Waiting
Processando Login

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

Medicine

Kvantitativ kart läggning av specifik ventilation i Human lung med Proton Magnetic resonanstomografi och syre som kontrast medel

Published: June 5, 2019 doi: 10.3791/59579
Automatic Translation
1, 2, 1, 1, 1
1Pulmonary Imaging Laboratory, Department of Medicine, University of California, San Diego, 2Pulmonary Imaging Laboratory, Department of Radiology, University of California, San Diego

Summary

Specifik ventilation Imaging är en funktionell magnetisk resonanstomografi teknik som möjliggör kvantifiering av regional specifik ventilation i den mänskliga lungan, med hjälp av inhalerat syre som kontrast medel. Här presenterar vi ett protokoll för att samla in och analysera specifika ventilations avbildnings data.

Abstract

Specifik ventilation Imaging (SVI) är en funktionell magnetisk resonanstomografi teknik som kan kvantifiera specifik ventilation ― förhållandet mellan färsk gas som kommer in i en lung region dividerat med regionens end-Expiratorisk volym ― i människans lunga, med endast Inhalerat syre som kontrast medel. Regional kvantifiering av specifik ventilation har potential att hjälpa till att identifiera områden med patologisk lung funktion. Syre i lösning i vävnad förkortar vävnadens longitudinella avslappnings tid (T1), och därmed kan en förändring i vävnadsyresättning upptäckas som en förändring i T1-viktad signal med en inversion återhämtning förvärvad bild. Efter en abrupt förändring mellan två koncentrationer av inspirerat syre, den hastighet med vilken lung vävnad inom en Voxel utjämnad till en ny Steady-State återspeglar den hastighet med vilken inhemsk gas ersätts med inhalerad gas. Denna hastighet bestäms av specifik ventilation. För att framkalla denna plötsliga förändring i syresättning, ämnen andas omväxlande 20-andetag block av luft (21% syre) och 100% syre medan i MRI-skannern. En stegvis förändring i inspirerad syre fraktion uppnås genom användning av en anpassad tredimensionell (3D)-tryckt flöde bypass-system med en manuell omkopplare under en kort slut-expiratory andetag håll. För att upptäcka motsvarande förändring i T1, en global inversion puls följt av en enda skott snabb snurrande ekosekvens användes för att förvärva tvådimensionella t1-viktade bilder i en 1,5 t MRI scanner, med hjälp av en åtta-element torso spole. Både Single slice och multi-slice Imaging är möjliga, med lite olika avbildnings parametrar. Kvantifiering av specifik ventilation uppnås genom att korrelera tids förloppet för signalintensitet för varje lung Voxel med ett bibliotek av simulerade svar på luft/syre stimulans. SVI uppskattningar av specifik ventilation heterogenitet har validerats mot flera andetag Wash-out och visat sig exakt bestämma heterogenitet av den specifika ventilationen distribution.

Introduction

Det övergripande målet för specifik ventilation Imaging (SVI) ― en Proton magnetisk resonanstomografi (MRI) teknik som använder syre som kontrast medel1 ― är att kvantitativt kartlägga specifik ventilation i den mänskliga lungan. Specifik ventilation är förhållandet mellan färsk gas som levereras till en lung region i ett andetag dividerat med slutet utandnings volym av samma lung region1. I samband med mätningar av lokal lung täthet kan specifik ventilation användas för att beräkna regional ventilation2. Mätningar av lokal ventilation och ventilation heterogenitet som tillhandahålls av svi har potential att berika förståelsen av hur lungan fungerar, både normalt och onormalt3,4.

Specifik ventilation Imaging är en förlängning av den klassiska fysiologi test, flera andetag washout (MBW), en teknik som först infördes på 1950-talet5,6. Båda teknikerna använder gas Washin/washout för att mäta heterogenitet av specifik ventilation, men SVI ger rumsligt lokaliserad information medan MBW ger endast globala mått av heterogenitet. I MBW används en masspektrometer för att mäta den blandade utgångna koncentrationen av en olöslig gas (kväve, helium, svavelhexafluorid etc.) över många andetag under en Wash-out av den gasen, som avbildas i figur 1. Tillsammans med den utgångna volymen per andetag under washout perioden, denna information kan användas för att beräkna den totala fördelningen av specifik ventilation i lungan. I SVI används en MRI-skanner för att mäta den T1-viktade signalen ― som är ett surrogat för mängden syre i lösningen i lung vävnad, en direkt indikator på lokal syre koncentration ― i varje lunga Voxel över många andetag under flera Washin/washouts syre. På ett sätt som är direkt analogt med MBW, denna information gör att vi kan beräkna den specifika ventilation av varje lung Voxel. Tekniken utför med andra ord tusentals parallella MBW-liknande experiment, en för varje Voxel, under ett SVI-experiment. I själva verket kan de rumsliga kartorna av specifik ventilation sålunda produceras kompileras för att återvinna den specifika ventilation heterogenitet produktionen av MBW. En valideringsstudie7 visade att de två metoderna gav jämförbara resultat när de utfördes i serier på samma försöks personer.

Andra avbildnings metoder finns som, liksom SVI, ger rumsliga mått på ventilation heterogenitet. Positron emission tomografi (PET)8,9, singel-Photon emission datortomografi (SPECT)10,11, och hyperpolariserad gas MRI12,13 tekniker har använts för att skapa en stor mängd litteratur om rumsligt ventilations mönster i friska och onormala ämnen. I allmänhet har dessa tekniker minst en klar fördel jämfört med SVI, eftersom deras signal-brus-förhållande är karakteristiskt högre. Men varje teknik har också en karakteristisk nackdel: PET och SPECT innebär exponering för joniserande strålning, och hyperpolariserad MRI kräver användning av mycket specialiserade hyperpolariserad gas och en MR scanner med icke-standardiserade multi-nuclei hård vara.

SVI, en Proton-MRI-teknik, använder vanligt vis 1,5 Tesla MR-maskinvara med inhalerat syre som kontrast medel (båda Elementen finns lätt tillgängliga i vården), vilket gör det potentiellt mer generaliserbart för den kliniska miljön. SVI utnyttjar det faktum att syre förkortar den longitudinella avkopplings tiden (T1) av lung vävnad1, vilket i sin tur översätter till en förändring i signalintensitet i en T1-vägd bild. Således inducerar förändringar i koncentrationen av inspirerat syre förändring i signalintensiteten hos lämpligt tidsinställda MRI-bilder. Hastigheten för denna förändring efter en plötslig förändring i inspirerad syre koncentration, typiskt luft och 100% syre, återspeglar den hastighet med vilken inhemsk gas ersätts med inhalations gasen. Denna ersättnings grad bestäms av specifik ventilation.

Eftersom SVI inte omfattar joniserande strålning, har den inga kontraindikationer för longitudinella och interventionella studier som följer patienter över tid. Därför är det idealiskt lämpad för att studera sjukdomsprogression eller utvärdera hur enskilda patienter svarar på behandlingen. På grund av sin relativa lätthet och säkra repeterbarhet, är specifik ventilation Imaging, i allmänhet, en idealisk teknik för dem som vill studera stora effekter och/eller ett stort antal människor över tid eller på flera olika kliniska platser.

Efter den ursprungliga publikationen som beskriver tekniken1har specifik ventilations avbildning (svi) använts i studier med fokus på effekten av snabb saltlösning, kropps hållning, motion och bronkokonstriktion2,3 , 4 för att , 14 (på) , 15. tekniken förmåga att uppskatta hela lung heterogenitet av specifik ventilation har validerats med hjälp av väletablerade flera andetag Wash-out test7 och på senare tid, en regional en kors validering utfördes, av jämföra SVI och hyperpolariserad gas flera andetag specifik ventilation Imaging16. Denna pålitliga och lätt kan sättas teknik, kan kvantitativt kartlägga specifik ventilation i den mänskliga lungan, har potential att avsevärt bidra till tidig upptäckt och diagnos av luftvägs sjukdom. Det presenterar också nya möjligheter att kvantifiera regionala lung avvikelser och följa förändringar som induceras av terapi. Dessa förändringar i den regionspecifika lung funktionen, som SVI gör det möjligt för oss att mäta för första gången, har potential att bli bio markörer för att bedöma effekten av droger och inhalerade terapier, och kan vara ett mycket användbart verktyg i kliniska prövningar.

Syftet med denna artikel är att presentera metoden för specifik ventilation Imaging i detalj och i en visuell form, vilket bidrar till spridningen av tekniken till fler centra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

University of California, San Diego Human forskning Protection program har godkänt detta protokoll.

1. försöks personen säkerhet och utbildning

  1. Inhämta skriftligt, informerat samtycke från försöks personen. Beskriv de potentiella risker som exponering för snabbt föränderliga magnet fält, och det potentiella obehag av att använda ansikts mask och andas torr gas.
  2. Se till att motivet kan genomgå MR-skanning på ett säkert sätt genom att använda den lokalt godkända magnet röntgen enkäten.
  3. Om ämnet är en kvinnlig i fertil ålder, och osäker på hennes graviditet status, be henne att själv administrera en over-the-counter graviditets test. Om försöks personen är gravid, utesluta försöks personen från resten av studien.
  4. Mät ämnes vikten. Skanner säkerhets parametrar som begränsar mängden radio frekvens (RF) energi som levereras till motivet kräver inmatning av denna egenskap. Kontrol lera att ämnes vikten ligger under den maximala vikt gränsen för MRI-tabellen (i det här fallet 136 kg).
  5. Träna motivet att andas i tid med MR Scan sekvens. Helst, spela en ljud inspelning av en tidigare skanning och instruera motivet att andas normalt och slutföra ett andetag var 5 s, med hjälp av ljud signaler från skannern som guide; andas tillsammans med ämnet i syfte att utbilda.
  6. Bestäm storleken på ansikts masken (storlek varierar från Petite till extra stora [XL]) som bäst passar motivet genom att mäta motivet näsa-till-hakan dimensioner. En mask i lämplig storlek kommer att passa bekvämt men förhindrar att luft läcker in mellan masken och försöks personen när som helst. Försök på andra storlekar om det behövs.
  7. Kontrol lera att ämnes fickorna och kläderna är fria från magnetiska kredit kort och järn innehåll ande metall bitar. Om det behövs, har ämnet ändras till den medicinska klänning som tillhandahålls av MRI-anläggningen.
    Anmärkning: Metall kan vara farligt i MRI-miljö, och metalliska föremål såsom klipp (typiskt i Bras), metall ringar (BH och Hoodies), metall knapp eller blixtlås (skjortor, tröjor), hår förlängning och peruker har potential att skapa bild artefakter.

2. beredning av MRI-miljön

  1. Tillåt endast personal som är utbildad inom MRI-säkerhet att använda skanner rummets standarder för att komma in i skannerns rum eller hjälpa till att utföra experimentet.
  2. Konfigurera MR-skannern för användning med en torso-spole genom att ansluta spolen till rätt kontakt i skanner bordet.
  3. Förbered skanner bordet med lakan, kuddar och kuddar så att motivet kommer att vara bekvämt i minst 30 min under bild tagning.
  4. Montera syrgas leverans systemet.
    Anmärkning:     ett Schematiskt diagram över slangen presenteras i figur 2.
    1. Placera en två-/trevägskopplande ventil inom räckhåll för skanner operatören eller den person som utför SVI-experimentet.
    2. Anslut antingen tanken på medicinskt syre (utanför skanner rummet) eller syretillförseln (om sådan finns) till ett inlopp av kopplings ventilen med 1/4-tums plaströr.
    3. Anslut utloppet från switchventilen som finns i kontroll rummet till 8 m (tillräcklig längd för skannern) 1/4-tums plaströr. Mata slangen genom pass-through, från kontroll rummet till skanner rummet, och se till att det kommer att nå mitten av skanner hålet.
      Anmärkning: Den plaströr som förbinder kopplings ventilen utlopp till flödet bypass mask ingår ett steg upp i diameter under de senaste 2 m, från 1/4 tum till 3/8 tum till 1/2 tum, för att minska bullret som produceras av luft som strömmar in i flödet bypass-systemet.
    4. Anslut den 1/2 tum änden av slangen till flödet bypass mask bifogad fil.
    5. Fäst flödes förbikopplingsfästet på den ansikts mask som passar motivet.
    6. Ställ in trycket på gas tanken eller vägguttaget regulatorn till ett värde som ger ett flöde av syre som är större än den förväntade maximala inspiratorisk flöde. Det tryck som behövs beror på arten av studien (vila, motion, etc.) och det totala motståndet i gas leverans systemet (typiskt ~ 70 psi för det leverans system som beskrivs i steg 2.4.3 för studier i vila).
    7. Testa växlings ventilen genom att aktivera flödet av syre, se till att tillräckligt flöde är närvarande vid utloppet av flödet-bypass kvarstad och att inga läckor finns i plast slangen.

3. instrumentering och förberedelse av motivet för avbildning

  1. Har ämnet ligga på MRI-tabellen. Se till att toppen av den nedre delen av spolen ger adekvat täckning av lungapices, genom att se till att toppen av den undre-spole elementet är högre än motivet axlar.
  2. Har ämnet infoga öron proppar och kontrol lera att ljudet blockeras.
  3. Tejpa ihop kläm kulan (eller en alternativ säkerhetsmekanism) till motivet på hand leden så att den lätt kan nås.
  4. Fäst masken och flödet bypass-systemet till motivet ansikte. Kort Täpp utandnings sidan av flödet-bypass kvarstad och be motivet att försöka en normal inspiration och utgångs datum för att kontrol lera om läckor.
  5. Placera motivet i skannern, med hjälp av ljus centrering verktyg för att se till att bålen spole upptar centrum av hålet.
  6. Anslut flödet bypass linje till 3D tryckt flöde-bypass mask kvarstad med åtsittande mässing muttern till inloppet.

4. MRI-avbildning

  1. Välj den anatomiska placeringen för bild segment.
    1. Förvärva en Localizer sekvens för att få en anatomisk karta som kommer att användas för att ordinera resten av provet.
    2. Välj upp till 4 sagittal lung skivor som ska studeras genom att klicka och dra avbildnings segmentet till önskad plats med hjälp av skannerns grafiska användar gränssnitt. Vanligt vis är synfält inställt på 40 x 40 cm och slice tjocklek till 1,5 cm. Välj segment centrerad i lung fältet inriktning regionen av intresse för studien, vanligt vis minimerar inträngning av stora pulmonella kärl medialt och bröst väggen i sidled till maximera den provade lung volymen.
      Anmärkning: Segment val kan göras i alla plan; upp till 4 segment kan väljas. För demonstrations ändamål kommer en del att förvärvas.
    3. Anteckna platsen för avbildnings skivorna med avseende på platsen för ryggraden så att samma volym kan avbildade för longitudinella studier.
  2. Specifik ventilations avbildning
    Obs:     en lista med typiska MRI-parametrar presenteras i tabell 1.
    1. Ställ in inversion tid i MR-dator för de mest mediala skiva till 1 100 ms att maximera luft-syre kontrast17.
    2. Ange anskaffnings parametrarna (tabell 1) för avbildnings förvärv. För förvärv av flera segment förvärvas varje ytterligare skiva efter den första, med intervaller om 235 MS (1 335 MS, 1 570 MS, 1 805 MS).
      Anmärkning: Efter inversion återhämtning puls och ett tidsintervall (som beskrivs av inversion tid), varje segment bild förvärvas med hjälp av en halv-Fourier Single Shot Turbo spin-ECHO (HASTE), på 128 x 128 upplösning (70-rader av k-Space samplas); bilderna rekonstrueras till 256 x 256 upplösning.
    3. Ange antalet repetitioner till 220 och repetitions tiden (TR) till 5 s. Detta kommer att resultera i att upprepa 4.2.1 och 4.2.2 för totalt 220 på varandra följande andetag, 5 s isär. Be ämnet att frivilligt grinden sin andning i tid med bilden förvärv.
      Anmärkning: Bilder förvärvas i slutet av en normal utgång i ett kort frivilligt andnings uppehåll vid funktionell restkapacitet (FRC). Det är viktigt att en liknande lung volym uppnås konsekvent under var och en av dessa på varandra följande förvärv.
    4. Övervaka samstämmigheten i patientens lung volym (upphör att gälla) under efterföljande förvärv och ge återkoppling för att förbättra kvaliteten om det behövs. Öka TR (tidsintervallet mellan successiva förvärv) om ämnet finner det svårt att nå en konsekvent lung volym var 5 s.
    5. Byt ämne är inspirerad gas blandning varje 20 andetag (under förvärvet andetag hålla för försöks personen komfort), alternerande mellan rumsluft och medicinskt syre. Anteckna när växlarna inträffade och de intervaller under vilka motivet andas varje gas. Låt ämnet att andas 100% syre för 40 på varandra följande andetag någon gång i experimentet (vanligt vis andetag 20-60 eller 180-220) för att öka känsligheten för låg ventilation lung regioner.
    6. Kontrol lera regelbundet pulsen (40 − 80 för normala personer i vila) och syremättnad (typiskt 98 − 100%) genom att titta på pulsoximetern (figur 2); avvikelser från normen kan signalera ångest eller ångest.
    7. Prata ofta med motivet genom att trycka på knapp tryckning på skanner tangent bordet, vilket ger regelbundna uppdateringar av återstående tid.
    8. Efter andetag 220, är Imaging klar. Returnera föremål till rumsluft och ta bort honom eller henne från skannern.

5. skapa en specifik ventilations karta från en tids serie med bilder

  1. Kontrol lera att en bunt med 220 på varandra följande MR-bilder för varje lung skiva förvärvades.
  2. Importera bilderna för registrering i bild analys programmet (t. ex. MATLAB).
  3. Av de 220 bilder, välja, genom visuell inspektion av hela bilden stacken, för varje skiva en som bäst representerar funktionell restkapacitet. Funktionell restkapacitet identifieras som "läge" av lung volymer i stacken.
  4. Använda "mode" bild som referens, Använd projektiv eller affine registrering för att registrera alla bilder till funktionell residualkapacitet referens.
    Anmärkning: Registrering utförs vanligt vis med hjälp av en algoritm som utvecklats i hus18 eller en allmänt tillgänglig generaliserad-Dual bootstrap iterativ närmaste punkt algoritm (gdb-ICP19).
  5. Använd utdata från registreringsalgoritmen för att beräkna områdes ändringen för varje avbildning. Ta bort bilder vars registrerings steg krävs > 10% områdes ändring från bildstapeln och behandla dem som saknade data20.
  6. Kvantifiera specifik ventilation i lungan från den registrerade stacken med hjälp av en algoritmsom utvecklats i hus1,7. Utför kvantifiering genom att jämföra tidresponsen för varje Voxel till de efterföljande syre Washin-och washout-serierna, till ett bibliotek med 50 simulerade, bullerfria, svar, motsvarande specifika ventiler från 0,01 till 10, i steg om 15%. Varje Voxel tilldelas ett värde av specifik ventilation som motsvarar den specifika ventilation av den simulerade ideal presentera maximal korrelation med varje Voxel s tids serier, som ursprungligen presenterades i1.
  7. Utdata från föregående steg är en karta över specifik ventilation. Skapa ett histogram av distributionen, och beräkna bredden på den specifika ventilation fördelningen, ett mått på den specifika ventilation heterogenitet, oberoende av tid vatten volym.

6. kombinera specifik ventilation och densitet kartor för att beräkna regional alveolar ventilation

  1. Förutom SVI, förvärva lung Proton densitet bilder21, som beskrivs i en tidigare studie22 (avsnitten 4,4 och 5,1 i referens22). Hämta Proton densitet bilder i samma lung skiva (s), på samma lung volym (FRC, slutet av en normal utgång); ställa in upplösningen till 64 x 64, vilket motsvarar en Voxel storlek på ~ 6,3 mm x 6,3 mm x 15 mm (~ 0,6 cm3).
  2. Rikta in specifika ventilations-och protondensitetsbilder.
    1. Släta ut både de specifika ventilations-och protondensitetsbilderna med ett gaussiskt filter med en kernel-storlek på ~ 1 cm3.
    2. Utför stel registrering (översättning och rotation) mellan kartan över specifik ventilation och kartan över densitet med hjälp av en ömsesidig informationsbaserad algoritm.
  3. Beräkna alveolära ventilation från co-registrerade specifika ventilation och Proton densitet data.
    1. Beräkna en karta över (1-densitet), som är den del av luften i den provade volymen i slutet av en normal utgångs tid, förutsatt att lungan består av luft och vävnad och att vävnads tätheten är ~ 1 g/cm3.
    2. Beräkna en regional ventilations karta som produkten (1-densitet) x SV (naturliga enheter). Multiplicera denna produkt med volymen av en Voxel (eller annan region av intresse) och andnings frekvens (påtvingat, typiskt 12 andetag/min), för att få en karta över ventilation i de mer välbekanta enheter av ml/min.
      Anmärkning: För varje lung region, SV = ΔV/V0 och (1-densitet) ≈ v0. Sålunda, produkten (1-densitet) x SV = regional ventilation, uttryckt i naturliga enheter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Single slice SVI i ett hälsosamt ämne
Specifik ventilations avbildning producerar kvantitativa kartor över specifik ventilation enligt figur 3a, som skildrar en enda skiva i den högra lungan hos en 39-årig frisk hona. Notera närvaron av den förväntade vertikala gradienten i specifik ventilation; den beroende delen av lungan uppvisar högre specifik ventilation än den icke-beroende delen av lungan. Ett histogram över de mappade specifika ventilations värden presenteras (figur 3b, fyllda cirklar) tillsammans med en bäst lämpade log-normal sannolikhets fördelnings funktion (prickad linje). Bredden på den bäst lämpade fördelningen kan användas som ett mått på specifik ventilation heterogenitet7, 23. Figur 1 visar en multipel utandning som erhållits i samma ämne, i samma kropps ställning. Figur 1a visar den tidsmässiga inspelningen av kväve koncentrationen mätt i munnen efter en över gång från inspirerad luft till inspirerad 100% syre. Figur 1b visar fördelningen av specifik ventilation enligt uppskattning från Wash-out. För både SVI och MBW är den relevanta variabeln bredden på fördelningen, mätt här med bredden på en normal fördelning av stocken som monterats på data (prickad linje), konstaterades vara 0,41, med hjälp av SVI och 0,42 med MBW inom det sunda normala intervallet. Validering av SVI-beräknad specifik ventilation heterogenitet i jämförelse med MBW utfördes på 10 försöks personer och skillnaden mellan tekniker konstaterades vara mindre än MBW intertest variation7. En rumslig jämförelse med en hyperpolariserad gas flera andetag specifik ventilation Imaging16 visade också tillförlitliga grupp uppskattningar av specifik ventilation heterogenitet (bredden på den specifika ventilation fördelningen över 8 patienter studerade var 0,28 ± 0,08 och 0,27 ± 0,10 för hyperpolariserad 3he respektive specifik ventilations avbildning), trots högre intra-individuell variabilitet (standard avvikelsen för de individuella skillnaderna i bredd var 0,13)16.

Specifika ventilations kartor kan också användas tillsammans med lung täthet kartor för att beräkna regionala alveolära ventilation. För att generera kartor av alveolär ventilation, särskilda ventilation och densitet bilder måste rumsligt jämnas för att minimera de potentiella mindre avvikelser mellan de två formerna.

Svar på metakolinutmaningen i ett astmatiska ämne
SVI kan användas för att mäta både lung-övergripande och regionala svar på interventioner såsom övning4, hållning2, eller medicinering3. Som ett exempel, bild 4 skildrar Single-slice kartor från lungan av en mild astmatiska kvinnliga försöks person vid Baseline (figur 4a), efter bronkokonstriktion med metakolin (figur 4b), och efter Albuterol-assisterad återhämtning ( Figur 4C). Notera den ökade specifika ventilation heterogenitet under den inducerade astma händelsen, och närvaron av stora fläckar av liten eller ingen specifik ventilation (mörkblå regioner i den beroende delen av lungan). Observera också att ventilation ökade paradoxalt i vissa regioner under bronkokonstriktion (grön-röda regioner).

Flera segment SVI
Upp till sex (typiskt fyra), sammanhängande, 15 mm lung skivor kan samtidigt avbildas med SVI. Figur 5 skildrar fyra sammanhängande höger lung skivor, som täcker ~ 70% av den högra lungan, i en måttlig astmatiska manliga subjekt som hade dragits tillbaka från hans astma mediciner för 24 timmar.

Karta över ventilations öppningar
Förutsatt att lung täthet information förvärvades i samma segment, och andnings frekvensen är känd, en helt kvantitativ ventilations karta kan beräknas i enheter av mL/min/mL. Ett exempel på en karta över ventilation visas i figur 6.

Figure 1
Figur 1: flera andetag Wash-out. (A) typisk MBW-spårning som visar utgångna kväve (N2) koncentration (topp) och tid vattens volym (botten) över tid (sekunder, s). Data förvärvades i liggande ställning; försöks personen var en frisk 39-årig hona. (B) histogram som skildrar fördelningen av specifik ventilation (sv) som beräknats från MBW-experimentet med hjälp av den metod som föreslagits av Lewis et al.23 (heldragen linje). Streckad linje representerar log (Gaussian) bäst passar till den specifika ventilation distribution. Den specifika ventilationens heterogenitet, det viktigaste resultatet, mäts som bredden på den bäst lämpade fördelningen, i detta fall 0,42. Denna siffra har skrivits om med tillstånd från referens7. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: diagram över VVS-systemet och instrumentering. Specifik ventilation Imaging kräver 100% medicinskt syre, antingen från komprimerad gas tank (som dras) eller ett vägguttag. Syre källan är ansluten till en växel ventil (kontroll rum), som i sin tur är ansluten, genom MRI passera-through, till 3D tryckt flöde bypass system24, ansluten till en ansikts mask (skanner rum). Den vänstra sidan av ritningen motsvarar MRI-kontrollrummet, höger sida till skanner rummet. Plast slangen som förbinder tanken med brytaren är 1/4 tum i diameter. Slangen från växel ventilens utlopp till flödes bypass-systemet är också 1/4. De sista 2m inkluderar ett steg upp i diameter, från 1/4 tum till 3/8 tum, och sedan till 1/2 tum, för att minska bullret som produceras av flödet av luft24. En pulsoximeter används för att övervaka patientens hjärt frekvens (HR) och syremättnad (SAT) nivåer. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: specifik ventilations avbildning. (A) typisk karta över specifik ventilation (färg), överlagd på en ANATOMISK MRI-bild av samma liggande ämne (gråskala). Specifik ventilation varierar från mycket låga värden (blå) till SV = 1,0 (röd). Ämnet, 39 år gamla friska frivilliga (samma ämne som i figur 1) var avbildad i liggande ställning. Notera den vertikala gradienten i specifik ventilation. En fantom känd MR-egenskap som används för kalibrering av absolut densitet placerades i den främre bröst väggen. Phantoms krävs inte för SVI-kvantifiering. (B) histogram över fördelningen av specifik ventilation (fyllda cirklar) som sammanställts från den specifika ventilations kartan. Bredden på fördelningen representerar heterogenitet av specifik ventilation i lung segmentet studeras. I detta exempel är fördelningen unimodala och bredden på stocken Gaussian monterad distribution (prickad linje) var 0,41; Detta är jämförbart med MBW-specifik ventilation fördelning som presenteras i figur 1b, för samma ämne och hållning, där bredden på fördelningen) var 0,42. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: bronkokonstriktion och Bronkdilatation kartor i en mild astmatiska. Specifik ventilation mätt i ett milt astmatiska ämne (kvinna, 24 år) vid Baseline (a), efter inhalation av 1 mg/ml metakolin (B) och efter inhalation av Albuterol (C). Notera de betydande förändringar i distributionen av specifik ventilation efter induktion av en astma-liknande händelse med hjälp av metakolin (panel B), med stora regioner i den beroende lungan visar mycket låg specifik ventilation. Observera också återhämtningen efter bronkdilaterare administration (panel C). Liksom i figur 3har de specifika ventilations kartorna överlagts i en ANATOMISK MRI. Bredden på den specifika ventilations fördelningen var 0,31 vid Baseline, 0,94 post methacholine, och 0,28 post Albuterol. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: flersegmentsspecifik ventilations karta i en måttlig astmatiska efter 24-h medicinering abstinens. Specifik ventilation karta över 4 sammanhängande lung skivor i den högra lungan, förvärvade i en 25-årig manlig måttlig astmatiska efter 24 timmar tillbaka dragande av dagliga astma mediciner. De 4 skivor som visas täcker ~ 70% av försöks personen högra lungan. Regioner med låg specifik ventilation (mörkblå) finns i alla segment. Vid Baseline var FEV1 84% predikterad. Efter 24 timmar tillbaka dragande av dagliga mediciner, detta ämne s FEV1 var 69% av förutspådde; efter avbildning använde försöks personen sin räddnings inhalator och FEV1 återhämtade sig till 83% av förväntat. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: exempel på ventilations karta som visar ventilation (ml/min/ml) som erhållits hos en frisk 27-årig manlig försöks person. Ventilations kartor genererades som beskrivs i avsnitt 6, med hjälp av en SV-karta tillsammans med en karta över lung protondensitet i samma skiva. I detta exempel var både SV och densitet kartor jämnas med hjälp av en logg Gaussian kernel med en full bredd på halva max 5 voxels, vilket resulterar i en spatial skala ~ 0,64 cm2 i planet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

MRI-parametrar SVI Anteckningar
Eko tid (TE) 21,6 ms (enstaka skiva)
18,2 ms (flera segment)
Repetitions tid (TR) Mer från 5 s Alla värden > 4 s
Justera för patientens komfort
Tid för inversion (TI) 1,100 s (enstaka skiva) För multi slice, TI av slice n
1,100, 1,335, 1,570, 1,805 s (4 skivor) TI (n) = 1.100 s + 0.235 * (n-1)
Matris 256 x 128 (enstaka skiva)
128 x 128 (flera segment)
Synfält 40 cm 32-44 cm
Bandbredd 125 kHz

Tabell 1: förteckning över typiska MRI-parametrar som används vid förvärv av specifik ventilations avbildning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Specifik ventilations avbildning möjliggör kvantitativ kart läggning av den rumsliga fördelningen av specifik ventilation i människans lungor. Alternativ till SVI finns men är begränsade på något sätt: flera andetag Wash-out ger ett mått av heterogenitet men saknar rumslig information23. Alternativa avbildnings metoder utsätter patienter för joniserande strålning (t. ex. SPECT, PET, CT, gamma-scintigrafi) eller är inte allmänt tillgängliga (hyperpolariserad gas avbildning med MRT). Specifik ventilation Imaging ger rumslig information och kan utföras med hjälp av en standard klinisk scanner och inhalerat syre som kontrast källa, och därmed kan översättas till nästan alla kliniska forsknings miljö. Det faktum att SVI inte kräver användning av strålning eller kontrast medel gör det väl lämpad för upprepade eller longitudinella studier som kvantitativt utvärderar regionala svar på medicinering, terapi eller interventioner. Denna typ av regional kvantitativ information om effekten av behandling kan vara särskilt användbar i samband med inhalerad läkemedels leverans.

Nack delarna med SVI är att den har en relativt låg signal-brus-förhållande (typiskt 4-7), det kräver ~ 18 minuter att förvärva och att det är något mödosamt för ämnet och data analytiker. Ämnes utbildning är avgörande för anskaffning av tillförlitliga specifika ventilations data. Motivet är vanligt vis utbildad, med hjälp av en inspelad soundtrack av skannern ljud, före bildningssessionen, så att han eller hon kan nå en reproducerbar volym (FRC) för varje 220 andetag hålla bilder. Idealiskt, detta uppnås när du andas på en normal, bekväm tid vatten volym utan hyperventilering. Oprecisa andetag måste redovisas i efter behandling av data analytiker, som måste använda bild registrering program vara för att redovisa skillnader i lung volym (avsnitt 5,3 ovan).

Sedan tekniken ursprungliga publikation1, svi har genomgått en modifiering för att effektivisera genomförandet. Ett 3D-tryckt MR-kompatibelt flöde-bypass-system24 aktiverat nära-momentan växling mellan leverans av rumsluft och syre till motivet. Detta system minskar avsevärt komplexiteten i den ursprungliga installationen, som liknade gas-leverans setup tidigare beskrivits i en JoVE papper om per fusion Imaging22. Detta, tillsammans med den pågående utvecklingen av fri andning förvärvs teknik, kommer att göra flytta tekniken närmare klinisk forskning tillämplighet.

Som presenteras här, SVI har 2 huvudsakliga begränsningar: 1) de fyra skivorna (typiskt) av den högra lungan som förvärvas representerar endast ~ 70% av den högra lungan-i dess nuvarande genomförande, inte mer än sex skivor kan förvärvas vid 1.5 T på grund av RF deposition leder till vävnad han rörelse vävnad uppvärmning ökar vid högre fält styrkor, ytterligare begränsa multi-slice förvärv vid 3T; och 2) SVI tar ~ 18 minuter att förvärva, och därmed kartan över specifik ventilation återspeglar varje Voxel är tids genomsnitt specifik ventilation över detta intervall.

Full lung täckning kan dock uppnås genom att upprepa proceduren eller genom förnedrande rumslig upplösning, och skannings tiden kan reduceras på bekostnad av noggrannhet i specifik ventilation kvantifiering. Tekniken är, i allmänhet, mångsidig och olika förvärv kompromisser är möjliga, var optimala för olika tillämpningar. Till exempel, i en studie av dynamisk återhämtning från en astma händelse25, svi data analyserades vid en högre temporal upplösning (~ 7 min vs. ~ 18 min) och samma rumsliga upplösning, på bekostnad av en ~ 30% ökning av osäkerheten om specifik ventilation (uppskattad från Monte Carlo-simuleringar). En nyligen modellerings studie26 syftade till att kvantifiera effekterna av flera mindre begränsningar av svi-tekniken, nämligen 1) att den avbildade volymen inte omfattar hela högra lungan, 2) att små avvikelser mellan på varandra följande bilder kan existera även efter registrering, och 3) att pulmonella vener, genom att transportera blod från andra ställen i lungorna till en avbildas region, kan lägga till störande signal som återspeglar ventilation i den region där blodet ursprungligen syresattes och inte i den region där det är att vara Avbildas. Studien26 fann att 1) hos friska försöks personer, en single-slice bild (som omfattar endast 8% av den totala lungan) uppskattar vertikal lutning av specifik ventilation inom 10% av dess sanna värde, 2) svi analys utförs på modellerade data mål medvetet feljusterade, i genomsnitt, med 9% (ett värsta scenario, förvärras genom att inte kasta bilder med fel Justeringar > 10%) resulterade i en ~ 20% underskattning av genomsnittlig specifik ventilation, en underskattning sannolikt driven av det faktum att blanda snabba och långsamma jämvikt enheter sannolikt kommer att resultera i en bias mot den långsammare, låg specifik ventilation sådana, och 3) pulmonell venös signal leder till systematisk överskattning av den specifika ventilationen med mindre än 10%.

Förmågan att producera funktionella bilder av den mänskliga lungan-i motsats till dra satsen funktion från anatomiska förändringar-har potential att bidra till tidig diagnos och öka förståelsen av lungan i hälsa och sjukdom. I synnerhet förmågan att producera repeterbara och kvantitativa regionala kartor över ventilation tillstånd longitudinell studier av sjukdomsprogression och möjliggör kvantifiering av effekten av interventioner, såsom inhalerade astma mediciner. Genom att kombinera specifik ventilations avbildning med två MRI-tekniker för att mäta lung täthet21 och pulmonell per fusion (tidigare presenterad i denna tid skrift22), kan kartor över förhållandet mellan ventilation och per fusion i hälsa och sjukdom genereras 2. som obalans mellan ventilation och per fusion är en viktig orsak till hypoxi och hyperkapni, regional information om ventilation per fusion förhållandet i hälsa och sjukdom kan ge ytterligare insikt i effekterna av lung sjukdom.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av nationella hjärt-, lung-och blod Institutet (NHLBI) (bidrag r01 HL-080203, r01 HL-081171, r01 HL-104118 och r01-HL119263) och National Space biomedicinska forsknings Institutet (National Aeronautics och Space Administration bidrag NCC 9-58). E.T. Geier stöddes av NHLBI Grant F30 HL127980.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sá, R. C., et al. Vertical distribution of specific ventilation in normal supine humans measured by oxygen-enhanced proton MRI. Journal of Applied Physiology. 109 (6), 1950-1959 (2010).
  2. Henderson, A. C., et al. The gravitational distribution of ventilation-perfusion ratio is more uniform in prone than supine posture in the normal human lung. Journal of Applied Physiology. 115 (3), 313-324 (2013).
  3. Geier, E. T., Neuhart, I., Theilmann, R. J., Prisk, G. K., Sá, R. C. Spatial persistence of reduced specific ventilation following methacholine challenge in the healthy human lung. Journal of Applied Physiology. 124 (5), 1222-1232 (2018).
  4. Tedjasaputra, V., et al. The heterogeneity of regional specific ventilation is unchanged following heavy exercise in athletes. Journal of Applied Physiology. 115 (1), 126-135 (2013).
  5. Fowler, W. S. Lung Function Studies. III. Uneven Pulmonary Ventilation in Normal Subjects and in Patients with Pulmonary Disease. Journal of Applied Physiology. 2 (6), 283-299 (1949).
  6. Robertson, J. S., Siri, W. E., Jones, H. B. Lung ventilation patterns determined by analysis of nitrogen elimination rates; use of mass spectrometer as a continuous gas analyzer. Journal of Clinical Investigation. 29 (5), 577-590 (1950).
  7. Sá, R. C., Asadi, A. K., Theilmann, R. J., Hopkins, S. R., Prisk, G. K., Darquenne, C. Validating the distribution of specific ventilation in healthy humans measured using proton MR imaging. Journal of Applied Physiology. 116 (8), 1048-1056 (2014).
  8. Musch, G., et al. Topographical distribution of pulmonary perfusion and ventilation, assessed by PET in supine and prone humans. Journal of Applied Physiology. 93 (5), 1841-1851 (2002).
  9. Venegas, J. G., Schroeder, T., Harris, R. S., Winkler, R. T., Melo, M. F. V. The distribution of ventilation during bronchoconstriction is patchy and bimodal: a PET imaging study. Respiratory Physiology & Neurobiology. 148 (1-2), 57-64 (2005).
  10. Orphanidou, D., Hughes, J. M., Myers, M. J., Al-Suhali, A. R., Henderson, B. Tomography of regional ventilation and perfusion using krypton 81m in normal subjects and asthmatic patients. Thorax. 41 (7), 542-551 (1986).
  11. King, G. G., Eberl, S., Salome, C. M., Meikle, S. R., Woolcock, A. J. Airway closure measured by a technegas bolus and SPECT. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 155 (2), 682-688 (1997).
  12. Horn, F. C., Deppe, M. H., Marshall, H., Parra-Robles, J., Wild, J. M. Quantification of regional fractional ventilation in human subjects by measurement of hyperpolarized 3He washout with 2D and 3D MRI. Journal of Applied Physiology. 116 (2), 129-139 (2014).
  13. Hamedani, H., et al. A hybrid multibreath wash-in wash-out lung function quantification scheme in human subjects using hyperpolarized 3 He MRI for simultaneous assessment of specific ventilation, alveolar oxygen tension, oxygen uptake, and air trapping. Magnetic Resonance in Medicine. 78 (2), 611-624 (2017).
  14. Hall, E. T., et al. The effect of supine exercise on the distribution of regional pulmonary blood flow measured using proton MRI. Journal of Applied Physiology. 116 (4), 451-461 (2014).
  15. Henderson, A. C., Sá, R. C., Barash, I. A., Holverda, S., Buxton, R. B., Prisk, G. K. Rapid intravenous infusion of 20mL/kg saline alters the distribution of perfusion in healthy supine humans. Respiratory Physiology & Neurobiology. 180 (2-3), 331-341 (2012).
  16. Arai, T. J., et al. Comparison of quantitative multiple-breath specific ventilation imaging using colocalized 2D oxygen-enhanced MRI and hyperpolarized 3He MRI. Journal of Applied Physiology. 125 (5), 1526-1535 (2018).
  17. Chen, Q., Jakob, P. M., Griswold, M. A., Levin, D. L., Hatabu, H., Edelman, R. R. Oxygen enhanced MR ventilation imaging of the lung. Magma: Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology, and Medicine. 7 (3), 153-161 (1998).
  18. Arai, T. J., Asadi, A. K., Sá, R. C. Deforminator: Projective transformation to register small scale Lung deformation. , Available from: https://github.com/UCSDPulmonaryImaging/Deforminator (2019).
  19. Yang, G., Stewart, C. V., Sofka, M., Tsai, C. -L. Registration of Challenging Image Pairs: Initialization, Estimation, and Decision. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 29 (11), 1973-1989 (2007).
  20. Arai, T. J., Villongco, C. T., Villongco, M. T., Hopkins, S. R., Theilmann, R. J. Affine transformation registers small scale lung deformation. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2012, 5298-5301 (2012).
  21. Theilmann, R. J., et al. Quantitative MRI measurement of lung density must account for the change in T(2) (*) with lung inflation. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 30 (2), 527-534 (2009).
  22. Arai, T. J., et al. Magnetic Resonance Imaging Quantification of Pulmonary Perfusion using Calibrated Arterial Spin Labeling. Journal of Visualized Experiments. 51 (51), e2712 (2011).
  23. Lewis, S. M., Evans, J. W., Jalowayski, A. A. Continuous Distributions of Specific Ventilation Recovered From Inert-Gas Washout. Journal of Applied Physiology. 44 (3), 416-423 (1978).
  24. Cook, F. R., Geier, E. T., Asadi, A. K., Sá, R. C., Prisk, G. K. Rapid Prototyping of Inspired Gas Delivery System for Pulmonary MRI Research. 3D Printing and Additive Manufacturing. 2 (4), 196-203 (2015).
  25. Zapol, W. M., et al. Pulmonary Delivery of Therapeutic and Diagnostic Gases. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 78-87 (2018).
  26. Kang, W., et al. In silico modeling of oxygen-enhanced MRI of specific ventilation. Physiological Reports. 6 (7), e13659 (2018).

Tags

Medicin andning lung specifik ventilation funktionell magnetisk resonanstomografi syrgas förstärkt magnetisk resonanstomografi ventilation
Kvantitativ kart läggning av specifik ventilation i Human lung med Proton Magnetic resonanstomografi och syre som kontrast medel
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Geier, E. T., Theilmann, R. J.,… More

Geier, E. T., Theilmann, R. J., Darquenne, C., Prisk, G. K., Sá, R. C. Quantitative Mapping of Specific Ventilation in the Human Lung using Proton Magnetic Resonance Imaging and Oxygen as a Contrast Agent. J. Vis. Exp. (148), e59579, doi:10.3791/59579 (2019).

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