الخرائط الكمية للتهوية الخاصة في الرئة البشرية باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي البروتون والأكسجين كعامل تباين
Summary
التصوير التهوية المحددة هي تقنيه التصوير بالرنين المغناطيسي وظيفية التي تسمح للقياس الكمي من التهوية الاقليميه المحددة في الرئة البشرية ، وذلك باستخدام استنشاق الأكسجين كعامل النقيض. هنا ، نقدم بروتوكولا لجمع وتحليل بيانات التصوير التهوية محدده.
Abstract
تصوير التهوية المحددة (SVI) هو تقنيه التصوير بالرنين المغناطيسي وظيفية قادره علي تحديد كميه التهوية المحددة-نسبه الغاز الطازج الذي يدخل منطقه الرئة مقسوما علي الحجم النهائي للمنطقة-في الرئة البشرية ، وذلك باستخدام فقط استنشاق الأكسجين كعامل تباين. القياس الكمي الإقليمي للتهوية محدده لديه القدرة علي المساعدة في تحديد مجالات وظيفة الرئة المرضية. الأكسجين في المحلول في الانسجه يقصر وقت الاسترخاء الطولي للانسجه (T1) ، التالي يمكن الكشف عن تغيير في الأوكسجين في الانسجه كتغيير في اشاره T1المرجحة مع استعاده انعكاس المكتسبة الصورة. بعد التغير المفاجئ بين تركيزين من الأكسجين الملهم ، يعكس المعدل الذي فيه انسجه الرئة داخل يتوازن فوكسل إلى حاله ثابته جديده المعدل الذي يتم فيه استبدال الغاز المقيم بالغاز المستنشق. يتم تحديد هذا المعدل بواسطة تهويه محدده. للحصول علي هذا التغيير المفاجئ في الأوكسجين ، والموضوعات تتنفس بالتناوب كتل 20 التنفس من الهواء (21 ٪ الأكسجين) و 100 ٪ الأكسجين في حين في الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي. يتم تحقيق تغيير تدريجي في جزء الأكسجين المستوحي من خلال استخدام نظام تجاوز التدفق المطبوع ثلاثي الابعاد (3D) مع مفتاح يدوي اثناء عقد التنفس القصير النهاية. للكشف عن التغيير المطابق في T1, نبض انعكاس العالمي تليها طلقه واحده سريعة تدور صدي تسلسل تم استخدامها للحصول علي ثنائي الابعاد t1-الصور المرجحة في الماسح الضوئي 1.5 t التصوير بالرنين المغناطيسي, باستخدام لفائف الجذع ثمانيه عناصر. كل من شريحة واحده والتصوير متعدد الشرائح ممكن ، مع معلمات التصوير مختلفه قليلا. ويتحقق القياس الكمي للتهوية محدده عن طريق الربط الزمني لكثافة الاشاره لكل فوكسل الرئة مع مكتبه من الاستجابات محاكاة لتحفيز الهواء/الأكسجين. وقد تم التحقق من تقديرات SVI من تغاير التهوية محدده ضد غسل النفس متعددة وثبت لتحديد بدقه عدم تجانس توزيع التهوية محدده.
Introduction
الهدف العام للتصوير التهوية المحددة (SVI)-تقنيه التصوير بالرنين المغناطيسي البروتون (MRI) التي تستخدم الأكسجين كعامل النقيض1 -هو لتحديد كميه التهوية محدده في الرئة البشرية. التهوية المحددة هي نسبه الغاز الطازج الذي يتم تسليمه إلى منطقه الرئة في نفس واحد مقسوما علي الحجم النهائي لنفس منطقه الرئة1. بالتزامن مع قياسات كثافة الرئة المحلية ، يمكن استخدام تهويه محدده لحساب التهوية الاقليميه2. قياسات التهوية المحلية والتهوية التغاير التي تقدمها svi لديها القدرة علي إثراء فهم كيفيه وظائف الرئة ، سواء بشكل طبيعي أو غير طبيعي3،4.
التصوير التهوية المحددة هو امتداد للاختبار فسيولوجيا الكلاسيكية ، وغسل النفس متعددة (mbw) ، وهي تقنيه قدمت لأول مره في 1950s5،6. وتستخدم كلتا التقنيتين غسل الغاز/التبييض لقياس التباين في التهوية المحددة ، ولكن SVI توفر معلومات مكانيه مترجمه بينما يوفر MBW مقاييس عالميه فقط من التغاير. في MBW ، يستخدم مطياف الكتلي لقياس التركيز المختلط منتهي الصلاحية لغاز غير قابل للذوبان (النيتروجين ، الهيليوم ، سادس فلوريد الكبريت ، الخ) علي العديد من الأنفاس اثناء غسل الغاز ، كما هو مبين في الشكل 1. بالاضافه إلى الحجم المنتهي في التنفس خلال فتره الغسيل ، يمكن استخدام هذه المعلومات لحساب التوزيع الكلي للتهوية المحددة في الرئة. في svi ، يتم استخدام ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي لقياس الاشاره T1-المرجحة-وهو بديل لكميه الأكسجين في الحل في انسجه الرئة ، وهو مؤشر مباشر لتركيز الأكسجين المحلي-في كل الرئة فوكسل علي العديد من الأنفاس خلال عده الغسيل/washouts من الأكسجين. بطريقه مشابهه مباشره ل MBW ، هذه المعلومات تسمح لنا لحساب التهوية محدده من كل voxel الرئة. وبعبارة أخرى ، فان هذه التقنية تنفذ آلاف من التجارب الموازية MBW مثل ، واحده لكل voxel ، اثناء تجربه SVI. في الواقع ، يمكن تجميع الخرائط المكانية للتهوية محدده التالي المنتجة لاسترداد الناتج تغاير التهوية محدده من MBW. وأظهرت دراسة التصديق7 ان المنهجيتين أسفرت عن نتائج قابله للمقارنة عندما أجريت في سلسله بشان نفس المواضيع.
وتوجد طرائق تصوير أخرى ، مثل SVI ، توفر مقاييس مكانيه لعدم تجانس التهوية. بوزيترون التصوير المقطعي الانبعاثات (PET)8،9، أحاديه الفوتون انبعاثات التصوير المقطعي (spect)10،11، والتصوير بالرنين المغناطيسي الغاز الاستقطاب12،13 وقد استخدمت تقنيات إنشاء مجموعه كبيره من الأدبيات المتعلقة بالنمط المكاني للتهوية في المواد الصحية وغير الطبيعية. بشكل عام ، هذه التقنيات لديها علي الأقل ميزه واحده متميزة علي SVI ، في ان نسبه الاشاره إلى الضوضاء هي اعلي بشكل مميز. ومع ذلك ، كل تقنيه لديها أيضا عيب مميز: PET و SPECT تنطوي علي التعرض للإشعاع المؤين ، والتصوير بالرنين المغناطيسي الاستقطاب يتطلب استخدام الغاز عاليه الاستقطاب المتخصصة للغاية والماسح الضوئي MR مع غير القياسية الاجهزه متعددة النوى.
SVI ، وهي تقنيه التصوير بالرنين المغناطيسي البروتون ، ويستخدم عاده 1.5 تسلا الاجهزه السيد مع استنشاق الأكسجين كعامل النقيض (كلا العنصرين متاحه بسهوله في الرعاية الصحية) ، مما يجعل من المحتمل أكثر تعميما للبيئة السريرية. SVI روافع حقيقة ان الأكسجين يقصر وقت الاسترخاء الطولي (T1) من انسجه الرئة1، والذي يترجم بدوره إلى تغيير في كثافة الاشاره في صوره T1المرجحة. وهكذا ، فان التغيرات في تركيز الأكسجين الملهم تحفز التغير في كثافة الاشاره من صور التصوير بالرنين المغناطيسي الموقوتة بشكل مناسب. معدل هذا التغيير بعد التغير المفاجئ في تركيز الأكسجين الملهم ، وعاده الهواء والأكسجين 100 ٪ ، يعكس المعدل الذي يتم استبدال الغاز المقيم بالغاز المستنشق. يتم تحديد معدل الاستبدال هذا بواسطة تهويه محدده.
كما لا يتضمن SVI الإشعاع المؤين ، فانه لا يوجد لديه موانع للدراسات الطولية والتداخلية التي تتبع المرضي مع مرور الوقت. التالي ، فهي مناسبه بشكل مثالي لدراسة تطور المرض أو تقييم كيفيه استجابه المرضي الافراد للعلاج. نظرا لسهوله النسبية والتكرار أمنه ، والتصوير التهوية محدده ، بشكل عام ، وهي تقنيه مثاليه لأولئك الذين يرغبون في دراسة الآثار الكبيرة و/أو عدد كبير من الناس مع مرور الوقت أو في العديد من المواقع السريرية المختلفة.
بعد المنشور الأصلي الذي يصف التقنية1، وقد استخدمت التصوير التهوية المحددة (svi) في الدراسات التي تركز علي تاثير التسريب الملحي السريع ، والموقف ، وممارسه ، وتضيق القصبات2،3 , 4 , 14 , 15. وقد تم التحقق من قدره التقنية علي تقدير تغاير الرئة كله من التهوية محدده باستخدام اختبار التنفس متعددة مستقره جيدا7 وأكثر مؤخرا ، تم تنفيذ الاقليميه التحقق من الصحة عبر ، من قبل مقارنه SVI وفرط الاستقطاب الغاز التنفس متعددة محدده التصوير التهوية16. وهذه التقنية الموثوقه والقابلة للنشر بسهوله ، والقادرة علي التخطيط الكمي للتهوية المحددة في الرئة البشرية ، لديها القدرة علي المساهمة بشكل كبير في الكشف المبكر عن امراض الجهاز التنفسي وتشخيصها. كما انها تتيح فرصا جديده لقياس تشوات الرئة الاقليميه وتتبع التغيرات التي يسببها العلاج. هذه التغييرات في وظيفة الرئة الخاصة بالمنطقة ، والتي SVI تمكننا من قياس للمرة الاولي ، لديها القدرة علي ان تصبح المؤشرات الحيوية لتقييم تاثير المخدرات والعلاجات المستنشقة ، ويمكن ان تكون أداه مفيده للغاية في التجارب السريرية.
والغرض من هذه المادة هو تقديم منهجيه التصوير التهوية محدده بالتفصيل وفي شكل مرئي ، التالي المساهمة في نشر هذه التقنية إلى المزيد من المراكز.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتسمح الصور المحددة للتهوية برسم خرائط كميه للتوزيع المكاني للتهوية المحددة في الرئة البشرية. بدائل لل SVI موجودة ولكنها محدوده بطريقه ما: يوفر غسل النفس المتعدد مقياسا للتغزيه ولكنه يفتقر إلى المعلومات المكانية23. طرق التصوير البديلة تعرض المرضي للإشعاع المؤين (علي سبيل المث?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وكان هذا العمل مدعوما من المعهد الوطني للقلب والرئة والدم (NHLBI) (منح R01 HL-080203 ، R01 HL-081171 ، R01 HL-104118 و R01-HL119263) والمعهد الوطني لبحوث الطب الإحيائي الفضائي (الاداره الوطنية للملاحة الفضائية والفضاء منحه NCC 9-58). تم دعم اي تي غايير من قبل NHLBI غرانت F30 HL127980.
Materials
| 3D-printed flow bypass system | |||
| Face mask | Hans Rudolph | 7400 series Oro-nasal mask, different sizes | |
| Gas/oxygen regulator | |||
| Mask head set | Hans Rudolph | 7400 compatible head set | |
| Matlab | Mathworks | analysis software developed locally | |
| Medical oxygen | Air Liquide/Linde | Oxygen to be delivered to the subject | |
| MRI | GE healthcare | 1.5 T GE HDx Excite twin-speed scanner | |
| Plastic tubing | ¼”, 3/8” and 1/2” tubing and connectors | ||
| Pulse oximeter | Nonin | 7500 FO (MR compatible) | |
| Switch valve | |||
| Torso coil | GE healthcare | High gain torso coil for GE scanner |
Referenzen
- Sá, R. C., et al. Vertical distribution of specific ventilation in normal supine humans measured by oxygen-enhanced proton MRI. Journal of Applied Physiology. 109 (6), 1950-1959 (2010).
- Henderson, A. C., et al. The gravitational distribution of ventilation-perfusion ratio is more uniform in prone than supine posture in the normal human lung. Journal of Applied Physiology. 115 (3), 313-324 (2013).
- Geier, E. T., Neuhart, I., Theilmann, R. J., Prisk, G. K., Sá, R. C. Spatial persistence of reduced specific ventilation following methacholine challenge in the healthy human lung. Journal of Applied Physiology. 124 (5), 1222-1232 (2018).
- Tedjasaputra, V., et al. The heterogeneity of regional specific ventilation is unchanged following heavy exercise in athletes. Journal of Applied Physiology. 115 (1), 126-135 (2013).
- Fowler, W. S. Lung Function Studies. III. Uneven Pulmonary Ventilation in Normal Subjects and in Patients with Pulmonary Disease. Journal of Applied Physiology. 2 (6), 283-299 (1949).
- Robertson, J. S., Siri, W. E., Jones, H. B. Lung ventilation patterns determined by analysis of nitrogen elimination rates; use of mass spectrometer as a continuous gas analyzer. Journal of Clinical Investigation. 29 (5), 577-590 (1950).
- Sá, R. C., Asadi, A. K., Theilmann, R. J., Hopkins, S. R., Prisk, G. K., Darquenne, C. Validating the distribution of specific ventilation in healthy humans measured using proton MR imaging. Journal of Applied Physiology. 116 (8), 1048-1056 (2014).
- Musch, G., et al. Topographical distribution of pulmonary perfusion and ventilation, assessed by PET in supine and prone humans. Journal of Applied Physiology. 93 (5), 1841-1851 (2002).
- Venegas, J. G., Schroeder, T., Harris, R. S., Winkler, R. T., Melo, M. F. V. The distribution of ventilation during bronchoconstriction is patchy and bimodal: a PET imaging study. Respiratory Physiology & Neurobiology. 148 (1-2), 57-64 (2005).
- Orphanidou, D., Hughes, J. M., Myers, M. J., Al-Suhali, A. R., Henderson, B. Tomography of regional ventilation and perfusion using krypton 81m in normal subjects and asthmatic patients. Thorax. 41 (7), 542-551 (1986).
- King, G. G., Eberl, S., Salome, C. M., Meikle, S. R., Woolcock, A. J. Airway closure measured by a technegas bolus and SPECT. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 155 (2), 682-688 (1997).
- Horn, F. C., Deppe, M. H., Marshall, H., Parra-Robles, J., Wild, J. M. Quantification of regional fractional ventilation in human subjects by measurement of hyperpolarized 3He washout with 2D and 3D MRI. Journal of Applied Physiology. 116 (2), 129-139 (2014).
- Hamedani, H., et al. A hybrid multibreath wash-in wash-out lung function quantification scheme in human subjects using hyperpolarized 3 He MRI for simultaneous assessment of specific ventilation, alveolar oxygen tension, oxygen uptake, and air trapping. Magnetic Resonance in Medicine. 78 (2), 611-624 (2017).
- Hall, E. T., et al. The effect of supine exercise on the distribution of regional pulmonary blood flow measured using proton MRI. Journal of Applied Physiology. 116 (4), 451-461 (2014).
- Henderson, A. C., Sá, R. C., Barash, I. A., Holverda, S., Buxton, R. B., Prisk, G. K. Rapid intravenous infusion of 20mL/kg saline alters the distribution of perfusion in healthy supine humans. Respiratory Physiology & Neurobiology. 180 (2-3), 331-341 (2012).
- Arai, T. J., et al. Comparison of quantitative multiple-breath specific ventilation imaging using colocalized 2D oxygen-enhanced MRI and hyperpolarized 3He MRI. Journal of Applied Physiology. 125 (5), 1526-1535 (2018).
- Chen, Q., Jakob, P. M., Griswold, M. A., Levin, D. L., Hatabu, H., Edelman, R. R. Oxygen enhanced MR ventilation imaging of the lung. Magma: Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology, and Medicine. 7 (3), 153-161 (1998).
- . Deforminator: Projective transformation to register small scale Lung deformation Available from: https://github.com/UCSDPulmonaryImaging/Deforminator (2019)
- Yang, G., Stewart, C. V., Sofka, M., Tsai, C. -. L. Registration of Challenging Image Pairs: Initialization, Estimation, and Decision. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 29 (11), 1973-1989 (2007).
- Arai, T. J., Villongco, C. T., Villongco, M. T., Hopkins, S. R., Theilmann, R. J. Affine transformation registers small scale lung deformation. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2012, 5298-5301 (2012).
- Theilmann, R. J., et al. Quantitative MRI measurement of lung density must account for the change in T(2) (*) with lung inflation. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 30 (2), 527-534 (2009).
- Arai, T. J., et al. Magnetic Resonance Imaging Quantification of Pulmonary Perfusion using Calibrated Arterial Spin Labeling. Journal of Visualized Experiments. 51 (51), e2712 (2011).
- Lewis, S. M., Evans, J. W., Jalowayski, A. A. Continuous Distributions of Specific Ventilation Recovered From Inert-Gas Washout. Journal of Applied Physiology. 44 (3), 416-423 (1978).
- Cook, F. R., Geier, E. T., Asadi, A. K., Sá, R. C., Prisk, G. K. Rapid Prototyping of Inspired Gas Delivery System for Pulmonary MRI Research. 3D Printing and Additive Manufacturing. 2 (4), 196-203 (2015).
- Zapol, W. M., et al. Pulmonary Delivery of Therapeutic and Diagnostic Gases. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 78-87 (2018).
- Kang, W., et al. In silico modeling of oxygen-enhanced MRI of specific ventilation. Physiological Reports. 6 (7), e13659 (2018).
