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).
Hjernen er en romlig heterogen og timelig dynamisk organ, med ulike regioner krever forskjellig mengde blodtilførselen på ulike tidspunkt. Derfor muligheten av blodårene utvider seg eller innsnevre, kjent som Cerebral-Vaskulær-reaktivitet (CVR), representerer et viktig domene av vaskulær funksjon. En bilde markør som representerer denne dynamiske egenskapen vil gi ny informasjon av cerebral fartøy under normale og syke tilstander som hjerneslag, demens, aterosklerose, små fartøy sykdommer, hjernesvulst, traumatisk hjerneskade, og multippel sklerose. For å kunne utføre denne type måling i mennesker, er det nødvendig å levere en vasoaktive stimulus så som CO2 og / eller O para gassblandingen mens kvantitativ hjerne MRI (MRI) blir samlet opp. I dette arbeidet har vi presentert en MR kompatibel gassleveringssystem og tilhørende protokoll som tillater levering av spesialgassblandinger (f.eks </em> O 2, CO 2, N 2, og deres kombinasjoner) mens motivet er å ligge inne i MR skanner. Dette systemet er relativt enkel, økonomisk, og lett å bruke, og den eksperimentelle protokollen tillater nøyaktig kartlegging av CVR både hos friske frivillige og pasienter med nevrologiske lidelser. Denne tilnærmingen har potensiale til å bli brukt i bred klinisk anvendelse og i bedre forståelse av hjernen vaskulær patofysiologi. I videoen viser vi hvordan du setter opp systemet inne i en MR suite og hvordan du utfører en komplett eksperiment på en menneskelig deltaker.
Hjernen representerer omtrent 2% av den totale kroppsvekt, men bruker omtrent 20% av den totale energien 1. Ikke overraskende, er tilstrekkelig og nøye regulert blodtilførsel kritisk for å møte dette høy etterspørsel etter energi og for at hjernen skal fungere ordentlig. Videre er hjernen et romlig og tidsmessig dynamisk heterogent organ, med ulike regioner som krever forskjellig mengde av blodtilførsel på forskjellige tidspunkt. Derfor representerer dynamisk modulering av blodtilførsel et viktig krav i human hjerne sirkulasjon. Heldigvis er det kjent at blodårene er ikke bare stive rør, og at en viktig funksjon av blodkar er å utvide og innsnevre basert på etterspørselen av hjernen og fysiologiske forhold to.
Dette funksjonelle eiendom av fartøyet, kjent som Cerebral-Vaskulær-reaktivitet (CVR), er antatt å være en nyttig indikator på vaskulær helse og kan finne programmer i flere nevrologiske conditions som hjerneslag 3, demens 4, aterosklerose 5, små fartøy sykdommer 6, hjernesvulst 7, moyamoya sykdom 8, og narkotika-avhengighet 9. I fysiologi og anestesi litteraturen er det kjent at det på grunn CO2 gass er en potent vasodilator, kan CVR vurderes ved å endre den arterielle CO 2 nivå (f.eks inhalering av en liten mengde av CO 2) mens man overvåker vaskulære respons 10-13 . I bildebehandling og radiologi feltet, er CVR kartlegging ved hjelp av MRI raskt fremstår som en ny markør av interesse for mange grunnleggende forskere og klinikere 8,14-19. Det er vanligvis beregnet ved å undersøke hvor mye vaskulær respons induseres ved et vasoaktivt utfordring. Det er imidlertid et behov for tekniske fremskritt i gassleveringssystem og standardisering av forsøksprotokoll. Levere spesiell gassblanding til en gjenstand inne i MR skanner er ikke trivielle og spesielle hensyner nødvendig for en MR-kompatibel utforming. Spesielle hensyn er nødvendig å utforme MR-kompatibel gassleveringssystem. Disse spesielle hensyn inkluderer: 1) alle komponenter må være ikke-metallisk (metall kan ikke brukes inne MRI); 2) systemet skal arbeide innenfor en liten plass som MR-systemet og dets hodet spiral tillate; 3) systemet skal fungere med en liggende ned posisjon (som MRI skanner krever) i stedet for å sitte opp, uten ubehag; 4) relevante fysiologiske parametre, som endetidal CO2 (EtCO2, en tilnærming av CO2-innholdet i den arterielle blod) og arteriell oksygenmetning, bør registreres nøyaktig med sekunder av timing nøyaktighet og lagret på en datamaskin for bruk analyse. Disse problemene kan begrense omfanget av anvendelser av CVR kartlegging.
I denne rapporten har vi presentert en eksperimentell protokoll som bruker en omfattende gassleveringssystem for å modulere innholdet inspirert gass mens motivet er å ligge inne i MR skanner. Ossing denne tilnærmingen, kan forskeren ikke-invasiv bruke en vasoaktivt stimulans til deltakeren med minimal ubehag eller bulk bevegelse. Fysiologiske parametere og MR-bilder ble registrert i hele perioden på ca 9 min, som besto av vekslende blokker (1 min per blokk) av rom-luft og hypercapnic gass puste. Representative resultater er presentert. Potensielle bruksområder og begrensninger blir diskutert.
Denne rapport presentert en MR-kompatibel gassleveringssystem og et omfattende eksperimentell protokoll som tillater kartlegging av vaskulær reaktivitet i den menneskelige hjerne. Et diagram av gassleveringssystem er illustrert i figur 1. Alle deler inne i MRI-skannerrommet er plastisk for å sikre deres MRI kompatibilitet. Systemet kan begrepsmessig deles inn i tre undersystemer, inkludert gassinntak sub-system (pose, leveringsrøret, to-veis ventil), en pustegrensesnitt undersystem (neseklemme, munnstykke, U-formet rør), og en overvåking sub-system (CO 2 -konsentrasjon, oksygenmetning, puls, pustefrekvens). Gassinntak sub-system gjør det mulig for gassen som skal inhaleres for å oppnå to-veis ventil. Bare inhalert luft, men ikke utåndet luft, vil strømme gjennom denne sub-system. Puste grensesnitt sub-system gjør at motivet for å puste inn og ut den tiltenkte gass. Både inhalert og utåndet gass vil strømme gjennom dette sub-system. Den overvÃg undersystem må derfor prøve gass ved et punkt langs pustegrensesnitt undersystem.
Kliniske anvendelser av denne teknikk kan omfatte vurdering av vaskulære hjerne reserve ved neurologiske sykdommer, slik som slag, aterosklerose, moyamoya sykdom, vaskulær demens, multippel sklerose og hjernetumor. Teknikken kan også brukes i funksjonelle MRI-studier for å normalisere eller å kalibrere MR-signalet for en bedre kvantifisering av nevral aktivitet 23,24.
Et viktig trekk ved den foreslåtte systemet og eksperimentelle protokollen er at gassblandingen kan leveres til emnet mens forårsaker minimal bevegelse eller ubehag. Derfor er det viktig å plassere den U-formede rør (av produkter, 12) slik at den (og munnstykket er koblet til enden av det) naturlig faller nedover i subjektets munn. Denne måten, gjør faget trenger ikke å bruke hans ansikts muskler til å holde eller støtte munnstykket. Det er også importmaur å være oppmerksom på at motivet ikke vil være i stand til å snakke mens munnstykket er i deres munn. Derfor bør forskeren unngå å snakke med faget med et spørsmål tone. I stedet bør bare klare og definitive instruksjoner gis. I tillegg bør en forsker følge nøye med på de fysiologiske parametre (f.eks ETCO 2, SO 2, hjertefrekvens, pustefrekvens) under hele løpet av eksperimentet og svare raskt når en eller flere av de fysiologiske parametrene avvike utenfor den typiske utvalg .
Mens en uttømmende undersøkelse av andre gassleveringssystemer som brukes i litteraturen er utenfor omfanget av denne artikkelen, er det nyttig å sammenligne dagens system til noen vanlig brukte de 17,18. En stor forskjell er at systemet vårt bruker et munnstykke for å levere den tiltenkte gass mens de fleste andre systemer har brukt en maske i design. De potensielle komplikasjoner av å bruke en maske er to folder. Først en maske occupies en betydelig mengde plass, og det kan ikke alltid være mulig å tilpasse masken inn i stramt plass inne i hodet coil, med tanke på at, for mange fag, ville nesen nesten berøre hodet spiral selv uten en maske. Dette er særlig tilfelle for hode spoler som er beregnet for å oppnå høy følsomhet, som vanligvis er laget for å passe tett til emnet hode. En annen komplikasjon forbundet med en maske utformingen er at det er stor plass inne i masken, som resulterer i vesentlig blanding av inhalert og utåndet gass. Derfor kan det påvirke nøyaktigheten av målingen av ETCO 2, som ideelt sett bør være basert på utåndet gass. Nøyaktig ETCO para er selvfølgelig viktig for påliteligheten av kartet CVR. En annen vesentlig forskjell fra systemet i forhold til mange andre systemer er at systemet leverer gassen fra en pose i stedet for en gasstank. Derfor er tanker ikke nødvendig i skannerområdet, noe som sparer dyrebar plass i cont rol rom av en MR suite. I vår design, bringer vi posen før starten av skanningen, og etter skanningen, er posen tømmes, brettet og satt bort. Endelig er, sammenlignet med flere andre systemer 18,21, gjeldende gassleveringssystem er enklere og krever mindre opplæring tid, og dens forbruks er mindre kostbart.
Det skal påpekes at selv om den protokoll som presenteres i denne rapporten har primært fokusert på CO 2 inhalering, kan den fremlagte gassleveringssystem levering av andre gassblandinger (for eksempel en hvilken som helst brøkdel av O 2, helst brøkdel av CO 2, noe brøkdel av N2, og deres kombinasjon) til et menneske for dem å puste mens han / hun lyver inne i MR skanner. Man kan også bruke gassleveringssystem utenfor rammen av MR, for eksempel i forbindelse med elektroencefalogram (EEG), magnetoencephalogram (MEG), positronemisjonstomografi (PET) eller en optimal avbildning.
_content "> Når du gir en anbefaling av bildeparametere, vi har først og fremst fokusert på BOLD sekvens. En annen sekvens som kan potensielt brukes i CVR kartlegging er Arteriell Spin Merking (ASL) MRI, som gir et kvantitativt mål for cerebral blodstrøm (CBF) i fysiologiske enheter (ml blod per 100 g vev pr min). Derfor fordelen av ASL-baserte CVR kartlegging er at resultatene er lettere å tolke, i motsetning BOLD signal som gjenspeiler en kombinert effekt av blodstrømmen, blodvolumet, samt mulige bidrag fra hjernen metabolske forandringer i løpet av CO 2 utfordring 25-27. Men en begrensning av ASL teknikken er at følsomheten er flere folder lavere enn for BOLD 28. Som et resultat, er vår erfaring at det i dag, er det svært utfordrende å få et individ-nivå, voxel-by-voxel CVR kart ved hjelp av ASL. Derfor, for applikasjons studier av CVR, vi hovedsakelig bruke BOLD sekvens og dermed også fokus på denne teknikken i our anbefalinger.En begrensning av den foreliggende fremgangsmåte er at puste gjennom et munnstykke med nesen blokkert (med en neseklemme) ikke er helt naturlige og enkelte fag (spesielt pasienter) kan oppfatte dette som en kilde til ubehag. Puste med munnstykke og neseklype kan også forverre følelse av klaustrofobi. I tillegg kan faget oppleve munntørrhet på grunn av puste gjennom munnen bare. Derfor anbefales det at forskeren prøver sitt beste for å fullføre eksperimentet raskt. Til slutt er det viktig å merke seg at, basert på forfatternes erfaring, potensialet ubehag nevnt ovenfor er forbigående og vil forsvinne så snart forsøket er ferdig.
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 |