Summary

MRI Kartläggning av Cerebrovaskulär reaktivitet via Gas Inandning Utmaningar

Published: December 17, 2014
doi:

Summary

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).

Abstract

Hjärnan är ett rumsligt heterogena och tidsmässigt dynamisk orgel, med olika regioner som kräver olika mängd blodtillförsel vid olika tider. Därför förmåga blodkärlen att vidgas eller tygla, känd som Cerebral-Vascular-reaktivitet (CVR), är ett viktigt område av vaskulär funktion. En bildmarkör som representerar denna dynamiska egenskapen kommer att ge ny information om cerebrala fartyg under normala och sjuka tillstånd såsom stroke, demens, åderförkalkning, små kärlsjukdomar, hjärntumör, traumatisk hjärnskada, och multipel skleros. För att utföra denna typ av mätning i människor, är det nödvändigt att leverera en vasoaktiv retning såsom CO2 och / eller O2 gasblandning medan kvantitativ hjärnan magnetresonansbilder (MRI) samlas in. I detta arbete presenterade vi en MR-kompatibel gas-leveranssystem och tillhörande protokoll som gör det möjligt att leverera special gasblandningar (t.ex. </em> O 2, CO 2, N 2, och deras kombinationer) medan motivet är beläget på insidan av MRI-scanner. Detta system är relativt enkel, ekonomisk och lätt att använda, och den experimentella protokollet medger noggrann kartläggning av CVR hos både friska frivilliga och patienter med neurologiska sjukdomar. Detta tillvägagångssätt har potential att användas i breda kliniska tillämpningar och bättre förståelse av hjärnans kärl patofysiologi. I videon visar vi hur du ställer in systemet inuti en MRT-rummet och hur du utför en fullständig experiment på en människa deltagare.

Introduction

Hjärnan utgör ungefär 2% av den totala kroppsvikten, men med cirka 20% av den totala energi 1. Inte överraskande, är tillräckliga och noggrant reglerad blodtillförsel kritisk för att möta denna höga efterfrågan på energi och för hjärnan att fungera korrekt. Dessutom är hjärnan ett spatialt heterogen och tidsmässigt dynamisk orgel, med olika regioner som kräver olika mängd blodtillförsel vid olika tider. Därför, dynamisk modulering av blodtillförsel utgör ett viktigt krav i human hjärncirkulation. Lyckligtvis är det känt att blodkärlen är inte bara styva rör och att en viktig funktion hos blodkärlet är att vidga och tygla baseras på efterfrågan av hjärnan och fysiologiska förhållanden 2.

Denna funktionella egenskap av fartyget, som kallas Cerebral-Vascular-reaktivitet (CVR), tros vara en användbar indictor av vaskulär hälsa och kan finna tillämpningar i flera neurologiska conditions såsom stroke 3, demens 4, åderförkalkning 5, små kärlsjukdomar 6, hjärntumör 7, Moyamoyasjukdom 8, och narkotikamissbruk 9. I fysiologi och anestesiologi litteratur, är det känt att, eftersom CO2 gas är en potent vasodilaterande, kan CVR bedömas genom att ändra arteriella CO2-nivå (t.ex. inandning av en liten mängd CO2) under övervakning vaskulära reaktioner 10-13 . I bild och radiologi fält är CVR kartläggning med MRT snabbt fram som en ny markör av intresse för många grundforskare och kliniker 8,14-19. Det brukar uppskattas genom att undersöka hur mycket vaskulär respons induceras av en vasoaktiv utmaning. Det finns emellertid ett behov av tekniska framsteg inom gastillförselsystemet och standardisering av försöksprotokollet. Leverera speciell gasblandning till ett ämne inuti magnetkamera är inte triviala och särskilda övervägandenkrävs för en MR-kompatibel design. Särskilda överväganden krävs utforma MRI-kompatibla gas leveranssystem. Dessa särskilda överväganden är: 1) alla komponenter måste vara icke-metalliska (metall kan inte användas inuti MRI); 2) Systemet bör arbeta inom ett litet utrymme att MRI-systemet och dess huvud pole tillåter; 3) Systemet bör arbeta med en liggande ställning (som magnetkamera kräver) istället för att sitta upp, utan obehag; 4) relevanta fysiologiska parametrar, såsom endtidalt CO2 (EtCO2, en approximation av CO2-halten i det arteriella blodet) och arteriell syremättnad, bör registreras noggrant med sekunder av timing noggrannhet och lagras på en dator för analys bruk. Dessa frågor kan begränsa omfattningen av tillämpningar av CVR kartläggning.

