心臓血管磁気共鳴画像法によるマウス心左心室機能、心筋緊張、血行力の定量化

記載された動物実験は、実験動物の福祉に関する欧州連合(EU)のガイドライン(指令2010/63/EU)に従って実施され、学術医療センター動物倫理委員会によって承認されました。 1. セットアップと動物の準備 実験を開始する前に、少なくとも2時間のイソフルラン麻酔が十分にあり、心電図および呼吸モニタリングに利用可能な電池が十分に充電されていることを確認してください。スキャナー領域に、余分なイオブルランを除去するための作業用ヒューム抽出チューブが装備されていることを確認してください。 マウスクレードル(図1A)を準備し、温度を40°Cに設定して動物暖房システムをオンにします。 心電図/呼吸インターフェースモジュールとバッテリセットアップ(図1B)を準備し、心電図と呼吸信号のリアルタイム監視用ソフトウェアを起動します(図1C)。 ハウジングケージからマウスを取り外し、体重を測定します。 マウスをフュームフード抽出アームの下の麻酔誘導室に入れ、0.2 L/min O2 と0.2 L/min医療用空気の混合物に3〜4%のイソフルランを提供します。動物が完全に麻酔をした後、各目に目の軟膏の小さな滴を適用し、マウスのまぶたを閉じます。 マウスをマウスのクレードルの上の上の位置に置きます。マウスの切歯をマウスクレードルの咬み棒に引っ掛け、鼻コーンを正しくフィットするように調整します(図1A)。呼吸が100呼吸/分以下の安定であるかどうかを目視で確認し、動物の調製中にイオブルランを〜2%に減らします。 マウスの揺りかごを動かして、心臓が磁器のRFコイルとアイソ中心の中心に終わるクレードルホルダーの部分に位置します。 石油ゼリーを使用して直腸温度プローブを挿入し、温度プローブの光ファイバケーブルをマウスクレードルにテープで貼ります。 呼吸バルーンをマウスの下腹部に置き、テープで固定します。2本のECG電極針を前足の高さで胸郭に皮下に挿入し、動きを防ぐためにそっとテープダウンする(図1A)。 呼吸とECG信号が十分な品質であるかどうか、および正しいトリガポイントがソフトウェアによって検出されるかどうかを確認します(図1C)。 呼吸数が50~80回の呼吸/分、心拍数が約400~600拍/分、体温が37°C前後であることを確認してください。 呼吸速度がこの範囲外の場合はイオブルラン投与を調整し、体温が37°Cを超える傾向がある場合は動物加熱システムの温度を下げる。 RFコイルをマウスの上に置きます。メモ:システムによっては、心電図電極と呼吸バルーンプラグをECG/呼吸インタフェースモジュールから一時的に切断する必要があります。 コイルケーブルを接続し、磁石ボアにクレードルを入れ。ECG信号がまだ安定しているかどうかを確認します。 ECG信号が最適でない場合は、動物の向きを大幅に変更せずに後の段階では行うことができないので、より良い信号のためにECG電極を再配置します。 図1:マウス心臓のCMRイメージング用動物の準備と機器のセットアップ(A)完全に麻酔をかけられたマウスを、腹腔の上に置かれた呼吸空気圧枕、直腸光光学温度センサー、皮下ECGが前足付近の胸部に導く呼吸空気圧枕を用いて加熱されたマウスのクレードルに入れる。(B)マウスのコイルをマウスクレードルの上に置き、心電図リードと呼吸枕を心電図および呼吸体に再接続してから、ホルダーをMRI磁石に入れる。(C) 専用の小動物モニタリングソフトウェアにおける心電図と呼吸信号の描写ECG信号のRピークが検出され、MRI信号取得の開始点として使用されます。R-ピーク間のブランク期間は、ハートビートの期間に基づいて手動で調整できます。トリガーは、開始遅延と最大幅を手動で調整できる呼吸台(中央パネルの緑の線)の間にのみ発生します。略語: CMR = 心血管磁気共鳴画像;心電図=心電図;MRI =磁気共鳴画像法。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 2. MRIスキャンキャリブレーションとトリガ シグナルモニタリングソフトウェア内の心電図と呼吸格子パラメータを調整して、トリガポイントがRピークで、呼吸信号の平坦な部分でのみ生成されるようにします。ECGの格子の誤差を最小にするために、R-R間隔より10〜15 ms短いブランク間隔を設定して下さい。注:このブランキング期間は、心拍数の変化が発生した場合は、実験全体で調整する必要があります。 