Mapeo cuantitativo de ventilación específica en el pulmón humano usando resonancia magnética de protones y oxígeno como agente de contraste

Summary

La toma de imágenes de ventilación específica es una técnica de resonancia magnética funcional que permite la cuantificación de la ventilación regional específica en el pulmón humano, utilizando oxígeno inhalado como un agente de contraste. Aquí, presentamos un protocolo para recopilar y analizar datos de imágenes de ventilación específicos.

Abstract

La imagen de ventilación específica (SVI) es una técnica funcional de imagen por resonancia magnética capaz de cuantificar la ventilación específica, la proporción del gas fresco que entra en una región pulmonar dividida por el volumen espiratorio final de la región, en el pulmón humano, utilizando sólo oxígeno inhalado como agente de contraste. La cuantificación regional de la ventilación específica tiene el potencial de ayudar a identificar las áreas de la función patológica pulmonar. El oxígeno en solución en el tejido acorta el tiempo de relajación longitudinal del tejido (T₁), y por lo tanto un cambio en la oxigenación de los tejidos puede detectarse como un cambio en la señal ponderada en T₁con una imagen adquirida de recuperación de inversión. Tras un cambio abrupto entre dos concentraciones de oxígeno inspirado, la velocidad a la que el tejido pulmonar dentro de un vóxin se equilibra con un nuevo estado estacionario refleja la velocidad a la que se reemplaza el gas residente por el gas inhalado. Esta tasa se determina por la ventilación específica. Para provocar este cambio repentino en la oxigenación, los sujetos respiran alternativamente 20 bloques de aliento de aire (21% de oxígeno) y 100% de oxígeno en el escáner de RMN. Un cambio gradual en la fracción de oxígeno inspirada se logra mediante el uso de un sistema de derivación de flujo impreso tridimensional (3D) con un interruptor manual durante una retención de respiración espiratoria corta final. Para detectar el cambio correspondiente en T₁, se usó un pulso de inversión global seguido de una secuencia de eco de giro rápido de un solo disparo para adquirir imágenes bidimensionales t₁ponderadas en un escáner MRI de 1,5 t, utilizando una bobina de torso de ocho elementos. Es posible la creación de imágenes de una sola rebanada y de varias rebanada, con parámetros de imagen ligeramente diferentes. La cuantificación de la ventilación específica se logra correlacionando el tiempo-curso de la intensidad de la señal para cada voxel pulmonar con una biblioteca de respuestas simuladas al estímulo del aire/oxígeno. Las estimaciones de SVI de heterogeneidad de ventilación específica han sido validadas contra múltiples lavados respiratorios y demostraron determinar con precisión la heterogeneidad de la distribución de ventilación específica.

Introduction

El objetivo general de la toma de imágenes de ventilación específica (SVI), una técnica de resonancia magnética de protones (RMN) que utiliza oxígeno como agente de contraste¹ , es cuantificar cuantitativamente la ventilación específica en el pulmón humano. La ventilación específica es la proporción de gas fresco entregado a una región pulmonar en una respiración dividida por el volumen espiratorio final de la misma región pulmonar¹. Junto con las mediciones de la densidad pulmonar local, se puede utilizar una ventilación específica para computar la ventilación regional². Las mediciones de la ventilación local y la heterogeneidad de la ventilación proporcionadas por el SVI tienen el potencial de enriquecer la comprensión de cómo funciona el pulmón, tanto normalmente como anormalmente^3,4.

La imagen de ventilación específica es una extensión de la prueba de fisiología clásica, el lavado de aliento múltiple (MBW), una técnica introducida por primera vez en la década de 1950^5,6. Ambas técnicas utilizan el Washin/Washout de gas para medir la heterogeneidad de la ventilación específica, pero SVI proporciona información localizada espacialmente, mientras que MBW solo proporciona medidas globales de heterogeneidad. En MBW, un espectrómetro de masas se utiliza para medir la concentración mixta caducada de un gas insoluble (nitrógeno, helio, hexafluoruro de azufre, etc.) durante muchas respiraciones durante un lavado de ese gas, como se muestra en la figura 1. Junto con el volumen caducado por aliento durante el período de lavado, esta información se puede utilizar para calcular la distribución general de la ventilación específica en el pulmón. En SVI, se utiliza un escáner de resonancia magnética para medir la señal ponderada en T₁― que es un sustituto de la cantidad de oxígeno en la solución en el tejido pulmonar, un indicador directo de la concentración de oxígeno local ― en cada voxel pulmonar durante muchas respiraciones durante varios lavados/washouts de oxígeno. De una manera que es directamente análoga a MBW, esta información nos permite calcular la ventilación específica de cada vóxon pulmonar. En otras palabras, la técnica realiza miles de experimentos paralelos tipo MBW, uno para cada vóxes, durante un experimento SVI. De hecho, los mapas espaciales de ventilación específica así producidos pueden ser compilados para recuperar la salida específica de heterogeneidad de ventilación de MBW. Un estudio de validación⁷ demostró que las dos metodologías producían resultados comparables cuando se realizaban en serie sobre los mismos temas.

