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).
뇌는 상이한 영역들이 서로 다른 시간에 혈액 공급을 필요로하는 다른 양으로, 공간적 및 시간적으로 이종 동적 기관이다. 따라서, 팽창하거나 수축하는 혈관의 능력, 대뇌 혈관 반응성 (CVR)로 알려진, 혈관 기능의 중요한 영역을 나타낸다. 이 동적 속성을 나타내는 묘화 마커 뇌졸중, 치매, 죽상 경화증, 혈관 질환 작은, 뇌종양, 외상성 뇌 손상, 다발성 경화증과 같은 정상 및 질병 상태에서 뇌 혈관의 새로운 정보를 제공 할 것이다. 인간에서 이러한 유형의 측정을 수행하기 위해, 정량적 뇌 자기 공명 영상 (MRI)가 수집되는 동안 및 / 또는 O 2 가스 혼합물 등 CO 2로 혈관에 작용하는 자극을 제공하는 것이 필요하다. 이 작품에서 우리는, 예를 들어 특수 가스 혼합물의 배달을 허용 MR 호환 가스 전달 시스템 및 관련 프로토콜 (제시 </EM> O 2, CO 2, N 2, 그들의 조합) 피사체가 MRI 스캐너 내부 거짓말된다. 이 시스템은 상대적으로 간단하고 경제적이며 사용하기 쉬운, 그리고 실험 프로토콜은 신경 장애와 건강한 지원자와 환자 모두에서 CVR의 정확한 매핑을 할 수 있습니다. 이러한 접근법은 광범위한 임상 적용에서 뇌 혈관 병태 생리에 대한 이해에 사용될 수있는 잠재력을 가지고있다. 비디오에서 우리는 MRI 스위트 룸 내부의 시스템을 설정하는 방법과 인간의 참가자에 완벽한 실험을 수행하는 방법을 보여줍니다.
뇌는 총 체중의 약 2 %를 차지하지만, 전체 에너지 (1)의 약 20 %를 소비한다. 당연히 충분한주의 깊게 조절 혈액 공급은 뇌가 제대로 기능을 수행하기 위해서는이 높은 에너지 수요를 충족하는 것이 중요합니다. 또한, 뇌는 다른 지역이 다른 시간에 혈액 공급의 다른 양을 필요로, 공간적으로 이기종 시간적 역동적 인 기관이다. 따라서, 혈액 공급의 동적 변조는 인간의 뇌 순환의 중요한 요구 사항을 나타냅니다. 다행히도, 이것은 혈관의 중요한 기능은 팽창하고 뇌의 수요 및 생리적 상태에 기초하여이 수축하는 것이라고 혈관 막 강성 파이프가없는 것으로 공지되어있다.
뇌 – 혈관 반응성 (CVR)로 알려진 선박,이 기능 속성은 혈관 건강의 유용한 지시약으로 생각하고 여러 가지 신경 학적 공조에 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다뇌졸중 3, 4 치매, 동맥 경화 5, 작은 혈관 질환 (6), 뇌종양 (7), 모야 모야 병 (8), 및 약물 중독 9 ns의. 생리 마취 문헌에서, (예를 들어, CO (2)의 소량의 흡입) 혈관 반응 (10-13)을 모니터링하면서 동맥 CO 2 레벨을 변경함으로써 CO 2 가스 강력한 혈관 확장제이므로, CVR은 평가 될 수 있다고 알려져 . 이미징 및 방사선 분야에서 MRI를 사용하여 CVR 매핑은 빠르게 많은 기초 과학자와 임상의 8,14-19에 대한 관심의 새로운 마커로 부상하고있다. 이것은 보통 많은 혈관 응답이 혈관에 작용하는 도전에 의해 유도되는 방법을 검사하여 추정된다. 그러나, 기술적 인 가스 전달 시스템의 발전 및 실험 프로토콜의 표준화에 대한 필요성이 존재한다. MRI 스캐너 내부 환자에게 특수 가스 혼합물을 제공하는 것은 사소한 특별 고려 아니다MRI 호환 설계가 필요합니다. 특별 고려 MRI 호환 가스 전달 시스템을 설계해야한다. 이러한 특별한 고려 사항은 다음과 같습니다 : 1) 모든 구성 요소 (금속 MRI 내에서 사용할 수 없습니다) 비금속해야합니다; 2) 시스템은 MRI 시스템과 머리 코일 허용하는지 작은 공간 내에서 작동한다; MRI 스캐너가 필요로 3) 시스템이 더 불편, 앉아 대신) (거짓말 다운 위치와 함께 작동한다; 4) 기말 CO2 (EtCO2, 동맥혈 CO2 함량) 및 산소 포화도의 근사치로서 중요한 생리적 파라미터는, 타이밍 정확도 초 정확하게 기록 및 분석에 사용할 컴퓨터에 저장한다. 이러한 문제는 CVR 매핑 애플리케이션의 범위를 제한 할 수있다.
이보고에서는, 피사체가 MRI 스캐너 내부 거짓말하면서 영감 가스의 함유량을 조절하는 광범위한 가스 전달 시스템을 사용하여 실험 프로토콜을 제시 하였다. 우리이 방법을 보내고, 연구원은 비 침습적 최소한의 불편 또는 대량 이동으로 참가자에게 혈관에 작용하는 자극을 적용 할 수 있습니다. 생리 학적 매개 변수 및 MRI 이미지는 실내 공기 및 hypercapnic 가스 호흡의 교류 블록 (블록 당 1 분)로 구성되어 약 9 분의 전체 기간 동안 기록되었다. 대표 결과가 제시된다. 잠재적 인 응용 프로그램 및 제한 사항이 논의된다.
이 보고서는 MR 호환 가스 전달 시스템 및 인간의 뇌 혈관 반응성의 맵핑을 허용 광범위한 실험 프로토콜을 제시 하였다. 가스 전달 시스템의 다이어그램은도 1에 도시된다. MRI 스캐너 실내의 모든 부품들이 플라스틱 MRI 호환성을 보장한다. 시스템은 개념적으로 가스 흡입 서브 시스템 (봉투, 공급 튜브, 양방향 밸브), 호흡 인터페이스 서브 시스템 (코 클립, 마우스 피스, U 자형 튜브)를 포함하여 세 개의 서브 시스템으로 분할 될 수 있고, 모니터링 서브 시스템 (2 CO 농도, 산소 포화도, 심장 박동, 호흡 속도). 가스 흡입 서브 시스템은 가스가 양방향 밸브에 도달하도록 흡입되도록한다. 만이 서브 시스템을 통해 흘러, 공기를 흡입하지만, 공기를 뿜어 없습니다. 호흡 인터페이스 서브 시스템은 피사체가 호흡과 의도 가스에서 할 수 있습니다. 모두 흡입과 호기 가스는이 하위 시스템을 통해 흐를 것이다. monitoring 서브 시스템은 호흡 따라서 인터페이스 서브 시스템을 따라 지점에서 가스를 샘플링한다.
이 기술의 임상 응용 프로그램은 뇌졸중, 동맥 경화, 모야 모야 병, 혈관성 치매, 다발성 경화증, 뇌 종양과 같은 신경 질환 뇌 혈관 예약의 평가를 포함 할 수있다. 기술은 또한 정상화 또는 신경 활동의보다 나은 23,24 정량의 fMRI 신호를 보정하는 기능 MRI 연구에 사용될 수있다.
제안 된 시스템 및 실험 프로토콜의 중요한 특징은 최소한의 움직임이나 불편 함을 야기하는 동안 가스 혼합물을 환자에게 전달 될 수 있다는 것이다. 따라서, U 자형 튜브 (상품 번호 12)이를 (및 그것의 단부에 연결된 마우스 피스)가 자연적으로 피사체의 입으로 아래쪽으로 하강되도록 배치하는 것이 중요하다. 이 방법은, 피사체가 길게 또는 마우스 피스를 지원하기위한 자신의 얼굴 근육을 사용할 필요가 없다. 또한 수입입니다개미는 피사체가 마우스 피스를 입에있는 동안 이야기 할 수 없다는 것을 알고 있어야합니다. 따라서 연구자는 질문 톤 주제로 얘기를 피해야한다. 대신에, 단지 명확하고 확실한 지침이 주어져야한다. 또한, 연구자는 실험의 전체 과정에서 생리 학적 매개 변수 (예를 들어, ETCO 2, SO 2, 심장 박동, 호흡 속도)에주의해야하며, 하나 또는 생리 학적 파라미터의 이상이 일반적인 범위 밖에 차이가 생기면 즉시 응답 .
문헌에 사용되는 다른 가스 전달 시스템의 철저한 조사는이 문서의 범위를 벗어나지 만, 몇가지 일반적으로 사용하는 것 (17, 18)에 현재의 시스템을 비교하는 데 유용합니다. 큰 차이는 우리의 시스템은 대부분의 다른 시스템 디자인의 마스크를 사용하는 반면 의도 가스를 제공하는 마우스 피스를 사용한다는 것입니다. 마스크를 이용하여 잠재적 인 합병증의 두 폴드이다. 우선, 마스크 O공간 상당량 ccupies, 그것은 항상 많은 피사체에 자신의 코가 거의에도 마스크없이 헤드 코일을 터치 할 것을 고려하면, 헤드 코일 내부에 꽉 공간으로 마스크 맞게 적합하지 않을 수도있다. 이것은 특히 보통 피사체의 머리로 단단히 맞춰 설계되어 고감도를 달성하기위한 헤드 코일에 대한 경우이다. 마스크 디자인과 관련된 합병증 초 호기 흡입 및 혼합 가스의 실질적인 결과 마스크 내부에 큰 공간이 존재한다는 것이다. 따라서, 이상적으로 호기 가스만을 기반으로해야 ETCO (2)의 측정의 정확도에 영향을 미칠 수있다. 정확한 ETCO 2 CVR 맵의 신뢰성도 물론 중요하다. 많은 다른 시스템에 비해 시스템의 우리의 또 다른 중요한 차이점은 우리의 시스템은 백 대신 가스 탱크로부터 가스를 전달한다는 것이다. 따라서, 탱크는 계속 귀중한 공간을 절약 스캐너 영역에 필요하지 않다 MRI 제품군의 ROL 룸. 우리의 설계에있어서, 우리는 주사가 시작되기 전에 백을 가져오고, 다음 주사, 가방 비워 절첩되고, 치워. 마지막으로, 몇 가지 다른 시스템에 비해 18,21, 현재 가스 전달 시스템은 간단하고, 적은 훈련 시간을 필요로하고, 그 소모품 덜 비싸다.
이는 본 조사 프로토콜 주로 CO 2 흡입에 집중되었지만, 제시된 가스 전달 시스템은 다른 가스 혼합물 (의 전달을 허용하는 것이 지적되어야 예, O (2)의 임의 부분, CO (2)의 임의 부분, 어떤 s는 / 그는 MRI 스캐너 내부 거짓말을하는 동안 그들에게 인간에 대한 N 2, 그들의 조합)의 비율은 숨을 쉴 수 있습니다. 하나는 뇌전도 (EEG), magnetoencephalogram (MEG), 양전자 방출 단층 촬영 (PET), 또는 최적의 촬상과 함께, 예를 들면, MRI의 컨텍스트 외부의 가스 전달 시스템을 사용할 수있다.
촬상 파라미터의 추천을 제공 할 때 _content는 ">, 우리는 주로 BOLD 시퀀스에 초점을 맞추고있다. 잠재적 CVR 매핑에 사용될 수있는 또 다른 시퀀스는 뇌 혈류의 정량적 측정 값을 제공 동맥 스핀 라벨 (ASL) MRI (CBF)는 생리적 유닛 (ML 혈액 분당 100g 조직 당)이다. 따라서, ASL 기반 CVR 매핑의 장점은, 결과뿐만 아니라 혈류, 혈액량의 결합 된 효과를 반영 BOLD 신호 달리 쉽게 해석 할 수 있다는 것이다 CO 2 도전 25-27 동안 뇌 대사 변형 가능 기여. 그러나 ASL 기술의 한계는 그 감도 BOLD 28보다 여러 겹 낮다는 것이다. 결과적으로, 우리의 경험은 현재, 그것이 있다는 것이다 각각의 레벨을 획득하는 것이 매우 도전, 따라서 ASL은. 따라서, CVR의 응용 연구에, 우리는 주로 BOLD 시퀀스를 사용하여 CVR지도 복셀-복셀-에 의해 또한 OU에서이 기술에 초점을R 권고.본 발명의 방법의 한 가지 제한은 (코 클립에 의해)의 슈팅이 코와 마우스 피스를 통해 호흡하는 것은 전적으로 자연하지 않고 일부 과목 (특히 환자) 불편의 근원으로이 인식 할 수 있다는 것이다. 마우스 피스와 코 클립 호흡도 밀실 공포증의 느낌을 악화시킬 수 있습니다. 또한, 주제는 의해서만 입으로 호흡에 구강 건조가 발생할 수 있습니다. 따라서, 연구자가 신속하게 실험을 완료하기 위해 최선을 시도하는 것이 좋습니다. 마지막으로, 저자의 경험에 기초하여, 상술 한 불편이 일시적인 마자 실험이 완료되면 사라지고, 유의하는 것이 중요하다.
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 |