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Neurociencias

恒久的な脳虚血における脳卒中発症時間推定のための磁気共鳴イメージ投射プロトコル

Published: September 16, 2017
doi:
10.3791/55277
, , , ,
1School of Experimental Psychology and Clinical Research and Imaging Center Bristol,University of Bristol, 2Department of Neurobiology, A.I. Virtanen Institute,University of Eastern Finland

Summary

磁気共鳴イメージング (qMRI) パラメーターを利用したストロークのラットモデルにおける脳卒中発症時間推定のためのプロトコルを説明します。手順は、脳卒中急性期病変と定量的 T1と T2 (qT1および qT2) 緩和時間ストロークのタイミングのための描写のための拡散強調 MRI を悪用します。

Abstract

MRI は、脳水の低下の拡散係数による急性期脳梗塞を検出する特異的かつ高感度イメージング ツールを提供します。虚血性脳卒中のモデルラット、(低拡散による線引き) 虚血性病変と非虚血性対側半球の定量的 T1と T2 MRI 緩和時間 (qT1および qT2) の違いを増やす脳卒中発症からの時間。MRI 緩和時間差の時間依存性は線形関数で記述されるヒューリスティックと脳卒中発症時の簡単な見積もりを提供します。さらに、異常 qT1と qT2虚血病変内のボリュームはストロークのタイミングの相補的な方法を提供するとともに直線的に増加します。(半) 自動化されたコンピューター ルーチンに基づいて定量化された拡散係数は虚血ラットにおける急性期脳梗塞組織を記述する発表します。このルーチンは、大脳半球機能差 qT1 qT2緩和時間と場所異常 qT1と病変内 qT2ボクセルのボリュームを決定します。QT1発症時間の見積もりに関連付けられた不確実性、qT2 MRI データがストロークの最初の 5 時間の ± 47 分 ± 25 分から変わる。最も正確な発症時間の見積もりを異常 qT1と qT2病変ボリュームの重複の量を定量化することで得られる、’ V は、重複を ‘ と呼ばれることができます (± 25 分) または qT2大脳半球機能差を定量化することで緩和時間のみ (± 28 分)。全体的にみて、qT2派生パラメーターは qT1からのそれらを上回る。現在の MRI プロトコルは、一過性脳虚血に適用できない可能性があります恒久的な虚血モデルの超急性期でテストします。

Introduction

脳組織は、ATP 合成と限られたエネルギー資源の酸化的リン酸化の依存度が高いため虚血に対して特に脆弱です。脳水プールの再分配、興奮神経伝達物質放出と最終的に破壊的なプロセス1の開始につながる細胞内および細胞外スペースの微妙な時間依存イオン変化の ischemia の結果します。虚血、組織の損傷は、特定の時間枠の2内血流をリストアできない場合初期コアを超えて します。脳卒中発症の時間は、現在の薬物療法の虚血性脳卒中、血栓溶解薬3で再開通を含む臨床判断の重要な基準の 1 つです。その結果、多くの患者は、自動的に、証人や症状4、5の意識の欠如 (‘ウェイク アップ ストローク’)、睡眠中に起こる脳卒中により、未知の症状発症時期による血栓溶解療法の対象外です。このような患者は、血栓溶解療法のものと思われるので、脳卒中発症の時間を決定する手順そのためです。

MRI プローブ水in vivo。ダイナミクスを急性虚血性エネルギー障害6深刻な摂動.特に、水の分子の並進 (熱) によって支配される水の拡散はエネルギー障害7による虚血の早期の瞬間に減少します。これは順番神経細胞8の無酸素脱分極の結果します。拡散 MRI (飲酒運転) 脳卒中急性期9のゴールド スタンダードの診断イメージ投射様相となっています。飲酒運転信号が虚血虚血組織識別することを許可するのに応答して急速に増加、虚血性脳卒中10の最初の数時間の間に任意の時間依存性を表示されません。同様に、見かけの拡散係数 (ADC) などの水の拡散の定量的な対策または拡散テンソル (Dav) のトレース、虚血性の組織で急速に減少、動物脳卒中脳卒中発症からの時間との関係を示す10患者11をモデル化します。

