Mappatura quantitativa della ventilazione specifica nel polmone umano utilizzando l'imaging a risonanza magnetica protonica e l'ossigeno come agente di contrasto
Summary
L’imaging di ventilazione specifica è una tecnica di risonanza magnetica funzionale che consente la quantificazione della ventilazione specifica regionale nel polmone umano, utilizzando l’ossigeno inalato come agente di contrasto. Qui presentiamo un protocollo per raccogliere e analizzare specifici dati di imaging di ventilazione.
Abstract
L’imaging di ventilazione specifica (SVI) è una tecnica di risonanza magnetica funzionale in grado di quantificare la ventilazione specifica ― il rapporto tra il gas fresco che entra in una regione polmonare divisa per il volume finale espiratorio della regione ― nel polmone umano, utilizzando solo ossigeno inalato come agente di contrasto. La quantificazione regionale di ventilazione specifica ha il potenziale per aiutare a identificare le aree di funzione polmonare patologica. L’ossigeno in soluzione nel tessuto riduce il tempo di rilassamento longitudinale del tessuto (T1), e quindi un cambiamento nell’ossigenazione tissutale può essere rilevato come un cambiamento nel segnale ponderato di T1con un’immagine acquisita recupero di inversione. A seguito di un brusco cambiamento tra due concentrazioni di ossigeno ispirato, il tasso al quale il tessuto polmonare all’interno di un voxel equilibra un nuovo stato stazionario riflette la velocità con cui il gas residente viene sostituito da gas inalato. Questo tasso è determinato da ventilazione specifica. Per suscitare questo improvviso cambiamento nell’ossigenazione, i soggetti respirano alternativamente 20-respiro blocchi di aria (21% di ossigeno) e 100% di ossigeno mentre nello scanner MRI. Un cambiamento graduale nella frazione di ossigeno ispirato si ottiene attraverso l’uso di un sistema di bypass di flusso a stampa tridimensionale (3D) personalizzato con un interruttore manuale durante una breve attesa espiratoria finale. Per rilevare la variazione corrispondente in T1, è stato utilizzato un impulso di inversione globale seguito da una sequenza di Eco Spin veloce a scatto singolo per acquisire immagini bidimensionali t1ponderate in uno scanner MRI 1,5 t, utilizzando una bobina di torso a otto elementi. Sono possibili sia l’imaging a sezione singola che la multi-slice, con parametri di imaging leggermente diversi. La quantificazione della ventilazione specifica è ottenuta correlando il tempo-corso di intensità del segnale per ogni voxel polmonare con una libreria di risposte simulate allo stimolo aria/ossigeno. Le stime SVI di specifica eterogeneità di ventilazione sono state convalidate contro il lavaggio multiplo del respiro e hanno dimostrato di determinare accuratamente l’eterogeneità della distribuzione specifica della ventilazione.
Introduction
L’obiettivo generale dell’imaging di ventilazione specifico (SVI) ― una tecnica di risonanza magnetica protonica (MRI) che utilizza l’ossigeno come agente di contrasto1 ― è quello di mappare quantitativamente la ventilazione specifica nel polmone umano. La ventilazione specifica è il rapporto tra il gas fresco consegnato in una regione polmonare in un respiro diviso per il volume espiratorio finale della stessa regione polmonare1. In combinazione con le misurazioni della densità polmonare locale, la ventilazione specifica può essere utilizzata per calcolare la ventilazione regionale2. Le misurazioni della ventilazione locale e l’eterogeneità di ventilazione che sono fornite da svi hanno il potenziale per arricchire la comprensione di come le funzioni polmonari, sia normalmente che anormalmente3,4.
L’imaging specifico per la ventilazione è un’estensione del test di fisiologia classica, il washout multiplo di respiro (MBW), una tecnica introdotta per la prima volta nel 19505,6. Entrambe le tecniche utilizzano il lavaggio/washout a gas per misurare l’eterogeneità della ventilazione specifica, ma SVI fornisce informazioni spazialmente localizzate mentre MBW fornisce solo misure globali di eterogeneità. In MBW, uno spettrometro di massa viene utilizzato per misurare la concentrazione mista scaduta di un gas insolubile (azoto, Elio, esafluoruro di zolfo, ecc.) su molti responi durante un washout di quel gas, come illustrato nella Figura 1. Insieme al volume scaduto per respiro durante il periodo di washout, queste informazioni possono essere utilizzate per calcolare la distribuzione complessiva di ventilazione specifica nel polmone. In SVI, uno scanner MRI viene utilizzato per misurare il segnale ponderato di T1― che è un surrogato per la quantità di ossigeno in soluzione nel tessuto polmonare, un indicatore diretto della concentrazione locale di ossigeno ― in ogni voxel polmonare su molti respodi durante diversi Washin/washouts di ossigeno. In un modo che è direttamente analogo a MBW, queste informazioni ci permettono di calcolare la ventilazione specifica di ogni voxel polmonare. In altre parole, la tecnica esegue migliaia di esperimenti di tipo MBW paralleli, uno per ogni voxel, durante un esperimento SVI. Infatti, le mappe spaziali di ventilazione specifica così prodotte possono essere compilate per recuperare l’eterogeneità di ventilazione specifica uscita di MBW. Uno studio di convalida7 ha mostrato che le due metodologie hanno prodotto risultati comparabili se eseguite in serie sugli stessi soggetti.
Esistono altre modalità di imaging che, come SVI, forniscono misure spaziali di eterogeneità di ventilazione. Tomografia a emissione di positroni (PET)8,9, tomografia computerizzata con emissione a singolo fotone (SPECT)10,11e MRI a gas iperpolarizzato12,13 tecniche sono state utilizzate per creare un corpus sostanziale di letteratura per quanto riguarda il modello spaziale di ventilazione in soggetti sani e anormali. In generale, queste tecniche hanno almeno un vantaggio distinto rispetto a SVI, in quanto il loro rapporto segnale-rumore è caratteristicamente superiore. Tuttavia, ogni tecnica ha anche uno svantaggio caratteristico: PET e SPECT comportano l’esposizione a radiazioni ionizzanti, e la risonanza magnetica iperpolarizzata richiede l’uso di gas iperpolarizzato altamente specializzato e uno scanner MR con hardware multi-nucleo non standard.
SVI, una tecnica Proton-MRI, utilizza tipicamente 1,5 Tesla MR hardware con ossigeno inalato come un agente di contrasto (entrambi gli elementi sono prontamente disponibili nel settore sanitario), rendendolo potenzialmente più generalizzabile all’ambiente clinico. SVI sfrutta il fatto che l’ossigeno accorcia il tempo di rilassamento longitudinale (T1) dei tessuti polmonari1, che a sua volta si traduce in un cambiamento di intensità del segnale in un’immagine ponderata T1. Pertanto, i cambiamenti nella concentrazione di ossigeno ispirato inducono cambiamento nell’intensità del segnale di immagini MRI opportunamente temporizzate. Il tasso di questa variazione a seguito di un brusco cambiamento nella concentrazione di ossigeno ispirato, tipicamente aria e 100% di ossigeno, riflette la velocità con cui il gas residente viene sostituito dal gas inalato. Questo tasso di sostituzione è determinato da ventilazione specifica.
Poiché SVI non comporta radiazioni ionizzanti, non ha controindicazioni per gli studi longitudinali e interventistici che seguono i pazienti nel corso del tempo. Pertanto, è ideale per studiare la progressione della malattia o valutare come i singoli pazienti rispondono al trattamento. Grazie alla sua relativa facilità e ripetibilità di sicurezza, l’imaging di ventilazione specifica è, in generale, una tecnica ideale per coloro che desiderano studiare grandi effetti e/o un gran numero di persone nel tempo o in diversi luoghi clinici diversi.
A seguito della pubblicazione originale che descrive la tecnica1, l’imaging specifico per ventilazione (SVI) è stato utilizzato in studi incentrati sull’effetto di infusione salina rapida, postura, esercizio e broncocostrizione2,3 , 4 , 14 anni di , 15. la capacità della tecnica di stimare l’eterogeneità polmonare intera di ventilazione specifica è stata convalidata utilizzando il test di washout multiplo ben consolidato7 e più di recente, una regionale una convalida incrociata è stata eseguita, da confrontando il SVI e l’imaging di ventilazione specifica per respiro multiplo a gas iperpolarizzato16. Questa tecnica affidabile e prontamente distribuibile, in grado di mappare quantitativamente la ventilazione specifica nel polmone umano, ha il potenziale per contribuire significativamente alla diagnosi precoce e alla diagnostica delle malattie respiratorie. Presenta inoltre nuove opportunità per quantificare le anomalie polmonari regionali e seguire i cambiamenti indotti dalla terapia. Questi cambiamenti nella funzione polmonare specifica della regione, che il SVI ci permette di misurare per la prima volta, hanno il potenziale per diventare biomarcatori per valutare l’impatto dei farmaci e delle terapie inalate, e potrebbe essere uno strumento estremamente utile negli studi clinici.
Lo scopo di questo articolo è quello di presentare la metodologia di imaging specifico di ventilazione in dettaglio e in forma visiva, contribuendo così alla diffusione della tecnica a più centri.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’imaging di ventilazione specifica consente la mappatura quantitativa della distribuzione spaziale di ventilazione specifica nel polmone umano. Le alternative al SVI esistono ma sono limitate in qualche modo: il lavaggio multiplo del respiro fornisce una misura di eterogeneità ma manca di informazioni spaziali23. I metodi di imaging alternativi espongono i pazienti a radiazioni ionizzanti (ad es., SPECT, PET, CT, scintigrafia gamma) o non sono ampiamente disponibili (imaging a gas iperpolarizzat…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dal National Heart, Lung e Blood Institute (NHLBI) (sovvenzioni R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 e R01-HL119263) e dall’Istituto nazionale di ricerca biomedica (National Aeronautics and Space Administration Grant NCC 9-58). l’As Geier è stato supportato da 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 |
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