Waiting
Elaborazione accesso...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

MRI מיפוי של כלי הדם במוח Reactivity באמצעות אתגרי משאיפת גז

Published: December 17, 2014 doi: 10.3791/52306
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 2
1Advanced Imaging Research Center, University of Texas Southwestern Medical Center, 2Center for Biomedical Imaging, Department of Radiology, New York University School of Medicine

Abstract

המוח הוא איבר במרחב ובזמן הטרוגנית דינמי, עם אזורים שונים דורשים כמות אספקת דם שונה בזמן שונה. לכן, היכולת של כלי הדם להתרחב או להתכווץ, הידוע בשם מוחין וכלי הדם-Reactivity (CVR), מייצגת תחום חשוב של תפקוד כלי דם. סמן הדמיה המייצג רכוש דינמי זה יספק מידע חדש של כלי מוחי בתנאים בריאים וחולים כגון שבץ מוחי, דמנציה, טרשת עורקים, מחלות כלי שיט קטנות, גידול במוח, פגיעה מוחית טראומטית, וטרשת נפוצה. כדי לבצע סוג זה של מדידה בבני אדם, יש צורך לספק גירוי vasoactive כגון CO 2 ו / או תערובת גז O 2 ואילו מוח כמותי תמונות בתהודה מגנטיות (MRI) הנאספות. בעבודה זו, שהצגנו מערכת MR תואמת גז-אספקה ​​והפרוטוקול קשור המאפשר המשלוח של תערובות גז מיוחד (למשל, 2, CO 2, N 2, והשילובים שלהם) ואילו הנושא שוכב בתוך סורק MRI. מערכת זו היא יחסית פשוטה, חסכונית, וקלה לשימוש, ופרוטוקול הניסוי מאפשר מיפוי מדויק של CVR בשני מתנדבים בריאים וחולים עם הפרעות נוירולוגיות. גישה זו יש הפוטנציאל לשמש ביישומים קליניים רחבים ובהבנה טובה יותר של כלי דם במוח הפתופיזיולוגיה. בסרטון, אנו מדגימים כיצד להגדיר את המערכת בתוך חבילת MRI וכיצד לבצע ניסוי מלא על משתתף אנושי.

Introduction

המוח מהווה כ -2% מכלל משקל הגוף, אך צורך כ -20% מכלל האנרגיה 1. שלא במפתיע, אספקת דם מספקת ומוסדרת בזהירות היא קריטית כדי לענות על ביקוש זה אנרגיה גבוהה ולמוח כדי לתפקד כראוי. יתר על כן, המוח הוא איבר במרחב ובזמן הטרוגנית דינמי, עם אזורים שונים דורשים כמות אספקת דם שונה בזמן שונה. לכן, אפנון דינמי של אספקת דם מייצג דרישה חשובה במחזור המוח אנושי. למרבה המזל, זה ידוע כי כלי דם אינם רק צינורות קשיחים ושהתפקיד חשוב של כלי דם הוא להתרחב ולהתכווץ מבוסס על הביקוש של המוח ותנאים פיסיולוגיים 2.

