通过心血管磁共振成像定量小鼠心脏左心室功能、心肌劳损和血流动力学力

所描述的动物实验是根据欧盟实验动物福利指南（指令2010/63 / EU）进行的，并得到学术医学中心动物伦理委员会的批准。 1. 设置和动物准备 在开始实验之前，请确保有足够的异氟醚麻醉至少2小时，并且可用于心电图和呼吸监测的电池已充满电。确保扫描仪区域配备了有效的烟雾提取管，以去除多余的异氟醚。 准备鼠标支架（图1A），打开温度设置为40°C的动物加热系统。 准备心电图/呼吸接口模块和电池设置（图1B），并启动软件以实时监测心电图和呼吸信号（图1C）。 将鼠标从其外壳笼中取出并测量体重。 将小鼠置于通风橱抽吸臂下的麻醉诱导室中，并在0.2 L / minO 2和0.2 L / min医用空气中提供3-4%异氟醚。动物完全麻醉后，在每只眼睛上涂抹一小滴眼药膏，然后关闭小鼠的眼睑。 将鼠标置于鼠标支架上的仰卧位。将鼠标的门牙钩在鼠标支架上的咬合杆中，并调整鼻锥以正确安装（图1A）。目视检查呼吸是否稳定在100次/分钟以下，并在动物制备过程中将异氟醚降低至~2%。 移动鼠标底座，使心脏位于摇篮支架的部分，该部分将最终位于RF线圈的中心和磁铁的等值中心。 使用凡士林插入直肠温度探头，并将温度探头的光纤电缆粘在鼠标支架上。 将呼吸球囊放在鼠标的下腹部，并用胶带固定。在前爪高度处将两根心电图电极针皮下插入胸部，并轻轻地用胶带将其粘住以防止移动（图1A）。 检查呼吸和ECG信号是否具有足够的质量，软件是否检测到正确的触发点（图1C）。 确保呼吸频率为50-80次呼吸/分钟，心率约为400-600次/分钟，体温在37°C左右。 当呼吸频率超出该范围时，调整异氟醚给药，如果体温趋于超过37°C，则降低动物加热系统的温度。 将射频线圈放在鼠标上。注意：根据系统的不同，这可能需要从心电图/呼吸接口模块中暂时断开心电图电极和呼吸球囊塞。 连接线圈电缆，然后将底座放入磁体孔中。检查心电图信号是否仍然稳定。 如果心电信号不理想，请重新定位心电图电极以获得更好的信号，因为如果不显着改变动物的方向，则无法在后期阶段完成此操作。 图1：用于小鼠心脏CMR成像的动物制备和设备设置。（A）将小鼠完全麻醉在仰卧位，置于加热的小鼠摇篮中，将呼吸充气枕放置在腹部，直肠光纤温度传感器，皮下心电图导联在前爪附近的胸部。（B）将鼠标体线圈放置在鼠标支架上，将心电图导线和呼吸枕重新连接到心电图和呼吸接口，然后将支架放入MRI磁铁中。（C） 在专用的小动物监测软件中描述心电图和呼吸信号。检测ECG信号的R峰，并将其用作MRI信号采集的起点。R 峰值之间的消隐周期可以根据检测信号的周期手动调整。触发只能发生在呼吸平台（中间图中的绿线）期间，可以手动调整起始延迟和最大宽度。缩写：CMR =心血管磁共振成像;心电图=心电图;MRI = 磁共振成像。请点击此处查看此图的放大版本。 2. MRI扫描校准和触发 在信号监测软件中调整ECG和呼吸门控参数，使得触发点在R峰处生成，并且仅在呼吸信号的平坦部分生成。要最大限度地减少 ECG 门控误差，请将消隐周期设置为比 R-R 间隔短 10-15 ms。注意：如果心率发生变化，应在整个实验过程中调整此消隐期。 执行中心频率校准和标准（无重力）SCOUT 扫描，零偏移，以确定鼠标在扫描仪中在日冕、轴向和矢状方向上的位置。如果心脏未位于视场 （FOV） 中心 0.5-1 cm 以内，请相应地调整摇篮的位置，然后重做 SCOUT 扫描。 使用可用的供应商方法执行手动填充程序和 RF 校准。 3. 扫描计划和采集 注：有关以下扫描的详细扫描参数，请参见表 1。 基于初始SCOUT，执行门控单帧梯度回波（GRE）侦察扫描（表1，扫描1），在3个正交方向上放置5个切片，并将每堆切片放置在心脏的近似位置上以定位心脏的确切位置（图2A）。 执行门控单帧多切片SA侦察扫描（表1，扫描2）。为此，使用先前的GRE侦察仪将4-5个切片定位在左心室中段位置，垂直于心脏的长轴，以找到心室中SA视图的初始估计值，这是计划长轴2腔侦察仪所必需的（图2B）。 对于以下前瞻性扫描（步骤 3.4-3.6），调整心脏帧（N 帧）的数量，使 TR × N 帧约为 R-R 间期的 60-70%。注意：采集 60-70% 的 R-R 间期足以捕获心脏周期的舒张末期，同时允许在舒张末期增加 T1 松弛以改善 SNR 并防止通过梯度切换干扰以下 R 峰。 执行门控单片GRE扫描以生成长轴2室（2CH）侦察器，该侦察器与SA扫描相结合，需要规划4室（4CH）（表1，扫描3）。为此，放置一个垂直于先前 SA 视图的切片，该切片平行于左右心室之间的连接点。将此切片移动到左心室的中间，并检查GRE侦察器的日冕图像，如果切片与左心室长轴对齐，使其通过顶点放置（图2C）。 执行另一个门控单片GRE扫描以生成4腔（4CH）侦察扫描，这是计划多片SA和3腔扫描所必需的（表1，扫描4）。为此，放置一个垂直于2CH侦察扫描的切片，并对齐到长轴的中心，使切片穿过二尖瓣和顶点。在 SA 视图中，调整切片，使其平行于后脑室壁和前壁以及两个肌之间放置（图 2D ）。检查切片是否在整个心脏周期中保持在心室中心。 执行门控顺序多切片SA GRE扫描（表1，扫描5）以进行收缩功能测量。为此，在心脏中心的2CH和4CH视图中放置垂直于左心室长轴的心室中切片，并增加切片的数量（通常是奇数，例如，7或9个切片，切片之间没有间隙）以覆盖心脏从基部到顶点（图2E）。 对于以下回顾性门控扫描（步骤 3.8-3.9），请关闭所有前瞻性心脏和呼吸门控功能。记下每次回顾性门控扫描前后的心率和呼吸频率，并在以后将这些值用于重建目的（步骤5.2.2）。 在脑室中SA视图（用于量化E’/A’比值）、2CH和4CH视图中进行三次连续单片回顾性门控GRE扫描，后两者对于心肌应变和HDF值的定量是必需的（表1，扫描6-8）。如果需要，可根据多切片 SA 视图以及可用的 2CH 和 4CH 侦察扫描优化最终的 2CH 和 4CH 切片方向。 在3室（3CH）视图中执行额外的回顾性门控单片GRE扫描，该扫描与步骤3.8中的2CH和4CH视图相结合对于心肌应变和HDF值的定量是必要的（表1，扫描9）。为此，放置一个垂直于脑室中 SA 视图的切片，类似于最终长轴 4CH 视图的位置，并将切片旋转45°以从前壁传递到最靠近后壁的肌。检查基底 SA 切片，查看切片是否通过二尖瓣和主动脉瓣。在最终的长轴4CH视图中检查切片是否通过顶点（图2F）。 图2：鼠标中CMR成像的切片规划。 （A） GRE SCOUT 计划通过心脏在 3 个正交视图中使用初始 Scout 扫描。 （B） GRE SCOUT 日冕和矢状切片上的短轴侦察计划。（C） 使用短轴侦察兵和GRE侦察兵日冕切片规划2CH侦察视图。（D） 使用短轴侦察兵和2CH侦察兵规划4CH侦察视图。（E） 使用2CH和4CH侦察机规划多切片短轴视图。（F）（左） 使用心室中短轴和 2CH/4CH 侦察视图规划最终的 2CH、3CH 和 4CH 视图。缩写：CMR =心血管磁共振成像;GRE = 梯度回波;CH = 腔室。 请点击此处查看此图的放大版本。 扫描数量 1 2 3 4 5 6-9 扫描名称 格雷侦察兵 多切片 SA 侦察兵 2CH侦察兵 4路侦察兵 多切片 SA 南非，2路，4路，3路 总切片数 15 （3 x 5）* 4-5 1 1 7-9 1 厚度（毫米） 1 1 1 1 1 1 视场角（毫米） 60 35 30 30 35 30 视场角比 1 1 1 1 1 1 翻转角度 40 20 20 20 20 15 TE（毫秒）** 3.8 3.4 2.5 2.5 2.5 3.6 TR （毫秒） 200 1 R-R 7 7 7 8 内帧 1 1 12-14 12-14 12-14 32 *** 矩阵大小 约192 x 192 约192 x 192 约192 x 192 约192 x 192 约192 x 192 约192 x 192 心电图触发 不 是的 是的 是的 是的 回顾的 呼吸触发 是的 是的 是的 是的 是的 回顾的 平均 1 3 5 5 5 回顾性 **** 总成像时间（估计*****） 2 分钟 2分钟 3-4 分钟 3-4 分钟 20-25 分钟 13 分钟 / 扫描 表1：CMR协议期间使用的每个序列的采集参数。 *扫描以三种不同的正交方向（轴向，冠状，矢状）进行。**考虑到使用所有其他参数，使用尽可能短的 TE，这取决于特定的扫描仪配置。这是回顾性分箱后的心脏框架数。有效平均值取决于总采集时间内的随机 k 空间填充。总共执行了400次所有k线的重复。包括心电图/呼吸触发延迟。缩写：CMR =心血管磁共振成像;心电图=心电图;GRE = 梯度回波;视场 = 视场;TE = 回波时间;TR = 重复时间;N帧 = 心脏帧数;SA = 短轴;CH = 腔室。 请点击此处下载此表格。 4. 实验定稿及数据存储 卸下所有其他测量设备后，将鼠标从底座上取下，然后关闭麻醉。在纵向实验的情况下，将小鼠置于37°C的预热笼中以进行恢复，直到动物清醒和活跃。 用清洁湿巾或70%酒精清洁所有使用过的设备。 为前瞻性门控 MRI 数据生成医学数字成像和通信 （DICOM） 文件，并将其与回顾性门控扫描的 MRI 原始数据文件一起复制到安全服务器，以便进行后续数据分析。 5. 回顾性采集扫描的离线重建 注意：为了重建回顾性门控扫描，使用了定制的开源软件（图3）。分别对每个回顾性触发的数据执行以下步骤。 打开重建软件 Retrospective，并加载对应于回顾门控MRI扫描的原始数据文件。 检查 Raw 导航器 信号，请注意，较高的信号峰值表示呼吸频率，较低的信号峰值表示心率。 如果峰值是上倒的，则使用 向上/向下 开关翻转信号。 此外，在每次扫描期间，检查自动检测到的心率是否对应于观察到的值的 10%。如果没有，请手动调整这些值，因为自动检测失败。 选择适当的窗口百分比以排除呼吸运动期间的数据，通常为30%。 按 过滤器 执行导航器分析，并将心脏导航器与呼吸导航器分开。 将 CINE 帧数设置为 32（本研究中使用的值），然后按 排序 k 空间。 为压缩感应 （CS） 正则化选择适当的设置，然后按 “重建”。使用以下典型正则化参数：空间（x、y 和 z）维度 （WVxyz） 0.001 或 0 中的小波正则化参数;CINE 维度 （TVcine） 0.1 中的总变异约束;空间维数的总变异约束 （TVxyz） 0;和动力学维度 （TVdyn） 中的总变异约束 0.05。 重建完成后，预览CINE电影以评估重建。导出 DICOM 图像，以便使用 导出 DCM进行进一步分析。 图3：”回顾”触发图形用户界面。 “Retrospective”是一种定制的重建应用程序，用于回顾性触发的心脏磁共振成像扫描。在用户界面中，可以评估导航器信号，调整要重建的CINE帧数，调整压缩的传感参数以改善重建，将CINE图像预览为动态电影，并导出重建数据。 请点击此处查看此图的放大版本。 6. 图像分析软件 注：图像分析软件（图4）需要使用DICOM图像，并且具有多个插件用于不同的心血管分析应用，例如用于体积测量的插件和用于应变和HDF分析的插件。 对于LV的体积评估，请选择多切片SA扫描，并将其加载到插件中以进行体积测量。 将收缩末期 （ES） 和舒张末期 （ED） 标签分配给相应的心脏框架。 使用轮廓工具分割ES和ED框架中的心内膜心肌边界。注：用于此协议的分析软件在完成所有必要的注释后，会自动显示低压EF、EDV、ESV参数。 对于舒张期测量，请选择心室中SA CINE图像，并将其加载到插件中以进行体积测量。 将 ED 和 ES 标签分配给相应的心脏框架。 使用轮廓工具分割所有框架的心内膜边界。比较相邻帧的分割，以确保在整个心脏周期中分割的平稳过渡。 从所有心脏框架和相应的左心内膜心肌体积 （LV ENDO） 导出时间演变。应用自定义脚本（请参阅 补充材料）来计算 E’/A’ 比率。注意：该脚本应用Savitzky-Golay滤波器来可靠地计算dV/dt曲线，并使用半自动峰值检测来查找E’和A’峰值。 对于应变和 HDF 计算，请选择 2CH、3CH 和 4CH 长轴 CINE 图像，并将其加载到插件中以进行体积测量。 将 ED 和 ES 标签分配给每个切片方向中相应的心脏框架。 使用轮廓工具分割所有 3 个方向上所有框架的心内膜边界。比较相邻帧的分割，以确保在整个心脏周期中分割的平稳过渡。 在插件中绘制等值线以进行体积测量后，运行插件进行应变和HDF分析。 将每个采集的数据集分配给 2CH、3CH 和 4CH 视图的相应标签，并执行应变分析。 对于 HDF 分析，绘制舒张末期框架处所有 3 个方向的二尖瓣直径，并在 3 腔长轴图像中绘制主动脉的直径。 图4：图像分析软件图形用户界面。 用于图像分析软件中体积测量的插件，用于心内膜心肌边界的轮廓。对于每个数据集，选择舒张末期和收缩末期心脏期，并针对所有帧分割心肌内膜边界。 请点击此处查看此图的放大版本。