Non-invasive imaging of the brain vasculature’s ability to dilate or constrict may allow a better understanding of cerebrovascular pathophysiology in various neurological diseases. The present report describes a reproducible and patient-comfortable protocol to perform vascular reactivity imaging in humans using magnetic resonance imaging (MRI).
Het brein is een ruimtelijk heterogeen als in de tijd dynamische orgel, met verschillende regio's vereisen verschillende hoeveelheid van de bloedtoevoer op verschillende tijdstippen. Daarom is het vermogen van de bloedvaten verwijden of vernauwen, bekend als cerebrale vasculaire-reactiviteit (CVR), een belangrijk domein van vasculaire functie. Een imaging marker die deze dynamische eigenschap zal nieuwe informatie van de hersenvaten onder normale en zieke aandoeningen zoals een beroerte, dementie, atherosclerose, kleine vaatziekten, hersentumor, traumatisch hersenletsel, en multiple sclerose te bieden. Om dergelijke meting uit te voeren bij de mens, is het noodzakelijk om een vasoactieve stimulus leveren zoals CO2 en / of O2 gasmengsel terwijl kwantitatieve hersenen magnetische resonantie beelden (MRI) worden verzameld. In dit werk, presenteerden we een MR compatibel gas-levering systeem en het bijbehorende protocol, dat de levering van speciale gasmengsels kunnen maken (oa, </em> O 2, CO 2, N 2, en hun combinaties), terwijl het onderwerp ligt in de MRI-scanner. Dit systeem is relatief eenvoudig, goedkoop en gemakkelijk te gebruiken, en de experimentele protocol maakt nauwkeurige kartering van CVR bij gezonde vrijwilligers en patiënten met neurologische aandoeningen. Deze benadering kan worden gebruikt in grote klinische toepassingen en beter begrip van de hersenen vasculaire pathofysiologie. In de video laten we zien hoe het opzetten van het systeem in een MRI-suite en hoe je een complete experiment uit te voeren op een menselijke deelnemer.
De hersenen is ongeveer 2% van het totale lichaamsgewicht, maar verbruikt ongeveer 20% van de totale energie 1. Niet verrassend, voldoende en zorgvuldig gereguleerde bloedtoevoer is van cruciaal belang om deze hoge vraag naar energie en voor de hersenen goed te laten functioneren ontmoeten. Bovendien, de hersenen is een ruimtelijk heterogeen als in de tijd dynamische orgel, met verschillende regio's vereisen verschillende hoeveelheid van de bloedtoevoer op verschillende tijdstippen. Daarom dynamische differentiatie bloedtoevoer is een belangrijke vereiste menselijke hersenen omloop. Gelukkig is bekend dat bloedvaten niet alleen rigide buizen en dat een belangrijke functie van bloedvat verwijden en vernauwen gebaseerd op de vraag van de hersenen en fysiologische omstandigheden 2.
Deze functionele eigenschap van het vaartuig, bekend als cerebrale vasculaire-reactiviteit (CVR), wordt gedacht dat een bruikbare indicator van vasculaire gezondheid en kunnen toepassingen in verscheidene neurologische conditio voorbeeldns zoals een beroerte 3, dementie 4, atherosclerose 5, kleine vaartuigen ziekten 6, hersentumor 7, moyamoya ziekte 8 en drugsverslaving 9. Fysiologische en anesthesie literatuur is bekend dat, omdat CO2 gas is een potente vasodilator, CVR kan worden beoordeeld door het veranderen van de arteriële CO2 niveau (bijvoorbeeld inhalatie van een kleine hoeveelheid CO 2) Voor de observatie vasculaire reacties 10-13 . In het veld beeldvorming en radiologie, wordt CVR in kaart brengen met behulp van MRI snel in opkomst als een nieuwe marker van belang voor vele fundamentele wetenschappers en clinici 8,14-19. Het wordt meestal geschat door te onderzoeken hoeveel vasculaire respons wordt opgewekt door een vasoactieve uitdaging. Er is echter een behoefte aan technische vooruitgang in het gastoevoersysteem en standaardisatie van experimentele protocol. Het leveren van speciale gasmengsel om een onderwerp in de MRI-scanner is niet triviaal en bijzondere overwegingenzijn vereist voor een MRI-compatibele design. Speciale overwegingen nodig zijn in het ontwerpen van MRI-compatibele gasafgiftesysteem. Deze speciale overwegingen zijn onder andere: 1) Alle componenten moeten niet-metalen zijn (metaal kan niet naar binnen MRI worden gebruikt); 2) het systeem moet werken binnen een kleine ruimte die de MRI-systeem en zijn hoofd spoel mogelijk te maken; 3) het systeem moet in plaats daarvan te werken met een liggende-down positie (zoals MRI-scanner vereist) van zitten, zonder ongemak; 4) relevante fysiologische parameters, zoals end-tidal CO2 (EtCO2, een benadering CO2 gehalte in het arteriële bloed) en arteriële zuurstofverzadiging moet nauwkeurig worden geregistreerd met seconden nauwkeurigheid timing en opgeslagen op een computer voor analyse gebruikt. Deze problemen kunnen de omvang van toepassingen van CVR mapping beperken.
