以质子磁共振成像和氧为造影剂对人肺特异性通气进行定量定位
Summary
特定通气成像是一种功能磁共振成像技术, 允许使用吸入氧作为造影剂, 对人肺中的区域特异性通气进行量化。在这里, 我们提出了一个收集和分析特定通风成像数据的协议。
Abstract
特定通气成像 (SVI) 是一种功能性磁共振成像技术, 能够量化特定通气–进入肺区域的新鲜气体除以该区域的呼气末量的比率–在人的肺中只使用吸入氧气作为造影剂。特定通气的区域定量有可能有助于确定病理肺功能的区域。组织中溶液中的氧缩短了组织的纵向松弛时间 (t1), 因此可以检测到组织氧合的变化是 t1 加权信号的变化,并获得了反转恢复图像。在两种浓度的激发氧之间发生突然变化后, 体素平衡内的肺组织达到新的稳定状态的速度反映了常驻气体被吸入气体取代的速度。此速率由特定通风口决定。为了引起氧合的突然变化, 受试者在 MRI 扫描仪中交替呼吸20个呼吸块的空气 (21% 氧气) 和100% 的氧气。通过在短端呼气呼吸保持过程中使用带有手动开关的自定义三维 (3D) 打印的流动旁路系统, 实现了激励氧分数的逐步变化。为了检测 T1 中的相应变化, 采用全局反演脉冲, 然后是单次快速自旋回波序列, 利用八元躯干线圈, 在 1.5 t mri 扫描仪中获取二维 t1 加权图像.单片和多层成像都是可能的, 成像参数略有不同。通过将每个肺体素的信号强度时间过程与对空气/氧刺激的模拟反应库联系起来, 实现了特定通气的量化。针对多次呼吸冲洗, 验证了 SVI 对特定通风异质性的估计, 并证明了该估计可以准确地确定特定通风分布的异质性。
Introduction
特定通气成像 (SVI)–一种利用氧作为造影剂1的质子磁共振成像 (mri) 技术–的总体目标是定量绘制人肺中的特异性通气图。具体通气是将新鲜气体输送到肺区的比例, 在一次呼吸中除以同一肺区1的末端呼气量。结合局部肺密度的测量, 可使用特定通气来计算区域通气2。Svi 提供的局部通气和通气异质性测量有可能丰富对肺正常和异常3、4 功能的理解。
特定通气成像是经典生理试验的延伸, 多呼吸冲洗 (mbw), 这是 20世纪50年代5,6首次引入的技术。这两种技术都使用气体洗涤清洗来测量特定通风的异质性, 但 SVI 提供空间局部信息, 而 MBW 只提供全球异质性的度量。在 MBW 中, 质谱仪用于测量在许多呼吸过程中, 不溶于气体 (氮、氦、六氟化硫等) 在该气体排出过程中混合过期的浓度, 如图 1所示。在冲洗期间, 随着每次呼吸体积的过期, 这些信息可用于计算肺中特定通气的总体分布。在 SVI 中, MRI 扫描仪用于测量 T1 加权信号–它是肺组织溶液中氧气含量的替代品, 是局部氧浓度的直接指标–在几次洗脱过程中, 每个肺体素中的氧量都是非常高的。的氧气。以直接类似于 MBW 的方式, 这些信息允许我们计算每个肺体素的特定通气。换句话说, 在 SVI 实验期间, 该技术执行了数千个类似 mbw 的平行实验, 每个体素一个。事实上, 由此产生的特定通风的空间图可以被编译, 以恢复 MBW 的特定通风异质性输出。一项验证研究7表明, 这两种方法在同一主题上连续执行时产生了可比结果。
其他成像方式, 如 SVI, 提供了通风异质性的空间测量。正电子发射断层扫描 (pet)8,9, 单光子发射计算机断层扫描 (spect)10,11, 和超极化气体 mri12,13技术已被用于创建大量关于健康和异常受试者通风空间模式的文献。一般来说, 与 SVI 相比, 这些技术至少有一个明显的优势, 因为它们的信噪比具有较高的特点。然而, 每种技术也有一个典型的缺点: PET 和 SPECT 涉及电离辐射照射, 而超极化 MRI 需要使用高度专业化的超极化气体和具有非标准多核硬件的 MR 扫描仪。
SVI 是一种质子磁共振成像技术, 通常使用 1.5 Tesla MR 硬件, 吸入氧气作为造影剂 (这两种元素在医疗保健中都很容易获得), 使其有可能更易于推广到临床环境中。SVI 利用氧气缩短肺组织1的纵向松弛时间 (t1)的事实, 这反过来又转化为 t1 加权图像中信号强度的变化.因此, 激发氧浓度的变化会引起适当定时 MRI 图像信号强度的变化。在激发的氧气浓度 (通常是空气和100% 氧气) 突然变化后, 这种变化的速度反映了居民气体被吸入气体取代的速度。这种更换率是由特定的通风决定的。
由于 SVI 不涉及电离辐射, 因此它对随着时间的推移跟踪患者的纵向和介入研究没有禁忌症。因此, 它是理想的研究疾病进展或评估个别患者如何反应的治疗。由于其相对容易和安全的重复性, 具体的通气成像, 在一般情况下, 是一个理想的技术, 为那些谁希望研究大的影响和/或大量的人随着时间的推移或在几个不同的临床地点。
继描述技术1的原始出版物之后, 具体的通气成像 (svi) 被用于研究快速盐水输注、姿势、运动和支气管收缩2,3的影响,4 个,14,15. 该技术估计特定通气全肺异质性的能力已通过成熟的多次呼吸冲洗试验7进行了验证, 最近, 通过以下方式进行了区域交叉验证:比较 SVI 和超极化气体多呼吸特异性通气成像16。这种可靠且易于部署的技术能够定量地绘制人体肺中的特定通气图, 有可能为呼吸道疾病的早期发现和诊断做出重大贡献。它还为量化区域肺异常和跟踪治疗引起的变化提供了新的机会。SVI 使我们能够首次测量的特定区域肺功能的这些变化有可能成为评估药物和吸入疗法影响的生物标志物, 并可能成为临床试验中非常有用的工具。
本文的目的是以一种直观的形式详细介绍具体的通气成像方法, 从而促进该技术向更多的中心的传播。
Protocol
Representative Results
Discussion
特定的通气成像可以定量地绘制人肺特定通气的空间分布图。SVI 的替代方法存在, 但在某种程度上是有限的: 多次呼吸冲洗提供了一个异质性的度量, 但缺乏空间信息23。替代成像方法使患者暴露在电离辐射 (例如, SPECT、PET、CT、伽玛显像) 或不广泛使用 (使用 MRI 的超极化气体成像)。特定的通气成像提供空间信息, 可以使用标准的临床扫描仪和吸入氧气作为对比源进行, 因此可以转…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了国家心脏、肺和血液研究所 (NHLBI) 的支持 (赠款 R01 hl-080203、R01 hl-081171、R01 HL-104118 和 R01-hl119263) 和国家空间生物医学研究所 (国家航空和航天局赠款 NCC).. e. t. Geeer 得到 NHLBI 赠款 F30 HL127980 的支持。
Materials
| 3D-printed flow bypass system | |||
| Face mask | Hans Rudolph | 7400 series Oro-nasal mask, different sizes | |
| Gas/oxygen regulator | |||
| Mask head set | Hans Rudolph | 7400 compatible head set | |
| Matlab | Mathworks | analysis software developed locally | |
| Medical oxygen | Air Liquide/Linde | Oxygen to be delivered to the subject | |
| MRI | GE healthcare | 1.5 T GE HDx Excite twin-speed scanner | |
| Plastic tubing | ¼”, 3/8” and 1/2” tubing and connectors | ||
| Pulse oximeter | Nonin | 7500 FO (MR compatible) | |
| Switch valve | |||
| Torso coil | GE healthcare | High gain torso coil for GE scanner |
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