Najbardziej podstawowe i powszechne badanie czynnościowe serca to ob-razowanie kinematograficzne uznane za złoty standard przy szacowaniu funkcji serca [55] zarówno u ludzi [46] jak i myszy [8,44]. Polega ono na wykonywaniu serii obrazów w różnych fazach cyklu pracy serca, co, podobnie jak w większości metod obrazowania kardiologicznego, wymaga synchronizacji pomiaru z czyn-nością elektryczną serca oraz uwzględnienia ruchów oddechowych. Wpływ ru-chów oddechowych jest minimalizowany poprzez odpowiednie bramkowanie pomiaru, natomiast śledzenie rytmicznych ruchów serca stanowi podstawę w obrazowaniu jego czynności i może odbywać się przy użyciu metod pro- lub retrospektywnych.
Metoda synchronizacji prospektywnej opiera się na wyzwalaniu sekwen-cji pomiarowej w określonych momentach po deteksekwen-cji załamka R w sygnale EKG, a w każdym wykrytym cyklu dokonywany jest pomiar dający pojedynczą linię fazową w przestrzeni k dla szeregu równoodległych w czasie obrazów (rys. 3). EKG jest zapisem zmian potencjałów depolaryzacji i repolaryzacji ko-mórek kurczliwych mięśnia sercowego (kardiomiocytów), a największa amplitu-da tego sygnału (w stosowanym u myszy odprowadzeniu dwu bądź trzyelektro-dowym) występuje dla załamka R (rys. 1), który wykorzystywany jest do monito-rowania czynności serca i synchronizowania pomiaru. Odległość między kolej-nymi załamkami R, czyli interwał RR warunkuje szerokość okna pomiarowego. Odpowiednio dobrane opóźnienie po detekcji załamka R pozwala wykonywać obrazy podczas kolejnych faz cyklu pracy serca. Stosowane systemy synchroni-zowania i bramkowania pozwalają na uwzględnianie pojedynczego sygnału fizjo-logicznego związanego z czynnością elektryczną serca bądź kombinacji dwóch, czyli oprócz EKG także sygnału oddechowego. Synchronizacja EKG polega na wygenerowaniu impulsu wyzwalającego i przekazaniu go do układu elektroniki spektrometru po wcześniejszym wykryciu załamka R. W przypadku bramkowa-nia pomiaru sygnałem oddechowym generowana jest bramka dla synchronizacji EKG, otwarta w czasie pomiędzy impulsami oddechowymi otrzymywanymi przy pomocy odpowiedniego czujnika ciśnieniowego umieszczonego na klatce pier-siowej zwierzęcia. Zasadniczą wadą metod prospektywnych jest po pierwsze to, że pomiar nie obejmuje całego cyklu i powoduje niedoszacowanie (szerokość
okna akwizycji jest mniejsza niż RR), a po drugie to, że ustawienia pomiaru wy-konuje się w oparciu o uśrednioną obserwację przebiegów EKG i oddechu przed pomiarem. Rodzi to problemy w przypadku badań niewydolności krążenia, któ-rym towarzyszą dość często zaburzenia rytmu serca. Do takich zaburzeń należą np. arytmie serca obserwowane już w stanie spoczynku, a zwłaszcza po proaryt-micznie działającej dobutaminie, lub zaburzenia oddechu związane z obserwo-walnymi zmianami długości cyklu.
Rysunek 3: Prospektywna i retrospektywna metoda synchronizacji pomiaru z czynnością elektryczną serca. Obrazy dodawane są do siebie w odpowiednich fazach cyklu pracy serca otrzymywane są po transformacji fourierowskiej
Z kolei w metodzie synchronizacji retrospektywnej (wstecznej) pomiar wykonywany jest w sposób ciągły, tj. po detekcji pierwszego załamka R sygnału EKG, a czas akwizycji danej linii przestrzeni k jest zapisywany (znakowany). Po pomiarze wszystkie zebrane linie przestrzeni k są sortowane i przypisywane do określonych przedziałów czasowych zgodnie z ich położeniem w cyklu pracy serca opisanym przez EKG. Następnie dane są rekonstruowane retrospektywnie z przedziału o zadanej szerokości (jej ustalenie stanowi o czasowej zdolności rozdzielczej) i normalizowane do długości jednego cyklu (rys. 3) tworząc obraz po wykonaniu odwrotnej transformacji fourierowskiej. Zaletą metody jest moż-liwość wykonania wstecznej rekonstrukcji z częstością próbkowania zadaną już po samej akwizycji oraz zebranie obrazów z całego cyklu, łącznie z końcową fazą rozkurczu, której często brak w metodzie prospektywnej.
3.3 Synchronizacja wewnętrzna sygnałem MR
Odmianą metody synchronizacji retrospektywnej, która pozwala uzyskiwać kinematograficzne obrazy MR bez użycia sygnału EKG jest metoda polegająca na wewnętrznym synchronizowaniu pomiaru przy użyciu niekodowanego prze-strzennie sygnału MR (self gating) [47]. Wykorzystuje ona fakt, że sygnał echa gradientowego w pomiarze MR jest wrażliwy na ruchy fizjologiczne, jeśli na ich skutek w obserwowanym obszarze zmienia się gęstość protonów. Przyczyną ta-kiej zmiany są głównie periodyczne ruchy oddechowe i tętniące przepływy krwi takie jak w sercu i większych tętnicach. Zmiana amplitudy sygnału zależna od czasu jest konsekwencją tych ruchów, a jej zapis znaczony czasowo może być użyty do synchronizowania pomiaru kinematograficznego. W tym celu dokonuje się akwizycji dodatkowego niekodowanego przestrzennie sygnału echa, tzw. na-wigatora, poprzedzającego właściwą akwizycję obrazującą, a następnie pomiaru zwykłego, kodowanego gradientami sygnału (rys. 4). Wielkość pierwszego od-powiada zmianom objętości krwi w czasie i zostaje wykorzystana zamiast sygna-łu EKG. Z użyciem tak zebranych danych wykonywana jest rekonstrukcja retro-spektywna, analogicznie jak w metodzie wykorzystującej sygnał EKG.
Gz Gy Gx t RF nawigator echo skurcz Gz Gy Gx t RF nawigator echo Sygnał oddechowy
Sygnał pracy serca Sygnał nawigatora (t)
rozkurcz
skurcz
Rysunek 4: Sekwencja echa gradientowego synchronizowana wewnętrznym sygnałem nawigatora (self gated FLASH). Zależna od czasu zmiana amplitudy sygnałów nawigatora jest konsekwencją ruchów fizjologicznych i służy do synchronizowania pomiaru ki-nematograficznego dzięki akwizycji dodatkowego niekodowanego przestrzennie sygnału po-przedzającego właściwą akwizycję obrazującą. Amplituda sygnału nawigatora zmienia się w spo-sób periodyczny z rytmem oddechowym oraz pracy serca i przyjmuje największą wartość w koń-cowej fazie rozkurczu
W trakcie badania czynności serca sygnał nawigatora zmienia swoją ampli-tudę proporcjonalnie do ilości krwi przepływającej przez określoną warstwę ser-ca zgodnie z rytmem jego pracy. Maksymalna amplituda sygnału występuje dla największej objętości krwi w obrazowanej warstwie (czyli w końcowej fazie roz-kurczu, co odpowiada załamkowi R w zapisie EKG), natomiast jego najmniejsza wartość obserwowana jest dla minimalnej objętości krwi (czyli w fazie późno-skurczowej). Zapis sygnału nawigatora przedstawia przebieg wszystkich ruchów, których doznaje obrazowana warstwa i dopiero po filtrowaniu daje zapis perio-dycznych ruchów oddechowych. Śledzenie przebiegu sygnału pozwala wykryć wszelkie ruchy, w tym również zmiany nieperiodyczne, będące dodatkowymi ruchami klatki piersiowej, które mogą generować artefakty obrazów.
Metoda bramkowania pomiaru wewnętrznym sygnałem MR, nazywana też "bezprzewodową" synchronizacją, została zastosowana do badań czynnościo-wych u ludzi [56,57] a także u małych zwierząt laboratoryjnych [47,58-60]. Zale-ty tej metody to między innymi brak konieczności stosowania elektrod EKG, które czasami, w przypadku pomiarów małych zwierząt w silnym polu magne-tycznym, mogą prowadzić do powstania artefaktów wynikających z generowania lokalnych prądów wirowych. Rejestracja sygnałów o niskiej amplitudzie, utrud-niona dodatkowo przez pomiar w silnym polu magnetycznym, bywa ogranicze-niem szczególnie u myszy chorych, z występującymi arytmiami oraz ogranicze- niemiaro-wym oddechem [61]. Możliwość wykonania pomiaru szybko i z dodatkową kon-trolą jakości umożliwiającą usunięcie z zapisu okresów arytmicznych sprawia, że metoda ta jest wyjątkowo cenna w ocenie czynności serca zwierząt. Równie cen-na jest możliwość tworzenia rekonstrukcji o dowolnym schemacie (np. z dowol-ną liczbą obrazów i zakresem danych), co pozwala na prowadzenie rozbudowa-nych analiz pod kątem optymalizacji zastosowań metody, a wybór konkretnego schematu wynika z założonych priorytetów w wykonywanym badaniu.