In dit rapport, presenteerden wij een experimenteel protocol dat een uitgebreid gasafgiftesysteem gebruikt om de inhoud van geïnspireerde gas te moduleren, terwijl het onderwerp ligt in de MRI-scanner. Onsing deze aanpak, kan de onderzoeker niet-invasief toepassen van een vasoactieve stimulans voor de deelnemer met minimaal ongemak of bulk beweging. Fysiologische parameters en MRI-beelden zijn opgenomen tijdens de gehele periode van ongeveer 9 min, die bestond uit afwisselende blokken (1 min per blok) van de kamer is voorzien van en hypercapnische gas ademhaling. Representatieve resultaten worden gepresenteerd. Mogelijke toepassingen en beperkingen worden besproken.
Dit rapport presenteerde een MR-compatibele gasafgiftesysteem en een uitgebreide experimentele protocol dat het in kaart brengen van vasculaire reactiviteit in het menselijk brein maakt. Een diagram van het gastoevoersysteem wordt in figuur 1. Alle onderdelen in de MRI scanner kamers zijn plastic hun MRI-compatibiliteit. Het systeem kan conceptueel worden onderverdeeld in drie sub-systemen, waaronder een gas intake sub-systeem (tas, levering buis, twee-weg klep), een ademhaling interface-sub-systeem (neus clip, mondstuk, U-vorm buis), en een controle subsysteem (CO 2 -concentratie, zuurstofverzadiging, hartslag, ademhaling). De gasinlaat subsysteem maakt het gas te inhaleren aan de tweewegklep bereiken. Alleen ingeademde lucht, maar niet uitgeademde lucht, zal door middel van deze sub-systeem stromen. De ademhaling interface-sub-systeem maakt het mogelijk het onderwerp te ademen in en uit de beoogde gas. Zowel ingeademd en uitgeademd gas zal via deze sub-systeem stromen. De monitoring sub-systeem moet dan ook proeven van het gas op een punt langs de ademhaling-interface sub-systeem.
Klinische toepassingen van deze techniek kan omvatten evaluaties van hersenen vasculaire reserve neurologische aandoeningen zoals beroerte, atherosclerose, moyamoya ziekte, vasculaire dementie, multiple sclerose, en hersentumor. De techniek kan ook worden gebruikt in functionele MRI studies normaliseren of kalibreren fMRI signaal voor een betere kwantificering van neurale activiteit 23,24.
Een belangrijk kenmerk van het voorgestelde systeem en experimentele protocol is dat het gasmengsel kan worden afgeleverd aan de patiënt weliswaar in weinig beweging of ongemak. Daarom is het essentieel om de U-vormige buis (item # 12) zodanig dat het (en het mondstuk verbonden met het uiteinde ervan) vanzelf omlaag valt in de mond van de patiënt te plaatsen. Op deze manier hoeft het onderwerp niet nodig om zijn gezichtsspieren te houden of te ondersteunen het mondstuk te gebruiken. Het is ook importmier zich bewust te zijn dat het onderwerp niet in staat zal zijn om te praten terwijl het mondstuk is in hun mond. Daarom moet de onderzoeker niet het gesprek aan het subject via een vraag toon. In plaats daarvan moet alleen duidelijke, definitieve instructies worden gegeven. Bovendien moet een onderzoeker veel aandacht besteden aan de fysiologische parameters (bv EtCO 2, SO 2, hartslag, ademhaling) gedurende het gehele verloop van het experiment en snel reageren wanneer een of meer van de fysiologische parameters wijken buiten de typische bereik .
Terwijl een uitputtend overzicht van andere gas levering systemen die worden gebruikt in de literatuur valt buiten het bestek van dit artikel, is het nuttig om het huidige systeem te vergelijken met een paar veelgebruikte degenen 17,18. Een belangrijk verschil is dat ons systeem maakt gebruik van een mondstuk om de beoogde gas leveren terwijl de meeste andere systemen een masker ontwerp gebruikt. De mogelijke complicaties van een masker zijn twee vouwen. Eerst een masker occupies een aanzienlijke hoeveelheid ruimte, en het is misschien niet altijd haalbaar zijn om het masker te passen in de krappe ruimte in het hoofd spoel, gezien het feit dat, voor vele onderwerpen, hun neus zou bijna de kop spiraal te raken, zelfs zonder een masker. Dit is vooral het geval voor het hoofd spoelen bedoeld om een hoge gevoeligheid te bereiken, die meestal zijn ontworpen om strak aan het hoofd van het onderwerp. Een tweede complicatie van een masker ontwerp is dat er grote ruimte in het masker waardoor aanzienlijke menging van ingeademde en uitgeademde gas. Het kan dus invloed op de nauwkeurigheid van de meting van EtCO 2, die idealiter zijn gebaseerd op slechts uitgeademde gas. Nauwkeurige EtCO 2 is natuurlijk belangrijk voor de betrouwbaarheid van de CVR kaart. Een ander belangrijk verschil van ons systeem in vergelijking met veel andere systemen is dat ons systeem levert gas uit een zak in plaats van een gas tank. Daarom zijn tanks niet nodig in de scanner gebied, bespaart kostbare ruimte in het vervolg rol kamer van een MRI-suite. In ons ontwerp, brengen we de zak voor het begin van de scan en na de scan, de zak is geleegd, gevouwen en opgeborgen. Tenslotte vergelijking met enkele andere systemen 18,21, de huidige gastoevoersysteem eenvoudiger, vergt minder trainingstijd en verbruiksartikelen minder duur.
Hierbij moet worden opgemerkt dat, hoewel het protocol in dit rapport vooral heeft gericht op de CO 2 inhalatie, de gepresenteerde gas levering systeem maakt het mogelijk de levering van andere gasmengsels (bv elke fractie van O 2, elke fractie van CO 2, elke fractie N2, en hun combinatie) aan een mens voor hen te ademen terwijl hij / zij ligt binnen de MRI scanner. Men kan ook het gastoevoersysteem buiten de context van MRI, bijvoorbeeld in samenhang met elektro-encefalogram (EEG), magnetoencephalogram (MEG), positron emissie tomografie (PET), of optimale beeldvorming.
