Summary
Deze studie beschrijft een uitgebreid cardiovasculair magnetisch resonantie beeldvorming (CMR) protocol om de linker ventriculaire functionele parameters van het muishart te kwantificeren. Het protocol beschrijft de verwerving, nabewerking en analyse van de CMR-beelden en de beoordeling van verschillende cardiale functionele parameters.
Abstract
Muismodellen hebben aanzienlijk bijgedragen aan het begrijpen van genetische en fysiologische factoren die betrokken zijn bij een gezonde hartfunctie, hoe verstoringen resulteren in pathologie en hoe myocardiale ziekten kunnen worden behandeld. Cardiovasculaire magnetische resonantie beeldvorming (CMR) is een onmisbaar hulpmiddel geworden voor een uitgebreide in vivo beoordeling van de anatomie en functie van het hart. Dit protocol toont gedetailleerde metingen van de linkerventrikelfunctie van het muishart, myocardiale spanning en hemodynamische krachten met behulp van 7-Tesla CMR. Eerst worden de diervoorbereiding en positionering in de scanner gedemonstreerd. Enquêtescans worden uitgevoerd voor het plannen van beeldsegmenten in verschillende weergaven met korte en lange assen. Een reeks prospectieve ECG-geactiveerde korte-as (SA) films (of CINE-beelden) worden verkregen die het hart van top tot basis bedekken en end-systolische en einddiastolische fasen vastleggen. Vervolgens worden single-slice, retrospectief gated CINE-beelden verkregen in een midventriculaire SA-weergave en in 2-, 3- en 4-kamerweergaven, om te worden gereconstrueerd tot CINE-beelden met een hoge temporele resolutie met behulp van op maat gemaakte en open-source software. CINE-beelden worden vervolgens geanalyseerd met behulp van speciale CMR-beeldanalysesoftware.
Het afbakenen van endomyocardiale en epicardiale grenzen in SA end-systolische en end-diastolische CINE-beelden maakt de berekening van end-systolische en end-diastolische volumes, ejectiefractie en cardiale output mogelijk. De midventriculaire SA CINE-beelden zijn afgebakend voor alle cardiale tijdframes om een gedetailleerde volume-tijdcurve te extraheren. De tijdderivaat maakt het mogelijk om de diastolische functie te berekenen als de verhouding van de vroege vul- en atriale contractiegolven. Ten slotte worden linkerventrikelendocardiale wanden in de 2-, 3- en 4-kameraanzichten afgebakend met behulp van feature-tracking, waaruit longitudinale myocardiale spanningsparameters en linkerventrikel hemodynamische krachten worden berekend. Kortom, dit protocol biedt gedetailleerde in vivo kwantificering van de cardiale parameters van de muis, die kunnen worden gebruikt om temporele veranderingen in de hartfunctie in verschillende muismodellen van hartaandoeningen te bestuderen.
Introduction
Cardiovasculaire magnetische resonantie (CMR) bij kleine dieren biedt een nauwkeurige in vivo meting van de myocardiale functie, waardoor CMR een optimaal hulpmiddel is voor preklinisch onderzoek bij hart- en vaatziekten. Door de hoge ruimtelijke resolutie en het hoge contrast tussen bloed en myocardium in CMR-beelden is het mogelijk om de endo- en epicardiale contouren af te bakenen en myocardiale massa en ventriculaire volumes1,2te berekenen. Ondanks de hoge hartslagen tot 600 slagen /min, maakt het gebruik van elektrocardiogram (ECG) en ademhalingstriggers hoogwaardige metingen van verschillende hartfasen (ook wel CINE-beelden genoemd) mogelijk zonder ademhalingsbewegingsartefacten. Op deze manier kunnen meerdere plakjes worden gebruikt om het hart van apex tot base te bedekken om systolische functieparameters te extraheren, zoals ejectiefractie (EF), end-systolisch volume (ESV), einddiastolisch volume (EDV) en cardiale output (CO)3. Afgezien van de basisbeoordeling van de systolische functie, zijn onlangs aanvullende CMR-technieken ontwikkeld om diastolische disfunctie4,myocardiale stam5en hemodynamische krachten (HDF)6te beoordelen.
ECG-gating maakt synchronisatie van de hartcyclus mogelijk door MR-signaalacquisitie te starten na detectie van de R-piek en een gedefinieerd aantal hartfasen tijdens het R-R-interval te registreren. Het aantal hartfasen (framesnelheid) dat op deze manier kan worden verkregen, hangt echter af van de laagst mogelijke herhalingstijd (TR) die het systeem kan bereiken met behoud van een acceptabele signaal-ruisverhouding (SNR) en ruimtelijke resolutie4. Bovendien, omdat het gebruik van hoge magnetische veldgradiënten het ECG-signaal tijdelijk kan vervormen, wordt de acquisitie meestal gestopt vóór de einddiastolische fase. Beide factoren beperken het gebruik van dergelijke scans tot systolische functiebeoordelingen, omdat de berekening van andere cardiale functionele parameters een betere definitie van de volume-tijdcurve van de linkerventrikel (LV) vereist.
CINE-beelden met hoge framesnelheid kunnen worden verkregen door retrospectieve gating, waarbij het MR-signaal continu wordt verkregen tijdens het scannen en een ingebouwde navigatorecho na radiofrequentie (RF) excitatie hart- en ademhalingsbeweging detecteert. Omdat de CMR-acquisitie asynchroon wordt uitgevoerd met de cardiale beweging, kunnen de verkregen MR-signalen vervolgens worden toegewezen aan een retrospectief gekozen aantal cardiale frames. Op deze manier kunnen, als er voldoende gegevens worden verzameld, CINE-beelden met een hoge framesnelheid worden gereconstrueerd4,7. Dit maakt vervolgens diastolische functiebeoordeling mogelijk, weergegeven door de verhouding tussen de piek vroege vulsnelheid (E') en de piek late vulsnelheid van atriale contractie (A').
