מיפוי כמותי של אוורור ספציפי בריאה האנושית באמצעות דימות תהודה מגנטית פרוטון וחמצן כסוכן ניגודיות
Summary
הדמיה של אוורור ספציפי היא טכניקת תהודה מגנטית תפקודית המאפשר כימות אוורור ספציפי באזור הריאה האנושית, באמצעות חמצן בשאיפה כסוכן ניגודיות. כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי לאסוף ולנתח נתונים ספציפיים הדמיה אוורור.
Abstract
הדמיה של אוורור ספציפי (SVI) היא טכניקת תהודה מגנטית תפקודית המסוגלת לכמת אוורור ספציפי-היחס של הגז הטרי הנכנסים לאזור הריאה מחולק על ידי נפח הקצה של האזור בריאות האדם, שימוש רק שאפה חמצן כסוכן ניגודיות. הקוונפיקציה אזורית של אוורור ספציפי יש פוטנציאל לעזור לזהות אזורים של תפקוד ריאות פתולוגי. חמצן בתמיסה מקצר את זמן הרפיה האורך של הרקמה (T1), ולכן שינוי בחמצון רקמות ניתן להבחין כשינוי באות T1משוקלל עם תמונה התאוששות היפוך שנרכש. בעקבות שינוי פתאומי בין שני ריכוזים של חמצן השראה, את הקצב שבו רקמת הריאה בתוך voxel מבטטים למצב קבוע חדש משקף את הקצב שבו גז תושב מוחלף על ידי גז שאפה. שיעור זה נקבע על ידי אוורור ספציפי. כדי להפיק את השינוי הפתאומי הזה בחמצן, נושאים לסירוגין לנשום 20 נשימה בלוקים של אוויר (21% חמצן) ו 100% חמצן בזמן סורק ה-MRI. שינוי צעד ושוב השראה בשבר החמצן מושגת באמצעות שימוש במערכת מותאמת אישית תלת ממדית (3D)-מערכת מעקף תזרים מודפס עם מתג ידני במהלך החזקת הנשימה קצר הקצה. כדי לזהות את השינוי המתאים ב-T1, פולס היפוך כללי ואחריו רצף מהיר של זריקה במהירות מהירה שימש לרכישת תמונות דו מימדי t1משוקלל בסורק 1.5 T MRI, באמצעות סליל גוף שמונה אלמנט. ניתן לעשות הדמיה של פרוסה אחת ומרובת פרוסות, עם פרמטרי דימות שונים במקצת. הקוונפיקציה של אוורור ספציפי מושגת על ידי התייחסות הזמן-מסלול של עוצמת האות עבור כל ריאה voxel עם ספרייה של תגובות מדומה לאוויר/גירוי בחמצן. SVI הערכות של טרוגניות אוורור ספציפיים אומתו נגד כשלון נשימה מרובים הוכיחו כדי לקבוע במדויק את הטרוגניות של התפלגות אוורור ספציפי.
Introduction
המטרה הכוללת של דימות אוורור ספציפי (SVI)-טכניקה של דימות תהודה מגנטית של פרוטונים (MRI) המשתמשת בחמצן כסוכן ניגודיות1 -היא האוורור הסגולי של המפה בריאה האנושית. אוורור ספציפי הוא היחס של הגז הטרי המועבר לאזור ריאות בנשימה אחת מחולק על ידי הקצה הסופי של אותו אזור ריאות1. בשילוב עם מדידות של צפיפות ריאה מקומית, אוורור ספציפי יכול לשמש כדי לחשב אוורור אזורי2. מדידות של אוורור ואוורור מקומיות טרוגניות המסופקים על ידי svi יש את הפוטנציאל להעשיר את ההבנה של איך פונקציות הריאות, הן בדרך כלל ובאופן חריג3,4.
הדמיה אוורור ספציפית היא הארכה של מבחן הפיזיולוגיה הקלאסית, שטיפה נשימה מרובה (mbw), טכניקה שהוצגהלראשונה בשנות ה-50,6. שתי הטכניקות להשתמש בוושין גז/כשלון כדי למדוד טרוגניות של אוורור ספציפי, אבל SVI מספק מידע spatially המותאמות לשפות אחרות, בעוד MBW מספק רק מדדים גלובליים של טרוגניות. ב-MBW, ספקטרומטר מסה משמש למדידת הריכוז המעורב של גז לא מחושב (חנקן, הליום, hexafluoride גופרית וכו ‘) על נשימות רבות במהלך כשלון הגז, כפי שמתואר באיור 1. יחד עם עוצמת הקול שפג תוקפו במהלך תקופת הכישלון, ניתן להשתמש במידע זה כדי לחשב את ההתפלגות הכוללת של אוורור ספציפי בריאה. ב SVI, סורק MRI משמש כדי למדוד את האות1משוקלל-שהוא פונדקאית עבור כמות החמצן בתמיסה ברקמת הריאה, מחוון ישיר של ריכוז החמצן המקומי-בכל ריאה voxel על נשימות רבות במהלך מספר הוושין/כביסה של חמצן. באופן שהוא אנלוגי ישירות ל-MBW, מידע זה מאפשר לנו לחשב את האוורור הספציפי של כל ריאה voxel. במילים אחרות, הטכניקה מבצעת אלפי ניסויים כמו MBW מקבילים, אחד עבור כל voxel, במהלך ניסוי SVI. אכן, מפות מרחבי של אוורור ספציפי ובכך המיוצר ניתן להדר כדי לשחזר את הפלט הספציפי טרוגניות התפוקה של MBW. מחקר אימות7 הראה כי שתי המתודולוגיות יצרו תוצאות דומות כאשר הופיעו בסדרה על אותם נושאים.
שיטות דימות אחרות קיימות, כמו SVI, לספק אמצעים מרחביים של אוורור טרוגניות. פליטת פוזיטרונים טומוגרפיה (PET)8,9, פליטת פוטון יחיד טומוגרפיה ממוחשבת (מבחינה פסיכומטרית)10,11, ו-MRI היפרמקוטב היפר-12,13 טכניקות שימשו כדי ל ליצור גוף משמעותי של ספרות לגבי דפוס מרחבי של איוורור בנושאים בריאים וחריגים. באופן כללי, טכניקות אלה יש לפחות יתרון אחד ברור על SVI, כי היחס שלהם האות לרעש הוא האופייני גבוה יותר. עם זאת, כל טכניקה יש גם חיסרון אופייני: PET ו-הזהיר כרוך חשיפה לקרינה מייננת, ו-MRI היפרקוטב דורש שימוש של גז היפרקוטב מאוד מיוחד, סורק MR עם חומרה רב-קוטבי מרובה.
SVI, שיטת פרוטון-MRI, בדרך כלל משתמש 1.5 החומרה טסלה MR עם שאיפה חמצן כסוכן ניגודיות (שני האלמנטים זמינים בטיפול בריאות), מה שהופך אותו להכליל יותר לסביבה קלינית. SVI ממנף את העובדה חמצן מקצר את זמן הרפיה האורך (T1) של רקמות ריאות1, אשר בתורו מתרגמת לשינוי עוצמת האות בתמונה משוקלל T1. כך, שינויים בריכוז של חמצן בהשראת לגרום לשנות את עוצמת האות של תמונות MRI מתוזמן כראוי. שיעור שינוי זה לאחר שינוי פתאומי בריכוז החמצן בהשראת, בדרך כלל אוויר 100% חמצן, משקף את הקצב שבו גז תושב מוחלף גז שאפה. שיעור חלופי זה נקבע על-ידי אוורור ספציפי.
כמו SVI כרוך לא קרינה מייננת, אין לו התוויות עבור המחקרים האורכי והתערבותית כי לעקוב אחר החולים לאורך זמן. לכן, הוא מתאים באופן אידיאלי למחקר התקדמות המחלה או להערכת כיצד מטופלים בודדים מגיב לטיפול. בשל הקלות היחסית שלה והיכולת לעבור חזרה בטוחה, הדמיה של אוורור ספציפי היא, באופן כללי, טכניקה אידיאלית עבור אלה המעוניינים ללמוד אפקטים גדולים ו/או מספר גדול של אנשים לאורך זמן או במקומות קליניים שונים.
בעקבות הפרסום המקורי המתאר את הטכניקה1, הדמיה אוורור ספציפית (svi) נעשה שימוש במחקרים התמקדו ההשפעה של אינפוזיה מלוחים מהירה, יציבה, תרגיל, וברונסימפלכווץ2,3 , ד , מיכל בן 14 , 15. היכולת של הטכניקה להעריך טרוגניות ריאה שלמה של אוורור מסוים כבר אומת באמצעות מבחן מרובה הוקמה במבחן נשימה מרובים7 ולאחרונה, האזורית החוצה אימות בוצעה, על ידי השוואת SVI וגזים היפרקוטב נשימה מרובה הדמיית אוורור ספציפי16. טכניקה אמינה וניתנת לפריסה זו, המסוגלת לבצע מיפוי כולל אוורור ספציפי בריאה האנושית, יש פוטנציאל לתרום באופן משמעותי לגילוי מוקדם ואבחון של מחלות הנשימה. זה גם מציג הזדמנויות חדשות מכמת ליקויים בריאות האזור ולעקוב אחר שינויים המושרה על ידי טיפול. שינויים אלה בתפקוד הריאות ספציפי לאזור, אשר SVI מאפשר לנו למדוד בפעם הראשונה, יש את הפוטנציאל להיות סמנים להערכת ההשפעה של תרופות וטיפולים שואף, והוא יכול להיות כלי שימושי ביותר בניסויים קליניים.
מטרת מאמר זה היא להציג את המתודולוגיה של דימות אוורור ספציפי בפרוטרוט ובצורה חזותית, ובכך לתרום להפצת הטכניקה למרכזים נוספים.
Protocol
Representative Results
Discussion
דימות אוורור ספציפי מאפשר מיפוי כמותי של התפלגות מרחבית של אוורור ספציפי בריאה האנושית. חלופות ל-SVI קיימות אך מוגבלות באופן כלשהו: כשלון נשימה מרובה מספק מידה של מידע טרוגניות אך חסר מרחבית23. שיטות הדמיה חלופיות לחשוף חולים לקרינה מייננת (למשל, הזהיר, PET, CT, גמא מיפוי) או לא זמין …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי הלב הלאומי, ריאות ודם המכון (NHLBI) (מענקים R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 R01-HL119263) ו הלאומית שטח המחקר ביו רפואי המכון (הלאומית אווירונאוטיקה וחלל המינהל מענק NCC 9-58). אי. טי Geier נתמך על ידי NHLBI גרנט 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).
