Нажмите "Enter", чтобы перейти к контенту

Количественная микроскопия магнитно-резонансной томографии (QSM-mMRV) для in vivo с морфологически и функциональной оценкой церебромикроциркуляции при моделировании крыс

Quantitative Susceptibility Mapping-Based Microscopy of Magnetic Resonance Venography (QSM-mMRV) for In Vivo Morphologically and Functionally Assessing Cerebromicrovasculature in Rat Stroke Model
Источник: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4790912/

Конкурирующие интересы: авторы заявили, что конкурирующих интересов не существует.

Задуманные и разработанные эксперименты: MCH CHS JHC. Выполнял эксперименты: MCH JLY CYT. Проанализированы данные: MCH. Добавленные реагенты / материалы / инструменты анализа: MCH JLY CYT MCL. Написал газету: MCH CHS.

Аномальная оксигенация головного мозга и структура сосудов являются важной особенностью инсульта. Для диагностики инсульта необходим метод визуализации со структурной и функциональной информацией. В этом исследовании применяется QSM-mMRV (квантовая магнитно-резонансная венография на основе количественной восприимчивости) для неинвазивного обнаружения небольших мозговых венозных сосудов в модели крысиного инсульта. Во-первых, сопоставление восприимчивости оптимизируется и рассчитывается из изображений фаз магнитного резонанса (МР) головного мозга крысы. Впоследствии QSM-mMRV используется для одновременного предоставления информации о микрососудистой архитектуре и насыщении венозного кислорода (SvO2), которые могут быть использованы для оценки физиологических и функциональных характеристик микрососудистых изменений для продольного мониторинга и терапевтической оценки модели заболевания. Морфологически количественное определение размеров сосудов с использованием QSM-mMRV было на 30% меньше, чем при взвешивании с учетом восприимчивости (SWI), что исключало переоценку обычного SWI. Функционально QSM-mMRV оценил средний SvO2 от 73% до 85% для здоровых крыс. Наконец, мы также применили QSM для мониторинга реваскуляризации сосудов после инсульта с 3 до 10 дней после реперфузии. Оценки QSM SvO2 были сопоставимы с оценками, рассчитанными с использованием стандартной метрики пульсоксиметра. Мы пришли к выводу, что QSM-mMRV полезен для продольного контроля кислорода крови и может стать клинически полезным для оценки цереброваскулярных заболеваний.

Все соответствующие данные содержатся в документе и его файлах вспомогательной информации.

Инсульт является основной причиной долговременной инвалидности, а также одной из самых распространенных причин смертности в странах старения [1]. Аномальная структура и кислородное насыщение крови (SO2) мозговых микрососудов (диаметр: ≤ 100 мкм) [2] является критическим признаком инсульта. Характеристика необычного микрососудистого изменения и экстраординарного SO2 может быть полезна для диагностики и прогноза инсульта [1,3]. Таким образом, измерение насыщения кислородом мозговой крови может потребоваться для точного диагноза, для прогнозирования исходов болезни и для мониторинга реакции на лечение при инсульте.

Наиболее часто используемые неинвазивные методики медицинской визуализации в клинической и экспериментальной нейронауке для оценки церебральных микрососудов при цереброваскулярных заболеваниях, таких как инсульт, глиома и сосудистая мальформация, представляют собой компьютерную томографическую ангиографию (CTA) и магнитно-резонансную ангиографию (MRA). Хотя CTA с контрастным агентом может быстро и точно обнаруживать структуру кровеносных сосудов [4], он имеет отрицательный отрицательный эффект ионизирующего излучения. Напротив, методы на основе MRA, такие как время пролета (TOF) -MRA и усиленный контрастом (CE) -MRA, не являются радиоактивными. TOF-MRA чувствителен к быстротекущим сигналам в артериях и зависит от движения протонов воды [5]. Однако TOF-MRA ограничивается измерением небольших сосудов головного мозга (венул, артериол и капилляров) из-за медленных сигналов в мозговых микрососудах. CE-MRA использует контрастные вещества на основе гадолиния (Gd) для обнаружения этих медленных сигналов [6]. Тем не менее, CE-MRA может не удовлетворять длительному времени получения, требуемому для применения MRA с высоким разрешением, поскольку он имеет короткий внутрисосудистый период полураспада и быстро перераспределяется во внеклеточное пространство.

Однако дезоксигемоглобин обеспечивает естественное контрастное усиление. Основываясь на этом преимуществе, для визуализации венозной сосудистой архитектуры было предложено взвешивание с учетом восприимчивости (SWI) и обеспечило структурную информацию более десятилетия [7]. Кроме того, SWI сочетает магнитные и фазовые изображения MR, и он более чувствителен к обнаружению магнитных веществ, таких как дезоксигемоглобин, кровоизлияние, железо и т. Д. Кроме того, SWI также широко используется клинически для визуализации и диагностики венозных сосудистых мальформаций, инсульта и травматического мозга травмы. Он также использовался для продольной оценки размера ишемического сосуда в модели хода крыс [8]. Хотя он может характеризовать сосудистую структуру, SWI не может предоставить функциональную информацию о кровеносных сосудах.

Для количественной оценки сосудистой информации предыдущие исследования оценивали насыщение венозного кислорода (SvO2) с временем релаксации T2 * [9,10]. Однако T2 * не является индексом высокой специфичности, поскольку он зависит от условий измерения неоднородности B0, от времени релаксации T2 (без влияния неоднородности B0) и свойств кровеносных сосудов. Кроме того, T2 * создает противоречивые результаты при различных B0s из-за зависимости между T2 и B0. Напротив, внутренняя восприимчивость гемоглобина является потенциальным показателем для измерения SvO2. На основании измерений восприимчивости другие показали, что изображения фазы МР могут быть использованы для оценки SvO2 в мозговой ткани человека [11-15] и грызунов [16,17]. Тем не менее, использование МР-томографии для количественного определения SvO2 зависит от ориентации сосуда, а изображения МР-фазы показывают кажущиеся цветущие артефакты.

В последнее время для количественного определения МР-изображений с магнитной восприимчивостью без цветущих артефактов используется новый подход, называемый количественным отображением восприимчивости (QSM), основанный на визуализации MR-фазы [18-24]. Кроме того, QSM используется для оценки SvO2 в здоровых человеческих мозгах [20, 25-28] и для обнаружения снижения SvO2 у пациентов с церебральным ишемическим инсультом [29]. Хотя метод QSM использовался для количественной оценки SvO2 у людей, он не использовался для количественного определения церебрального SvO2 в модели развития крыс. Характеризация церебрального SvO2 с QSM в модели крыс-штрихов облегчает понимание механизма нарушения мозга. Таким образом, применение QSM к модели развития крысы имеет решающее значение для исследований нейронауки.

Настоящее исследование предназначено для исследования возможности использования QSM для оценки церебрального SvO2 при инсульте у крыс. Для генерации QSM использовалось изображение с высоким разрешением градиент-эхо (GRE) с пространственным разрешением 100 × 100 × 100 мкм3. Обработка QSM была оптимизирована из изображений с одним эхо-GRE для венозной вентиляции крыс, которая включала разворачивание фазы, удаление фонового поля и инверсию диполя. Исследовано влияние выбора различных значений параметра QSM. Были визуализированы мозговые микрососуды здоровой крысы и SvO2 количественно определялись после реконструкции QSM. Чтобы продемонстрировать возможности QSM, мы также сравнили его с обычным SWI-методом. Наконец, QSM использовали для продольного мониторинга послесуточной реваскуляризации на 3-10 день после реперфузии.

Эффекты магнитной восприимчивости можно наблюдать в информации фазы изображения, полученной с использованием градиентной эхо-последовательности. Обозначим полученное фазовое отображение изображения как φ, с k-пространственным представлением φ (k). Аналогично, пусть χ и χ (k) соответственно представляют пространственное распределение и представление Фурье области отображения восприимчивости. Соотношение между измеренной фазой и базовой картиной восприимчивости выражается следующим образом [30]:
φ (к) = — χ (к) ⋅D (к) ⋅TE⋅γ⋅B0 (1)
где D (k), TE, γ и B0 — дипольное ядро ​​в области Фурье, эхо-время, гиромагнитное отношение 1H и основное магнитное поле соответственно. Дипольное ядро ​​обозначается как D (k) = 1/3-kz2 / (kx2 + ky2 + kz2), где kx, ky и kz соответственно представляют векторы k-пространства в x-, y- и z -axes. Центр D (k) был установлен на ноль. Теоретически карта восприимчивости может быть получена из фазового отображения просто путем обращения дипольного ядра D (k):
χ (к) = — φ (к) / [D (к) ⋅TE⋅γ⋅B0] (2)

Однако D (k) обращается в нуль в области конической поверхности вдоль магического угла (54,7 °), определяемого 2kz2 = kx2 + ky2 [31]. Таким образом, χ (k) в этой области конической поверхности не может быть определена. Кроме того, неравномерное распределение D (k) приводит к распространению шума после этой инверсии. Оба фактора способствуют широко известным полосчатым артефактам, обычно наблюдаемым в QSM [19,31].

Для получения устойчивого решения этой некорректной задачи было сообщено несколько нелинейных регуляризованных методов L1 для QSM без артефактов [21,24,32-35]. В этом исследовании мы использовали L1-регуляризацию с величиной предшествующей, которая аналогична популярному методу, называемому морфологией, включающей дипольную инверсию (MEDI) [22, 24], которая улучшает обычную регуляцию L1, чтобы устранить как недооценку значения восприимчивости, так и полосатых артефактов. Регуляризация L1 с величиной предшествует следующая минимизация:
χ * = 12‖b-F-1DFχ‖22 + λ⋅‖WGχ‖1withW = [WxWyWz], G = [GxGyGz] (3)
где χ * — регуляризованное значение восприимчивости, b — внутреннее возмущение поля, F — оператор 3D быстрого преобразования Фурье, λ — параметр Лагранжа, W — предварительная информация о двоичной малой градиентной маске (ребра были установлены на нули, и все остальные были) в трех измерениях, полученных простым порогом градиента величины, а G — оператор градиента в трех измерениях. Для решения проблемы минимизации применялся метод крутого градиентного спуска [36]. Для сравнения, традиционный метод L1 использовался путем минимизации χ * = 12‖b-F-1DFχ‖22 + λ⋅‖Gχ‖1 без весового коэффициента (W).

Измерение разницы чувствительности к QSM позволяет количественно оценить значения SvO2, основанные на взаимосвязи между разностью восприимчивости и SvO2:
Δχvein тканей = Δχdo⋅Hct⋅ (1-SvO2) (4)
где Δχvein-ткань представляет собой оцененную разницу восприимчивости между веной и серой вещью, Δχdo = 0,18 ppm (cgs) представляет собой разность восприимчивости между полностью дезоксигенированной и полностью окисленной кровью [37], а Hct — коэффициент гематокрита, который составляет 0,4 в венозной сосуды головного мозга крысы [38]. Предполагалось, что в этом исследовании артерии были полностью окислены с SO2 100% [39].

Все экспериментальные процедуры для животных в этом исследовании были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Национального университета Тайваня и Мемориальной больницей Гаосюн Чан Гун и соответствовали руководящим принципам ухода и использования животных, установленным этим Комитетом. Эти критерии были установлены Институтом по уходу и использованию животных, который признает, что эвтаназия иногда необходима до запланированного окончания исследования либо из-за непредвиденных осложнений, либо из-за самого протокола. Кроме того, эвтаназия необходима, когда животное соответствует одному из критериев, включая (1) потерю веса, (2) неэффективность, (3) слабость или невозможность получить корм или воду, (4) умеренное состояние, (5) инфекцию и (6) признаки тяжелой дисфункции системы органов и невосприимчивость к лечению или с плохим прогнозом, определяемым ветеринаром. Крысу эвтаназировали 100% СО2 в конце эксперимента или один из критериев, описанных выше.

Для изучения послеоперационной реабилитации QSM использовали в модели крыс при окуляции средней мозговой артерии (MCAO). Подробные процедуры реперфузии средней мозговой артерии (MCA) описаны в другом месте [40]. Самцам крыс Sprague-Dawley в возрасте 7-9 недель вводили внутрибрюшинно с помощью анестетика пентобарбитала натрия (50 мг / кг-bw [масса тела]). Затем правую область глазного уха выбривали и крыс помещали в положение лежа на нагревательную подушку при 37 ° С и инкубировали с вентиляцией с положительным давлением (0,2 мл / сек) с помощью кислорода с помощью небольшого вентилятора для животных ( SAR-830 ​​/ A; CWE, Ardmore, PA, USA). Разрез 1,5 см был сделан на скальпах анестезированных крыс, в середине между правым глазом и правым ухом. Мускулатуру височной мышцы отделяли, чтобы обнажить кости зигомы и squamosal. Зубное сверло было использовано для того, чтобы сделать отверстие диаметром 2 мм2 на 1 мм ростральным к переднему узлу зигомы и корешковым костям. Дурную матерку тщательно прокололи с помощью микрохирургической иглы. Экспонированный MCA тщательно изолировали и лигировали в течение 60 минут, используя 10,0 хирургических швов (Johnson & Johnson Medical, Somerville, NJ, USA), чтобы вызвать ишемический инсульт в коре правого полушария. Изофлуран (2%) был под рукой, если крысы проснулись во время операции. Когда лигирование MCA было завершено, общие сонные артерии (CCA) с обеих сторон лигировали с использованием зажимов аневризмы. После 60 минут лигирования как CCA, так и MCA были ослаблены. Все процедуры были завершены за два часа. Все животные были обработаны carprofen как анальгетик с дозой 5 мг / кг (s.c., BID) после операции MCAO. Мозг рассекали и инкубировали с трифенилтетразолийхлоридом (ТТК) для определения ишемической области инфаркта. Для иммуногистохимии мозг был получен, а затем уравновешен в 20% сахарозе при 4 ° С после того, как они были перевернуты с 4% параформальдегидом в PBS.

Мы использовали окрашивание ТТК для определения области инфаркта в участках ткани головного мозга крыс группы Stroke (MCA-ligated). Через три или 10 дней после реперфузии MCA крыс подвергали эвтаназии изофлураном (100% CO2), и их мозг удаляли. Мозги рассекали и собирали, замораживали при -20 ° С в течение 5 мин, разрезали на 2-мм корональные секции и затем окрашивали 2% TTC (T8877, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) в PBS для 8 мин при 37 ° С. Витражные участки переносили в 4% параформальдегида для фиксации иммерсии в течение 24 часов, дегидратировали в 30% сахарозе и затем фотографировали.

SpO2 измеряли с помощью пульсоксиметровой системы (Radical, Masimo Corp., Irvine, CA, USA). После того, как крыс анестезировали 1,5-2% изофлурановой газовой смеси (20% O2, 80% N2), их помещали на держателя животного, и датчик помещали выше инфаркта и нормальных участков мозга крысы соответственно. SpO2 регистрировали с интервалом 30 с в течение 5 мин. Измерение SpO2, используемое здесь, состояло в том, чтобы исследовать тенденцию уровня оксигенации во времени в группе Stroke.

Крысы Sprague-Dawley (n = 6, мужчины, 8-10 недель, вес: 303 ± 4,2 г) анестезировали 2% изофлураном, текущим в газовой смеси (O2, 20%, N2, 80%). Их уровень дыхания контролировался и поддерживался на уровне 50 вдохов в минуту (уд ​​/ мин) с системой мониторинга и стробирования (SA Instruments, Stony Brook, NY, USA). Ректальные температуры (36 ± 0,5 ° C) поддерживались с использованием системы циркуляции теплой воды. МР-эксперименты проводились с использованием 7-T животного МРТ-сканера (BioSpin 70/30; Bruker GmbH, Эттлинген, Германия). Для возбуждения сигнала использовалась 7-сантиметровая линейная катушка с клеткой для птиц, и для приема сигнала использовалась 4-канальная фазированная решетка. T2 * -WI был получен с использованием последовательности компенсации потока первого порядка 3D-GRE, которая предотвращает дефазирование сигнала ламинарного потока крови в сосудах. Параметры изображения были FOV = 38,4 × 25,6 × 12,8 мм3, MTX = 384 × 256 × 128, размер воксела = 100 × 100 × 100 мкм3, TR / TE = 65,5 / 15 мс, полоса пропускания = 25 кГц и время сканирования = 36 минимум Чтобы получить приемлемый фазовый контраст между жилами и окружающей тканью, ТЕ был установлен как значение T2 * дезоксигенированного сосуда [41]. Угол поворота был установлен примерно на 15-20 °, чтобы получить оптимальный фазовый контраст между серым и белым веществом [39]. Крупномасштабная неоднородность B0 была сведена к минимуму по сравнению с облучением по регионам (ROI) (с системой).

Для визуализации участков мозговой ткани крыс Sprague-Dawley в инсульте (n = 6) и контрольных группах использовался сканер МРТ животных 9,4-T (BioSpin 94/20; Bruker). Для возбуждения сигнала использовалась 7-сантиметровая квадратурная объемная катушка для ящериц, а для приема сигнала использовалась 4-канальная фазированная решетка. T2 * -WI был получен с использованием последовательности 3D-GRE с компенсацией потока первого порядка. Параметры изображения были FOV = 38,4 × 25,6 × 12,8 мм3, MTX = 384 × 256 × 128, размер воксела = 100 × 100 × 100 мкм3, TR / TE = 50/12 мс, полоса пропускания = 23 кГц и время сканирования = 28 минимум

Многоканальные исходные данные MR были восстановлены с использованием MATLAB (The MathWorks, Natick, MA, USA), а затем разделены на магнитные и фазовые изображения. Изображения амплитуды отдельных каналов массива катушек были объединены с использованием метода суммы квадратов [42] (рисунок AA в файле S1), а фазовые изображения были собраны с использованием комплексного суммирования [43] (рисунок AB в файле S1 ). Впоследствии комбинированные изображения с амплитудой и фазой были использованы для реконструкции QSM и SWI.

На рисунке 1 показан схема процедур реконструкции QSM. Во-первых, фазовый псевдоним разрешается с использованием алгоритма фазовой развертки. Фазовая обертка обычно появляется при визуализации с высоким полем, когда присутствует большой резонанс и когда TE относительно длинный. Было предложено два метода фазовой развертки, основанных на путях в пространственной области [44,45] и лапласианском в области Фурье [32], для разрешения фазовой обертки вокруг 2π. Хотя метод на основе лапласа является быстрым, он приводит к значительным ошибкам вблизи сосудов. Следовательно, для QSM-mMRV был использован лучший метод на основе трехмерного пути [45]. Во-вторых, развернутая фаза φ (рис. 1B) была нормирована на возмущение поля ΔB = Δφ / (γ ∙ TE ∙ B0). Изображения величин мозгов крысы были вручную сегментированы с использованием MRIcro [46] для создания маски мозга, примененной к ΔB. В-третьих, фоновое поле, вызванное различиями восприимчивости воздушной ткани и несовершенным обрезкой, затем удаляли для получения внутреннего поля b (рис. 1C) с использованием сложного уменьшения артефактов гармоник для фазовых данных (SHARP) [47]. Преимущество метода SHARP по сравнению с обычной фильтрацией верхних частот заключается в том, что он может сохранять низкочастотную составляющую локальной фазы. Оптимальное локальное поле с использованием SHARP-фильтрации осуществлялось с использованием усеченного сингулярного разложения с радиусом 3 вокселей (300 мкм), толщины оболочки 1 воксела (100 мкм) и значения усечения 0,05, как описано в другом месте [47]. Радиус определяли путем изучения профиля линии из восстановленного QSM (регуляризация L1 с λ = 10-3) и изменения значения от 1 до 9 вокселей с шагом 2 (рис. 2). В этом исследовании использовался радиус 3 вокселей. Поскольку фильтрация SHARP не может быть рассчитана для вокселей, которые меньше радиуса от границы ROI, локальное поле доступно только при модифицированном ROI, который меньше исходного ROI. Кроме того, использование радиуса 1 воксела вызвало чрезмерную фильтрацию. Кроме того, значение усечения определяли эмпирически, изменяя значение от 0,025 до 0,15 с шагом 0,025 и визуально проверяя результирующее распределение локального поля. Наконец, QSM (рис. 1D) вычисляли из b, сводя к минимуму величину предшествующего метода L1 как Eq (3) с самым крутым градиентом, достойным алгоритмом из 10 итераций. Множитель Лагранжа λ определяет член гладкости (‖WGχ‖1 или ‖Gχ‖1) и термин согласованности данных (12‖b-F-1DFχ‖22) восстановленной карты восприимчивости, так что более высокие значения λ дают более гладкие результаты изображения, чем делайте меньшие. В этом исследовании для оптимального QSM в соответствии с критерием L-кривой [48] был выбран λ = 10-1,2 путем изменения λ логарифмически между 10-4 и 100,6 (рисунок B в файле S1). Бинарная весовая маска была получена из градиента величины в трех направлениях (порог был установлен равным 0,03). Для сравнения, обычная QSM-регуляризация QSM была также оптимизирована с использованием критерия L-кривой (рисунок C в файле S1).

(A) фазовое изображение, (B) развернутое изображение фазы, (C) внутренняя карта поля и (D) QSM в области мозга крысы. (E-G) Этапы, используемые при извлечении предварительной информации из изображений масштаба.

(A) Локальные поля и (B) QSM (L1-регуляризация с λ = 10-3), рассчитанные путем изменения радиуса фильтрации SHARP от 1 до 9 на 2-воксельных стадиях. (C) Разница в линейном профиле восстановленного QSM между различными радиусами. На этом рисунке используется разворачивание фаз на основе пути. (D) Увеличение прямоугольной (пунктирной линии) в (C).

Для сравнения обнаружения вены SWI был реконструирован с использованием тех же данных 3D-GRE с размером окна Hann (Hanning) 64 [7] (рис. 3).

SWI сочетает в себе как величину, так и фильтрованную фазовую карту с мультипликативным отношением для улучшения контраста изображения.

Чтобы количественно сравнить различия восприимчивости церебральных вен между крысами, значение восприимчивости коры было выбрано в качестве ссылки [49]. Впоследствии области мозга были зарегистрированы в атласе мозга крыс Sprague-Dawley [50] с использованием алгоритма линейной регистрации в программном обеспечении FSL FLIRT с аффинными преобразованиями [51,52]. Во-первых, вены были извлечены (порог был установлен на χ> 0,05 ppm). Впоследствии значения восприимчивости измерялись с использованием средней проекции интенсивности (AIP) 25-срезного QSM (эффективное покрытие 2,5 мм). Семь ROI вены, включая внутрикортикальную проникающую венулу, среднюю внутреннюю лобную вену (MIF), продольную гиппокампальную вену (LHIV), медиальную колючую вену (MCOLV), таламостриатную вену (THSV), большую церебральную вену (GCV) Галена и прямой синус (STS) вручную вытягивали и экстрагировали. Все измеренные данные представляют собой среднее ± стандартное отклонение (SD). Для сравнения различий в измеренных размерах сосудов между SWI и QSM был выбран коронарный срез мозга коры головного мозга. При изучении реваскуляризации после инсульта для сравнения использовали 2,5-миллиметровую толщину SWI с минимальной интенсивностью (mIP) и QSM MIP толщиной 2,5 мм. Значение было установлено при p <0,05 (двухсторонний t-тест).

На рис. 4 сравниваются развертка на основе 3D-маршрутов и алгоритм развертки на основе лапласа, а также локальные изображения полей и карты восприимчивости (недорегулируемая L1 QSM с λ = 10-3) из развернутых фазовых изображений. «Разностные» изображения карт Unvrapped phase (рис. 4C), локального поля (рис. 4F) и восприимчивости (рис. 4I) кажутся видимой разницей вблизи сосудов THSV, LHIV и TRS. Метод развёртывания на лапласианской основе привел к недооценке восприимчивости в сосудах (р <0,001) при развертке на основе пути (рис. 4K). Кроме того, точность локального поля, полученная двумя методами разворачивания, была подтверждена и сравнена с использованием численного моделирования (рисунок C в файле S2).

Изображения, вычисленные с использованием 3D-маршрутизации и разбиения фаз на основе лапласа, представлены в первом и втором столбцах слева. В третьем столбце показана разница в изображениях в первых двух столбцах. (A-C) Сравнение развернутых фазовых изображений с алгоритмами на основе пути и лапласа. (D-F) Сравнение локального поля (фильтрация SHARP с радиусом 3 вокселя). (G-I) Сравнение восстановленного QSM (регуляция L1 с λ = 10-3). Стрелки указывают на области, где наблюдаются значительные различия между изображениями в левой и средней колонках. (K) Сравнение измеренных значений восприимчивости в сосудах из (J) области интереса (ROI) (*** p <0,001).

Величина предшествующей L1 и обычной L1-регуляризации была оптимизирована с использованием критерия L-кривой (рисунки B и C в файле S1), а параметры Лагранжа были выбраны как 10-1,2 и 10-1,6 для величины предшествующей L1 и L1-регуляризованной QSM, соответственно. На рисунке 5 показано влияние параметра Лагранжа на значение восприимчивости из восстановленного QSM в вене. На рис. 5А и 5В сравнивают оптимальный LSM (λ = 10-1,6), что дает недооценку восприимчивости 0,147 ppm относительно 0,155 ppm с использованием алгоритма L1 с оптимальной величиной (λ = 10-1,2).

График измеренной величины восприимчивости от области интереса (E) по различным λ посредством (A) L1-регуляризации и (B) L1-регуляризации с величиной предшествующей. При оптимальном взвешивании λ = 10-1,6 L1-регуляризация приводила к 0,147 ppm. Напротив, при оптимальном взвешивании λ = 10-1,2 L1-регуляризация с величиной предшествующей составляла 0,155 ppm.

3D QSM высокого разрешения был реконструирован из T2 * -WI с использованием оптимизированного регуляризованного подхода. На рисунке 6 показана максимальная проекция интенсивности (MIP) QSM, вычисленная из мозгового среза толщиной 2,5 мм и показывающая различные вены и венулы в каждой из трех ортогональных плоскостей. Эти вены были подтверждены и идентифицированы с использованием сосудистого атласа [53]: большая церебральная вена (GCV) Галена, внутрикортикальная проникающая венула, нижний сагиттальный синус (ISS), продольная гиппокампальная вена (LHIV), медиальная колючая вена (MCOLV) (SOS), прямой синусовый (STS), таламостриатная вена (THSV), поперечный синус (TRS), средняя внутренняя лобная вена (MIF), передняя полосатая вена (ASTR), задняя полосатая вена (PSTR), медиальной полосатой вены (MSTR) и ростральной ринальной вены (RRHV). Средние восприимчивости семи основных вен (внутрикортикальная проникающая венула, MIF, LHIV, MCOLV, THSV, GCV и STS) измерялись из AIP QSM, а их уровни SvO2 были рассчитаны (таблица 1). Уровни SvO2 in vivo in vivo варьировались от 82,38 ± 3,51% до 90,82 ± 0,75%. QSM разрешало (1) микрососуды визуализироваться с разрешением 100 × 100 × 100 мкм3 и (2) SvO2 для количественного определения.

Показаны вены в кортикальном и внутреннем мозге. (A) Прогноз максимальной интенсивности 2,5 мм (MIP) в корональном представлении, (B) аксиальный вид и (C) сагиттальный вид. Основные вены обозначены, включая большую церебральную вену (GCV) Галена, внутрикортикальную проникающую венулу, нижний сагиттальный пазух (ISS), продольную гиппокампальную вену (LHIV), медиальную колючую вену (MCOLV), превосходный обонятельный синус (SOS) сагиттальный синус (SSS), прямой синус (STS), таламостриатная вена (THSV), поперечный синус (TRS), средняя внутренняя лобная вена (MIF), передняя строповая вена (ASTR), задняя полосатая вена (PSTR), медиальная полосатая вена ( MSTR) и ростральной ринальной вены (RRHV).

