Quantitative Mapping spezieller Belüftung in der menschlichen Lung mit Proton-Magnetresonanztomographie und Sauerstoff als Kontrastmittel

Summary

Die spezifische Lüftungsbildgebung ist eine funktionelle Magnetresonanztomographie, die es ermöglicht, die regionalspezifische Beatmung in der menschlichen Lunge zu quantifizieren, wobei der inhalierte Sauerstoff als Kontrastmittel verwendet wird. Hier stellen wir ein Protokoll zur Erfassung und Analyse von spezifischen Lüftungsdaten vor.

Abstract

Die spezifische Lüftungsbildgebung (SVI) ist eine funktionelle Magnetresonanztomographen-Technik, die in der Lage ist, eine spezifische Belüftung zu quantifizieren-das Verhältnis des Frischgases, das in eine Lungenregion gelangt, die durch das Endausfallvolumen der Region in der menschlichen Lunge geteilt ist, wobei nur die menschliche Lunge verwendet wird. Sauerstoff als Kontrastmittel eingeatmet Die regionale Quantifizierung spezifischer Belüftung kann helfen, Bereiche der pathologischen Lungenfunktion zu identifizieren. Sauerstoff in der Lösung im Gewebe verkürzt die Längsentspannungszeit des Gewebes (T₁₎, und so kann eine Veränderung der Gewebe-Sauerstoffversorgung als Veränderung desT 1-gewichteten Signals mit einer Inversionsrettungsaufnahme erworbenes Bild festgestellt werden. Nach einem abrupten Wechsel zwischen zwei Konzentrationen von inspiriertem Sauerstoff spiegelt die Geschwindigkeit, mit der Lungengewebe innerhalb eines Voxels in einen neuen Steady-Zustand ausgeglichen wird, die Geschwindigkeit wider, mit der das ansässige Gas durch eingeatmtes Gas ersetzt wird. Dieser Tarif wird durch eine spezielle Belüftung bestimmt. Um diese plötzliche Veränderung der Sauerstoffversorgung zu entlocken, atmen die Probanden im MRT-Scanner abwechselnd 20-Atemblöcke (21% Sauerstoff) und 100% Sauerstoff ein. Eine stufenweise Veränderung der inspirierten Sauerstofffraktion wird durch den Einsatz eines maßgeschneiderten dreidimensionalen (3D-) gedruckten Flow-Bypass-Systems mit manuellem Schalter während eines kurzen Endauslaufs erreicht. Um die entsprechende Änderung in T_{1 zu}erkennen, wurde ein globaler Inversionsimpuls, gefolgt von einer einzigen Dreh-schnellen Spin-Echo-Sequenz, verwendet, um zweidimensionale T_1-gewichteteBilder in einem 1,5 T-MRI-Scanner mit einer Acht-Elemente-Oberkörper-Spule zu erfassen. Sowohl eine Einzel-als auch eine Mehrschneidbildgebung sind möglich, mit leicht unterschiedlichen Bildungsparametern. Die Quantifizierung der spezifischen Belüftung wird erreicht, indem der zeitliche Verlauf der Signalintensität für jeden Lungenvoxeln mit einer Bibliothek simulierter Reaktionen auf den Luft-Sauerstoffreiz korreliert wird. SVI-Einschätzungen der spezifischen Lüftungsheterogenität wurden gegen mehrfache Atemauswaschen validiert und erwiesen sich als genau zu bestimmen, wie die Heterogenität der spezifischen Lüftungsverteilung erfolgt.

Introduction

Das übergeordnete Ziel der spezifischen Lüftungsbildgebung (SVI)-einer Protonenspinresonanztomographie (MRT), die Sauerstoff^als Kontrastmittel 1 verwendet, ist es, die spezifische Lüftung in der menschlichen Lunge quantitativ zu kartieren. Spezifische Belüftung ist das Verhältnis von frischem Gas, das in einem Atemzug in einer Lungenregion geliefert wird, geteilt durch das Endauslaufvolumen der gleichen Lungenregion¹. In Verbindung mit Messungen der lokalen Lungendichte kann eine spezifische Lüftung zur Berechnung der regionalen Lüftung2 verwendet werden. Messungen der lokalen Belüftung und Lüftungs-Heterogenität, die von SVI erbracht werden, haben das Potenzial, das Verständnis dafür zu bereichern, wie die Lunge funktioniert, sowohl normal als auch ungewöhnlich^3,4.

