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).
El cerebro es un órgano espacialmente heterogénea y temporalmente dinámico, con diferentes regiones que requieren diferente cantidad de suministro de sangre a distintas horas. Por lo tanto, la capacidad de los vasos sanguíneos se dilaten o se contraigan, conocido como Cerebral Vascular-Reactividad (CVR), representa un importante dominio de la función vascular. Un marcador de imagen que representa a esta propiedad dinámica proporcionará nueva información de los vasos cerebrales en condiciones normales y enfermas como el derrame cerebral, la demencia, la aterosclerosis, enfermedades de los vasos pequeños, tumor cerebral, lesión cerebral traumática, y la esclerosis múltiple. Para realizar este tipo de mediciones en los seres humanos, es necesario entregar un estímulo vasoactivas como el CO 2 y / o mezcla de gases O2 mientras cerebrales cuantitativa imágenes de resonancia magnética (MRI) se están recogiendo. En este trabajo, presentamos un sistema MR compatible gas-parto y el protocolo asociado para permitir la entrega de las mezclas de gases especiales (por ejemplo, </em> O 2, CO 2, N 2, y sus combinaciones), mientras que el sujeto está mintiendo en el interior del escáner de resonancia magnética. Este sistema es relativamente simple, económica y fácil de usar, y el protocolo experimental permite la cartografía precisa de CVR tanto en voluntarios sanos y pacientes con trastornos neurológicos. Este enfoque tiene el potencial para ser utilizado en aplicaciones clínicas amplias y en una mejor comprensión de la fisiopatología vascular cerebral. En el video, se demuestra cómo configurar el sistema dentro de una sala de RM y cómo llevar a cabo un experimento completa en un participante humano.
El cerebro representa aproximadamente el 2% del peso corporal total, pero consume aproximadamente el 20% de la energía total 1. No es de extrañar, suficiente y cuidadosamente regulado suministro de sangre es fundamental para cumplir con esta alta demanda de energía y para que el cerebro funcione correctamente. Además, el cerebro es un órgano espacialmente heterogénea y temporalmente dinámico, con diferentes regiones que requieren diferente cantidad de suministro de sangre a distintas horas. Por lo tanto, la modulación dinámica de suministro de sangre representa un requisito importante en circulación cerebro humano. Afortunadamente, se sabe que los vasos sanguíneos no son simplemente tubos rígidos y que una función importante de los vasos sanguíneos es dilatar y constreñir basado en la demanda del cerebro y de las condiciones fisiológicas 2.
Esta propiedad funcional del buque, conocido como Cerebral Vascular-Reactividad (CVR), se cree que es un indicador útil de la salud vascular y puede encontrar aplicaciones en varios conditio neurológicans como el ictus 3, demencia 4, 5 aterosclerosis, enfermedades de los vasos pequeños 6, tumor cerebral 7, enfermedad moyamoya 8, y la drogadicción 9. En la fisiología y la literatura anestesiología, se sabe que, debido a CO 2 de gas es un potente vasodilatador, CVR se puede evaluar mediante la alteración del nivel de CO 2 arterial (por ejemplo, la inhalación de una pequeña cantidad de CO 2), mientras que el seguimiento de las respuestas vasculares 10-13 . En el campo de la imagen y radiología, mapeo CVR mediante resonancia magnética está emergiendo rápidamente como un nuevo marcador de interés para muchos científicos básicos y clínicos 8,14-19. Se estima por lo general mediante el examen de la cantidad de la respuesta vascular es inducida por un desafío vasoactivo. Sin embargo, hay una necesidad de avances técnicos en el sistema de suministro de gas y estandarización del protocolo experimental. Entrega de mezcla especial de gas a un sujeto en el interior del escáner de resonancia magnética no es consideraciones triviales y especialesson necesarios para un diseño compatible con resonancia magnética. Consideraciones especiales son necesarios en el diseño del sistema de suministro de gas con capacidad para un MRI. Estas consideraciones especiales incluyen: 1) todos los componentes deben ser no metálico (metal no se puede utilizar dentro de la RM); 2) el sistema debe funcionar en un pequeño espacio que el sistema de resonancia magnética y su bobina cabeza permiten; 3) el sistema debe funcionar con una posición acostada (como escáner de resonancia magnética requiere) en lugar de sentarse, sin molestias; 4) parámetros fisiológicos relevantes, como el CO2 espiratorio final (EtCO2, una aproximación del contenido de CO2 en la sangre arterial) y la saturación arterial de oxígeno, se deben registrar con precisión con segundos de precisión de la cronología y almacenados en un ordenador para uso de análisis. Estos problemas pueden limitar el alcance de las aplicaciones de mapeo CVR.
En este informe, presentamos un protocolo experimental que utiliza un sistema de suministro de gas integral para modular el contenido de gas inspirado mientras el sujeto está mintiendo en el interior del escáner de resonancia magnética. Nosotrosing este enfoque, el investigador puede aplicar de manera no invasiva un estímulo vasoactivo al participante con las mínimas molestias o el movimiento a granel. Parámetros fisiológicos y las imágenes de resonancia magnética se registraron durante todo el período de aproximadamente 9 min, que consistía en bloques alternos (1 min por bloque) de espacio al aire y la respiración de gas hipercápnica. Se presentan resultados representativos. Se discuten las posibles aplicaciones y limitaciones.
Este informe presenta un sistema de suministro de gas compatible con MR y un protocolo experimental integral que permite el mapeo de la reactividad vascular en el cerebro humano. Un diagrama del sistema de suministro de gas se ilustra en la Figura 1. Todas las partes dentro de la habitación escáner de resonancia magnética son de plástico para garantizar su compatibilidad RM. El sistema puede ser conceptualmente dividido en tres sub-sistemas, incluyendo un sub-sistema de admisión de gas (bolsa, tubo de descarga, válvula de dos vías), un sub-sistema de interfaz de respiración (pinza en la nariz, boquilla, tubo en forma de U), y un sub-sistema de monitoreo (concentración de CO 2, la saturación de oxígeno, la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria). El sub-sistema de admisión de gas permite que el gas a ser inhalado para llegar a la válvula de dos vías. Sólo se inhala aire, pero no el aire exhalado, fluirá a través de esta sub-sistema. El subsistema de interfaz de la respiración permite al sujeto inhalar y exhalar el gas destinado. Tanto gas inhalado y exhalado fluya a través de este sub-sistema. El monitorinpor lo tanto g sub-sistema debe probar el gas en un punto a lo largo del sub-sistema de interfaz de respiración.
Las aplicaciones clínicas de esta técnica pueden incluir evaluaciones de cerebro reserva vascular en enfermedades neurológicas tales como apoplejía, aterosclerosis, enfermedad de Moyamoya, la demencia vascular, la esclerosis múltiple, y tumor cerebral. La técnica también puede ser utilizado en estudios de resonancia magnética funcionales para normalizar o calibrar la señal fMRI para una mejor cuantificación de la actividad neural 23,24.
Una característica importante del sistema propuesto y el protocolo experimental es que la mezcla de gas se puede suministrar al sujeto mientras que causan movimiento mínimo o malestar. Por lo tanto, es crítico para colocar el tubo en forma de U (Item # 12) tal que (y la boquilla conectada al extremo de la misma), naturalmente, cae hacia abajo en la boca del sujeto. De esta manera, el tema no tiene que usar su músculo facial para sostener o apoyar la boquilla. También es importaciónhormiga para ser conscientes de que el tema no va a ser capaz de hablar mientras la boquilla está en su boca. Por lo tanto, el investigador debe evitar hablar del tema con un tono de pregunta. En cambio, las instrucciones definitivas, sólo se debe dar claras. Además, un investigador debe prestar mucha atención a los parámetros fisiológicos (por ejemplo, ETCO 2, SO 2, la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria) durante todo el transcurso del experimento y responder rápidamente cuando uno o más de los parámetros fisiológicos se desvían fuera del rango típico .
Mientras que un estudio exhaustivo de otros sistemas de suministro de gas utilizado en la literatura está más allá del alcance de este artículo, es útil para comparar el sistema actual a unas pocas se usan habitualmente 17,18. Una diferencia importante es que nuestro sistema utiliza una boquilla para entregar el gas destinado mientras que la mayoría de los otros sistemas han usado una máscara en el diseño. Las complicaciones potenciales de usar una máscara de dos pliegues. En primer lugar, una máscara occupies una cantidad considerable de espacio, y no siempre puede ser factible para ajustarse a la máscara en el estrecho espacio dentro de la bobina cabeza, teniendo en cuenta que, para muchos temas, sus narices casi se toque la bobina de la cabeza, incluso sin una máscara. Este es especialmente el caso para las bobinas de la cabeza destinadas a lograr una alta sensibilidad, que normalmente están diseñados para encajar firmemente a la cabeza del sujeto. Una segunda complicación asociada con un diseño de la máscara es que hay gran espacio dentro de la máscara lo que resulta en una mezcla sustancial de gas inhalado y exhalado. En consecuencia, podría afectar a la precisión de la medición de CO 2 ef, que idealmente debe basarse solamente en gas exhalado. Precisa ETCO 2 es, por supuesto, importante para la fiabilidad del mapa CVR. Otra diferencia importante de nuestro sistema en comparación con muchos otros sistemas es que nuestro sistema entrega el gas de una bolsa en lugar de un tanque de gas. Por lo tanto, los tanques no son necesarios en el área del escáner, ahorrando un valioso espacio en la cont sala de rol de una sala de RM. En nuestro diseño, traemos la bolsa antes del inicio de la exploración y, a raíz de la exploración, la bolsa se vacía, doblado, y guardar. Finalmente, en comparación con otros sistemas de 18,21, el sistema de suministro de gas actual es más simple, requiere menos tiempo de entrenamiento, y sus consumibles son menos costosos.
Cabe señalar que, aunque el protocolo presentado en este informe se ha centrado principalmente en la inhalación de CO 2, el sistema de suministro de gas presentado permite la entrega de otras mezclas de gas (por ejemplo, cualquier fracción de O 2, cualquier fracción de CO 2, cualquier fracción de N 2, y su combinación) a un ser humano para que respire mientras que s / que se ha quedado en el interior del escáner de resonancia magnética. También se puede utilizar el sistema de suministro de gas fuera del contexto de MRI, por ejemplo, en conjunción con electroencefalograma (EEG), magnetoencefalograma (MEG), tomografía por emisión de positrones (PET), o formación de imágenes óptima.
_content "> Al proporcionar una recomendación de los parámetros de imagen, nos hemos centrado principalmente en la secuencia BOLD. Otra secuencia que se puede utilizar potencialmente en la cartografía CVR es arterial spin Etiquetado (ASL) MRI, que proporciona una medida cuantitativa del flujo sanguíneo cerebral (FSC) en unidades fisiológicas (ml de sangre por cada 100 g de tejido por minuto). Por lo tanto, la ventaja de la cartografía CVR basado en ASL es que los resultados son fáciles de interpretar, a diferencia de la señal BOLD que refleja un efecto combinado del flujo sanguíneo, volumen de sangre, así como posibles contribuciones de alteraciones metabólicas del cerebro durante el CO 2 desafío 25-27. Sin embargo, una limitación de la técnica de ASL es que su sensibilidad es varios pliegues menor que la de BOLD 28. Como resultado, nuestra experiencia es que, en la actualidad, es muy difícil de obtener un nivel individual, voxel por voxel mapa CVR usando ASL. Por lo tanto, para los estudios de aplicación de la CVR, utilizamos principalmente la secuencia BOLD y por lo tanto también se centran en esta técnica en ourecomendaciones r.Una limitación del presente método es que la respiración a través de una boquilla con la nariz tapada (por una pinza en la nariz) no es totalmente natural y algunos sujetos (especialmente los pacientes) puede percibir esto como una fuente de incomodidad. Respirar con la boquilla y la nariz clip también puede exacerbar la sensación de claustrofobia. Además, el sujeto puede experimentar sequedad en la boca debido a la respiración por la boca sólo. Por lo tanto, se recomienda que el investigador intenta su mejor para completar el experimento con rapidez. Por último, es importante señalar que, según la experiencia de los autores, la incomodidad potencial mencionado anteriormente es transitoria y desaparece en cuanto se terminó el experimento.
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 |