Existen otras modalidades de imagen que, al igual que la SVI, proporcionan medidas espaciales de heterogeneidad de la ventilación. Tomografía por emisión de positrones (PET)^8,9, tomografía computarizada de emisión de fotón único (SPECT)^10,11, y RM de gas hiperpolarizado^12,se han utilizado¹³ técnicas para crear un cuerpo sustancial de literatura sobre el patrón espacial de ventilación en sujetos sanos y anormales. En general, estas técnicas tienen al menos una clara ventaja sobre el SVI, ya que su relación señal-ruido es característicamente más alta. Sin embargo, cada técnica también tiene una desventaja característica: PET y SPECT implican la exposición a la radiación ionizante, y la RMN hiperpolarizada requiere el uso de gas hiperpolarizado altamente especializado y un escáner MR con hardware multinuclei no estándar.

SVI, una técnica de protón-RMN, típicamente utiliza 1,5 Tesla MR hardware con oxígeno inhalado como un agente de contraste (ambos elementos están disponibles en la salud), por lo que es potencialmente más generalizable para el entorno clínico. El SVI aprovecha el hecho de que el oxígeno acorta el tiempo de relajación longitudinal (T₁) de los tejidos pulmonares¹, que a su vez se traduce en un cambio en la intensidad de la señal en una imagen ponderada en T₁. Por lo tanto, los cambios en la concentración de oxígeno inspirado inducen el cambio en la intensidad de la señal de imágenes de RMN apropiadamente cronometradas. La tasa de este cambio después de un cambio abrupto en la concentración de oxígeno inspirada, típicamente el aire y el 100% de oxígeno, refleja la velocidad a la cual el gas residente es reemplazado por el gas inhalado. Esta tasa de reemplazo se determina por la ventilación específica.

Como SVI no implica radiación ionizante, no tiene contraindicaciones para estudios longitudinales e intervencionistas que sigan a los pacientes con el tiempo. Por lo tanto, es ideal para estudiar la progresión de la enfermedad o evaluar cómo los pacientes individuales responden al tratamiento. Debido a su relativa facilidad y repetibilidad segura, la imagen de ventilación específica es, en general, una técnica ideal para aquellos que desean estudiar grandes efectos y/o un gran número de personas a lo largo del tiempo o en varios lugares clínicos diferentes.

Siguiendo la publicación original que describe la técnica¹, se ha utilizado la imagen de ventilación específica (SVI) en estudios centrados en el efecto de la infusión salina rápida, la postura, el ejercicio y la broncoconstricción de^{2,3 , 4 , 14 , 15}. la capacidad de la técnica para estimar la heterogeneidad de los pulmones enteros de ventilación específica ha sido validada utilizando la prueba de lavado de aliento múltiple bien establecida⁷ y más recientemente, una validación cruzada regional fue realizada, por comparando el SVI y el gas hiperpolarizado múltiples imágenes de ventilación específicas de respiración¹⁶. Esta técnica fiable y fácilmente implementable, capaz de mapear cuantitativamente la ventilación específica en el pulmón humano, tiene el potencial de contribuir significativamente a la detección precoz y el diagnóstico de enfermedades respiratorias. También presenta nuevas oportunidades para cuantificar las anomalías pulmonares regionales y seguir los cambios inducidos por la terapia. Estos cambios en la función pulmonar específica de la región, que SVI nos permite medir por primera vez, tienen el potencial de convertirse en biomarcadores para evaluar el impacto de los fármacos y las terapias inhaladas, y podría ser una herramienta extremadamente útil en los ensayos clínicos.

El propósito de este artículo es presentar la metodología de la imagen de ventilación específica en detalle y en forma visual, contribuyendo así a la difusión de la técnica a más centros.

Protocol

La Universidad de California, programa de protección de la investigación humana de San Diego ha aprobado este protocolo. 1. seguridad y capacitación del sujeto Obtener el consentimiento informado por escrito del sujeto. Describa los riesgos potenciales presentados por la exposición a campos magnéticos que cambian rápidamente y la molestia potencial de usar mascarilla facial y gas seco para respirar. Asegúrese de que el sujeto pueda someterse de forma segura al escane…

Representative Results

SVI de una sola rebanada en un sujeto saludableLas imágenes de ventilación específicas producen mapas cuantitativos de ventilación específica, como se muestra en la figura 3a, que representa una sola rebanada en el pulmón derecho de una hembra sana de 39 años de edad. Observe la presencia del gradiente vertical esperado en la ventilación específica; la porción dependiente del pulmón presenta una ventilación específica más alta que la por…

Discussion

Las imágenes de ventilación específicas permiten el mapeo cuantitativo de la distribución espacial de la ventilación específica en el pulmón humano. Existen alternativas a la SVI pero son limitadas de alguna manera: el lavado múltiple del aliento proporciona una medida de heterogeneidad pero carece de información espacial²³. Los métodos alternativos de diagnóstico por imágenes exponen a los pacientes a la radiación ionizante (p. ej., SPECT, PET, CT, centellografía gamma) o no están …

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