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).
Il cervello è un organo spazialmente eterogeneo e temporalmente dinamico, con diverse regioni che richiedono diverse quantità di afflusso di sangue in tempi diversi. Pertanto, la capacità dei vasi sanguigni di dilatarsi o strozzare, noto come cerebrale-vascolare-reattività (CVR), rappresenta un dominio importante funzione vascolare. Un indicatore di imaging che rappresenta questa struttura dinamica fornirà nuove informazioni di vasi cerebrali in condizioni normali e patologiche come l'ictus, la demenza, l'aterosclerosi, malattie dei vasi piccoli, tumore al cervello, traumi cerebrali, e la sclerosi multipla. Per effettuare questo tipo di misurazione negli esseri umani, è necessario fornire uno stimolo vasoattivo quali CO 2 e / o O 2 miscela di gas mentre cerebrali quantitativa immagini di risonanza magnetica (MRI) vengono raccolti. In questo lavoro, abbiamo presentato un sistema MR compatibile di erogazione del gas e il protocollo associato che consentono la fornitura di miscele di gas speciali (ad esempio, </em> O 2, CO 2, N 2, e loro combinazioni) mentre il soggetto è sdraiato all'interno dello scanner MRI. Questo sistema è relativamente semplice, economico e facile da usare, e il protocollo sperimentale permette la mappatura precisa del CVR sia in volontari sani e pazienti con disturbi neurologici. Questo approccio ha il potenziale per essere usato in applicazioni cliniche larghe e una migliore comprensione della fisiopatologia vascolare cerebrale. Nel video, si dimostra come impostare il sistema all'interno di una suite MRI e come eseguire un esperimento completo su un partecipante umana.
Il cervello rappresenta circa il 2% del peso corporeo totale, ma consuma circa il 20% dell'energia totale 1. Non sorprende, sufficiente e accuratamente regolato apporto di sangue è fondamentale per rispondere a questa forte domanda di energia e per il cervello a funzionare correttamente. Inoltre, il cervello è un organo spazialmente eterogeneo e temporalmente dinamico, con diverse regioni che richiedono diverse quantità di afflusso di sangue in tempi diversi. Pertanto, la modulazione dinamica delle scorte di sangue rappresenta un requisito importante in circolazione cervello umano. Fortunatamente, è noto che i vasi sanguigni non sono solo tubi rigidi e che un importante funzione di vaso sanguigno è a dilatarsi e costringere basata sulla domanda del cervello e condizioni fisiologiche 2.
Questa proprietà funzionale della nave, noto come cerebrale-vascolare-reattività (CVR), è pensato per essere un indicatore utile della salute vascolare e può trovare applicazioni in vari conditio neurologicans come ictus 3, demenza 4, 5 aterosclerosi, malattie dei vasi piccoli 6, tumore al cervello 7, malattia moyamoya 8, e tossicodipendenza 9. In fisiologia e letteratura anestesiologia, è noto che, a causa gas CO 2 è un potente vasodilatatore, CVR può essere valutata alterando il livello arteriosa CO 2 (ad esempio, l'inalazione di una piccola quantità di CO 2) durante il monitoraggio risposte vascolari 10-13 . Nel campo di imaging e radiologia, la mappatura CVR utilizzando MRI sta rapidamente emergendo come un nuovo marker di interesse per molti scienziati e medici di base 8,14-19. Di solito è stimato esaminando quanto risposta vascolare è indotta da una sfida vasoattivi. Tuttavia, vi è una necessità di progressi tecnici nel sistema di erogazione del gas e standardizzazione di protocollo sperimentale. Fornire speciale miscela di gas ad un soggetto all'interno dello scanner MRI non è considerazioni banali e specialisono necessari per una progettazione compatibile con la risonanza magnetica. Considerazioni particolari sono richieste nella progettazione di sistema di erogazione del gas compatibile con la risonanza magnetica. Queste considerazioni speciali includono: 1) tutti i componenti devono essere non metallico (metallo non può essere utilizzato all'interno MRI); 2) il sistema dovrebbe funzionare all'interno di un piccolo spazio che il sistema di risonanza magnetica e la sua bobina di testa consentono; 3) il sistema dovrebbe funzionare con una posizione sdraiata (come scanner MRI richiede) invece di seduta, senza alcun disagio; 4) i parametri fisiologici rilevanti, come la CO2 di fine espirazione (EtCO2, un'approssimazione di contenuto di CO2 nel sangue arterioso) e la saturazione di ossigeno arteriosa, devono essere registrati accuratamente con secondi di precisione tempi e memorizzati su un computer per l'utilizzo di analisi. Questi problemi possono limitare la portata delle applicazioni di mappatura CVR.
In questo rapporto, abbiamo presentato un protocollo sperimentale che utilizza un sistema di erogazione del gas globale per modulare il contenuto di gas ispirato mentre il soggetto è sdraiato all'interno dello scanner MRI. Noiing questo approccio, il ricercatore può non invasivo applicare uno stimolo vasoattivo al partecipante con il minimo disagio o di movimento di massa. Parametri fisiologici e immagini di risonanza magnetica sono state registrate durante l'intero periodo di circa 9 minuti, che consisteva di blocchi alternati (1 min per blocco) di spazio di aria e la respirazione gas ipercapnica. I risultati rappresentativi vengono presentati. Le potenziali applicazioni e limitazioni sono discusse.
Questa relazione presentato un sistema di erogazione di gas compatibile MR e un protocollo sperimentale completa che consente la mappatura di reattività vascolare nel cervello umano. Lo schema del sistema di erogazione del gas è illustrato nella figura 1. Tutte le parti interne della camera scanner MRI sono in plastica per assicurare la compatibilità MRI. Il sistema può essere suddiviso in tre sottosistemi, tra cui un sotto-sistema di aspirazione del gas (borsa, tubo di erogazione, valvola a due vie), un sotto-sistema di interfaccia di respirazione (naso clip, boccaglio, tubo a U), e un sotto-sistema di monitoraggio (CO 2 concentrazione, saturazione di ossigeno, frequenza cardiaca, frequenza respiratoria). Il sub-sistema di aspirazione del gas consente al gas di essere inalato per raggiungere la valvola a due vie. Solo inalato aria, ma non l'aria espirata, scorre attraverso il sub-sistema. Il sub-sistema di interfaccia di respirazione permette al soggetto di respirare e il gas destinato. Sia gas inspirato ed espirato fluirà attraverso questo sub-sistema. La Verifica e Controlg sub-sistema dovrebbe quindi campionare il gas in un punto lungo il sub-sistema di interfaccia di respirazione.
Applicazioni cliniche di questa tecnica possono includere valutazioni di cervello riserva vascolare nelle malattie neurologiche come l'ictus, aterosclerosi, malattia moyamoya, demenza vascolare, la sclerosi multipla, e tumore al cervello. La tecnica può essere usata anche in studi funzionali MRI per normalizzare o calibrare segnale fMRI per una migliore quantificazione dell'attività neurale 23,24.
Una caratteristica importante del sistema proposto e protocollo sperimentale è che la miscela gassosa può essere consegnato al soggetto mentre causando un movimento minimo o disagio. Pertanto, è fondamentale per posizionare il tubo a U (Codice 12) tale che (e il boccaglio collegato all'estremità di esso) cade naturalmente verso il basso nella bocca del soggetto. In questo modo, il soggetto non ha bisogno di usare il suo muscolo facciale di tenere o sostenere il boccaglio. E 'anche l'importazioneformica di essere a conoscenza che il soggetto non sarà in grado di parlare, mentre il boccaglio è nella loro bocca. Pertanto, il ricercatore dovrebbe evitare di parlare al soggetto con un tono di domanda. Invece, solo istruzioni chiare e definitive devono essere fornite. Inoltre, un ricercatore deve prestare molta attenzione ai parametri fisiologici (ad esempio, EtCO 2, SO 2, frequenza cardiaca, frequenza respiratoria) durante l'intero corso della sperimentazione e rispondere prontamente quando uno o più dei parametri fisiologici discostano di fuori del campo tipico .
