Summary
특정 환기 화상 진 찰은 조 영제로 서 흡입 된 산소를 사용 하 여 인간의 폐에 지역 특정 환기의 정량화를 허용 하는 기능적 자기 공명 영상 기술 이다. 여기서는 특정 환기 이미징 데이터를 수집 하 고 분석 하는 프로토콜을 제시 합니다.
Abstract
특정 환기 이미징 (SVI)은 특정 통풍을 정량화 할 수 있는 기능적 자기 공명 영상 기술입니다 ― 폐 영역으로 유입 되는 신선한 가스의 비율은 지역의 최종 호기 용적으로 나눈 것 ― 인간 폐에만 사용 하 여 조 영제로 산소 흡입. 특정 통풍의 지역 정량화는 병리학 적인 폐 기능의 지역을 확인 하는 것을 도울 가능성이 있습니다. 조직 내의 산소는 조직의 길이 이완 시간 (T1)을 단축 시키고, 따라서 조직 산 소화의 변화는 반전 회복 이미지를 가진 T1가 중 신호의 변화로 서 검출 될 수 있다. 두 농도의 영감을 받은 산소를 급격 하 게 변화 시킨 후, 새로운 정상 상태에 대 한 복 셀 내 폐 조직 평형 속도는 주민 가스가 흡입 가스로 대체 되는 속도를 반영 합니다. 이 비율은 특정 환기에 의해 결정 된다. 이 갑작스러운 산소 변화를 유도 하기 위해, 피사체는 MRI 스캐너에 있는 동안 공기 (21% 산소)의 20 호흡 블록과 100%의 산소를 교대로 호흡 합니다. 영감을 받은 산소 분 율의 단계적 변화는 짧은 호기 호흡 유지 동안 수동 스위치가 있는 맞춤형 3 차원 (3d) 인쇄 유량 우회 시스템을 사용 하 여 달성 됩니다. T1에서의 상응 하는 변화를 검출 하기 위해, 단일 샷 패스트 스핀 에코 시퀀스에 이어서 전 세계적 반전 펄스가 8 개의 엘리먼트 몸통 코일을 사용 하 여 1.5 t MRI 스캐너에서 2 차원 t1가 중 이미지를 획득 하는 데 사용 되었다. 약간 다른 이미징 매개 변수를 사용 하 여 단일 슬라이스 및 다중 슬라이스 이미징이 가능 합니다. 특정 통풍의 정량화는 공기/산소 자극에 대 한 시뮬레이션 된 반응의 라이브러리로 각 폐 복 셀에 대 한 신호 강도의 시간 과정을 상호 연관 시켜 달성 됩니다. 특정 환기 이질성에 대 한 SVI 추정치는 여러 호흡 세척에 대해 검증 되었으며 특정 환기 분포의 이질성을 정확 하 게 결정 하는 것으로 입증 되었습니다.
Introduction
특정 환기 이미징 (SVI)의 전반적인 목표 ― 조 영제로 서 산소를 사용 하는 양성자 자기 공명 영상 (MRI) 기술은 인간의 폐에 특정 환기를 정량적으로 매핑하는 것 이다. 특정 환기는 하나의 호흡에서 폐 영역으로 전달 되는 신선한 가스의 비율이 동일한 폐 영역 (1)의 최종 호기 부피로 나눈 것 이다. 지역 폐 밀도의 측정과 함께 특정 환기는 지역 환기2를 계산 하는 데 사용할 수 있습니다. Svi에 의해 제공 되는 국 소 환기 및 환기 이질성의 측정은 폐의 기능에 대 한 이해를 풍부 하 게 하는 잠재력을가지고, 정상적으로 그리고 비정상적으로3,4.
특정 환기 이미징은 1950 년대5,6에서 처음 도입 된 기술인 고전적인 생리학 시험, 다중 호흡 세척 (mbw)의 확장 이다. 두 가지 기술 모두 가스 워시/워시 아웃을 사용 하 여 특정 통풍의 이질성을 측정 하지만, MBW는 공간적으로 현지화 된 정보를 제공 하는 한편,이는 전체적으로이 화 된 측정을 제공 합니다. MBW에서는, 질량 분 광 계는 그림 1에 묘사 된 바와 같이 그 가스의 워시 아웃 동안 많은 호흡에 불용 성 가스 (질소, 헬륨, 황 화인 등)의 혼합 만료 된 농도를 측정 하는 데 사용 됩니다. 세척 기간 동안 호흡 당 만료 된 부피와 함께,이 정보는 폐에 특정 통풍의 전반적인 분포를 계산 하는 데 사용할 수 있습니다. SVI에서, MRI 스캐너는 T1가 중 신호를 측정 하기 위하여 사용 됩니다 ―이는 폐 조직에 있는 해결책에 있는 산소의 양에 대 한 대리, 국부 산소 사격 량의 직접 지시자입니다 ― 몇몇 세척 도중 많은 호흡에 걸쳐 각 폐 복 셀에서/washouts 산소. MBW와 직접적으로 유사한 방식으로,이 정보를 통해 각 폐 복 셀의 특정 환기를 계산할 수 있습니다. 다시 말해서,이 기법은 SVI 실험 동안 각 복 셀에 하나씩 수천 개의 병렬 MBW 유사 실험을 수행 합니다. 실제로, 이렇게 생성 된 특정 환기의 공간적 맵은 MBW의 특정 환기 이질성 출력을 회수 하기 위해 컴파일될 수 있다. 검증 연구7 은 동일한 주제에 대해 시리즈로 수행 될 때 두 방법론에서 비교 가능한 결과를 생성 했다는 것을 보여주었습니다.