中心周波数キャリブレーションと標準(万能)のSCOUTスキャンをゼロオフセットで実行し、スキャナー内のマウスの位置をコロナ方向、軸方向、矢状方向で決定します。心臓が視野(FOV)の中心の0.5-1 cm以内に位置していない場合は、それに応じてクレードルの位置を調整し、SCOUTスキャンをやり直してください。 利用可能なベンダーの方法を使用して、手動シムとRFキャリブレーションを実行します。 3. スキャン計画と取得 注: 次のスキャンの詳細なスキャン パラメータについては、表 1を参照してください。 最初のSCOUTに基づいて、ゲート付きシングルフレームグラディエントエコー(GRE)スカウトスキャン(表1、スキャン1)を3つの直交方向に5つのスライスで実行し、各スライスの各スタックを心臓のおおよその位置に配置して心臓の正確な位置を特定します(図2A)。 ゲート付きのシングルフレームマルチスライスSAスカウトスキャンを実行します(表1、スキャン2)。この作業を行うために、前のGREスカウトを使用して、心臓の長軸に垂直な中心心室の位置に4~5個のスライスを配置し、長軸2チャンバースカウトを計画するために必要な心室SAビューの初期推定値を見つけます(図2B)。 次の予想スキャン(ステップ3.4-3.6)では、Nframes ×TRがR-R間隔の60~70%になるように、心臓フレーム(Nframes)の数を調整します。注:R-R間隔の60〜70%の取得は、SNRを改善し、勾配切り替えによって以下のRピークの妨害を防ぐために、心周期の末端拡張期期を捉えるのに十分であり、エンドダイザースの間に追加のT1緩和を可能にする。 ゲート付き単一スライスGREスキャンを実行して、SAスキャンと組み合わせた長軸2チャンバー(2CH)スカウトを生成し、4室(4CH)を計画する必要がある(表1、スキャン3)。この最後に、左右の心室間の接続点に平行に実行されている、以前の SA ビューに垂直なスライスを配置します。このスライスを左心室の中央に移動し、GREスカウトのコロナ画像をチェックして、スライスが頂点を通して配置されるようなLV長軸に合っているかどうかを確認します(図2C)。 別のゲート付きシングルスライスGREスキャンを実行して、マルチスライスSAと3室スキャンを計画するために必要な4室(4CH)スカウトスキャンを生成します(表1、スキャン4)。この処理を行うために、2CHスカウトスキャンに垂直なスライスを配置し、長軸の中心に合わせて、スライスが僧帽弁と頂点を通過するようにします。SA ビューでは、後心室壁と前心室壁に平行に配置され、2つの乳頭筋の間に平行になるようにスライスを調整します (図 2D)。スライスが心周期全体を通して心室の中心に残っているかどうかを確認してください。 シストリック関数測定のためにゲート順次マルチスライスSA GREスキャン(表1、スキャン5)を実行します。この上、心臓の中心に2CHと4CHビューのLV長軸に垂直な中間スライスを配置し、スライスの数を増やします(通常は奇数、7または9スライス、スライス間のギャップなし)。心臓をベースから頂点までカバーします(図2E)。 次の遡及的にゲートされたスキャン(ステップ3.8-3.9)では、すべての前向きの心臓および呼吸ゲーティング機能をオフにします。各遡及的にゲートされたスキャンの前後の心拍と呼吸数をメモし、後で再構築のためにこれらの値を使用します(ステップ5.2.2)。 3つの連続した単一スライスの後ろ向きのGREスキャンを中間室SAビュー(E’/A’比の定量化のため)、2CH、および4CHビュー、後者の2つの心筋歪みおよびHDF値の定量化に必要である(表1、スキャン6-8)。必要に応じて、マルチスライスSAビュー、および使用可能な2CHおよび4CHスカウトスキャンに基づいて、最終的な2CHと4CHスライスの向きを最適化します。 3チャンバ(3CH)ビューで追加の遡及ゲート単一スライスGREスキャンを実行し、ステップ3.8からの2CHおよび4CHビューと組み合わせることで、心筋歪みおよびHDF値の定量化に必要である(表1、スキャン9)。そのために、最終的な長軸4CHビューの位置と同様に、中心室SAビューに垂直なスライスを配置し、スライスを45°回転して前壁から後壁に最も近い乳頭筋に向けます。基礎SAスライスを検査して、スライスが僧帽弁と大動脈弁を通過しているかどうかを確認します。スライスが頂点を通過しているかどうかを、最終的な長軸 4CH ビューで確認します (図 2F)。 図2: マウスでのCMRイメージングのスライス計画(A)最初のスカウトスキャンを用いた3つの直交ビューで心臓を通してのGRE SCOUT計画。(C)短軸スカウトとGRE SCOUTコロナスライスを用いた2CHスカウトビューの計画。(D)短軸スカウトと2CHスカウトを用いた4CHスカウトビューの企画。(E)2CHおよび4CHスカウトを用いたマルチスライス短軸ビューの計画。(F)(左) 中室短軸と2CH/4CHスカウトビューを使用した最終2CH、3CH、4CHビューの計画。略語: CMR = 心血管磁気共鳴画像;GRE = グラデーションエコー;CH = チャンバー。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 スキャン番号 1 2 3 4 5 6-9 スキャン名 GREスカウト マルチスライスSAスカウト 2CHスカウト 4CHスカウト マルチスライスSA SA, 2CH, 4CH, 3CH 合計スライス 15 (3 x 5)* 4-5 1 1 7-9 1 厚さ(mm) 1 1 1 1 1 1 フォヴ (mm) 60 35 30 30 35 30 FOV比率 1 1 1 1 1 1 フリップ角度 40 20 20 20 20 15 TE (ms)** 3.8 3.4 2.5 2.5 2.5 3.6 TR (ミリ秒) 200 1 R-R 7 7 7 8 Nフレーム 1 1 12-14 12-14 12-14 32 *** マトリックスサイズ 192 x 192 192 x 192 192 x 192 192 x 192 192 x 192 192 x 192 ECG トリガー いいえ はい はい はい はい 回顧 展 呼吸引き起こし はい はい はい はい はい 回顧 展 平均 1 3 5 5 5 回顧**** 総イメージング時間(推定*****) 2分 2分 3-4分 3-4分 20-25分 13分/スキャン 表1:CMRプロトコルで使用される各シーケンスの取得パラメータ。 *スキャンは3つの異なる直交方向(軸、冠状、矢状)で行われます。** 他のすべてのパラメーターが使用されている場合、特定のスキャナー構成に応じて、可能な限り最短の TE。これは、遡及ビニング後の心臓フレームの数です。有効な平均化は、合計取得時間中のランダムなk空間充填量に依存します。合計で、すべてのkラインの400の繰り返しが行われました。心電図/呼吸誘発遅延を含む。略語: CMR = 心血管磁気共鳴画像;心電図=心電図;GRE = グラデーション エコー;FOV = 視野;TE = エコー時間;TR = 繰り返し時間;Nframes = 心臓フレームの数;SA = 短軸;CH = チャンバー。 このテーブルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。 4. 実験とデータストレージの最終化 他の測定装置をすべて取り外した後、クレードルからマウスを取り外し、麻酔をオフにします。縦断実験の場合、マウスを37°Cの前温めハウジングケージに入れ、動物が目を覚まし、活動状態になるまで回復します。 クリーニングワイプまたは70%アルコールで使用されているすべての機器を清掃してください。 前向きのゲートMRIデータのメディシン・イン・メディシン(DICOM)ファイルを生成し、後のデータ分析のために、遡及的にゲートされたスキャンのMRI生データファイルと一緒にこれらを安全なサーバーにコピーします。 5. 遡及的に取得したスキャンのオフライン再構築 注: 遡及的にゲートされたスキャンの再構築のために、カスタム構築されたオープンソースソフトウェアが使用されました(図3)。振り返ってトリガーされたデータごとに、次の手順を実行します。 再構築 ソフトウェアRetrospect を開き、遡及的にゲートされた MRI スキャンに対応する生データファイルをロードします。 Raw ナビゲーター 信号を検査し、高い信号のピークが呼吸周波数を表し、低い信号のピークが心拍数を表していることに注意してください。 ピークが上下に上向きに登録されている場合は、 アップ/ダウン スイッチで信号を反転します。 また、自動的に検出された心拍数が、各スキャン中に観測値の10%に対応しているかどうかを確認します。ない場合は、自動検出が失敗したため、これらの値を手動で調整します。 呼吸運動中のデータの除外に適したウィンドウの割合を選択します(通常は30%)。 [Filter]を押してナビゲーターの分析を実行し、心臓ナビゲーターを呼吸ナビゲーターから分離します。 CINE フレームの数を 32 (このスタディで使用する値) に設定し 、[k-space をソート] を押します。 圧縮センシング(CS)の正規化に適切な設定を選択し、 再構築を押します。次の一般的な正規化パラメータを使用します: 空間 (x、y、および z) 次元 (WVxyz) 0.001 または 0 のウェーブレット正規化パラメーター。CINE 次元 (TVcine) 0.1 の合計変動制約;空間ディメンション (TVxyz) 0 の合計変動制約。ダイナミクス寸法(TVdyn)0.05 の合計変動制約。 再構築が完了したら、CINE ムービーをプレビューして、再構築を評価します。DCM を使用して詳細な分析を行う DICOM イメージ をエクスポートします。 図3:グラフィカルユーザーインターフェースをトリガーする「レトロスペクティブ」。 「回顧」は、遡及的にトリガーされた心臓磁気共鳴画像スキャンのためのカスタム構築された再構築アプリケーションです。ユーザーインターフェイスでは、ナビゲーターの信号を評価し、再構築するCINEフレームの数を調整し、圧縮されたセンシングパラメータを調整して再構成を改善し、CINE画像をダイナミックムービーとしてプレビューし、再構築されたデータをエクスポートすることができます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 6. 画像解析ソフトウェア 注:画像解析ソフトウェア(図4)は、DICOM画像の使用を必要とし、容積測定用のプラグインや歪みやHDF分析用のプラグインなど、さまざまな心血管分析アプリケーション用の複数のプラグインを備えています。 LVの容積評価では、マルチスライスSAスキャンを選択し、ボリューム測定用のプラグインにロードします。 対応する心臓フレームにエンドシストリック(ES)およびエンド拡張期(ED)ラベルを割り当てます。 等高線ツールを使用して、ES フレームと ED フレームの端数カルディアル境界をセグメント化します。注:このプロトコルに使用される解析ソフトウェアは、必要なすべての注釈が作成されたときに自動的にLV EF、EDV、ESVパラメータを表示します。 拡張期測定では、中室SA CINE画像を選択し、ボリューム測定用プラグインにロードします。 対応する心臓フレームにEDおよびESラベルを割り当てます。 コンター ツールを使用して、すべてのフレームの心内境界を分割します。隣接フレームのセグメンテーションを比較して、心臓周期全体のセグメンテーションのスムーズな移行を確実に行います。 すべての心臓フレームと対応するLV心筋容積(LV ENDO)から時間の進化をエクスポートします。カスタム作成スクリプトを適用し(「 補足材料」を参照)、E’/A’ の比率を計算します。注:スクリプトは、dV/dt曲線の堅牢な計算のためにSavitzky-Golayフィルタを適用し、E’とA’のピークを見つけるために半自動ピーク検出を使用しています。 歪みとHDFの計算では、2CH、3CH、および4CH長軸CINE画像を選択し、ボリューム測定のためにプラグインにロードします。 EDおよびESラベルを各スライスの向きの対応する心臓フレームに割り当てます。 コンター ツールを使用して、3 つの方向のすべてのフレームの心内境界をセグメント化します。隣接フレームのセグメンテーションを比較して、心臓周期全体のセグメンテーションのスムーズな移行を確実に行います。 コンターがボリューム測定用のプラグインに描画されたら、歪みとHDF分析用のプラグインを実行します。 取得した各データセットを 2CH、3CH、および 4CH ビューの対応するラベルに割り当て、ひずみ解析を実行します。 HDF解析では、3つの向きすべてに対して、エンド・拡張フレームの僧帽弁の直径を描き、大間の直径を3室の長軸画像に描きます。 図4:画像解析ソフトウェアのグラフィカルユーザーインターフェイス 画像解析ソフトウェアの容積測定用プラグインで、心外心の輪郭線に使用されます。各データセットについて、エンド拡張期および終期心期相が選択され、すべてのフレームに対して心外心境界がセグメント化されます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。