Mentre un'indagine esaustiva di altri sistemi di lancio di gas utilizzato in letteratura è oltre la portata di questo articolo, è utile confrontare il sistema attuale di alcune fra le più comunemente usati 17,18. Una differenza importante è che il nostro sistema utilizza un boccaglio di consegnare il gas destinato, mentre la maggior parte degli altri sistemi hanno usato una maschera nella progettazione. I potenziali complicazioni di utilizzare una maschera sono due pieghe. Innanzitutto, una maschera occupies una notevole quantità di spazio, e potrebbe non essere sempre possibile adattare la maschera nello spazio stretto all'interno della bobina testa, considerando che, per molti soggetti, il naso sarebbe quasi toccare la bobina testa ancora senza maschera. Ciò vale in particolare per le bobine di testa destinati a realizzare l'alta sensibilità, che di solito sono progettati per adattarsi perfettamente alla testa del soggetto. Una seconda complicazione associata con un design maschera è che c'è grande spazio all'interno della maschera, che si traduce in sostanziale miscelazione di gas inalato e esalato. Pertanto, potrebbe influenzare la precisione della misurazione del EtCO 2, che idealmente dovrebbe essere basata su un solo gas espirato. Accurate EtCO 2 è ovviamente importante per l'affidabilità della mappa CVR. Un'altra importante differenza del nostro sistema rispetto a molti altri sistemi è che il nostro sistema offre il gas da un sacchetto invece di un serbatoio di gas. Pertanto, non sono necessari serbatoi nell'area scanner, risparmiando spazio prezioso nel cont rol camera di una suite MRI. Nel nostro progetto, abbiamo portare il sacchetto prima della scansione e, dopo la scansione, la borsa è svuotato, piegato, e mettere via. Infine, rispetto a molti altri sistemi 18,21, il sistema di erogazione di gas corrente è più semplice, richiede meno tempo della formazione, e suoi materiali di consumo sono meno costosi.
Occorre rilevare che, sebbene il protocollo presentato in questa relazione si è concentrata principalmente sulla CO 2 inalazione, il sistema di erogazione del gas presentato permette la fornitura di altre miscele di gas (ad esempio, ogni frazione di O 2, ogni frazione di CO 2, qualsiasi frazione di N 2, e la loro combinazione) di un essere umano per loro di respirare, mentre s / si è disteso all'interno dello scanner MRI. Si può anche utilizzare il sistema di erogazione del gas al di fuori del contesto del MRI, per esempio in combinazione con elettroencefalogramma (EEG), magnetoencephalogram (MEG), tomografia ad emissione di positroni (PET), o l'imaging ottimale.
_content "> Nel fornire una raccomandazione di parametri di imaging, ci siamo concentrati principalmente sulla sequenza BOLD. Un'altra sequenza che può essere potenzialmente utilizzato in mapping CVR è Arterial Spin Labeling (ASL) MRI, che fornisce una misura quantitativa del flusso ematico cerebrale (CBF) in unità fisiologiche (ml di sangue per 100 g di tessuto per min). Pertanto, il vantaggio di CVR mappatura basata ASL-è che i risultati sono più facili da interpretare, a differenza del segnale BOLD che riflette un effetto combinato del flusso di sangue, volume di sangue nonché eventuali contributi di alterazioni metaboliche cerebrale durante CO 2 sfida 25-27. Tuttavia, una limitazione della tecnica ASL è che la sua sensibilità è diverse pieghe inferiore a quello del BOLD 28. Come risultato, la nostra esperienza è che, attualmente, è altamente difficile da ottenere un livello individuale, voxel-by-voxel CVR mappa con ASL. Pertanto, per gli studi applicativi del CVR, usiamo soprattutto la sequenza BOLD e quindi anche concentrarsi su questa tecnica in ouraccomandazioni r.Una limitazione del presente metodo è che la respirazione attraverso un boccaglio con il naso bloccato (da una clip naso) non è del tutto naturale e alcuni soggetti (in particolare pazienti) può percepire questo come una fonte di disagio. Respirare con la clip boccaglio e naso può anche aggravare la sensazione di claustrofobia. Inoltre, il soggetto può avvertire secchezza della bocca dovuta a respirare da solo bocca. Pertanto, si raccomanda che il ricercatore suo meglio per completare l'esperimento rapidamente. Infine, è importante notare che, in base all'esperienza degli autori, il disagio potenziale di cui sopra è transitorio e scompare non appena l'esperimento è finito.
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 |