ou de l’orteil, éteindre la lampe chauffante.
3. traitement des données
- Enregistrez les données IRM dans Digital Imaging and Communications au format médecine (DICOM) ou tout autre vendeur spécifique. Générer des ciné séries avec deux types d’images : une image de grandeur (image de l’anatomie) et une image de phase (Figure 2 b).
Remarque : Dans certains scanners, le troisième type d’image, qui pourrait être l’image de phase de grandeur image × ou la complexe-différence (la soustraction complexe entre les deux acquisitions avec différents gradients de vitesse-encoding), est générée. La troisième image dépend du fournisseur. - Pré-traiter les données d’image. Cachée la phase d’image dans le plan de la vitesse et corriger l' erreur de décalage de la phase 5.
Remarque : L’image de phase a une unité arbitraire de Monsieur d’intensité du signal au lieu des valeurs de la vitesse vraie, mais l’intensité du signal Monsieur est linéairement proportionnelle à la vitesse. Le signal maximal de MRI de l’image de phase est généralement affecté comme valeur de VENC, et le signal minimal est assigné la valeur opposée de VENC. Voir le fichier de code supplémentaire 1 pour obtenir un exemple de script Matlab et appuyez sur le bouton de «exécuter». - Délimiter soigneusement le retour sur investissement en traçant la limite de la DPA. Comme l’artère peut se dilater et construire durant les différentes phases de cardiaques, délimiter des ROIs pour chaque laps de temps. Calculer le flux sanguin en intégrant sur l’artère ROI, c.-à-d., vitesse × section. La circulation du sang a entraîné de chaque artère a été dans les unités de mL/s. Voir la fiche 2 de code supplémentaire pour obtenir un exemple de script Matlab et appuyez sur le bouton de «exécuter».
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bonne tranche de géométrie est essentielle pour assurer le succès de l’expérience de PC-MRI. Le positionnement de plan précis image donne une forme de « round » de l’artère (Figure 3 a), et lorsque l’angulation augmente, c'est-à-direlorsqu’il est moins perpendiculaire à l’artère, la géométrie résultante de l’artère devient ovoïde, menant à plus grand volume partiel effets (Figure 3 b). Les effets de volume partiel sévère conduirait à la surestimation du sang écoulement 6,7. C’est pourquoi, nous préconisons le repositionnement de l’avion d’image si la forme de l’artère est ovoïde.
Reproductibilité intra-analyse de l’évolution temporelle des changements dans la circulation sanguine au sein d’un cycle cardiaque chez un rat représentatif est affichée dans les Figures 4. Comme peut être vu, le débit sanguin atteint son maximum au cours de la phase systolique et retourne au niveau de référence durant la phase diastolique pour les deux sections. Figure 5 a et 5 b présentent respectivement un de Bland-Altman et un diagramme de dispersion, entre deux mesures de sang dans la même session, ce qui démontre une bonne corrélation entre les mesures (R2= 0.7, P < 0,001). Avec les paramètres de numérisation proposées, la circulation sanguine permet d’obtenir des mesures reproductibles, démontrant excellente reproductibilité des résultats. Cette caractéristique pourrait se révéler bénéfique dans les tests des effets pharmacologiques sur les artères principales 8,9.
Comme PC-IRM est une approche non invasive pour mesurer le débit sanguin, il peut être avantageux dans des protocoles qui nécessitent un suivi longitudinal. Figure 6 affiche l’évolution temporelle pour un cycle cardiaque chez un animal scanné à 2 et 4 mois et montre que la circulation sanguine dans le CCA est significativement selon l’âge, ce qui suggère un développement rapide chez les rats. Ces évaluations quantitatives de la circulation sanguine sont essentielles pour une meilleure compréhension du système circulatoire et peuvent, par conséquent, devenir un outil potentiellement utile dans les études précliniques sur les accidents vasculaires cérébraux et l’athérosclérose.
Figure 1 : Surveillance animale. (un) ECG électrodes sont placées sur la patte avant droite et la postérieur gauche patte, et le capteur respiratoire oreiller est placé sous le torse de l’animal. (b) l’ECG et signaux respiratoires sont clairement visibles sur l’écran. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Illustration de la position du PC-IRM et images représentatives. (a) tranche de positionnement sur les points de vue sagittales et coronales reconstituées de l’angiographie TOF. La ligne bleue indique le plan de l’image au niveau du point médian de la CCA. (b) images amplitude et de phase d’un calendrier des images provenant d’un animal représentatif cine-série. Les flèches rouges indiquent CCA emplacement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Images de grandeur représentative. (a) plan d’imagerie est perpendiculaire à l’artère et (b) plan d’imagerie est non perpendiculaire à l’artère. La forme de l’artère passe de ronde à ovoïdes, si le plan d’imagerie n’est pas perpendiculaire à l’artère. La zone contenant le CCA est amplifiée dans la zone rouge. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Intra-analyse de test du débit sanguin d’un rat représentatif. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Reproductibilité Intra-section des mesures du débit sanguin CCA. (un) Bland-Altman terrain comparant deux mesures du débit sanguin acquis entre les sections. La ligne continue représente la différence moyenne entre les deux mesures tandis que les lignes pointillées représentent l’intervalle de confiance de 95 %. terrain (b), à la dispersion des mesures du débit deux sanguin. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Analyse longitudinale dans un animal de 2 mois et 4 - mois, indiquant les changements de la fonction de l’âge du débit sanguin dans la ZDC.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
PC-IRM est une approche globale pour l’évaluation non invasive et longitudinale de la circulation sanguine. Nous présentons un protocole pour l’exécution de PC-MRI du rat CCA. Cette procédure est facile à effectuer dans n’importe quel animal IRM et montre la bonne reproductibilité.
La technique de PC-MRI a une popularité croissante en humain 10,11 ainsi que les études animales 4,12. Parmi ces études, résultats de Peng et al. 4 est particulièrement intéressant en raison de la similitude de leur démarche, mais la principale différence avec les travaux en cours est l’utilisation de la résolution spatiale de 0,21 mm, comparée à celle de 0,31 mm dans le rapport susmentionné. La résolution spatiale limitée réduit considérablement le temps de scan, mais l’effet de volume partiel qui en résulte peut biaiser la quantification des flux, surtout pour les plus petits navires 6,7. Précision de mesure étant sur la liste des priorités, une résolution spatiale de 0,21 mm avec plus de temps de balayage est suggéré des études animales à l’avenir.
PC-MRI non-dépendants est utilisé comme méthode alternative de mesure du débit sanguin dans les nombreuses études sur les humains en raison de son considérablement moindre analyse temps 6,13,14,15. Cependant, PC-MRI non bloquées n’est pas suggéré chez les animaux utilisés pour les essais précliniques, comme la fréquence cardiaque des rats peuvent atteindre jusqu'à 400 BPM, conduisant à l’alternance rapide entre phases systoliques et diastoliques. PC-MRI non bloquées peut manquer des informations cruciales au cours de la phase systolique, ayant pour résultat relativement plus faibles valeurs de flux et de variations supérieures 7; par conséquent, il seulement peut être utilisé pour arriver à des estimations grossières chez les animaux utilisés pour les essais précliniques.
Analyse de nombreux paramètres sont liés à des quantifications précises pour les données PC-IRM et VENC est l’un d'entre eux. Une sous-estimation VENC provoque phase aliasing 16 mais une valeur plus élevée de VENC conduira à une détérioration à l’image de qualité 17. Nous avons utilisé une valeur VENC de 120 cm/s, qui est appropriée pour les rats adultes normaux de SD. Lorsque les variations du tonus vasculaire sont supposées, tels que les différentes espèces 4, la valeur VENC doit être optimisée telles que mieux les images ou les quotes-parts peuvent être acquises.
Devrait être une attention particulière à des étapes importantes du Protocole afin d’obtenir un résultat fiable. Tout d’abord, pour éviter les circuits résonnants et la fréquence de résonance de MRI la corruption par le signal ECG, il est suggéré à Torsadez les câbles ECG. En second lieu, la majorité des petits scanners de MRI animaux intègre un circuit d’eau chaude circulant pour maintenir la température du corps de l’animal en l’aimant. Cependant, l’eau coulant introduit le bruit et, par conséquent, interfère avec le signal ECG. Ainsi, dans cette étude de PC-MRI fermée, nous suggérons d’utiliser un tapis de système ou de la gaze au lieu d’utiliser le système de circulation de l’eau chaude afin d’améliorer la qualité de mécanisme de sélection de chauffage à air chaud.
Il est à noter que, dans ce travail, qu’une suite de PC-MRI 2D travaillait pour l’acquisition de données. La technique de base de cine-gated 2D PC-IRM a émergé comme un outil prometteur pour la quantification des flux sanguins grâce à deux avantages de réduction du temps de balayage et facile à mettre en œuvre dans les scanners standards. Toutefois, les données acquises par la technique de PC-MRI 2D sont limitées en raison de l’absence d’acquisitions volumétriques et streamline fiable de suivi, ce qui manque des informations importantes telles que l’écoulement turbulent. Résolution temporelle 3D PC-IRM séquences d’impulsions plus state-of-the-art techniques tels que cine accélérée QUE PC-IRM avec détection compressée et parallèles d’imagerie 18,19 devrait être mis en œuvre à l’avenir expériences CCA rat. Cette amélioration permettra la fourniture d’un aperçu des aspects spatiaux des distribution de vitesse et structures d’écoulement. Néanmoins, la préparation des animale et le suivi des protocoles présentés dans ce rapport sont toujours applicables dans ces techniques de PC-IRM 4D.
