Quantification of Mouse Heart Left Ventricular Function, Myocardial Strain, and Hemodynamic Forces by Cardiovascular Magnetic Resonance Imaging

Mariah R. R. Daal; Gustav J. Strijkers; Claudia Calcagno; Ruslan R. Garipov; Rob C. I. W&#252;st; David Hautemann; Bram F. Coolen

doi:10.3791/62595

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Biyomühendislik

심혈관 자기 공명 영상에 의한 마우스 심장 좌심실 기능, 심근 균주 및 혈역학력의 정량화

Published: May 24, 2021

doi:

10.3791/62595

Mariah R. R. Daal¹, Gustav J. Strijkers^1,2, Claudia Calcagno², Ruslan R. Garipov³, Rob C. I. Wüst^1,4, David Hautemann⁵, Bram F. Coolen¹

¹Department of Biomedical Engineering & Physics, Amsterdam University Medical Centers, Amsterdam Cardiovascular Sciences,University of Amsterdam, ²BioMedical Engineering and Imaging Institute,Icahn School of Medicine at Mount Sinai, ³MR Solutions Ltd., ⁴Laboratory for Myology, Department of Human Movement Sciences, Faculty of Behavioral and Movement Sciences,Vrije Universiteit Amsterdam, ⁵Medis medical imaging systems B.V.

Özet

이 연구는 마우스 심혼의 좌심실 기능 적 파라미터를 정량화하기 위한 포괄적인 심장 혈관 자기 공명 영상 (CMR) 프로토콜을 설명합니다. 이 프로토콜은 CMR 이미지의 수집, 후처리 및 분석뿐만 아니라 다양한 심장 기능 매개 변수의 평가를 설명합니다.

Abstract

마우스 모형은 건강한 심장 기능에 관련되었던 유전 및 생리적인 요인을 이해하는 데 크게 기여했습니다, 어떻게 동요는 병리학귀에 귀착되는지, 그리고 심근 병이 취급될 수 있는 방법. 심혈관 자기 공명 영상(CMR)은 심장 해부학 및 기능의 포괄적인 생체 내 평가를 위한 필수 도구가 되었습니다. 이 프로토콜은 7-Tesla CMR을 사용하여 마우스 심장 좌심실 기능, 심근 변형 및 혈역학력의 상세한 측정을 보여줍니다. 첫째, 스캐너의 동물 준비 및 위치 지정이 입증됩니다. 다양한 짧고 긴 축 뷰에서 이미징 슬라이스를 계획하기 위해 설문조사 검사가 수행됩니다. 일련의 미래 심전도 트리거 단축(SA) 영화(또는 CINE 이미지)는 심장을 정점에서 베이스로 덮어 최종 수축기 및 최종 확장기 위상을 캡처합니다. 그 후, 단일 슬라이스, 소급 게이트 CINE 이미지는 중간 심층 SA 보기에서 획득되고, 2-, 3, 4 챔버 뷰에서 사용자 정의 내장 및 오픈 소스 소프트웨어를 사용하여 고시간 해상도 CINE 이미지로 재구성됩니다. CINE 이미지는 이후 전용 CMR 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 분석됩니다.

SA 종단 수축기 및 최종 확장기 CINE 이미지의 delineating 내시경 및 상복부 테두리를 통해 최종 수축기 및 최종 확장기 볼륨, 배출 분획 및 심장 출력을 계산할 수 있습니다. 중간 심실 SA CINE 이미지는 상세한 볼륨 시간 곡선을 추출하기 위해 모든 심장 시간 프레임에 대해 설명됩니다. 그것의 시간 유도체는 초기 충진 및 심방 수축 파의 비율로 확장기 기능의 계산을 허용합니다. 마지막으로, 2-, 3-및 4 챔버 뷰의 좌심실 내막 벽은 피처 추적을 사용하여 묘사되며, 이 때 경도 심근 균주 매개 변수와 좌심실 혈역학력이 계산됩니다. 결론적으로, 이 프로토콜은 심장 질환의 다양한 마우스 모델에서 심장 기능의 시간적 변화를 연구하는 데 사용할 수있는 마우스 심장 매개 변수의 생체 내 정량화를 제공합니다.

Introduction

작은 동물의 심혈관 자기 공명(CMR)은 심근 기능의 정확한 생체 내 측정을 제공하여 CMR을 심혈관 질환의 전임상 연구를 위한 최적의 도구입니다. CMR 이미지에서 혈액과 심근 사이의 높은 공간 해상도와 높은 대비로 인해 내도 및 상골 윤곽을 묘사하고 심근 질량 및 심실 부피^1,^2를계산할 수 있다. 최대 600비트/분의 높은 심박수에도 불구하고 심전도(ECG) 및 호흡기 트리거링을 사용하면 호흡기 운동 아티팩트 없이 다양한 심장 단계(CINE 이미지라고도 함)의 고품질 측정이 가능합니다. 이러한 방식으로, 여러 슬라이스는 방출 분획(EF), 최종 수축부(ESV), 최종 확장기 부피(EDV), 및 심장 출력(CO)^3과같은 수축기 기능 파라미터를 추출하기 위해 정점에서 베이스까지 심장을 커버하는 데 사용될 수 있다. 기본 수축기 기능 평가를 제외하고, 최근 확장기 기능 기능^4,심근 균주^5,혈역학력(HDF)^6을평가하기 위해 추가 CMR 기술이 개발되었다.

심전도 게이팅은 R-피크를 감지한 후 MR 신호 수집을 시작하고 R-R 간격 동안 정의된 수의 심장 단계를 기록함으로써 심장 사이클에 동기화할 수 있습니다. 그러나, 이러한 방법으로 획득할 수 있는 심장 위상(프레임 속도)의 수는 시스템이 도달할 수 있는 가장 낮은 반복 시간(TR)에 따라 달라질 수 있으며, 수용 가능한 신호 대 잡음 비율(SNR) 및 공간 해상도^4를유지한다. 더욱이, 높은 자기장 그라데이션의 사용은 심전도 신호를 일시적으로 왜곡할 수 있기 때문에, 일반적으로 최종 확장기 상 전에 획득이 중단된다. 두 요인 모두 다른 심장 기능 파라미터의 계산에 왼쪽 심실(LV) 볼륨 타임 곡선의 더 나은 정의가 필요하기 때문에 이러한 스캔을 수축 함수 평가로 제한합니다.

고프레임 속도 CINE 이미지는 소급 게이팅에 의해 획득할 수 있으며, 이에 따라 MR 신호는 스캔 중에 지속적으로 획득되고, 무선 주파수(RF) 여기후 통합된 네비게이터 에코가 심장 및 호흡기 움직임을 감지합니다. CMR 획득은 심장 운동과 비동기적으로 수행되기 때문에 획득한 MR 신호를 소급선택된 수의 심장 프레임에 할당할 수 있습니다. 이러한 방식으로 충분한 데이터가 수집되면 고액 프레임 속도 CINE 이미지를^4,^7으로재구성할 수 있습니다. 그런 다음 최대 조기 충진률(E’)과 심방 수축(A’)에서 피크 늦은 충진률 사이의 비율로 표현되는 확장기 기능 평가를 허용합니다.

임상 연구에서 CINE 이미지를 CMR 기능 추적으로 분석하여 심근 균주와 HDF^6,^8을평가할 수 있다. 심근 변형은 심근 세그먼트^9의초기 길이(일반적으로 최종 확장기 길이)와 최대 길이(일반적으로 최종 시스톨)의 백분율 차이를 측정하는 심장 변형 매개변수이다. 심근 변형 측정은 스트레인 값이 심근 벽 단축 및 두껍게 하는 것을 정량화하기 때문에 LV 기능을 평가하기 위한 증분 값일 수 있습니다. 단축 기능의 감소는 차경 섬유^{손상(10)의}표시일 수 있다. 심근 긴장의 변경은 EF와 독립적으로 발생할 수 있으며 근본적인 합병증의 선구자가 될 수 있습니다.

구체적으로, 글로벌 종로균(GLS) 및 글로벌 외주균(GCS)은 심장질환(10,^11,^12)을특성화하는 데 부가가 되는 것으로 나타났다. 유사하게, HDF는 변경된 심장 기능을 나타내는 잠재적인 새로운 매개변수로 제안되었습니다^6,^13. 이러한 HDF 또는 심실 간 압력 그라데이션(IVPG)은 심장의 배출 및 충전 중에 혈액 운동을 구동하고 대동맥 및 대마^판막(14,^15)을포함한 혈액및 심근 사이의 운동 교환에 의해 영향을 받습니다.

이 연구에서는, 포괄적인 프로토콜은 마우스 심혼의 LV 기능, 심근 변형 및 HDF를 정량화하기 위하여 강력한 작은 동물 CMR 측정을 능력을 발휘하기 위한 기술됩니다. 그것은 동물 준비에 필요한 단계를 포함, 심장의 미래및 소급 게이트 CINE 이미지를 모두 사용하여 데이터 수집뿐만 아니라 볼륨 측정을 계산 할 수있는 전용 소프트웨어와 분석, E’/ A’비율, 심근 변형, 심장의 HDF. 이 프로토콜은 심혈관 질환의 다양한 마우스 모델에서 LV 기능의 광범위한 평가를 위해 사용될 수 있다.