SVI 처럼 환기 이질성의 공간적 조치를 제공 하는 다른 이미징 양식이 존재 합니다. 포지 트 론 방출 단층 촬영 (PET)8,9, 단일 광자 방출 계산 단층 촬영 (10,11및 하이퍼 편광 가스 MRI12,13 기술을 사용 하 여 건강 하 고 비정상적인 과목에서 환기의 공간 패턴에 관한 문학의 실질적인 시체를 만듭니다. 일반적으로, 이들 기술은 신호 대 잡음비가 특징적으로 높다는 점에서 SVI에 비해 적어도 하나의 뚜렷한 장점을 가진다. 그러나, 각각의 기술은 또한 특징적인 단점을가지고 있습니다: PET 및 조사는 이온화 방사선에 노출을 포함 하 고, 하이퍼 편광 MRI는 고도로 전문화 된 하이퍼 편광 가스와 비표준 다중 핵 하드웨어가 있는 MR 스캐너를 사용 해야 합니다.
양성자 MRI 기술은 일반적으로 조 영제로 흡입 산소를 1.5 테슬라 MR 하드웨어를 사용 (두 요소는 의료에서 쉽게 사용할 수 있습니다), 그것은 잠재적으로 더 일반화 임상 환경. SVI는 산소는 폐 조직1의 세로 이완 시간 (t1)을 단축 한다는 사실을 활용 하 여 t1가 중 이미지에서 신호 강도의 변화를 차례로 변환 합니다. 따라서, 영감 산소의 농도의 변화는 적절 하 게 타이밍 MRI 이미지의 신호 강도의 변화를 유도 한다. 일반적으로 공기와 100%의 산소 농도의 급격 한 변화에 따라 이러한 변화의 비율은 주민 가스가 흡입 가스로 대체 되는 속도를 반영 합니다. 이 교체 비율은 특정 환기에 의해 결정 됩니다.
SVI는 이온화 방사선을 포함 하지 않기 때문에, 시간이 지남에 따라 환자를 따르는 종 및 중재 연구에 대 한 금기 사항이 없습니다. 따라서 질병 진행을 연구 하거나 개별 환자가 치료에 어떻게 반응 하는지를 평가 하는 데 이상적입니다. 상대적으로 쉽게 그리고 안전한 반복성 때문에, 특정 환기 화상 진 찰은, 일반적으로, 시간이 지남에 또는 몇몇 다른 임상 위치에 많은 사람들의 큰 효력 및/또는 많은 수를 공부 하 고 싶은 사람들을 위한 이상적인 기술입니다.
기술1을 설명 하는 원본 간행물에 따르면, 특정 환기 이미징 (svi)은 빠른 식 염 액 주입, 자세, 운동 및 기관지 수축 효과에 초점을 맞춘 연구에서 사용 되어 왔으며,3 , 4 , 14 , 15. 특정 환기의 전체 폐 이질성을 추정 하는 기술의 능력은 잘 확립 된 다중 호흡 세척 시험 (7 )을 사용 하 여 검증 되었으며, 보다 최근에는 지역적 교차 검증이 수행 되었고, SVI와 하이퍼 편광 가스 다중 호흡 특이 환기 영상 비교16. 이 안정적이 고 쉽게 배포할 수 있는 기술은 인간의 폐에 특정 환기를 정량적으로 매핑할 수 있으며, 호흡기 질환의 조기 발견 및 진단에 크게 기여할 수 있는 잠재력을가지고 있습니다. 그것은 또한 지역 폐 이상을 정량화 하 고 치료에 의해 유도 된 변화를 따를 새로운 기회를 제공. SVI가 처음으로 측정할 수 있게 해 주는 지역 특정 폐 기능의 이러한 변화는 약물과 흡입 된 치료법의 영향을 평가 하기 위한 바이오 마커가 될 가능성이 있으며 임상 시험에서 매우 유용한 도구가 될 수 있습니다.
이 기사의 목적은 구체적으로 환기 이미징의 방법론을 시각적 형태로 제시 하 여 더 많은 센터에 기술 보급에 기여 하는 것입니다.
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Protocol
캘리포니아 대학, 샌디에고 인간 연구 보호 프로그램은이 프로토콜을 승인 했다.
1. 과목 안전 및 교육
- 주제 로부터 서 면으로 정보에 근거한 동의를 얻습니다. 급속 하 게 변화 하는 자기장에 노출에 의해 제공 되는 잠재적 인 위험을 설명 하 고, 얼굴 마스크와 호흡 건조 가스를 사용 하는 잠재적 인 불편 함.
- 국부 적으로 승인 된 MRI 안전 검사 설문지를 활용 하 여 피사체가 MR 스캔을 안전 하 게 받을 수 있는지 확인 하십시오.
- 피 험 자가 출산 연령의 여성 이며 임신 상태가 불확실 한 경우, 카운터 임신 시험을 스스로 관리 하도록 요청 하십시오. 임산부의 경우, 연구의 나머지 부분에서 피사체를 제외 합니다.
- 피사체의 무게를 측정 합니다. 피사체에 전달 되는 무선 주파수 (RF) 에너지의 양을 제한 하는 스캐너 안전 매개 변수는 이러한 특성을 입력 해야 합니다. 피사체의 무게가 MRI 테이블 (이 경우 136 kg)의 최대 무게 한도 이하로 나타나는지 확인 합니다.
