介绍了一种利用定量磁共振成像 (qMRI) 参数的大鼠脑卒中发作时间估计方法。该程序利用扩散 MRI 来划定急性中风病变和定量的 t1和 t2 (qt1和 qt2) 的时间中风的时机。
MRI 提供了一种敏感和特异的成像工具, 通过减少脑水的扩散系数来检测急性缺血性中风。在大鼠缺血性中风模型中, 定量 t1和 t2 MRI 松弛时间 (qt1和 qt2) 之间的缺血性病变 (由低扩散划定) 和对侧缺半球的差异增加随着时间的推移中风发作。MRI 弛豫时间差异的时间依赖性是启发式描述的线性函数, 从而提供了一个简单的中风发作时间的估计。此外, 缺血性病变 qt1和 qt2的数量随着时间的推移呈线性增加, 为中风定时提供了一种补充方法。提出了一种基于量化扩散系数的 (半) 自动计算机程序来描述急性缺血性脑卒中组织的分布。此例程还确定了 qt1和 qt2松弛时间的半球差异, 以及异常 qt1和 qt2体在病变中的位置和体积。与 qt1和 qt2 MRI 数据的起始时间估计值有关的不确定因素在第一个5小时的行程中, 从±25分钟到±47分钟不等。最准确的开始时间估计可以通过量化的重叠异常 qt1和 qt2病变卷的体积, 称为 “V重叠” (± 25 min) 或通过量化在 qt2的半球差异放松时间 (±28分钟)。总的来说, qt2派生的参数优于 qt1。目前的 MRI 协议是在超急性期的永久性局灶性缺血模型, 这可能不适用于短暂的局灶脑缺血。
由于 ATP 合成和有限的能量储备的氧化磷酸化的高度依赖性, 脑组织特别容易受到缺血的影响。缺血导致的细胞内和细胞外空间的微妙的时变离子的变化, 造成脑水池的重新分布, 释放兴奋神经递质和最终启动破坏性过程1。在局灶性缺血中, 如果血流没有在一定的时间范围内恢复, 那么组织损伤就会扩散到初始核之外. 2。中风发作的时间是目前临床决策的关键标准之一的药物治疗缺血性中风, 包括再通的溶栓剂3。因此, 由于在睡眠期间发生中风 (“唤醒中风”), 缺乏证人, 或不知道症状4,5, 许多患者自动不合格的溶栓治疗。因此, 确定中风发作时间的程序是必要的, 这样病人可以考虑溶栓。
磁共振探头水在体内。动态严重扰动的急性缺血性能量衰竭6。最值得注意的是, 水分子的平移 (热) 运动所受的水的扩散在缺血的早期由于能量衰竭而减少了7。这反过来导致神经细胞缺氧去极化的神经细胞8。磁共振弥散成像 (DWI) 已成为一个金标准诊断成像模式的急性中风9。DWI 信号迅速增加, 以应对缺血, 使缺血性组织被确定, 但没有显示任何 time-dependency 在头几个小时缺血性中风10。同样地, 在缺血性组织中, 如表观扩散系数 (ADC) 或扩散张量 (Dav) 的微量扩散的定量测量, 在动物脑卒中的发生与中风的时间没有关系。模型10和患者11。
定量 MRI (qMRI) 松弛参数, qt1, qt2和 qt1ρ, 受旋转运动和水氢原子交换的控制, 并显示缺血后脑实质的复杂时变变化能量故障6。这种时间依赖性的变化, 使中风发作时估计患者12和动物模型的缺血13,14,15。在大鼠局灶性中风中, qT1ρ在缺血发作后几乎瞬时增加, 并持续线性至少6小时, 13,14。qT1松弛时间在缺血性脑组织中也会增加, 这可以用两个时间常数来描述: 一个初始的快速阶段, 接着是一个缓慢的阶段, 持续时间为小时8,16。由于这种双相增加, 使用 qt1在中风的时间可能比 qt1ρ MRI 15更复杂。qT2弛豫时间也显示大鼠局灶性中风的双期变化, 即在第一个小时内有一个初始的缩短, 其次是线性增加与时间13。最初的缩短可以解释为两个并行运行的因素, 包括: (i) 脱氧的积累导致 so-called 的负氧水平依赖性效应 ‘ 和 (ii), 细胞外水转移到细胞内空间17,18。qT2的随时间增加可能是由于细胞毒和/或性水肿, 随后细胞内大分子结构的破裂, 18。qt1ρ和 qt2数据都提供了在临床前模型14中准确估计中风发病时间的方法。qT2 12和 T2加权信号强度19,20也被利用在临床设置中风发作时间估计。