רכוש פונקציונלי זו של כלי השיט, הידוע בשם מוחין וכלי הדם-Reactivity (CVR), נחשב לindictor שימושי של בריאות כלי דם ועלול למצוא את היישומים בכמה conditio נוירולוגיותns כגון שבץ 3, 4 דמנציה, טרשת עורקים 5, מחלות כלי שיט קטנות 6, גידול במוח 7, מויה מויה 8, וסמי התמכרות 9. בפיזיולוגיה ובספרות הרדמה, ידוע כי, משום שגז CO 2 הוא vasodilator חזק, ניתן להעריך CVR על ידי שינוי CO 2 רמת עורקים (למשל, שאיפה של כמות קטנה של CO 2) תוך מעקב תגובות של כלי דם 10-13 . בתחום ההדמיה ורדיולוגיה, מיפוי CVR באמצעות MRI במהירות מתפתח כסמן חדש של עניין עבור רבים מדענים ורופאים 8,14-19 בסיסיים. בדרך כלל זה מוערך על ידי בחינה כמה תגובה של כלי דם נגרמת על ידי אתגר vasoactive. עם זאת, יש צורך בהתקדמות טכנית במערכת אספקת הגז וסטנדרטיזציה של פרוטוקול ניסוי. אספקת תערובת גז מיוחדת לנושא בתוך סורק MRI היא לא שיקולים של מה בכך ומיוחדיםנדרשים לעיצוב MRI תואם. שיקולים מיוחדים נדרשים בעיצוב מערכת אספקת גז MRI תואמת. שיקולים מיוחדים אלה כוללים: 1) כל הרכיבים חייבים להיות לא-מתכתיים (מתכת לא יכולה לשמש בתוך MRI); 2) המערכת צריכה לעבוד בתוך חלל קטן שמערכת MRI וסליל ראשה לאפשר; 3) המערכת צריכה לעבוד עם מצב של שכיבה (כמו סורק MRI דורש) במקום לשבת למעלה, ללא חוסר נוחות; 4) פרמטרים פיסיולוגיים רלוונטיים, כגון CO2 הסוף-גאות ושפל (EtCO2, קירוב של תוכן CO2 בדם העורקים) וריווי חמצן עורקים, יש לרשום בצורה מדויקת עם שניות של דיוק עיתוי ומאוחסנים במחשב לשימוש ניתוח. בעיות אלה עלולות להגביל את היקף היישומים של מיפוי CVR.

בדוח זה, שהצגנו פרוטוקול ניסוי שמשתמש במערכת אספקת הגז מקיפה לווסת את התוכן של גז השראה בעוד הנושא שוכב בתוך סורק MRI. שלנוing גישה זו, החוקר יכול הלא פולשני להחיל גירוי vasoactive למשתתף עם אי נוחות מינימאלית או תנועה בתפזורת. פרמטרים פיסיולוגיים ותמונות MRI נרשמו במהלך כל התקופה של כ -9 דקות, שהייתה מורכבות מלוקים לסירוגין (1 דקות לכל בלוק) של חדר-אוויר ונשימה גז hypercapnic. נציגי תוצאות מוצגות. יישומים ומגבלות פוטנציאליים הם דנו.

Protocol

הערה: הפרוטוקול אושר על ידי האוניברסיטה של ​​Institutional Review Board של המרכז הרפואי Southwestern טקסס.

1. תרשים של מערכת אספקת גז והכנת צעדים לפני הניסוי

  1. סקור את התרשים של מערכת אספקת הגז (איור 1). מלא (# 1 פריט) 200 תיק L דאגלס בתערובת גז בדרגה רפואית המכילה 5% CO 2, 21% O 2, ו -74% N 2.
  2. מניחים שתי דיאפרגמה (מס '4 פריט) בשסתום (פריט # 3) דו-כיווני rebreathing הלא-מנת להבטיח זרימת גז בכיוון אחד. להביא הסתום הזה התאסף דו-כיווני ושקית (# 1 פריט) דאגלס מלאי גז לחדר המגנט.
  3. חבר את צינור אספקת הגז (פריט מס '7) לסוף הקלט של השסתום דו-כיווני (פריט המס' 3). צרף את צינור אספקת הגז (פריט מס '7) לצד השני של סליל הראש לתמיכה במשקל. חבר את הקצה השני של צינור אספקת הגז (פריט מס '7) לדגלאס מלאי הגזתיק (פריט מס '1).
  4. חבר את השופר (פריט # 5) לצינור בצורת U (פריט # 12) באמצעות מרפק-מחבר (פריט # 13 בנמל דגימת גז אטום).
  5. חבר (פריט המס '9) צינורות דגימת הגז לצינור U-צורה (פריט # 12) דרך אחר מרפק-מחבר (פריט # 13).
  6. חבר אוויר מסנן קטן (פריט # 11) לקצה השני של צינור דגימת הגז (פריט 9 #). חבר את הקצה השני של מסנן האוויר (פריט # 11) לCO 2 (פריט # 14) לפקח.
  7. בחדר הבקרה של חבילת ה- MRI, להפעיל CO 2 (פריט # 14) והדופק oximetry (פריט # 15) צגים. לבצע כיול אוטומטי עבור צג CO 2.
  8. חבר את הצגים למחשב נייד באמצעות יציאות USB. פתח את התוכנה בהיפר שמתקשרת עם הצגים. לסנכרן 'פעמים עם טיימר על ידי כתב עת טיימר ומתאים צגים' הצגים פעמים. ההבדלים של זמן טיימר והזמנים 'הצגים יטופלו בפרו נתוניםcessing (שלב 4.4).
  9. הכנס קצה אחד של בר איתות למוליך גל, כך שקצה אחד של הבר הוא בתוך חדר המגנט ואת הקצה השני הוא בחדר הבקרה.
    הערה: בר האיתות משמשת להודיע ​​החוקר בתוך חדר המגנט במהלך הסריקה בעת מעבר של השסתום שלושה-כיווני (פריט # 2) יש צורך.

