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

JoVE Journal > Bioengineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Biyomühendislik

Количественная оценка функции левого желудочка сердца мыши, деформации миокарда и гемодинамических сил с помощью сердечно-сосудистой магнитно-резонансной томографии

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

Это исследование описывает комплексный протокол сердечно-сосудистой магнитно-резонансной томографии (CMR) для количественной оценки функциональных параметров левого желудочка сердца мыши. Протокол описывает получение, постобработку и анализ изображений CMR, а также оценку различных функциональных параметров сердца.

Abstract

Мышиные модели внесли значительный вклад в понимание генетических и физиологических факторов, участвующих в здоровой сердечной функции, как возмущения приводят к патологии и как можно лечить заболевания миокарда. Сердечно-сосудистая магнитно-резонансная томография (CMR) стала незаменимым инструментом для комплексной оценки in vivo анатомии и функции сердца. Этот протокол показывает подробные измерения функции левого желудочка сердца мыши, деформации миокарда и гемодинамических сил с использованием CMR 7-Tesla. Во-первых, демонстрируется подготовка и позиционирование животных в сканере. Обзорное сканирование выполняется для планирования срезов визуализации в различных видах с короткой и длинной осью. Получена серия проспективных короткоосевых (SA) фильмов ЭКГ (или изображений CINE), охватывающих сердце от вершины до основания, захватывая конечную систолическую и конечную диастолические фазы. Впоследствии односрезовые, ретроспективно закрытые изображения CINE получаются в средневентрикулярном SA-виде, а также в 2-, 3- и 4-камерных видах, которые будут реконструированы в изображения CINE с высоким временным разрешением с использованием специально созданного программного обеспечения с открытым исходным кодом. Изображения CINE впоследствии анализируются с помощью специального программного обеспечения для анализа изображений CMR.

Очерчивание эндомиокардиальных и эпикардиальных границ в изображениях SA end-systolic и end-diastolic CINE позволяет рассчитать конечные систолические и конечные диастолические объемы, фракцию выброса и сердечный выброс. Средневентрикулярные изображения SA CINE очерчены для всех сердечных таймфреймов, чтобы извлечь подробную кривую объем-время. Его производная по времени позволяет вычислить диастолическую функцию как отношение волн раннего заполнения и сокращения предсердий. Наконец, стенки эндокарда левого желудочка в 2-, 3- и 4-камерном видах очерчены с помощью feature-tracking, из которого рассчитываются параметры продольной деформации миокарда и гемодинамические силы левого желудочка. В заключение, этот протокол обеспечивает подробную количественную оценку in vivo сердечных параметров мыши, которая может быть использована для изучения временных изменений в сердечной функции в различных мышиных моделях сердечных заболеваний.

Introduction

Сердечно-сосудистый магнитный резонанс (CMR) у мелких животных обеспечивает точное измерение функции миокарда in vivo, что делает CMR оптимальным инструментом для доклинических исследований сердечно-сосудистых заболеваний. Благодаря высокому пространственному разрешению и высокой контрастности крови и миокарда на КДМ-снимках можно очертить контуры эндо- и эпикарда и рассчитать массу миокарда и желудочковые объемы^1,^2. Несмотря на высокую частоту сердечных сокращений до 600 уд/мин, использование электрокардиограммы (ЭКГ) и дыхательного триггера позволяет проводить высококачественные измерения различных сердечных фаз (также называемые изображениями CINE) без артефактов дыхательного движения. Таким образом, несколько срезов могут быть использованы для покрытия сердца от вершины до основания для извлечения параметров систолической функции, таких как фракция выброса (EF), конечный систолический объем (ESV), конечный диастолический объем (EDV) и сердечный выброс (CO)^3. Помимо базовой оценки систолической функции, недавно были разработаны дополнительные методы CMR для оценки диастолической дисфункции^4,деформации миокарда⁵и гемодинамических сил^{(HDF) 6.}

ЭКГ позволяет синхронизировать сердечный цикл, начиная сбор сигнала МРТ после обнаружения R-пика и записывая определенное количество сердечных фаз в течение интервала R-R. Однако количество сердечных фаз (частота кадров), которые могут быть получены таким образом, зависит от минимально возможного времени повторения (TR), которого может достичь система, сохраняя при этом приемлемое отношение сигнал/шум (SNR) и пространственное разрешение^4. Кроме того, поскольку использование высоких градиентов магнитного поля может временно искажать сигнал ЭКГ, получение обычно прекращается до окончания диастолической фазы. Оба фактора ограничивают использование таких сканирований оценками систолической функции, поскольку расчет других функциональных параметров сердца требует лучшего определения кривой объема-времени левого желудочка (ЛЖ).

Изображения CINE с высокой частотой кадров могут быть получены ретроспективным гатингом, в результате чего МР-сигнал непрерывно приобретается во время сканирования, а встроенное эхо-навигатор после радиочастотного (РЧ) возбуждения обнаруживает движение сердца и дыхания. Поскольку получение CMR выполняется асинхронно с сердечным движением, полученные МР-сигналы затем могут быть назначены ретроспективно выбранному числу сердечных кадров. Таким образом, при сборе достаточного количества данных изображения CINE с высокой частотой кадров могут быть реконструированы^4,^7. Это позволяет оценить диастолическую функцию, представленную соотношением между пиковой скоростью раннего заполнения (E’) и пиковой скоростью позднего заполнения от сокращения предсердий (A’).

В клинических исследованиях изображения CINE могут быть проанализированы с отслеживанием признаков CMR для оценки деформации миокарда и HDF^6,^8. Деформация миокарда является параметром сердечной деформации, который измеряет разницу в процентах между начальной длиной (обычно в конечной диастолической длине) и максимальной длиной (обычно в конечной систоле) сегмента миокарда^9. Измерения деформации миокарда могут иметь добавочное значение для оценки функции ЛЖ, поскольку значения деформации количественно определяют укорочение и утолщение стенки миокарда. Уменьшение укорочняющей функции может быть признаком повреждения субэндокардиального волокна^10. Изменения в деформации миокарда могут происходить независимо от EF и могут быть предшественником основных осложнений.

В частности, было показано, что глобальная продольная деформация (GLS) и глобальная кольцевая деформация (GCS) имеют дополнительную ценность при характеристике сердечных заболеваний^10,^11,^12. Аналогичным образом, hdf был предложен в качестве потенциального нового параметра, указывающего на измененную сердечную функцию^6,^13. Эти ХДФ или межжелудочковые градиенты давления (IVPG) управляют движением крови во время выброса и наполнения сердца и влияют на обмен импульсами между кровью и миокардом, включая аортальный и митральный клапан^14,^15.

В этом исследовании описан комплексный протокол для выполнения надежных измерений CMR мелких животных для количественной оценки функции ЛЖ, деформации миокарда и HDF сердца мышей. Он содержит необходимые шаги для подготовки животных, сбора данных с использованием как перспективных, так и ретроспективно закрытых изображений сердца CINE, а также анализ с помощью специального программного обеспечения, способного вычислять объемные измерения, соотношение E’/A’, деформацию миокарда и HDF сердца. Этот протокол может быть использован для обширной оценки функции ЛЖ в различных мышиных моделях сердечно-сосудистых заболеваний.