Protocol

설명된 동물 실험은 실험실 동물의 복지에 대한 유럽 연합 (EU 지침 2010/63/EU)에 따라 수행되며 학술 의료 센터 동물 윤리위원회의 승인을 받았습니다. 1. 설치 및 동물 준비 실험을 시작하기 전에 적어도 2 시간 동안 충분한 이소플루란 마취가 있는지 확인하고 심전도 및 호흡 모니터링에 사용할 수있는 배터리가 충분히 충전되었는지 확인하십시오. 스캐너 영역에 과도한 이소플루란을 제거하기 위한 작동 연기 추출 튜브가 장착되어 있는지 확인하십시오. 마우스 요람(도1A)을준비하고 온도가 40°C로 설정된 동물 가열 시스템을 켭니다. 심전도/호흡기 인터페이스 모듈 및 배터리설정(도 1B)을준비하고 심전도 및 호흡기 신호(도1C)의실시간 모니터링을 위한 소프트웨어를 시작합니다. 하우징 케이지에서 마우스를 제거하고 체중을 측정합니다. 연기 후드 추출 팔 아래에 마취 유도 챔버에 마우스를 놓고 0.2 L /min O2 및 0.2 L/min 의료 공기의 혼합물에 3-4 %의 이소플루란을 제공합니다. 동물이 완전히 마취된 후, 각 눈에 약간의 눈 연고를 바르고 마우스의 눈꺼풀을 닫습니다. 마우스 요람에 마우스를 스핀 위치에 놓습니다. 마우스 요람의 바이트 바에 마우스의 절개를 연결하고 코 콘을 적절히 조정합니다(도1A). 호흡이 100 호흡 /분 이하의 안정되어 있는지 시각적으로 확인하고 동물 준비 중에 이소플루란을 ~ 2 %로 줄입니다. 마우스 요람을 이동하여 심장이 요람 홀더의 부분에 위치하여 자석의 RF 코일 및 이소 중심의 중앙에 배치되도록 합니다. 석유 젤리를 사용하여 직장 온도 프로브를 삽입하고 온도 프로브의 광섬유 케이블을 마우스 요람에 테이프로 넣습니다. 호흡기 풍선을 마우스의 하부 복부에 놓고 테이프로 고정하십시오. 앞발의 높이에 흉부에 2개의 심전도 전극 바늘을 피하로 삽입하고 부드럽게 아래로 테이프를 내려 이동을 방지합니다(도1A). 호흡 및 심전도 신호가 충분한 품질인지,소프트웨어(그림 1C)에의해 올바른 트리거 포인트가 검출되는지 확인합니다. 호흡 속도가 50-80 호흡 /분, 심박수 ~ 400-600 비트 / 분, 체온 약 37 °C인지 확인하십시오. 이 범위의 호흡 속도가 외부에있을 때 이소플루란 투여를 조정하고, 체온이 37 °C를 초과하는 경향이있는 경우 동물 가열 시스템의 온도를 감소시다. RF 코일을 마우스 위에 놓습니다.참고: 시스템에 따라 심전도/호흡기 인터페이스 모듈에서 심전도 전극 및 호흡기 풍선 플러그의 일시적인 분리가 필요할 수 있습니다. 코일 케이블을 연결하고 요람을 자석 보어에 놓습니다. 심전도 신호가 여전히 안정적이었는지 확인합니다. 심전도 신호가 최적이 아닌 경우, 동물의 방향을 크게 변경하지 않고는 나중에 수행할 수 없기 때문에 심전도 전극을 더 나은 신호로 재배치합니다. 그림 1: 마우스 심장의 CMR 이미징을위한 동물 준비 및 장비 설정. (A)완전히 마취된 마우스를 척추 위치에 배치하고, 복부에 호흡 공압 베개가 놓인 가열된 마우스 요람에 놓이고, 직장 광섬유 온도 센서 및 피하 심전도는 앞발 근처의 가슴에 이르게 한다. (B)마우스 본체 코일은 마우스 요람 위에 배치되며, 심전도 리드와 호흡 베개는 MRI 자석에 홀더를 넣기 전에 심전도 및 호흡기 인터페이스에 다시 연결됩니다. (C)전용 소형 동물 모니터링 소프트웨어에서 심전도 및 호흡기 신호의 묘사. ECG 신호의 R-피크가 감지되어 MRI 신호 수집의 출발점으로 사용됩니다. R-peaks 사이의 블랭킹 기간은 심장 박동 기간에 따라 수동으로 조정할 수 있습니다. 트리거링은 시작 지연 및 최대 폭을 수동으로 조정할 수 있는 호흡 고원(중간 패널의 녹색 선)에서만 발생할 수 있습니다. 약어: CMR = 심혈관 자기 공명 영상; 심전도 = 심전도; MRI = 자기 공명 이미징. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 2. MRI 스캔 교정 및 트리거링 트리거 포인트가 R-피크에서 호흡 신호의 평평한 부분 동안에만 생성되는 신호 모니터링 소프트웨어 내에서 심전도 및 호흡기 게이팅 파라미터를 조정합니다. 심전도 게이팅 오류를 최소화하려면 R-R 간격보다 10-15ms 짧은 블랭킹 기간을 설정합니다.참고: 심박수의 변화가 발생하는 경우 전체 실험 중에 이 블랭킹 기간을 조정해야 합니다. 관상, 축 및 처탈 방향에서 스캐너에서 마우스의 위치를 결정하기 위해 0 오프셋으로 중앙 주파수 교정 및 표준 (ungated) SCOUT 검사를 수행합니다. 심혼이 시야(FOV) 중심의 0.5~1cm 이내로 위치하지 않으면 그에 따라 요람의 위치를 조정하고 스카웃 스캔을 다시 수행한다. 사용 가능한 공급업체 방법을 사용하여 수동 심 및 RF 교정을 수행합니다. 3. 스캔 계획 및 인수 참고: 다음 검사의 자세한 스캔 매개 변수는 표 1을 참조하십시오. 초기 스카웃에 기초하여, 3개의 직교 방향으로 5개의 슬라이스를 가진 게이트된 단일 프레임 그라데이션 에코(GRE) 스카우트스캔(표 1,스캔 1)을 수행하고, 심장의 대략적인 위치에 슬라이스의 각 스택을 배치하여 심장의 정확한 위치를 찾아낸다(그림2A). 게이트 단일 프레임 멀티 슬라이스 SA 스카우트스캔(표 1,스캔 2)을 수행합니다. 이를 위해, 이전 GRE 정찰을 사용하여 심장의 긴 축에 수직으로 4-5 슬라이스를 배치하여 긴 축 2 챔버정찰(그림 2B)을계획하는 데 필요한 중간 심실 SA 뷰의 초기 추정치를 찾습니다. 다음 예비 스캔(단계 3.4-3.6)의 경우 Nframe × TR이 R-R 간격의 ~60-70%인 심장 프레임(Nframe)의 수를 조정합니다.참고: R-R 간격의 60-70%를 획득하면 심장 사이클의 최종 확장기 위상을 포착하는 동시에 최종 디아스톨 동안 추가로 T1 이완을 허용하여 SNR을 개선하고 그라데이션 스위칭에 의한 다음 R-피크의 방해를 방지할 수 있습니다. SA 스캔과 결합된 긴축 2챔버(2CH) 정찰을 생성하기 위해 게이트된 단일 슬라이스 GRE 스캔을 수행하여 4챔버(4CH)(표 1,스캔 3)를 계획하는 데 필요하다. 이를 위해 왼쪽심실과 오른쪽 심실 사이의 연결 점에 평행하게 실행되는 이전 SA 뷰에 수직으로 슬라이스를 배치합니다. 이 슬라이스를 좌심실 의 중앙으로 이동하고, 슬라이스가 LV 긴 축과 정렬되어 있는 경우 GRE 스카우트의 관상 이미지를 체크 인하여 정점을 통해 배치된다(도2C). 멀티 슬라이스 SA 및 3 챔버 스캔(표 1,스캔 4)을 계획하는 데 필요한 4 챔버 (4CH) 스카우트 스캔을 생성하기 위해 다른 게이트 단일 슬라이스 GRE 스캔을 수행합니다. 이를 위해, 2CH 정찰 스캔에 수직으로 슬라이스를 배치하고, 슬라이스가 승모판과 정점을 통과하도록 긴 축의 중심에 정렬한다. SA 뷰에서, 후방 및 전방 심실 벽과 두 개의 유두근육(도 2D)사이에 평행하게 배치되는 것처럼 슬라이스를 조정한다. 슬라이스가 전체 심장 주기 동안 심실의 중앙에 남아 있는지 확인합니다. 수축기 기능 측정을 위해 게이트 순차다슬라이스 SA GRE스캔(표 1,스캔 5)을 수행합니다. 이를 위해 심혼 의 중앙에 2CH 및 4CH 뷰에서 LV 긴 축에 수직으로 중간 심실 슬라이스를 배치하고, 슬라이스의 개수를 증가시다(일반적으로 홀수, 예를 들어, 7 또는 9슬라이스, 슬라이스 사이의 간격 없음)을 증가하여 베이스에서 정점까지 심장을 커버한다(그림2E). 다음 소급 게이트 스캔 (단계 3.8-3.9)의 경우 모든 미래의 심장 및 호흡기 게이팅 기능을 끕니다. 각 소급 게이트 스캔 전후의 심장 및 호흡률을 기록하고 나중에 재건 목적으로 이러한 값을 사용합니다(5.2.2 단계). 심근 변형및 HDF 값의 정량화에 필요한 후자2(표 1,스캔 6-8)에서 중구 SA 뷰(E’/A 비율의 정량화), 2CH 및 4CH 뷰에서 3개의 순차적인 단일 슬라이스 게이트 GRE 스캔을 수행한다. 필요한 경우 다중 슬라이스 SA 뷰와 사용 가능한 2CH 및 4CH 정찰 스캔을 기반으로 최종 2CH 및 4CH 슬라이스 방향을 최적화합니다. 심근 변형및 HDF 값의 정량화에 필요한 단계 3.8에서 2CH 및 4CH 뷰와 결합된 3챔버(3CH) 뷰에서 추가소급 게이트 단일 슬라이스 GRE 스캔을 수행한다(표1,스캔 9). 이를 위해, 최종 긴축 4CH 뷰의 위치와 유사한 중간 심실 SA 뷰에 수직으로 슬라이스를 배치하고, 전방 벽에서 후방 벽에 가장 가까운 유두 근육으로 통과하는 슬라이스 45°를 돌립니다. 