MIF, средняя внутренняя лобная вена; LHIV, продольная гиппокампальная вена; MCOLV, медиальная колликальная вена; THSV, таламостриатная вена; GCV, большая церебральная вена Галена; STS, прямой синус.

Изображения, полученные с использованием QSM и SWI, сравнивались с использованием тех же данных 3D-GRE. На фиг.7А и 7В показаны соответствующие результаты QSM и SWI для одного и того же осевого среза толщиной 2,5 мм. Микрососуды дорсальной и боковых областей коры были идентифицированы с использованием обеих ангиографических методов, поскольку оба использовали один и тот же источник сигнала: дезоксигемоглобин. Однако в SWI отсутствует количественная информация о микрососудах, но QSM обеспечивает SvO2 сосудов головного мозга. Кроме того, метод QSM устраняет как цветущие артефакты, так и переоценку размера сосуда, в то время как QSM деконструировал дипольное ядро ​​из фазового изображения (рис. 7C и 7D).

(A) MIP QSM толщиной 2,5 мм в осевом разрезе. Кора в дорзальном и боковом мозге отмечена прямоугольниками и увеличена в (C). (B) Минимальная проекция минимальной интенсивности 2,5 мм (mIP) SWI с идентичными ROI. (D) В mIP SWI вена имеет цветущие артефакты и ее трудно идентифицировать. Стрелки указывают на существенную разницу между QSM и SWI.

SWI и QSM изображения коронального среза в области коры головного мозга показывают, что распределение внутрикортикальных сосудов, обнаруженное этими двумя методами, непротиворечиво, без существенной разницы (p> 0,05) в плотности сосудов между SWI (0,0036 ± 0,0011 пиксель / мм2) и QSM (0,0031 ± 0,0008 пикселя / мм2), и что сосуды оказались меньше в изображении QSM (фиг. 8A и 8B). На фиг.8C и 8D показано увеличение ячеистых коробок на фиг. 8A, 8B и 8E, показывающее количественные площади поперечного сечения сосудов. Количественный анализ внутрикортикальных венулов показывает, что SWI оценил, что сосуды были значительно (p <0,05) в 1,4 раза больше, чем оценивалось QSM.

(A) Коронарный срез из SWI. (B) Коронарный срез из QSM. (C) Увеличенный вид области SWF 3,5 × 3,5 мм2, отмеченной красным прямоугольником в A. Яркий сигнал представляет собой кортикальные сосуды сквозной плоскости. (D) Меньше и меньше ярких сигналов в QSM. (E) Количественная оценка размера судна с использованием двух методов. (* p <0,05).

QSM и SWI были использованы для изучения реабилитации после инсульта в группе крыс 3-й линии 7, 7 и 10 дней после реперфузии MCAO. Окрашивание ТТК показывает, что инфарктная область коры сократилась с 3-го дня до 10 дня (рис. 9А). Осевой вид mIP с 2,5-миллиметровой областью с использованием SWI (рис. 9B) и QSM-оцененных карт SvO2 (рис. 9D) ясно показывает изменения в кортикальных венулах. Оценки SvO2 ипсилатерального и контралатерального сосудов с 3-го дня до 10-го дня показаны на рис. 9Е. Уровень SvO2 сосуда на ипсилатеральной коре был значительно ниже, чем уровень сосуда на контралатеральной коре на 3-й день (p <0,05). Однако после реперфузии уровень SvO2 ипсилатеральной коры поднимался, что указывало на то, что оксигемоглобин достиг плато на 7 и 10 день. Этот результат был сопоставим со уровнями SpO2, рассчитанными с использованием пульсоксиметра (рис. 9F).

(A) Трифенилтетразолийхлорид (TTC) -наявленный срез для подтверждения инфарктной области коры с течением времени. (B) Представление минимальной интенсивности интенсивности 2,5 мм (mIP) SWI с течением времени. (C) Представитель средней интенсивности проекции 2,5 мм (AIP) QSM с течением времени. (D) Представление карты SvO2 толщиной 2,5 мм с течением времени. Вторая цифра в первой строке иллюстрирует выбор ROI на контралатеральной (левой) и ипсилатеральной (правой) коре. Стрелки указывают на ангиогенез через 7 и 10 дней после реперфузии. (E) (F) Сравнение оценок SvO2 и SpO2 на крышке после инсульта. (E) SvO2 по измерениям QSM-mMRV и (F) SpO2 с использованием пульсоксиметра на контралатеральной и ипсилатеральной коре. (Представлены средние и поперечные объекты SD: * p <0,05; ** p <0,01; *** p <0,001).

В настоящем исследовании мы применили QSM для оценки церебрального SvO2 в модели развития крыс. Величина, предшествующая L1-регуляризованному методу QSM, также была оптимизирована для обеспечения точной оценки значений восприимчивости и для подавления полосчатых артефактов. По сравнению с SWI, QSM-mMRV устраняет цветущие артефакты из фазового изображения, что уменьшает переоценку размера сосуда и позволяет легко отличить внутрикортикальные сосуды. При использовании для продольного мониторинга реабилитации предлагаемый метод показал изменения SvO2 в микрососудах 3, 7 и 10 дней после инсульта, что было сопоставимо с мерами SpO2 с использованием стандартного метрика пульсоксиметра.

Алгоритм развертки на основе пути был более надежным для QSM-mMRV, чем метод на основе лапласа. Мы обнаружили, что измеренная восприимчивость в жилах восстановленного QSM из развернутой фазы с использованием развертки на основе пути была значительно выше, чем развертка на основе лапласа (рис. 4K). Численное моделирование также подтвердило, что алгоритм развертки на основе маршрута представил истинную развернутую фазу в пространственной области (рис. C в файле S2). Хотя исследования [32,54-57] сообщили об использовании развертки на основе лапласа для успешной реконструкции QSM, это может привести к некорректному вычислению вблизи сосудов [32,54,55].

Одной из задач реконструкции QSM является выбор подходящего значения множителя Лагранжа (λ) и предшествующей информации. В обычной L1-регуляризации λ контролирует точность восстановленного QSM. Большой λ обеспечивает минимизацию члена L1, что устраняет шум. Напротив, небольшой λ обеспечивает достоверность данных за счет полос артефактов. λ обычно определяется в соответствии с критерием L-кривой для оптимального QSM [48]. Однако регуляризация L1 обычно недооценивается [21,23,26,56]. В настоящем исследовании подход, основанный на уровне L1, позволяет одновременно подавлять полосатые артефакты и предотвращать чрезмерное сглаживание QSM. Кроме того, выбранная предварительная информация также влияет на точность реконструированного QSM [23,34,35]. При этом оцененные значения восприимчивости измерялись путем изменения порога градиента величины от 0 до 1 на этапе 0,01 (фиг.10). Существенных различий между этими QSM не было (рис. 10C). Однако измеренная восприимчивость уменьшилась с большим пороговым значением (рис. 10D).

(A) Иллюстрации бинарного взвешивания в трех измерениях по различным пороговым значениям от 0 до 0,15 (Wx: весовой коэффициент по размеру x, Wy: весовой коэффициент по размеру y, Wz: весовой коэффициент в z-измерении;). (C) Реконструированные QSM по разным порогам. (D) Значения восприимчивости, измеренные из области интереса (B), такие же, как на рис. 4 (J).

Мы обнаружили, что на исходном уровне SvO2 в нескольких основных жилах (MIF, LHIV, MCOLV, THSV, GCV и STS) имел среднее значение 86,23%, что было выше, чем другие измерения SvO2 ~ 70% [17, 58] , Завышение SvO2 (т. Е. Недооценка значения восприимчивости) может быть вызвано частичными объемными эффектами. На сегодняшний день взвешенная регуляция L1 является наиболее подходящим методом реконструкции QSM [1]. Однако эффект частичного объема привел к недооценке восприимчивости 18,6-33,8% (то есть 10-16,6% относительной переоценки SvO2) в соответствии с нашей моделью (таблица А в файле S3). Большинство количественных значений восприимчивости (~ 0,2 ppm) были примерно на 33% ниже истинного значения (0,3 ppm) (таблица A в файле S3). Таким образом, для корректировки количественной оценки SvO2 в этом исследовании можно было бы получить поправочный коэффициент приблизительно 1,5. Обратите внимание, что количественные значения зависят от размера и геометрии объекта, а также от TE. Эти критические факторы следует тщательно учитывать для будущих приложений. Таблица 1 показывает, что 1-SvO2 варьируется от примерно 10% до 18%. Если 1-SvO2 умножает правильный коэффициент 1,5, результирующий 1-SvO2 составляет около 15-27%, что приводит к уровню кислорода 73-85%. Этот результат после умножения поправочного коэффициента близок к SvO2 ~ 70%, о котором сообщалось в предыдущих работах [17, 58]. Ошибка из-за эффекта частичного объема может быть улучшена с помощью недавнего метода [59].

Кроме того, оценки SvO2 были рассчитаны на основе взаимосвязи между различиями восприимчивости полностью окисленной и полностью дезоксигенированной крови (Δχdo) (уравнение 4). Мы использовали Δχdo = 0,18 ppm (cgs), который использовался в других исследованиях [11,13,37,60]. И наоборот, Δχdo = 0,27 ppm (cgs) сообщалось Spees et al. [61], который использовался в качестве значения SvO2 в других экспериментах мозга человека [62, 63]. Когда в нашем анализе использовалось Δχdo = 0,27 ppm (cgs), результаты SvO2 составляли от 88% до 93%, что намного выше, чем нормальный SvO2, наблюдаемый с использованием МРТ [17, 58]. Кроме того, количественное значение восприимчивости в этой работе было около 0,15 ppm, как показано на фиг. 3-5. После умножения поправочного коэффициента 1,5, как указано выше, результирующая восприимчивость составляла 0,22 ppm. Если использовать Δχdo = 0,27 ppm (cgs), то полученный SvO2 становится ~ 84%, что согласуется со значениями (то есть 73-85%), обсуждавшимися ранее. Другой ошибкой этого метода является выбор значения гематокрита. Мы всегда предполагали, что Hct = 0,4 [38] в настоящем исследовании. Однако гематокрит варьирует между индивидуумами (0,35-0,5) [13], а также зависит от размера сосуда [64].

QSM-mMRV использовался для демонстрации его способности продольно контролировать восстановление послеоперационной крысы. Через 3 дня после реперфузии значение SvO2 ипсилатеральной коры значительно уменьшилось относительно контралатеральной коры, что согласуется с предыдущим исследованием [29]. Через 7 и 10 дней после реперфузии значение SvO2 ипсилатеральной коры постепенно повышалось до уровня контралатеральной коры (p> 0,05), что указывало на то, что физиология мозгового мозга после инсульта практически восстановилась. Эти результаты аналогичны результатам исследования [65], в котором используется МРТ для количественного наблюдения за ангиогенезом головного мозга после инсульта. Более того, мы сравнили результаты SvO2 с измерениями SpO2. Оба значения кислорода в крови постепенно поднимались после реперфузии. По сравнению с пульсоксиметром QSM-mMRV обеспечивал высокое пространственное разрешение и лучшую глубину проникновения при измерении кислорода крови. Кроме того, мы обнаружили, что при иммуногистохимическом (IHC) окрашивании сосудов клетки ангиогенез ипсилатеральной области коры больше 7 и 10 дней после реперфузии (изображение не показано) и что тенденция изменения ангиогенеза согласуется с измерения QSM-mMRV и SvO2. Таким образом, мы пришли к выводу, что QSM-mMRV обещает быть потенциальным неинвазивным инструментом наблюдения для клинических применений.

Преимущество QSM-mMRV заключается в использовании внутреннего контрастного агента (например, дезоксигемоглобина) для обнаружения структурной и количественной информации о венозных сосудах, и это полезно для продольных исследований моделей сосудистых заболеваний. Многие исследования исследовали микрососудистую структуру и функцию с использованием методов MRA: времяпролетного (TOF) -, фазового контраста (ПК) -, ΔR2- и ΔR2 * — MRA [5,66-68]. TOF-MRA широко используется для визуализации основных артерий [5]. PC-MRA, основанный на вычислении фазового сдвига, позволяет визуализировать артерии и вены [66]. Хотя TOF- и PC-MRA обеспечивают структурную и поточную информацию, их способность визуализировать микрососуды ограничена. Было предложено ΔR2-MRA для обнаружения микрососудистых артериол и венулов и получения объема мозговой крови (CBV) [67]. Тем не менее, контрастные вещества на основе железа являются проблематичными из-за их доступности, стоимости и безопасности. Недавние методы, основанные на ΔR2 * -MRA, используют кислородно-зависимую (BOLD) кровь, чтобы обнаружить венулы и региональные CBV [68]. Тем не менее, приобретая два набора изображений 3D-GRE при различных условиях ингаляции, ΔR2 * -MRA ограничено длительным временем сканирования (~ 76 минут для МР-сканирования с двумя условиями ингаляции) и сложным в использовании клинически.

QSM-mMRV одновременно отображает архитектуру вены и предоставляет количественную информацию о SvO2. Однако у него есть одно ограничение. QSM-mMRV на основе последовательности GRE увеличивает размер сосуда из-за внутрисосудистой и внесосудистой дефазировки. Park et al. [69] сообщили, что внутрикортикальные сосуды (диаметр: ≤ 80 мкм) можно наблюдать с использованием изображений 3D-GRE. Огава и Ли [70] сообщили, что эффект восприимчивости заставил зрительные сосуды выглядеть в два раза по сравнению с их нормальным размером в изображениях GRE. Это увеличение величины изображений GRE обусловлено внесосудистым компонентом дефазировки, который зависит от TE, напряженности поля, ориентации сосуда и размера воксела. По сравнению с масштабами изображений GRE недавние исследования по внутримозговым микроэлементам [71] и инсульт [72] показывают, что визуализированный размер от QSM не зависит от TE.

Мы описали микроскопический MRV на основе QSM в сочетании с реконструкцией QSM для количественной визуализации in vivo архитектуры небольших венозных сосудов в модели крысиного инсульта. QSM корректирует нелокальные эффекты, наблюдаемые в SWI. Исправленные результатами моделирования, SvO2, оцененный QSM, варьировался от 73% до 85% для здоровых крыс. Подход одновременно предлагает мозговую микрососудистую структуру in vivo и меры SvO2, которые могут быть использованы для оценки физиологических и функциональных характеристик микрососудистых изменений во времени. Этот метод может быть дополнительно применен для мониторинга моделей животных или клинических пациентов с цереброваскулярным заболеванием.

Рисунок A. Комбинированные изображения из данных многоканального магнитного резонанса. Рисунок B. L-кривая для величины до L1-регуляризованной количественной карты восприимчивости (QSM) для мозга крыс. Рисунок C. L-кривая для L1-упорядоченной карты количественной восприимчивости (QSM) для животного.

(PDF)

Щелкните здесь для получения дополнительных данных.

Рисунок A. Схема создания имитационной модели. Рисунок B. Иллюстрации симулированных карт полей. Рисунок C. Сравнение метода фильтрации SHARP для алгоритмов фазовой обмотки на основе Path и Laplacian.

(PDF)

Щелкните здесь для получения дополнительных данных.

Рисунки A-E. Никакой частичный объемный эффект (перпендикулярно B0). Фигуры F-J. Отсутствие эффекта частичного объема (параллельно с B0). Цифры K-O. С частичным объемным эффектом (перпендикулярно B0). Цифры P-T. С частичным объемным эффектом (параллельно с B0). Таблица A. Количественные результаты моделирования изображений при трех разных временах эха и двух ориентациях.

(PDF)

Щелкните здесь для получения дополнительных данных.

Мы благодарим 7T лабораторию MRI для сердечно-сосудистых заболеваний Центра нейробиологии когнитивной науки и ядро ​​молекулярной визуализации Института трансляционных исследований в биомедицине, мемориальную больницу Гаосюна Чанг Гун, для технической поддержки и поддержки объектов. Мы также благодарим Чао-Сянь Сея, доктора философии, Инструментального центра для экспериментов с МРТ в Национальном университете Тайваня за его помощь и Ли-Вэй Куо, доктора философии, Института биомедицинской инженерии и наномедицины в Национальных исследовательских институтах здравоохранения для корректуры.

Комментариев нет.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *