שער לב רטרוספקטיבי עם אב טיפוס של טומוגרפיה ממוחשבת לצילום רנטגן של בעלי חיים קטנים

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 רטרוספקטיבי^פנימי 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

1. הפעל את מקור קרני הרנטגן במתח שיא של 50 קילוואט עם זרם רציף של 200 μA.
2. הגדר את שילוב הפיקסלים של מצלמת הרנטגן ל-2 ואת זמן החשיפה לערך המעשי הקצר ביותר שלו (זמן חשיפה של 20 אלפיות השנייה בתוספת זמן קריאה של 14 אלפיות השנייה לזמן דגימה כולל של 34 אלפיות השנייה).
   הערה: לאפשרות ללא שילוב (binning 1) יש קצב פריימים איטי יותר ולכן לא ניתן להשתמש בה לרכישות מגודרות. קצב הפריימים המרבי הוא בסביבות 30 פריימים לשנייה.

2. הכנת בעלי חיים

1. להרדים עכברים בתערובת של חמצן וגז איזופלורן בריכוז של 2.0%.
2. שמור את בעלי החיים תחת הרדמה למשך 10 דקות לפני הדמיית CT, כדי להבטיח שהסימנים החיוניים יציבים ושבעלי החיים רגועים כדי למנוע כל תנועת גוף במהלך הסריקה. שפטו את עומק ההרדמה של עכבר לפי היעדר רפלקס צביטת הבוהן כאשר צובטים בחוזקה את הרצועה בין אצבעות הרגליים בעזרת ציפורן.
3. כדי שההדמיה עם שער הלב תדמה את חדרי הלב, יש להזריק תוך ורידי 100 מיקרוליטר של חומר ניגוד CT דרך וריד הזנב מיד לפני הדמיית CT (איור 3A).
4. מקמו את העכבר המורדם בתוך תא ההדמיה של ה-CT (איור 3B).

3. רכישת נתונים

1. הפעל את תוכנת CrumpCAT.
2. הדמיית CT לא-מגודרת ברזולוציה גבוהה (125 מיקרומטר, binning 1) (איור 4A)
   1. הזינו מזהה מחקר בממשק המשתמש.
   2. בחר Hi-Res של עכבר בתפריט הנפתח פרוטוקול .
   3. לחץ על כפתור הסריקה בממשק המשתמש כדי להשיג 720 הקרנות עם זמן חשיפה של 80 אלפיות השנייה להקרנה.
3. הדמיית CT לא-מגודרת ברזולוציה בינונית (200 מיקרומטר, binning 2) (איור 4B)
   1. הזינו מזהה מחקר בממשק המשתמש.
   2. בחר תקן עכבר בתפריט הנפתח פרוטוקול .
   3. לחץ על כפתור הסריקה בממשק המשתמש כדי להשיג 720 הקרנות עם זמן חשיפה של 100 אלפיות השנייה להקרנה.
4. הדמיית CT מגודרת (200 מיקרומטר, binning 2) (איור 4C)
   1. הזינו מזהה מחקר בממשק המשתמש.
   2. בחר שער לב בתפריט הנפתח פרוטוקול .
   3. לחץ על כפתור הסריקה בממשק המשתמש, וקבל 21,600 הקרנות עם זמן חשיפה של 20 אלפיות השנייה להקרנה.

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.

1. חילוץ אותות
   1. עבור רישום משותף של תבנית בית החזה, תנו לתמונה קטנה (תבנית) המייצגת באופן גס בית חזה של עכבר עם הצלעות, הלב, הריאות והכבד להירשם אוטומטית בהקרנת הרנטגן הראשונה, על ידי מקסום המידע ההדדי¹² בין ההקרנה לתבנית (איור 5).
      הערה: רק פעולות תרגום מבוצעות בתבנית והתבנית הרשומה במשותף משמשת לזיהוי אזורי עניין (ROI) בכל התחזיות.
   2. עבור חילוץ אותות נשימה, אפשר לייעד ROI מלבני (ROI-1) בתבנית כדי לייצג את הסרעפת ואת אות הנשימה שייווצר על ידי סיכום עוצמות הפיקסלים בתוך ROI-1 עבור כל הקרנה (איור 5).
   3. עבור מיצוי אותות לבביים, יש לייעד ROI מלבן שני (ROI-2) בתבנית ליד הלב, ואת האות הלבבי שנוצר על ידי סיכום עוצמות הפיקסלים ב-ROI-2 עבור כל הקרנה (איור 5).
      הערה: תבנית בית החזה נרשמת רק בהקרנה הראשונה כדי לזהות באילו שורות ועמודות תמונה (חלון) יש להשתמש לחילוץ אותות. חלון זה רחב מספיק כדי להקיף את כל ההקרנות כל עוד החיה מרוכזת באופן סביר, כפי שקורה בעת שימוש במיטת החיות שלנו¹⁶.
2. מסנן פס פס
   1. אפשר ליצור מסנן מעביר-פס על ידי שילוב של שתי פונקציות Sinc עם תדרי ניתוק שונים בתחום הטמפורלי¹⁷, התואמים למסנני מעביר-פס נמוכים בתחום התדרים כמתואר להלן.
   2. תן לתוכנה להחיל את מסנן מעבר הפס על אות הלב באמצעות פס תדרים של [300, 600] ^דקות-1 (איור 6A).
      הערה: אות הלב הלא מסונן (איור 6B) עדיין מכיל תרומה משמעותית מתנועת הנשימה.
   3. באופן דומה, תן לסנן את אות הנשימה באמצעות פס תדרים של [20, 300] ^דקות-1. ההרמוניות הגבוהות יותר נשמרות כדי לייצר אות שאינו רק סינוסואידלי ומזהה בצורה ברורה יותר את שני השלבים העיקריים: השראה ותפוגה.
      הערה: בשלב זה, ניתן בקלות לבצע אינטרפולציה של אותות נשימה ולב ולהיחשב כפונקציות רציפות של זמן לצורך חישוב מספר הפאזה השברית.
3. הקצאת שלבים
   1. תן לתוכנה לזהות את תחילתו של כל מחזור (נשימתי או לבבי) על ידי מציאת הצלבות האפס של הנגזרת הראשונה של האות. כל חציית אפס תואמת מקסימום באות ומסמנת את תחילתו של מחזור חדש ואת סופו של הקודם. לדוגמה, ראו את אות הנשימה באיור 7.
   2. אפשר להקצות ערך פאזה חלקי (בין 0 ל-1) לכל הקרנה עבור כל אחד משני האותות (נשימתי או לבבי).
      הערה: בהגדרה, לנקודת ההתחלה יש ערך פאזה חלקי של אפס (עבור המחזור הנוכחי) או אחד (עבור המחזור הקודם).
4. מסיכות בחירה
   1. תן ליצור 12 מסכות בינאריות (אחת לכל שלב לבבי) כדי לבחור הקרנות השייכות לכל שלב. כל מסכה מכילה 21,600 ערכים (אחד לכל הקרנה) שהם 0 או 1, כלומר לדחות או לשמור על ההקרנה הזו, בהתאמה.
   2. עבור כל מסכה (שלב), שימו לב שהתוכנה מציינת אם הקרנה נשמרת (1) או מושלכת (0) בהתאם למספר הפאזה השברי שלה. עבור שלב 0, הקרנות עם ערך פאזה לבבי במרווח [0, 1/12] נשמרות. עבור שלב 1, ערכי שלב הלב במרווח [1/12, 2/12] נשמרים, וכן הלאה.
   3. עבור כל מסכה (שלב), שימו לב שכל הקרנות עם שלב נשימתי קטן מ-0.15 או גדול מ-0.85 נדחות (0 במסכה) מכיוון שהן שייכות לשלב ההשראה, שיש לו את התנועה הגדולה ביותר (איור 8A). איור 8B מציג את הקצאת שלב הלב לתחזיות עבור 2 השניות הראשונות.
      הערה: לא הוצגה הטיה משמעותית בתהליך בחירה זה מכיוון שמספר ההקרנות לשלב היה קבוע יחסית ב-1,800 ±-194.

5. שחזור תמונה

1. עבור סריקות CT שאינן מגודרות, שחזר תמונות ברזולוציה בינונית (200 מיקרומטר) או גבוהה (125 מיקרומטר) באמצעות אלגוריתם הקרנה אחורית מסוננת (Feldkamp¹⁸) עם מסנן שפ-לוגן.
2. עבור סריקות CT עם שער לב, שחזר כל תמונת שלב לב באמצעות אלגוריתם OSEM איטרטיבי¹³, עם 12 תת-קבוצות ו-8 איטרציות, רק תוך התחשבות בתחזיות נבחרות התורמות לשלב נתון (כפי שמצוין במסכה בינארית לבחירת פאזה).
3. כדי להפחית רעש, החל מסנן חציוני לאחר שחזור בממד הזמן (כלומר, על פני תמונות) ומסנן תלת מימד-גאוס קל בממד המרחבי (σ = 38 מיקרומטר).
   הערה: לשחזור תמונה עם שער נשימה, השתמש בכל שלבי הלב בצורה לא ברורה. תיקון התקשות קרן (תיקון מים) מוחל על כל שחזור.

6. הערכת תמונה וכימות נפח החדר השמאלי (LV).

1. פתח את תמונת ה-CT במציג DICOM כגון Amide¹⁹ (איור 9A).
2. שפר את ניגודיות התמונה הנראית לעין על ידי הגדרת טווח ערך ה-CT (נמדד ביחידת Hounsfield [HU]) כ-[-500, 500] (איור 9A).
3. הערכת איכות תמונה
   1. צייר החזר ROI עבור האזור המסוייד, המוגדר כאזור סביב המקסימום עם ערך CT גדול או שווה ל-85% מערך ה-HU המקסימלי (איור 9B).
   2. השתמש ביחס ניגודיות לרעש (CNR)^20,21 כמדד להערכת איכות התמונה ויכולתה לזהות מבנים קטנים, כגון הסתיידויות קטנות:
      ,
      כאשר I ו-σ מייצגים את העוצמה הממוצעת וסטיית התקן של אזור: הסתיידות (כתב תחתון C) או רקע (כתב תחתון B).
4. כימות נפח החדר השמאלי
   1. צייר החזר ROI תלת-ממדי ביד חופשית כדי לזהות את ה-LV בכל שלב (איור 10A).
   2. כמת את נפח ה-LV על ידי חישוב ווקסלים עם ערך CT סף של 730 HU (איור 10B). תרשים של נפחי LV מוצג באיור 10C.
      הערה: סף ערך ה-CT אינו מוחלט; זה תלוי בחומר הניגוד בו נעשה שימוש, בגודל החיה, בזן, במצב הבריאותי ובזמן שבין ההזרקה להדמיית CT. Amide היא תוכנה המופצת באופן חופשי שפותחה במכון שלנו, אך ניתן להשיג צופי תמונות מתוחכמים יותר (למשל, ORS Dragonfly²²).

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, הסתיידויות לב זוהו בצורה ברורה יותר בתמונה ברזולוציה גבוהה (125 מיקרומטר, binning 1) (איור 11A). ה-CNR היה 3.2 ±-0.3 ו-4.0 ±-0.2 בתמונות ברזולוציה בינונית (200 מיקרומטר, binning 2) וגבוהה (125 מיקרומטר, binning 1), בהתאמה. בתמונות מגודרות (איור 11B), ה-CNR היה 4.2 ±-0.1 (מגודר נשימתי בלבד) ו-5.2 ±-0.4 (מגודר נשימתי ולבבי). שער נשימה, אם כן, סיפק שיפור של 5% בלבד לעומת תמונות ברזולוציה גבוהה (CNR 4.2 לעומת 4.0). לעומת זאת, שער הלב הציע שיפור של 30% (5.2 לעומת 4.0).

לאחר מכן השתמשנו בשיטת הדמיית CT רטרוספקטיבית שלנו כדי לדמיין ולכמת את נפח ה-LV במהלך מחזור לב בעכברי C57BL/6J. כדי לחשוף טוב יותר את השינוי בעוצמת הקול של LV במהלך מחזור לב, ניתן למצוא לולאה כסרטון קצר בסרטון משלים S1. במהלך מחזור הלב, נפח ה-LV בסוף הסיסטולה היה בממוצע 14 ±-4 מ"מ³, בעוד שבסוף הדיאסטולה הוא היה בממוצע 33 ±-7 מ"מ³. שברי הפליטה המחושבים היו בממוצע 60 ± 4%. אנו מראים באיור 10C את תרשים נפח ה-LV עבור שלושה עכברים. בנוסף, שיטת הדמיית ה-CT הרטרוספקטיבית שלנו שימושית לניטור לא פולשני של תפקוד לקוי של הלב לאחר אוטם במודלים עכבריים של פגיעה לבבית איסכמית חריפה²⁴.

בנוסף, לבעלי החיים היה קצב לב שנע בין 315 ל-425 פעימות לדקה וקצב נשימה של 25 עד 50 נשימות לדקה. קטעים מאותות נשימה ולב שהופקו מהקרנות גולמיות מוצגים באיור 12. לאות הלב הגולמי יש משרעת קטנה יותר מהאות הנשימתי והוא מכיל חלק מהאות הנשימתי, אשר מוסר מאוחר יותר על ידי מסנן פס. סרטון משלים S1 מציג את הלב הפועם ומספק הערכה איכותית של מצב הלב.

איור 1: סיכום גרפי של שער לב. קיצורים: LV = חדר שמאלי; ROI = אזור עניין. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: מבט על ה-CrumpCAT ומרכיביו העיקריים. קיצור: CMOS = מוליך למחצה תחמוצת מתכת משלים. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: הכנת חיות. (A) העכבר מוזרק עם חומר הניגוד, ו-(B) תא העכבר המחומם ב-37 מעלות צלזיוס שמשמש לסריקת חיות¹⁶. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: ממשק משתמש של תוכנת CrumpCAT. (A) הגדרות ממשק משתמש עבור הדמיית CT לא-מגודרת ברזולוציה גבוהה (125 μm, binning 1). (B) הגדרות ממשק משתמש עבור הדמיית CT לא מגודרת ברזולוציה בינונית (200 מיקרומטר, binning 2). (C) הגדרות ממשק משתמש עבור הדמיית CT מגודרת (200 מיקרומטר, binning 2). כדי להפעיל את הסורק, המשתמש צריך: (1) להזין מספר מחקר, (2) לבחור את פרוטוקול הדמיית ה-CT ו-(3) ללחוץ על כפתור הסריקה . אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: תבנית בית החזה (לב, כלוב צלעות, כבד) המשמשת לאיתור החלונות לחילוץ אותות נשימה ולב. קיצור: ROI = אזור עניין. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: אות לבבי. (A) עיבוד אותות בתחום התדרים. העקבות האפורים מציגים את תוכן התדר של האות הלבבי הגולמי המתקבל על ידי חישוב ספקטרום ההספק שלו. תדירות העניין היא בסביבות 500 לדקה. העקבות השחורות מציגות את האות לאחר הפעלת מסנן פס פס כדי לשמור רק על תדרים בין 300 ל-600 פעימות לדקה. (B) למעלה: תרשים של האות הלבבי הגולמי בתחום הזמן. אות זה נשלט על ידי תנועת נשימה (תנודות גדולות); האות הלבבי האמיתי הוא התנועה החלשה. למטה: גרסה מסוננת של האות הלבבי: האות הנשימתי הוסר והשאיר אות לב נקי. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 7: אות נשימה. אות נשימה גולמי (למעלה) וגרסתו המועברת (שנייה). האות הנגזר (שלישי) מוצג עם אפס חצייה מודגשת. אלה מזהים את הפסגות באות הנשימה. בתורם, פסגות אלה מסמנות את תחילת המחזור (ערך פאזה 0), כפי שמוצג בעקבות הרביעית. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 8: בחירת הקרנה. (A) זה מראה את אות הנשימה כפונקציה של מספר ההקרנה. הקרנות מקובלות מזוהות על ידי נקודות שחורות. (B) זה מראה את האות הלבבי יחד עם מספר הפאזה הלבבית שהוקצה לכל הקרנה. מספר הפאזה מחושב מהפרש הזמנים בין ההקרנה לתחילת המחזור האחרון. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 9: הסתיידויות. (A) קובץ התמונה כפי שמוצג עם Amide עם סולם אפור ועם רמות חלון של ערכי CT [-500, 500] HU. (B) תהליך זיהוי הסתיידות: תצוגות רוחביות, קורונליות וסגיטליות של תמונות לא מגודרות. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 10: ניתוח החדר השמאלי. (A) החדר השמאלי מסומן ידנית (צהוב). דופק: 418 פעימות לדקה, קצב נשימה 39 נשימות לדקה. (B) החדר השמאלי נמדד בערך CT של 730 HU (כחול). (C) תרשים של נפח החדר השמאלי בכל שלב של המחזור עבור שלושה עכברים. שבר הפליטה המחושב מוצג בסוגריים. קצב הלב/נשימה של שלושת העכברים הללו היו: קו אפור 362 פעימות לדקה ו-53 נשימות לדקה; קו שחור 420 פעימות לדקה ו-59 נשימות לדקה; קו מקווקו 315 פעימות לדקה ו-45 נשימות לדקה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 11: השוואה של יחס הניגודיות לרעש. (A) תמונות לא מגודרות, ו-(B) תמונות מגודרות (דופק: 408 פעימות לדקה, קצב נשימה: 49 נשימות/דקה). קיצורים: CNR = יחס ניגודיות לרעש; שער R = שער נשימה; C-gated = לב. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 12: קטעי אותות. (A) אות הנשימה הגולמי שנפלט מעוצמה בחלון הנשימה, ו-(B) האות הלבבי הגולמי שנפלט מעוצמה בחלון הלב. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

סרטון משלים S1: לולאת קולנוע CT מגודרת לבבית החושפת את השינוי בנפח ה-LV במהלך מחזור לב בעכבר. דופק: 418 פעימות לדקה, קצב נשימה: 39 נשימות לדקה. אנא לחץ כאן להורדת סרטון זה.

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 מיקרו-CT רנטגן זמינות מסחרית ובשימוש נרחב in vivo
בסורקי PET/CT פרה-קליניים. סורקי מיקרו-CT אלו חולקים את ארכיטקטורת הגלאי והביצועים (גודל פיקסל, רגישות, DQE, קצב פריימים וכו'). אותו גלאי משמש גם במערכות PET/CT ו-SPECT/CT פרה-קליניות על ידי מספר יצרנים מסחריים אחרים של מערכות פרה-קליניות in vivo . לכן, ביצועי הגלאי משותפים בין חלק ניכר ממכשירי ה-PET/CT וה-SPECT/CT הפרה-קליניים הזמינים והמותקנים מסחרית ברחבי העולם. ככזה, אם מתוכנתים כראוי, כל המערכות הללו יכולות להגיע לאותם קצבי פריימים, וזה הפרמטר הקריטי המאפשר את העבודה המתוארת. בעוד שלרוב המשתמשים אין גישה לנתונים הגולמיים עבור מערכות מיקרו-CT שנרכשו מסחרית, העבודה המתוארת כאן יכולה לשמש כתבנית למשתמשים ולספקים של מכשירים פרה-קליניים in vivo , כדי להדגים מה אפשרי עם החומרה המוגבלת שכבר כלולה במכשירים אלה.

בנוסף לגלאי, מקורות רנטגן של טונגסטן (W) משמשים גם כמעט את כל מערכות ה-PET/CT הפרה-קליניות הזמינות מסחרית, עם סינון אלומיניום דומה, וצילומי רנטגן עם אנרגיות הנעות בין 50-80 קילוואט. המונח kVp משמש לתיאור הספקטרום של קרני רנטגן המיוצרים על ידי מתח צינור נומינלי כפוטנציאל מתח השיא המסופק על ידי ספק הכוח. זה משאיר את הפרמטר החשוב ביותר השונה בין כל המערכות הללו להיות כוח המקור. בעבודה זו, עוצמת המקור (10 W) היא בקצה הנמוך של מקורות W דומים המשמשים להדמיה פרה-קלינית in vivo . לכן, מקורות חזקים יותר צריכים לבצע לפחות כמו בעבודה המתוארת ועם רעש נמוך יותר, או זמני רכישה קצרים יותר על חשבון מינון קרינה מוגבר.

ישנם מעט מאוד מאמרים החוקרים שער במודלים של עכברים, שכן הדעה המקובלת היא שקצב הלב של העכבר (~600 פעימות לדקה או ~10 הרץ) גבוה מדי עבור החומרה הזמינה. קצב לב זה מיועד לעכברים מודעים במנוחה או בפעילות גופנית מלאה, מכיוון שעכברים משנים בעיקר את מקטע הפליטה שלהם ושומרים על קצב הלב. בהרדמה, קצב הלב נמוך יותר (300-500 פעימות לדקה). קצב הפריימים של הגלאי של 29 הרץ יכול לשחזר באופן מלא את ההיקף והטווח של תנועת הלב המחזורית בכל אחד מהקצבים הללו. ההנחה הבסיסית היא שעלינו לעמוד בקריטריון נייקוויסט לתנועת הלב המחזורית שעבורה יהיה צורך בקצב פריימים של ~20 הרץ בלבד ב-600 פעימות לדקה (10 הרץ). גלאי ה-OEM הספציפי בו השתמשנו כאן משמש גם לפחות ארבעה יצרנים עצמאיים של מכשירי PET/CT פרה-קליניים ולכן עבודה זו אכן אפשרית עם כל המכשירים הללו.

זמן זרימת הדם בעכברים הוא מספר שניות, ובדרך כלל, נדרש זמן של 2-3 דקות בין הזרקת חומר ניגוד לזמן התחלת הסריקה בפועל, עקב מיקום בעלי חיים מעל הראש, כמו גם עקב תצורה/אתחול חומרת רנטגן ומסתובב. ההיבט החשוב הוא שהמשתמש צריך להקפיד לא לעכב את התחלת הסריקה, שכן רכישת 21,000 ההקרנות אורכת כ-10 דקות נוספות.

משך השלב הלבבי היחיד במחקר שלנו נע בין 12 ל-15 אלפיות השנייה. בהתחשב בזמן החשיפה שלנו של 20 אלפיות השנייה, חלק מהדיבור בין השלבים הוא בלתי נמנע. לדוגמה, שלב 2 עשוי לכלול 5 עד 8 אלפיות השנייה (מפוצל באופן שווה) של נתונים משלבים סמוכים (שלבים 1 ו-3), מה שעלול לגרום לטשטוש קל בתקופות של תנועה מהירה, כגון דיאסטולה. כדי להפחית זאת, חשוב לוודא שהעכבר מורדם כראוי, ומשיג דופק מתחת ל-600 פעימות לדקה (10 הרץ). בנוסף, הרדמה נכונה תמזער את תנועת ההרפיה במהלך זמן הסריקה הארוך יחסית. מינוני הקרינה לבעל החיים, עבור סריקות מגודרות לעומת סריקות לא מגודרות, היו ~450 ו-50 mGy, בהתאמה.

מכיוון שתהליך רכישת נתונים זה הוא יישום מחשב בזמן אמת, חיוני שתוכנית הרכישה תפעל בעדיפות הגבוהה ביותר ועם מינימום יישומים בו-זמניים הפועלים. אי יישום אמצעי זהירות אלה עלול לגרום לכך שמסגרות תמונה יתקבלו מהר יותר ממה שהמחשב יכול להתמודד, מה שיוביל לחריגה ולגרום לכשל בסריקה.

החיסרון העיקרי של שיטת השער הרטרוספקטיבית הוא שהיא משליכה נתונים מסוימים, אך אובדן הנתונים ניתן לניהול. בפועל ועם סך של 21,000 תחזיות, הנתונים נדגמו באופן משמעותי בכיוון הזוויתי. אימתנו שלא היו פערים זוויתיים גדולים באף סריקה, בוודאי קטנים בהרבה מהמרווח של 0.5 מעלות שהשתמשנו בו לשחזור התמונה (720 הקרנות מעל 360 מעלות). לדוגמה, עם קצב הפריימים שלנו של 29 פריימים לשנייה, עכבר נושם בקצב של 1/s וטו של 30% מהפריימים, דחינו 8.7 פריימים לנשימה (כלומר, גודל הפער הוא 8.7 פריימים) -8.7/21600 או 0.145° לפער. אגב, זו הסיבה שנעשה שימוש בשיטת שחזור איטרטיבית ולא פלדקאמפ. התוצאה הפוטנציאלית המשנית של השלכת נתונים (בהשוואה לשער פרוספקטיבי) היא שמינון הקרינה יכול לעלות מכיוון שאין מנגנון תריס חומרה לחסימת קרן הרנטגן בתקופות וטו (למשל, בשלב ההשראה). עם זאת, כדי שזה יהיה גורם, מנגנוני תריס כאלה צריכים להיות מיושמים במלואם ופעילים במהלך שער פוטנציאלי.

לגבי שיטת שחזור הנתונים, שיטות אחרות יכולות להיות טובות או אפילו טובות יותר מהגישה הנוכחית שלנו עם OSEM, אך המיקוד של עבודה זו אינו להשיג את שחזורי הרעש הטובים והנמוכים ביותר האפשריים. במקום זאת, אנו רוצים להוכיח שאנו יכולים לבצע שער לב עם גלאי נפוץ בעל קצב פריימים מוגבל יחסית ומקור רנטגן בעל הספק נמוך. מצאנו שהשימוש בשיטת השחזור של OSEM עובד היטב במסגרת האילוצים של החומרה החישובית שלנו ויש לו יישום עובד טוב.

יחד עם זאת, השיטה שלנו מציעה מספר יתרונות, כולל פשטות, מכיוון שהיא אינה דורשת חומרה מיוחדת. הגורם המגביל העיקרי ליישום השיטה שלנו הוא קצב הפריימים המרבי של מצלמת הרנטגן (29 הרץ) וזמן החשיפה הקצר ביותר (20 אלפיות השנייה). המצלמה נמצאת בשימוש נרחב במכשירי CT רנטגן פרה-קליניים של מספר יצרנים וניתן להשתמש בשיטה המוצעת עם כל סורק שיכול להשיג פרמטרים אלה, גם כאלה שאינם מצוידים לקבל אותות שער. יתר על כן, מערכות CT רנטגן עם מקורות רנטגן טונגסטן פחות חזקים דורשות חשיפות ארוכות יותר אך אינן מהוות אתגר בלתי עביר. בנוסף, חוקרים אינם זקוקים להכשרה ותרגול נרחבים בהצמדת חיישנים לבעלי חיים קטנים כדי להשיג את מידע הנשימה והדופק, או כוונון עדין של הפעלת אותות לרכישת נתונים, כפי שנדרש בשער פרוספקטיבי.

בעוד שהסתיידויות נראו בכל פרוטוקולי ההדמיה בסורק ה-CT CrumpCAT שלנו, ה-CNR שלהם היה הגבוה ביותר בתמונות מגודרות, אפילו ברזולוציה נמוכה יותר. ממצא זה מצביע על כך ששער הלב מועיל לא רק למחקרים המתמקדים בהיבטים הדינמיים של הלב הפועם אלא גם מועיל למחקר הכולל הסתיידויות קטנות ליד הלב או חלקים אנטומיים אחרים המושפעים מתנועה פיזיולוגית, שבהם בהירות תמונה משופרת היא קריטית.

זמן השחזור הכולל הוא ~פי 30 מזמן השחזור הרגיל בשל מספר גדול יותר של הקרנות ו-12 שלבים. עם זאת, שלב עיבוד האותות מוסיף מעט מאוד תקורה (<1%) לזמן השחזור הכולל. ניתן לשפר את שיטת השחזור עצמה על ידי ניצול העובדה שהנתונים נמצאים בקורלציה בין השלבים. שחזור משותף (בזמן) או שימוש בשיטות למידה עמוקה²⁵ יפיקו תמונות בעלות פחות רעש ויבטלו את הצורך במסננים חציוניים וגאוסיים לאחר השחזור.

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).