Kvantitativ kortlægning af specifik ventilation i den menneskelige lunge ved hjælp af Proton magnetisk resonans imaging og ilt som kontrastmiddel

Summary

Specifik ventilation Imaging er en funktionel magnetisk resonans imaging teknik, der giver mulighed for kvantificering af regionalspecifik ventilation i den menneskelige lunge, ved hjælp af inhaleret ilt som et kontraststof. Her præsenterer vi en protokol til indsamling og analyse af specifikke ventilations billeddata.

Abstract

Specifikke ventilations billedbilleder (SVI) er en funktionel magnetisk resonans billedbehandlings teknik, der kan kvantificere specifik ventilation – forholdet mellem den friske gas, der kommer ind i en lunge region divideret med regionens endeudånings volumen – i den humane lunge, kun ved hjælp af inhaleret ilt som kontraststof. Regional kvantificering af specifik ventilation har potentialet til at hjælpe med at identificere områder med patologisk lungefunktion. Ilt i opløsning i væv forkorter vævets langsgående afslapnings tidspunkt (T₁), og dermed en ændring i vævs iltning kan påvises som en ændring i T₁-vægtet signal med en inversion opsving erhvervede billede. Efter en brat ændring mellem to koncentrationer af inspireret ilt, afspejler den hastighed, hvormed lungevæv inden for en voxel ækvilibrerer til en ny Steady-State, den hastighed, hvormed hjemmehørende gas erstattes af inhaleret gas. Denne hastighed bestemmes af specifik ventilation. At fremkalde denne pludselige ændring i iltning, skiftevis indånder 20-ånde blokke af luft (21% ilt) og 100% ilt, mens i MRI-scanneren. En trinvis ændring i inspireret oxygen fraktion opnås ved brug af en brugerdefineret tredimensionel (3D)-trykt flow bypass system med en manuel switch under en kortslut-Expiratory åndedrag hold. For at detektere den tilsvarende ændring i T₁, en global inversion puls efterfulgt af en enkelt skudt hurtig spin ekko sekvens blev brugt til at erhverve to-dimensionelle T₁-vægtede billeder i en 1,5 t MRI-scanner, ved hjælp af en otte-element torso spole. Både enkelt skive og multi-Slice Imaging er muligt, med lidt forskellige Imaging parametre. Kvantificering af specifik ventilation opnås ved at sammenhænge tidsforløbet for signal intensiteten for hver lunge-voxel med et bibliotek med simulerede reaktioner på luft/oxygen stimulus. SVI-estimater af specifik ventilation heterogenitet er blevet valideret mod flere udåndings skylninger og viste sig for præcist at bestemme heterogenitet af den specifikke ventilation fordeling.

Introduction

Det overordnede mål for specifik ventilation Imaging (SVI)-en proton magnetisk resonans imaging (MRI) teknik, der bruger ilt som et kontrastmiddel¹ -er at kvantitativt kort specifik ventilation i den menneskelige lunge. Specifik ventilation er forholdet mellem frisk gas, der leveres til en lunge region i ét åndedrag divideret med den endelige udåndingsvolumen i samme lunge region¹. I forbindelse med målinger af lokal lunge tæthed kan der anvendes specifik ventilation til at beregne regional ventilation². Målinger af lokal ventilation og ventilation heterogenitet, der leveres af svi har potentiale til at berige forståelsen af, hvordan lungerne funktioner, både normalt og unormalt^3,4.

Specifik ventilation Imaging er en forlængelse af den klassiske fysiologi test, multiple ånde udvaskningen (MBW), en teknik først introduceret i 1950 ‘ erne^5,6. Begge teknikker bruger gasudvask/udvaskningen til at måle heterogenitet af specifik ventilation, men SVI leverer rumligt lokaliserede oplysninger, mens MBW kun giver globale foranstaltninger af heterogenitet. I MBW anvendes et massespektrometer til at måle den blandede udløbne koncentration af en uopløselig gas (nitrogen, helium, svovl hexafluorid osv.) over mange vejrtrækninger under en udskyltning af den pågældende gas som afbildet i figur 1. Sammen med den udløbne volumen pr. åndedræt under udvasknings perioden kan disse oplysninger bruges til at beregne den samlede fordeling af specifik ventilation i lungerne. I SVI anvendes en MRI-scanner til at måle T₁-vægtet signal – som er et surrogat for mængden af ilt i lungevæv, en direkte indikator for lokal iltkoncentration — i hver lunge voxel over mange vejrtrækninger under flere vaske/hvepser af ilt. På en måde, der er direkte analog med MBW, disse oplysninger giver os mulighed for at beregne den specifikke ventilation af hver lunge voxel. Med andre ord, teknikken udfører tusindvis af parallelle MBW-lignende eksperimenter, en for hver voxel, under et SVI eksperiment. Faktisk kan de rumlige kort over specifik ventilation således produceres for at inddrive den specifikke ventilation heterogenitet output af MBW. En valideringsundersøgelse⁷ viste, at de to metoder gav sammenlignelige resultater, når de blev udført i serier om de samme emner.

Andre billedbehandlings metoder findes, at ligesom SVI, give rumlige foranstaltninger af ventilation heterogenitet. Positron emission tomografi (PET)^8,9, enkelt-photon emission computertomografi (SPECT)^10,11, og hyperpolariseret gas MRI^12,13 teknikker er blevet brugt til at skabe en betydelig mængde litteratur om det rumlige mønster af ventilation i raske og unormale. Generelt har disse teknikker mindst en klar fordel i forhold til SVI, idet deres signal-støj-forhold er karakteristisk højere. Men hver teknik har også en karakteristisk ulempe: PET og SPECT involverer udsættelse for ioniserende stråling, og hyperpolariseret MRI kræver brug af højt specialiseret hyperpolariseret gas og en MR-scanner med ikke-standard multi-nuclei hardware.

Svi, en proton-MRI teknik, typisk bruger 1,5 Tesla Mr hardware med inhaleret ilt som et kontrastmiddel (begge elementer er let tilgængelige i sundhedssektoren), hvilket gør det potentielt mere generaliserbart til det kliniske miljø. SVI udnytter det faktum, at ilt forkorter den langsgående afslapnings tid (T₁) af lungevæv¹, som igen kan oversættes til en ændring i signal intensiteten i et T₁-vægtet billede. Således ændringer i koncentrationen af inspireret ilt inducere ændring i signal intensiteten af passende timet MRI-billeder. Hastigheden af denne ændring efter en brat ændring i inspireret oxygen koncentration, typisk luft og 100% ilt, afspejler den hastighed, hvormed Resident gas erstattes af inhaleret gas. Denne udskiftnings hastighed bestemmes af specifik ventilation.

Da SVI ikke involverer ioniserende stråling, har det ingen kontraindikationer for langsgående og interventionelle undersøgelser, der følger patienter over tid. Det er således velegnet til at studere sygdomsprogression eller evaluere, hvordan individuelle patienter reagerer på behandlingen. På grund af sin relative lethed og sikker repeterbarhed, er specifik ventilation Imaging generelt en ideel teknik for dem, der ønsker at studere store effekter og/eller et stort antal mennesker over tid eller i flere forskellige kliniske steder.

Efter den oprindelige publikation, der beskriver teknikken¹, er specifik ventilation Imaging (svi) blevet anvendt i undersøgelser fokuseret på effekten af hurtig saltvands infusion, kropsholdning, motion, og bronkokonstriktion^{2,3 , 4} af ^{, 14} ud af ^{, 15}. teknikken evne til at estimere hele lunge heterogenitet af specifik ventilation er blevet valideret ved hjælp af veletablerede multiple ånde udvasknings test⁷ og for nylig, en regional en kryds validering blev udført, ved sammenligne SVI og hyperpolariseret gas multiple ånde specifik ventilation Imaging¹⁶. Denne pålidelige og let deployerbare teknik, der er i stand til kvantitativt at kortlægge specifik ventilation i den menneskelige lunge, har potentialet til at bidrage væsentligt til tidlig påvisning og diagnosticering af luftvejssygdomme. Det præsenterer også nye muligheder for at kvantificere regionale lunge abnormiteter og følgeændringer induceret af terapi. Disse ændringer i den region specifikke lungefunktion, som SVI giver os mulighed for at måle for første gang, har potentialet til at blive biomarkører til at vurdere virkningen af narkotika og inhalerede terapier, og kan være et yderst nyttigt redskab i kliniske forsøg.

Formålet med denne artikel er at præsentere metoden for specifik ventilation Imaging i detaljer og i en visuel form, og dermed bidrage til udbredelsen af teknikken til flere centre.

Protocol

University of California, San Diego Human Research Protection program har godkendt denne protokol. 1. emne sikkerhed og uddannelse Indhente skriftligt, informeret samtykke fra emnet. Beskriv de potentielle risici ved udsættelse for hurtigt skiftende magnetfelter, og den potentielle ubehag ved at bruge ansigtsmaske og trække vejret tør gas. Sørg for, at motivet trygt kan gennemgå MR-scanning ved hjælp af det lokalt godkendte MRI-sikkerheds Screenings spørgeskema….

Representative Results

Enkelt skive SVI i et sundt motivSpecifik ventilation Imaging producerer kvantitative kort over specifik ventilation som vist i figur 3a, som skildrer en enkelt skive i den rigtige lunge af en 39-årig sund kvinde. Bemærk tilstedeværelsen af den forventede lodrette gradient i specifik ventilation; den afhængige del af lungerne giver højere specifik ventilation end den ikke-afhængige del af lungerne. Et histogram af de tilknyttede specifikke venti…

Discussion

Specifik ventilation Imaging tillader kvantitativ kortlægning af den rumlige fordeling af specifik ventilation i den humane lunge. Alternativer til SVI eksisterer, men er begrænset på nogle måde: multiple ånde udvaskere giver et mål af heterogenitet, men mangler rumlige oplysninger²³. Alternative billedbehandlings metoder udsætter patienterne for ioniserende stråling (f. eks. SPECT, PET, CT, gamma-scintigrafi) eller er ikke almindeligt tilgængelige (hyperpolariseret gasafbildning ved hjæ…

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