JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

نحن نقدم وصفا شاملا لطريقة بوابات القلب بأثر رجعي الجوهرية ل CrumpCAT ، وهو نموذج أولي للتصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية للحيوانات الصغيرة (CT) تم تصميمه وإنشاؤه في مؤسستنا البحثية.

Abstract

CrumpCAT هو نموذج أولي للتصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية للحيوانات الصغيرة (CT) تم تطويره في مؤسستنا البحثية. يستخدم كاشف CMOS بمعدل إطارات أقصى يبلغ 29 هرتز ومصادر الأشعة السينية التنغستن المماثلة ذات الطاقات التي تتراوح من 50 كيلو فولت إلى 80 كيلو فولت على نطاق واسع عبر أدوات التصوير المقطعي المحوسب قبل السريرية المتاحة تجاريا. هذا يجعل العمل الموصوف وثيق الصلة بالمؤسسات الأخرى ، على الرغم من الحكمة المتصورة عموما بأن هذه الكاشفات ليست مناسبة لبوابات معدلات ضربات القلب العالية للفئران (~ 600 نبضة / دقيقة). يتميز الماسح الضوئي بتصوير متوسط (200 ميكرومتر) وعالي الدقة (125 ميكرومتر) ، والتنظير الفلوري ، وبوابات التنفس بأثر رجعي ، وبوابات القلب بأثر رجعي ، مع إعادة بناء صورة الإسقاط المتكررة أو المرشحة. من بين هذه الميزات ، تعد بوابة القلب الميزة الأكثر فائدة لدراسة وظائف القلب في الجسم الحي ، لأنها تقضي بشكل فعال على ضبابية الصورة الناتجة عن حركة الجهاز التنفسي والقلب.

هنا ، نصف طريقتنا للتصوير المقطعي المحوسب بأثر رجعي بأثر رجعي قبل السريري ، والتي تهدف إلى تطوير البحث حول وظيفة القلب في الجسم الحي وتحليل الهيكل. تكتسب طريقة بوابات القلب عددا كبيرا من الإسقاطات في أقصر وقت تعرض عملي (~ 20 مللي ثانية) ثم تستخرج بأثر رجعي إشارات الجهاز التنفسي والقلب من التغيرات الزمنية في تسلسل الإسقاط الخام. تستخدم هذه الإشارات لرفض الإسقاطات التي تنتمي إلى مرحلة إلهام معدل الحركة العالي للدورة التنفسية ولتقسيم الإسقاطات المتبقية إلى 12 مجموعة ، كل منها يتوافق مع مرحلة واحدة من الدورة القلبية. يتم إعادة بناء كل مجموعة بشكل مستقل باستخدام طريقة تكرارية لإنتاج صورة حجمية لكل مرحلة قلبية ، مما ينتج عنه مجموعة بيانات رباعية الأبعاد (4D).

يمكن تحليل صور المرحلة هذه إما بشكل جماعي أو فردي ، مما يسمح بتقييم مفصل لوظائف القلب. لقد أظهرنا فعالية كلا النهجين لميزة بوابات القلب في الماسح الضوئي النموذجي من خلال نتائج التصوير التمثيلية في الجسم الحي .

Introduction

غالبا ما تستخدم أبحاث الصغيرة مزيجا من طرق التصوير غير الغازية ، مع كون التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية (CT) خيارا بارزا نظرا لنضجه وفعاليته من حيث التكلفة وسرعته1،2 وقدرته على توفير معلومات تكميلية جنبا إلى جنب مع طرائق أخرى مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) 2،3 والتصوير المقطعي المحوسب بإصدار فوتون واحد (SPECT)2،4. ومع ذلك ، مثل تقنيات التصوير الأخرى ، فإن التصوير المقطعي المحوسب عرضة للقطع الأثرية للحركة الفسيولوجية التي يسببها القلب النابض أو التنفس ، مما يؤدي إلى عدم وضوح وتحد من دقة البحث.

لمعالجة هذا القيد ، يمكن التخفيف من عدم وضوح حركة الجهاز التنفسي والقلب من خلال تقنية تعرف باسم البوابات5،6،7،8 ، حيث تتم مزامنة الحصول على البيانات مع مراحل محددة من الدورة القلبية أو التنفسية (أو البوابات). تتضمن إحدى الطرق لتحقيق ذلك ، والمعروفة باسم البوابات المحتملة3،6 ، توصيل أجهزة استشعار بالحيوان لتوفير إشارات بوابة في الوقت الفعلي لماسح ضوئي متوافق. على الرغم من فعاليتها ، إلا أن هذه الطريقة تتطلب عمالة كثيفة وتستغرق وقتا طويلا ، خاصة عند توصيل أجهزة الاستشعار بصدر وأقدام الصغيرة مثل الفئران ، مما يحد من حجم الدراسات. بدلا من ذلك ، تتضمن البوابات الجوهرية بأثر رجعي7،9،10،11 الحصول على بيانات السلاسل الزمنية دون استخدام أجهزة الاستشعار ولكن من خلال تحديد الميزات في البيانات التي تسمح بالفرز بأثر رجعي للنتائج بناء على مرحلتها في الدورة القلبية أو التنفسية. يقدم هذا النهج نتائج مماثلة للبوابات المحتملة ولكن دون الحاجة إلى أجهزة إضافية أو الجهد المبذول في توصيل مستشعر النبض ، وبالتالي يبسط البروتوكولات التجريبية إلى حد كبير.

في طريقتنا للتصوير المقطعي المحوسب للقلب قبل السريري ، نستخدم البوابات الجوهرية بأثر رجعي لاستخراج دورات الجهاز التنفسي والقلب من اختلافات السعة في المناطق في إسقاطات الأشعة السينية التي تظهر أهم التغييرات بين الإطارات المتتالية. لتسهيل هذه العملية ، يتم تسجيل قالب صدر الفأر بشكل مشترك في الإسقاط الخلفي الأمامي الأول باستخدام المعلومات المتبادلة12. بمجرد وضع القالب في مكانه ، يتم تلخيص شدة البكسل في نافذة بالقرب من الحجاب الحاجز لتوليد إشارة تنفسية بديلة ، بينما يتم تلخيص تلك القريبة من عضلة القلب لاشتقاق إشارة القلب البديلة. ثم يتم تصفية هذه الإشارات بتمرير النطاق في المجال الزمني ، ويتم تعيين رقم طور كسري لكل إطار في مجموعة البيانات (بين 0 و 1) بناء على مرحلته التنفسية والقلبية. هذا يسمح باختيار أو رفض الإسقاطات وفقا لقيم الطور الخاصة بها. عادة ، يتم الاحتفاظ بالإطارات المقابلة لمرحلة انتهاء الصلاحية النهائية للدورة التنفسية (0.15 ≤ المرحلة < 0.85) ، بينما يتم التخلص من الإطارات من مرحلة الإلهام ، حيث تكون الحركة أكثر وضوحا. يتم تجميع الإطارات المتبقية في 12 مرحلة قلبية ، يمثل كل منها 1/12 (0.083) من الدورة القلبية ويتم إعادة بنائها في صور ثلاثية الأبعاد باستخدام طريقة تكرارية (تعظيم توقعات المجموعة الفرعية المرتبة [OSEM])13،14. يتم تلخيص العملية برمتها في الشكل 1.

Protocol

تمت مراجعة البروتوكولات التجريبية للحيوانات والموافقة عليها من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدامه بجامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس (UCLA). تم استخدام الفئران C57BL / 6J (8 أسابيع ، ذكور ، 24-26 جم) في هذا البروتوكول. الماسح الضوئي المقطعي المحوسب المستخدم في هذه الدراسة هو CrumpCAT (الشكل 2) ، وهو نموذج أولي تم تطويره في مؤسستنا البحثية للأبحاث قبل السريرية ، مما يوفر لنا التحكم والمرونة اللازمة لتحسين بروتوكولات الاستحواذ وإعادة البناء. تفترض الطريقة أن معدل ضربات القلب للفئران المخدرة لن يزيد معدل ضربات القلب عن 600 نبضة / دقيقة ومعدل تنفس يتراوح بين 20 و 180 نفسا /دقيقة 15.

1. إعدادات المعدات

  1. قم بتشغيل مصدر الأشعة السينية بجهد ذروة يبلغ 50 كيلو فولت بتيار مستمر يبلغ 200 ميكرو أمبير.
  2. اضبط تجميع بكسل كاميرا الأشعة السينية على 2 ووقت التعريض الضوئي إلى أقصر قيمة عملية (20 مللي ثانية من وقت التعرض بالإضافة إلى 14 مللي ثانية وقت قراءة لإجمالي وقت أخذ العينات 34 مللي ثانية).
    ملاحظة: يحتوي خيار no-binning (binning 1) على معدل إطارات أبطأ، وبالتالي لا يمكن استخدامه لعمليات الاستحواذ ذات البوابات. يبلغ الحد الأقصى لمعدل الإطارات حوالي 30 إطارا / ثانية.

2. تحضير

  1. تخدير الفئران بمزيج من الأكسجين وغاز الأيزوفلوران بتركيز 2.0٪.
  2. احتفظ بالحيوانات تحت التخدير لمدة 10 دقائق قبل التصوير المقطعي المحوسب، للتأكد من استقرار العلامات الحيوية واسترخاء لتجنب أي حركة للجسم أثناء الفحص. احكم على عمق تخدير الفأر من خلال عدم وجود منعكس قرصة إصبع القدم عند الضغط بإحكام على الحزام بين أصابع القدم بأظافر.
  3. لكي يتمكن التصوير القلبي من تصور غرف القلب ، قم بحقن 100 ميكرولتر من عامل تباين التصوير المقطعي المحوسب عن طريق الوريد عبر وريد الذيل مباشرة قبل التصوير المقطعي المحوسب (الشكل 3 أ).
  4. ضع الفأر المخدر داخل غرفة التصوير المقطعي المحوسب (الشكل 3 ب).

3. الحصول على البيانات

  1. قم بتشغيل برنامج CrumpCAT.
  2. التصوير المقطعي المحوسب غير المسور بدقة عالية (125 ميكرومتر، التجميع 1) (الشكل 4 أ)
    1. أدخل معرف الدراسة على واجهة المستخدم.
    2. حدد Mouse Hi-Res في القائمة المنسدلة البروتوكول .
    3. انقر فوق الزر Scan على واجهة المستخدم للحصول على 720 إسقاطا مع وقت تعرض يبلغ 80 مللي ثانية / إسقاط.
  3. التصوير المقطعي المحوسب غير المسور بدقة متوسطة (200 ميكرومتر، التجميع 2) (الشكل 4 ب)
    1. أدخل معرف الدراسة على واجهة المستخدم.
    2. حدد Mouse Standard في القائمة المنسدلة البروتوكول .
    3. انقر فوق الزر Scan على واجهة المستخدم للحصول على 720 إسقاطا مع وقت تعرض يبلغ 100 مللي ثانية / إسقاط.
  4. التصوير المقطعي المحوسب المسور (200 ميكرومتر ، binning 2) (الشكل 4C)
    1. أدخل معرف الدراسة على واجهة المستخدم.
    2. حدد بوابات القلب في القائمة المنسدلة البروتوكول .
    3. انقر فوق الزر Scan على واجهة المستخدم ، واحصل على 21,600 إسقاط مع وقت تعرض يبلغ 20 مللي ثانية / إسقاط.

4. المعالجة المسبقة للبيانات

ملاحظة: خطوات المعالجة المسبقة مطلوبة فقط لعمليات الاستحواذ ذات البوابات. يتم تنفيذ كل هذه الخطوات تلقائيا بواسطة برنامج إعادة الإعمار ولا يلزم تدخل المشغل.

