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).
脳は、異なる領域が異なる時間に血液供給の異なる量を必要とすると、空間的に不均一で時間的に動的な器官である。したがって、拡張または収縮する血管の能力、脳、血管、反応性(CVR)として知られているが、血管機能の重要なドメインを表す。この動的な性質を表す画像化マーカーは、脳卒中、認知症、アテローム性動脈硬化症、小血管疾患、脳腫瘍、外傷性脳損傷、多発性硬化症などの正常および病的条件下では、脳血管の新たな情報を提供する。ヒトにおいて、このタイプの測定を行うためには、定量的な脳の磁気共鳴画像(MRI)を回収している間および/ またはO 2ガス混合物は、CO 2などの血管作動性刺激を送達することが必要である。本研究では、MR互換性のガス送出システムと特殊ガスの混合物( 例えばの送達を可能に関連するプロトコルを提示し、 </em>のO 2、CO 2、N 2、およびそれらの組み合わせ)被験者は、MRIスキャナの内側に横たわっている。このシステムは、経済的、比較的簡単であり、かつ使いやすく、かつ実験的なプロトコルは、神経疾患との両方の健康なボランティアと患者のCVRの正確なマッピングが可能。このアプローチは、広範な臨床用途および脳血管の病態生理学のより良い理解に使用される可能性がある。ビデオでは、我々はMRIスイート、どのように人間の参加者に完全な実験を行っ内部のシステムを設定する方法を示します。
脳は全体重の約2%に相当するが、総エネルギー1の約20%を消費する。驚くことではないが、十分かつ慎重に調整された血液供給は、脳が正常に機能するため、この高エネルギー需要とを満たすために非常に重要です。さらに、脳の異なる領域が異なる時間に血液供給の異なる量を必要とすると、空間的に不均一で時間的に動的な器官である。従って、血液供給の動的調節は、ヒトの脳循環に重要な要件を表す。幸いなことには、血管がちょうどパイプ材ではなく、血管の重要な機能は、脳及び生理的条件2の需要に基づいて拡張及び収縮されることが知られている。
脳 – 血管 – 反応性(CVR)として知られている血管のこの機能的特性は、血管の健康の有用なインジケータであると考えられ、いくつかの神経conditioにおける用途を見出すことができる卒中3、痴呆4、アテローム性動脈硬化症5、小血管疾患6、脳腫瘍7、モヤモヤ病8、および薬物中毒9ナノ秒。生理学および麻酔の文献で は( 例えば、CO 2の少量の吸入)が血管反応10-13を監視しながら、動脈血CO 2レベルを変化させることにより、CO 2ガスは、強力な血管拡張剤であるため、CVRを評価することができることが知られている。イメージングと放射線医学分野では、MRIを用いCVRマッピングが急速に多くの基本的な科学者や臨床医8,14-19ための関心の新しいマーカーとして浮上している。これは通常、多くの血管応答は血管作動性チャレンジによって誘導されるかを調べることによって推定される。しかし、実験プロトコルのガス送出システムと標準化における技術的な進歩が必要とされている。 MRIスキャナ内部の対象に特別なガス混合物を提供することは些細な、特別な考慮事項はありませんMRI対応設計のために必要とされる。特別な考慮事項は、MRI互換のガス供給システムを設計する際に必要とされる。これらの特別な考慮事項は、1)すべてのコンポーネントは、(金属はMRI内では使用できません)、非金属でなければなりません。 2)システムは、MRIシステムとそのヘッドコイルが許可されていることを小さな空間内で動作するはずです。 MRIスキャナは、必要に応じ3)システムが無い不快感、座っするのではなく)(横たわっダウン位置で動作するはずです。 4)そのような呼気終末CO2(EtCO2の、動脈血中のCO2含有量の近似値)と動脈血酸素飽和度などの関連する生理学的パラメータは、タイミング精度を秒で正確に記録し、分析用にコンピュータに保存されるべきである。これらの問題は、CVRマッピングの適用範囲を制限することができる。
本稿では、被験者がMRIスキャナの内側に横たわっている間インスピレーションガスの含有を変調するために総合的なガス供給システムを使用して実験プロトコルを提示した。私達このアプローチをる、研究者は、非侵襲的に最小限の不快感やバルク運動に参加者に血管作動性刺激を適用することができます。生理的パラメータおよびMRI画像は、室内空気と高炭酸ガス呼吸の交互ブロック(ブロックあたり1分)から構成されていた約9分の全期間、中に記録された。代表的な結果を提示されている。潜在的な用途と制限事項が説明されています。
このレポートでは、MR-互換性のあるガス供給システムと、人間の脳内の血管反応性のマッピングを可能にする総合的な実験プロトコルを発表した。ガス送出システムの概略図を図1に示されている。MRIスキャナ室内のすべての部品は、プラスチック、それらのMRI適合性を確保するためである。システムは、概念的に、ガス吸気サブシステム(袋、送達チューブ、二方弁)、呼吸インターフェイスサブシステム(ノーズクリップ、マウスピース、U字管)を含む三つのサブシステムに分割することができ、かつ監視サブシステム(CO 2濃度、酸素飽和度、心拍数、呼吸数)。ガス吸気サブシステムは、ガスは二方弁に到達するために吸入することを可能にする。空気を吸入するが、呼気だけでなく、このサブシステムを通って流れることになる。呼吸インターフェイスサブシステムは、被験者が意図したガスにして息を吐き出すことができます。両方の吸入及び呼気ガスは、このサブシステムを通って流れることになる。 monitoringのサブシステムは、したがって、呼吸インターフェイスサブシステムに沿った点でガスをサンプリングする必要がある。