定量的な MRI (qMRI) 緩和パラメーター、qT1qT2 qT1ρ、回転運動と水の水素原子の交換によって支配され、虚血性脳実質次のように複雑な経時変化を表示エネルギー障害6。このような経時変化は、脳卒中発症患者12と虚血13,14,15の動物モデルで推定するに有効になります。ラット焦点ストローク、qT1ρ虚血発症後ほぼ瞬時に増加、少なくとも 6 時間13,14線形続行されます。qT1緩和時間はまた 2 つの時定数で記述することができます脳虚血組織における時間依存的増加: 初期の速い段階の後、持続時間8,16遅いフェーズ。この相性増加のため qT1ストロークのタイミングでの使用は、qT1ρ MRI 15のそれよりも複雑かもしれません。qT2緩和時間も変化を示す bi, ラット焦点のストロークでというが初期を短縮されて 1 時間以内時間13と直線的に増加が続きます。初期の短縮を含む 2 つの並列実行要因によって説明される: (i) の蓄積はいわゆる結果脱酸素化ヘモグロビン ‘否定的な血液酸素化レベル依存効果’ と (ii) は、細胞外の水へのシフト、細胞内スペース17,18。QT2の時間依存の増加は細胞毒性の原因および/または分子病態浮腫とそれに続く分解細胞内の高分子構造18。QT1ρと qT2データの両方は、前臨床モデル14ストローク発症時間の正確な見積もりを提供します。qT2 12と T2-加重信号強度19,20は、臨床の現場で脳卒中発症時間推定のため悪用されています。

量的緩和時間の大脳半球機能差に加え虚血領域内の上昇の緩和時間の分布も脳卒中発症時間14の代理として役立つかもしれない。ストローク、高架 qT1ρqT2 qT と地域のモデルラット1緩和時間は当初普及には虚血性病変が定義されているよりも小さいが時間14,15、増加 21。したがって虚血性病変のサイズに対する割合として上昇の緩和時間の分布の定量化は推定14,15と脳卒中発症時間もできます。ここでは、qMRI パラメーターを使用してストロークのラットモデルにおける脳卒中発症時刻を確認するプロトコルについて述べる。