기저 SA 슬라이스를 검사하여 슬라이스가 승모 및 대동맥 밸브를 통과하는지 확인합니다. 슬라이스가 정점을 통과하는 경우 최종 긴 축 4CH 뷰에서 검사합니다(그림2F). 그림 2: 마우스로 CMR 이미징을 위한 슬라이스 계획입니다. (A)GRE 스카우트 초기 스카우트 스캔을 사용 하 여 3 직교 보기에서 심장을 통해 계획.(B)GRE 스카우트 관상 및 처진 조각에 짧은 축 스카우트 계획. (C)짧은 축 정찰기와 GRE 스카우트 관상 슬라이스를 사용하여 2CH 스카우트 보기의 계획. (D)짧은 축 정찰및 2CH 정찰을 사용하여 4CH 정찰 뷰의 계획. (E)2CH 및 4CH 정찰기를 사용하여 다중 슬라이스 짧은 축 뷰의 계획. (F)(왼쪽) 중간심근축 및 2CH/4CH 정찰뷰를 이용한 최종 2CH, 3CH 및 4CH 뷰 계획. 약어: CMR = 심혈관 자기 공명 영상; GRE = 그라데이션 에코; CH = 챔버. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 스캔 번호(들) 1 2 3 4 5 6-9 스캔 이름 GRE 스카우트 멀티 슬라이스 SA 스카우트 2CH 스카우트 4CH 스카우트 멀티 슬라이스 SA SA, 2CH, 4CH, 3CH 총 슬라이스 15 (3 x 5)* 4-5 1 1 7-9 1 두께(mm) 1 1 1 1 1 1 FOV (mm) 60 35 30 30 35 30 FOV 비율 1 1 1 1 1 1 각도 뒤집기 40 20 20 20 20 15 TE (ms)** 3.8 3.4 2.5 2.5 2.5 3.6 TR (ms) 200 R-R 1 7 7 7 8 Nframe 1 1 12-14 12-14 12-14 32 *** 매트릭스 크기 192 x 192 192 x 192 192 x 192 192 x 192 192 x 192 192 x 192 심전도 트리거링 아니요 예 예 예 예 회고전 호흡기 발동 예 예 예 예 예 회고전 평균 1 3 5 5 5 회고 **** 총 이미징 시간(예상 *****) 2분 2분 3-4분 3-4분 20-25분 13분/스캔 표 1: CMR 프로토콜 중에 사용되는 각 시퀀스에 대한 획득 매개 변수입니다. * 스캔은 세 가지 직교 방향 (축, 관상, 처진)에서 수행됩니다. ** 다른 모든 매개 변수가 사용되어 특정 스캐너 구성에 따라 사용되는 경우 가능한 가장 짧은 TE입니다. 이것은 회고 후 심장 프레임의 수입니다. 유효 평균은 총 획득 시간 동안 임의의 k-space 충전에 따라 달라집니다. 총 400개의 모든 K라인 반복이 수행되었습니다. 심전도/호흡기 발동 지연을 포함합니다. 약어: CMR = 심혈관 자기 공명 영상; 심전도 = 심전도; GRE = 그라데이션 에코; FOV = 시야; TE = 에코 시간; TR = 반복 시간; Nframe = 심장 프레임 수; SA = 짧은 축; CH = 챔버. 이 테이블을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오. 4. 실험 및 데이터 스토리지의 최종 화 다른 모든 측정 장비를 분리한 후 요람에서 마우스를 제거하고 마취를 끕니다. 세로 실험의 경우, 동물이 깨어 능동될 때까지 회복을 위해 미리 따뜻해진 하우징 케이지에 마우스를 놓습니다. 청소 물티슈 또는 70 % 알코올에 사용 된 모든 장비를 청소하십시오. 미래 문이 닫힌 MRI 데이터에 대한 의학(DICOM) 파일의 디지털 이미징 및 통신 파일을 생성하고, 후속 데이터 분석을 위해 소급 게이트 스캔의 MRI 원시 데이터 파일과 함께 이를 복사합니다. 5. 소급 취득 한 스캔의 오프라인 재구성 참고: 소급 게이트 스캔의 재구성을 위해 사용자 지정 빌드된 오픈 소스 소프트웨어가 사용되었습니다(그림3). 소급 트리거된 각 데이터에 대해 다음 단계를 별도로 수행합니다. 재구성 소프트웨어 회고전을열고 소급 게이트MRI 스캔에 해당하는 원시 데이터 파일을 로드합니다. 원시 네비게이터 신호를 검사하고 신호 피크가 높을수록 호흡 주파수와 신호 피크가 심박수를 나타냅니다. 피크가 거꾸로 등록되면 위/아래 스위치로 신호를 뒤집습니다. 또한 자동으로 감지된 심박수가 각 스캔 중에 관찰된 값의 10%에 해당하는지 확인합니다. 그렇지 않은 경우 자동 검색에 실패했기 때문에 이러한 값을 수동으로 조정합니다. 호흡기 운동 중 데이터를 제외하기 위한 적절한 창 백분율을 선택하십시오(보통 30%). 필터를 눌러 네비게이터 분석을 수행하고 심장 네비게이터를 호흡 네비게이터로부터 분리합니다. CINE 프레임 수를 32(이 스터디에 사용된 값)로 설정하고 정렬 k-space를누릅니다. 압축 감지(CS) 정규화에 적합한 설정을 선택하고 재구성을 누릅니다. 다음과 같은 일반적인 정규화 매개변수를 사용합니다: 공간(x, y 및 z) 치수(WVxyz) 0.001 또는 0에서 웨이블렛 정규화 파라미터; CINE 치수(TVcine) 0.1의 총 변동 제약 조건; 공간 치수(TVxyz) 0의 총 변동 제약 조건; 및 역학 치수(TVdyn) 0.05의 총 변동 제약 조건. 재건이 완료되면 CINE 영화를 미리 보고 재구성을 평가합니다. 내보내기 DCM을통해 추가 분석을 위해 DICOM 이미지를 내보냅니다. 그림 3: 그래픽 사용자 인터페이스를 트리거 ‘회고’. ‘회고’는 소급 트리거 심장 자기 공명 영상 스캔을위한 사용자 정의 구축 재건 응용 프로그램입니다. 사용자 인터페이스에서, 네비게이터 신호를 평가하고, 재구성할 CINE 프레임의 수를 조정하고, 압축된 감지 파라미터를 조정하여 재구성을 개선하고, CINE 이미지를 동적 영화로 미리 보고, 재구성된 데이터를 내보낼 수 있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 6. 이미지 분석 소프트웨어 참고: 이미지 분석소프트웨어(그림 4)는DICOM 이미지의 사용을 필요로 하며, 체적 측정용 플러그인, 변형 및 HDF 분석을 위한 플러그인 등 다양한 심혈관 분석 애플리케이션을 위한 여러 플러그인을 가지고 있습니다. LV의 체적 평가를 위해 다중 슬라이스 SA 스캔을 선택하고 계체 측정을 위해 플러그인에 로드합니다. 최종 수축기(ES) 및 최종 확장기(ED) 라벨을 해당 심장 프레임에 할당합니다. 등고선 도구를 사용하여 ES 및 ED 프레임의 끝근 경계를 분할합니다.참고: 이 프로토콜에 사용되는 분석 소프트웨어는 필요한 모든 주석이 작성되면 LV EF, EDV, ESV 매개 변수를 자동으로 표시합니다. 확장기 측정의 경우 중간 심실 SA CINE 이미지를 선택하고 이를 플러그인에 적재하여 체적 측정을 합니다. 해당 심장 프레임에 ED 및 ES 라벨을 할당합니다. 등고선 도구를 사용하여 모든 프레임에 대한 내내적 테두리를 분할합니다. 인접한 프레임의 세분화를 비교하여 심장 주기 전반에 걸쳐 세분화의 원활한 전환을 보장합니다. 모든 심장 프레임및 해당 LV 심근 부적(LV ENDO)에서 시간 진화를 내보냅니다. 맞춤 제작 스크립트(보충 자료참조)를 적용하여 E’/A 비율을 계산합니다.참고: 스크립트는 dV/dt 곡선을 강력하게 계산하기 위해 Savitzky-Golay 필터를 적용하고 반자동 피크 감지를 사용하여 E’와 A의 피크를 찾습니다. 변형 및 HDF 계산의 경우 2CH, 3CH 및 4CH 긴 축 CINE 이미지를 선택하고 피적 측정을 위해 플러그인에 로드합니다. 각 슬라이스 방향의 해당 심장 프레임에 ED 및 ES 라벨을 할당합니다. 등고선 도구를 사용하여 모든 3개의 방향의 모든 프레임에 대한 내내각 테두리를 분할합니다. 인접한 프레임의 세분화를 비교하여 심장 주기 전반에 걸쳐 세분화의 원활한 전환을 보장합니다. 윤곽선이 볼륨 측정을 위해 플러그인에 그려지면 변형 및 HDF 분석을 위한 플러그인을 실행합니다. 2CH, 3CH 및 4CH 뷰에 대해 획득된 각 데이터 집합을 해당 레이블에 할당하고 변형 해석을 실행합니다. HDF 해석의 경우, 3개의 방향에서 최종 확장기 프레임에서 승모 판막의 직경을 그리고 3챔버 긴 축 이미지에서 대동맥의 직경을 그립니다. 그림 4: 이미지 분석 소프트웨어 그래픽 사용자 인터페이스. 내막 테두리의 윤곽에 사용되는 이미지 분석 소프트웨어의 체적 측정을위한 플러그인. 각 데이터 집합에 대해 최종 확장기 및 종단 수축기 심장 단계가 선택되고 모든 프레임에 대해 끝확장기 테두리가 분할됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Representative Results

이전에 설명된 프로토콜을 사용하여, 건강한 C57BL/6 야생형 마우스(n= 6, 나이 14주)의 그룹은 38mm 직경의 새장 코일을 사용하여 7-Tesla MRI 스캐너를 사용하여 스캔하였다. 각 스캔 세션 동안 다중 슬라이스 CINE SA 이미지는 잠재 게이트 GRE 시퀀스를 사용하여 획득되었으며, 단일 슬라이스 중간 심실 SA, 2CH, 3CH 및 4CH 뷰 CINE 이미지는 회고적 게이팅을 사용하여 획득되었습니다. 맞춤 제작, 후처리 소프트웨어를 사용하여 소급 게이트 스캔의 대표적인 하이 프레임 속도 재구성은 보충 비디오 1에서볼 수 있습니다. 결과 심상으로부터, 심장주기(그림 5A)동안의 체적 시간 곡선은 수축기(EF= 72.4 ± 2.8%) 및 확장함수 파라미터(E’/A’ratio = 1.5± 0.3)의 계산을 위한 상응하는 제1 유도체 곡선(dV/dt)뿐만 아니라 결정되었다. 2CH, 3CH 및 4CH 뷰 CINE 이미지는 심근 변형을 측정한 것으로 심장주기(도 5B)와상응하는 피크 GLS 값(-22.8 ± 2.4%)에 걸쳐 내발성 GLS(endoGLS) 변화를 결정하기 위해 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 분석하였다. 또한, 소프트웨어는 세로(정점 기준)(정점 기준)(정점 기준)와 트랜스버라(12 ±.9 ± 5.0%) 방향으로 루트 평균 정사각형(RMS) HDF를 계산합니다. 각 동물에 대해, 또한 심장 주기 동안 HDF의 크기와 방향을 나타내는 양성 및 음수 피크의 일관된 패턴을 따르는 HDF 시간 프로파일을 생성할 수있다(도 5C). 모든 결과 매개 변수의 설명 결과는 그림 5D로요약됩니다. 그림 5: 마우스 심장을 기반으로 LV 기능 파라미터의 정량화. (A)대표적인 볼륨 타임 커브 및 해당 dV/dt 곡선. 후자는 뚜렷한 조기 충전 피크(E’) 및 심방 수축(A’) 피크로 흐르는 속도를 묘사합니다. (B)대표적인 GLS 곡선은 심장 사이클 전반에 걸쳐 세로 방향으로 변형을 나타낸다. (C)수축기 배출력으로 시작하여 수축기 와 디아스톨 사이의 전이에서 하향력, 전자파 감속력, A웨이브 가속, 감속력으로 정점 기방향으로 뚜렷한 힘 피크를 가진 대표적인 HDF 커브. (D)EF, E/A 비율, 피크 GLS 및 정점 기반 및 열분성 선행 방향에서 HDF의 루트 평균 제곱값에 대한 모든 동물의 설명 결과. 값은 평균 ± SD. 약어로 표현됩니다: LV = 좌심실; V = 볼륨; t = 시간; GLS = 글로벌 세로 변형; HDF = 혈역학력; EF = 배출 분획. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 추가 비디오 1: SA, 2CH, 3CH 및 4CH 뷰에서 소급 게이트 CINE 이미지의 대표적인 재구성. 약어: SA = 짧은 축; CH = 챔버. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오. 보충 자료 : 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

제시된 프로토콜은 마우스에 있는 심장 기능을 분석하기 위하여 생체 내 실험에서 세로, 비 침습성, 에 대한 CMR 화상 진찰의 사용을 기술합니다. 이러한 결과는 CINE 이미지를 사용하여 심장 매개 변수를 정량화하는 타당성을 입증하는 건강한 동물의 예입니다. 그러나, 기재된 방법은 다양한 동물 모델에 사용될 수 있다. 특정 질병 모델은 프로토콜에 작은 변경을 요구할 수 있더라도, 다른 심장 기능적인 파라미터를 평가하기 위하여 그것의 기본적인 구조는 아주 유사할 것입니다. 언급 할 가치가있는 한 가지 특별한 경우는 심장의 일부가 수축에 상당한 손실을 초래하는 심근 경색 모델입니다. 이 슬라이스 내에서 심장 네비게이터 신호의 낮은 품질을 일으킬 수 있습니다. 이 경우, 다른 옵션은 쿨렌 외^16에의해 이전 연구에서 설명 된 바와 같이 별도의 슬라이스에서 네비게이터를 획득하는 것입니다. 서로 다른 뷰의 CINE 이미지는 CS 알고리즘을 사용하여 소급 게이트된 데이터에서 재구성되며 이미지 분석 소프트웨어를 사용하여 변형 및 HDF 값을 계산합니다.

획득 된 이미지의 품질은 자연스럽게 모든 준비 단계에 따라 달라지며 심장 MRI 프로토콜을 시작하기 전에 신중하게 수행해야합니다. 예를 들어, MRI 스캐너 내부에 동물을 배치할 때 명확한 심전도 및 호흡 신호가 보이지 않으면 자력 역학^{왜곡(17)의}추가 효과로 인해 최적이 아닌 획득 및 스캔 시간이 증가할 가능성이 있다. 슬라이스 방향의 순차적 계획으로 인해 동물은 스캔 사이에 재배치 할 수 없다는 것을 깨닫는 것이 중요합니다. 따라서 스캐너에서 마우스의 위치를 변경하므로 검사 사이에 ECG 리드를 다시 조정할 수 없습니다. 스캔 하는 동안 온도 제어는 일정 한 심장 및 호흡 간격을 유지 하기 위한 중요 한, 특히 시간의 긴 기간 동안 획득 하는 소급 게이트 스캔의 품질 혜택. 이 높은 의무 주기 검사 도중, 동물의 온도는 꾸준히 증가할 수 있습니다, 심박수 및 호흡 속도 증가하는 원인이 되는. 가열 시스템과 마취의 온도를 조정하면 스캔 전이나 스캔 중에 호흡 속도를 안정화시키는 데 크게 기여할 수 있습니다.

분석 중에 중요한 단계는 등고선 도면의 일관성입니다. 자동 세분화는 임상 데이터에 적합하지만 마우스 심장 데이터의 경우 (쥐에 대해 테스트되지 않음)에서 강력하게 수행되지 않습니다. 특정 심장 단계 중 높은 심박수와 높은 혈류, 특히 LV 충전의 시작시, 인트라볼스엘 의 분해 및 신호 공극을 일으킬 수 있습니다. 따라서 각 프레임을 독립적으로 분석하는 것은 아니지만 프레임 사이의 심근 벽의 움직임을 시각적으로 검사하고 모든 프레임에서 윤곽을 그릴 때 이를 고려합니다. 해석에서 보다 자연스러운 수축 움직임을 유지하기 위해 두 개의 연속 프레임 사이의 내시경 윤곽을 복사하고 조정하는 것이 좋습니다. 이 프로토콜에서, 포도 근육은 수축기 및 확장기 기능 평가를 위한 SA 심실 루멘 부피에서 제외되고, 후자는 심근 루멘의 정확한 볼륨보다는 심근 벽의 정확한 움직임에 대한 지식에 의존하기 때문에 변형 및 HDF 분석을 위한 2CH, 3CH 및 4CH 뷰에 포함됩니다.

