Ultraljudsbaserad pulsvågshastighet utvärdering i möss
Summary
Artärstelhet är en nyckelfaktor för hjärt-kärlsjukdom och pulsvågshastighet (PWV) kan betraktas som en surrogat index för artärstelhet. Detta protokoll beskriver en bildbehandlingsalgoritm för beräkning av PWV i möss baserade på ultraljud bildbehandling som är tillämplig på olika arteriella platser.
Abstract
Arteriell stelhet kan utvärderas genom att beräkna pulsvågshastigheten (PWV), dvs den hastighet med vilken pulsvågen färdas i en ledning kärl. Denna parameter alltmer undersöks i små gnagarmodeller där det används för att bedöma förändringar i vaskulär funktion i samband med vissa genotyper / behandlingar eller för att karakterisera hjärt sjukdomsprogression. Detta protokoll beskriver en bildbehandlingsalgoritm som leder till icke-invasiv artär PWV mätning i möss med hjälp av ultraljud (US) avbildningar. Den föreslagna tekniken har använts för att bedöma bukaorta PWV hos möss och utvärdera dess åldersrelaterade förändringar.
Bukaorta amerikanska skannar erhålls från möss enligt gasformig anestesi med hjälp av en specifik USA-enhet utrustad med högfrekventa amerikanska sonder. B-mode och Pulse-Wave Doppler (PW-doppler) bilderna analyseras för att erhålla diameter och medelhastigheten momentana värden, respektive. För detta ändamål är kantavkänning och kontur spårning tekniker som används. Den enda slag innebär vågformer diameter och hastighets är tid linje och kombineras för att uppnå diameter hastighet (Lnd-V) slinga. PWV värden erhålles från lutningen på den linjära delen av slingan, vilket motsvarar den tidiga systoliska fasen.
Med den nuvarande modellen, anatomisk och funktionell information om musen bukaortan kan vara icke-invasivt uppnåtts. Kräver bearbetning av amerikanska avbildningar, kan det utgöra ett användbart verktyg för icke-invasiv karakterisering av olika arteriella platser i musen när det gäller elastiska egenskaper. Tillämpningen av föreliggande teknik kan lätt utvidgas till andra vaskulära områden, såsom halspulsådern, vilket ger möjligheten att få en multi-site artärstelhet bedömning.
Introduction
Musmodeller i allt högre grad används för undersökning av kardiovaskulär sjukdom (CVD) och i synnerhet används i longitudinella studier som medger karakterisering av olika faser av sjukdomsutveckling 1. Elastiska egenskaperna hos stora artärerna är relaterade till olika patologiska tillstånd; från en teknisk synvinkel, kan bedömas artärstelhet genom att mäta pulsvågshastighet (PWV), som representerar den hastighet med vilken pulsvågen färdas i en ledning kärl 2. På grund av dess kliniska betydelse, är det allt mäts även i prekliniska små djurmodeller 3.
Olika tekniker finns tillgängliga för att bedöma PWV i möss. Invasiva metoder är baserade på användning av kateterspetstryckomvandlare. PWV bedöms genom att förvärva trycksignaler vid två olika arteriella platser och dividera avståndet mellan de två mätnings siter av tidsförskjutningen mellan signalerna 4. Den största nackdelen i samband med dessa typer av tekniker är att de kräver djuroffer för utvärdering av avståndet mellan de två platserna mätning och således kan inte användas i longitudinella studier. För att övervinna denna begränsning, icke-invasiva metoder, baserade på olika avbildningstekniker, har utvecklats. Tidigare studier har rapporterat bedömningar PWV hos möss som erhållits genom tillämpning av transittiden metoden på anslags kodade magnetresonansdata 5 och pulserande dopplersignaler 6. Emellertid är PWV värde som erhålls med dessa metoder en regional utvärdering av arteriell stelhet. I själva verket, representerar det ett genomsnittligt värde, som står för olika artärer i termer av storlek och elastiska egenskaper. Dessutom är dessa typer av utvärderingar kräver bedömning av avståndet mellan de två mätningarna platserna som är en källa till fel som skulle kunna influence det slutliga resultatet.
PWV kan bedömas med hjälp av diameter hastighet (Lnd-V) slinga 7. Denna metod är baserad på en samtidig utvärdering av diametervärden och flödeshastighet i ett valt kärl. Enligt detta tillvägagångssätt, är LND-V-slinga erhålls genom värden plottning naturliga logaritmen diameter vs betyder hastighetsvärden och PWV uppskattas genom att beräkna lutningen av den linjära delen av det erhållna slingan som motsvarar den tidiga systoliska fasen. När det gäller det praktiska genomförandet av denna metod har tidigare verk redan rapporterat resultat om dess tillämpning i ett in vitro set-up system 7 och dess användning för bedömning av både hals och lårbens PWV hos människor 8.
Det främsta syftet med denna studie är att ge en detaljerad beskrivning av en bildbehandlingsalgoritm som ger en icke-invasiv artär PWV mätning i möss med användning av US bilderna bara. Det föreslagna tillvägagångssättet gör det möjligt att utvärdera den lokala artärstelhet med hjälp av behandlingen av både B-mode och Pulsed-Wave Doppler (PW-doppler) bilder och kan appliceras på artärer av central betydelse, såsom bukaortan.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna studie har en bildbehandlingsalgoritm baserad på LND-V-slinga för PWV bedömning i möss har beskrivits i detalj. Den föreslagna strategin bygger på behandling av amerikanska avbildningar och därmed skulle kunna utgöra ett alternativ till befintliga tekniker 6, 13 för utvärdering av artärstelhet i musmodeller. I själva verket omvänt till invasiva metoder 6 som är baserade på förvärv av intra-arteriella trycksignaler…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ingen.
Materials
| VEVO2100 | FUJIFILM VisualSonics Inc, Toronto, Canada | micro-ultrasound equipment | |
| MS250 Ultrasound Probe | FUJIFILM VisualSonics Inc, Toronto, Canada | micro-ultrasound probe | |
| EKV Software | FUJIFILM VisualSonics Inc, Toronto, Canada | Software | |
| Matlab R2015a | MathWorks Inc, Natick, MA, USA | Software | |
| Conductive Paste | Chosen by the operator | Laboratory material | |
| Petroleum Jelly | Chosen by the operator | Laboratory material | |
| Depilatory Cream | Chosen by the operator | Laboratory material | |
| Acoustic Coupling Gel | Chosen by the operator | Laboratory material | |
| Developed Matlab Software | The authors are willing to collaborate with those researchers who are interested in the software and to make the software available under their supervision |
Riferimenti
- Zaragoza, C., et al. Animal Models of Cardiovascular Diseases. J Biomed Biotechnol. 2011, 497-841 (2011).
- Laurent, S., et al. Expert consensus document on arterial stiffness: methodological issues and clinical applications. Eur Heart J. 27, 2588-2605 (2006).
- Wang, Y. X., et al. Increased aortic stiffness assessed by pulse wave velocity in apolipoprotein E-deficient mice. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 278, 428-434 (2000).
- Mitchell, G. F., Pfeffer, M. A., Finn, P. V., Pfeffer, J. M. Comparison of techniques for measuring pulse-wave velocity in the rat. J Appl Physiol. 82 (1), 203-210 (1997).
- Parczyk, M., Herold, V., Klug, G., Bauer, W. R., Rommel, E., Jakob, P. M. Regional in vivo transit time measurements of aortic pulse wave velocity in mice with high-field CMR at 17.6 Tesla. J Cardiovasc Magn Reson. 12, 72 (2010).
- Hartley, C. J., Taffet, G. E., Michael, L. H., Pham, T. T., Entman, M. L. Noninvasive determination of pulse-wave velocity in mice. Am J Physiol. 273 (1), 494-500 (1997).
- Feng, J., Khir, A. W. Determination of wave speed and wave separation in the arteries using diameter and velocity. J Biomech. 43 (3), 455-462 (2010).
- Borlotti, A., Khir, A. W., Rietzschel, E. R., De Buyzere, M. L., Vermeersch, S., Segers, P. Noninvasive determination of local pulse wave velocity and wave intensity: changes with age and gender in the carotid and femoral arteries of healthy human. J Appl Physiol. 113 (5), 727-735 (2012).
- Chérin, E., et al. Ultrahigh frame rate retrospective ultrasound microimaging and blood flow visualization in mice in vivo. Ultrasound Med Biol. 32 (5), 683-691 (2006).
- Gemignani, V., Faita, F., Ghiadoni, L., Poggianti, E., Demi, M. A system for real-time measurement of the brachial artery diameter in B-mode ultrasound images. IEEE Trans Med Imaging. 26 (3), 393-404 (2006).
- Di Lascio, N., Stea, F., Kusmic, C., Sicari, R., Faita, F. Non-invasive assessment of pulse wave velocity in mice by means of ultrasound images. Atherosclerosis. 237 (1), 31-37 (2014).
- Nichols, W. W., O’Rourke, M. F. . McDonald’s Blood Flow in Arteries: Theoretical, Experimental, and Clinical Principles. , 215-358 (1998).
- Williams, R., et al. Noninvasive ultrasonic measurement of regional and local pulse wave velocity in mice. Ultrasound Med Biol. 33 (9), 1368-1375 (2007).
- Penny, D. J., et al. Aortic wave intensity of ventricular-vascular interaction during incremental dobutamine infusion in adult sheep. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 294, 481-489 (2008).
- Segers, P., et al. Wave reflection leads to over- and underestimation of local wave speed by the PU- and QA-loop methods: theoretical basis and solution to the problem. Physiol Meas. 35 (5), 847-861 (2014).