Protocol

動物の手続きがコミュニティ評議会指令 86/609/EEC の指針に従って行われ、動物のケアおよび使用委員会クオピオ、フィンランド東フィンランド大学によって承認します。 1 です。 動物モデル 麻酔ラット MRI 実験操作の持続期間のためフェイス マスクを通して N 2/O 2 フロー (70%/30%) におけるイソフルランと 300 から 400 グラムの重量を量る。換気フードを麻酔します。1.5 2.4% とイソフルラン レベルを維持します。 胴体の下に空気圧枕を介して呼吸から MRI の中に麻酔のモニター深度。反射をピンチに反応の欠如は外科麻酔のため十分な深さの印として取られます。磁石に接続使用イソフルラン スカベン ジャーの穴します。 実行永久中大脳動脈閉塞 (MCAO) 焦点の虚血性脳卒中を誘発します。MCAO の腔内のスレッド モデルを使用し、ロンガ ら によって与えられた方法に従って操作を実行 22. 遮蔽のスレッドのままに (シリコン PTFE 強化 monofil フィラメント、直径 0.22 mm) MRI 実験の期間のための場所で。 動脈血血液ガスと pH 血液アナライザーを使用して分析します。 MRI の間に胴体と直腸の温度監視システムを使用して直腸の温度の下に置かれた空気圧枕と呼吸数モニター。胴体の下にパッドを加熱水を使用して 37 ° C に近いコア温度を維持します。 MCAO 後すぐにセキュリティで保護された磁石の中心にクレードルにラットを産んだラット ヘッド ホルダーを使用しています。穴磁石にラットを転送する前に生理食塩水 2 mL を腹腔内注入します。 2。MRI 、9.4T を使用して取得 MRI データ (12 cm 勾配挿入) すると 31 cm の水平方向磁石インターフェース、積極的に分離されたリニア ボリューム送信機と直交受信コイル ペア装備コンソール/。 最大 5 h 投稿 MCAO の各ラットをスキャンします。(60, 120, 180 240 分ポスト MCAO) 時間間隔でサンプリング congruently 12 を取得 (0.5 mm スライス ギャップ、スライス厚 1 mm、ビューのフィールドを = = 2.56 × 2.56 cm) 拡散テンソル (2.2.1) カー ・ パーセル-Meiboom ギル T 2 (微量のコロナのスライス2.2.2) と高速ローアングル ショット T 1 (2.2.3)。。 拡散テンソル画像のトレースを取得 (D av = 1/3 トレース [D]) 各軸に沿って 3 つのバイポーラ グラデーション (拡散勾配の期間 = 5 ミリ秒、拡散時間 = 15 ms) と 3 つの b 値 (0, 400, 1400 s/mm-2 s)、ここで、Δ = 15 ms ∂ = 5 ms 時間 (TE) をエコー = 36 ms 繰り返し時間 (TR) = 4000 ms と集録時間 = 7.36 分 T 2 定量化のための 12 のエコー ・ カー-パーセル-Meiboom-ギル T 2 シーケンスを取得、ここでエコー間隔 = 10 ms、TR 2000 ms と捕捉時間を = = 4.20 分 を取得、高速低角度ショット (フラッシュ) T 1, 5407.58 ms まで、TR を反転から最初のフラッシュのシーケンス (T 10) までの時間ですが 10 逆転の 600 ミリ秒単位での 7.58 ms = 5.5 ミリ秒、反転パルス間の時間 (T リラックス) 10 s および集録時間を = = 8.20 分 3。画像処理 relaxometry の計算と ADC マップ: qT 2 qT 1 ブリストル大学 web サイト [DOI:10.5523/bris.1bjytiabmtwqx2kodgbzkwso0k] に用意されている Matlab 関数を使用して、ADC マップを計算入力は MRI のデータの場所へのファイル パス。 T の 2 データは、ハミングの再構成画像の (または畳み込み、同等の結果が以下の効率的な計算によって画像のドメイン) の前に k 空間でのフィルタ リングを適用します。QT 2 マップ各時系列の対数を解くことによって計算、ボクセル賢明な線形最小二乗によって基礎 (T 2 崩壊する bi 指数フィットを行うこともできますが、ボクセル ワイズ F テスト テストはそのボクセルを明らかに追加のパラメーターが適切でないイメージ) 内。 T の 1 データには、ハミング k 空間像の再構成する前にフィルタ リングが適用されます。T 1 参照 23 に示す方法によるとフィッティングを実行します。(強度画像の使用) が原因不明な記号の問題に対処する最も低い強度ポイント可能性があります除外、または同様の結果に合う過程で推定します。 拡散強調データ、ハミング (これはセグメント化された k 空間軌道のためより簡単な) イメージのドメインの畳み込みによるフィルタ リングが適用されます。 13 法による ADC マップに適合します。 虚血組織の識別 病変識別のため明確な対照を提供するように逆数 D av 画像 (1/D av) 虚血性の組織を識別します。興味 (VOI) の虚血のボリュームを生成するには、値 1 つ中央絶対偏差中央値上全体脳 1/D av 流通のボクセルとして虚血組織を定義します。非虚血性の半球の相同領域を識別するために、垂直軸を虚血性のボイを反映します。脳脊髄液を含むボクセルを含むを避けるために非虚血性のヴォイスを手動で調整します。 QT 1 と qT 2 時間との関係を決定するために、各ラットのため MCAO をポストし時点、qT 1 と qT 2 マップ上に虚血性と非虚血性のヴォイスを読み込みます。平均緩和時間を抽出し、半球 (ΔT 1 ΔT 2) 次の同等化を使用しての qT 1 と qT 2 の割合の差を計算: 「方程式」src 、T x は、選択されたパラメーターや qT 1 qT 2。 虚血性のボイの平均緩和時間を指しますと 非虚血性のボイで平均緩和時間。それぞれのラットは、独自のコントロールとして機能するように非虚血性のボイを使用する必要があります。 昇格した qT 1 と qT 2 ボクセルを識別するために次の条件を使用して: qT 1 または qT 2 分布の中央値の緩和時間を超える緩和時間と虚血性ボイ内任意の画素、1 つの半分-幅半分の最大値 (HWMH) 以上で非虚血性のボイ。これらの基準緩和時間として分類される 95 th パーセン タイル以上である必要があることを意味 ' 高 '。非虚血性のボイの中央のリラクゼーション時間使用する独自のコントロールとして機能する各ラット。 低下の拡散の領域内で緩和時間の変化の空間分布を画像に を識別して昇格した qT 1 または qT 2 色コード ボクセルと同様、両方のボクセル上昇 qT 1 と qT 2呼ばれる ' qT 1 と qT 2 重複 '. QT 1 と qT 2 によると病変の大きさを決定する 計算パラメーター f (騎士 ら によって紹介されたよう 18) ラットおよび時点ごとに得られる MRI データから。f 1 と f 2 というt 高 qT 1 または qT 2 ボクセルの数 (それぞれ) 虚血性のボイのサイズに対する割合として。 使用次方程式 f 1 と f 2 を計算する: 、 とは、緩和時間 (qT 1 または qT 2)、 の数を指します ' 高 ' 虚血性 VOI で緩和時間ボクセル の数は、' 低 ' 緩和時間虚血性のボイのボクセルと 、ボクセル内の合計数虚血性のボイ。セクション 3.2.3 中昇格した qT 1 と qT 2 ボクセルを識別するための基準のとおりです。' 低 ' ボクセルが緩和時間より中央 qT 1 または 1 つの HWHM によって非虚血性のボイの qT 2 とボクセル。減算 虚血または他の病態 17 による緩和時間の減少が可能になります の程度を決定する ' qT 1。 と qT 2 重複 ' 脳全体のボリュームの割合として昇格した qT 1 と qT 2 の重複の量を計算することによりここと呼ばれる ' V 重複 '。次の式を使用します: 、 両方で虚血性の VOI 内ボクセルの数を指します' 高 ' qT 1 と ' 高 ' qT 2 と 全体のラット脳における画素の総数を表します。QT 2 relaxometry 地図周り全脳ボイを手動で作成するラットの脳におけるボクセルの数を決定します。 4。虚血性病変と Triphenyletrazolium 塩化 (TTC) の検証 , 茎頂切除直後に慎重に頭蓋骨からラットの脳を抽出します。ラットが斬首された時間から 10 分以内でこの手順を実行します。 ストア脳を冷蔵 0.01 M リン酸緩衝生理食塩水 (PBS) シリアル 1 mm 厚さにコロナ スライスに脳をセクションにラット脳スライサー マトリックスを使用する前にします。 24 で推奨されている断面後、暗闇の中で 30 分間 37 ° C で TTC を含む 20 mL の PBS で各脳スライスを孵化させなさい。TTC 濃度が 1% は受け入れられるが、改良されたコントラストの 0.5% を使用します。 暗いに保つために箔でセクションのコンテナーをカバーします。 インキュベーション後、ピペットを使用して TTC ソリューションを削除し、PBS の 3 つの変更でスライスを洗うです。 すぐに標準的な光学顕微鏡とデジタル カメラを使用してスライスを撮影します。 5。統計解析 統計解析が Matlab および統計ソフトウェアを使用して遂行します。 時間氏パラメーターの関係を決定する 実行ピアソン ' s ΔT 1 の関係を決定するためのプールされたラット データ相関 ΔT 2 f 1 f 2 とV重複 時間ポスト MCAO。 重要な線形関係を示すパラメーター (p < 0.05)、興味のパラメーターを定量化することで脳卒中発症時期を予測できるかどうかを決定する線形最小正方形回帰分析を行います。発症時間の推定値の精度を評価する根平均二乗誤差 (RMSE) を使用します。 病巣の大きさの定量化 、異なる qMRI のパラメーターに従って病変サイズを比較する一方向の行為関連性とフィッシャー ' s 最下位違い事後のボクセルの数の平均値に虚血性のボイと高 qT 1 と qT 2 ボクセルの数の平均値。違いが p で重要考慮される < 0.05。Mauchly あたり球形仮定が満たされない場合 ' s 真球度テスト、正しい自由度および温室ガイサー推計によると意義値。

