Kvantitativ kartlegging av spesifikk ventilasjon i Human Lung bruker Proton magnetisk resonans imaging og oksygen som kontrast agent

Summary

Spesifikk ventilasjon Imaging er en funksjonell magnetisk resonans imaging teknikk som gjør det mulig for kvantifisering av Regional spesifikk ventilasjon i den menneskelige lunge, ved hjelp av inhalert oksygen som kontrastmiddel. Her presenterer vi en protokoll for å samle inn og analysere spesifikke ventilasjons bildedata.

Abstract

Spesifikk ventilasjonsteknikk (SVI) er en funksjonell magnetisk resonans tenkelig teknikk som kan kvantifisere spesifikk ventilasjon – forholdet mellom den friske gassen som kommer inn i en lunge region delt på regionens ende ekspiratorisk volum – i den menneskelige lunge, med bare innånding av oksygen som kontrastmiddel. Regional kvantifisering av spesifikk ventilasjon har potensiale til å bidra til å identifisere områder av patologisk lungefunksjon. Oksygen i løsning i vev forkorter vevet langsgående avslapning tid (T₁), og dermed en endring i vev oksygenering kan oppdages som en endring i T₁-vektet signal med en inversjon utvinning ervervet bilde. Etter en brå endring mellom to konsentrasjoner av inspirert oksygen, gjenspeiler den hastigheten som lunge vev i en Voxel equilibrates til en ny steady-state den hastigheten som bosatt gass blir erstattet av inhalert gass. Denne hastigheten bestemmes av spesifikk ventilasjon. Å lokke fram denne plutselige endringen i oksygenering, emner vekselvis puste 20-pust blokker av luft (21% oksygen) og 100% oksygen mens i MRI-skanneren. En trinnvis endring i inspirert oksygen brøkdel oppnås gjennom bruk av en tilpasset tredimensjonal (3D)-trykt flyt bypass system med en manuell bryter under en kort ende-ekspiratorisk pusten hold. For å oppdage den tilsvarende endringen i T₁, en global inversjon puls etterfulgt av et enkelt skudd rask spin ekko sekvensen ble brukt til å erverve todimensjonale t₁-vektet bilder i en 1,5 T MRI-skanner, ved hjelp av en åtte-element torso coil. Både enkelt Slice og multi-Slice Imaging er mulig, med litt forskjellige Imaging parametere. Kvantifisering av spesifikk ventilasjon oppnås ved å samkjøre tiden-løpet av signal intensiteten for hver lunge Voxel med et bibliotek av simulerte reaksjoner på luft/oksygen stimulans. SVI estimater av spesifikke ventilasjons heterogenitet har blitt validert mot flere pust bleke og viste seg å nøyaktig bestemme heterogenitet av den spesifikke ventilasjon fordelingen.

Introduction

Det overordnede målet for spesifikk ventilasjon Imaging (SVI)-en Proton magnetisk resonans imaging (MRI) teknikk som bruker oksygen som kontrast agent¹ -er å kvantitativt kart spesifikk ventilasjon i den menneskelige lunge. Spesifikk ventilasjon er forholdet mellom frisk gass levert til en lunge region i ett åndedrag delt på slutten ekspiratorisk volum av samme lunge region¹. I forbindelse med målinger av lokal lunge tetthet, kan spesifikk ventilasjon brukes til å beregne Regional ventilasjon². Målinger av lokal ventilasjon og ventilasjon heterogenitet som er levert av svi har potensial til å berike forståelsen av hvordan lunge funksjoner, både normalt og unormalt^3,4.

Spesifikk ventilasjon Imaging er en forlengelse av den klassiske fysiologi test, flere pusten bleke (MBW), en teknikk først introdusert i 1950-årene^5,6. Begge teknikkene bruker gass Washin/bleke for å måle heterogenitet av spesifikk ventilasjon, men SVI gir romlig informasjon, mens MBW bare gir globale målinger av heterogenitet. I MBW brukes en masse spektrometer til å måle blandet utløpt konsentrasjon av en uløselig gass (nitrogen, helium, svovel Hexafluoride, etc.) over mange åndedrag under en bleke av at gassen, som avbildet i figur 1. Sammen med det utløpte volumet per pust i løpet av den bleke perioden, kan denne informasjonen brukes til å beregne den samlede fordelingen av spesifikk ventilasjon i lungene. I SVI er en MRI-skanner brukt til å måle T₁-vektet signal, som er et surrogat for oksygen mengden i løsningen i lungevevet, en direkte indikator på lokal oksygen konsentrasjon – i hver lunge Voxel over mange åndedrag under flere Washin/washouts av oksygen. På en måte som er direkte analogt til MBW, gir denne informasjonen oss mulighet til å beregne den spesifikke ventilasjonen til hver lunge Voxel. Med andre ord, utfører teknikken tusenvis av parallelle MBW-like eksperimenter, en for hver Voxel, under en SVI eksperiment. Faktisk, den romlige kart over spesifikke ventilasjon dermed produseres kan kompileres for å gjenopprette den spesifikke ventilasjon heterogenitet produksjon av MBW. En validerings studie⁷ viste at de to metodene produserte sammenlignbare resultater når de ble utført i serier på de samme fagene.

Andre Imaging modaliteter eksisterer som, som SVI, gir romlige tiltak av ventilasjon heterogenitet. Positron utslipp tomografi (pet)⁸,⁹, Single-Foton utslipp beregnet tomografi (SPECT)^10,11, og hyperpolarized gass MRI^12,13 teknikker har blitt brukt til å skape en betydelig mengde litteratur om romlig mønster av ventilasjon i sunne og unormale. Generelt, disse teknikkene har minst en klar fordel over SVI, ved at deres signal-til-støy-forhold er karakteristisk høyere. Imidlertid har hver teknikk også en karakteristisk ulempe: PET og SPECT innebære eksponering for ioniserende stråling, og hyperpolarized MRI krever bruk av høyt spesialisert hyperpolarized gass og en MR-skanner med ikke-standard multi-kjerner maskinvare.

SVI, en Proton-MRI teknikk, vanligvis bruker 1,5 Tesla MR maskinvare med inhalert oksygen som kontrastmiddel (begge elementene er lett tilgjengelig i helsevesenet), noe som gjør det potensielt mer generaliserings til det kliniske miljøet. SVI utnytter det faktum at oksygen forkorter den langsgående avslapning tid (T₁) av lunge vev¹, som igjen betyr en endring i signal intensitet i en T₁-vektet bilde. Dermed endringer i konsentrasjonen av inspirert oksygen induserer endring i signal intensiteten av passende tidsbestemte MRI-bilder. Frekvensen av denne endringen etter en brå endring i inspirert oksygen konsentrasjon, typisk luft og 100% oksygen, reflekterer hastigheten som fastboende gass er erstattet av inhalert gass. Denne erstatnings hastigheten bestemmes av spesifikk ventilasjon.

Som SVI innebærer ingen ioniserende stråling, det har ingen kontraindikasjoner for langsgående og interventional studier som følger pasienter over tid. Dermed er det ideelt for å studere sykdomsprogresjon eller vurdere hvordan individuelle pasienter reagerer på behandling. På grunn av sin relative letthet og sikre repeterbarhet, er spesifikk ventilasjon Imaging generelt en ideell teknikk for de som ønsker å studere store effekter og/eller et stort antall mennesker over tid eller på flere ulike kliniske steder.

Etter den opprinnelige publikasjonen beskriver teknikk¹, spesifikk ventilasjon Imaging (svi) har blitt brukt i studier fokusert på effekten av rask saltvann infusjon, holdning, mosjon, og bronkokonstriksjon^{2,3 , 4} andre priser ^{, 14} priser og priser ^{, 15}. teknikken evne til å anslå hele lunge heterogenitet av spesifikk ventilasjon har blitt validert ved hjelp av veletablerte flere pusten bleke test⁷ og mer nylig, en regional en kryss-validering ble utført, ved sammenligne SVI og hyperpolarized gass flere pust spesifikk ventilasjon Imaging¹⁶. Denne pålitelige og lett distribueres teknikk, i stand til kvantitativt kartlegging spesifikk ventilasjon i den menneskelige lunge, har potensial til å betydelig bidra til tidlig påvisning og diagnostisering av luftveissykdom. Den presenterer også nye muligheter til å kvantifisere regionale lunge unormalt og følge endringer indusert av terapi. Disse endringene i region-spesifikk lungefunksjon, som SVI gjør oss i å måle for første gang, har potensial til å bli biomarkører for å vurdere effekten av narkotika og inhalert terapi, og kan være et svært nyttig verktøy i kliniske studier.

Hensikten med denne artikkelen er å presentere metodikk for spesifikke ventilasjon Imaging i detalj og i en visuell form, og dermed bidra til formidling av teknikken til flere sentre.

Protocol

The University of California, San Diego Human Research Protection program har godkjent denne protokollen. 1. sikkerhet og opplæring Innhente skriftlig, informert samtykke fra faget. Beskriv den potensielle risikoen som presenteres ved eksponering for raskt skiftende magnetiske felt, og den potensielle ubehag ved bruk av ansiktsmaske og puste tørr gass. Sørg for at motivet trygt kan gjennomgå MR skanning, utnytte den lokalt godkjente Mr sikkerhet screening spørreskjema….

Representative Results

Single Slice SVI i et sunt emneSpesifikk ventilasjon Imaging produserer kvantitative kart av spesifikk ventilasjon som vist i figur 3a, som viser en enkelt skive i høyre lunge av en 39 år gammel sunn kvinne. Merk tilstedeværelsen av den forventede vertikale gradient i spesifikk ventilasjon; den avhengige delen av lungene presenterer høyere spesifikk ventilasjon enn den ikke-avhengige delen av lungene. Et histogram av de tilordnede, spesifikke vent…

Discussion

Spesifikk ventilasjon Imaging tillater kvantitativ kartlegging av romlig fordeling av spesifikk ventilasjon i den menneskelige lunge. Alternativer til SVI eksisterer, men er begrenset på noen måte: Multiple pusten flyter gir et mål på heterogenitet men mangler romlig informasjon²³. Alternative bildebehandlings metoder utsetter pasientene for ioniserende stråling (f.eks. SPECT, PET, CT, gamma scintigrafi) eller er ikke allment tilgjengelig (hyperpolarized gass avbildning ved hjelp av MRI). Spe…

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