Die spezifische Lüftungsbildgebung ist eine Erweiterung des klassischen Physiologie-Tests, einer mehrfachen Atemauswaschung (MBW), einer Technik, die erstmals in den 1950er Jahren mit 5,6^eingeführtwurde. Beide Techniken verwenden Gaswäsche-Auswaschung, um die Heterogenität der spezifischen Lüftung zu messen, aber SVI liefert räumlich lokalisierte Informationen, während MBW nur globale Maßnahmen der Heterogenität liefert. In MBW wird ein Massenspektrometer verwendet, um die gemischte abgelaufene Konzentration eines unlöslichen Gases (Stickstoff, Helium, Schwefelhexafluorid, etc.) über viele Atemzüge während eines Auswaschens des Gases zu messen , wie in Abbildung 1 dargestellt. Zusammen mit dem abgelaufenen Volumen pro Atemzug während der Auswaschzeit können diese Informationen verwendet werden, um die Gesamtverteilung der spezifischen Belüftung in der Lunge zu berechnen. In SVI wird ein MRT-Scanner verwendet, um das T₁-gewichtete Signal zu messen, das eine Überschussmenge für die Menge an Sauerstoff in der Lösung im Lungengewebe ist, ein direkter Indikator für die lokale Sauerstoffkonzentration-in jedem Lungenvoxeln über viele Atemzüge während mehrerer Wasch-und Auswaschungen Sauerstoff. In einer Art und Weise, die direkt mit MBW vergleichbar ist, können wir mit diesen Informationen die spezifische Belüftung jedes Lungenvoxels berechnen. Mit anderen Worten: Die Technik führt während eines SVI-Experiments Tausende paralleler MBW-ähnlicher Experimente durch, eines für jedes Voxier. Die so erstellten Raumkarten der spezifischen Lüftung können tatsächlich zusammengestellt werden, um die spezifische Lüftungs-Heterogenität von MBW wiederherzustellen. Eine Validierungsstudie⁷ zeigte, dass die beiden Methoden vergleichbare Ergebnisse hervorbrachten, wenn sie in Serien zu den gleichen Probanden durchgeführt wurden.

Es gibt noch andere bildgebende Modalitäten, die, wie die SVI, räumliche Messgrößen der Lüftungs-Heterogenität bieten. Positronen-Emissionstomographie (PET^{) 8,9,}Single-Photonen-Emission Computertomographie (SPECT)^{10, 11,und}hyperpolarisiertes Gas MRT^12,13 Techniken wurden verwendet, um Erstellen Sie eine umfangreiche Literatur über das räumliche Muster der Belüftung in gesunden und abnormalen Fächern. Im Allgemeinen haben diese Techniken mindestens einen deutlichen Vorteil gegenüber SVI, da ihr Signal-Rauschen-Verhältnis charakteristisch höher ist. Jede Technik hat jedoch auch einen charakteristischen Nachteil: PET und SPECT beinhalten die Exposition gegenüber ionisierender Strahlung, und hyperpolarisiertes MRT erfordert den Einsatz von hochspezialisiertem hyperpolarisiertem Gas und einem MR-Scanner mit nicht-normaler Multi-Nucly-Hardware.

SVI, eine Proton-MRT-Technik, verwendet in der Regel 1,5 Tesla-MR-Hardware mit eingeatmtem Sauerstoff als Kontrastmittel (beide Elemente sind leicht im Gesundheitswesen verfügbar), was sie potenziell verallgemeinerbarer für die klinische Umgebung macht. SVI nutzt die Tatsache, dass Sauerstoff die Längsentspannungszeit (T₁) des Lungengewebes 1 verkürzt, was wiederum zu einer Veränderung der Signalintensität in einem T_{1-gewichteten}Bild führt. So führen Veränderungen in der Konzentration von inspiriertem Sauerstoff zu Veränderungen in der Signalintensität von entsprechend zeitgemächten MRT-Bildern. Die Geschwindigkeit dieser Veränderung nach einer abrupten Veränderung der inspirierten Sauerstoffkonzentration, typischerweise Luft und 100% Sauerstoff, spiegelt die Geschwindigkeit wider, mit der das ansässige Gas durch das eingeatmete Gas ersetzt wird. Diese Ersatzrate wird durch eine spezielle Belüftung bestimmt.

Da es sich bei der SVI nicht um eine ionisierende Strahlung handelt, gibt es keine Kontraindikationen für Längs-und Interventionsstudien, die den Patienten im Laufe der Zeit folgen. So eignet es sich ideal für das Studium des Krankheitsverlaufs oder für die Bewertung, wie einzelne Patienten auf die Behandlung reagieren. Aufgrund ihrer relativen Leichtigkeit und sicheren Wiederholbarkeit ist die spezifische Beatmungsbildgebung in der Regel eine ideale Technik für diejenigen, die große Effekte and/oder eine große Anzahl von Menschen im Laufe der Zeit oder an verschiedenen klinischen Standorten untersuchen möchten.

Nach der ursprünglichen Publikation, die die Technik¹beschreibt, wurde die spezifische Lüftungsbildgebung (SVI) in Studien verwendet, die sich mit der Wirkung von schneller Salzinfusion, Haltung, Bewegung und Bronchokonstriktion^{2,3beschäftigen} . ^{, 4 , 14 , 15}. Die Fähigkeit der Technik, die gesamte Lungen-Heterogenität der spezifischen Belüftung zu schätzen, wurde mit dem etablierten Mehrfachauswaschtest^{7 validiert} und in jüngerer Zeit wurde eine regionale Quervalidierung durchgeführt, die durch Vergleich SVI und hyperpolarisiertes Gas mehrere Atem-spezifische Lüftungsdarstellung¹⁶. Diese zuverlässige und leicht einsetzbare Technik, die in der Lage ist, eine spezifische Beatmung in der menschlichen Lunge quantitativ abzubilden, hat das Potenzial, einen wesentlichen Beitrag zur Früherkennung und Diagnose von Atemwegserkrankungen zu leisten. Es bietet auch neue Möglichkeiten, regionale Lungenanomalien zu quantifizieren und Veränderungen zu verfolgen, die durch die Therapie hervorgerufen werden. Diese Veränderungen in der regionsspezifischen Lungenfunktion, die uns SVI erstmals messen kann, haben das Potenzial, Biomarker zu werden, um die Wirkung von Medikamenten und inhalierten Therapien zu beurteilen, und könnten ein äußerst nützliches Instrument in klinischen Studien sein.

Der Zweck dieses Artikels ist es, die Methodik der spezifischen Lüftungsbildgebung detailliert und in visueller Form zu präsentieren und so zur Verbreitung der Technik in weitere Zentren beizutragen.

Protocol

Das Human Research Protection Program der University of California, San Diego, hat dieses Protokoll genehmigt. 1. Thema Sicherheit und Ausbildung Erhalten Sie eine schriftliche, informierte Einwilligung des Betroffenen. Beschreiben Sie die potenziellen Risiken, die durch die Exposition bei sich schnell verändernden Magnetfeldern entstehen, und die potenziellen Beschwerden, die durch die Verwendung von Gesichtsmaske und Atemtrockengas entstehen. Stellen Sie sicher, dass das…

Representative Results

Einzelne Scheibe SVI in einem gesunden ThemaDie spezifische Lüftungsbildgebung erzeugt quantitative Karten spezifischer Belüftung, wie sie in Abbildung 3Agezeigt werden, die eine einzelne Scheibe in der rechten Lunge eines 39-jährigen gesunden Weibchens darstellt. Beachten Sie das Vorhandensein des erwarteten vertikalen Gefälles in der spezifischen Belüftung; Der abhängige Teil der Lunge stellt eine höhere spezifische Belüftung dar als der nic…

Discussion

Die spezifische Lüftungsbildgebung ermöglicht die quantitative Kartierung der räumlichen Verteilung der spezifischen Belüftung in der menschlichen Lunge. Alternativen zu SVI gibt es, sind aber in gewisser Weise begrenzt: Mehrfache Atemauswaschen bietet ein Maß an Heterogenität, aber es fehlt an räumlichen Informationen²³. Alternative bildgebende Methoden setzen Patienten der ionisierenden Strahlung aus (z.B. SPECT, PET, CT, Gammascintigraphie) oder sind nicht weit verbreitet (hyperpolarisie…

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