Representative Results

ラットの血液ガスの通り: その2 95.8 ± 3.2%、P、CO2 51.6 ± 2.9 mmHg、pH 7.30 ± 0.04。 典型的な DavqT2 MCAO は図 1 aの最初 3 のパネルに示すように 4 時間ポイント記事で代表的なラットの中央のスライスから qT1画像。図 1の他のパネルで画像を示す赤と昇格した qT1qT2 Vが重なる地域と虚血病変領域の自動検出の虚血性病変が緑色で表示されます。2 h のポスト-MCAO、虚血性病変で高 qT1地域だった高 qT2よりも大きく (p < 0.01)、時間 (図 1) が収束します。Davで虚血性病変高 qT1の地域よりも大きかった (p < 0.05) と qT2 (p < 0.05) 最初の 2 時間で。 QMRI パラメーターの時間の依存関係は、図 2のとおりです。すべての qMRI パラメーターが時間ポスト MCAO の有意な予測因子 (ΔT1: R2 = 0.71、ΔT2: R2 = 0.75、f1: R2 = 0.53、f2: R2 = 0.82 V重複: R2 = 0.87)。脳卒中発症が ± ΔT1ΔT2± f1f2±34 分 ± 25 V重複分に 47 分 28 分 ± 37 分頃各パラメーターの RMSE を基に、不確実性の時間の見積もりに関連付けられます。したがって、脳卒中発症からの時間の最も正確な推定値を与えた Vオーバー ラップします。 MCAO は主に灰白質 (図 1 d) で不可逆的な虚血性損傷を確認後、約 6 時間のサンプルを脳 TTC 染色します。 図 1: 例ラットにおける虚血性脳卒中による qMRI のパラメーターの変更。(な) 例 qMRI 画像虚血 4 時間以上です。最初の 4 つの列表示 Davマップ、qT2マップ、qT1マップと T2強調像それぞれ。残りの列は、Davを自動的にセグメント化された病変の様々 な表現とマップを表示します。自動的に検出された Dav病変が赤い [5] 列に表示されます。6 D 列にav病変は高 qT2緑ボクセルと赤で表示されます。列 7 Dav病変は緑色で示されている高 qT1ボクセルと赤で表示されます。列 8 Dav病変が昇格した qT1と qT2が (V重複) 緑ボクセルと赤で表示されます。(b) は、時間記事、MCAO の関数として Dav病変だけでなく、時間 0 で非病変 qT2配布 qT2の分布を示しています。(c) 凡例を示しています対応する qT1分布、隣接するパネル (b) と (c) に係る。(d) は、動物は 6 h ポスト MCAO で犠牲になった後に TTC 染色脳スライスを示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 2: 虚血のタイミングに関連する時間のポスト MCAO と qMRI のパラメーター間の関係。f1f2、(c) V のオーバー ラップ、(d)、(b) ΔT1 , (e)、(、) を示しています ΔT2。各パラメーター (赤実線) に最適、RMSE バー (黒実線) が表示されます。点線は、MCAO を受ける indivudual 5 ラットのそれぞれを表しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Discussion

The current protocol for estimation of stroke onset time in rats uses quantitative diffusion and relaxation time MRI data rather than signal intensities of respective weighted MR contrast images19. Recent evidence points to inferior performance of image intensities in estimating stroke onset time 14,25. In the 'diffusion-positive' stroke lesion our MRI protocol provides stroke onset times from qT1 and qT2 MRI data with an accuracy of half an hour or so. It is a general trend that qT2 data outperforms that of qT1. The best accuracy for onset time determination is obtained from the volume of overlapping elevated qT1 and qT2 (Voverlap).

The images in Figure 1 demonstrate that while the reduced diffusion coefficient appears rather uniform, regions with abnormal qT1 and qT2 are heterogeneously scattered within the ischemic lesion. This finding is in accordance with previous observations and is likely due to different sensitivities of these qMRI parameters to pathophysiological changes caused by ischemia 6. This suggests qMRI parameters may be informative of tissue status and supports notions that DWI over-estimates ischemic damage 26. Indeed, recent preclinical evidence points toward the heterogeneity of ischemic damage within diffusion defined lesions 27. Thus, the combination of diffusion, qT1 and qT2 potentially provides information on stroke onset time and tissue status, both of which are clinically useful for treatment decisions regarding patients with unknown onset.

Voverlap and f2 gave the most accurate estimates of stroke onset time. The benefit of quantifying relaxation times is that unlike signal intensities they are insensitive to inherent variations caused by technical factors such as magnetic field inhomogeneities and proton density 6, including the expected magnetic field variation within the ischemic lesion 18. Reduced uncertainty associated with onset time estimates of qT1 and f1 are likely due to the aforementioned bi-phasic response of qT1 to ischemia, which contributes to the shallow slope of the time-dependent qT1 change 8,15,16. The MRI data shown (Figure 2) are in accordance with previous works 13,14, in that the time courses of relaxation time differences between the ischemic and contralateral non-ischemic brain are adequately described by linear functions. It is, however, important to note that the underpinning hydrodynamic changes due to ischemia are not linear 1,18.

The current MRI protocol for stroke time is demonstrated in rats subjected to permanent ischemia using the Longa et al. procedure 22. In our experience, the Longa et al. procedure fails to induce MCAO in 10-20% of rats, however, as ADC is used to verify presence of ischemia, the experiments can be terminated prematurely. Failure to induce MCAO is often due to imperfect occluder thread. A further factor resulting in experimental failures is that MCAO is a severe procedure causing death of up to 20% of rats during a prolonged MRI session.

The stroke onset timing protocol applies only to permanent ischemia. In rat focal ischemia with reperfusion, the relationship between Dav and qT1 or qT2 will dissociate as Dav recovers, but may not for qT1 and qT2 depending on duration of ischemia prior to reperfusion 8,28. Additionally, the evolution of ischemic damage is likely to be more variable in stroke patients due to individual differences in factors affecting microcirculation such as age and co-morbidities (e.g., diabetes, hypertension, heart disease). These factors will inevitably influence the time dependence of f1, f2 and Voverlap in human strokes and thus requires investigation in clinical settings.

To conclude, qMRI parameters provide estimates of stroke onset time. Voverlap and f2 provide the most accurate estimates and may also be informative of tissue status. qMRI could therefore be clinically beneficial in terms of aiding treatment decisions for patients with unknown onset time. An issue to be considered here is that the gray-to-white-matter ratio in rat brain is much higher than in humans, and hydrodynamics in these brain tissue types may vary 18. Nevertheless, further investigation into the time dependence of f2, Voverlap and qT2 in hyper acute stroke patients is warranted.

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

BLM は、EPSRC 思い立ったの受信者であり、東フィンランド大学にブリストル大学実験心理学学校の旅行補助金を受け取った。MJK はエリザベス ・ ブラックウェル所、Wellcome の信頼の国際戦略的支援ファンドに資金を供給 [ISSF2: 105612/Z/14/Z]。KTJ と OHJG は、UEF 脳の戦略的な資金東フィンランド大学から、オ フィンランド フィンランドのアカデミーによって賄われています。仕事は、ダンヒル医療信頼 [許可番号 R385/1114] によって支えられました。

Materials

Magnetic Field Strength Operation Frequency
MRI scanner Agilent, Santa Clara, CA, USA 9.4T 400.13 MHz
Linear volume transmit RF-coil RAPID Biomedical, Rimpar, Germany – 400.13MHz
Actively decoupled receive coil RAPID Biomedical, Rimpar, Germany – 400.13MHz
Rat head holder RAPID Biomedical, Rimpar, Germany
i-Stat handheld blood-gas analyzer i-Stat Co, East Windsor, NJ, USA
Pneumatic pillow breathing rate monitor SA Instruments Inc, Stony Brook, NY, USA
Rodent rectal temperarure moniring device SA Instruments Inc, Stony Brook, NY, USA
Name Company
Chemicals
Isoflurane: Attane Vet 1000mg/g Piramal Healthcare UK Ltd, Northumberland, UK
2,3,5-Triphenyltetrazolium cholide=TTC Sigma-Aldrich, Gillinham, Dorset, UK
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Referencias

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Magnetic Resonance ImagingStroke Onset TimeIschemic StrokeApparent Diffusion CoefficientT1 And T2 Relaxation TimesPermanent Focal IschemiaMiddle Cerebral Artery OcclusionRat ModelSemi-automated Computer Routine

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McGarry, B. L., Jokivarsi, K. T., Knight, M. J., Grohn, O. H., Kauppinen, R. A. A Magnetic Resonance Imaging Protocol for Stroke Onset Time Estimation in Permanent Cerebral Ischemia. J. Vis. Exp. (127), e55277, doi:10.3791/55277 (2017).
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