除了在定量松弛时间的半球差异, 在缺血区域内升高的松弛时间的空间分布也可作为中风发作时间的替身14。在大鼠脑卒中模型中, qt1ρ、qt2和 qt1松弛时间最初小于扩散定义的缺血性病变, 但随着时间的推移而增加1415, 21。因此, 将高松弛时间的空间分布量化为缺血性病变大小的百分比也能使中风发作时间估计为14,15。在这里, 我们描述的协议, 以确定中风发病时间在大鼠中风模型使用 qMRI 参数。
目前对大鼠脑卒中发生时间的估计采用定量扩散和弛豫时间 MRI 数据, 而不是各自加权 mr 对比图像的信号强度19。最近的证据表明, 在估计中风发作时, 图像强度的表现较差14,25。在 ‘ 扩散阳性 ‘ 中风病变我们的 mri 协议提供中风发作时间从 qt1和 qt2 mri 数据的准确性为一个半小时左右。qt2数据优于 qt1的一般趋势。从重叠升高的 qt1和 qt2 (V重叠) 的容量中获得最佳的起始时间确定精度。
图 1中的图像显示, 当降低的扩散系数显得相当均匀时, 具有异常的 qt1和 qt2的区域异分散在缺血性病变中。这一发现符合先前的观察, 很可能是由于这些 qMRI 参数对缺血性6引起的病理生理变化的敏感性不同。这表明 qMRI 参数可能是信息的组织状态和支持的概念, DWI 估计缺血性损伤26。事实上, 最近的临床基础证据表明, 在扩散定义的病灶中, 缺血性损伤的异质性为27。因此, 扩散、qt1和 qt2的结合可能会提供有关中风发作时间和组织状态的信息, 这两种情况对于治疗决定不明的患者都有临床意义。
V重叠和 f2给出了最准确的笔画起始时间估计值。量化弛豫时间的好处是, 不同的信号强度, 他们不敏感的固有变化造成的技术因素, 如磁场均匀和质子密度6, 包括预期的磁场在缺血性病变范围内的变异18。由于 qt1对缺血的前述双相位响应, 从而导致时间 qt1的浅斜率下降, 因此与 qt1和 f1的起始时刻估计相关的不确定度可能减少。更改8,15,16。所示的 MRI 数据 (图 2) 与以前的工作是一致的13,14, 因为时间课程的松弛时间的差异, 缺血性和对侧缺脑是充分由线性函数描述。然而, 重要的是要注意, 由于缺血引起的基础流体力学变化不是线性的1,18。
利用姜黄 et al. 程序22, 对受永久性缺血影响的大鼠进行脑卒中时间的 MRI 表现。根据我们的经验, 姜黄 et al. 程序无法诱导10-20% 的大鼠 MCAO, 然而, 由于 ADC 是用来验证缺血的存在, 实验可以提前终止。导致 MCAO 的原因往往是由于封堵器螺纹不完善。另一个导致实验失败的因素是, MCAO 是一个严重的过程, 导致多达20% 的老鼠在长时间的 MRI 期间死亡。
中风发作时间协议只适用于永久性缺血。在大鼠局灶性缺血再灌注中, dav与 qt1或 qt2之间的关系将不作为 dav恢复, 但可能不为 qt1和 qt2 , 取决于缺血前的持续时间再灌注8,28。另外, 由于影响微循环的因素如年龄和疾病 (如、糖尿病、高血压、心脏病), 缺血性损伤的演变在脑卒中患者中可能会有更大的变化。这些因素将不可避免地影响 f1、f2和 V重叠在人笔画中的时间依赖性, 因此需要在临床设置中进行调查。
最后, qMRI 参数提供了中风发病时间的估计。V重叠和 f2提供了最准确的估计, 也可能是组织状态的信息。因此, qMRI 可以在临床上受益于帮助治疗的决定为未知的发病时间的病人。这里要考虑的一个问题是, 大鼠大脑中的 gray-to-white 物质比在人类中要高得多, 而这些脑组织类型的流体力学可能会有不同的18。然而, 对超急性脑卒中患者的 f2、V重叠和 qT2的时间依赖性的进一步调查是有必要的。
The authors have nothing to disclose.
土地管理局是 EPSRC 博士李兆基的接受者, 从布里斯托尔大学实验心理学学院获得了一笔旅游补助金给芬兰东部大学。MJK 由伊丽莎白-布莱克韦尔研究所和惠康信托国际战略支持基金资助 [ISSF2: 105612/z/14/z]。KTJ 和 OHJG 由芬兰的学院、UEF 的战略资助, 由芬兰东部大学和芬兰 Biocenter 资助。这项工作得到了登喜路医疗信托基金的支持 [补助金号 R385/1114]。
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 |