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).
O cérebro é um órgão heterogêneo espacialmente e temporalmente dinâmico, com diferentes regiões requerem uma quantidade diferente de fornecimento de sangue no momento diferente. Por conseguinte, a capacidade dos vasos sanguíneos para dilatar ou contrair, conhecido como cérebro-vascular-reactividade (CVR), representa um importante domínio de função vascular. Um marcador de imagem que representa esta dinâmica propriedade irá fornecer novas informações dos vasos cerebrais, em condições normais e doentes, tais como acidente vascular cerebral, demência, aterosclerose, doenças de pequenos vasos, tumor cerebral, traumatismo crânio-encefálico, e esclerose múltipla. A fim de realizar este tipo de medição nos seres humanos, é necessário entregar um estímulo vasoativas, como CO 2 e O 2 ou mistura / gás, enquanto cerebrais quantitativa de imagens de ressonância magnética (MRI) estão sendo coletados. Neste trabalho, apresentamos um sistema compatível MR-entrega de gás e o protocolo associado que permite a entrega de misturas de gases especiais (por exemplo, </em> O 2, CO 2, N 2, e suas combinações), enquanto o assunto está deitado dentro do scanner de ressonância magnética. Este sistema é relativamente simples, econômico e fácil de usar, e do protocolo experimental permite o mapeamento preciso da CVR, tanto em voluntários saudáveis e pacientes com distúrbios neurológicos. Esta abordagem tem o potencial para ser utilizada em aplicações clínicas gerais e para uma melhor compreensão da fisiopatologia vascular cerebral. No vídeo, que demonstram como configurar o sistema dentro de uma suíte de MRI e como realizar uma experiência completa em um participante humano.
O cérebro representa cerca de 2% do peso total do corpo, mas consomem cerca de 20% do total de energia 1. Não surpreendentemente, o fornecimento de sangue suficiente e cuidadosamente regulado é fundamental para atender a essa demanda de alta energia e para o cérebro para funcionar corretamente. Além disso, o cérebro é um órgão heterogêneo espacialmente e temporalmente dinâmico, com diferentes regiões requerem uma quantidade diferente de fornecimento de sangue no momento diferente. Assim, a modulação dinâmica de fornecimento de sangue representa um requisito importante na circulação cerebral humano. Felizmente, sabe-se que os vasos sanguíneos não são tubos rígidos e que apenas uma função importante do vaso sanguíneo é a dilatar e contrair com base na procura do cérebro e condições fisiológicas 2.
Esta propriedade funcional do recipiente, conhecido como cérebro-vascular-reactividade (CVR), é pensado para ser um indicador seja útil da saúde vascular e pode encontrar aplicações em vários condici neurológicans como acidente vascular cerebral 3, demência 4, 5 aterosclerose, doenças de pequenos vasos 6, 7 tumor cerebral, doença moyamoya 8 e 9 de toxicodependência. Em fisiologia e literatura anestesiologia, sabe-se que, porque o CO 2 gasoso é um vasodilatador potente, RVC pode ser avaliada por alteração do nível de CO 2 arterial (por exemplo, inalação de uma pequena quantidade de CO 2) durante o acompanhamento de respostas vasculares 10-13 . No campo de imagem e radiologia, mapeamento CVR usando MRI está rapidamente emergindo como um novo marcador de interesse para muitos cientistas básicos e clínicos 8,14-19. Ele geralmente é estimado examinando como resposta vascular muito é induzida por um desafio vasoativas. No entanto, existe uma necessidade de avanços técnicos no sistema de fornecimento de gás e normalização do protocolo experimental. Cumprindo mistura de gás especial para um assunto dentro do scanner de ressonância magnética não é trivial e considerações especiaissão necessários para um projeto MRI compatível. Considerações especiais são necessários na concepção de sistema de fornecimento de gás MRI compatível. Estas considerações especiais incluem: 1) todos os componentes devem ser não-metálicos (metal não pode ser usado dentro de MRI); 2) O sistema deve funcionar dentro de um pequeno espaço que o sistema de ressonância magnética e sua bobina de cabeça permitir; 3) o sistema deve funcionar com uma posição deitada (como scanner de ressonância magnética requer) em vez de sentar-se, sem qualquer desconforto; 4) os parâmetros fisiológicos relevantes, tais como CO2 ao final da expiração (EtCO2, uma aproximação do teor de CO2 no sangue arterial) e saturação de oxigênio arterial, devem ser registradas com precisão com segundos de precisão de tempo e armazenados em um computador para uso análise. Esses problemas podem limitar o âmbito de aplicações de mapeamento CVR.
Neste relatório, nós apresentamos um protocolo experimental que usa um sistema de fornecimento de gás abrangente para modular o conteúdo de gás inspirado, enquanto o assunto está deitado dentro do scanner de ressonância magnética. Nósing esta abordagem, o pesquisador pode não invasiva aplicar um estímulo vasoativas para o participante com o mínimo de desconforto ou movimento em massa. Os parâmetros fisiológicos e imagens de ressonância magnética foram registrados durante todo o período de cerca de 9 min, que consistiu de blocos alternativos (1 min por bloco) de sala de ar e respiração gás hipercápnico. Os resultados representativos são apresentados. Aplicações e limitações potenciais são discutidos.
Este relatório apresentado um sistema de fornecimento de gás MR-compatível e um protocolo experimental exaustivo que permite o mapeamento da reactividade vascular no cérebro humano. Um diagrama do sistema de fornecimento de gás é ilustrada na Figura 1. Todas as peças dentro da sala de scanner a MRI são de plástico para garantir a sua compatibilidade MRI. O sistema pode ser conceitualmente dividido em três sub-sistemas, incluindo um sub-sistema de entrada de gás (saco, tubo de entrega, válvula de duas vias), um sub-sistema de interface de respiração (nariz clipe, bocal, U-forma de tubo), e um sub-sistema de monitoramento (concentração de CO 2, saturação de oxigênio, frequência cardíaca, frequência respiratória). O sub-sistema de entrada de gás permite que o gás a ser inalado para atingir a válvula de duas vias. Apenas o ar inalado, mas não o ar exalado, fluirá através deste sub-sistema. O sub-sistema de interface de respiração permite que o sujeito a inspirar e expirar o gás destinado. Ambos gás inalado e exalado fluirá através deste sub-sistema. O monitoring sub-sistema deve, por conseguinte, a amostra de gás a um ponto ao longo do sub-sistema de interface de respiração.
As aplicações clínicas desta técnica podem incluir as avaliações de reserva vascular cerebral em doenças neurológicas, tais como acidente vascular cerebral, aterosclerose, doença de moyamoya, demência vascular, esclerose múltipla, e tumor cerebral. A técnica também pode ser usada em estudos de MRI funcionais para normalizar ou calibrar sinal IRMf para uma melhor quantificação da actividade neural 23,24.
Uma característica importante do sistema proposto e protocolo experimental é que a mistura de gás pode ser entregue ao sujeito ao mesmo tempo fazendo com que o movimento ou o mínimo de desconforto. Portanto, é crítico para colocar o tubo em forma de U (Item 12) de tal modo que (e com o bocal ligado à extremidade do mesmo) cai naturalmente para baixo na boca do sujeito. Dessa forma, o sujeito não precisa usar seu músculo facial para manter ou apoiar a porta-voz. É também de importaçãoant estar ciente de que o assunto não será capaz de falar enquanto o bocal está na sua boca. Portanto, o pesquisador deve evitar falar do assunto com um tom de pergunta. Em vez disso, apenas instruções claras e definitivas devem ser dadas. Além disso, um pesquisador deve prestar muita atenção para os parâmetros fisiológicos (por exemplo, EtCO 2, SO 2, freqüência cardíaca, freqüência respiratória) durante todo o curso da experiência e responder prontamente quando um ou mais dos parâmetros fisiológicos desviar fora do alcance típico .
Enquanto um levantamento exaustivo de outros sistemas de distribuição de gás utilizado na literatura está além do escopo deste artigo, é útil para comparar o sistema atual para alguns dos mais comumente utilizados 17,18. A principal diferença é que o nosso sistema utiliza um bocal para distribuir o gás pretendido enquanto a maioria dos outros sistemas têm usado uma máscara no cartão. As potenciais complicações do uso de uma máscara são duas dobras. Em primeiro lugar, uma máscara occupies uma quantidade substancial de espaço, e isso nem sempre pode ser viável para se ajustar a máscara para o espaço apertado dentro da bobina de cabeça, considerando-se que, para muitos temas, seus narizes seria quase tocar a bobina de cabeça, mesmo sem uma máscara. Este é especialmente o caso de bobinas de cabeça destinadas a alcançar alta sensibilidade, que geralmente são projetados para caber firmemente a cabeça do sujeito. Uma segunda complicação associada com um projecto de máscara é que não há grande espaço no interior da máscara, que resulta na mistura substancial de gás inspirado e expirado. Consequentemente, isso poderia afetar a precisão da medição de EtCO 2, que, idealmente, deve ser baseada em apenas gás expirado. Accurate EtCO 2 é, obviamente, importante para a confiabilidade do mapa CVR. Outra diferença importante do nosso sistema, em comparação com muitos outros sistemas é que o sistema proporciona o gás a partir de um saco, em vez de um tanque de gás. Por isso, os tanques não são necessários na área de scanner, economizando espaço precioso na cont quarto rol de um conjunto de ressonância magnética. Em nosso projeto, nós trazemos o saco antes do início do exame e, após a verificação, a bolsa é esvaziada, dobrado, e pôr de lado. Finalmente, em relação a vários outros sistemas de 18,21, o actual sistema de fornecimento de gás é mais simples, requer menos tempo de formação, e os consumiveis são menos caros.
Deve salientar-se que, embora o protocolo apresentado no presente relatório tem focado principalmente na inalação de CO 2, o sistema de fornecimento de gás apresentada permite a entrega de outras misturas de gás (por exemplo, a fracção de O2, qualquer fracção de CO 2, qualquer fracção de N 2, e a sua combinação) a um ser humano para que respirem enquanto que ele / ela está deitada dentro de um scanner de IRM. Pode-se também utilizar o sistema de distribuição de gás fora do contexto de ressonância magnética, por exemplo, em conjunto com electroencefalograma (EEG), magnetoencephalogram (MEG), tomografia de emissão de positrões (PET), ou imagiologia óptima.
_content "> Ao fornecer uma recomendação de parâmetros de imagem, temos focado principalmente na sequência BOLD. Outra sequência que pode ser potencialmente utilizado em mapeamento CVR é Arterial Labeling rotação (ASL) MRI, que fornece uma medida quantitativa do fluxo sanguíneo cerebral (CBF) em unidades fisiológicas (ml de sangue por 100 g de tecido por minuto). Por conseguinte, a vantagem de mapeamento baseada no ASL CVR é que os resultados são mais fáceis de interpretar, ao contrário do sinal NEGRITO que reflecte um efeito combinado de fluxo de sangue, o volume de sangue, bem como possíveis contribuições de alterações metabólicas cerebrais durante 2 CO desafio 25-27. No entanto, uma limitação da técnica de ASL que é a sua sensibilidade é várias dobras menor do que a NEGRITO 28. Como resultado, a nossa experiência é de que, actualmente, é altamente desafiador para obter um nível individual, voxel-a-voxel CVR mapa usando ASL. Por isso, para os estudos de aplicação da CVR, que utilizam principalmente a sequência BOLD e, portanto, também incidir sobre essa técnica em UOrecomendações r.Uma limitação do presente método é que a respiração através de um bocal com o nariz entupido (por um clipe de nariz) não é totalmente natural e algumas disciplinas (especialmente pacientes) podem perceber isso como uma fonte de desconforto. Respirando com o bocal e pinça nasal também podem agravar a sensação de claustrofobia. Além disso, o sujeito pode sentir a boca seca devido à respiração pela boca só. Portanto, recomenda-se que o pesquisador tentar o seu melhor para completar a experiência rapidamente. Finalmente, é importante observar que, com base na experiência dos autores, o potencial desconforto mencionado acima é transitória e desaparece logo que a experiência é terminada.
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 |