- MR 스캔 시퀀스를 사용 하 여 시간에 숨을 쉴 수 있는 피사체를 훈련. 바람직하게는, 이전 스캔의 오디오 녹음을 재생 하 고 가이드로 서 스캐너의 오디오 큐를 사용 하 여, 일반적으로 호흡 하 고 5 초 마다 호흡을 완료 하는 피사체를 지시; 훈련의 목적을 위해 피사체와 함께 호흡.
- 얼굴 마스크의 크기를 결정 합니다 (크기 범위는 몸집이 작은에서 초대형 [XL]) 피사체의 노즈-턱 치수를 측정 하 여 피사체에 가장 적합 합니다. 적절 한 크기의 마스크는 편안 하 게 착용 할 수 있으면서도, 마스크와 피사체의 피부 사이에 공기가 누출 되는 것을 방지 합니다. 필요한 경우 다른 크기를 시도 하십시오.
- 피사체의 주머니와 옷에 자기 기반 신용 카드와 철 분이 함유 된 금속 조각이 없는지 확인 합니다. 필요한 경우, MRI 시설에서 제공 하는 의료 가운에 피사체가 변경 됩니다.
참고: MRI 환경에서는 금속이 위험할 수 있으며 클립 (일반적으로 브래지어), 금속 고리 (브래지어와 후드), 금속 버튼 또는 지퍼 (셔츠, 스웨터), 헤어 익스텐션 및가 발 등의 금속성 물체는 이미징 아티팩트를 만들 가능성이 있습니다.
2. MRI 환경의 준비
- 이미징 시설의 표준에 대 한 MRI 안전 교육을 받은 사람만 스캐너 실에 입장 하거나이 실험을 도와줄 수 있습니다.
- 코일을 스캐너 테이블의 해당 커넥터에 연결 하 여 몸체 코일에 사용할 MR 스캐너를 구성 합니다.
- 피사체를 이미징 하는 동안 30 분 이상 편안 하 게 사용할 수 있도록 시트, 패드 및 베개가 있는 스캐너 테이블을 준비 합니다.
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산소 전달 시스템을 조립 합니다.
참고: 도 2에는 튜빙의 개략도가 제시 되어 있다.- 스캐너 운영자 또는 SVI 실험을 수행 하는 사람의 손이 닿는 곳에 2/3 방향 스위칭 밸브를 배치 합니다.
- 의료용 산소 탱크 (스캐너 실 외부) 또는 산소 벽면 공급 장치 (사용 가능한 경우)를 ¼ 인치 플라스틱 튜빙을 사용 하는 스위칭 밸브의 한 입구에 연결 합니다.
- 제어 실에 위치한 스위치 밸브의 출구를 8m (스캐너에 충분 한 길이)의 ¼ 플라스틱 튜빙에 연결 하십시오. 제어 실에서 스캐너 룸까지 통과를 통해 튜브를 공급 하 고 스캐너 보어의 중간에 도달 하는지 확인 하십시오.
참고: 흐름 바이패스 마스크에 스위칭 밸브 콘센트를 연결 하는 플라스틱 튜빙은 흐름 바이패스 시스템으로 유입 되는 공기에 의해 생성 되는 소음을 감소 시키기 위해 ¼ 인치에서 3/8 인치까지 마지막 2m의 직경에서 스텝 업을 포함 했습니다. - 튜브의 ½ 인치 끝을 유동 바이패스 마스크 부착 물에 연결 합니다.
- 플로우 바이패스 부착 물을 피사체에 맞는 얼굴 마스크에 고정 합니다.
- 가스 탱크 또는 벽면 콘센트 조정기의 압력을 예상 피크 흡 기 유량 보다 큰 산소 흐름을 생성 하는 값으로 설정 합니다. 필요한 압력은 연구의 성격 (휴식, 운동 등)과 가스 전달 시스템의 전반적인 저항 (전형적으로 2.4.3 단계에서 설명 된 전달 시스템에 대 한 ~ 70 psi)에 따라 달라 집니다.
- 산소의 흐름을 활성화 하 여 스위치 밸브를 테스트 하 여 유량 바이패스 부착 물의 배출구에 적절 한 흐름이 존재 하 고 플라스틱 튜빙에 누출이 없는지 확인 하십시오.
3. 이미징 대상의 계측 및 준비
- 피사체가 MRI 테이블에 놓여 있어야 합니다. 하 부 코일 요소의 상단은 낮은 코일 요소의 상단은 피사체의 어깨 보다 높은 있는지 확인 하 여, 폐에 대 한 적절 한 커버리지를 제공 해야 합니다.
- 피사체 삽입 귀마개를가지고 소리가 차단 되 고 있는지 확인 합니다.
- 쉽게 접근할 수 있도록 스퀴즈 볼 (또는 대체 안전 메커니즘)을 피사체의 손목에 테이프로 부착 합니다.
- 마스크 및 플로우 바이패스 시스템을 피사체의 얼굴에 부착 합니다. 플로우 바이패스 부착 물의 호기를 짧게 폐쇄 하 고 대상에 게 누출을 확인 하기 위해 정상적인 영감과 만기를 시도 하도록 요청 하십시오.
- 몸체 코일이 보어의 중심을 차지 하는지 확인 하기 위해 라이트 센터링 도구를 사용 하 여 피사체를 스캐너에 배치 합니다.
- 입구에 꽉 끼는 황동 너트를 사용 하 여 흐름 바이패스 라인을 3D 인쇄 된 흐름 바이패스 마스크 부착 물에 연결 합니다.
4. MRI 이미징
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이미징 슬라이스를 위한 해부학 적 위치를 선택 합니다.
- 시험의 나머지 부분을 처방 하는 데 사용 되는 해부학 적 지도를 얻기 위해 로컬라이저 시퀀스를 획득.
- 스캐너 그래픽 사용자 인터페이스를 사용 하 여 이미징 슬라이스를 클릭 하 고 원하는 위치로 드래그 하 여 연구할 최대 4 개 시상 폐 슬라이스를 선택 합니다. 일반적으로 시야각은 40 x 40, 슬라이스 두께는 1.5 cm로 설정 됩니다. 연구에 대 한 관심 영역을 대상으로 폐 필드의 중심에 있는 슬라이스를 선택, 일반적으로 큰 폐 혈관의 침입을 최소화 중재 및 가슴 벽을 횡 방향으로 샘플링 된 폐 체적을 최대화 합니다.
참고: 슬라이스 선택은 모든 평면에서 수행 할 수 있습니다; 최대 4 개까지 슬라이스를 선택할 수 있습니다. 데모의 목적을 위해, 하나의 슬라이스를 획득 한다. - 동일한 볼륨을 세로 방향으로 이미지화 할 수 있도록 척추의 위치에 대 한 이미징 슬라이스의 위치를 기록해 두십시오.
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특정 환기 이미징
참고: 일반적인 MRI 매개 변수 목록은 표 1에 나와 있습니다.- 공기-산소 콘트라스트 (17)를 최대화 하기 위해 가장 중간 슬라이스 1100 ms에 대 한 MR 컴퓨터의 역전 시간을 설정 합니다.
- 이미징 수집을 위해 수집 파라미터 (표 1)를 설정 합니다. 다중 슬라이스 획득의 경우, 각각의 추가 슬라이스는 235 ms (1335 ms, 1570 ms, 1805 ms)의 간격으로 첫 번째 획득 됩니다.
참고: 역전 회복 펄스와 시간 간격 (역전 시간에 의해 설명 됨)에 따라, 각 슬라이스 이미지는 하프 푸리에 싱글 샷 터보 스핀 에코 (가속)를 사용 하 여 획득 되며, 128 x 128 분해능에서 (70-공간 샘플링) 이미지는 256 x 256 해상도로 재구성 됩니다. - 반복 횟수를 220로, 반복 시간 (TR)을 5 초로 설정 합니다. 이것은 220 연속 호흡의 총 5 초 동안 4.2.1 및 4.2.2를 반복 하는 결과를 초래할 것입니다. 피사체에 게 이미지 수집을 통해 호흡을 시간 내에 자발적으로 게이트 하도록 요청 합니다.
참고: 이미지는 기능적 잔류 용량 (FRC)에서 짧은 자발적 호흡 중단으로 정상적인 만기 종료 시에 획득 됩니다. 이러한 연속적인 인수를 수행 하는 동안 유사한 폐 용적에 일관 되 게 도달 하는 것이 중요 합니다. - 후속 인수 중에 주체의 폐 용적 (종료 만료)의 일관성을 모니터링 하 고 필요한 경우 품질 향상을 위한 피드백을 제공 합니다. 피사체가 5 초 마다 일관 된 폐 용적에 도달 하기 어려운 것으로 판단 되 면 TR (연속 취득 사이의 시간 간격)을 늘립니다.
- 피사체의 영감을 받은 기체 혼합물을 20 호흡으로 전환 하 고 (획득 한 호흡이 피사체의 편안 함을 유지 하는 동안) 실내 공기와 의료용 산소를 번갈아가 며 교체 합니다. 스위치가 발생 한 시기와 피사체가 각 가스를 호흡 하는 간격을 기록해 두십시오. 실험의 어느 시점 (전형적으로 호흡 20-60 또는 180-220)에서 40 연속 호흡에 대 한 100%의 산소를 호흡 하는 피사체가 저 환기 폐 영역에 대 한 민감성을 증가 시키는 것을 허용 한다.
- 정기적으로 심장 박동 (나머지에 정상적인 과목에 대 한 40-80) 및 산소 포화 상태를 확인 (일반적으로 98-100%) 맥 박 산소 측정기를 살펴보면 (그림 2). 규범의 편차는 고통 또는 불안을 신호 할 수 있습니다.
- 스캐너 키보드의 푸쉬-톡 버튼을 눌러서 피사체에 자주 이야기 하 고 남은 시간을 정기적으로 업데이트 합니다.
- 호흡 220 후, 화상 진 찰이 완료 됩니다. 피사체를 실내 공기로 돌려 스캐너에서 제거 합니다.
5. 이미지의 시계열에서 특정 환기 맵 만들기
- 각 폐 슬라이스를 위한 220 연속 MR 이미지 스택이 확보 되었는지 확인 합니다.
- 등록을 위해 이미지를 이미지 분석 소프트웨어 (예: MATLAB)로 가져옵니다.
- 220 이미지 중에서 기능 잔여 용량을 가장 잘 나타내는 슬라이스 하나에 대해 전체 이미지 스택의 육안 검사를 통해 선택 합니다. 기능 잔여 용량은 스택에 폐 볼륨의 "모드"로 식별 됩니다.
- "Mode" 이미지를 참조로 사용 하 여 투영 또는 아핀 등록을 사용 하 여 모든 이미지를 기능 잔여 용량 참조에 등록 합니다.
참고: 등록은 일반적으로 집에서 개발 된 알고리즘을 사용 하 여 수행18 또는 공개적으로 사용할 수 있는 일반화-듀얼 부트스트랩 반복 가까운 포인트 알고리즘 (GDB-ICP19). - 등록 알고리즘의 출력을 사용 하 여 각 이미지의 영역 변경을 계산 합니다. 이미지 스택에서 10% 영역이 변경 >는 데 필요한 등록 단계가 있는 이미지를 버리고이를 누락 된 데이터20으로 처리 합니다.
- 하우스1,7에서 개발 된 알고리즘을 사용 하 여 등록 된 스택에서 폐의 특정 통풍을 정량화 합니다. 각각의 복 셀의 시간 응답을 연속 산소 워시 앤 워시 아웃 시리즈에 비교 하 여, 50에서 0.01에 이르는 특정 인공 호흡에 상응 하는 시뮬레이션, 노이즈 무료 응답의 라이브러리에 15% 증분으로 정량화를 수행 합니다. 각 복 셀에는 원래1에서 제시한 것 처럼 각 복 셀의 시계열과 최대 상관 관계를 나타내는 시뮬레이션 된 이상적 환기에 해당 하는 특정 환기 값이 할당 됩니다.
- 이전 단계의 출력은 특정 통풍의 맵입니다. 분포의 히스토그램을 생성 하 고, 조석 체적에 관계 없이 특정 환기 이질성의 척도 인 특정 환기 분포의 폭을 계산 한다.
6. 지역 폐 포 환기를 계산 하는 특정 환기 및 밀도 지도를 결합
- SVI 외에도, 이전 연구22 에서 설명한 바와 같이 폐 양성자 밀도 이미지 (21)를 획득 한다 (섹션 4.4및 5.1 참조). 동일한 폐 부피 (FRC, 정상 만기의 종료)에서 동일한 폐암 슬라이스 (들)에서 양성자 밀도 이미지를 획득 하는 단계; 해상도를 64 x 64으로 설정 하 고, 복 셀 크기는 ~ 6.3 mm x 6.3 mm x 15mm (~ 0.6 cm3)에 해당 합니다.
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특정 환기 및 양성자 밀도 이미지를 정렬 합니다.
- ~ 1cm의 커널 크기를 가진 가우스 필터를 사용 하 여 특정 환기 및 양성자 밀도 이미지를 모두부드럽게 합니다.
- 상호 정보 기반 알고리즘을 사용 하 여 특정 통풍 맵 및 밀도 맵의 지도 간에 엄격한 등록 (평행 이동 및 회전)을 수행 합니다.
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공동 등록 된 특정 환기 및 양성자 밀도 데이터에서 치조 환기를 계산 합니다.
- 폐가 공기와 조직으로 구성 되 고 조직 밀도가 ~ 1g×3인 것으로 가정 하 고 정상 만기 종료 시 샘플링 된 볼륨의 공기의 일부분 인 (1 밀도)의 지도를 계산 합니다.
- 지역 환기 맵을 제품 (1 밀도) x SV (자연 단위)로 계산 합니다. 이 제품을 복 셀 (또는 다른 관심 영역)의 부피와 호흡 주파수 (전형적으로 12 개의 호흡/분)로 곱하면 더 익숙한 ml/min 단위로 환기 맵을 얻습니다.
참고: 각 폐 영역에 대해, SV = δ v/0 및 ≈. 따라서 제품 (1 밀도) x SV = 지역 환기는 자연 단위로 표현 됩니다.
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Representative Results
건강 한 피사체의 단일 슬라이스 SVI
특정 환기 이미징은 39 세의 건강 한 여성의 오른쪽 폐에 단일 슬라이스를 묘사 하는 그림 3a와 같이 특정 통풍의 정량적 맵을 생성 합니다. 특정 환기에 예상 수직 그라데이션의 존재를 참고; 폐의 의존적 부분은 폐의 비 의존적 부분 보다 더 높은 특정 통풍을 제시 합니다. 매핑된 특정 환기 값의 히스토그램이 가장 적합 한 로그 정규 확률 분포 함수 (점선)와 함께 표시 됩니다 (그림 3b, 채워진 원). 최적 분포의 폭은 특정 환기 이질성7, 23의 지표로 서 사용 될 수 있다. 도 1 은 동일한 자세에서 동일한 피사체에서 획득 한 다중 호흡을 도시 한 것 이다. 도 1a 는 영감을 받은 공기에서 영감을 100%의 산소로 전환 한 다음 입에서 측정 된 질소 농도의 시간적 기록을 보여준다. 도 1b 는 세척 으로부터 추정 되는 특정 환기의 분포를 제시 한다. SVI와 MBW 모두에 대해, 관련 변수들은 분포의 폭 이며, 여기에서 측정 된 로그 정규 분포의 폭은 데이터 (점선)에 의해 계산 되 고, SVI 및 0.42를 사용 하 여 건강 한 정상 범위 내에서 MBW를 사용 하는 0.41 것으로 나타났다. MBW와 비교 하 여 SVI-추정 된 특정 환기 이질성의 검증은 10 개의 과목에서 수행 되었고, 기술 간의 차이는 MBW 간 시험 가변성7보다 작은 것으로 밝혀졌다. 하이퍼편광 가스와의 공간적 비교 다중 호흡 특이 환기 영상 (16 )은 또한 특정 환기 이질성의 신뢰성 있는 그룹 추정치를 나타내 었 다 (8 과목에 걸친 특정 환기 분포의 폭 0.28 ± 0.08 및 0.27 ± 0.10에 대 한 하이퍼 편광 3그와 특정 환기 이미징 각각)에도 불구 하 고 예상 되는 내 피사체 변동성 (폭의 개인 차이의 표준 편차는 0.13 이었다).
특정 환기 맵은 지역 치조 환기를 계산 하기 위해 폐 밀도 지도와 함께 사용할 수 있습니다. 치조 환기의 지도를 생성 하기 위해, 특정 환기 및 밀도 이미지는 두 형식 사이의 잠재적 인 사소한 부정합을 최소화 하기 위해 공간적으로 평활 화 되어야 한다.
천식 대상에서 메타 콜린 챌린지에 대 한 대응
SVI는 운동4, 자세2또는 약물 치료3과 같은 개입에 대 한 폐 전체 및 지역적 반응을 측정 하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 그림 4 는 기준선에서 온화한 천식 여성 피사체의 폐에서 단일 슬라이스 맵을 묘사 합니다 (그림 4a), 메타 콜린으로 기관지 수 축을 따라 (그림 4b), albuterol 복구 후 ( 그림 4C). 유도 된 천식 사건 중에 증가 된 특정 환기 이질성을 유의 하 고, 특정 환기에 거의 없는 큰 패치의 존재 (폐의 종속 부분에 있는 짙은 청색 영역). 또한, 환기는 기관지 수축 (녹색-적색 영역) 중 일부 지역에서 역설적으로 증가 참고.
멀티 슬라이스 SVI
SVI로 최대 6 개의 연속 된 15mm 폐 슬라이스를 동시에 이미지화 할 수 있습니다. 도 5 는 24 시간 동안 그의 천식 약물에서 철회 된 적당 한 천식 남성 대상체에서 오른쪽 폐의 ~ 70%를 덮고 있는 4 개의 연속적인 우측 폐 슬라이스를 묘사 한다.
환기 맵
제공 된 폐 밀도 정보가 동일한 슬라이스 내에서 획득 되었고, 호흡 주파수가 알려져 있고, 완전 한 정량적 환기 맵은 mL/min/mL의 단위로 계산 될 수 있다. 환기 맵의 예가 그림 6에 나와 있습니다.
그림 1: 여러 숨을 씻는 다. (A) 시간이 지남에 따라 만료 된 질소 농도 (위) 및 조석 양 (초)을 표시하는일반적인 mbw 추적입니다. 데이터는 부정사 자세로 인수 되었다; 주제는 건강 한 39 세의 여성 이었다. (B) 루이스 외23 (실선)에서 제안한 방법을 사용 하 여 mbw 실험에서 계산 된 특정 환기 (SV)의 분포를 묘사 하는 히스토그램. 점선은 특정 환기 분포에 가장 적합 한 로그 (가우스)를 나타냅니다. 특정 환기의 이질성, 주요 결과는 최적 맞춤 분포의 폭으로 측정 됩니다 (이 경우 0.42). 이 그림은 참조7의 권한으로 재인쇄 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 배관 시스템 및 계측의 다이어그램 특정 환기 이미징에는 압축 가스 탱크 (그려진 대로) 또는 벽면 콘센트에서 100%의 의료용 산소가 필요 합니다. 산소 원은 스위치 밸브 (제어 실)에 연결 되 고, 다시 MRI 통과를 통해 3d 프린팅 된 흐름 바이패스 시스템 (24)에 연결 되 고 안 면 마스크 (스캐너 실)에 부착 됩니다. 도면의 왼쪽은 MRI 제어 실, 오른쪽은 스캐너 룸에 해당 합니다. 스위치에 탱크를 연결 하는 플라스틱 배관은 직경에서 ¼ 인치입니다. 흐름 우회 시스템에 스위치 밸브 출구에서 튜브도 ¼. 마지막 2m는 공기24의 흐름에 의해 생성 된 소음을 감소 시키기 위해, ¼ 인치에서 3/8 인치, 다음 ½ 인치까지 직경의 스텝 업을 포함 한다. 펄스 산소 측정기는 피사체의 심 박수 (HR) 및 산소 포화도 (Sat) 수준을 모니터링 하는 데 사용 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: 특정 환기 이미징 (A) 같은 부정사 피사체의 해부학 적 MRI 이미지에 오버레이된 특정 환기 (색상)의 전형적인 지도 (회색조). 특정 환기 범위는 매우 낮은 값 (파란색)에서 SV = 1.0 (빨간색)까지 다양 합니다. 주제, 39 세의 건강 한 자원 봉사자 ( 그림 1과 같은 주제)는 부정사 자세에서 이미지 되었다. 특정 통풍의 수직 기울기를 확인 합니다. 절대 밀도의 교정에 사용 되는 알려진 MR 특성의 팬텀이 전방 흉부 벽에 배치 되었습니다. 팬텀은 SVI 정량에 필요 하지 않습니다. (B) 특정 환기 맵에서 컴파일된 특정 환기 (채워진 원)의 분포에 대 한 히스토그램. 분포의 폭은 연구 된 폐 슬라이스 내의 특정 환기의 이질성을 나타낸다. 이 예제에서 분포는 단 봉이 고 로그 가우스 피팅 분포 (점선)의 폭은 0.41입니다. 이는 도 1b에 제시 된 mbw 전체 폐 특정 환기 분포에 필적 하며, 동일한 주제 및 자세에 대해서는 분포의 폭이 0.42 이었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4: 기관지 수축 및 기관지는 온화한 천식에 지도를 팽창 시킵니다. 기저 (a)에서 메타 콜린 (B)의 1 밀리 그램/mL를 흡입 하 고 albuterol의 흡입을 따르는 온화한 천식 대상체 (여성, 나이 24)에서 측정 된 특정 환기. 매우 낮은 특정 환기를 보여주는 종속 폐의 큰 영역과 함께 메타 콜린 (패널 B)을 사용 하 여 천식과 같은 이벤트의 유도에 따라 특정 환기의 분포의 중요 한 변화를 주목 하십시오. 또한 기관지 확장 제 관리 (C 패널) 다음 복구를 참고 하십시오. 그림 3에서와 같이, 특정 환기 맵은 해부학 적 MRI로 오버레이되었습니다. 특정 환기 분포의 폭은 기준선, 0.94 포스트 메타 콜린 및 0.28 포스트 albuterol에서 0.31. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5:24 시간 투약 후 적당 한 천식 환자에서 다중 슬라이스 특정 환기 지도. 오른쪽 폐에 있는 4 개의 연속적인 폐 조각의 특정 환기 지도는, 매일 천식 약물의 24 시간 철수 후에 25 년 오래 된 남성 적당 한 천식에서 취득 했습니다. 4 개의 조각은 피 험 체의 우측 폐의 70%를 커버 한다. 낮은 특정 환기 (진한 파란색)의 영역은 모든 조각에 존재 한다. 기준선에서 FEV1 은 84%로 예측 되었습니다. 매일 약물의 24 시간 철수 후에,이 주제의 FEV1 는 예상의 69% 이었습니다; 사후 이미징, 피사체는 그의 구조 흡입기를 사용 하 고 FEV1 예측의 83%로 회복. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6: 건강 한 27 살 남성 대상에서 획득 한 통풍 (ml/min/ml)을 보여주는 환기 맵 예 환기 맵은 동일한 슬라이스 내의 폐 양성자 밀도의 맵과 함께 SV 맵을 사용 하 여 섹션 6에 설명 된 바와 같이 생성 되었다. 이 예제에서 SV 및 밀도 맵은 모두 최대 5 개의복 셀에서 전체 폭이 있는 로그 가우스 커널을 사용 하 여 스무 딩 되었으며,이는 평면에서 0.64의 공간 배율을 생성 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
| MRI 매개 변수 | SVI | 노트 |
| 에코 시간 (TE) | 21.6 ms (단일 슬라이스) | |
| 18.2 ms (멀티 슬라이스) | ||
| 반복 시간 (TR) | 5 초 | > 값 4 s |
| 환자의 편안 함을 위해 조정 | ||
| 역전 시간 (TI) | 1.100 s (단일 슬라이스) | 멀티 슬라이스를 위해, 슬라이스 n의 TI |
| 1.100, 1.335, 1.570, 1.805 s (4 슬라이스) | 1.100) = s = 1 0.235 | |
| 매트릭스 | 256 x 128 (단일 슬라이스) | |
| 128 x 128 (멀티 슬라이스) | ||
| 시야 | 40 cm | 32-44 cm |
| 대역폭 | 125 kHz |
표 1: 특정 환기 이미징의 취득에 사용 되는 전형적인 MRI 파라미터의 목록.
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Discussion
특정 환기 이미징 인간의 폐에 특정 환기의 공간적 분포의 정량적 매핑을 할 수 있습니다. SVI에 대 한 대안은 존재 하지만 어떤 식으로든 제한 됩니다: 다중 호흡 세척은 이질성의 척도를 제공 하지만 공간 정보 (23)가 부족 합니다. 대체 영상 법은 환자를 이온화 방사선 (예: 조사, 애완 동물, CT, 감마 시 그 라피)에 노출 시키거나 광범위 하 게 사용할 수 없습니다 (MRI를 사용 하는 하이퍼 편광 가스 이미징). 특정 환기 이미징 공간 정보를 제공 하 고 표준 임상 스캐너를 사용 하 여 수행 될 수 있다 및 대조 소스로 산소 흡입, 따라서 거의 모든 임상 연구 설정으로 변환 될 수 있다. SVI가 방사선 또는 조 영제의 사용을 요구 하지 않는다는 사실은 약물, 치료 또는 개입에 대 한 지역적 반응을 정량적으로 평가 하는 반복 또는 종 방향 연구에 적합 합니다. 치료의 영향에 대 한 지역 정량 정보의이 유형은 흡입 약물 전달의 맥락에서 특히 유용할 수 있다.
SVI의 단점은 상대적으로 낮은 신호 대 잡음비 (일반적으로 4-7)를가지고 있으며, 획득 하는 데 18 분이 소요 되며 주제와 데이터 분석가에 게는 다소 힘든 것입니다. 대상 교육은 신뢰할 수 있는 특정 환기 데이터를 획득 하는 데 필수적입니다. 피사체는 일반적으로 이미징 세션 이전에 스캐너 소음의 기록 된 사운드 트랙을 사용 하 여 교육을 받은 후 220 호흡 홀드 이미지 각각에 대해 재현 가능한 볼륨 (FRC)에 도달할 수 있습니다. 이상적으로,이는 환기 없이 정상적인, 편안한 조석 볼륨에서 호흡 하는 동안 달성 된다. 부정확 한 호흡 유지는 데이터 분석가의 사후 처리에서 고려해 야 하며,이는 이미지 등록 소프트웨어를 사용 하 여 폐 용적의 차이를 설명 해야 합니다 (위의 5.3 섹션).
기술의 원래 출판1이후 svi는 구현을 합리화 하기 위해 수정 되었습니다. 3D 프린팅 MR 호환 흐름 바이패스 시스템24 는 실내 공기와 산소를 피사체에 전달 하는 사이에 거의 즉각적인 전환이 가능 합니다. 이 시스템은 이전에 관류 이미징22와 관련 된 jove 용지에서 설명한 가스 공급 설정을 닮은 원래 셋업의 복잡성을 현저히 감소 시킵니다. 이것은, 자유로운 호흡 취득 기술의 지속적인 발달과 더불어, 임상 연구 적용에 가까운 기술을 이동 하 게 할 것입니다.
여기에 제시 된 것 처럼 SVI는 2 가지 주요 한계를가지고 있습니다: 1) 획득 되는 우측 폐의 4 개의 슬라이스 (전형적으로)는 우측 폐의 ~ 70%만을 나타내며 현재 구현에서, 6 개 이하의 슬라이스는 RF 증 착으로 인해 1.5 T에서 획득 될 수 없으며 조직으로 이어지는 전년 더 높은 전계 강도에서 조직가 열 증가, 3T에서 멀티 슬라이스 획득 제한; 및 2) SVI는 획득 하기까지 18 분이 소요 되며, 따라서 특정 환기의 지도는이 간격에 걸쳐 각 복 셀의 시간 평균 특정 환기를 반영 한다.
그러나 전체 폐 범위는 절차를 반복 하거나 공간 분해능을 저하 시켜 달성할 수 있으며 스캔 시간은 특정 환기 정량화에서 정확도가 저하 될 수 있습니다. 이 기법은 일반적으로 다양 하 고 다양 한 획득 타협을 가능 하 게 하며 각각의 용도에 적합 합니다. 예를 들어, 천식 이벤트 (25) 로부터의 동적 회복에 대 한 연구에서, svi 데이터는 보다 높은 시간적 분해능 (~ 7 분 ~ 18 분) 및 동일한 공간 분해능으로 분석 되었고,이는 특정 환기의 불확실성이 ~ 30% 증가 하는 비용 (예상 (몬테카를로 시뮬레이션에서). 최근의 모델링 연구 (26 )는 이미지 볼륨이 우측 폐 전체를 포괄 하지 않는 svi 기술, 즉 1)의 몇 가지 사소한 제한의 영향을 정량화 하는 것을 모색 하 고, 연속적인 화상 간의 작은 부정합은 후에도 존재할 수 있다 3) 폐 정 맥은 폐의 다른 곳에서 혈액을 이미지 영역으로 운반 하는 것으로, 혈액이 원래 산소로 되어 있는 지역에 있지 않은 지역에서 환기를 반사 하는 혼동 신호를 추가 할 수 있습니다. 이미지. 연구 결과26 은 1) 건강 한 과목에서 단일 슬라이스 이미지 (총 폐의 8%만 포함)가 실제 값의 10% 내에서 특정 통풍의 수직 기울기를 추정 하며, 2) 모델 데이터에 대해 수행 된 svi 분석은 의도적으로 정렬 불량이 있는 이미지를 삭제 하지 않고 평균적으로 9% (최악의 경우)에의 한 정렬이 잘못 되었습니다. > 10% 평균 특정 통풍의 ~ 20% 과소 평가 결과, 빠른 속도와 느린 equilibrating 단위를 혼합 하는 것은 가능성이 느린, 낮은 특정 환기 것 들에 대 한 편견을 초래 하 고 3) 폐 정 맥에 의해 구동 가능성이 과소 평가 신호는 10% 미만으로 특정 환기의 체계적인과 평가에 이르게.
인간 폐의 기능적 이미지를 생성 하는 능력-해부학 적 변화 로부터 기능을 추론 하는 것과는 대조적으로-조기 진단에 기여 하 고 건강과 질병에서 폐의 이해를 증가 시킬 가능성이 있다. 특히, 환기의 반복적이 고 정량적 인 지역 지도를 생산 하는 능력은 질병 진행에 대 한 종 방향 연구를 허용 하 고 흡입 된 천식 약물과 같은 개입의 효과를 정량화 할 수 있습니다. 폐 밀도 (21 ) 및 폐 관류를 측정 하기 위해 2 개의 MRI 기법으로 특정 환기 이미징을 결합 하 여 (이 저널22), 건강 및 질병의 환기-관류 비의 지도가 생성 될 수 있다 2. 환기와 관류의 불일치는 저 산소 증과 hypercapnia의 주요 원인이 며, 건강과 질병의 환기 관류 비율에 대 한 지역 정보는 폐 질환의 영향에 대 한 추가 통찰력을 제공 할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작품은 국립 심장, 폐 및 혈액 학회 (NHLBI) (보조금 R01 HL-080203, R01 HL 081171, R01 HL-104118 및 R01 HL119263) 및 국가 우주 생물 의학 연구 기관에 의해 지원 되었다 (국가 항공 우주 행정 보조금 NCC 9-58 플 라 잉 Geier는 NHLBI 그랜트 F30 HL127980에 의해 지지 되었다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
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