In klinisch onderzoek kunnen CINE-beelden worden geanalyseerd met CMR-feature-tracking om de myocardiale stam en HDF6,8te beoordelen. Myocardiale stam is een cardiale vervormingsparameter die het verschil in percentages meet tussen de initiële lengte (meestal in einddiastolische lengte) en maximale lengte (meestal in eind-systole) van een myocardiaal segment9. Myocardiale spanningsmetingen kunnen van incrementele waarde zijn voor het beoordelen van de LV-functie, aangezien spanningswaarden myocardiale wandverkorting en verdikking kwantificeren. Een vermindering van de verkortingsfunctie kan een indicatie zijn van subendocardiale vezelschade10. Veranderingen in myocardiale stam kunnen onafhankelijk van EF optreden en kunnen een voorloper zijn voor onderliggende complicaties.
In het bijzonder is aangetoond dat de global longitudinal strain (GLS) en global circumferential strain (GCS) van toegevoegde waarde zijn bij het karakteriseren van hartziekten10,11,12. Evenzo is hdf voorgesteld als een potentiële nieuwe parameter om een veranderde hartfunctie aan te geven6,13. Deze HDF of interventriculaire drukgradiënten (IVPG) stimuleren de bloedbeweging tijdens het uitwerpen en vullen van het hart en worden beïnvloed door de momentumuitwisseling tussen bloed en myocardium, inclusief de aorta- en mitralisklep14,15.
In deze studie wordt een uitgebreid protocol beschreven voor het uitvoeren van robuuste CMR-metingen voor kleine dieren om de LV-functie, myocardiale stam en HDF van muizenharten te kwantificeren. Het bevat de nodige stappen voor diervoorbereiding, gegevensverzameling met behulp van zowel prospectief als retrospectief gated CINE-beelden van het hart, evenals analyse met speciale software die in staat is om de volumetrische metingen, E '/ A'-ratio, myocardiale belasting en HDF van het hart te berekenen. Dit protocol kan worden gebruikt voor de uitgebreide beoordeling van de LV-functie in verschillende muismodellen van hart- en vaatziekten.
Protocol
De beschreven dierproeven worden uitgevoerd in overeenstemming met de richtlijnen van de Europese Unie voor het welzijn van proefdieren (Richtlijn 2010/63/EU) en zijn goedgekeurd door de Commissie Voor De Ethiek van het Academisch Medisch Centrum.
1. Opstelling en dierbereiding
- Voordat u met het experiment begint, moet u ervoor zorgen dat er voldoende isofluraan-anesthesie is gedurende ten minste 2 uur en dat de batterij die beschikbaar is voor ECG en ademhalingsmonitoring voldoende is opgeladen. Zorg ervoor dat het scannergebied is uitgerust met een werkende rookafzuigbuis om overtollig isofluraan te verwijderen.
- Bereid de muishouder voor(figuur 1A)en schakel het verwarmingssysteem van de dieren in met de temperatuur ingesteld op 40 °C. Bereid de ECG/respiratoire interfacemodule en batterij-instelling voor(figuur 1B)en start de software voor real-time monitoring van ECG- en ademhalingssignalen(figuur 1C).
- Verwijder de muis uit de kooi en meet het lichaamsgewicht.
- Plaats de muis in een anesthesie-inductiekamer onder een afzuigarm met zuurkast en zorg voor 3-4% isofluraan in een mengsel van 0,2 l/min O2 en 0,2 l/min medische lucht. Nadat het dier volledig is verdoofd, brengt u een klein druppel oogzalf aan op elk oog en sluit u de oogleden van de muis.
- Plaats de muis in rugligging op de muishouder. Haak de snijtanden van de muis in de bijtbalk op de muiswieg en pas de neuskegel aan om goed te passen (Figuur 1A). Controleer visueel of de ademhaling stabiel is onder de 100 ademhalingen / min en verminder het isofluraan tot ~ 2% tijdens de bereiding van het dier.
- Beweeg de muishouder zodanig dat het hart zich in het deel van de houder bevindt dat in het midden van de RF-spoel en het iso-midden van de magneet terechtkomt.
- Gebruik vaseline om de rectale temperatuursonde in te brengen en plak de glasvezelkabel van de temperatuursonde vast aan de muishouder.
- Plaats de ademhalingsballon op de onderbuik van de muis en zet deze vast met tape. Steek twee ECG-elektrodenaalden subcutaan in de thorax ter hoogte van de voorpoten en plak ze voorzichtig af om beweging te voorkomen(figuur 1A).
- Controleer of de ademhaling en ECG-signalen van voldoende kwaliteit zijn en of de juiste triggerpoints door de software worden gedetecteerd(figuur 1C).
- Zorg ervoor dat de ademhalingsfrequentie 50-80 ademhalingen / min is, hartslag ~ 400-600 slagen / min en lichaamstemperatuur rond 37 ° C. Pas de toediening van isofluraan aan wanneer de ademhalingsfrequentie buiten dit bereik ligt en verlaag de temperatuur van het verwarmingssysteem van het dier als de lichaamstemperatuur de neiging heeft om hoger te zijn dan 37 °C.
- Plaats de RF-spoel over de muis.
OPMERKING: Afhankelijk van het systeem kan dit vereisen dat de ECG-elektroden en ademhalingsballonpluggen tijdelijk worden losgekoppeld van de ECG/respiratoire interfacemodule. - Sluit de spoelkabels aan en plaats de houder in de magneetboring. Controleer of het ECG-signaal nog stabiel is.
- Als het ECG-signaal suboptimaal is, herpositioneer dan de ECG-elektroden voor een beter signaal, omdat dit in een later stadium niet kan worden gedaan zonder de oriëntatie van het dier aanzienlijk te veranderen.