Protocol

Описанные эксперименты на животных проводятся в соответствии с руководящими принципами Европейского Союза по благополучию лабораторных животных (Директива 2010/63/ЕС) и были одобрены Комитетом по этике животных Академического медицинского центра. 1. Установка и подготовка животных Перед началом эксперимента убедитесь, что анестезия изофлурана достаточна в течение не менее 2 ч, и что батарея, доступная для ЭКГ и респираторного мониторинга, достаточно заряжена. Убедитесь, что область сканера оснащена рабочей трубкой для удаления излишков изофлурана. Подготовьте подставку для мыши(рисунок 1А)и включите систему подогрева животных с температурой, установленной на уровне 40 °C. Подготовьте интерфейсный модуль ЭКГ/дыхательной системы и настройку батареи(рисунок 1B)и запустите программное обеспечение для мониторинга ЭКГ и респираторных сигналов в режиме реальноговремени (рисунок 1C). Извлеките мышь из клетки корпуса и измерьте массу тела. Поместите мышь в индукционную камеру анестезии под вытяжку дымового капюшона и обеспечьте 3-4% изофлурана в смеси 0,2 л/мин O2 и 0,2 л/мин медицинского воздуха. После того, как животное будет полностью обезболено, нанесите небольшую каплю глазной мази на каждый глаз, и закройте веки мыши. Поместите мышь в положение лежа на спине на подставке мыши. Зацепите резцы мыши в кусачке на подставке мыши и отрегулируйте носовой конус, чтобы он правильно подходил(рисунок 1A). Визуально проверьте, стабильно ли дыхание ниже 100 вдохов/мин, и уменьшите изофлуран до ~2% во время подготовки животных. Переместите подставку мыши так, чтобы сердце располагалось в той части держателя люльки, которая окажется в центре радиочастотной катушки и изоцентре магнита. Используйте вазелин для вставки ректального температурного зонда и приклейте волоконно-оптический кабель температурного зонда к подставке мыши. Поместите дыхательный баллон на нижнюю часть живота мыши и закрепите его скотчем. Вставьте две иглы электрода ЭКГ подкожно в грудную клетку на высоте передних лап и аккуратно заклейте их вниз, чтобы предотвратить движение(рисунок 1A). Проверьте, достаточно ли качественные сигналы дыхания и ЭКГ, а также обнаружение программным обеспечением правильных триггерных точек(рисунок 1С). Убедитесь, что частота дыхания составляет 50-80 вдохов / мин, частота сердечных сокращений ~ 400-600 ударов / мин и температура тела около 37 ° C. Отрегулируйте введение изофлурана, когда частота дыхания находится за пределами этого диапазона, и уменьшите температуру системы обогрева животных, если температура тела имеет тенденцию превышать 37 °C. Поместите радиочастотную катушку на мышь.ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от системы это может потребовать временного отключения электродов ЭКГ и дыхательных баллонных пробок от модуля ЭКГ/респираторного интерфейса. Подключите кабели катушки и поместите подставку в отверстие магнита. Проверьте, стабилен ли сигнал ЭКГ. Если сигнал ЭКГ является неоптимальным, перепозиционируйте электроды ЭКГ для лучшего сигнала, так как это нельзя сделать на более позднем этапе без существенного изменения ориентации животного. Рисунок 1:Подготовка животных и настройка оборудования для CMR-визуализации сердца мыши. (A) Полностью обезболенная мышь в положении лежа на спине, помещенная в нагретую мамину-люльку с дыхательной пневматической подушкой, помещенной на брюшную полость, ректальным волоконно-оптическим датчиком температуры и подкожными отводками ЭКГ в грудной клетке возле передних лап. (B)Катушка тела мыши, помещенная над подставкой мыши, со проводами ЭКГ и дыхательной подушкой, повторно подключенными к ЭКГ и дыхательному интерфейсу перед размещением держателя в магните МРТ. (C) Изображение ЭКГ и респираторных сигналов в специальном программном обеспечении для мониторинга мелких животных. R-пик сигнала ЭКГ обнаруживается и используется в качестве отправной точки для получения сигнала МРТ. Период гашения между R-пиками может быть отрегулирован вручную в зависимости от периода сердцебиения. Срабатывание может произойти только во время дыхательного плато (зеленая линия в средней панели), для которого начальная задержка и максимальная ширина могут быть отрегулированы вручную. Сокращения: CMR = сердечно-сосудистая магнитно-резонансная томография; ЭКГ = электрокардиограмма; МРТ = магнитно-резонансная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 2. Калибровка и запуск МРТ-сканирования Отрегулируйте параметры ЭКГ и дыхательной решетки в программном обеспечении для мониторинга сигнала таким образом, чтобы триггерные точки генерировались на R-пиках и только во время плоской части респираторного сигнала. Чтобы свести к минимуму ошибки ЭКГ, установите период гашения, который на 10-15 мс короче интервала R-R.ПРИМЕЧАНИЕ: Этот период гашения должен быть скорректирован в течение всего эксперимента, если происходят изменения частоты сердечных сокращений. Выполните калибровку центральной частоты и стандартное (неучтенное) сканирование SCOUT со смещением нуля для определения положения мыши в сканере в корональном, осевом и сагиттальном направлениях. Если сердце не расположено в пределах 0,5-1 см от центра поля зрения (FOV), отрегулируйте положение колыбели соответствующим образом и повторите сканирование SCOUT. Выполните ручную калибровку прокладки и радиочастот с использованием доступных поставщиков методов. 3. Планирование и получение сканирования ПРИМЕЧАНИЕ: Подробные параметры сканирования следующих сканирований см. в таблице 1. Основываясь на начальном SCOUT, выполните закрытое однокадровое сканирование градиентного эха (GRE)(таблица 1,сканирование 1) с 5 срезами в 3 ортогональных направлениях и расположите каждую стопку срезов на приблизительном местоположении сердца, чтобы найти точное положение сердца(рисунок 2A). Выполните закрытое однокадровое многосрезовое сканирование SA scout(таблица 1,сканирование 2). С этой целью используйте предыдущую gre scout для размещения 4-5 срезов в средне-левом желудочковом положении, перпендикулярном длинной оси сердца, чтобы найти первоначальную оценку вида среднежелудочковой SA, которая необходима для планирования длинноосевой 2-камерной разведчицы(рисунок 2B). Для следующих проспективных сканирований (шаги 3.4-3.6) отрегулируйте количество сердечных кадров (Nframes) таким образом, чтобы Nframes × TR составлял ~60-70% от интервала R-R.ПРИМЕЧАНИЕ: Получение 60-70% интервала R-R достаточно для захвата конечной диастолической фазы сердечного цикла, обеспечивая при этом дополнительную релаксацию Т1 во время конечной диастолы для улучшения SNR и предотвращения нарушения следующего R-пика путем переключения градиента. Выполните закрытое односрезовое сканирование GRE для создания длинноосевого 2-камерного (2CH) разведчика, который в сочетании со сканированием SA необходим для планирования 4-камерного (4CH)(таблица 1,сканирование 3). Для этого расположите срез перпендикулярно предыдущим видам SA, идущим параллельно точкам соединения между левым и правым желудочком. Переместите этот срез в середину левого желудочка и проверьте корональное изображение разведчика GRE, если срез выровнен с длинной осью LV таким образом, чтобы он был помещен через вершину(рисунок 2C). Выполните еще одно закрытое односрезовое сканирование GRE для создания 4-камерного (4CH) скаутского сканирования, которое необходимо для планирования многосрезового SA и 3-камерного сканирования(таблица 1,сканирование 4). С этой целью расположите срез перпендикулярно сканированию 2CH scout и выровняйте по центру длинной оси так, чтобы срез проходил через митральный клапан и вершину. В видах SA отрегулируйте срез таким образом, чтобы он располагался параллельно задней и передней стенке желудочка и между двумя сосочковыми мышцами(рисунок 2D). Проверьте, остается ли срез в центре желудочка на протяжении всего сердечного цикла. Выполните закрытое последовательное многосрезовое сканирование SA GRE(таблица 1,сканирование 5) для измерения систолической функции. С этой целью расположите среднежелудочковый срез перпендикулярно длинной оси LV в видах 2CH и 4CH в центре сердца и увеличьте количество срезов (обычно нечетное число, например, 7 или 9 срезов, без зазора между срезами), чтобы покрыть сердце от основания до вершины(рисунок 2E). Для следующих ретроспективно закрытых сканирований (шаги 3.8-3.9) отключите все предполагаемые функции сердечного и дыхательного контроля. Запишите частоту сердечных и дыхательных сокращений до и после каждого ретроспективно закрытого сканирования и используйте эти значения для целей реконструкции позже (этап 5.2.2). Выполните три последовательных односрезовых ретроспективно закрытых сканирования GRE в среднежелудочковом виде SA (для количественной оценки соотношения E’/A’), 2CH и 4CH, последние два из которых необходимы для количественной оценки деформации миокарда и значений HDF(таблица 1,сканирование 6-8). При необходимости оптимизируйте конечные ориентации срезов 2CH и 4CH на основе многосрезовых представлений SA, а также доступных сканирований 2CH и 4CH scout. Выполните дополнительное ретроспективно закрытое однослойное сканирование GRE в 3-камерном (3CH) представлении, которое в сочетании с видом 2CH и 4CH с шага 3.8 необходимо для количественной оценки деформации миокарда и значений HDF(таблица 1,сканирование 9). С этой целью расположите срез перпендикулярно виду СА среднего желудочка, аналогичному положению конечного вида с длинной осью 4CH, и поверните срез на 45°, чтобы пройти от передней стенки к сосочковой мышце, ближайшей к задней стенке. Осмотрите базальный срез SA, чтобы увидеть, проходит ли срез через митральный и аортальный клапан. Проверьте в последнем длинноосевом представлении 4CH, если срез проходит через вершину(рисунок 2F). Рисунок 2:Планирование фрагментов для CMR-визуализации в мыши. (A) Планирование GRE SCOUT через сердце в 3 ортогональных видах с использованием начального сканирования разведчика. (B) Короткоосевое планирование скаута на корональных и сагиттальных срезах GRE SCOUT. (C) Планирование вида разведчика 2CH с использованием короткоосевого разведчика и коронального среза GRE SCOUT. (D) Планирование вида разведчика 4CH с использованием разведчика с короткой осью и разведчика 2CH. (E)Планирование многосрезового короткоосевого вида с использованием 2CH и 4CH разведчиков. (F)(слева) Планирование окончательных видов 2CH, 3CH и 4CH с использованием средневентрикулярных короткоосевых и 2CH/4CH скаутских видов. Сокращения: CMR = сердечно-сосудистая магнитно-резонансная томография; GRE = Градиентное эхо; CH = камера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Количество сканов 1 2 3 4 5 6-9 Имя (имена) сканирования Разведчик GRE многосрезовый sa scout 2CH скаут 4CH скаут многосрезовый SA SA, 2CH, 4CH, 3CH всего срезов 15 (3 x 5)* 4-5 1 1 7-9 1 Толщина (мм) 1 1 1 1 1 1 FOV (мм) 60 35 30 30 35 30 Коэффициент FOV 1 1 1 1 1 1 Угол переворота 40 20 20 20 20 15 ТЕ (мс)** 3.8 3.4 2.5 2.5 2.5 3.6 ТР (мс) 200 1 Р-Р 7 7 7 8 Nфреймы 1 1 12-14 12-14 12-14 32 *** Размер матрицы 192 х 192 192 х 192 192 х 192 192 х 192 192 х 192 192 х 192 Срабатывание ЭКГ Нет да да да да ретроспектива Возбуждение дыхательных путей да да да да да ретроспектива Средние 1 3 5 5 5 ретроспектива **** Общее время съемки (расчетное *****) 2 мин 2мин 3-4 мин 3-4 мин 20-25 мин 13 мин / сканирование Таблица 1: Параметры сбора данных для каждой последовательности, используемой в протоколе CMR. * Сканирование выполняется в трех различных ортогональных ориентациях (осевая, корональная, сагиттальная). **Используется кратчайший TE, учитывая все остальные параметры, что зависит от конкретной конфигурации сканера. Это количество сердечных кадров после ретроспективного биннинга. Эффективное усреднение зависит от случайного заполнения k-пространства в течение общего времени сбора. Всего было выполнено 400 повторений всех k-линий. Включая задержки ЭКГ/респираторного возбуждения. Сокращения: CMR = сердечно-сосудистая магнитно-резонансная томография; ЭКГ = электрокардиограмма; GRE = градиентное эхо; FOV = поле зрения; TE = время эха; TR = время повторения; Nframes = количество сердечных кадров; SA = короткая ось; CH = камера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу. 4. Завершение эксперимента и хранение данных Извлеките мышь из колыбели после отсоединения всего остального измерительного оборудования и выключите анестезию. В случае продольных экспериментов поместите мышь в предварительно нагретую клетку при 37 °C для восстановления до тех пор, пока животное не проснется и не будет активным. Очистите все оборудование, которое было использовано с помощью чистящих салфеток или 70% спирта. Создание файлов цифровой визуализации и связи в медицине (DICOM) для перспективных закрытых данных МРТ и копирование их вместе с файлами необработанных данных МРТ ретроспективно закрытых сканов на защищенный сервер для последующего анализа данных. 5. Автономная реконструкция ретроспективно полученных сканов ПРИМЕЧАНИЕ: Для реконструкции ретроспективно закрытых сканов было использовано специально созданное программное обеспечение с открытым исходным кодом(рисунок 3). Выполните следующие действия для каждого из ретроспективно активированных данных отдельно. Откройте программное обеспечение для реконструкции Retrospectiveи загрузите файл необработанных данных, соответствующий ретроспективно закрытому МРТ-сканированию. Проверьте сигнал raw navigator и обратите внимание, что более высокие пики сигнала представляют частоту дыхания, а более низкие пики сигнала представляют частоту сердечных сокращений. Если пики регистрируются вверх ногами, переверните сигнал с помощью переключателя вверх/вниз. Кроме того, проверьте, соответствует ли автоматически обнаруженная частота сердечных сокращений 10% наблюдаемых значений во время каждого сканирования. Если нет, отрегулируйте эти значения вручную, так как не удалось выполнить автоматическое обнаружение. Выберите подходящее окно процента для исключения данных во время дыхательных движений, обычно 30%. Нажмите фильтр для выполнения навигаторного анализа и отделите сердечный навигатор от дыхательного навигатора. Установите для числа кадров CINE значение 32 (значение, используемое в этом исследовании) и нажмите кнопку сортировки k-пробела. Выберите соответствующие параметры для регуляризации сжатого зондирования (CS) и нажмите кнопку reconstruct. Используйте следующие типичные параметры регуляризации: параметр вейвлет-регуляризации в пространственных (x, y и z) измерениях (WVxyz) 0,001 или 0; ограничение общей вариации в измерении CINE (TVcine) 0,1; ограничение общей вариации пространственной размерности (TVxyz) 0; и ограничение общей вариации в измерении динамики (TVdyn) 0,05. Как только реконструкция будет завершена, просмотрите фильм CINE, чтобы оценить реконструкцию. Экспортируйте изображения DICOM для дальнейшего анализа с помощью Export DCM. Рисунок 3:’Ретроспектива’, запускающая графический пользовательский интерфейс. «Ретроспектива» – это специально построенное приложение для реконструкции для ретроспективно запускаемой магнитно-резонансной томографии сердца. В пользовательском интерфейсе можно оценить сигнал навигатора, настроить количество реконструируемых кадров CINE, настроить параметры сжатого зондирования для улучшения реконструкции, просмотреть изображения CINE как динамический фильм и экспортировать реконструированные данные. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. 6. Программное обеспечение для анализа изображений ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение для анализа изображений(рисунок 4)требует использования изображений DICOM и имеет несколько плагинов для различных приложений сердечно-сосудистого анализа, таких как плагин для объемных измерений и плагин для анализа деформации и HDF. Для объемной оценки LV выберите многосрезовое SA-сканирование и загрузите его в плагин для объемных измерений. Назначают концевые систолические (ЭС) и конечные диастолические (ЭД) метки соответствующему сердечному каркасу. Используйте контурные инструменты для сегментации эндомиокардиальных границ в кадрах ES и ED.ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение для анализа, используемое для этого протокола, автоматически отображает параметры LV EF, EDV, ESV при создании всех необходимых аннотаций. Для диастолических измерений выберите изображения среднежелудочкового SA CINE и загрузите их в плагин для объемных измерений. Назначьте метки ЭД и ЭС соответствующим сердечным рамкам. Используйте контурные инструменты для сегментации границы эндокарда для всех кадров. Сравните сегментацию соседних кадров для обеспечения плавных переходов сегментации на протяжении всего сердечного цикла. Экспортируйте эволюцию времени из всех сердечных рамок и соответствующих эндомиокардиальных объемов ЛЖ (LV ENDO). Примените специально созданный сценарий (см. раздел Дополнительный материал)для расчета соотношения E’/A’.ПРИМЕЧАНИЕ: Скрипт применяет фильтр Савицкого-Голея для надежного расчета кривых dV/dt и использует полуавтоматическое определение пиков для поиска пиков E’ и A’. Для расчета деформации и HDF выберите изображения CINE с длинной осью 2CH, 3CH и 4CH и загрузите их в плагин для объемных измерений. Назначьте метки ED и ES соответствующей сердечной рамке в каждой ориентации среза. Инструменты контура используются для сегментации границы эндокардиала для всех кадров во всех 3 ориентациях. Сравните сегментацию соседних кадров для обеспечения плавных переходов сегментации на протяжении всего сердечного цикла. После того, как контуры будут нарисованы в плагине для объемных измерений, запустите плагин для анализа деформации и HDF. Назначьте каждый из полученных наборов данных соответствующим меткам для представлений 2CH, 3CH и 4CH и выполните анализ деформации. Для анализа HDF нарисуйте диаметр митрального клапана в концевой диастолической раме во всех 3 ориентациях и нарисуйте диаметр аорты на 3-камерном длинноосевом изображении. Рисунок 4:Графический интерфейс пользователя программного обеспечения для анализа изображений. Плагин для объемного измерения в программном обеспечении для анализа изображений, который используется для контурной пластики эндомиокардиальной границы. Для каждого набора данных выбираются конечная диастолическая и конечная систолическая сердечные фазы, а эндомиокардиальная граница сегментируется для всех кадров. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Representative Results

Используя ранее описанный протокол, группа здоровых мышей дикого типа C57BL/6 (n = 6, возраст 14 недель) была отсканирована с помощью МРТ-сканера 7 Тесла с использованием катушки для птиц диаметром 38 мм. Во время каждого сеанса сканирования многосрезовые изображения CINE SA были получены с использованием перспективно закрытых последовательностей GRE, в то время как однослойные среднежелудочковые SA, 2CH, 3CH и 4CH виды CINE были получены с использованием ретроспективного гатинга. Репрезентативные реконструкции ретроспективно закрытых сканов с высокой частотой кадров с использованием специально созданного программного обеспечения для постобработки можно увидеть в Дополнительном видео 1. Из полученных изображений были определены объемно-временные кривые в течение сердечного цикла(рис. 5А),а также соответствующие кривые первой производной (дВ/дт) для расчета параметров систолического (EF = 72,4 ± 2,8%) и диастолической функции (отношение E’/A’ = 1,5 ± 0,3) соответственно. Изображения CINE 2CH, 3CH и 4CH view были проанализированы с использованием программного обеспечения для анализа изображений для определения изменений ЭНДОКАРДИАЛЬНОГО GLS (endoGLS) в течение сердечного цикла(рисунок 5B)и соответствующих пиковых значений GLS (-22,8 ± 2,4%) в качестве меры для деформации миокарда. Дополнительно программа вычисляет среднеквадратичное (RMS) HDF в продольном (apex-base) (135,2 ± 31,7%) и поперечном (inferolateral-anteroseptal) (12,9 ± 5,0%) направлениях. Для каждого животного также можно получить временной профиль HDF, который следует последовательной схеме положительных и отрицательных пиков, которые представляют величину и направление HDF во время сердечного цикла(рисунок 5C). Описательные результаты всех параметров результата обобщены на рисунке 5D. Рисунок 5:Количественная оценка функциональных параметров НН на основе сердца мыши. (A) Репрезентативная кривая объема-времени и соответствующая кривая dV/dt. Последний изображает скорость потока с отчетливым пиком раннего заполнения (E’) и пиком сокращения предсердий (A’). (B) Репрезентативная кривая GLS, указывающая деформационную деформацию в продольном направлении на протяжении всего сердечного цикла. (C)Репрезентативная кривая HDF с отчетливыми пиками силы в направлении вершины основания, начиная с силы систолического выброса и сопровождаемой нисходящей силой при переходе между систолой и диастолой, силой замедления E-волны, ускорением A-волны и силой замедления. (D)Описательные результаты всех животных для значений EF, соотношения E’/A’, пика GLS и среднеквадратического корня HDF в верхне-базовом и инферолатеральном-антеросептальном направлениях. Значения выражаются как среднее ± SD. Сокращения: LV = левый желудочек; V = объем; t = время; GLS = глобальная продольная деформация; HDF = гемодинамические силы; EF = фракция выброса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Дополнительное видео 1: Репрезентативная реконструкция ретроспективно закрытых изображений CINE в видах SA, 2CH, 3CH и 4CH. Сокращения: SA = короткая ось; CH = камера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео. Дополнительный материал: Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Discussion

Представленный протокол описывает использование CMR-визуализации для продольных, неинвазивных, in vivo экспериментов для анализа функции сердца у мышей. Эти результаты являются примерами здоровых животных, чтобы продемонстрировать возможность использования изображений CINE для количественной оценки сердечных параметров. Однако описанные методы могут быть использованы для различных животных моделей. Хотя конкретные модели заболеваний могут потребовать небольших изменений в протоколе, его базовая структура для оценки различных функциональных параметров сердца будет очень похожей. Одним из конкретных случаев, о которых стоит упомянуть, является модель инфаркта миокарда, при которой часть сердца имеет значительную потерю сократимости. Это может привести к низкому качеству сигнала сердечного навигатора внутри этого среза. В этом случае альтернативным вариантом будет приобретение навигатора из отдельного среза, как описано в предыдущем исследовании Coolen et al.^16. Изображения CINE в разных представлениях реконструируются из ретроспективно закрытых данных с использованием алгоритмов CS и анализируются с использованием программного обеспечения для анализа изображений для расчета значений деформации и HDF.

Качество полученных изображений, естественно, зависит от всех этапов подготовки, которые необходимо тщательно выполнить перед началом протокола МРТ сердца. Например, если при помещении животного внутрь МРТ-сканера не видны четкие ЭКГ и дыхательные сигналы, это, вероятно, приведет к неоптимальным приобретениям и даже увеличению времени сканирования из-за дополнительного эффекта магнитогидродинамических искажений^17. Важно понимать, что из-за последовательного планирования ориентаций срезов животные не могут быть просто перемещены между сканированиями. Поэтому невозможно повторно настроить провода ЭКГ между сканированиями, так как это изменит положение мыши в сканере. Во время сканирования контроль температуры имеет решающее значение для поддержания постоянного сердечного и дыхательного интервала, что особенно улучшает качество ретроспективно закрытых сканирований, которые приобретаются в течение более длительного периода времени. Во время этого сканирования с высокой нагрузкой температура животного может неуклонно повышаться, вызывая увеличение частоты сердечных сокращений и дыхания. Регулировка температуры системы отопления и анестезии может в значительной степени способствовать стабилизации частоты дыхания до или во время сканирования.

Критическим этапом анализа является согласованность в контурном рисунке. Хотя автоматическая сегментация хорошо работает для клинических данных, она не работает надежно в случае сердечных данных мышей (не протестированных для крыс). Высокая частота сердечных сокращений и высокий кровоток во время определенных сердечных фаз, особенно в начале заполнения ЛЖ, могут вызвать дефазацию интравоксела и сигнальные пустоты, что ставит под угрозу очертания стенки миокарда. Поэтому не рекомендуется анализировать каждый кадр самостоятельно, а визуально осматривать движение стенки миокарда между кадрами и учитывать это при рисовании контуров по всем кадрам. Рекомендуется копировать и корректировать контур эндокарда между двумя последовательными кадрами для поддержания более естественного сократительного движения при анализе. В этом протоколе папиллярные мышцы исключаются из объема просвета желудочков на изображениях SA для оценки систолической и диастолической функции, в то время как они включены в виды 2CH, 3CH и 4CH для анализа деформации и HDF, потому что последний опирается на знание точного движения стенки миокарда, а не на точный объем просвета желудочков.

В то время как параметры систолической и диастолической функций основаны на измерении объемов ЛЖ на протяжении всего сердечного цикла, параметры деформации и ХНД также зависят от моделей движения в стенке миокарда. Для этого используются методы отслеживания признаков, где смещение сегмента миокарда может быть оценено путем распознавания различных анатомических особенностей и интенсивности сигнала между последующими фазами CINE. Сильный контраст между пулом крови и миокардом на изображениях CMR облегчает использование отслеживания признаков для последующего штамма и анализа^{HDF 8.} До отслеживания функций CMR штамм миокарда определяли с помощью эхографии спекл-трекинга и маркировки тканей CMR. Отслеживание функций CMR не требует дополнительного времени сканирования по сравнению с cmR-маркировкой тканей. Однако, несмотря на использование ретроспективного запуска, CMR по-прежнему имеет ограниченное временное разрешение, что может затруднить правильную оценку быстрых деформаций в рамках сердечного цикла.

Оценка HDF на протяжении всего сердечного цикла требует измерений диаметров митрального и аортального клапанов для расчета HDF в верхне-базовом и инферолатерально-антеросептальном направлениях с использованием ранее описанных уравнений^18. Этот метод показал последовательные оценки HDF по сравнению с эталонной стандартной 4D-проточной МРТ, которая имеет ограниченную доступность в клиническом использовании из-за ее сложности^6. Важно знать, что надежная оценка диаметров клапанов затруднена, и поэтому диаметры клапанов должны быть постоянными для группы животных и при повторных измерениях в продольном исследовании, поскольку изменения этого параметра неправильными оценками могут легко затмить тонкие изменения параметров HDF. Специальное программное обеспечение, используемое для расчета параметров GLS и HDF, может быть доступно не всем пользователям. Таким образом, можно сослаться на Voigt et al.¹⁹ (GLS), а также Pedrizzetti et al.⁶^,²⁰ (HDF), которые содержат все математические описания, которые составляют основу соответствующих расчетов, выполняемых аналитическим программным обеспечением.

Для целей данного исследования протокол оценивали у здоровых животных (N=6). Репрезентативный набор временных кривых для объема НН, dV/dt, endoGLS и HDF показан на рисунке 5A–C. Средние значения нескольких функциональных параметров сердца (EF, E’/A’-ratio, peak GLS и HDF) показаны на рисунке 5D. Они хорошо согласуются с сопоставимыми протоколами, используемыми в литературе^21. Литература по данным GLS и HDF у мышей скудна. Было измерено среднее значение GLS -22,8%, которое находится в том же диапазоне, что и клинические данные^8,что указывает на то, что измерения GLS, полученные с помощью описанного метода, возможны у мышей. Кривые HDF, полученные у мышей, также показывают те же различные фазы, что и в человеческих данных, показывая успешный перевод этого метода в доклинические исследования. В то время как параметры HDF, как предполагается, служат ранними биомаркерами сердечной дисфункции, необходимы дополнительные исследования для изучения диагностической и прогностической ценности этого нового параметра. Результаты в этом протоколе показывают, что исходы HDF и GLS, как ожидается, будут более изменчивыми у животных, что необходимо учитывать, когда ожидаются тонкие различия в моделях животных или эффектах лечения.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы благодарят Дориту Деккерс и Фатиму Аль Дарвиш за помощь в измерениях на мышах и анализе данных.

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

Vallée, J. P., Ivancevic, M. K., Nguyen, D., Morel, D. R., Jaconi, M. Current status of cardiac MRI in small animals. Magnetic Resononance Materials in Physics, Biology and Medicine. 17 (3-6), 149-156 (2004).
Bakermans, A. J., et al. Small animal cardiovascular MR imaging and spectroscopy. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 88-89, 1-47 (2015).
Wu, Y. L., Lo, C. W. Diverse application of MRI for mouse phenotyping. Birth Defects Research. 109 (10), 758-770 (2017).
Coolen, B. F., et al. High frame rate retrospectively triggered Cine MRI for assessment of murine diastolic function. Magnetic Resonance in Medicine. 69 (3), 648-656 (2013).
Lapinskas, T., et al. Cardiovascular magnetic resonance feature tracking in small animals – a preliminary study on reproducibility and sample size calculation. BMC Medical Imaging. 17 (1), 51 (2017).
Pedrizzetti, G., et al. On estimating intraventricular hemodynamic forces from endocardial dynamics: A comparative study with 4D flow MRI. Journal of Biomechanics. 60, 203-210 (2017).
Motaal, A. G., et al. Accelerated high-frame-rate mouse heart cine-MRI using compressed sensing reconstruction. NMR in Biomedicine. 26 (4), 451-457 (2013).
Claus, P., Omar, A. M. S., Pedrizzetti, G., Sengupta, P. P., Nagel, E. Tissue tracking technology for assessing cardiac mechanics: principles, normal values, and clinical applications. JACC. Cardiovascular Imaging. 8 (12), 1444-1460 (2015).
Scatteia, A., Baritussio, A., Bucciarelli-Ducci, C. Strain imaging using cardiac magnetic resonance. Heart Failure Reviews. 22 (4), 465-476 (2017).
Modin, D., Andersen, D. M., Biering-Sørensen, T. Echo and heart failure: when do people need an echo, and when do they need natriuretic peptides. Echo Research and Practice. 5 (2), 65-79 (2018).
Onishi, T., et al. Longitudinal strain and global circumferential strain by speckle-tracking echocardiography and feature-tracking cardiac magnetic resonance imaging: comparison with left ventricular ejection fraction. Journal of American Society of Echocardiography. 28 (5), 587-596 (2015).
Faganello, G., et al. A new integrated approach to cardiac mechanics: reference values for normal left ventricle. The International Journal of Cardiovascular Imaging. 36, 2173-2185 (2020).
Lapinskas, T., et al. The intraventricular hemodynamic forces estimated using routine CMR Cine images: a new marker of the failing heart. JACC. Cardiovascular Imaging. 12 (2), 377-379 (2019).
Töger, J., et al. Intracardiac hemodynamic forces using 4D flow: a new reproducible method applied to healthy controls, elite athletes and heart failure patients. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 18, 61 (2016).
Eriksson, J., Bolger, A. F., Ebbers, T., Carlhäll, C. J. Assessment of left ventricular hemodynamic forces in healthy subjects and patients with dilated cardiomyopathy using 4D flow MRI. Physiological Reports. 4 (3), 12685 (2016).
Coolen, B. F., et al. Three-dimensional T1 mapping of the mouse heart using variable flip angle steady-state MR imaging. NMR in Biomedicine. 24 (2), 154-162 (2011).
Nijm, G. M., Swiryn, S., Larson, A. C., Sahakian, A. V. Characterization of the magnetohydrodynamic effect as a signal from the surface electrocardiogram during cardiac magnetic resonance imaging. Computers in Cardiology. 33, 269-272 (2006).
Domenichini, F., Pedrizzetti, G. Hemodynamic forces in a model left ventricle. Physical Review Fluids. 1, 083201 (2016).
Voigt, J. U., et al. Definitions for a common standard for 2D speckle tracking echocardiography: consensus document of the EACVI/ASE/Industry Task Force to standardize deformation imaging. European Heart Journal – Cardiovascular Imaging. 16 (1), 1-11 (2015).
Pedrizzetti, G. On the computation of hemodynamic forces in the heart chambers. Journal of Biomechanics. 95, 109323 (2019).
Hoffman, M., et al. Myocardial strain and cardiac output are preferable measurements for cardiac dysfunction and can predict mortality in septic mice. Journal of American Heart Association. 8 (10), 012260 (2019).

Etiketler

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

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Bu Makaleden Alıntı Yapın

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).