Non-invasive imaging of the brain vasculature’s ability to dilate or constrict may allow a better understanding of cerebrovascular pathophysiology in various neurological diseases. The present report describes a reproducible and patient-comfortable protocol to perform vascular reactivity imaging in humans using magnetic resonance imaging (MRI).
Das Gehirn ist ein räumlich und zeitlich heterogenen dynamisches Organ mit unterschiedlichen Regionen, die unterschiedliche Menge an Blutzufuhr zu verschiedenen Zeit. Daher ist die Fähigkeit der Blutgefäße zu erweitern oder verengen, wie Cerebral-Vascular-Reaktivität (CVR) bekannt, ist ein wichtiger Bereich der Gefäßfunktion. Ein bildgebendes Marker, die diese dynamische Eigenschaft wird neue Informationen der Hirngefäße unter normalen und krankhaften Zuständen, wie Schlaganfall, Demenz, Arteriosklerose, kleine Gefäßkrankheiten, Gehirntumor, traumatische Hirnverletzung, und Multiple Sklerose ist. Um diese Art der Messung bei Menschen durchzuführen, ist es notwendig, eine vasoaktive Stimulus wie CO 2 zu liefern und / oder O 2 -Gasgemisch während quantitative Gehirn Magnetresonanzbilder (MRI) werden gesammelt. In dieser Arbeit haben wir eine MR-kompatible Gasliefersystem und die zugehörige Protokoll, das die Lieferung von speziellen Gasgemischen zu ermöglichen (zB </em> O 2, CO 2, N 2, und deren Kombinationen), während der Gegenstand im Inneren des MRI-Scanners liegt. Dieses System ist relativ einfach, wirtschaftlich und einfach zu bedienen, und das experimentelle Protokoll ermöglicht die genaue Zuordnung der CVR sowohl bei gesunden Probanden und Patienten mit neurologischen Störungen. Dieser Ansatz hat das Potential, in eine breite klinische Anwendung und in besseren Verständnis der Gehirngefäß Pathophysiologie verwendet werden. Im Video zeigen wir, wie man innerhalb einer MRT-Einrichtung des Systems und wie man ein komplettes Experiment auf einem menschlichen Teilnehmer durchzuführen.
Das Gehirn stellt etwa 2% des gesamten Körpergewichts, verbraucht jedoch etwa 20% der Gesamtenergie 1. Es überrascht nicht, ist ausreichend und sorgfältig regulierten Blutversorgung wichtig, diese hohen Energiebedarf und für das Gehirn, um richtig funktionieren zu erfüllen. Darüber hinaus ist Gehirn ein räumlich und zeitlich heterogen dynamisches Organ, mit den verschiedenen Regionen, die unterschiedliche Höhe der Blutversorgung zu unterschiedlichen Zeit. Daher dynamische Modulation der Blutversorgung ist eine wichtige Voraussetzung im menschlichen Gehirn Durchblutung. Glücklicherweise ist es bekannt, dass die Blutgefäße sind nicht nur starre Rohre und dass eine wichtige Funktion des Blutgefäßes zu erweitern und zu verengen, basierend auf der Nachfrage des Gehirns und physiologischen Bedingungen 2.
Diese funktionelle Eigenschaft des Schiffes, wie Cerebral-Vascular-Reaktivität (CVR) bekannt ist, wird angenommen, dass eine sinnvolle indictor von Kreislauf-Gesundheit und kann Anwendungen in verschiedenen neurologischen conditio findenns wie Schlaganfall 3, 4 Demenz, Arteriosklerose 5, kleine Gefäßkrankheiten 6, Gehirntumor 7, Moyamoya-Krankheit 8 und Drogenabhängigkeit 9. In der Physiologie und der Anästhesiologie Literatur ist es bekannt, durch Änderung des arteriellen CO 2 Pegel (beispielsweise Inhalation einer kleinen Menge an CO 2) während der Überwachung vaskuläre Reaktionen 10-13, denn CO 2 -Gas ist ein potenter Vasodilatator, kann CVR beurteilen . In der Bildgebung und Radiologie Feld wird CVR Mapping mittels MRT rasch zu einer neuen Marker von Interesse für viele Grundlagenforscher und Kliniker 8,14-19. Es wird üblicherweise durch Untersuchen wieviel vaskuläre Reaktion wird durch eine vasoaktive Herausforderung induzierten geschätzt. Es besteht jedoch ein Bedarf an technischen Verbesserungen in der Gasabgabesystem und Standardisierung der Versuchsprotokoll. Liefern spezieller Gasgemisches an ein Subjekt innerhalb des MRI-Scanner, ist nicht trivial und besondere Überlegungensind für ein MRI-kompatibles Design erforderlich. Besondere Überlegungen sind bei der Gestaltung MRI-kompatiblen Gaszuführungssystem erforderlich. Diese Besonderheiten sind: 1) Alle Komponenten müssen nicht-metallisch sein (Metall kann nicht in MRI verwendet werden); 2) das System auf kleinem Raum, dass die MRI-System und seine Kopfspule erlauben zu arbeiten; 3) sollte das System mit einer Liegeposition statt sitzen, ohne Beschwerden zu arbeiten (wie MRI-Scanner benötigt); 4) relevanten physiologischen Parametern wie endexspiratorischen CO2 (EtCO2-, eine Annäherung der CO2-Gehalt im arteriellen Blut) und der arteriellen Sauerstoffsättigung, sollte genau mit Sekunden Zeitgenauigkeit aufgenommen und auf einem Computer zur Analyse gelagert werden. Diese Probleme können die Anwendungsspektrum der CVR-Mapping zu begrenzen.
In diesem Bericht haben wir ein experimentelles Protokoll, das eine umfassende Gaszufuhrsystem verwendet, um den Inhalt des eingeatmeten Gases zu modulieren, während sich das Motiv innerhalb des MRI-Scanners liegt. Unsing dieses Ansatzes kann der Forscher nicht-invasiv eine vasoaktive Stimulus gelten für den Teilnehmer mit minimalem Unbehagen oder Massebewegung. Physiologischen Parameter und MRI-Bilder wurden während der gesamten Zeitdauer von etwa 9 min, die aus alternierenden Blöcken (1 min pro Block) der Raumluft und Hyperkapnie Gasatem bestand aufgezeichnet. Repräsentative Ergebnisse sind dargestellt. Potentielle Anwendungen und Beschränkungen werden diskutiert.
Dieser Bericht präsentiert einen MR-kompatiblen Gaszuführsystem und ein umfassendes Versuchsprotokoll, das die Zuordnung der vaskulären Reaktivität im menschlichen Gehirn ermöglicht. Ein Diagramm des Gaszuführungssystems ist in Figur 1 veranschaulicht. Alle Teile im Inneren des MRI-Scanner-Raum sind aus Kunststoff ihre MRI Kompatibilität sicherzustellen. Das System kann konzeptionell in drei Untersysteme, einschließlich einer Gaszufuhr-Untersystem (Beutel, Lieferrohr, Zweiwegeventil), einem Atem Schnittstelle Subsystem (Nasenclip, Mundstück, U-förmigen Röhrchen) aufgeteilt werden, und ein Überwachungsuntersystem (CO 2 -Konzentration, Sauerstoffsättigung, Herzfrequenz, Atemfrequenz). Die Gaszufuhr-Untersystem kann das Gas inhaliert werden kann, um das Zweiwegeventil zu erreichen. Nur Atemluft, aber nicht ausgeatmete Luft wird durch diese Untersystem fließen. Die Atem Schnittstelle Sub-System kann der Gegenstand in atmen und aus den vorgesehenen Gas. Sowohl ein- und ausgeatmeten Gas durch dieses Teilsystem fließen. Die Kontrollausrüsg Subsystem sollte daher Probe des Gases bei einem Punkt entlang des Atmungszwischen Subsystem.
Klinische Anwendungen dieser Technik können Auswertungen von Hirngefäßreserve bei neurologischen Erkrankungen wie Schlaganfall, Arteriosklerose, Moyamoya-Krankheit, Vaskuläre Demenz, Multipler Sklerose und Gehirntumoren sind. Die Technik kann auch in der funktionellen MRT-Studien verwendet werden, um zu normalisieren oder kalibrieren fMRI-Signal für eine bessere Quantifizierung der neuronalen Aktivität 23,24 werden.
Ein wesentliches Merkmal des vorgeschlagenen Systems und experimentelle Protokoll ist, dass die Gasmischung auf den Gegenstand abgegeben werden, während wodurch minimale Bewegung oder Beschwerden. Daher ist es entscheidend, die U-förmig Rohr (Teil # 12), so dass es (und das Mundstück mit dem Ende der es verbunden ist) auf natürliche Weise in den Mund des Subjekts fällt nach unten zu setzen. Auf diese Weise, das Thema muss nicht seine Gesichtsmuskeln zu halten oder zu unterstützen, das Mundstück zu verwenden. Es ist auch ImportAmeise, um sich bewusst, dass das Thema nicht in der Lage zu sprechen, während das Mundstück in den Mund zu sein. Daher sollte die Forscher vermeiden, sprechen auf das Thema mit einem Fragezeichen. Stattdessen sollten Sie nur klare und definitive Anweisungen gegeben werden. Darüber hinaus, ein Forscher sollten daher genau auf die physiologischen Parameter (zB EtCO 2, SO 2, Herzfrequenz, Atemfrequenz) während des gesamten Verlaufs des Experiments zu bezahlen und reagieren umgehend, wenn eine oder mehrere der physiologischen Parameter abweichen außerhalb der typischen Bereich .
Während eine vollständige Übersicht über weitere Gasförderanlagen in der Literatur verwendet, würde den Rahmen dieses Artikels, ist es sinnvoll, das derzeitige System auf wenige häufigsten verwendeten 17,18 vergleichen. Ein Hauptunterschied ist, dass unser System verwendet ein Mundstück, um die beabsichtigte Gas zu liefern, während die meisten anderen Systeme haben eine Maske in Design verwendet. Die möglichen Komplikationen der Verwendung einer Maske sind zwei Falten. Zuerst wird eine Maske occupies eine erhebliche Menge an Speicherplatz, und es nicht immer möglich sein könnte, um die Maske in den engen Raum innerhalb der Kopfspule passen, wenn man bedenkt, dass für viele Themen, die Nase würde fast die Kopfspule berühren auch ohne Maske. Dies ist insbesondere der Fall für Kopfspulen soll eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen, die in der Regel entworfen, um fest an den Kopf der Person passen. Eine zweite Komplikation mit einem Maskendesign zugeordnet ist, dass es großen Raum innerhalb der Maske, die im wesentliche Vermischung des eingeatmeten und ausgeatmeten Gases führt. Folglich konnte die Genauigkeit der Messung der EtCO 2, die im Idealfall nur auf ausgeatmete Gas basieren beeinflussen. Genaue EtCO 2 ist natürlich wichtig für die Zuverlässigkeit des CVR Karte. Ein weiterer wichtiger Unterschied unseres Systems im Vergleich zu vielen anderen Systemen ist, dass unser System liefert das Gas aus einer Tasche anstelle eines Gasbehälters. Daher sind Tanks nicht in den Scanner-Bereich benötigt, spart wertvollen Platz in der Fortsetzung rol Raum eines MRI-Suite. In unserem Design, die Tasche bringen wir vor dem Start des Scans und nach dem Scan wird der Beutel geleert, gefaltet, und weggeräumt. Schließlich, im Vergleich zu einigen anderen Systemen 18,21, der aktuelle Gaszufuhrsystem ist einfacher, erfordert weniger Trainingszeit, und seine Verbrauchsmaterialien sind weniger teuer.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass, obwohl die in diesem Bericht dargestellten Protokoll hauptsächlich auf CO 2 Inhalation konzentriert, ermöglicht die vorgestellte Gaszuführungssystem auch die Lieferung anderer Gasmischungen (zB jede Fraktion von O 2 ist für jede Fraktion des CO 2, jedes Bruchteil von N 2, und deren Kombination) an einen Menschen für sie zu atmen, während er / sie innerhalb des MRI-Scanners liegt. Man kann auch die Gaszuführungssystem verwenden außerhalb des Zusammenhangs mit MRI, beispielsweise in Verbindung mit Elektroenzephalogramm (EEG), Magnetoenzephalogramm (MEG), Positronenemissionstomographie (PET), oder optimale Bildgebung.
_content "> Beim Bereitstellen einer Empfehlung von Abbildungsparametern, haben wir vor allem auf BOLD Sequenz konzentriert. Eine weitere Sequenz, die möglicherweise in CVR Zuordnung verwendet werden kann, ist Arterial Spin Labeling (ASL) MRI, die eine quantitative Messung des zerebralen Blutflusses bereitstellt (CBF) in physiologischen Einheiten (ml Blut pro 100 g Gewebe pro min). Daher ist der Vorteil der ASL-basierten CVR Mapping, dass die Ergebnisse leichter interpretierbar, anders BOLD-Signal, das eine kombinierte Wirkung des Blutflusses, des Blutvolumens reflektiert sowie mögliche Beiträge der Hirnstoffwechselveränderungen während der CO 2 Herausforderung 25-27. Allerdings ist eine Beschränkung der ASL-Technik, dass seine Empfindlichkeit ist mehrere Falten geringer als die der BOLD 28. Dadurch ist unsere Erfahrung, dass derzeit ist es sehr anspruchsvoll, eine individuelle Ebene zu erhalten, Voxel für Voxel CVR Karte mit ASL. Daher ist für Anwendungsstudien der CVR, verwenden wir hauptsächlich die BOLD-Sequenz und somit auch auf dieser Technik in ou konzentrierenr Empfehlungen.Eine Einschränkung des vorliegenden Verfahrens ist, dass die Atmung durch ein Mundstück mit der Nase blockiert (durch eine Nasenklammer) ist nicht ganz natürlich und in einigen Fächern (insbesondere Patienten) kann dies als eine Quelle von Unbehagen empfinden. Atmung mit dem Mundstück und Nasenklemme kann auch verschärfen das Gefühl von Klaustrophobie. Darüber hinaus kann das Thema Mundtrockenheit aufgrund von Atem nur von Mund zu erleben. Daher ist es empfehlenswert, dass der Forscher versuchen sein Bestes, um das Experiment zu schnell zu beenden. Schließlich ist es wichtig zu beachten, dass, bezogen auf die Erfahrungen der Autoren ist die Potential Unannehmlichkeit oben erwähnt vorübergehend und sobald das Experiment beendet ist, verschwindet.
The authors have nothing to disclose.
This work was partly supported by grants from the National Institutes of Health (NIH), under grant numbers R01 MH084021, R01 NS067015, R01 AG042753, NS076588, NS029029-20S1, R21 NS078656; and from National Multiple Sclerosis Society, under grant number of RG4707A2.
Name of the Material/Equipment | Company | Catalog number | Description | Website |
Douglas bag | Harvard Apparatus | 500942 | 200-liter capacity | http://www.harvardapparatus.com/webapp/wcs/stores/servlet/catalog_11051_10001_-1_HAI?gclid=CN_woMnCwboCFWpk7AodL1YA8g |
Three-way valve | Hans Rudolph | CR1207 | 100% plastic | www.rudolphkc.com |
Two-way non-rebreathing valve | Hans Rudolph | CR1480 | 22mm/ 15mm ID | www.rudolphkc.com |
Diaphragm | Hans Rudolph | 602021-2608 | Size: medium, Type: spiral | www.rudolphkc.com |
Mouth piece | Hans Rudolph | 602076 | Silicone, Model # 9061 | www.rudolphkc.com |
Nose clip | Hans Rudolph | 201413 | Plastic foam, Model #9014 | www.rudolphkc.com |
Gas delivery tube | Vacumed | 1011-108 | http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&prodid=7665 | |
Blue cuff | Vacumed | 22254 | http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&prodid=343 | |
Gas sampling tube | QoSINA | T4305 | Thin | http://www.qosina.com/catalog/part.asp?partno=T4305 |
Male luer | QoSINA | 11547 | http://www.qosina.com/catalog/part.asp?partno=11547 | |
Hydrophobic filter | Philips Medical Systems | 9906-00 | Disposable | http://www.healthcare.philips.com/us_en/products/index.wpd?Int_origin=3_HC_landing_main_us_en_top-nav_products |
U-shape tube | Made in-house | |||
Elbow connector | QoSINA | 51033 | www.qosina.com | |
EtCO2monitor | Philips Medical Systems | Model 1265 | http://www.healthcare.philips.com/us_en/products/index.wpd?Int_origin=3_HC_landing_main_us_en_top-nav_products | |
Pulse oximetry | Invivo | Expression | MRI Monitoring Systems | http://www.invivocorp.com/monitors/monitorinfo.php?id=7 |
MRI scanner | Philips | Achieva 3.0T TX | http://www.healthcare.philips.com/main/products/mri/systems/achievaTX/?Int_origin=2_HC_mri_main_global_en_systems_achieva30ttx | |
Disinfectant | Fisher Scientific | 04-355-13 | Decon™ BDD™ Bacdown™ Detergent Disinfectant | http://www.fishersci.com/ecomm/servlet/itemdetail?storeId=10652&langId=-1&catalogId=29104&productId=3426739&distype=0&highlightProductsItemsFlag=Y&fromSearch=1&searchType=PROD&hasPromo=0 |