Figuur 1: Diervoorbereiding en uitrusting voor CMR-beeldvorming van het muizenhart. (A)Volledig verdoofde muis in rugligging, geplaatst in de verwarmde muiswieg met een ademhalingspneumatisch kussen op de buik, rectale vezel-optische temperatuursensor en subcutane ECG-kabels in de borst bij de voorpoten. (B)Muisbehuizingsspiraal geplaatst over de muishouder, met ECG-kabels en ademhalingskussen opnieuw aangesloten op het ECG en de ademhalingsinterface voordat de houder in de MRI-magneet wordt geplaatst. (C) Weergave van het ECG en ademhalingssignalen in speciale bewakingssoftware voor kleine dieren. De R-piek van het ECG-signaal wordt gedetecteerd en gebruikt als uitgangspunt voor MRI-signaalacquisitie. Een blankingsperiode tussen R-pieken kan handmatig worden aangepast op basis van de periode van een hartslag. Triggering kan alleen optreden tijdens het ademhalingsplateau (groene lijn in het middenpaneel) waarvoor de beginvertraging en maximale breedte handmatig kunnen worden aangepast. Afkortingen: CMR = cardiovascular magnetic resonance imaging; ECG = elektrocardiogram; MRI = magnetische resonantie beeldvorming. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. MRI-scan kalibratie en triggering
- Pas de ECG- en ademhalingsgatparameters in de signaalbewakingssoftware zodanig aan dat triggerpoints worden gegenereerd op de R-pieken en alleen tijdens het vlakke deel van het ademhalingssignaal. Als u ECG-gatingfouten wilt minimaliseren, stelt u een blankingsperiode in die 10-15 ms korter is dan het R-R-interval.
OPMERKING: Deze blankingperiode moet gedurende het hele experiment worden aangepast als er veranderingen in de hartslag optreden. - Voer een kalibratie van de middenfrequentie en een standaard (ungated) SCOUT-scan uit met nul offset om de positie van de muis in de scanner in coronale, axiale en sagittale richtingen te bepalen. Als het hart zich niet binnen 0,5-1 cm van het FOV-centrum bevindt, past u de positie van de houder dienovereenkomstig aan en voert u de SCOUT-scan opnieuw uit.
- Voer een handmatige shim- en RF-kalibratie uit met behulp van beschikbare leveranciersmethoden.
3. Scan planning en acquisitie
OPMERKING: Zie tabel 1 voor gedetailleerde scanparameters van de volgende scans.
- Voer op basis van de initiële SCOUT een gated single-frame Gradient Echo (GRE) scoutscan uit(tabel 1,scan 1) met 5 plakjes in 3 orthogonale richtingen en plaats elke stapel plakjes op de geschatte locatie van het hart om de exacte positie van het hart te lokaliseren(Figuur 2A).
- Voer een gated single-frame multi-slice SA scout scan uit(Tabel 1,scan 2). Gebruik hiertoe de vorige GRE-verkenner om 4-5 plakjes in een mid-linker ventriculaire positie te plaatsen, loodrecht op de lange as van het hart om een eerste schatting te vinden van de midventriculaire SA-weergave, die nodig is om de lange-as 2-kamerverkenner te plannen (Figuur 2B).
- Pas voor de volgende prospectieve scans (stappen 3.4-3.6) het aantal cardiale frames (Nframes) zodanig aan dat Nframes × TR ~60-70% van het R-R-interval is.
OPMERKING: Acquisitie voor 60-70% van het R-R-interval is voldoende om de einddiastolische fase van de hartcyclus vast te leggen, terwijl extra T1-ontspanning tijdens de einddiastole mogelijk is voor een verbeterde SNR en verstoring van de volgende R-piek door gradiëntschakeling wordt voorkomen. - Voer een gated single-slice GRE-scan uit om de lange-as 2-kamer (2CH) scout te genereren, die in combinatie met de SA-scan nodig is om de 4-kamer (4CH) te plannen(Tabel 1,scan 3). Plaats hiertoe een segment loodrecht op de vorige SA-weergaven die parallel lopen aan de verbindingspunten tussen de linker- en rechterventrikel. Verplaats dit segment naar het midden van de linker ventrikel en controleer in de coronale afbeelding van de GRE-verkenner of het segment zodanig is uitgelijnd met de LV lange as dat deze door de top wordt geplaatst(figuur 2C).
- Voer nog een gated single-slice GRE-scan uit om de 4-kamer (4CH) scout-scan te genereren, die nodig is om de multi-slice SA en de 3-kamerscan te plannen(tabel 1,scan 4). Plaats hiertoe een plak loodrecht op de 2CH-verkenningsscan en lijn deze uit op het midden van de lange as, zodat de plak door de mitralisklep en de top gaat. Pas in de SA-weergaven het segment zodanig aan dat het evenwijdig aan de achterste en voorste ventriculaire wand en tussen de twee papillaire spieren wordt geplaatst (figuur 2D). Controleer of de plak gedurende de hele hartcyclus in het midden van de ventrikel blijft.
- Voer een gated sequentiële multi-slice SA GRE-scan uit(tabel 1,scan 5) voor systolische functiemetingen. Plaats hiertoe een midventriculaire plak loodrecht op de lv lange as in de 2CH- en 4CH-weergaven in het midden van het hart en verhoog het aantal plakjes (meestal een oneven aantal, bijvoorbeeld 7 of 9 plakjes, geen opening tussen de plakjes) om het hart van basis tot top te bedekken(figuur 2E).
- Schakel voor de volgende retrospectief gated scans (stappen 3.8-3.9) alle prospectieve cardiale en respiratoire gating-functionaliteit uit. Noteer de cardiale en ademhalingsfrequentie voor en na elke retrospectief afgesloten scan en gebruik deze waarden later voor reconstructiedoeleinden (stap 5.2.2).
- Voer drie sequentiële single-slice retrospectief gated GRE-scans uit in de midventriculaire SA-weergave (voor kwantificering van de E'/A'-ratio), 2CH- en 4CH-weergave, de laatste twee die nodig zijn voor de kwantificering van de myocardiale stam en HDF-waarden(tabel 1,scan 6-8). Optimaliseer indien nodig de uiteindelijke 2CH- en 4CH-segmentoriëntaties op basis van de SA-weergaven met meerdere segmenten en de beschikbare 2CH- en 4CH-scoutscans.
- Voer een extra retrospectief gated single-slice GRE-scan uit in een 3-kamer (3CH) weergave, die in combinatie met de 2CH- en 4CH-weergave uit stap 3.8 noodzakelijk is voor de kwantificering van de myocardiale spanning en HDF-waarden(tabel 1,scan 9). Plaats hiertoe een plak loodrecht op de midventriculaire SA-weergave die vergelijkbaar is met de positie van de laatste 4CH-weergave met lange as en draai de plak 45 ° om van de voorste wand naar de papillaire spier te gaan die zich het dichtst bij de achterste wand bevindt. Inspecteer de basale SA-plak om te zien of de plak door de mitralis- en aortaklep gaat. Controleer in de laatste 4CH-weergave met lange as of het segment door de top gaat(afbeelding 2F).
Figuur 2: Sliceplanning voor CMR-beeldvorming in een muis. (A) GRE SCOUT planning door het hart in 3 orthogonale weergaven met behulp van initiële scoutscan. (B) Korte-as scout planning op de GRE SCOUT coronale en sagittale plakjes. (C) Planning van 2CH scout view met behulp van de korte-as scout en de GRE SCOUT coronale slice. DPlanningvan 4CH scout view met behulp van de korte-as scout en de 2CH scout. (E) Planning van de multi-slice korte-as weergave met behulp van 2CH en 4CH scouts. (F) (links) Planning van de laatste 2CH-, 3CH- en 4CH-weergaven met behulp van de midventriculaire korte as en 2CH / 4CH-verkenningsweergaven. Afkortingen: CMR = cardiovascular magnetic resonance imaging; GRE = Gradiënt Echo; CH = kamer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Scannummer(s) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6-9 |
| Scannaam/-namen | GRE-scout | sa-scout met meerdere segmenten | 2CH scout | 4CH scout | sa met meerdere segmenten | ZA, 2CH, 4CH, 3CH |
| totaal aantal plakjes | 15 (3 x 5)* | 4-5 | 1 | 1 | 7-9 | 1 |
| Dikte (mm) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| FOV (mm) | 60 | 35 | 30 | 30 | 35 | 30 |
| FOV-verhouding | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Flip Hoek | 40 | 20 | 20 | 20 | 20 | 15 |
| TE (ms)** | 3.8 | 3.4 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 3.6 |
| TR (ms) | 200 | 1 R-R | 7 | 7 | 7 | 8 |
| Nframes | 1 | 1 | 12-14 | 12-14 | 12-14 | 32 *** |
| Matrix grootte | 192 x 192 cm | 192 x 192 cm | 192 x 192 cm | 192 x 192 cm | 192 x 192 cm | 192 x 192 cm |
| ECG triggeren | Nee | ja | ja | ja | ja | retrospectief |
| Respiratoire triggering | ja | ja | ja | ja | ja | retrospectief |
| Gemiddelden | 1 | 3 | 5 | 5 | 5 | retrospectief **** |
| Totale beeldvormingstijd (geschatte *****) | 2 min. | 2min | 3-4 min. | 3-4 min. | 20-25 min | 13 min / scannen |
Tabel 1: Acquisitieparameters voor elke sequentie die tijdens het CMR-protocol wordt gebruikt. * Scans worden uitgevoerd in drie verschillende orthogonale oriëntaties (axiale, coronale, sagittale). **De kortst mogelijke TE, gegeven alle andere parameters worden gebruikt, afhankelijk van de specifieke scannerconfiguratie. Dit is het aantal cardiale frames na retrospectieve binning. De effectieve gemiddeldeing is afhankelijk van de willekeurige k-ruimtevulling gedurende de totale acquisitietijd. In totaal werden 400 herhalingen van alle k-lijnen uitgevoerd. Inclusief ECG/respiratoire triggering delays. Afkortingen: CMR = cardiovascular magnetic resonance imaging; ECG = elektrocardiogram; GRE = gradiëntecho; FOV = gezichtsveld; TE = echotijd; TR = herhalingstijd; Nframes = aantal cardiale frames; SA = korte as; CH = kamer. Klik hier om deze tabel te downloaden.
4. Afronding van het experiment en gegevensopslag
- Haal de muis uit de houder nadat u alle andere meetapparatuur hebt losgemaakt en schakel de anesthesie uit. In het geval van longitudinale experimenten, plaats de muis in een voorverwarmde kooi bij 37 °C voor herstel totdat het dier wakker en actief is.
- Reinig alle apparatuur die is gebruikt met reinigingsdoekjes of 70% alcohol.
- Genereer Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM) -bestanden voor de prospectief gated MRI-gegevens en kopieer deze samen met de MRI raw-gegevensbestanden van de retrospectief gated scans naar een beveiligde server voor daaropvolgende gegevensanalyse.
5. Offline reconstructie van de retrospectief verkregen scans
OPMERKING: Voor de reconstructie van de retrospectief afgesloten scans werd een op maat gemaakte open-source software gebruikt(figuur 3). Voer de volgende stappen uit voor elk van de achteraf geactiveerde gegevens afzonderlijk.
- Open de reconstructiesoftware Retrospectiveen laad het onbewerkte gegevensbestand dat overeenkomt met een retrospectief afgesloten MRI-scan.
- Inspecteer het Raw navigator-signaal en merk op dat de hogere signaalpieken de ademhalingsfrequentie vertegenwoordigen en de lagere signaalpieken de hartslag.
- Als de pieken ondersteboven worden geregistreerd, draait u het signaal om met de schakelaar omhoog/omlaag.
- Controleer bovendien of de automatisch gedetecteerde hartslag overeenkomt met 10% van de waargenomen waarden tijdens elke scan. Zo niet, pas deze waarden dan handmatig aan omdat geautomatiseerde detectie is mislukt.
- Kies een geschikt vensterpercentage voor uitsluiting van gegevens tijdens ademhalingsbewegingen, meestal 30%.
- Druk op Filter om de navigatoranalyse uit te voeren en de hartnavigator te scheiden van de ademhalingsnavigator.
- Stel het aantal CINE-frames in op 32 (waarde die in dit onderzoek wordt gebruikt) en druk op sort k-space.
- Kies de juiste instellingen voor regularisatie van gecomprimeerde detectie (CS) en druk op reconstrueren. Gebruik de volgende typische regularisatieparameters: wavelet regularisatieparameter in de ruimtelijke (x, y en z) dimensies (WVxyz) 0,001 of 0; totale variatiebeperking in de CINE-dimensie (TVcine) 0,1; beperking van de totale variatie in ruimtelijke dimensie (TVxyz) 0; en totale variatiebeperking in de dynamicadimensie (TVdyn) 0,05.
- Zodra de reconstructie is voltooid, bekijkt u een voorbeeld van de CINE-film om de reconstructie te evalueren. Exporteer DICOM-afbeeldingen voor verdere analyse met Export DCM.
Figuur 3: 'Retrospectief' voor de grafische gebruikersinterface. 'Retrospective' is een op maat gemaakte reconstructietoepassing voor retrospectief getriggerde cardiale magnetische resonantie beeldvormingsscans. In de gebruikersinterface is het mogelijk om het navigatorsignaal te evalueren, het aantal te reconstrueren CINE-frames aan te passen, de gecomprimeerde detectieparameters aan te passen om de reconstructie te verbeteren, een voorbeeld van de CINE-beelden als een dynamische film te bekijken en de gereconstrueerde gegevens te exporteren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
6. Beeldanalyse software
OPMERKING: De beeldanalysesoftware(Figuur 4)vereist het gebruik van DICOM-afbeeldingen en heeft meerdere plug-ins voor verschillende cardiovasculaire analysetoepassingen, zoals de plug-in voor volumetrische metingen en de plug-in voor stam- en HDF-analyse.
- Voor volumetrische beoordeling van de LV selecteert u de multi-slice SA-scan en laadt u deze in de plug-in voor volumetrische metingen.
- Wijs end-systolische (ES) en end-diastolische (ED) labels toe aan het overeenkomstige cardiale frame.
- Gebruik de contourgereedschappen om de endomyocardiale randen in de ES- en ED-frames te segmenteren.
OPMERKING: De analysesoftware die voor dit protocol wordt gebruikt, geeft automatisch de LV EF-, EDV- en ESV-parameters weer wanneer alle benodigde annotaties zijn gemaakt.
- Voor diastolische metingen selecteert u de midventriculaire SA CINE-beelden en laadt u deze in de plug-in voor volumetrische metingen.
- Wijs de ED- en ES-labels toe aan de bijbehorende hartframes.
- Gebruik de contourgereedschappen om de endocardiale rand voor alle frames te segmenteren. Vergelijk de segmentatie van naburige frames om soepele overgangen van de segmentatie gedurende de hele hartcyclus te garanderen.
- Exporteer de tijdsevolutie van alle cardiale frames en bijbehorende LV endomyocardiale volumes (LV ENDO). Pas een aangepast script toe (zie Aanvullend materiaal) om de E'/A'-verhouding te berekenen.
OPMERKING: Het script past een Savitzky-Golay-filter toe voor een robuuste berekening van de dV/dt-curven en maakt gebruik van semi-automatische piekdetectie om de E'- en A'-pieken te vinden.
- Voor spannings- en HDF-berekeningen selecteert u de 2CH-, 3CH- en 4CH-CINE-beelden met lange as en laadt u deze in de plug-in voor volumetrische metingen.
- Wijs de ED- en ES-labels toe aan het overeenkomstige hartframe in elke segmentoriëntatie.
- Gebruik de contourgereedschappen om de endocardiale rand voor alle frames in alle 3 de richtingen te segmenteren. Vergelijk de segmentatie van naburige frames om soepele overgangen van de segmentatie gedurende de hele hartcyclus te garanderen.
- Zodra de contouren zijn getekend in de plug-in voor volumetrische metingen, voert u de plug-in uit voor de spannings- en HDF-analyse.
- Wijs elk van de verkregen datasets toe aan de bijbehorende labels voor 2CH-, 3CH- en 4CH-weergaven en voer de stamanalyse uit.
- Teken voor HDF-analyse de diameter van de mitralisklep op het einddiastolische frame in alle 3 oriëntaties en teken de diameter van de aorta in de afbeelding met lange assen met 3 kamers.
Figuur 4: Beeldanalysesoftware grafische gebruikersinterface. De plug-in voor volumetrische meting in de beeldanalysesoftware, die wordt gebruikt voor het contouren van de endomyocardiale rand. Voor elke dataset worden de end-diastolische en end-systolische cardiale fasen geselecteerd en wordt de endomyocardiale grens voor alle frames gesegmenteerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Representative Results
Met behulp van het eerder beschreven protocol werd een groep gezonde C57BL/6 wildtype muizen (n = 6, leeftijd 14 weken) gescand met behulp van een 7-Tesla MRI-scanner met behulp van een vogelkooispiraal met een diameter van 38 mm. Tijdens elke scansessie werden de multi-slice CINE SA-beelden verkregen met behulp van prospectief gated GRE-sequenties, terwijl de single-slice midventricicular SA, 2CH, 3CH en 4CH-weergaven CINE-beelden werden verkregen met behulp van retrospectieve gating. Representatieve reconstructies met hoge framesnelheid van retrospectief gated scans met behulp van een op maat gemaakte, nabewerkingssoftware zijn te zien in Supplemental Video 1. Uit de resulterende beelden werden volume-tijdcurven tijdens de hartcyclus (figuur 5A) bepaald, evenals de overeenkomstige eerst-afgeleide curven (dV/dt) voor de berekening van respectievelijk systolische (EF = 72,4 ± 2,8%) en diastolische functieparameters (E'/A'-verhouding = 1,5 ± 0,3).
De 2CH- , 3CH- en 4CH-weergave CINE-beelden werden geanalyseerd met behulp van beeldanalysesoftware om endocardiale GLS (endoGLS) -veranderingen in de hartcyclus(figuur 5B)en bijbehorende piek GLS-waarden (-22,8 ± 2,4%) te bepalen als een maat voor myocardiale spanning. Daarnaast berekent de software de root mean square (RMS) HDF in longitudinale (apex-base) (135,2 ± 31,7%) en transversale (inferolaterale-anteroseptale) (12,9 ± 5,0%) richtingen. Voor elk dier is het ook mogelijk om een HDF-tijdprofiel te produceren, dat een consistent patroon van positieve en negatieve pieken volgt die de grootte en richting van de HDF tijdens de hartcyclus vertegenwoordigen(figuur 5C). Beschrijvende resultaten van alle uitkomstparameters zijn samengevat in figuur 5D.
Figuur 5: Kwantificering van LV functionele parameters op basis van het muishart. (A) Representatieve volume-tijdcurve en overeenkomstige dV/dt-curve. De laatste geeft de stroomsnelheid weer met een duidelijke vroege vulpiek (E') en atriale contractie (A') piek. (B) Representatieve GLS-curve die de vervorming van de rek in de lengterichting gedurende de gehele hartcyclus aangeeft. (C) Representatieve HDF-curve met duidelijke krachtpieken in de apex-base richting, beginnend met de systolische ejectiekracht en gevolgd door een neerwaartse kracht bij de overgang tussen systole en diastole, E-golfvertragingskracht, A-golfversnelling en vertragingskracht. D)Beschrijvende resultaten van alle dieren voor waarden van EF, E'/A'-verhouding, piek-GLS en wortelgemiddelde kwadraat van de HDF in apex-base en inferolaterale-anteroseptale richtingen. Waarden worden uitgedrukt als gemiddelde ± SD. Afkortingen: LV = linker ventrikel; V = volume; t = tijd; GLS = globale longitudinale belasting; HDF = hemodynamische krachten; EF = ejectiefractie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullende video 1: Representatieve reconstructie van retrospectief gated CINE-beelden in SA-, 2CH-, 3CH- en 4CH-weergaven. Afkortingen: SA = korte as; CH = kamer. Klik hier om deze video te downloaden.
Aanvullend materiaal: Klik hier om dit bestand te downloaden.
Discussion
Het gepresenteerde protocol beschrijft het gebruik van CMR-beeldvorming voor longitudinale, niet-invasieve, in vivo experimenten om de hartfunctie bij muizen te analyseren. Deze resultaten zijn voorbeelden van gezonde dieren om de haalbaarheid aan te tonen van het gebruik van CINE-beelden om de hartparameters te kwantificeren. De beschreven methoden kunnen echter voor verschillende diermodellen worden gebruikt. Hoewel specifieke ziektemodellen kleine wijzigingen in het protocol kunnen vereisen, zal de basisstructuur om de verschillende cardiale functionele parameters te beoordelen zeer vergelijkbaar zijn. Een bijzonder geval dat het vermelden waard is, is een myocardinfarctmodel waarbij een deel van het hart aanzienlijk verlies aan contractiliteit heeft. Dit kan leiden tot een lage kwaliteit van het cardiale navigatorsignaal in dit segment. In dit geval zou een alternatieve optie zijn om de navigator uit een afzonderlijke slice te halen, zoals beschreven in een eerdere studie van Coolen et al.16. CINE-beelden in verschillende weergaven worden gereconstrueerd uit retrospectief gated gegevens met behulp van CS-algoritmen en worden geanalyseerd met behulp van beeldanalysesoftware om de spannings- en HDF-waarden te berekenen.
De kwaliteit van de verkregen beelden hangt natuurlijk af van alle voorbereidingsstappen, die zorgvuldig moeten worden uitgevoerd voordat het cardiale MRI-protocol wordt gestart. Als er bijvoorbeeld geen duidelijke ECG- en ademhalingssignalen worden gezien bij het plaatsen van het dier in de MRI-scanner, zal dit waarschijnlijk resulteren in suboptimale acquisities en zelfs verhoogde scantijden als gevolg van het toegevoegde effect van magnetohydrodynamische vervormingen17. Het is belangrijk om te beseffen dat vanwege de sequentiële planning van de plakoriëntaties, de dieren niet zomaar tussen scans kunnen worden verplaatst. Het is daarom niet mogelijk om de ECG-kabels tussen de scans opnieuw aan te passen, omdat dit de positie van de muis in de scanner zal veranderen. Tijdens het scannen is temperatuurregeling cruciaal voor het handhaven van een constant hart- en ademhalingsinterval, wat vooral de kwaliteit van de retrospectief afgesloten scans die over een langere periode worden verkregen, ten goede komt. Tijdens deze high-duty-cycle scan kan de temperatuur van het dier gestaag stijgen, waardoor de hartslag en ademhalingsfrequentie toenemen. Het aanpassen van de temperatuur van het verwarmingssysteem en de anesthesie kan sterk bijdragen aan het stabiliseren van de ademhalingsfrequentie voorafgaand aan of tijdens het scannen.
Een kritische stap tijdens de analyse is de consistentie in contourtekening. Hoewel automatische segmentatie goed werkt voor klinische gegevens, presteert het niet robuust in het geval van hartgegevens van muizen (niet getest op ratten). De hoge hartslag en hoge bloedstroom tijdens specifieke hartfasen, vooral aan het begin van LV-vulling, kunnen intravoxel-defasering en signaalholtes veroorzaken, waardoor de afbakening van de myocardiale wand in gevaar komt. Het wordt daarom afgeraden om elk frame onafhankelijk te analyseren, maar de beweging van de myocardiale wand tussen frames visueel te inspecteren en hier rekening mee te houden bij het tekenen van de contouren over alle frames. Het wordt geadviseerd om de endocardiale contour tussen twee opeenvolgende frames te kopiëren en aan te passen om een meer natuurlijke contractiele beweging in de analyse te behouden. In dit protocol worden papillaire spieren uitgesloten van het ventriculaire lumenvolume in de SA-beelden voor systolische en diastolische functiebeoordeling, terwijl ze zijn opgenomen in de 2CH-, 3CH- en 4CH-weergaven voor spannings- en HDF-analyse omdat de laatste vertrouwt op kennis van de precieze beweging van de myocardiale wand, in plaats van het precieze volume van het ventriculaire lumen.
Terwijl systolische en diastolische functieparameters gebaseerd zijn op het meten van LV-volumes gedurende de hele hartcyclus, zijn stam- en HDF-parameters ook afhankelijk van bewegingspatronen binnen de myocardiale wand. Hiervoor worden feature-tracking technieken gebruikt waarbij de verplaatsing van het myocardiale segment kan worden beoordeeld door verschillende anatomische kenmerken en signaalintensiteiten tussen volgende CINE-fasen te herkennen. Het sterke contrast tussen bloedpool en myocardium in CMR-beelden vergemakkelijkt het gebruik van feature-tracking voor volgende stam- en HDF-analyse8. Voorafgaand aan CMR feature-tracking werd de myocardiale stam bepaald met spikkelvolgende echografie en CMR-weefsel-tagging. CMR feature-tracking vereist geen extra scantijd in vergelijking met CMR tissue-tagging. Ondanks het gebruik van retrospectieve triggering heeft CMR echter nog steeds een beperkte temporele resolutie, waardoor het moeilijk zou kunnen zijn om snelle vervormingen binnen de hartcyclus correct te evalueren.
Beoordeling van HDF gedurende de hele cardiale cyclus vereist metingen van de diameters van de mitralis- en aortakleppen om de HDF in apex-base en inferolaterale-anteroseptale richtingen te berekenen met behulp van eerder beschreven vergelijkingen18. Deze methode heeft consistente schattingen van de HDF laten zien in vergelijking met de referentiestandaard 4D-flow MRI, die een beperkte beschikbaarheid heeft in klinisch gebruik vanwege de complexiteitervan 6. Het is belangrijk om te weten dat een robuuste schatting van de klepdiameters moeilijk is en daarom moeten de klepdiameters constant worden gehouden voor een groep dieren en bij herhaalde metingen in een longitudinaal onderzoek, omdat variaties in deze parameter door onjuiste schattingen gemakkelijk subtiele veranderingen in HDF-parameters kunnen overschaduwen. De specifieke software die wordt gebruikt om GLS- en HDF-parameters te berekenen, is mogelijk niet voor alle gebruikers beschikbaar. Daarom kan men verwijzen naar Voigt et al.19 (GLS) en Pedrizzetti et al.6,20 (HDF), die alle wiskundige beschrijvingen bevatten die de basis vormen van de respectieve berekeningen zoals uitgevoerd door de analysesoftware.
Ten behoeve van dit onderzoek werd het protocol geëvalueerd bij gezonde dieren (N = 6). Een representatieve set tijdcurven voor LV volume, dV/dt, endoGLS en HDF wordt weergegeven in figuur 5A-C. Gemiddelde waarden van meerdere cardiale functionele parameters (EF, E'/A'-ratio, piek GLS en HDF) zijn weergegeven in figuur 5D. Deze komen goed overeen met vergelijkbare protocollen die in de literatuur worden gebruikt21. Literatuur over GLS- en HDF-gegevens bij muizen is schaars. Een gemiddelde GLS-waarde van -22,8% werd gemeten, wat in hetzelfde bereik ligt als klinische gegevens8, wat aangeeft dat GLS-metingen verkregen met de beschreven methode haalbaar zijn bij muizen. HDF-curven verkregen bij muizen vertonen ook dezelfde verschillende fasen als in menselijke gegevens, wat de succesvolle vertaling van deze techniek naar preklinisch onderzoek aantoont. Hoewel HDF-parameters worden verondersteld te dienen als vroege biomarkers van cardiale disfunctie, zijn meer studies gerechtvaardigd om de diagnostische en voorspellende waarde van deze nieuwe parameter te onderzoeken. De resultaten in dit protocol laten zien dat HDF- en GLS-uitkomsten naar verwachting meer variabel zullen zijn tussen dieren, waarmee rekening moet worden gehouden wanneer subtiele verschillen in diermodellen of behandelingseffecten worden verwacht.
Disclosures
Ruslan Garipov is een werknemer van MR Solutions Ltd., Guildford, Verenigd Koninkrijk. David Hautemann is medewerker van Medis medical imaging systems B.V., Leiden.
Acknowledgments
De auteurs bedanken Dorita Dekkers en Fatimah Al Darwish voor hulp bij de muismetingen en data-analyse.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| AccuSens single and multi-channel signal conditioner | Opsens solutions inc., Canada | ACS-P4-N-62SC | Used with fiber optic temperature sensor to monitor body temperature |
| Duratears eye ointment | Alcon Nederland B.V., Netherlands | ||
| Mouse cell | Équipment Vétérinaire Minerve, France | referred to as mouse cradle | |
| MR-compatible Monitoring & Gating System for Small animals | SA Intuments, Inc., United States | Model 1030 | ERT Module (ECG/respiratory interface module) , ERT Control/Gating Module, battery pack and subdermal ECG Electrode Set |
| MRI scanner | MR Solutions Ltd., United Kingdom | Model: MRS-7024 | Preclinical MRI System 7.0T/24 cm |
| Multistation temperature control unit and High Flow PCA | Équipment Vétérinaire Minerve, France | Model: URT Multipostes | animal heating system |
| Respiration Sensor | Graseby Medical Limited, United Kingdom | Ref 2005100 | |
| RF coil | MR Solutions Ltd., United Kingdom | MRS-MVC | 38mm mouse volume RF coil for mouse body studies |
| SF flowmeter | flow-meter, Italy | SF 3 | |
| Vaporizer sigma delta Intermed | Penlon Ltd., United Kingdom | ||
| Materials | |||
| Isoflurane | AST farma, Netherlands | ||
| Vaseline petroleum jelly | Unilever, United Kingdom | ||
| Software | |||
| BART toolbox | https://mrirecon.github.io/bart/ | ||
| Mathematica 12.0 | Wolfram Research, Inc., United States | ||
| MATLAB 2019a | The MathWorks,Inc., United States | ||
| MEDIS Suite MR | Medis Medical Imaging Systems B.V. ,Netherlands | Image analysis software | |
| PC-SAM | SA Intuments, Inc., United States | ||
| Preclinical Scan | MR Solutions Ltd., United Kingdom | Scanning software | |
| Retrospective version 7.0 | Amsterdam UMC, the Netherlands | Reconstuction software: https://github.com/Moby1971?tab=repositories |
References
- Vallée, J. P., Ivancevic, M. K., Nguyen, D., Morel, D. R., Jaconi, M. Current status of cardiac MRI in small animals. Magnetic Resononance Materials in Physics, Biology and Medicine. 17 (3-6), 149-156 (2004).
- Bakermans, A. J., et al. Small animal cardiovascular MR imaging and spectroscopy. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 88-89, 1-47 (2015).
- Wu, Y. L., Lo, C. W. Diverse application of MRI for mouse phenotyping. Birth Defects Research. 109 (10), 758-770 (2017).
- Coolen, B. F., et al. High frame rate retrospectively triggered Cine MRI for assessment of murine diastolic function. Magnetic Resonance in Medicine. 69 (3), 648-656 (2013).
- Lapinskas, T., et al. Cardiovascular magnetic resonance feature tracking in small animals - a preliminary study on reproducibility and sample size calculation. BMC Medical Imaging. 17 (1), 51 (2017).
- Pedrizzetti, G., et al. On estimating intraventricular hemodynamic forces from endocardial dynamics: A comparative study with 4D flow MRI. Journal of Biomechanics. 60, 203-210 (2017).
- Motaal, A. G., et al. Accelerated high-frame-rate mouse heart cine-MRI using compressed sensing reconstruction. NMR in Biomedicine. 26 (4), 451-457 (2013).
- Claus, P., Omar, A. M. S., Pedrizzetti, G., Sengupta, P. P., Nagel, E. Tissue tracking technology for assessing cardiac mechanics: principles, normal values, and clinical applications. JACC. Cardiovascular Imaging. 8 (12), 1444-1460 (2015).
- Scatteia, A., Baritussio, A., Bucciarelli-Ducci, C. Strain imaging using cardiac magnetic resonance. Heart Failure Reviews. 22 (4), 465-476 (2017).
- Modin, D., Andersen, D. M., Biering-Sørensen, T. Echo and heart failure: when do people need an echo, and when do they need natriuretic peptides. Echo Research and Practice. 5 (2), 65-79 (2018).
- Onishi, T., et al. Longitudinal strain and global circumferential strain by speckle-tracking echocardiography and feature-tracking cardiac magnetic resonance imaging: comparison with left ventricular ejection fraction. Journal of American Society of Echocardiography. 28 (5), 587-596 (2015).
- Faganello, G., et al. A new integrated approach to cardiac mechanics: reference values for normal left ventricle. The International Journal of Cardiovascular Imaging. 36, 2173-2185 (2020).
- Lapinskas, T., et al. The intraventricular hemodynamic forces estimated using routine CMR Cine images: a new marker of the failing heart. JACC. Cardiovascular Imaging. 12 (2), 377-379 (2019).
- Töger, J., et al. Intracardiac hemodynamic forces using 4D flow: a new reproducible method applied to healthy controls, elite athletes and heart failure patients. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 18, Suppl 1 61 (2016).
- Eriksson, J., Bolger, A. F., Ebbers, T., Carlhäll, C. J. Assessment of left ventricular hemodynamic forces in healthy subjects and patients with dilated cardiomyopathy using 4D flow MRI. Physiological Reports. 4 (3), 12685 (2016).
- Coolen, B. F., et al. Three-dimensional T1 mapping of the mouse heart using variable flip angle steady-state MR imaging. NMR in Biomedicine. 24 (2), 154-162 (2011).
- Nijm, G. M., Swiryn, S., Larson, A. C., Sahakian, A. V. Characterization of the magnetohydrodynamic effect as a signal from the surface electrocardiogram during cardiac magnetic resonance imaging. Computers in Cardiology. 33, 269-272 (2006).
- Domenichini, F., Pedrizzetti, G. Hemodynamic forces in a model left ventricle. Physical Review Fluids. 1, 083201 (2016).
- Voigt, J. U., et al. Definitions for a common standard for 2D speckle tracking echocardiography: consensus document of the EACVI/ASE/Industry Task Force to standardize deformation imaging. European Heart Journal - Cardiovascular Imaging. 16 (1), 1-11 (2015).
- Pedrizzetti, G. On the computation of hemodynamic forces in the heart chambers. Journal of Biomechanics. 95, 109323 (2019).
- Hoffman, M., et al. Myocardial strain and cardiac output are preferable measurements for cardiac dysfunction and can predict mortality in septic mice. Journal of American Heart Association. 8 (10), 012260 (2019).