I denna rapport presenterade vi ett experimentellt protokoll som använder en heltäckande gas leveranssystem för att modulera innehåll inspirerade gasen medan motivet ligger inne i magnetkamera. Ossing detta tillvägagångssätt, kan forskaren icke-invasivt tillämpa en vasoaktivt stimulans till deltagaren med minsta möjliga obehag eller bulk rörelse. Fysiologiska parametrar och MRI-bilder registrerades under hela perioden på cirka 9 minuter, som bestod av alternerande block (1 min per block) av rumsluft och hypercapnic gas andning. Representativa resultat presenteras. Potentiella tillämpningar och begränsningar diskuteras.

Protocol

OBS: Protokollet godkändes av University of Texas Southwestern Medical Center Institutional Review Board. 1. Diagram över Gas Delivery System och förberedelsesteg innan Experiment Granska diagrammet i gastillförselsystemet (Figur 1). Fyll en 200 L Douglas bag (Post # 1) med en gasblandning medicinsk kvalitet innehållande 5% CO2, 21% O2 och 74% N2. Placera två membran (punkt 4 #) på tvåvägs icke återandningsventil (punkt 3 #) för att säkerställa ett sätt gasflöde. Ta detta monterade tvåvägsventil och den gasfyllda Douglas bag (Post # 1) i magnetrummet. Anslut gastillförselrör (Item # 7) till ingångsänden av tvåvägsventilen (pos 3 #). Fäst gastillförselrör (Item # 7) till sidan av huvudet spole för viktavlastning. Anslut den andra änden av gastillförselrör (Item # 7) till den gasfyllda Douglaspåse (Post # 1). Anslut munstycket (Post # 5) till U-form röret (Post # 12) via en armbåge-kontakt (Post # 13 med gas provtagningsport förseglad). Anslut gas-samplings slang (Post # 9) till U-form rör (Item # 12) via en annan vinklad-kontakt (Item # 13). Anslut en liten luftfiltret (pos # 11) till den andra änden av den gas-samplings slang (punkt 9 #). Anslut den andra änden av luftfiltret (Post # 11) till CO2 (Post # 14) övervaka. I kontrollrummet av MRT-rummet, slå på CO2 (Post # 14) och pulsoximetri (Post # 15) monitorer. Utför en automatisk kalibrering för CO2-monitorn. Anslut bildskärmarna till en bärbar dator med hjälp av USB-portar. Öppna Hyper programvara som kommunicerar med monitorerna. Synkronisera kontrollanternas gånger med en timer genom att skriva ner timertiden och motsvarande övervakar "tider. Skillnaderna i timertiden och övervakar "tider kommer att redovisas i uppgifter probearbetning (steg 4.4). Sätt ena änden av en signalerings bar i en vågledare, så att ena änden av baren är inne i magnetrummet och den andra änden är i kontrollrummet. OBS: Baren signalering används för att meddela forskaren inne i magnetrummet under genomsökningen vid byte av trevägsventilen (Post # 2) behövs. 2. Förfaranden under experimentet Be motivet att ligga på MRI bordet men inte sätta honom / henne i magnetöppningen ännu. Instruera förutsättning att trycka på knappen sjuksköterskan-samtal om de känner obehag under genomsökningen. Be motivet att torka hans / hennes näsa med en bit av rengöring towelette att avlägsna eventuella fett. Instruera förutsättning att andas genom munnen och att skapa och upprätthålla en andningsrytm. Applicera sedan en näsklämma (Post # 6) i ämnet. Anslut den öppna änden av den U-formade röret (Item # 12) till mitten porten på tvåvägsventilen (pos 3 #) via elbåge kontakt (Post # 13). Placera försiktigt munstycket in i ämnet mun så att motivet kan andas genom munstycket. Fästa fingersensor av pulsoximetri (Item # 15) till fingerspetsen ämnet försiktigt. Försäkra att chefen för motivet är i iso-mitten av huvudet polen. Använd MRI bordet för att placera honom / henne i magnetöppningen. Se till att en forskare stannar inne i magnetrummet för att övervaka ämnet och vara beredd att byta trevägsventilen på Douglas påsen (Post # 1). Se till att forskaren bär öronproppar och ett headset för att blockera MRI buller. Stäng magnetrummet dörren och, i kontrollrummet, kontrollera EtCO 2 och arteriell syremättnad fraktion (SO2) parametrar som visas på CO2 (Post # 14) och pulsoximetri (Post # 15) monitorer. Starta inspelningen av parametrarna på den bärbara datorn. Instruera MRI operatören att börja skanna med hjälpBlod-Syresättning-nivåberoende (BOLD) sekvens. För 3T magnetkamera, de BOLD avbildning parametrar är: TR / TE = 1,500 / 30 ms, flip vinkel = 60 °, synfält = 220 x 220 mm 2, matris = 64 x 64, 29 skivor, tjocklek = 5 mm, något mellanrum mellan skivor, 361 volymer. Granska en pre-förberedd ark som tidpunkten för ventilomkopplings listas och försiktigt svänga signalerfältet när det behövs en switch. Var uppmärksam på patientens fysiologi, inklusive hjärtfrekvens, SO2, och EtCO 2. Nu, inne i magnetrummet, slå på Douglas påsen (Post # 1) bygger på rörelse signaler bar som kontrollerar den typ av gas som ämnet inspirerar. Fortsätt denna procedur för längden på studien. Under 9 min bildperiod, se till att ventilen omkoppling sker ungefär en gång varje minut. Observera att tidpunkten för övergången inte behöver vara exakt exakt, så länge EtCO2 tidsförloppet registreras. <br /> OBS: Om motivet trycker på knappen sjuksköterskan-samtal under genomsökningen, kommer skann avbryts och motivet kommer att flyttas ut från magnetöppningen omedelbart. Forskaren kommer att ta bort munstycket och näsklämma från motivet. Använd intercom att meddela motivet att sökningen är klar. Dra MRI tabell ut. Ta försiktigt bort näsklämma och munstycket från motivet samtidigt som rengöringsservett till ämnet för att torka bort saliv. Ta försiktigt bort fingersensor för pulsoximetri från motivet. Ämnet kan sedan sitta upp och gå av MR bordet. 3. Saneringsprocedurer efter försöket Kasta gasprovtagningsledningen slangen (punkt 9 #), luftfiltret (Post # 11), språkrör (Post # 5) och näsklämma (punkt 6 #). Rengör återanvändbara komponenter. Koppla bort tvåvägsventil (Post # 3) från de andra komponenterna och ta membranen (Post # 4) från ventilen. Blötlägg tvåvägsventil (punkt 3 #), membran (punkt 4 #) och U-form röret (Post # 12) i en koncentrerad fosfatfritt desinfektionsmedel, som innehåller tensider såsom Bacdown rengöringsmedel desinfektionsmedel i en behållare för 20 min. Utspädningsfaktorn för tvättmedels desinfektionsmedel och destillerat vatten är 1:64. Skölj poster som beskrivs i 3.2 noggrant med destillerat vatten. Torka U-formen rör (Item # 12) med tryckluft. Placera tvåvägsventil (Post # 3) och membran (punkt 4 #) på en tydlig bänkskiva och låt dem torka naturligt och helt. Töm Douglas påsen. Lägg bort signalfältet och grå röret. 4. Dataanalys att beräkna CVR Karta Spara MRI data i Dicom filformat eller någon annan leverantör specifika format. Överföra data till ett labb dator och omvandla data till volym genom volymfilen serien, där varje fil innehåller en 3D-volym (t.ex. BOLD bild) motsvarande en tidpunkt. Pre-process bilddata. Utför bildförbehandlingssteg inklusive omläggning, normalisering och utjämning med ett skript som anropar biblioteksfunktioner som tillhandahålls av programvaran statistiska Parametrisk Mapping (SPM). Se kompletterande kod fil 1 för ett exempel på Matlab-skript. Använd ett skript att läsa CO2 inspelningen, korrigera provtagningsslangen fördröjningen genom att flytta tidsförloppet av en förkalibrerad belopp (t.ex. 12 sek i denna installation som bestäms som tidsskillnaden mellan ett andetag till munstycket och utseende som andas på CO2 inspelning), och extrahera EtCO2 som är kuvertet (positiva toppar) av rå tidsserier. Se kompletterande kod fil 2 för Matlab manus. Baserat på synkroniserings timer, att segmentera EtCO 2-data håller bara inspelningen från 25 sek före den första bilden förvärvet till 100 sekunder efter den sista bilden förvärvet. Den EtCO 2 tidsförloppet äringångsfunktionen till vaskulaturen och används som oberoende variabel i den senare beskrivna linjär regressionsanalys. Identifiera den fysiologiska fördröjningen mellan EtCO 2 (mätt i lunga) och MRI-signalen (mätt i hjärnan) genom att beräkna korskorrelationskoefficienten (CC) mellan dessa två tidsförlopp vid varierande tidsförskjutningar. Skift värde som ger högre CC anses vara den optimala tiden. Den EtCO 2 tidsförloppet skiftas med optimal fördröjning och endast de tidpunkter som matchar de av MRI-signalen bevaras, vilket resulterar i en tidsserie som är av samma längd som MRI-signalen. Genomföra en voxel-för-voxel linjär regression med hjälp SPM där skiftade EtCO2 tidsförloppet är den oberoende variabeln och signalen tidsförloppet MRT är den beroende variabeln. Beräkna voxel-för-voxel karta över CVR där (i, j, k) är tHan voxel index är β1 regressionskoefficienten förknippas med EtCO2 och β0 är regressionskoefficienten förknippad med den konstanta termen. min (EtCO 2) är det minsta värdet av EtCO 2 i tidsförloppet.

Representative Results

Två typer av data samlas in med det föreslagna protokollet, fysiologiska inspelningar och MR-bilder. Figurerna 2 och 3 visar inspelningar av fysiologiska parametrar från ett representativt ämne. Svart spår i Figur 2 visar CO2 tids kurs registreras av CO2-monitorn, som representerar CO2 halten i luft provtas nära munstycket. Observera att detta spår fluktuerar snabbt som en funktion av tiden. Detta beror på att, under inandningsfasen av andningscykeln, avspeglar denna inspelning CO 2-halten i inandas luft och, under utandningsfasen, avspeglar denna inspelning CO 2-halten i utandningsluften. Som sådan, den övre toppen av varje andningscykel, kallad slut-tidal CO2 eller EtCO 2, representerar CO 2-halten i lunga, vilket kan approximativt användas som CO 2 koncentrationen i det arteriella blodet. Note: tepå CO2-koncentrationen i det arteriella blodet är den drivande kraften, dvs ingång, av vasodilaterande svar. Topparna i CO2 trace (röd kurva i figur 2) var avgränsad med en detekteringsalgoritm som söker efter toppen under varje andetag, i kombination med manuell kontroll och korrigering. Detta följdes av ett medianfiltrering för att avlägsna abrupta toppar på grund av partiell andetag och stå för blodblandning under flödet från lung fartyg till cerebrala kärl. Den slutliga EtCO 2 tidsförloppet visas av den gröna kurvan i figur 2 och används vid beräkning av CVR. Figur 3 visar tidsförloppet av andningsfrekvens, arteriell syremättnad fraktion (SO2), och hjärtfrekvens. Den andningsfrekvens erhålls från CO2-skärmen medan SO2 och hjärtfrekvens erhålls från pulsoximetri. Som kan vara seen, dessa parametrar visar inte en systematisk förändring med hyperkapni utmaningen. Observera att hyperkapni orsakar hyperventilation i ämnet, alltså O2 partialtrycket i lungan ökar blygsamt. Dock är dess inverkan på SO2 minimal eftersom blod hemoglobin till stor del redan mättad vid rums andas och syre dissociation kurvan är ganska platt inom det intervallet. Figur 4 visar representativa BOLD MR-bilder vid olika tid av experimentet. Den genomsnittliga signalintensiteten (i godtyckliga MR-enheter) visas också. Det kan ses att den BOLD signal i hjärnan visar en ökning med CO 2 inandning. Notera att signalen skillnaden mellan rums-luft och CO 2 perioder är i storleksordningen 1-3% i amplitud. Kombinera data från fysiologiska inspelningar och MR-bilder, kan en voxel-för-voxel CVR kartan beräknas. Figur 5 visar representativaKartor CVR (i enheter av% signaländring per mmHg CO2 förändring) hos en frisk ämne skannas på fem olika dagar, visar en utmärkt reproducerbarhet av resultaten. Den föreslagna tekniken har hittills använts i studier av åldrande 20, Alzheimers sjukdom 4, multipel skleros 21, och träning 22. Figur 1. Diagram över gastillförselsystemet. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Figur 2. CO2 tidsförloppet från ett representativt ämne during experimentet. Segment av andetag för andetag CO2 halt spår den som registrerats av CO2-monitorn visas för rumsluft andningsperiod (nere till vänster) och 5% CO2 inhalation period (nere till höger). Extraherade EtCO 2 tidsförlopp visas i färgade kurvor. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Figur 3. Inspelad fysiologi parametrar från ett representativt ämne under experimentet. (A) Andningshastighet (bpm, andetag per minut) tidsförloppet i ämnet. (B) SO 2 (%) tidsförloppet av ämnet. (C) Hjärta hastighet (bpm, slå per minut) tidsförloppet av ämnet. Ämnet är samma som den i figur 1. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Figur 4. Representativa BOLD MR-bilder vid olika tidpunkter av experimentet. Genomsnittlig signalintensiteter av den visade hjärnan skiva (axiell skiva # 54 i MNI rymden) är visade i nedre raden. Klicka här för att se en större version av denna siffra. Figur 5. Representant CVR karta från en representativ ämne..jove.com / filer / ftp_upload / 52306 / 52306fig5large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Rapporten presenteras en MR-kompatibel gas leveranssystem och en omfattande försöksprotokoll som möjliggör kartläggning av vaskulär reaktivitet i den mänskliga hjärnan. Ett diagram av gastillförselsystemet illustreras i figur 1. Alla delar inuti magnetkamera rummet är plast för att säkerställa deras MR-kompatibilitet. Systemet kan begreppsmässigt delas in i tre delsystem, inklusive ett gasintaget subsystem (påse, tillförselrör, tvåvägsventil), en andningsgränssnitts subsystem (näsklämma, munstycke, U-form rör), och en övervakningsundersystem (CO 2 koncentration, syremättnad, hjärtfrekvens, andningshastighet). Vid gasintaget undersystemet gör att gasen som skall inhaleras för att nå tvåvägsventil. Endast inandningsluften, men inte utandningsluft, kommer att strömma genom detta delsystem. Andnings gränssnittet undersystemet gör att motivet att andas in och ut den avsedda gasen. Både inandad och utandad gas kommer att strömma genom denna undersystemet. Den monitoring delsystem bör därför ta prov på gasen vid en punkt längs andnings gränssnittet delsystem.

Kliniska tillämpningar av denna teknik kan innefatta utvärderingar av hjärnans vaskulära reserv i neurologiska sjukdomar såsom stroke, ateroskleros, Moyamoyasjukdom, vaskulär demens, multipel skleros, och hjärntumör. Tekniken kan också användas i funktionella MRI-studier för att normalisera eller kalibrera fMRI signalen för en bättre kvantifiering av neural aktivitet 23,24.

Ett viktigt inslag i det föreslagna systemet och försöksprotokollet är att gasblandningen kan levereras till ämnet samtidigt som de orsakar minsta rörelse eller obehag. Därför är det viktigt att placera U-form röret (Post # 12) så att den (och munstycket är ansluten till slutet av det) faller naturligt nedåt i ämnet mun. På så sätt behöver ämnet inte behöver använda sin ansiktsmuskel att hålla eller stödja munstycket. Det är också importeraant att vara medveten om att ämnet inte kommer att kunna prata medan munstycket är i deras mun. Därför bör forskaren undvika att prata med motivet med en fråga ston. I stället bör endast tydliga, definitiva instruktioner ges. Dessutom bör en forskare ägna stor uppmärksamhet åt de fysiologiska parametrar (t.ex. EtCO 2, SO2, hjärtfrekvens, andningsfrekvens) under hela loppet av experimentet och svara snabbt när en eller flera av de fysiologiska parametrar avviker utanför det typiska området .

Medan en uttömmande undersökning av andra gas leveranssystem som används i litteraturen är utanför ramen för denna artikel, är det bra att jämföra det nuvarande systemet till ett fåtal som vanligen används och kära 17,18. En stor skillnad är att vårt system använder ett munstycke för att leverera den avsedda gasen medan de flesta andra system har använt en mask i design. De potentiella komplikationer med att använda en mask är två veck. Först, en mask occupies en betydande mängd utrymme, och det kanske inte alltid är möjligt att passa masken in i snäva utrymmet inuti huvudspole, med tanke på att, för många individer, skulle deras näsor nästan röra huvudet polen även utan en mask. Detta gäller särskilt för huvud spolar avsedda att uppnå hög känslighet, som vanligtvis är utformade för att passa tätt till ämnet huvud. En andra komplikation associerad med en maskdesign är att det finns stort utrymme inuti masken vilket resulterar i avsevärd blandning av inandad och utandad gas. Följaktligen kunde det påverka noggrannheten i mätningen av EtCO 2, som i idealfallet bör baseras på enbart utandad gas. Exakt EtCO 2 är naturligtvis viktigt för tillförlitligheten i CVR kartan. En annan stor skillnad i vårt system i jämförelse med många andra system är att vårt system levererar gasen från en påse i stället för en gastank. Därför tankar inte behövs i scannern området, vilket sparar värdefullt utrymme i forts rol rum i en MR svit. I vår design, föra vi säcken innan skann och efter skann är påsen töms, vikas och lägga undan. Slutligen, jämfört med flera andra system 18,21, den nuvarande gastillförselsystem är enklare, kräver mindre utbildning tid, och dess förbruknings är billigare.

Det bör påpekas att även om det protokoll som presenteras i denna rapport har främst fokuserat på CO2 inhalation, tillåter presenterade gastillförselsystemet leverans av andra gasblandningar (t.ex. någon fraktion av O 2, varje fraktion av CO2, något fraktion av N 2, och deras kombination) till en människa för dem att andas medan han / hon ligger inne i MR scanner. Man kan också använda gastillförselsystemet utanför ramen för MRI, exempelvis i samband med elektroencefalogram (EEG), magnetoencephalogram (MEG), positronemissionstomografi (PET) eller optimal avbildning.

_content "> När ger en rekommendation av avbildningsparametrar, vi har främst fokuserat på BOLD sekvens. En annan sekvens som kan potentiellt användas i CVR kartläggning är Arteriell Spin Labeling (ASL) MRT, vilket ger ett kvantitativt mått på cerebralt blodflöde (CBF) i fysiologiska enheter (ml blod per 100 g vävnad per minut). Därför är fördelen med ASL baserade CVR kartläggning att resultaten är lättare att tolka, till skillnad BOLD signal som återspeglar en kombinerad effekt av blodflöde, blodvolym samt eventuella bidrag av hjärnans metaboliska förändringar under CO2 utmaning 25-27. Dock är en begränsning av ASL teknik som dess känslighet är flera veck lägre än för BOLD 28. Som ett resultat, är vår erfarenhet att det för närvarande är det mycket utmanande att få en individuell nivå, voxel-för-voxel CVR kartan med hjälp ASL. Därför, för applikationsstudier av CVR, använder vi främst BOLD sekvens och därmed också att fokusera på denna teknik i our rekommendationer.

En begränsning av den nuvarande metoden är att andas genom ett munstycke med näsan blockeras (med en näsklämma) är inte helt naturligt och vissa ämnen (särskilt patienter) kan uppfatta detta som en källa till obehag. Andas med munstycket och näsklämma kan också förvärra känslan av klaustrofobi. Dessutom kan ämnet uppleva muntorrhet pga andas med bara munnen. Därför rekommenderas det att forskaren försöker sitt bästa för att slutföra experimentet snabbt. Slutligen är det viktigt att notera att, baserat på författarnas erfarenhet, är övergående den potentiellt obehag nämnts ovan och kommer att försvinna så fort experimentet är slut.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

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

Riferimenti

  1. Attwell, D., Laughlin, S. B. An energy budget for signaling in the grey matter of the brain. J Cereb Blood Flow Metab. 21 (10), 1133-1145 (2001).
  2. Kety, S. S., Schmidt, C. F. The Effects of Altered Arterial Tensions of Carbon Dioxide and Oxygen on Cerebral Blood Flow and Cerebral Oxygen Consumption of Normal Young Men. J Clin Invest. 27 (4), 484-492 (1948).
  3. Krainik, A., Hund-Georgiadis, M., Zysset, S., von Cramon, D. Y. Regional impairment of cerebrovascular reactivity and BOLD signal in adults after stroke. Stroke. 36 (6), 1146-1152 (2005).
  4. Yezhuvath, U. S., et al. Forebrain-dominant deficit in cerebrovascular reactivity in Alzheimer’s disease. Neurobiol Aging. 33 (1), 75-82 (2012).
  5. Mandell, D. M., et al. Mapping cerebrovascular reactivity using blood oxygen level-dependent MRI in Patients with arterial steno-occlusive disease: comparison with arterial spin labeling MRI. Stroke. 39 (7), 2021-2028 (2008).
  6. Greenberg, S. M. Small vessels, big problems. N Engl J Med. 354 (14), 1451-1453 (2006).
  7. Hsu, Y. Y., et al. Blood oxygenation level-dependent MRI of cerebral gliomas during breath holding. J Magn Reson Imaging. 19 (2), 160-167 (2004).
  8. Mikulis, D. J., et al. Preoperative and postoperative mapping of cerebrovascular reactivity in moyamoya disease by using blood oxygen level-dependent magnetic resonance imaging. J Neurosurg. 103 (2), 347-355 (2005).
  9. Han, J. S., et al. BOLD-MRI cerebrovascular reactivity findings in cocaine-induced cerebral vasculitis. Nat Clin Pract Neurol. 4 (11), 628-632 (2008).
  10. Ellingsen, I., Hauge, A., Nicolaysen, G., Thoresen, M., Walloe, L. Changes in human cerebral blood flow due to step changes in PAO2 and PACO2. Acta Physiol Scand. 129 (2), 157-163 (1987).
  11. Ide, K., Eliasziw, M., Poulin, M. J. Relationship between middle cerebral artery blood velocity and end-tidal PCO2 in the hypocapnic-hypercapnic range in humans. J Appl Physiol (1985). 95 (1), 129-137 (2003).
  12. Xie, A., et al. Cerebrovascular response to carbon dioxide in patients with congestive heart failure. Am J Respir Crit Care Med. 172 (3), 371-378 (2005).
  13. Rostrup, E., et al. Regional differences in the CBF and BOLD responses to hypercapnia: a combined PET and fMRI study. Neuroimage. 11 (2), 87-97 (2000).
  14. Zande, F. H., Hofman, P. A., Backes, W. H. Mapping hypercapnia-induced cerebrovascular reactivity using BOLD MRI. Neuroradiology. 47 (2), 114-120 (2005).
  15. Kastrup, A., Kruger, G., Neumann-Haefelin, T., Moseley, M. E. Assessment of cerebrovascular reactivity with functional magnetic resonance imaging comparison of CO(2) and breath holding. Magn Reson Imaging. 19 (1), 13-20 (2001).
  16. Bright, M. G., Donahue, M. J., Duyn, J. H., Jezzard, P., Bulte, D. P. The effect of basal vasodilation on hypercapnic and hypocapnic reactivity measured using magnetic resonance imaging. J Cereb Blood Flow Metab. 31 (2), 426-438 (2011).
  17. Slessarev, M., et al. Prospective targeting and control of end-tidal CO2 and O2 concentrations. J Physiol. 581 (3), 1207-1219 (2007).
  18. Wise, R. G., et al. Dynamic forcing of end-tidal carbon dioxide and oxygen applied to functional magnetic resonance imaging). J Cereb Blood Flow Metab. 27 (8), 1521-1532 (2007).
  19. Yezhuvath, U. S., Lewis-Amezcua, K., Varghese, R., Xiao, G., Lu, H. On the assessment of cerebrovascular reactivity using hypercapnia. BOLD MRI. NMR Biomed. 22 (7), 779-786 (2009).
  20. Lu, H., et al. Alterations in cerebral metabolic rate and blood supply across the adult lifespan. Cereb Cortex. 21 (6), 1426-1434 (2011).
  21. Marshall, O., et al. Impaired cerebral vascular reactivity in multiple sclerosis measured with hypercapnia perfusion MRI. JAMA Neurology. In press, .
  22. Thomas, B. P., et al. Life-long aerobic exercise preserved baseline cerebral blood flow but reduced vascular reactivity to CO2. J Magn Reson Imaging. 38 (5), 1177-1183 (2013).
  23. Liu, P., et al. Age-related differences in memory-encoding fMRI responses after accounting for decline in vascular reactivity. Neuroimage. 78, 415-425 (2013).
  24. Liu, P., et al. A comparison of physiologic modulators of fMRI signals. Hum Brain Mapp. 34 (9), 2078-2088 (2013).
  25. Zappe, A. C., Uludag, K., Oeltermann, A., Ugurbil, K., Logothetis, N. K. The influence of moderate hypercapnia on neural activity in the anesthetized nonhuman primate. Cereb Cortex. 18 (11), 2666-2673 (2008).
  26. Xu, F., et al. The influence of carbon dioxide on brain activity and metabolism in conscious humans. J Cereb Blood Flow Metab. 31 (1), 58-67 (2011).
  27. Thesen, T., et al. Depression of cortical activity in humans by mild hypercapnia. Hum Brain Mapp. 33 (3), 715-726 (2012).
  28. Lu, H., Golay, X., Pekar, J. J., Van Zijl, P. C. Functional magnetic resonance imaging based on changes in vascular space occupancy. Magn Reson Med. 50 (2), 263-274 (2003).
check_url/it/52306?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Lu, H., Liu, P., Yezhuvath, U., Cheng, Y., Marshall, O., Ge, Y. MRI Mapping of Cerebrovascular Reactivity via Gas Inhalation Challenges. J. Vis. Exp. (94), e52306, doi:10.3791/52306 (2014).

View Video