  1. استخراج الإشارة
    1. للتسجيل المشترك لقالب الصدر ، دع صورة صغيرة (قالب) تمثل بشكل خشن صدر الفأر مع الأضلاع والقلب والرئتين والكبد يتم تسجيلها تلقائيا في أول إسقاط للأشعة السينية ، عن طريق تعظيم المعلومات المتبادلة12 بين الإسقاط والقالب (الشكل 5).
      ملاحظة: يتم تنفيذ عمليات الترجمة فقط على القالب ويتم استخدام القالب المسجل بشكل مشترك لتحديد مناطق الاهتمام (ROIs) على جميع التوقعات.
    2. لاستخراج إشارة الجهاز التنفسي ، اسمح بتعيين عائد استثمار مستطيل (ROI-1) في القالب لتمثيل الحجاب الحاجز والإشارة التنفسية التي سيتم إنشاؤها عن طريق جمع شدة البكسل داخل ROI-1 لكل إسقاط (الشكل 5).
    3. لاستخراج إشارة القلب ، دع عائد استثمار مستطيل ثان (ROI-2) يتم تعيينه في القالب بالقرب من القلب ، والإشارة القلبية التي تم إنشاؤها عن طريق جمع شدة البكسل في ROI-2 لكل إسقاط (الشكل 5).
      ملاحظة: يتم تسجيل قالب الصدر بشكل مشترك فقط في الإسقاط الأول لتحديد صفوف الصور والأعمدة (النافذة) التي يجب استخدامها لاستخراج الإشارة. هذه النافذة واسعة بما يكفي لتشمل جميع الإسقاطات طالما أن متمركز بشكل معقول ، كما هو الحال عند استخدام سرير16.
  2. مرشح تمرير النطاق
    1. السماح بإنشاء مرشاح تمرير النطاق من خلال الجمع بين وظيفتين من Sinc مع ترددات قطع مختلفة في المجال الزمني17، والتي تتوافق مع مرشحات التمرير المنخفض في مجال التردد كما هو موضح أدناه.
    2. دع البرنامج يطبق مرشح تمرير النطاق على إشارة القلب باستخدام نطاق تردد [300 ، 600] دقيقة -1 (الشكل 6 أ).
      ملاحظة: لا تزال الإشارة القلبية غير المفلترة (الشكل 6 ب) تحتوي على مساهمة كبيرة من حركة الجهاز التنفسي.
    3. وبالمثل ، دع إشارة الجهاز التنفسي يتم تصفيتها باستخدام نطاق تردد [20 ، 300] دقيقة -1. يتم الحفاظ على التوافقيات الأعلى لإنتاج إشارة ليست مجرد جيبية وتحدد بشكل أكثر وضوحا المرحلتين الرئيسيتين: الإلهام والزفير.
      ملاحظة: في هذه المرحلة ، يمكن بسهولة استيفاء كل من إشارات الجهاز التنفسي والقلب واعتبارها وظائف مستمرة للوقت لغرض حساب رقم الطور الكسري.
  3. تعيين المرحلة
    1. دع البرنامج يحدد بداية كل دورة (الجهاز التنفسي أو القلبي) من خلال إيجاد المعابر الصفرية للمشتق الأول للإشارة. يتوافق كل تقاطع صفري مع الحد الأقصى في الإشارة ويمثل بداية دورة جديدة ونهاية الدورة السابقة. على سبيل المثال ، انظر إشارة الجهاز التنفسي في الشكل 7.
    2. السماح بتعيين قيمة طور كسري (بين 0 و 1) لكل إسقاط لكل من الإشارتين (الجهاز التنفسي أو القلب).
      ملاحظة: بحكم التعريف ، تحتوي نقطة البداية على قيمة طور كسري تساوي صفرا (للدورة الحالية) أو واحدة (للدورة السابقة).
  4. أقنعة الاختيار
    1. دع يتم إنشاء 12 قناعا ثنائيا (واحد لكل مرحلة قلبية) لتحديد الإسقاطات التي تنتمي إلى كل مرحلة. يحتوي كل قناع على 21,600 إدخال (واحد لكل إسقاط) إما 0 أو 1 ، مما يعني رفض هذا الإسقاط أو الاحتفاظ به ، على التوالي.
    2. لكل قناع (مرحلة) ، لاحظ أن البرنامج يشير إلى ما إذا كان يتم الاحتفاظ بالإسقاط (1) أو التخلص منه (0) وفقا لرقم الطور الكسري. بالنسبة للمرحلة 0 ، يتم الاحتفاظ بالإسقاطات ذات قيمة الطور القلبي في الفاصل الزمني [0 ، 1/12]. بالنسبة للمرحلة 1 ، يتم الاحتفاظ بقيم المرحلة القلبية في الفاصل الزمني [1/12 ، 2/12] ، وهكذا.
    3. لكل قناع (مرحلة) ، لاحظ أن أي إسقاطات ذات مرحلة تنفسية أقل من 0.15 أو أكبر من 0.85 يتم رفضها (0 في القناع) لأنها تنتمي إلى مرحلة الإلهام ، التي لها أكبر حركة (الشكل 8 أ). يوضح الشكل 8 ب تعيين المرحلة القلبية للتوقعات لأول 2 ثانية.
      ملاحظة: لم يتم إدخال أي تحيز كبير في عملية الاختيار هذه لأن عدد الإسقاطات لكل مرحلة كان ثابتا نسبيا عند 1,800 ± 194.

5. إعادة بناء الصورة

  1. بالنسبة لعمليات التصوير المقطعي المحوسب غير المسورة ، أعد بناء الصور بدقة متوسطة (200 ميكرومتر) أو عالية (125 ميكرومتر) باستخدام خوارزمية الإسقاط الخلفي المصفى (Feldkamp18) باستخدام مرشح Shepp-Logan.
  2. بالنسبة لفحوصات التصوير المقطعي المحوسب ببوابات القلب ، أعد بناء كل صورة من صور المرحلة القلبية باستخدام خوارزمية OSEMالتكرارية 13 ، مع 12 مجموعة فرعية و 8 تكرارات ، مع مراعاة الإسقاطات المختارة التي تساهم في مرحلة معينة فقط (كما هو موضح في قناع ثنائي لاختيار الطور).
  3. لتقليل الضوضاء ، قم بتطبيق مرشح متوسط ما بعد إعادة البناء في البعد الزمني (أي عبر الصور) ومرشح 3D-Gaussian خفيف في البعد المكاني (σ = 38 ميكرومتر).
    ملاحظة: لإعادة بناء الصورة ذات بوابات الجهاز التنفسي ، استخدم جميع مراحل القلب بشكل غير واضح. يتم تطبيق تصحيح تصلب الشعاع (تصحيح الماء) على كل عملية إعادة بناء.

6. تقييم الصورة وقياس حجم البطين الأيسر (LV)

  1. افتح صورة التصوير المقطعي المحوسب في عارض DICOM مثل Amide19 (الشكل 9 أ).
  2. قم بتحسين تباين الصورة المرئية عن طريق تعيين نطاق قيمة التصوير المقطعي المحوسب (المقاسة بوحدة Hounsfield [HU]) على أنه [-500، 500] (الشكل 9 أ).
  3. تقييم جودة الصورة
    1. ارسم عائد استثمار للمنطقة المتكلسة ، والتي يتم تعريفها على أنها المنطقة حول الحد الأقصى بقيمة CT أكبر أو تساوي 85٪ من الحد الأقصى لقيمة HU (الشكل 9 ب).
    2. استخدم نسبة التباين إلى الضوضاء (CNR)20,21 كمقياس لتقييم جودة الصورة وقدرتها على تحديد الهياكل الصغيرة، مثل التكلسات الصغيرة:
      figure-protocol-9425,
      حيث يمثل I و σ متوسط الشدة والانحراف المعياري للمنطقة: التكلس (المنخفض C) أو الخلفية (الكتابة السفلية B).
  4. قياس حجم البطين الأيسر
    1. ارسم عائد استثمار ثلاثي الأبعاد مجانا لتحديد الجهد المنخفض في كل مرحلة (الشكل 10 أ).
    2. قم بتحديد حجم الجهد المنخفض عن طريق حساب فوكسل بقيمة CT عتبة تبلغ 730 HU (الشكل 10 ب). تظهر مخططة لأحجام الجهد المنخفض في الشكل 10 ج.
      ملاحظة: عتبة قيمة CT ليست مطلقة. يعتمد ذلك على عامل التباين المستخدم ، وحجم ، والإجهاد ، والحالة الصحية ، والوقت بين الحقن والتصوير المقطعي المحوسب. Amide هو برنامج موزع بحرية تم تطويره في معهدنا ، ولكن تتوفر برامج عرض صور أخرى أكثر تطورا (على سبيل المثال ، ORS Dragonfly22).

النتائج

قمنا أولا بمقارنة صور التصوير المقطعي المحوسب غير المسورة والمسورة لتصور تكلس القلب في الفئران (ذكور ، 30-32 جم). تم إنشاء نموذج الفئران لتكلس القلب عن طريق إحداث إصابة قلبية عن طريق التجميد السريع والذوبان في أنسجة القلب (إصابة التبريد) ، كما هو موضح سابقا23. باستخدام بروتوكولات التصوير المقطعي المحوسب غير المسورة ، تم تحديد تكلسات القلب بشكل أكثر وضوحا على الصورة عالية الدقة (125 ميكرومتر ، binning 1) (الشكل 11 أ). كان CNR 3.2 ± 0.3 و 4.0 ± 0.2 على الصور المتوسطة (200 ميكرومتر ، binning 2) - وعالية (125 ميكرومتر ، binning 1) ، على التوالي. في الصور المسورة (الشكل 11 ب) ، كان CNR 4.2 ± 0.1 (بوابات تنفسية فقط) و 5.2 ± 0.4 (بوابات الجهاز التنفسي والقلبي). لذلك ، قدمت بوابات الجهاز التنفسي تحسنا بنسبة 5٪ فقط مقارنة بالصور عالية الدقة (CNR 4.2 مقابل 4.0). في المقابل ، قدمت بوابة القلب تحسنا بنسبة 30٪ (5.2 مقابل 4.0).

ثم استخدمنا طريقة التصوير المقطعي المحوسب بأثر رجعي لتصور وقياس حجم الجهد المنخفض أثناء الدورة القلبية في الفئران C57BL / 6J. للكشف بشكل أفضل عن التغيير في حجم الجهد المنخفض أثناء الدورة القلبية ، يمكن العثور على حلقة كفيديو قصير في الفيديو التكميلي S1. خلال الدورة القلبية ، كان حجم الجهد المنخفض في نهاية الانقباض في المتوسط 14 ± 4 مم3 ، بينما في نهاية الانبساط ، كان في المتوسط 33 ± 7 مم3. كانت كسور القذف المحسوبة في المتوسط 60 ± 4٪. نعرض في الشكل 10C مخطط حجم الجهد المنخفض لثلاثة فئران. بالإضافة إلى ذلك ، تعد طريقة التصوير المقطعي المحوسب بأثر رجعي ذات بوابات القلب مفيدة للمراقبة غير الغازية لضعف القلب بعد الاحتشاء في نماذج الفئران لإصابة القلب الإقفارية الحادة24.

بالإضافة إلى ذلك ، كان معدل ضربات القلب للحيوانات يتراوح من 315 إلى 425 نبضة / دقيقة ومعدل تنفس من 25 إلى 50 نفسا / دقيقة. تظهر مقتطفات من إشارات الجهاز التنفسي والقلب المستخرجة من الإسقاطات الأولية في الشكل 12. تحتوي الإشارة القلبية الخام على سعة أصغر من الإشارة التنفسية وتحتوي على بعض الإشارات التنفسية ، والتي تتم إزالتها لاحقا بواسطة مرشح ممر النطاق. يظهر الفيديو التكميلي S1 القلب النابض ويوفر تقديرا نوعيا لحالة القلب.

figure-results-2336
الشكل 1: ملخص رسومي لبوابة القلب. الاختصارات: LV = البطين الأيسر. عائد الاستثمار = منطقة الاهتمام. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2779
الشكل 2: عرض CrumpCAT ومكوناته الرئيسية. اختصار: CMOS = أشباه الموصلات التكميلية لأكسيد المعادن. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3220
الشكل 3: تحضير. (أ) يتم حقن الفأر بعامل التباين ، و (ب) حجرة الفأر المسخنة 37 درجة مئوية المستخدمة لمسح16. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3731
الشكل 4: واجهة مستخدم برنامج CrumpCAT. (أ) إعدادات واجهة المستخدم لتصوير التصوير المقطعي المحوسب غير المسور بدقة عالية (125 ميكرومتر ، binning 1). (ب) إعدادات واجهة المستخدم لتصوير التصوير المقطعي المحوسب غير المسور بدقة متوسطة (200 ميكرومتر، التجميع 2). (ج) إعدادات واجهة المستخدم لتصوير التصوير المقطعي المحوسب المسور (200 ميكرومتر، التجميع 2). لتشغيل الماسح الضوئي ، يحتاج المستخدم إلى: (1) إدخال رقم دراسة ، (2) تحديد بروتوكول التصوير المقطعي المحوسب ، و (3) الضغط على زر المسح الضوئي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4633
الشكل 5: قالب الصدر (القلب ، القفص الصدري ، الكبد) المستخدم لتحديد موقع النوافذ لاستخراج إشارات الجهاز التنفسي والقلبي. الاختصار: عائد الاستثمار = منطقة الاهتمام. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5140
الشكل 6: إشارة القلب. (أ) معالجة الإشارة في مجال التردد. يظهر التتبع الرمادي محتويات تردد إشارة القلب الخام التي تم الحصول عليها عن طريق حساب طيف الطاقة الخاص بها. ترددات الاهتمام حوالي 500 / دقيقة. يظهر التتبع الأسود الإشارة بعد تطبيق مرشح تمرير النطاق للاحتفاظ بالترددات فقط بين 300 و 600 نبضة / دقيقة. (ب) أعلى: مخطط إشارة القلب الخام في المجال الزمني. تهيمن على هذه الإشارة حركة الجهاز التنفسي (تقلبات كبيرة) ؛ إشارة القلب الفعلية هي التذبذب الضعيف. أسفل: نسخة مفلترة من إشارة القلب: تمت إزالة الإشارة التنفسية تاركة إشارة قلبية نظيفة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6060
الشكل 7: إشارة الجهاز التنفسي. إشارة الجهاز التنفسي الخام (أعلى) ونسختها التي تم تمريرها بالنطاق (الثانية). تظهر الإشارة المشتقة (الثالثة) مع تمييز المعابر الصفرية. هذه تحدد القمم في إشارة الجهاز التنفسي. في المقابل ، تشير هذه القمم إلى بداية الدورة (قيمة المرحلة 0) ، كما هو موضح في التتبع الرابع. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6705
الشكل 8: اختيار الإسقاط. (أ) يوضح هذا إشارة الجهاز التنفسي كدالة لرقم الإسقاط. يتم تحديد الإسقاطات المقبولة بواسطة النقاط السوداء. (ب) يظهر هذا إشارة القلب جنبا إلى جنب مع رقم المرحلة القلبية المخصص لكل إسقاط. يتم حساب رقم المرحلة من الفارق الزمني بين الإسقاط وبداية الدورة الأخيرة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7366
الشكل 9: التكلسات. (أ) ملف الصورة كما هو معروض مع Amide بمقياس رمادي وبمستويات نافذة من قيم CT [-500 ، 500] HU. (ب) عملية تحديد التكلس: مناظر عرضية وإكليلية وسهمية للصور غير المسورة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7927
الشكل 10: تحليل البطين الأيسر. (أ) البطين الأيسر المحدد يدويا (أصفر). معدل ضربات القلب: 418 نبضة / دقيقة ، معدل التنفس 39 نفسا / دقيقة. (ب) البطين الأيسر عتبة عند قيمة التصوير المقطعي المحوسب 730 HU (أزرق). (ج) مخطط لحجم البطين الأيسر في كل مرحلة من مراحل الدورة لثلاثة فئران. يظهر كسر القذف المحسوب بين قوسين. كان معدل ضربات القلب / معدل التنفس لتلك الفئران الثلاثة: الخط الرمادي 362 نبضة / دقيقة و 53 نفسا / دقيقة. الخط الأسود 420 نبضة / دقيقة و 59 نفسا / دقيقة ؛ الخط المتقطع 315 نبضة / دقيقة و 45 نفسا / دقيقة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-8842
الشكل 11: مقارنة بين نسبة التباين إلى الضوضاء. (أ) الصور غير المسورة ، و (ب) الصور ذات البوابات (معدل ضربات القلب: 408 نبضة / دقيقة ، معدل التنفس: 49 نفسا / دقيقة). المختصرات: CNR = نسبة التباين إلى الضوضاء. R- بوابات = بوابات تنفسية. C- بوابات = بوابات القلب. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-9486
الشكل 12: مقتطفات من الإشارات. (أ) الإشارة التنفسية الخام المستخرجة من شدة النافذة التنفسية ، و (ب) الإشارة القلبية الخام المستخرجة من الشدة في نافذة القلب. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الفيديو التكميلي S1: حلقة سينمائية ببوابات القلب تكشف عن التغيير في حجم الجهد المنخفض أثناء دورة القلب في الفأر. معدل ضربات القلب: 418 نبضة / دقيقة ، معدل التنفس: 39 نفسا / دقيقة. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الفيديو.

Discussion

تطبيق الأجهزة المحدد الموضح هنا هو نظام التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية المصنوع خصيصا ومعهدنا ، ولكن الكاشف المحدد يستخدم على نطاق واسع عبر أدوات التصوير المقطعي المحوسب قبل السريرية المتاحة تجاريا ، مما يجعل العمل الموصوف وثيق الصلة بالمؤسسات الأخرى. هذا النظام هو النموذج الأولي وظيفيا لنظامين فرعيين متاحين تجاريا ومستخدمين على نطاق واسع في الجسم الحي للأشعة السينية microCT مدمجين
في ماسحات التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني / التصوير المقطعي المحوسب قبل السريرية. تشترك هذه الماسحات الضوئية microCT في بنية الكاشف والأداء (حجم البكسل ، والحساسية ، و DQE ، ومعدل الإطارات ، وما إلى ذلك). يستخدم نفس الكاشف أيضا في أنظمة التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني / التصوير المقطعي المحوسب و SPECT / CT قبل السريرية قبل العديد من الشركات المصنعة التجارية الأخرى لأنظمة ما قبل السريرية في الجسم الحي . لذلك ، يتم تقاسم أداء الكاشف بين جزء كبير من أجهزة التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني / التصوير المقطعي المحوسب و SPECT / CT قبل السريرية المتوفرة تجاريا والمثبتة في جميع أنحاء العالم. على هذا النحو ، إذا تمت برمجتها بشكل صحيح ، يمكن لجميع هذه الأنظمة أن تصل إلى نفس معدلات الإطارات ، وهي المعلمة الحاسمة التي تمكن العمل الموصوف. في حين أن معظم المستخدمين لا يستطيعون الوصول إلى البيانات الأولية لأنظمة التصوير المقطعي المحوسب الدقيقة التي يتم شراؤها تجاريا ، يمكن استخدام العمل الموصوف هنا كنموذج للمستخدمين والبائعين لأدوات ما قبل السريرية في الجسم الحي ، لتوضيح ما هو ممكن مع الأجهزة المحدودة المضمنة بالفعل في هذه الأدوات.

بالإضافة إلى الكاشف ، يتم استخدام مصادر الأشعة السينية التنغستن (W) أيضا من قبل جميع أنظمة التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني / التصوير المقطعي المحوسب قبل السريرية المتاحة تجاريا تقريبا ، مع ترشيح مماثل من الألومنيوم ، والأشعة السينية ذات الطاقات التي تتراوح بين 50-80 كيلو فولت. يستخدم مصطلح kVp لوصف طيف الأشعة السينية الناتج عن جهد الأنبوب الاسمي باعتباره ذروة جهد الجهد الذي يوفره مصدر الطاقة. هذا يترك المعلمة الأكثر أهمية التي تختلف بين كل هذه الأنظمة لتكون مصدر الطاقة. في هذا العمل ، تكون قوة المصدر (10 واط) في الطرف الأدنى من مصادر W المماثلة المستخدمة في التصوير قبل السريري في الجسم الحي . لذلك ، يجب أن تؤدي المصادر الأكثر قوة على الأقل كما هو الحال في العمل الموصوف وبضوضاء أقل ، أو أوقات اكتساب أقصر على حساب جرعة الإشعاع المرتفعة.

هناك عدد قليل جدا من الأوراق التي تستكشف البوابات في نماذج الماوس ، حيث أن الحكمة التقليدية هي أن معدل ضربات قلب الماوس (~ 600 نبضة / دقيقة أو ~ 10 هرتز) مرتفع جدا بالنسبة للأجهزة المتاحة. معدل ضربات القلب هذا مخصص للفئران الواعية إما أثناء الراحة أو في التمرين الكامل ، لأن الفئران تغير بشكل أساسي جزء القذف وتحافظ على معدل ضربات القلب. تحت التخدير ، يكون معدل ضربات القلب أقل (300-500 نبضة / دقيقة). يمكن لمعدل إطار الكاشف البالغ 29 هرتز إعادة إنتاج مدى ونطاق حركة القلب الدورية بأي من هذه المعدلات. الافتراض الأساسي هو أننا بحاجة إلى تلبية معيار Nyquist لحركة القلب الدورية التي سيكون من الضروري أن يكون معدل الإطارات ~ 20 هرتز فقط ضروريا عند 600 نبضة / دقيقة (10 هرتز). يتم استخدام كاشف OEM المعين الذي استخدمناه هنا أيضا من قبل أربعة مصنعين مستقلين على الأقل لأدوات التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني / التصوير المقطعي المحوسب قبل السريرية ، وبالتالي ، فإن هذا العمل ممكن بالفعل مع كل هذه الأدوات.

وقت إعادة تدوير الدم في الفئران هو بضع ثوان ، وعادة ما يكون هناك حاجة إلى وقت 2-3 دقائق بين حقن عامل التباين ووقت بدء الفحص الفعلي ، بسبب وضع في الأعلى ، وكذلك بسبب الأشعة السينية وتكوين / تهيئة الأجهزة الجسرية الدوارة. الجانب المهم هو أن المستخدم يحتاج إلى التأكد من عدم تأخير بدء الفحص ، حيث يستغرق الحصول على 21,000 إسقاطات حوالي 10 دقائق إضافية.

تراوحت مدة المرحلة القلبية الواحدة في دراستنا من 12 إلى 15 مللي ثانية. بالنظر إلى وقت التعرض لدينا البالغ 20 مللي ثانية ، فإن بعض الحديث المتبادل بين المراحل أمر لا مفر منه. على سبيل المثال ، قد تتضمن المرحلة 2 من 5 إلى 8 مللي ثانية (مقسمة بالتساوي) من البيانات من المراحل المجاورة (المرحلتين 1 و 3) ، مما قد يتسبب في عدم وضوح طفيف خلال فترات الحركة السريعة ، مثل الانبساط. للتخفيف من ذلك ، من المهم التأكد من تخدير الماوس بشكل صحيح ، وتحقيق معدل ضربات قلب أقل من 600 نبضة / دقيقة (10 هرتز). بالإضافة إلى ذلك ، فإن التخدير المناسب من شأنه أن يقلل من حركة الاسترخاء خلال فترة الفحص الطويلة نسبيا. كانت جرعات الإشعاع للحيوان ، للفحوصات المسورة مقابل غير المسورة ، ~ 450 و 50 مللي غراي ، على التوالي.

نظرا لأن عملية الحصول على البيانات هذه هي تطبيق كمبيوتر في الوقت الفعلي ، فمن الضروري أن يعمل برنامج الاستحواذ بأولوية قصوى وبتشغيل الحد الأدنى من التطبيقات المتزامنة. قد يؤدي عدم تنفيذ هذه الاحتياطات إلى تلقي إطارات الصور بشكل أسرع مما يمكن للكمبيوتر التعامل معه ، مما يؤدي إلى تجاوز التجاوز والتسبب في فشل الفحص.

العيب الرئيسي لطريقة البوابات بأثر رجعي هو أنها تتجاهل بعض البيانات ، لكن فقدان البيانات يمكن التحكم فيه. من الناحية العملية وبإجمالي 21,000 إسقاطات ، يتم أخذ عينات كبيرة من البيانات في الاتجاه الزاوي. لقد تحققنا من عدم وجود فجوات زاوية كبيرة في أي مسح ، وبالتأكيد أصغر بكثير من التباعد البالغ 0.5 درجة الذي استخدمناه لإعادة بناء الصورة (720 إسقاطا فوق 360 درجة). على سبيل المثال ، مع معدل الإطارات البالغ 29 إطارا في الثانية ، وتنفس الماوس بمعدل 1 / ثانية وحق النقض بنسبة 30٪ من الإطارات ، رفضنا 8.7 إطارا لكل نفس (أي حجم الفجوة هو 8.7 إطارات) -8.7 / 21600 أو 0.145 درجة لكل فجوة. بالمناسبة ، هذا هو سبب استخدام طريقة إعادة البناء التكرارية وليس فيلدكامب. النتيجة المحتملة الثانوية لتجاهل البيانات (مقارنة ببوابة المستقبل) هي أن جرعة الإشعاع يمكن أن تزداد بسبب عدم وجود آلية مصراع للأجهزة لمنع شعاع الأشعة السينية أثناء فترات النقض (على سبيل المثال ، أثناء مرحلة الإلهام). لكي يكون هذا عاملا ، يجب تنفيذ آليات الغالق هذه بالكامل ونشطة أثناء البوابات المحتملة.

فيما يتعلق بطريقة إعادة بناء البيانات ، يمكن أن تكون الطرق الأخرى جيدة أو حتى أفضل من نهجنا الحالي مع OSEM ، ولكن تركيز هذا العمل ليس الحصول على أفضل وأقل عمليات إعادة بناء ممكنة للضوضاء. بدلا من ذلك ، نريد أن نثبت أنه يمكننا إجراء بوابات القلب باستخدام كاشف شائع الاستخدام يحتوي على معدل إطارات محدود نسبيا ومصدر أشعة سينية منخفض الطاقة. لقد وجدنا أن استخدام طريقة إعادة بناء OSEM يعمل بشكل جيد ضمن قيود أجهزتنا الحسابية وله تنفيذ عمل جيد.

في الوقت نفسه ، تقدم طريقتنا العديد من المزايا ، بما في ذلك البساطة ، لأنها لا تتطلب أي أجهزة خاصة. العامل المحدد الرئيسي لتنفيذ طريقتنا هو الحد الأقصى لمعدل إطارات كاميرا الأشعة السينية (29 هرتز) وأقصر وقت تعرض (20 مللي ثانية). تستخدم الكاميرا على نطاق واسع في أدوات التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية قبل السريرية للعديد من الشركات المصنعة ويمكن استخدام الطريقة المقترحة مع أي ماسح ضوئي يمكنه تحقيق هذه المعلمات ، حتى تلك غير المجهزة لقبول إشارات البوابات. علاوة على ذلك ، تتطلب أنظمة التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية بالأشعة السينية ذات الأشعة السينية التنغستن الأقل قوة تعريضا أطول ولكنها لا تشكل تحديا لا يمكن التغلب عليه. بالإضافة إلى ذلك ، لا يحتاج الباحثون إلى تدريب وممارسة مكثفة في توصيل أجهزة الاستشعار بالحيوانات الصغيرة للحصول على معلومات التنفس والنبض ، أو ضبط إشارة التحفيز للحصول على البيانات ، كما هو ضروري مع البوابات المحتملة.

بينما كانت التكلسات مرئية عبر جميع بروتوكولات التصوير في ماسح التصوير المقطعي المحوسب CrumpCAT الخاص بنا ، كان CNR أعلى في الصور المسورة ، حتى مع دقة أقل. تشير هذه النتيجة إلى أن بوابات القلب ليست مفيدة فقط للدراسات التي تركز على الجوانب الديناميكية للقلب النابض ولكنها مفيدة أيضا للبحث الذي يتضمن تكلسات صغيرة بالقرب من القلب أو الأجزاء التشريحية الأخرى المتأثرة بالحركة الفسيولوجية ، حيث يكون وضوح الصورة المعزز أمرا بالغ الأهمية.

إجمالي وقت إعادة الإعمار هو ~ 30 ضعف وقت إعادة البناء المعتاد بسبب عدد أكبر من الإسقاطات ووجود 12 مرحلة. ومع ذلك ، فإن خطوة معالجة الإشارة تضيف القليل جدا من النفقات العامة (<1٪) إلى وقت إعادة البناء الإجمالي. يمكن تحسين طريقة إعادة البناء نفسها من خلال استغلال حقيقة أن البيانات مرتبطة بين المراحل. من شأن إعادة بناء المفصل (في الوقت المناسب) أو استخدام طرق التعلم العميق25 أن تنتج صورا ذات ضوضاء أقل وتلغي الحاجة إلى مرشحات ما بعد إعادة الإعمار المتوسطة والمرشحات الغوسية.

Disclosures

الدكتور ريتشارد تاشيرو هو مستشار في Sofie Biosciences و Xodus Imaging. الدكتور آريون ف. شاتزيوانو هو مؤسس Sofie Biosciences.

Acknowledgements

نشكر جميع أعضاء مركز تكنولوجيا التصوير قبل السريري بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس كرامب على مساعدتهم ودعمهم. على وجه الخصوص ، نشكر ميكايلا تامبولين وإيزابيل داي على إعداد للتصوير المقطعي المحوسب للقلب ونشكر صوفي شوميلوف على توليد بعض عائد الاستثمار للبطين الأيسر أثناء الدراسة. نشكر أيضا الدكتورين أرجون ديب وييجي وانغ (جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس) على تقديم نماذج الفئران لإصابات القلب الإقفارية الحادة للتصوير المصغر بالتصوير المضغوط لتكلس القلب. يتم دعم هذا العمل من قبل منحة دعم مركز المعاهد الوطنية للصحة للسرطان (2 P30 CA016042-44).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
C57BL/6J miceJackson Laboratory664Male, 8 weeks old, 24-26 g
Dexela cameraVarex1512Detector, 20 ms exposure, 74.8/149.6 µm pixel
VivoVistNanoprobes1301-5X0.25MLCT Contrast agent
X-ray sourceMoxtekTUB0008250 kV peak, 200 µA, 1.0 mm-thick Al filter

References

  1. Schambach, S. J., Bag, S., Schilling, L., Groden, C., Brockmann, M. A. Application of micro-CT in small animal imaging. Methods. 50 (1), 2-13 (2010).
  2. Koba, W., Jelicks, L. A., Fine, E. J. MicroPET/SPECT/CT imaging of small animal models of disease. Am J Pathol. 182 (2), 319-324 (2013).
  3. Hutchins, G. D., Miller, M. A., Soon, V. C., Receveur, T. Small animal PET imaging. ILAR J. 49 (1), 54-65 (2008).
  4. Franc, B. L., Acton, P. D., Mari, C., Hasegawa, B. H. Small-animal SPECT and SPECT/CT: important tools for preclinical investigation. J Nucl Med. 49 (10), 1651-1663 (2008).
  5. Badea, C. T. H. L., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. Micro-CT with respiratory and cardiac gating: Micro-CT with respiratory and cardiac gating. Med Phys. 31 (12), 3324-3329 (2004).
  6. Guo, X., Johnston, S. M., Qi, Y., Johnson, G. A., Badea, C. T. 4D micro-CT using fast prospective gating. Phys Med Biol. 57 (1), 257 (2011).
  7. Drangova, M., Ford, N. L., Detombe, S. A., Wheatley, A. R., Holdsworth, D. W. Fast retrospectively gated quantitative four-dimensional (4D) cardiac micro computed tomography imaging of free-breathing mice. Invest Radiol. 42 (2), 85-94 (2007).
  8. Blocker, S. J., Holbrook, M. D., Mowery, Y. M., Sullivan, D. C., Badea, C. T. The impact of respiratory gating on improving volume measurement of murine lung tumors in micro-CT imaging. PLoS One. 15 (2), e0225019 (2020).
  9. Bartling, S. H., et al. Retrospective motion gating in small animal CT of mice and rats. Invest Radiol. 42 (10), 704-714 (2007).
  10. Kuntz, J., et al. Fully automated intrinsic respiratory and cardiac gating for small animal CT. Phys Med Biol. 55 (7), 2069 (2010).
  11. Hahn, A., Sauppe, S., Lell, M., Kachelrieß, M. Automatic intrinsic cardiac and respiratory gating from cone-beam CT scans of the thorax region. SPIE Proc. Med Imaging. 9783, 200-205 (2016).
  12. Maes, F., Vandermeulen, D., Suetens, P. Medical image registration using mutual information. Proc IEEE. 91 (10), 1699-1722 (2003).
  13. Sheng, J., Chen, B., Ma, Y., Shi, Y. A novel reconstruction approach combining OSEM and split Bregman method for low dose CT. Biomedical Signal Processing and Control. 62, 102095 (2020).
  14. Romdhane, H., Cherni, M. A., Sallem, D. B. On the efficiency of OSEM algorithm for tomographic lung CT images reconstruction. 2016 Second International Image Processing, Applications and Systems (IPAS). , (2016).
  15. Ewald, A. J., Werb, Z., Egeblad, M. Monitoring of vital signs for long-term survival of mice under anesthesia. Cold Spring Harb Protoc. 2, 5563 (2011).
  16. Suckow, C., et al. Multimodality rodent imaging chambers for use under barrier conditions with gas anesthesia. Mol Imaging Biol. 11 (2), 100-106 (2009).
  17. Owen, M. . Practical signal processing. , 81 (2007).
  18. Feldkamp, L. A., Davis, L. C., Kress, J. W. Practical cone-beam algorithm. J Opt Soc Am. A-optics Image Sci Vision. 1 (6), 612-619 (1984).
  19. Loening, A. M., Gambhir, S. S. AMIDE: A free software tool for multimodality medical image analysis. Mol Imaging. 2 (3), 131-137 (2003).
  20. Rodriguez-Molares, A., et al. The generalized contrast-to-noise ratio: A formal definition for lesion detectability. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 67 (4), 745-759 (2020).
  21. Patterson, M. S., Foster, F. S. The improvement and quantitative assessment of B-mode images produced by an annular array/cone hybrid. Ultrason Imaging. 5 (3), 195-213 (1983).
  22. . Dragonfly 2022.2 Available from: https://www.theobjects.com/dragonfly (2022)
  23. Pillai, I. C. L., et al. Cardiac fibroblasts adopt osteogenic fates and can be targeted to attenuate pathological heart calcification. Cell Stem Cell. 20 (2), 218-232 (2017).
  24. Li, S., et al. A humanized monoclonal antibody targeting an ectonucleotidase rescues cardiac metabolism and heart function after myocardial infarction. Cell Rep Med. 5 (11), 101795 (2024).
  25. Nadkarni, R., Clark, D. P., Allphin, A. J., Badea, C. T. Investigating deep learning strategies for fast denoising of 5D cardiac photon-counting micro-CT images. Phys Med Biol. 69 (20), 205010 (2024).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

CrumpCAT CMOS 4D

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved