Kwantitatieve mapping van specifieke ventilatie in de menselijke Long met behulp van Proton Magnetic Resonance Imaging en zuurstof als een contrast middel
Summary
Specifieke ventilatie Imaging is een functionele Magnetic Resonance Imaging techniek die het mogelijk maakt voor de kwantificering van regionale specifieke ventilatie in de menselijke Long, met behulp van ingeademde zuurstof als een contrastmiddel. Hier presenteren we een protocol voor het verzamelen en analyseren van specifieke ventilatie Imaging data.
Abstract
Specifieke ventilatie Imaging (SVI) is een functionele Magnetic Resonance Imaging techniek die in staat is om specifieke ventilatie te kwantificeren — de verhouding van het verse gas dat een longgebied binnenkomt, gedeeld door het uitademings volume van de regio — in de menselijke Long, met alleen ingeademde zuurstof als een contrastmiddel. Regionale kwantificering van specifieke ventilatie heeft het potentieel om te helpen identificeren gebieden van pathologische longfunctie. Zuurstof in oplossing in weefsel verkort de longitudinale ontspanning van het weefsel tijd (T1), en dus een verandering in weefsel oxygenatie kan worden gedetecteerd als een verandering in T1-gewogen signaal met een inversie herstel verworven beeld. Na een abrupte verandering tussen twee concentraties van geïnspireerde zuurstof, de snelheid waarmee het longweefsel binnen een Voxel evenwicht bereikt naar een nieuwe steady-state weerspiegelt de snelheid waarmee inwoner gas wordt vervangen door ingeademd gas. Dit tarief wordt bepaald door specifieke ventilatie. Om deze plotselinge verandering in oxygenatie te wekken, ademen de onderwerpen afwisselend 20-adem blokken lucht (21% zuurstof) en 100% zuurstof terwijl in de MRI-scanner. Een stapsgewijze verandering in geïnspireerde zuurstof fractie wordt bereikt door het gebruik van een aangepaste drie-dimensionale (3D)-gedrukte stroom bypass systeem met een handmatige schakelaar tijdens een korte end-uitademings adem te houden. Om de overeenkomstige verandering in T1te ontdekken, werd een globale inversie impuls die door één enkele ontsproten snelle rotatieecho opeenvolging wordt gevolgd gebruikt om twee-dimensionale t1-gewogen beelden in een 1,5 t MRI scanner te verwerven, gebruikend een acht-element torso rol. Zowel enkelvoudige slice als multi-slice beeldvorming zijn mogelijk, met iets andere imaging parameters. Kwantificering van specifieke ventilatie wordt bereikt door het correleren van de tijd-cursus van signaalintensiteit voor elke Long Voxel met een bibliotheek van gesimuleerde reacties op de lucht/zuurstof stimulus. SVI schattingen van specifieke ventilatie heterogeniteit zijn gevalideerd tegen meervoudige adem Wash en bleken nauwkeurig de heterogeniteit van de specifieke ventilatie distributie te bepalen.
Introduction
Het algemene doel van specifieke ventilatie Imaging (SVI) ― een proton Magnetic Resonance Imaging (MRI) techniek die zuurstof gebruikt als contrastmiddel1 ― is het kwantitatief toewijzen van specifieke ventilatie in de menselijke Long. Specifieke ventilatie is de verhouding van vers gas geleverd aan een longgebied in een adem gedeeld door het einde uitademings volume van dezelfde Long regio1. In combinatie met metingen van de lokale Long dichtheid, specifieke ventilatie kan worden gebruikt om de regionale ventilatie berekenen2. Metingen van lokale ventilatie-en ventilatie heterogeniteit die worden geleverd door SVI hebben de potentie om het inzicht te verrijken hoe de Long functies, zowel normaal als abnormaal3,4.
Specifieke ventilatie beeldvorming is een uitbreiding van de klassieke fysiologie test, multiple Breath Wash (MBW), een techniek die voor het eerst geïntroduceerd in de jaren 19505,6. Beide technieken gebruiken gas washin/Wash om de heterogeniteit van specifieke ventilatie te meten, maar SVI biedt ruimtelijk gelokaliseerde informatie, terwijl MBW alleen globale maatregelen van heterogeniteit biedt. In MBW, wordt een massaspectrometer gebruikt om de gemengde verlopen concentratie van een onoplosbaar gas (stikstof, helium, zwavel zwavelhexafluoride, enz.) over vele ademhalingen tijdens een Wash van dat gas te meten, zoals afgebeeld in Figuur 1. Samen met het verlopen volume per ademhaling tijdens de Wash periode, kan deze informatie worden gebruikt om de algemene distributie van specifieke ventilatie in de Long te berekenen. In SVI, wordt een MRI-scanner gebruikt om de T1-gewogen signaal-dat is een surrogaat voor de hoeveelheid zuurstof in oplossing in longweefsel, een directe indicator van de lokale zuurstofconcentratie ― in elke Long Voxel over vele ademhalingen tijdens verschillende washin/verzakkingen te meten van zuurstof. Op een manier die direct analoog is aan MBW, deze informatie stelt ons in staat om de specifieke ventilatie van elke Long Voxel berekenen. Met andere woorden, de techniek voert duizenden parallelle MBW-achtige experimenten, een voor elke Voxel, tijdens een SVI experiment. Inderdaad, de ruimtelijke kaarten van specifieke ventilatie zo geproduceerd kan worden samengesteld om de specifieke ventilatie heterogeniteit output van MBW terug te vorderen. Een validatie studie7 toonde aan dat de twee methodologieën vergelijkbare resultaten opleverden wanneer ze in serie over dezelfde onderwerpen werden uitgevoerd.
Andere beeldvormingsmodaliteiten bestaan dat, zoals SVI, ruimtelijke maatregelen van ventilatie heterogeniteit bieden. Positron emissie tomografie (PET)8,9, single-fotonemissie computertomografie (SPECT)10,11, en hyperpolarized gas MRI12,13 technieken zijn gebruikt om Creëer een substantieel literatuur beeld met betrekking tot het ruimtelijke patroon van ventilatie bij gezonde en abnormale onderwerpen. In het algemeen, hebben deze technieken minstens één verschillend voordeel over SVI, in die richting dat hun signaal-aan-lawaaiverhouding karakteristiek hoger is. Echter, elke techniek heeft ook een karakteristiek nadeel: PET en SPECt te betrekken blootstelling aan ioniserende straling, en hyperpolarized MRI vereist het gebruik van zeer gespecialiseerde hyperpolarized gas en een MR scanner met niet-standaard multi-kernen hardware.
SVI, een proton-MRI-techniek, gebruikt meestal 1,5 Tesla MR hardware met ingeademde zuurstof als een contrastmiddel (beide elementen zijn direct beschikbaar in de gezondheidszorg), waardoor het potentieel meer veralgemeenbaar voor de klinische omgeving. SVI maakt gebruik van het feit dat zuurstof verkort de longitudinale ontspanning tijd (T1) van Long weefsels1, die op zijn beurt vertaalt naar een verandering in de signaalintensiteit in een T1-gewogen beeld. Zo, veranderingen in de concentratie van geïnspireerde zuurstof induceren verandering in de signaalintensiteit van de juiste getimede MRI-beelden. Het tarief van deze verandering na een abrupte verandering in geïnspireerde zuurstofconcentratie, typisch lucht en 100% zuurstof, weerspiegelt de snelheid waarmee het ingezetene gas door het ingeademde gas wordt vervangen. Deze vervangings frequentie wordt bepaald door een specifieke ventilatie.
Aangezien SVI geen ioniserende straling impliceert, heeft het geen contra-indicaties voor longitudinale en interventionele studies die patiënten in tijd volgen. Zo is het bij uitstek geschikt voor het bestuderen van progressie van de ziekte of de evaluatie van hoe individuele patiënten reageert op de behandeling. Door zijn relatief gemak en veilige herhaalbaarheid, specifieke ventilatie Imaging is in het algemeen een ideale techniek voor degenen die wensen om grote effecten en/of een groot aantal mensen te bestuderen in de tijd of in verschillende klinische locaties.
Naar aanleiding van de oorspronkelijke publicatie beschrijving van de techniek1, specifieke ventilatie Imaging (SVI) is gebruikt in studies gericht op het effect van een snelle zoutoplossing infusie, houding, lichaamsbeweging, en bronchoconstrictie2,3 , 4 , 14 , 15. het vermogen van de techniek om hele Long heterogeniteit van specifieke ventilatie te schatten is gevalideerd met behulp van de gevestigde meervoudige adem Wash test7 en meer recentelijk, een regionale een kruis validatie werd uitgevoerd, door vergelijken SVI en hyperpolarized gas meerdere adem specifieke ventilatie Imaging16. Deze betrouwbare en gemakkelijk inzetbaar techniek, geschikt voor het kwantitatief in kaart brengen van specifieke ventilatie in de menselijke Long, heeft het potentieel om een significante bijdrage te leveren aan vroegtijdige opsporing en diagnose van respiratoire aandoeningen. Het presenteert ook nieuwe mogelijkheden om regionale longafwijkingen te kwantificeren en te volgen veranderingen geïnduceerd door therapie. Deze veranderingen in de regio-specifieke longfunctie, die SVI stelt ons in staat om te meten voor de eerste keer, hebben de potentie om biomarkers worden voor de beoordeling van de impact van drugs en inhalatie therapieën, en kan een uiterst nuttig instrument in klinische studies.
Het doel van dit artikel is het presenteren van de methodologie van specifieke ventilatie imaging in detail en in een visuele vorm, dus bijdragen aan de verspreiding van de techniek om meer centra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Specifieke ventilatie Imaging maakt kwantitatieve kartering mogelijk van de ruimtelijke spreiding van specifieke ventilatie in de menselijke Long. Alternatieven voor SVI bestaan, maar zijn beperkt in een of andere manier: meerdere adem Wash biedt een maatregel van heterogeniteit, maar mist ruimtelijke informatie23. Alternatieve beeldvormende methoden bloot patiënten aan ioniserende straling (bijv. SPECt, PET, CT, gamma scintigrafie) of zijn niet op grote schaal beschikbaar (hyperpolarized gas Ima…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door het nationale hart, het Instituut van de Long en van het bloed (NHLBI) (toekenning R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 en R01-HL119263) en het nationale ruimte biomedische Onderzoekinstituut (nationale Luchtvaartkunde en ruimtebeleid toelage NCC 9-58). et GEIER werd ondersteund door NHLBI Grant 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).