En conclusion, nous démontrons une procédure simple et fiable qui mesure le débit sanguin chez le rat CCA à l’aide de PC-MRI non invasif. Autres demandes de cette méthode d’imagerie comprennent l’évaluation des effets pharmacologiques, évaluation physiopathologique et évaluation de l’hémodynamique cérébrale.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Il n’y a rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par des subventions du ministère de la Science et de technologie, Taïwan, sous le numéro de licence de MOST-105-2314-B-039-044-MY2.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 7T small animal MRI system | Bruker | ||
| Isoflurane | Baxter | 1001936040 | anesthetic |
| ECG lead | 3M | 2269T | |
| Matlab | MathWorks | sofeware for image processing | |
| Monitoring and gating system | SA instruments, Inc | Model 1030 |
References
- Zakszewski, E., Schmit, B., Kurpad, S., Budde, M. D. Diffusion imaging in the rat cervical spinal cord. J Vis Exp. (98), (2015).
- Wise, R. G., Al-Shafei, A. I., Carpenter, T. A., Hall, L. D., Huang, C. L. Simultaneous measurement of blood and myocardial velocity in the rat heart by phase contrast MRI using sparse q-space sampling. J Magn Reson Imaging. 22 (5), 614-627 (2005).
- Skardal, K., Espe, E. K., Zhang, L., Aronsen, J. M., Sjaastad, I. Three-Directional Evaluation of Mitral Flow in the Rat Heart by Phase-Contrast Cardiovascular Magnetic Resonance. PLoS One. 11 (3), e0150536 (2016).
- Peng, S. L., et al. Phase-contrast magnetic resonance imaging for the evaluation of wall shear stress in the common carotid artery of a spontaneously hypertensive rat model at 7T: Location-specific change, regional distribution along the vascular circumference, and reproducibility analysis. Magn Reson Imaging. 34 (5), 624-631 (2016).
- Yu, H. Y., Peng, H. H., Wang, J. L., Wen, C. Y., Tseng, W. Y. Quantification of the pulse wave velocity of the descending aorta using axial velocity profiles from phase-contrast magnetic resonance imaging. Magn Reson Med. 56 (4), 876-883 (2006).
- Peng, S. L., et al. Optimization of phase-contrast MRI for the quantification of whole-brain cerebral blood flow. J Magn Reson Imaging. 42 (4), 1126-1133 (2015).
- Peng, S. L., Shih, C. T., Huang, C. W., Chiu, S. C., Shen, W. C. Optimized analysis of blood flow and wall shear stress in the common carotid artery of rat model by phase-contrast MRI. Sci Rep. 7 (1), 5253 (2017).
- Bozgeyik, Z., Berilgen, S., Ozdemir, H., Tekatas, A., Ogur, E. Evaluation of the effects of sildenafil citrate (viagra) on vertebral artery blood flow in patients with vertebro-basilar insufficiency. Korean J Radiol. 9 (6), 477-480 (2008).
- Swampillai, J., Rakebrandt, F., Morris, K., Jones, C. J., Fraser, A. G. Acute effects of caffeine and tobacco on arterial function and wave travel. Eur J Clin Invest. 36 (12), 844-849 (2006).
- Neff, K. W., Horn, P., Schmiedek, P., Duber, C., Dinter, D. J. 2D cine phase-contrast MRI for volume flow evaluation of the brain-supplying circulation in moyamoya disease. AJR Am J Roentgenol. 187 (1), W107-W115 (2006).
- Stalder, A. F., et al. Quantitative 2D and 3D phase contrast MRI: optimized analysis of blood flow and vessel wall parameters. Magn Reson Med. 60 (5), 1218-1231 (2008).
- Dall'Armellina, E., et al. Improved method for quantification of regional cardiac function in mice using phase-contrast MRI. Magn Reson Med. 67 (2), 541-551 (2012).
- Peng, S. L., Ravi, H., Sheng, M., Thomas, B. P., Lu, H. Searching for a truly "iso-metabolic" gas challenge in physiological MRI. J Cereb Blood Flow Metab. 37 (2), 715-725 (2017).
- Liu, P., et al. Quantitative assessment of global cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) in neonates using MRI. NMR Biomed. 27 (3), 332-340 (2014).
- Xu, F., Ge, Y., Lu, H. Noninvasive quantification of whole-brain cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) by MRI. Magn Reson Med. 62 (1), 141-148 (2009).
- Lotz, J., Meier, C., Leppert, A., Galanski, M. Cardiovascular flow measurement with phase-contrast MR imaging: basic facts and implementation. Radiographics. 22 (3), 651-671 (2002).
- Pelc, N. J., Herfkens, R. J., Shimakawa, A., Enzmann, D. R. Phase contrast cine magnetic resonance imaging. Magn Reson Q. 7 (4), 229-254 (1991).
- Kim, D., et al. Accelerated phase-contrast cine MRI using k-t SPARSE-SENSE. Magn Reson Med. 67 (4), 1054-1064 (2012).
- Valvano, G., et al. Accelerating 4D flow MRI by exploiting low-rank matrix structure and hadamard sparsity. Magn Reson Med. 78 (4), 1330-1341 (2017).