2. נהלים במהלך הניסוי

  1. שאל את הנושא לשכב על שולחן MRI אבל לא לשים אותו / אותה לשעמם המגנט עדיין. הדריכו את הנושא כדי ללחוץ על לחצן שיחת אחות-אם הם מרגישים אי נוחות במהלך הסריקה. שאל את הנושא כדי לנגב את אפה / שלו עם חתיכת ניקוי towelette כדי להסיר כל שומן.
  2. להורות לנושא לנשום דרך פה ולהקים ולקיים קצב נשימה. לאחר מכן להחיל קליפ האף (פריט מס '6) בנושא.
  3. חבר את הקצה הפתוח של הצינור בצורת U (פריט # 12) לנמל אמצע השסתום (פריט # 3) דו-כיווני באמצעות elמחבר קשת (פריט # 13).
  4. מניח בעדינות את הפיה לתוך פיו של הנושא, כך שהנושא יכול לנשום דרך הפיה. בעדינות לצרף חיישן האצבע של הדופק oximetry (פריט # 15) ועד לקצה האצבע של הנושא.
  5. להבטיח שהראש של הנושא הוא בiso-מרכז סליל הראש. להפעיל את שולחן MRI למקומו / לה בתוך נשא המגנט.
  6. ודא ששהיית חוקר אחד בתוך חדר המגנט כדי לפקח על הנושא ולהיות מוכנה כדי לעבור את השסתום המשולש על שקית דאגלס (פריט המס '1). ודא שהחוקר הוא לובש אטמי אוזניים ואוזניות כדי לחסום רעש MRI.
  7. סגור את דלת חדר מגנט ו, בחדר הבקרה, לבדוק את חלק הרוויה EtCO 2 וחמצן עורקים (SO 2) פרמטרים המוצגים בCO 2 (פריט # 14) והדופק oximetry (פריט # 15) צגים. התחלת ההקלטה של ​​הפרמטרים במחשב הנייד.
  8. להורות למפעיל MRI כדי להתחיל בסריקה באמצעותרצף דם-חמצון ברמה-תלוי (BOLD). לסורק MRI 3T, הפרמטרים ההדמיה BOLD הם: TR / TE = 1500/30 msec זווית, להעיף = 60 מעלות, שדה הראייה = 220 x 220 מ"מ 2, מטריצה ​​= 64 x 64, 29 פרוסות, מ"מ עובי = 5, אין פער בין פרוסות, 361 כרכים. סקור גיליון מוכן מראש שבו העיתוי של מיתוג השסתום מופיע בעדינות הנדנדה בר האיתות כאשר יש צורך במתג. שים לב לפיזיולוגיה של הנושא, כולל קצב לב, אז 2, וEtCO 2.
  9. עכשיו, בתוך חדר המגנט, לעבור על תיק דאגלס (# 1 פריט) המבוסס על התנועה של בר האיתות אשר שולט על הסוג של גז שהנושא מעורר.
  10. המשך הליך זה לאורכו של המחקר. במהלך תקופת ההדמיה 9 דקות, להבטיח כי מיתוג השסתום מתרחש בערך פעם בכל דקה. שים לב שהעיתוי של הבורר לא חייב להיות בדיוק מדויק, כל עוד כמובן זמן EtCO2 נרשם. <br /> הערה: אם הנושא לוחץ על האחות-שיחה במהלך הסריקה, הסריקה תהיה בוטלה והנושא יועברו אל מחוץ לשעמם המגנט מייד. החוקר יסיר את חתיכת הפה והאף קליפ מהנושא.
  11. השתמש באינטרקום להודיע ​​לנושא שהסריקה הושלמה. משוך את שולחן MRI. בעדינות להסיר את סרטון האף ושופר מהנושא, תוך מתן ניקוי רקמות לנושא כדי לנגב את הרוק. הוצא בעדינות את חיישן האצבע של הדופק oximetry מהנושא. הנושא אז יכול לשבת ולקבל משולחן MRI.

3. נהלים נקיים-עד לאחר הניסוי

  1. מחק את צינור דגימת גז (פריט 9 #), מסנן אוויר (פריט # 11), שופרו (מס '5 פריט) וקליפ האף (# 6 פריט).
  2. נקה את הרכיבים לשימוש חוזר. נתק את השסתום דו-כיווני (פריט המס '3) מהרכיבים האחרים ולהסיר את דיאפרגמה (פריט # 4) מהשסתום. משרים את דו-כיוונישסתום (פריט # 3), סרעפת (פריט # 4) וצינור U-צורה (פריט # 12) בחומר חיטוי נטול פוספט מרוכז, המכילים חומרים פעילי שטח כגון חיטוי חומר ניקוי Bacdown במכל במשך 20 דקות. יחס הדילול של חומר חיטוי חומרי הניקוי ומים מזוקקים הוא 1:64.
  3. יש לשטוף את הפריטים מתוארים באופן יסודי 3.2 עם מים מזוקקים.
  4. ייבש את הצינור בצורת U (פריט # 12) עם אוויר דחוס. הנח את השסתום דו-כיווני (פריט מס '3) ודיאפרגמה (מס' 4 פריט) על משטח עבודה ברור ולאפשר להם להתייבש באופן טבעי ולחלוטין.
  5. רוקן את שקית דאגלס. גדיל בר האיתות וצינור אפור.