この技術の臨床応用は、脳卒中、アテローム性動脈硬化症、モヤモヤ病、血管性認知症、多発性硬化症、脳腫瘍などの神経疾患、脳血管予備の評価を含むことができる。技術はまた、神経活動23,24をよりよく定量化するためのfMRI信号を正規化または較正するための機能的MRI研究に使用することができる。
提案されたシステムおよび実験プロトコルの重要な特徴は、最小限の動きまたは不快感を引き起こしながら、ガス混合物は、被験体に送達することができることである。したがって、U字管(商品番号12)は(それの端部に接続口金)が自然に被験者の口の中に下向きに収まるように配置することが重要である。この方法は、被験体は、保持またはマウスピースを支持するために彼の顔の筋肉を使用する必要がない。また、インポートされ対象は、マウスピースが自分の口の中にある間に話をすることができなくなりますので注意してくださいするにはアリ。そのため、研究者は質問のトーンを有する対象に話を避けるべきである。その代わりに、唯一の明確な、決定的な命令が与えられるべきである。さらに、研究者は、実験の全過程の間、生理的パラメータ( 例えば、ETCO 2、SO 2、心拍数、呼吸数)に細心の注意を払う必要がありますし、1または生理的パラメータの複数が典型的な範囲外に逸脱したときに迅速に対応。
文献で 使用される他のガス送達システムの徹底的な調査は、この記事の範囲を超えているが、それは少数の一般的に使用されるもの17,18に現在のシステムを比較することが有用です。主な違いは、私たちのシステムは他のほとんどのシステムがデザインのマスクを使用しているが意図されたガスを提供するためにマウスピースを使用していることです。マスクを使用することの潜在的な合併症は、2つの折り目である。まず、マスクoをスペースのかなりの量をccupies、それは常に多くの科目のために、彼らの鼻がほとんどであってもマスクなしヘッドコイルに触れるだろう、ことを考えると、ヘッドコイルの内側にタイトな空間にマスクをフィットすることが実現可能ではないかもしれません。これは、特に、通常、被検者の頭部にしっかりとフィットするように設計された高感度を達成するために意図された頭部コイルの場合である。マスク設計に関連する第合併症は、吸入及び吐き出されたガスの実質的な混合をもたらすマスク内部に大きなスペースがあることである。したがって、理想的に吐き出されたガスのみに基づくべきであるのEtCO 2の測定の精度に影響を及ぼす可能性がある。正確のEtCO 2は CVRマップの信頼性にとって重要なことは勿論である。他の多くのシステムと比較して我々のシステムのもう一つの大きな違いは、私たちのシステムは、バッグの代わりに、ガソリンタンクからガスを提供することである。したがって、タンクが続きで貴重なスペースを節約し、スキャナ領域に必要とされない MRIスイートのROL室。我々の設計では、スキャン開始前にバッグを持参し、スキャン後に、バッグは、空に折り畳まれ、そして片付ける。最後に、いくつかの他のシステム18,21に比べて、現在のガス送達システムは単純であり、より少ないトレーニング時間を必要とし、その消耗品が安価である。
なお、このレポートに記載のプロトコルは、主に、CO 2吸入に焦点を当ててきた提示ガス送達システムは他のガス混合物( 例えば、O 2、CO 2の任意の画分のいずれかの画分の送達を可能にする、任意のが、ことを指摘すべきであるsは/彼はMRIスキャナーの中に横たわっている間に彼らが呼吸するためにヒトにN 2、およびそれらの組み合わせ)の割合。一つには、脳波図(EEG)、磁図(MEG)、ポジトロン放出断層撮影(PET)、または最適なイメージングに関連して、例えば、MRIのコンテキストの外部ガス送出システムを使用することができる。
撮像パラメータの推奨を提供する場合_content ">は、主にBOLDシーケンスに焦点を当てている。潜在的にCVRのマッピングに使用することができる他の配列は、動脈スピンラベリング脳血流(CBF)の定量的尺度を提供する(ASL)MRI、ある生理学的な単位(毎分100gの組織当たりミリリットルの血液)であるため、ASLベースCVRマッピングの利点は、血流の組み合わせ効果を反映BOLD信号とは異なり、結果は解釈が容易であることで、血液量、ならびにCO 2のチャレンジ25-27中の脳代謝の変化の可能性の寄与であるが、ASL法の制限は、その感度がBOLD 28のそれよりも数倍低いことである。その結果、我々の経験は、現時点では、それがあることであるASLを使用して、個々のレベル、ボクセルCVRマップを得るために非常に挑戦的であるため、CVRの応用研究のために、我々は、主にBOLDシーケンスを使用し、ひいてはのouこの技術に焦点を当てるR勧告。本発明の方法の1つの制限は、(ノーズクリップによって)ブロックされた鼻とマウスピースを介して呼吸が完全に自然ではなく、一部の被験者(特に、患者が)不快感の源としてこれを認識することができることである。マウスピースと鼻クリップで呼吸することも閉所恐怖症感を悪化させる可能性がある。さらに、対象は、原因だけ口で呼吸に口渇が発生する可能性があります。したがって、研究者が迅速に実験を完了するために彼のベストを尽くすことをお勧めします。最後に、著者の経験に基づいて、上記の潜在的な不快感が一時的であるとすぐ実験が終了すると消えます、ことに注意することが重要です。
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 |