A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
אנו מספקים תיאור מקיף של שיטת שער הלב הרטרוספקטיבית הפנימית של CrumpCAT, אב טיפוס של סורק טומוגרפיה ממוחשבת (CT) של בעלי חיים קטנים שתוכנן ונבנה במוסד המחקר שלנו.
ה-CrumpCAT הוא אב טיפוס של סורק טומוגרפיה ממוחשבת (CT) של בעלי חיים קטנים שפותח במוסד המחקר שלנו. גלאי CMOS עם קצב פריימים מרבי של 29 הרץ ומקורות רנטגן טונגסטן דומים עם אנרגיות הנעות בין 50 kVp ל-80 kVp נמצאים בשימוש נרחב במכשירי CT רנטגן פרה-קליניים הזמינים מסחרית. זה הופך את העבודה המתוארת לרלוונטית מאוד למוסדות אחרים, למרות הדעה הרווחת שגלאים אלה אינם מתאימים לשער קצב הלב הגבוה של עכברים (~600 פעימות לדקה). הסורק כולל הדמיה ברזולוציה בינונית (200 מיקרומטר) וגבוהה (125 מיקרומטר), פלואורוסקופיה, שער נשימה רטרוספקטיבי ושער לב רטרוספקטיבי, עם שחזור תמונת הקרנה איטרטיבית או מסוננת. בין התכונות הללו, שער לב הוא התכונה השימושית ביותר לחקר תפקודי לב in vivo, מכיוון שהוא מבטל ביעילות טשטוש תמונה הנגרם על ידי תנועת נשימה ולב.
כאן, אנו מתארים את השיטה שלנו להדמיית CT רטרוספקטיבית פנימית פרה-קלינית, שמטרתה לקדם את המחקר על תפקוד הלב וניתוח המבנה in vivo . שיטת שער הלב רוכשת מספר רב של הקרנות בזמן החשיפה המעשי הקצר ביותר (~20 אלפיות השנייה) ולאחר מכן מחלצת רטרוספקטיבית אותות נשימה ולב משינויים זמניים ברצפי הקרנה גולמיים. אותות אלה משמשים לדחיית הקרנות השייכות לשלב ההשראה של קצב התנועה הגבוה של מחזור הנשימה ולחלוקת ההקרנות הנותרות ל-12 קבוצות, שכל אחת מהן מתאימה לשלב אחד של מחזור הלב. כל קבוצה משוחזרת באופן עצמאי בשיטה איטרטיבית להפקת תמונה נפחית עבור כל שלב לבבי, וכתוצאה מכך מערך נתונים ארבע-ממדי (4D).
ניתן לנתח תמונות פאזה אלה באופן קולקטיבי או אינדיבידואלי, מה שמאפשר הערכה מפורטת של תפקוד הלב. הדגמנו את היעילות של שתי הגישות של תכונת שער הלב של סורק האב-טיפוס באמצעות תוצאות הדמיה מייצגות in vivo .
מחקר בבעלי חיים קטנים משתמש לעתים קרובות בשילוב של שיטות הדמיה לא פולשניות, כאשר טומוגרפיה ממוחשבת של קרני רנטגן (CT), היא בחירה בולטת בשל הבשלות, העלות-תועלת, המהירות 1,2 והיכולת לספק מידע משלים לצד שיטות אחרות כגון טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET)2,3 וטומוגרפיה ממוחשבת של פליטת פוטון יחיד (SPECT)2,4. עם זאת, כמו טכניקות הדמיה אחרות, CT רגיש לחפצי תנועה פיזיולוגיים הנגרמים על ידי הלב הפועם או הנשימה, אשר מכניסים טשטוש ומגבילים את דיוק המחקר.
כדי לטפל במגבלה זו, ניתן להפחית את טשטוש תנועת הנשימה והלב באמצעות טכניקה המכונה שער 5,6,7,8, שבה רכישת הנתונים מסונכרנת עם שלבים ספציפיים של מחזור הלב או הנשימה (או שערים). גישה אחת להשגת זה, המכונה שער פרוספקטיבי 3,6, כוללת הצמדת חיישנים לבעל החיים כדי לספק אותות שער בזמן אמת לסורק תואם. למרות יעילותה, שיטה זו עתירת עבודה וגוזלת זמן, במיוחד כאשר מחברים חיישנים לחזה ולכפות של בעלי חיים קטנים כמו עכברים, ובכך מגבילה את היקף המחקרים. לחלופין, שער רטרוספקטיביפנימי 7,9,10,11 כרוך ברכישת נתוני סדרות זמן ללא שימוש בחיישנים אלא על ידי זיהוי מאפיינים בנתונים המאפשרים מיון רטרוספקטיבי של התוצאות על סמך השלב שלהן במחזור הלב או הנשימה. גישה זו מציעה תוצאות דומות לשער פוטנציאלי אך ללא צורך בחומרה נוספת או במאמץ הכרוך בחיבור חיישן דופק, ולכן מפשטת מאוד את הפרוטוקולים הניסיוניים.
בשיטה שלנו להדמיית CT לב פרה-קלינית, אנו משתמשים בשער רטרוספקטיבי פנימי כדי לחלץ מחזורי נשימה ולב משינויים במשרעת באזורים בהקרנות רנטגן המציגים את השינויים המשמעותיים ביותר בין מסגרות עוקבות. כדי להקל על תהליך זה, תבנית בית חזה של עכבר נרשמת בהקרנה האחורית הראשונה באמצעות מידע הדדי12. ברגע שהתבנית נמצאת במקומה, עוצמות הפיקסלים בחלון ליד הסרעפת מסוכמות כדי ליצור אות נשימתי חלופי, בעוד אלה הסמוכים לשריר הלב מסוכמים כדי להפיק את האות הלבבי החלופי. לאחר מכן, אותות אלה מסוננים בתחום הזמן, ולכל מסגרת במערך הנתונים מוקצה מספר פאזה חלקי (בין 0 ל-1) בהתבסס על שלב הנשימה והלב שלה. זה מאפשר בחירה או דחייה של תחזיות בהתאם לערכי הפאזה שלהן. בדרך כלל, מסגרות המתאימות לשלב התפוגה הסופי של מחזור הנשימה (0.15 ≤ שלב < 0.85) נשמרות, ואילו אלה משלב ההשראה, בהן התנועה בולטת ביותר, מושלכות. המסגרות הנותרות מקובצות ל-12 שלבי לב, כל אחד מייצג 1/12 (0.083) ממחזור הלב ומשוחזרות לתמונות תלת מימד בשיטה איטרטיבית (Ordered Subset Expectation Maximization [OSEM])13,14. התהליך כולו מסוכם באיור 1.
פרוטוקולים של ניסויים בבעלי חיים נבדקו ואושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס (UCLA). עכברי C57BL/6J (בני 8 שבועות, זכר, 24-26 גרם) שימשו בפרוטוקול זה. סורק ה-CT ששימש במחקר זה הוא CrumpCAT (איור 2), אב טיפוס שפותח במוסד המחקר שלנו למחקר פרה-קליני, ומספק לנו את השליטה והגמישות הדרושות כדי לייעל את פרוטוקולי הרכישה והשחזור. השיטה מניחה שלעכברים מורדמים יהיה דופק שלא יעלה על 600 פעימות לדקה וקצב נשימה בין 20 ל-180 נשימות לדקה15.
1. הגדרות ציוד
2. הכנת בעלי חיים
3. רכישת נתונים
4. עיבוד מקדים של נתונים
הערה: שלבי עיבוד מקדים נדרשים רק עבור רכישות מגודרות. כל השלבים הללו מבוצעים באופן אוטומטי על ידי תוכנת השחזור ואין צורך בהתערבות המפעיל.
5. שחזור תמונה
6. הערכת תמונה וכימות נפח החדר השמאלי (LV).
תחילה השווינו תמונות CT לא מגודרות ומגודרות להדמיית הסתיידות לב בעכברים (זכר, 30-32 גרם). מודל העכברים של הסתיידות הלב נוצר על ידי גרימת פגיעה לבבית על ידי הקפאה-הפשרה מהירה של רקמת הלב (קריו-פגיעה), כפי שתואר קודם לכן23. עם פרוטוקולי הדמיית CT לא מגודרים, הסתיידויו?...
יישום החומרה הספציפי המתואר כאן הוא מערכת CT רנטגן בהתאמה אישית הייחודית למכון שלנו, אך הגלאי הספציפי נמצא בשימוש נרחב במכשירי CT רנטגן פרה-קליניים הזמינים מסחרית, מה שהופך את העבודה המתוארת לרלוונטית למוסדות אחרים. מערכת זו היא מבחינה פונקציונלית אב טיפוס לשתי תת-מערכות ...
ד"ר ריצ'רד טשרו הוא יועץ ל-Sofie Biosciences ו-Xodus Imaging. ד"ר אריון פ. צ'ציואנו הוא מייסד Sofie Biosciences.
אנו מודים לכל חברי המרכז לטכנולוגיית הדמיה פרה-קלינית של UCLA Crump על עזרתם ותמיכתם. במיוחד אנו מודים למיקיילה טמבולין ואיזבל דיי על הכנת החיות להדמיית CT לב, ומודים לסופי שומילוב על יצירת חלק מהחזר ה-ROI של החדר השמאלי במהלך המחקר. אנו מודים גם לד"ר ארג'ון דב ולד"ר ייג'י וואנג (UCLA) על שסיפקו את המודלים העכבריים של פגיעה לבבית איסכמית חריפה להדמיית מיקרו-CT של הסתיידות לב. עבודה זו נתמכת על ידי מענק תמיכה במרכז הסרטן של NIH (2 P30 CA016042-44).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
C57BL/6J mice | Jackson Laboratory | 664 | Male, 8 weeks old, 24-26 g |
Dexela camera | Varex | 1512 | Detector, 20 ms exposure, 74.8/149.6 µm pixel |
VivoVist | Nanoprobes | 1301-5X0.25ML | CT Contrast agent |
X-ray source | Moxtek | TUB00082 | 50 kV peak, 200 µA, 1.0 mm-thick Al filter |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved