Proton manyetik rezonans görüntüleme ve oksijen kontrast ajan olarak kullanarak ınsan akciğerinde spesifik havalandırma niceliksel haritalama
Summary
Spesifik havalandırma görüntüleme, insan akciğerinde bölgesel spesifik ventilasyonun ölçülmesine olanak sağlayan fonksiyonel bir manyetik rezonans görüntüleme tekniğidir ve bir kontrast maddesi olarak inhalasyonlu oksijen kullanıyor. Burada, özel havalandırma görüntüleme verilerini toplamak ve analiz etmek için bir protokol sunuyoruz.
Abstract
Spesifik havalandırma görüntüleme (SVı), spesifik ventilasyonu ölçebilen fonksiyonel bir manyetik rezonans görüntüleme tekniğidir-akciğer bölgesine giren taze gaz oranı, insan akciğerinde sadece bir kontrast aracı olarak inhale oksijen. Belirli havalandırma bölgesel kantifikasyon patolojik Akciğer fonksiyonunun alanlarını belirlemeye yardımcı olma potansiyeline sahiptir. Doku çözeltisi oksijen doku uzunlamasına rahatlama süresini kısaltır (t1), ve böylece doku oksijenasyon bir değişiklik T1ağırlıklı sinyal bir değişiklik olarak tespit edilebilir bir inversiyon kurtarma elde görüntü. İki ilham oksijen konsantrasyonu arasında ani bir değişiklik sonrasında, bir Voksel içindeki akciğer dokusunun yeni bir sabit duruma dengelendiği oran, yerleşik gazın solumalı gaz ile değiştirilmesi oranını yansıtır. Bu oran belirli havalandırma ile belirlenir. Oxygenation bu ani değişikliği almak için, konular dönüşümlü hava 20-nefes blokları nefes (21% oksijen) ve 100% oksijen iken MRG tarayıcı. İlham oksijen fraksiyonunda bir step değişiklik özel bir üç boyutlu kullanımı ile elde edilir (3D)-kısa bir uç sırasında manuel bir switch ile baskılı akış bypass sistemi-süresi dolan nefes tutun. T1‘ deki karşılık gelen değişikliği algılamak için, sekiz elemanlık bir gövde bobini kullanarak, 1,5 t MRG tarayıcıdaki iki boyutlu t1ağırlıklı görüntüleri elde etmek için tek çekim hızlı spin Echo dizisinin ardından bir küresel inversiyon nabzı kullanılmıştır. Hem tek dilim hem de çok dilimli görüntüleme, biraz farklı görüntüleme parametreleriyle mümkündür. Hava/oksijen uyarıcı simüle tepkiler bir kütüphane ile her bir akciğer Voksel için sinyal yoğunluğu zaman-ders ilişkilendirerek belirli havalandırma miktarının elde edilir. Özel havalandırma heterojenitesi SVı tahminlerini birden fazla nefes yıkıma karşı doğrulanır ve doğru özel havalandırma dağılımı heterojenliği belirlemek için kanıtlanmıştır.
Introduction
Spesifik havalandırma görüntülemenin (SVı) genel hedefi, kontrast maddesi olarak oksijen kullanan bir proton manyetik rezonans görüntüleme (MRG) tekniği1 ― insan akciğerinde spesifik ventilasyonu niceli olarak eşleştirmeyi amaçluyor. Spesifik havalandırma, aynı akciğer bölgesinin son süresi dolması hacmine bölünmüş bir nefes içinde bir akciğer bölgesine teslim taze gaz oranıdır1. Lokal akciğer yoğunluğu ölçümleri ile birlikte, bölgesel havalandırma2hesaplamak için özel havalandırma kullanılabilir. SVI tarafından sağlanan yerel havalandırma ve havalandırma heterojenliği ölçümleri, hem normal hem de anormal olarak3,4akciğer fonksiyonları nasıl anlaşılması zenginleştirmek potansiyeli vardır.
Spesifik havalandırma görüntüleme, klasik Fizyoloji testinin bir uzantısıdır, birden fazla nefes yıkamayı (MBW), ilk olarak 1950 ‘ lerde tanıtıldı bir teknik,5,6. Her iki teknikte de özel havalandırma heterojenliğini ölçmek için gaz washin/Washout kullanın, ancak MBW heterojenite sadece küresel önlemler sağlarken SVı, dağınık lokalize bilgi sağlar. MBW ‘de bir kütle spektrometresi, Şekil 1‘ de tasvir edilen, bu gazın bir yıkanması sırasında birçok nefes üzerinde çözünmeyen bir gazın (azot, helyum, sülfür hekafluorid vb.) karışık süresi dolmuş konsantrasyonunu ölçmek için kullanılır. Yıkanabilir dönemde nefes başına süresi dolmuş hacmi ile birlikte, bu bilgiler akciğer belirli havalandırma genel dağılımı hesaplamak için kullanılabilir. SVı ‘da, bir MRI tarayıcısı, çeşitli washin/washouts sırasında birçok nefes üzerinde her akciğer Vokalinde, akciğer dokusunda çözeltinin oksijen miktarı için bir vekil olan T1ağırlıklı sinyalini ölçmek için kullanılır. oksijen. MBW ‘ye doğrudan benzer bir şekilde, bu bilgiler her bir akciğer vokonerinin özel havalandırmasını hesaplamamıza olanak tanır. Diğer bir deyişle, teknik, bir SVı deneyi sırasında, her bir Voxel için bir tane paralel MBW benzeri deneyleri binlerce gerçekleştirir. Nitekim, böylece üretilen özel havalandırma uzamsal haritaları MBW özel havalandırma heterojenlik çıkışını kurtarmak için derlenebilir. Bir doğrulama çalışması7 iki metodolojilerin aynı konularda seri olarak gerçekleştirilen karşılaştırılabilir sonuçlar üretilen gösterdi.
Diğer Görüntüleme modaliteleri var, SVı gibi, havalandırma heterojenlik uzamsal önlemler sağlamak. Pozitron emisyon tomografi (PET)8,9, tek foton emisyon bilgisayarlı tomografi (SPECT)10,11, ve hiperpolarize gaz MRI12,13 teknikleri kullanılmıştır sağlıklı ve anormal konularda havalandırma mekansal deseni ile ilgili literatür önemli bir vücut oluşturmak. Genel olarak, bu teknikler SVı üzerinde en az bir farklı avantaj vardır, sinyal-gürültü oranı karakteristik olarak daha yüksektir. Ancak, her teknik aynı zamanda karakteristik bir dezavantajı vardır: PET ve SPECT iyonlaştırıcı radyasyon pozlama içerir, ve hyperpolarize MRI yüksek uzmanlaşmış hiperpolarize gaz ve standart dışı Multi-çekirdekli donanım ile MR tarayıcı kullanımı gerektirir.
SVI, bir proton-MRI tekniği, genellikle bir kontrast aracı olarak inhale oksijen ile Tesla MR donanım 1,5 kullanır (her iki eleman sağlık alanında kolayca mevcuttur), klinik çevreye potansiyel olarak daha genelleştirilebilir hale. SVı oksijen uzunlamasına rahatlama süresini kısaltır gerçeği yararlanır (T1) akciğer dokularının1, hangi sırayla bir T1ağırlıklı görüntü sinyal yoğunluğunda bir değişiklik çevirir. Böylece, ilham oksijen konsantrasyonunda değişiklikler uygun zamanlı MRG görüntüleri sinyal yoğunluğunda değişim neden. Bu değişikliğin ilham verici oksijen konsantrasyonu, genellikle hava ve% 100 oksijen ile ani bir değişimini takiben oranı, yerleşik gazın solunan gazla değiştirilmesi oranını yansıtır. Bu değişim oranı belirli havalandırma ile belirlenir.
SVı hiçbir iyonlaştırıcı radyasyon içerdiğinden, zaman içinde hastalar takip boyuna ve girişimsel çalışmalar için hiçbir kontrendikasyonları vardır. Böylece, hastalığın ilerlemesini incelemek veya bireysel hastaların tedaviye nasıl yanıt verdiğini değerlendirmek için idealdir. Göreli kolaylığı ve güvenli tekrarlanabilirlik nedeniyle, spesifik havalandırma görüntüleme, genel olarak, büyük efektler ve/veya zaman içinde veya birkaç farklı klinik yerlerde insan çok sayıda çalışmak isteyenler için ideal bir tekniktir.
Teknik1, spesifik havalandırma görüntüleme (SVI) açıklayan orijinal yayın takiben hızlı tuzlu infüzyon etkisi odaklı çalışmalarda kullanılmıştır, duruş, egzersiz, ve bronkokonstriksiyon2,3 , 4 , 14 , 15. özel havalandırma tüm akciğer heterojenitesi tahmin tekniği yeteneğini iyi kurulan birden fazla nefes yıkanma testi kullanılarak doğrulanmıştır7 ve daha son zamanlarda, bir bölgesel bir çapraz doğrulama yapıldı, tarafından SVı ve hiperpolarize gaz çoklu nefes spesifik havalandırma görüntüleme karşılaştırmak16. Bu güvenilir ve kolayca dağıtılabilir tekniği, niceliksel olarak insan akciğerinde spesifik havalandırma haritalama yeteneğine sahip, önemli ölçüde erken algılama ve solunum hastalığı tanısı katkıda bulunmak için potansiyele sahiptir. Ayrıca, bölgesel akciğer anomalilerini ölçmek ve terapiyle indüklenen değişiklikleri takip etmek için yeni fırsatlar sunar. SVI ‘nın ilk kez ölçmemizi sağlayan bölgeye özgü akciğer fonksiyonunda yapılan bu değişiklikler, ilaçların ve inhale tedavilerin etkisini değerlendirmek için biyomarker olma potansiyeline sahiptir ve klinik çalışmalarda son derece yararlı bir araç olabilir.
Bu makalenin amacı, spesifik havalandırma görüntüleme metodolojisini ayrıntılı olarak ve görsel bir formda sunmaktır, böylece tekniğin daha fazla merkezlere yaygınlaştırılmasına katkıda bulunur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Spesifik havalandırma görüntüleme, insan akciğerinde özel havalandırma uzamsal dağılımı niceliksel haritalama sağlar. SVı alternatifleri var, ancak bazı şekilde sınırlıdır: birden fazla nefes yıkama heterojenite bir ölçmek sağlar ama uzamsal bilgi23yoksun. Alternatif görüntüleme yöntemleri hastaların iyonize radyasyon (örneğin, SPECT, PET, CT, gama sintigrafi) veya yaygın olarak mevcut değildir (MRI kullanarak hiperpolarize gaz görüntüleme) ortaya çıkarır. Öz…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Ulusal Kalp tarafından desteklenmektedir, akciğer ve kan Enstitüsü (NHLBı) (hibe R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 ve R01-HL119263) ve Ulusal Uzay Biyomedikal Araştırma Enstitüsü (Ulusal Havacılık ve uzay Idaresi hibe NCC 9-58). E.T. Geier, NHLBı Grant F30 HL127980 tarafından destekleniyordu.
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 |
Referências
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- . Deforminator: Projective transformation to register small scale Lung deformation Available from: https://github.com/UCSDPulmonaryImaging/Deforminator (2019)
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kang, W., et al. In silico modeling of oxygen-enhanced MRI of specific ventilation. Physiological Reports. 6 (7), e13659 (2018).