수축기 및 확장기 기능 매개 변수는 심장 주기 전반에 걸쳐 LV 볼륨을 측정하는 것을 기반으로하지만, 변형 및 HDF 매개 변수는 심근 벽 내의 모션 패턴에 의존합니다. 이를 위해, 피처 추적 기술은 후속 CINE 단계 사이의 뚜렷한 해부학적 특징과 신호 강도를 인식하여 심근 세그먼트의 변위를 평가할 수 있는 곳에서 사용됩니다. CMR 이미지에서 혈액 풀과 심근 사이의 강한 대비는 후속 변형 및 HDF 분석 8에 대한 기능 추적의 사용을^{용이하게한다.} CMR 기능 추적 에 앞서 심근 균주는 얼룩 추적 에코그래피 및 CMR 조직 태깅으로 결정되었습니다. CMR 기능 추적은 CMR 조직 태그에 비해 추가 스캐닝 시간이 필요하지 않습니다. 그러나, 회고 트리거의 사용에도 불구하고, CMR은 여전히 심장 주기 내의 빠른 변형을 정확하게 평가하는 것을 어렵게 만들 수 있는 제한된 시간적 해상도를 가지고 있습니다.

심장 사이클 전반에 걸쳐 HDF의 평가는 이전에 설명된^{방정식(18)을}사용하여 정점 베이스 및 열막-선행 방향으로 HDF를 계산하기 위해 승모 및 대동맥 판막의 직경측정을 필요로 한다. 이 방법은 기준 표준 4D-flow MRI에 비해 HDF의 일관된 추정치를 보여주었으며, 이는 복잡성^6으로인해 임상 사용의 가용성이 제한되어 있다. 밸브 직경의 강력한 추정이 어렵기 때문에 밸브 직경은 동물 군과 경도 연구에서 반복되는 측정을 통해 일정하게 유지되어야 하며, 잘못된 추정에 의한 이 파라미터의 변화가 HDF 파라미터의 미묘한 변화를 쉽게 압도할 수 있으므로 알 수 있습니다. GLS 및 HDF 매개 변수를 계산하는 데 사용되는 특정 소프트웨어는 모든 사용자가 사용할 수 없습니다. 따라서, 분석 소프트웨어에 의해 수행되는 것과 같이 각각의 계산의 기초를 형성하는 모든 수학적 설명을 포함하는 Pedrizzetti 외^6,²⁰ (HDF)뿐만 아니라 Voigt 외¹⁹ (GLS)를 지칭할 수 있다.

이 연구의 목적을 위해, 프로토콜은 건강한 동물(N = 6)에서 평가되었다. LV 볼륨, dV/dt, endoGLS 및 HDF의 대표적인 시간 곡선 집합은 그림 5A–C에표시됩니다. 다중 심장 기능 매개 변수(EF, E’/A’-ratio, 피크 GLS 및 HDF)의 평균 값은 도 5D에표시됩니다. 이들은 문헌^(21)에사용되는 유사한 프로토콜과 잘 동의합니다. 마우스의 GLS 및 HDF 데이터에 대한 문헌은 부족합니다. 상기 평균 GLS 값 -22.8%를 측정하였고, 이는 임상^{데이터(8)와}동일한 범위에 있는 것으로, 기술된 방법으로 얻은 GLS 측정이 마우스에서 실현가능하다는 것을 나타낸다. 마우스에서 얻은 HDF 곡선은 또한 인간 데이터에서 볼 수 있는 것과 동일한 뚜렷한 단계를 보여 주며, 이 기술의 성공적인 번역을 전임상 연구에 보여준다. HDF 매개 변수는 심장 기능 장애의 초기 바이오 마커 역할을 가설이지만, 더 많은 연구는이 새로운 매개 변수의 진단 및 예측 값을 조사하기 위해 보증된다. 이 프로토콜의 결과는 HDF와 GLS 결과가 동물 전반에 걸쳐 더 많은 변수가 될 것으로 예상되며, 동물 모델이나 치료 효과의 미묘한 차이가 예상될 때 고려해야 합니다.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

저자는 마우스 측정 및 데이터 분석에 대한 도움을 도리타 데커스와 파티마 알 다르위시 에게 감사드립니다.

Materials

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

Referanslar

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Cardiovascular Magnetic Resonance Imaging Mouse Heart Left Ventricular Function Myocardial Strain Hemodynamic Forces Ejection Fraction E/A Ratio Global Longitudinal Strain Heart Failure ECG Gating Respiratory Gating Gradient Echo Scout Scan Short-axis View Long-axis View

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Daal, M. R. R., Strijkers, G. J., Calcagno, C., Garipov, R. R., Wüst, R. C. I., Hautemann, D., Coolen, B. F. Quantification of Mouse Heart Left Ventricular Function, Myocardial Strain, and Hemodynamic Forces by Cardiovascular Magnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (171), e62595, doi:10.3791/62595 (2021).