4. ניתוח נתונים כדי לחשב CVR מפה

  1. שמור את נתוני MRI בפורמט קובץ DICOM או כל פורמט ספציפי לספק אחר. להעביר את הנתונים למחשב מעבדה ולהמיר את נתוני סדרת קובץ נפח-by-נפח, שבו כל קובץ מכיל נפח 3D (למשל תמונה, BOLD) המתאים לנקודת זמן אחת ל.
  2. טרום תהליך נתוני תמונה. בצע את השלבים עיבוד מראש תמונה כוללים התכנסות, נורמליזציה, והחלקה באמצעות סקריפט שקורא פונקציות ספרייה הניתנות על ידי התוכנה סטטיסטי מיפוי פרמטרית (SPM). ראה קובץ קוד משלים 1 לדוגמא של תסריט Matlab.
  3. השתמש בתסריט לקרוא את הקלטת CO 2, לתקן את עיכוב צינורות דגימה על ידי ההסטה כמובן הזמן בסכום מכויל מראש (לדוגמא, 12 שניות בהתקנה זו שנקבעה כהפרש בין זמן נשימה אחת לחתיכה והפה מראה של נשימה שעל הקלטת CO2), ולחלץ EtCO2 שהיא המעטפה (פסגות חיוביות) של סדרת גלם הזמן. ראה קובץ קוד משלים 2 לתסריט Matlab.
  4. בהתבסס על שעון הסנכרון, EtCO 2 נתוני מגזרים לשמור רק הקלטה מ -25 שניות לפני רכישת התמונה הראשונה ל -100 שניות לאחר רכישת התמונה האחרונה. כמובן זמן EtCO 2 הואפונקצית הקלט למערכת כלי הדם ומשמשת כמשתנה עצמאית בניתוח רגרסיה ליניארית-יתואר בהמשך.
  5. זהה את העיכוב הפיזיולוגי בין EtCO 2 (נמדדו בריאות) ואות MRI (נמדדה במוח) על ידי חישוב מקדם מתאם צולב (CC) בין שני קורסים אלה בזמן משתנה משמרות זמן. ערך השינוי שמניב CC הגבוה נחשב הזמן האופטימלי.
  6. כמובן זמן EtCO 2 מוסט על ידי העיכוב האופטימלי ורק נקודות זמן התאמה אלה של אות MRI נשמרות, וכתוצאה מכך סדרת זמן שהם באותו האורך כמו אות MRI.
  7. לנהל SPM באמצעות רגרסיה ליניארית voxel-by-voxel בי כמובן זמן EtCO2 השתנה הוא המשתנה הבלתי תלויה וכמובן זמן אות MRI הוא המשתנה התלוי.
  8. לחשב מפת voxel-by-voxel של CVR
    משוואת 1
    שם (i, j, k) הוא tהוא voxel מדד, β1 היא מקדם הרגרסיה הקשורים EtCO2 וβ0 הוא מקדם הרגרסיה הקשורים לטווח הקבוע. דקות (EtCO 2) הערך המינימלי של EtCO 2 במהלך הזמן.

Representative Results

שני סוגים של נתונים שנאספו בפרוטוקול המוצע, הקלטות פיסיולוגיות ותמונות MR. איורים 2 ו -3 קלטות תכנית של פרמטרים פיסיולוגיים מנושא הנציג. עקבות שחורות באיור 2 מציג כמובן CO 2 הזמן נרשם על ידי צג CO 2, המייצג את תוכן CO 2 באוויר שנדגמו ליד השופר. שים לב שעקבות זה משתנים במהירות כפונקציה של זמן. סיבה לכך הוא, בשלב השאיפה של מחזור הנשימה, הקלטה זו משקפת את תוכן CO 2 באוויר והשאיפה, בשלב הנשיפה, הקלטה זו משקפת את תוכן CO 2 באוויר הננשף. ככזה, השיא העליון של כל מחזור נשימה, המכונה סוף-גאות CO 2 או EtCO 2, מייצג את תוכן CO 2 בריאות, אשר ניתן להשתמש בי כ כריכוז CO 2 בדם העורקי. ה הערהבריכוז CO 2 בדם העורקי הוא כוח המניע, כלומר, פונקצית קלט, של תגובת vasodilatory. הפסגות של עקבות CO 2 (עקומה אדומה באיור 2) הותוו עם אלגוריתם זיהוי שמחפש את שיאו בכל נשימה, בשילוב עם בדיקה ותיקון ידניים. זאת בעקבות סינון חציון להסיר פסגות פתאומיות עקב נשימה חלקית ולתת דין והחשבון לערבוב דם במהלך זרימה מכלי ריאה לכלי מוחי. כמובן הפעם האחרונה EtCO 2 מוצג על ידי העקומה הירוקה באיור 2 ונעשה בו שימוש בחישוב CVR.

איור 3 מציג את הקורסים של קצב נשימה, שבריר עורקי רוויון חמצן (SO 2), וקצב לב בזמן. קצב הנשימה מתקבל מהצג CO 2 תוך כך 2 וקצב לב מתקבלים מדופק oximetry. כפי שניתן seen, הפרמטרים האלה לא מראים שינוי שיטתי עם אתגר hypercapnia. הערה hypercapnia זה לגרום להיפר-ונטילציה בנושא, ובכך הלחץ החלקי O 2 בריאות יגדל בצניעות. עם זאת, השפעתה על כך 2 היא מינימאלית כמו המוגלובין בדם כבר רווי במידה רבה בנשימת חדר-אוויר ועקומת ניתוק החמצן היא שטוחה למדי בטווח ש.

איור 4 מראה תמונות MR BOLD נציג בזמן הניסוי שונה. עוצמת האות הממוצעת (ביחידות MR שרירותיות) מוצגת גם. ניתן לראות שאות BOLD במוח מראה על עלייה עם CO 2 שאיפה. שים לב שההבדל בין אות חדר-האוויר וCO 2 תקופות הוא בסדר הגודל של 1-3% במשרעת.

שילוב נתונים מהקלטות פיסיולוגיות ותמונות MR, ניתן לחשב מפת CVR voxel-by-voxel. נציג 5 ניתן לראות בתרשיםמפות CVR (ביחידות של שינוי אות% למ"מ הכספי CO שינוי 2) לנושא בריא נסרק בחמישה ימים שונים, מדגימות שחזור מצוין של התוצאות. הטכניקה שהוצעה עד כה יושמה במחקרים של הזדקנות 20, מחלת אלצהיימר 4, טרשת נפוצה 21, ואימון גופני 22.

איור 1
איור 1. תרשים של מערכת אספקת הגז. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2. כמובן CO 2 זמן מנושא נציג duלצלצל בניסוי. מגזרים של CO 2 עקבות תוכן נשימה-by-נשימה כפי שנרשם על ידי צג CO 2 מוצגים לתקופה נשימת אוויר חדר (למטה משמאל), 5% CO 2 תקופת משאיפת (למטה מימין). קורסי זמן שחולצו EtCO 2 מוצגים בעקומות צבעוניות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
פרמטרים איור 3. הקלטות פיזיולוגיה מנושא הנציג במהלך הניסוי. () קצב נשימה (BPM, נשימה לדקה) כמובן של הנושא זמן. (ב) כל כך 2 (%) כמובן זמן של הנושא. לב (C) שיעור כמובן בנושא זמן (BPM, הכה לדקה). הנושא הוא אותו אחד כמו שבאיור 1. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. תמונות MR BOLD נציג בזמן הניסוי שונה. עוצמות ממוצעת אות של פרוסת המוח מוצג (הפרוסה צירית # 54 בחלל משרד תשתיות הלאומי) הם הראו בשורה התחתונה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. מפת הנציג CVR מנושא הנציג.קבצים / ftp_upload / 52,306 52306fig5large.jpg "target =" .jove.com / / _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

דוח זה מוצג מערכת אספקת גז MR-תואם ופרוטוקול ניסוי מקיף המאפשר המיפוי של תגובתיות כלי דם במוח האנושי. תרשים של מערכת אספקת הגז מתואר באיור 1. כל החלקים בתוך חדר סורק MRI הם פלסטיק כדי להבטיח תאימות MRI שלהם. המערכת יכולה להיות מחולקת מבחינה רעיונית לשלוש תת-מערכות, הכולל תת-מערכת צריכת גז (תיק, צינור אספקה, שסתום דו-כיווני), תת-מערכת ממשק נשימה (קליפ האף, שופר, צינור בצורת U), ו תת-מערכת ניטור (CO 2 ריכוז, ריווי חמצן, קצב לב, קצב נשימה). תת-מערכת צריכת הגז מאפשרת הגז על מנת שינשום להגיע הסתום דו-כיווני. בשאיפה רק אוויר, אבל לא נשפו אוויר, יזרום דרך תת-מערכת זו. תת-מערכת ממשק הנשימה מאפשרת את הנושא לנשום פנימה והחוצה הגז המיועד. שני הגז נשם ונשף יזרום דרך תת-מערכת זו. Monitorinתת-מערכת g ולכן צריכה לטעום את הגז בנקודה לאורך תת-מערכת ממשק נשימה.

יישומים קליניים של טכניקה זו עשויים לכלול הערכות של כלי דם במוח במילואי מחלות נוירולוגיות כגון שבץ מוחי, טרשת עורקים, מויה מויה, דמנציה וסקולרית, טרשת נפוצה, וגידול במוח. גם הטכניקה יכולה לשמש במחקרי MRI תפקודיים לנרמל או לכייל אות fMRI לכימות טוב יותר של פעילות העצבית 23,24.

תכונה חשובה של המערכת המוצעת ופרוטוקול ניסוי היא שתערובת הגז יכולה להיות מועברת לנושא, תוך גרימת תנועה או אי נוחות מינימאלית. לכן, זה קריטי למקום צינור U-צורה (פריט # 12) באופן שבו (והשופר מחובר לקצה שלו) באופן טבעי נופלים כלפי מטה לתוך פיו של הנושא. בדרך זו, הנושא לא צריך להשתמש בשרירי הפנים שלו להחזיק או לתמוך בשופר. זה גם יבואנמלה להיות מודע לכך שהנושא לא תוכל לדבר בזמן שהשופר הוא בפה שלהם. לכן, החוקר צריך להימנע מלדבר על הנושא עם צליל שאלה. במקום זאת, יש לתת הוראות ברורות רק, סופיות. בנוסף, חוקר צריך לשים לב לפרמטרים הפיסיולוגיים (למשל, EtCO 2, אז 2, קצב לב, קצב נשימה) בכל המהלך של הניסוי ויגיב מייד כאשר אחד או יותר מהפרמטרים הפיסיולוגיים לסטות מחוץ לטווח האופייני .

בעוד סקר מקיף של מערכות אספקת גז אחרות המשמש בספרות הוא מעבר להיקף של מאמר זה, הוא שימושי כדי להשוות את המערכת הנוכחית לכמה אלה נפוצים 17,18. הבדל עיקרי הוא שהמערכת שלנו משתמשת בשופר כדי לספק את הגז המיועד בעוד שרוב המערכות אחרות השתמשו מסכה בעיצוב. הסיבוכים האפשריים של שימוש במסכה שני קפלים. , O מסכה ראשונהccupies כמות משמעותית של מרחב, וזה אולי לא תמיד להיות ריאלי כדי להתאים את המסכה אל תוך החלל ההדוק בתוך סליל הראש, בהתחשב בכך ש, לנושאים רבים, אפם היה כמעט לגעת בסליל הראש גם ללא מסכה. הדבר נכון במיוחד במקרה של סלילי הראש נועדו להשיג רגישות גבוהה, אשר בדרך כלל מתוכננים להתאים היטב לראשו של הנושא. סיבוך שני קשורים לעיצוב מסכה הוא שיש חלל גדול בתוך המסכה שתוצאת הערבוב משמעותי של גז נשם ונשף. כתוצאה מכך, זה יכול להשפיע על הדיוק של מדידת EtCO 2, אשר באופן אידיאלי צריך להיות מבוססת על גז ננשף בלבד. מדויקים EtCO 2 הוא כמובן חשוב לאמינות של מפת CVR. הבדל חשוב נוסף של המערכת שלנו בהשוואה למערכות רבות אחרות הוא שהמערכת שלנו מספקת את הגז משקית במקום מיכל דלק. לכן, אין צורך בטנקים באזור הסורק, כדי לחסוך מקום יקר בהמשך רול חדר של חבילת ה- MRI. בעיצוב שלנו, אנחנו מביאים את התיק לפני תחילת הסריקה ו, בעקבות הסריקה, השקית מתרוקנת, מקופלת, ולשים בצד. לבסוף, בהשוואה למספר מערכות אחרות 18,21, מערכת אספקת הגז הנוכחית היא פשוט יותר, דורש זמן הכשרה פחות, וחומרים שלה הם פחות יקרים.

יש לציין, כי על אף הפרוטוקול המובא בדוח זה מתמקד בעיקר בCO 2 שאיפה, מערכת אספקת הגז שהוצגה מאפשרת המשלוח של תערובות גז אחרות (למשל, כל חלק של O 2, חלק כלשהו של CO 2, כל שבריר של N 2, והשילוב שלהם) לאדם עבורם לנשום בזמן הוא / היא שוכב בתוך סורק MRI. אפשר גם להשתמש במערכת אספקת הגז מחוץ להקשר של MRI, למשל בשיתוף עם אלקטרואנצפלוגרם (EEG), magnetoencephalogram (MEG), טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET), או הדמיה אופטימלית.

_content "> כאשר מתן המלצת הפרמטרים הדמיה, יש לנו התמקדתי בעיקר ברצף BOLD. רצף נוסף שיכול להיות פוטנציאל בשימוש במיפוי CVR הוא תיוג ספין עורקים (ASL) MRI, המספק מדד כמותי לזרימת דם במוח (CBF) ביחידות פיזיולוגיות (מיליליטר דם לכל 100 גרם רקמה לדקה). לכן, יש את היתרון של מיפוי CVR מבוסס ASL הוא שהתוצאות הן קלים יותר לפרש, שלא כמו אות BOLD המשקפת השפעה משולבת של זרימת דם, נפח דם, כמו גם תרומות אפשריות של שינויים מטבוליים במוח במהלך CO 2 האתגר 25-27. עם זאת, הגבלה של טכניקת ASL היא שהרגישות שלה היא כמה קפלים נמוך מזה של 28 BOLD. כתוצאה מכך, הניסיון שלנו הוא ש, בהווה, זה הוא המאתגר ביותר להשגה ברמת פרט, voxel-by-voxel מפת CVR באמצעות ASL. לכן, ללימודי יישום של CVR, אנחנו בעיקר להשתמש ברצף BOLD וכך גם להתמקד בטכניקה זו בouהמלצות r.

מגבלה אחת של השיטה הנוכחית היא שהנשימה דרך שופר עם האף החסום (על ידי קליפ האף) היא לא טבעית לחלוטין וכמה נושאים (במיוחד חולים) עלולים לתפוס את זה כמקור של אי נוחות. נשימה עם קליפ השופר והאף יכולה גם להחמיר את התחושה של קלסטרופוביה. בנוסף, הנושא עלול להיתקל יובש בפה בשל נשימה דרך פה בלבד. לכן, מומלץ שהחוקר ינסה כמיטב יכולתו כדי להשלים את הניסוי במהירות. לבסוף, חשוב לציין כי, על סמך הניסיון של המחברים, אי הנוחות הפוטנציאלית שהוזכר לעיל היא חולפת ותיעלם ברגע שהניסוי יסתיים.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Douglas bag  Harvard Apparatus 500942 200 L capacity
Three-way valve Hans Rudolph CR1207 100% plastic
Two-way non-rebreathing valve Hans Rudolph CR1480 22 mm/15 mm ID
Diaphragm Hans Rudolph 602021-2608 Size: medium, Type: spiral
Mouth piece Hans Rudolph 602076 Silicone, Model # 9061
Nose clip Hans Rudolph 201413 Plastic foam, Model #9014
Gas delivery tube Vacumed 1011-108
Blue cuff Vacumed 22254
Gas sampling tube QoSINA T4305 Thin
Male luer QoSINA 11547
Hydrophobic filter Philips Medical Systems 9906-00 Disposable
U-shape tube Made in-house
Elbow connector QoSINA 51033
EtCO2 monitor Philips Medical Systems Model 1265
Pulse oximetry  Invivo Expression MRI Monitoring Systems
MRI scanner  Philips Achieva 3.0T TX
Disinfectant Fisher Scientific 04-355-13 Decon BDD Bacdown Detergent Disinfectant

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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, Forthcoming.
  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).

Tags

רפואה גיליון 94 תגובתיות כלי דם במוח מחלות כלי דם במוח מערכות אספקת גז MRI תואמת hypercapnia hyperoxia CO O
MRI מיפוי של כלי הדם במוח Reactivity באמצעות אתגרי משאיפת גז
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lu, H., Liu, P., Yezhuvath, U.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter