Cartographie quantitative de la ventilation spécifique dans le poumon humain utilisant l’imagerie par résonance magnétique de proton et l’oxygène comme agent de contraste

Summary

L’imagerie de ventilation spécifique est une technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle qui permet de quantifier la ventilation spécifique régionale dans le poumon humain, en utilisant l’oxygène inhalé comme agent de contraste. Ici, nous présentons un protocole pour collecter et analyser des données spécifiques d’imagerie de ventilation.

Abstract

L’imagerie de ventilation spécifique (SVI) est une technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle capable de quantifier la ventilation spécifique ― le ratio du gaz frais entrant dans une région pulmonaire divisée par le volume expiratoire de la région ― dans le poumon humain, en utilisant seulement l’oxygène inhalé comme agent de contraste. La quantification régionale de la ventilation spécifique a le potentiel d’aider à identifier les zones de la fonction pulmonaire pathologique. L’oxygène en solution dans le tissu raccourcit le temps de relaxation longitudinal du tissu (T₁), et donc un changement dans l’oxygénation tissulaire peut être détecté comme un changement dans le signal pondéré T₁avec une récupération d’inversion image acquise. À la suite d’un changement brusque entre deux concentrations d’oxygène inspiré, la vitesse à laquelle le tissu pulmonaire à l’intérieur d’un voxel est équilibré à un nouvel état d’équilibre reflète la vitesse à laquelle le gaz résident est remplacé par du gaz inhalé. Ce taux est déterminé par une ventilation spécifique. Pour susciter ce changement soudain dans l’oxygénation, les sujets respirent alternativement 20-souffle blocs d’air (21% d’oxygène) et 100% d’oxygène dans le scanner d’IRM. Un changement progressif de la fraction d’oxygène inspirée est obtenu par l’utilisation d’un système de dérivation de débit imprimé en trois dimensions (3D) avec un commutateur manuel pendant une courte attente d’expiration expiratoire. Pour détecter la variation correspondante de T₁, une impulsion d’inversion globale suivie d’une séquence d’écho de spin rapide à un seul coup a été utilisée pour acquérir des images pondérées en t₁à deux dimensions dans un scanner IRM 1,5 t, à l’aide d’une bobine de torse à huit éléments. Une seule tranche et une imagerie à plusieurs tranches sont possibles, avec des paramètres d’imagerie légèrement différents. La quantification de la ventilation spécifique est obtenue en corréler le temps-cours de l’intensité du signal pour chaque voxel pulmonaire avec une bibliothèque de réponses simulées au stimulus air/oxygène. Les estimations de SVI de l’hétérogénéité spécifique de la ventilation ont été validées par rapport aux multiples lavées à l’haleine et ont prouvé avec précision l’hétérogénéité de la répartition spécifique de la ventilation.

Introduction

L’objectif global de l’imagerie de ventilation spécifique (SVI) ― une technique d’imagerie par résonance magnétique à protons (IRM) qui utilise l’oxygène comme agent de contraste¹ ― est de cartographier quantitativement la ventilation spécifique dans le poumon humain. La ventilation spécifique est le rapport du gaz frais livré à une région pulmonaire dans une respiration divisée par le volume expiratoire final de la même région pulmonaire¹. En conjonction avec les mesures de la densité pulmonaire locale, une ventilation spécifique peut être utilisée pour calculer la ventilation régionale². Les mesures de l’hétérogénéité de la ventilation et de la ventilation locales qui sont fournies par le SVI ont le potentiel d’enrichir la compréhension de la façon dont les fonctions pulmonaires, normalement et anormalement^3,4.

L’imagerie de ventilation spécifique est une extension du test de physiologie classique, le lavage à respiration multiple (MBW), une technique introduite pour la première fois dans les années 1950^5,6. Les deux techniques utilisent le Washin/washout de gaz pour mesurer l’hétérogénéité d’une ventilation spécifique, mais le SVI fournit des informations spatialement localisées tandis que MBW ne fournit que des mesures globales d’hétérogénéité. Dans MBW, un spectromètre de masse est utilisé pour mesurer la concentration expirée mélangée d’un gaz insoluble (azote, hélium, hexafluorure de soufre, etc.) sur de nombreuses respirations au cours d’un lavage de ce gaz, comme illustré à la figure 1. Avec le volume expiré par respiration pendant la période de lavage, cette information peut être utilisée pour calculer la distribution globale d’une ventilation spécifique dans le poumon. Dans SVI, un scanner d’IRM est utilisé pour mesurer le signal pondéré T₁― qui est un substitut de la quantité d’oxygène en solution dans le tissu pulmonaire, un indicateur direct de la concentration locale d’oxygène ― dans chaque voxel pulmonaire sur de nombreuses respirations pendant plusieurs Washin/washouts d’oxygène. D’une manière qui est directement analogue à MBW, cette information nous permet de calculer la ventilation spécifique de chaque voxel pulmonaire. En d’autres termes, la technique effectue des milliers d’expériences de genre MBW parallèles, une pour chaque voxel, lors d’une expérience SVI. En effet, les cartes spatiales de ventilation spécifique ainsi produites peuvent être compilées pour récupérer l’hétérogénéité de ventilation spécifique de MBW. Une étude de validation⁷ a montré que les deux méthodologies produisaient des résultats comparables lorsqu’elles étaient exécutées en série sur les mêmes sujets.

Il existe d’autres modalités d’imagerie qui, comme le SVI, fournissent des mesures spatiales d’hétérogénéité de ventilation. Tomographie par émission de positrons (PET)^8,9, tomodensitométrie à un seul photon (SPECT)^10,11et IRM de gaz hyperpolarisée^12,13 techniques ont été utilisées pour créer un corpus substantiel de littérature concernant le modèle spatial de ventilation chez les sujets sains et anormaux. En général, ces techniques ont au moins un avantage distinct par rapport au SVI, en ce que leur rapport signal/bruit est typiquement plus élevé. Cependant, chaque technique présente également un désavantage caractéristique: le PET et le SPECT impliquent une exposition aux rayonnements ionisants, et l’IRM hyperpolarisée nécessite l’utilisation d’un gaz hyperpolarisé hautement spécialisé et d’un scanner MR avec un matériel multinucléi non standard.

SVI, une technique de proton-IRM, utilise typiquement 1,5 Tesla MR matériel avec de l’oxygène inhalé comme un agent de contraste (les deux éléments sont facilement disponibles dans les soins de santé), ce qui rend potentiellement plus généralisables à l’environnement clinique. Le SVI tire parti du fait que l’oxygène raccourcit le temps de relaxation longitudinal (T₁) des tissus pulmonaires¹, ce qui à son tour se traduit par une modification de l’intensité du signal dans une image pondérée en T₁. Ainsi, les changements dans la concentration de l’oxygène inspiré induisent un changement dans l’intensité du signal des images IRM correctement chronométrées. Le taux de ce changement à la suite d’un changement brusque de la concentration d’oxygène inspirée, généralement de l’air et de 100% d’oxygène, reflète la vitesse à laquelle le gaz résident est remplacé par le gaz inhalé. Ce taux de remplacement est déterminé par une ventilation spécifique.

Comme le SVI ne comporte aucun rayonnement ionisant, il n’a aucune contre-indication pour les études longitudinales et interventionnelles qui suivent les patients au fil du temps. Ainsi, il est idéalement adapté pour étudier la progression de la maladie ou évaluer la façon dont les patients individuels réagissent au traitement. En raison de sa facilité relative et de sa répétabilité sûre, l’imagerie de ventilation spécifique est, en général, une technique idéale pour ceux qui souhaitent étudier de grands effets et/ou un grand nombre de personnes dans le temps ou dans plusieurs endroits cliniques différents.

Suite à la publication originale décrivant la technique¹, l’imagerie de ventilation spécifique (SVI) a été utilisée dans des études axées sur l’effet de la perfusion saline rapide, de la posture, de l’exercice et de la bronchoconstriction^{2,3 ,} le ^{4 ,} le ^{14 , 15}. la capacité de la technique à estimer l’hétérogénéité pulmonaire totale de la ventilation spécifique a été validée en utilisant le test de lavage à respiration multiple bien établi⁷ et plus récemment, une validation croisée régionale a été réalisée, par Comparaison de l’imagerie de ventilation spécifique au gaz à respiration multiple SVI et hyperpolarisée¹⁶. Cette technique fiable et facilement déployable, capable de cartographier quantitativement la ventilation spécifique dans le poumon humain, a le potentiel de contribuer significativement à la détection précoce et au diagnostic des maladies respiratoires. Il présente également de nouvelles possibilités de quantifier les anomalies pulmonaires régionales et de suivre les changements induits par le traitement. Ces changements dans la fonction pulmonaire spécifique à la région, que SVI nous permet de mesurer pour la première fois, ont le potentiel de devenir des biomarqueurs pour évaluer l’impact des médicaments et des thérapies inhalées, et pourrait être un outil extrêmement utile dans les essais cliniques.

Le but de cet article est de présenter la méthodologie de l’imagerie de ventilation spécifique en détail et sous une forme visuelle, contribuant ainsi à la diffusion de la technique à plus de centres.

Protocol

Le programme de protection de la recherche humaine de l’Université de Californie, San Diego a approuvé ce protocole. 1. sécurité et formation des sujets Obtenir le consentement écrit et éclairé du sujet. Décrivez les risques potentiels présentés par l’exposition à des champs magnétiques en évolution rapide, et l’inconfort potentiel de l’utilisation du masque facial et de la respiration des gaz secs. Assurez-vous que le sujet peut subir un balayage MR en…

Representative Results

Une seule tranche de SVI dans un sujet sainL’imagerie de ventilation spécifique produit des cartes quantitatives de ventilation spécifique, comme le montre la figure 3A, qui représente une seule tranche dans le poumon droit d’une femelle en bonne santé de 39 ans. Noter la présence du gradient vertical attendu dans une ventilation spécifique; la portion dépendante du poumon présente une ventilation spécifique plus élevée que la portion n…

Discussion

L’imagerie de ventilation spécifique permet la cartographie quantitative de la répartition spatiale de la ventilation spécifique dans le poumon humain. Des alternatives à la SVI existent mais sont limitées d’une manière ou d’une autres: le lavage à respiration multiple fournit une mesure d’hétérogénéité mais manque d’information spatiale²³. Des méthodes d’imagerie alternatives exposent les patients à des rayonnements ionisants (p. ex. SPECT, PET, CT, scintigraphie gamma) …

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