_content "> Wanneer verschaffen van een aanbeveling van beeldvormingsparameters, we hebben vooral gericht op BOLD sequentie. Een andere sequentie die mogelijk kunnen worden gebruikt CVR mapping Arterial Spin Labeling (ASL) MRI, die een kwantitatieve maat cerebrale bloedstroom bepaalt (CBF) in fysiologische eenheden (ml bloed per 100 gram weefsel per minuut). Daarom is het voordeel van ASL gebaseerde CVR mapping is dat de resultaten gemakkelijker te interpreteren, in tegenstelling BOLD signaal dat een gecombineerd effect van de bloedstroom, bloedvolume weerspiegelt en mogelijke bijdragen van hersenen metabole veranderingen in CO2 challenge 25-27. Echter, een beperking van de ASL techniek is dat de gevoeligheid meerdere plooien lager dan die van BOLD 28. Daardoor is onze ervaring dat momenteel is zeer uitdagend om een individueel niveau te verkrijgen, voxel-by-voxel CVR kaart met behulp van ASL. Daarom is voor de toepassing studies van CVR, gebruiken we vooral de BOLD volgorde en dus ook richten op deze techniek in our aanbevelingen.Een beperking van deze werkwijze is dat ademen door een mondstuk met de neus geblokkeerde (een neusklem) niet volledig natuurlijk en sommige onderwerpen (vooral patiënten) kan dit zien als een bron van ongemak. Ademhaling met het mondstuk en neus clip kan ook verergeren het gevoel van claustrofobie. Daarnaast kan het onderwerp droge mond als gevolg van het inademen van slechts mond ervaren. Daarom is het raadzaam dat de onderzoeker proberen zijn best om het experiment te snel af te ronden. Tenslotte moet worden opgemerkt dat, gebaseerd op ervaring van de auteurs, de ongemakken bovengenoemde voorbijgaand en zodra het experiment klaar verdwijnen.
The authors have nothing to disclose.
This work was partly supported by grants from the National Institutes of Health (NIH), under grant numbers R01 MH084021, R01 NS067015, R01 AG042753, NS076588, NS029029-20S1, R21 NS078656; and from National Multiple Sclerosis Society, under grant number of RG4707A2.
Name of the Material/Equipment | Company | Catalog number | Description | Website |
Douglas bag | Harvard Apparatus | 500942 | 200-liter capacity | http://www.harvardapparatus.com/webapp/wcs/stores/servlet/catalog_11051_10001_-1_HAI?gclid=CN_woMnCwboCFWpk7AodL1YA8g |
Three-way valve | Hans Rudolph | CR1207 | 100% plastic | www.rudolphkc.com |
Two-way non-rebreathing valve | Hans Rudolph | CR1480 | 22mm/ 15mm ID | www.rudolphkc.com |
Diaphragm | Hans Rudolph | 602021-2608 | Size: medium, Type: spiral | www.rudolphkc.com |
Mouth piece | Hans Rudolph | 602076 | Silicone, Model # 9061 | www.rudolphkc.com |
Nose clip | Hans Rudolph | 201413 | Plastic foam, Model #9014 | www.rudolphkc.com |
Gas delivery tube | Vacumed | 1011-108 | http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&prodid=7665 | |
Blue cuff | Vacumed | 22254 | http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&prodid=343 | |
Gas sampling tube | QoSINA | T4305 | Thin | http://www.qosina.com/catalog/part.asp?partno=T4305 |
Male luer | QoSINA | 11547 | http://www.qosina.com/catalog/part.asp?partno=11547 | |
Hydrophobic filter | Philips Medical Systems | 9906-00 | Disposable | http://www.healthcare.philips.com/us_en/products/index.wpd?Int_origin=3_HC_landing_main_us_en_top-nav_products |
U-shape tube | Made in-house | |||
Elbow connector | QoSINA | 51033 | www.qosina.com | |
EtCO2monitor | Philips Medical Systems | Model 1265 | http://www.healthcare.philips.com/us_en/products/index.wpd?Int_origin=3_HC_landing_main_us_en_top-nav_products | |
Pulse oximetry | Invivo | Expression | MRI Monitoring Systems | http://www.invivocorp.com/monitors/monitorinfo.php?id=7 |
MRI scanner | Philips | Achieva 3.0T TX | http://www.healthcare.philips.com/main/products/mri/systems/achievaTX/?Int_origin=2_HC_mri_main_global_en_systems_achieva30ttx | |
Disinfectant | Fisher Scientific | 04-355-13 | Decon™ BDD™ Bacdown™ Detergent Disinfectant | http://www.fishersci.com/ecomm/servlet/itemdetail?storeId=10652&langId=-1&catalogId=29104&productId=3426739&distype=0&highlightProductsItemsFlag=Y&fromSearch=1&searchType=PROD&hasPromo=0 |