Mapeamento quantitativo de ventilação específica no pulmão humano usando ressonância magnética de prótons e oxigênio como agente de contraste

Summary

A imagem latente específica da ventilação é uma técnica funcional da imagem latente de ressonância magnética que permita a quantificação da ventilação específica regional no pulmão humano, usando o oxigênio inalado como um agente do contraste. Aqui, apresentamos um protocolo para coletar e analisar dados específicos de imagens de ventilação.

Abstract

A imagem latente específica da ventilação (SVI) é uma técnica funcional da imagem latente de ressonância magnética capaz de quantificar a ventilação específica ― a relação do gás fresco que entra em uma região do pulmão dividida pelo volume final expiratório da região ― no pulmão humano, usando somente oxigênio inalado como um agente de contraste. A quantificação regional da ventilação específica tem o potencial ajudar a identificar áreas da função patológica do pulmão. O oxigênio na solução no tecido encurta o tempo longitudinal do abrandamento do tecido (T₁), e assim uma mudança no oxigenação do tecido pode ser detectada como uma mudança no sinal de T₁-weighted com uma imagem adquirida recuperação da inversão. Após uma mudança abrupta entre duas concentrações de oxigênio inspirado, a taxa em que o tecido pulmonar dentro de um VOXEL equilibrou a um novo estado estacionário reflete a taxa em que o gás residente está sendo substituído pelo gás inalado. Esta taxa é determinada pela ventilação específica. Para provocar esta mudança repentina na oxigenação, os indivíduos respiram alternadamente 20 blocos da respiração do ar (oxigênio de 21%) e oxigênio de 100% quando no varredor de MRI. Uma mudança Stepwise na fração inspirada do oxigênio é conseguida com o uso de um sistema tridimensional (3D)-impresso feito encomenda do desvio do fluxo com um interruptor manual durante uma preensão final-expiratória curta da respiração. Para detectar a mudança correspondente em T₁, um pulso global da inversão seguido por uma única seqüência rápida do eco da rotação do tiro foi usado para adquirir imagens bidimensionais de t₁-weighted em um varredor de 1,5 t MRI, usando uma bobina do torso do oito-elemento. A única fatia e a imagem latente da multi-fatia são possíveis, com parâmetros ligeiramente diferentes da imagem latente. A quantificação da ventilação específica é conseguida correlacionando o tempo-curso da intensidade do sinal para cada voxel do pulmão com uma biblioteca de respostas simuladas ao estímulo do ar/oxigênio. As estimativas de SVI da heterogeneidade específica da ventilação foram validadas de encontro ao washout múltiplo da respiração e provaram determinar exatamente a heterogeneidade da distribuição específica da ventilação.

Introduction

O objetivo geral da imagem latente específica da ventilação (SVI) ― uma técnica da imagem latente de ressonância magnética do Proton (MRI) que use o oxigênio como um agente do contraste¹ ― é para mapear quantitativamente a ventilação específica no pulmão humano. A ventilação específica é a proporção de gás fresco entregue a uma região pulmonar em uma respiração dividida pelo volume expiratório final da mesma região pulmonar¹. Em conjunto com medições da densidade pulmonar local, a ventilação específica pode ser usada para computar a ventilação regional². Medidas de ventilação local e heterogeneidade de ventilação que são fornecidas pelo SVI têm o potencial de enriquecer a compreensão de como as funções pulmonares, tanto normalmente como anormalmente^3,4.

A imagem latente específica da ventilação é uma extensão do teste Classical da fisiologia, washout múltiplo da respiração (MBW), uma técnica introduzida primeiramente nos 1950s^5,6. Ambas as técnicas usam Washin/washout do gás para medir a heterogeneidade da ventilação específica, mas o SVI fornece a informação spatially-localizada quando o MBW fornece somente medidas globais da heterogeneidade. Em MBW, um espectrómetro de massa é usado para medir a concentração expirada misturada de um gás insolúvel (nitrogênio, hélio, hexafluoreto do enxôfre, etc.) sobre muitas respiras durante um washout desse gás, como representado em Figura 1. Junto com o volume expirado por a respiração durante o período do washout, esta informação pode ser usada para computar a distribuição total da ventilação específica no pulmão. Em SVI, um varredor de MRI é usado para medir o sinal de T₁-weighted ― que é um substituto para a quantidade de oxigênio na solução no tecido pulmonar, um indicador direto da concentração local do oxigênio ― em cada voxel do pulmão sobre muitas respirações durante diversos Washin/washouts de oxigénio. De uma forma que é diretamente análoga ao MBW, essa informação nos permite computar a ventilação específica de cada voxel pulmonar. Em outras palavras, a técnica realiza milhares de experimentos paralelos do tipo MBW, um para cada voxel, durante um experimento do SVI. De fato, os mapas espaciais de ventilação específica assim produzidos podem ser compilados para recuperar a saída específica de heterogeneidade de ventilação da MBW. Um estudo de validação⁷ mostrou que as duas metodologias produziram resultados comparáveis quando realizadas em série sobre os mesmos sujeitos.

Existem outras modalidades de imagem que, como a SVI, fornecem medidas espaciais de heterogeneidade ventilatória. Tomografia por emissão de pósitrons (PET)^8,9, tomografia computadorizada de emissão de fóton único (SPECT)^10,11e gás hiperpolarizado ressonância magnética^12,13 técnicas têm sido usadas para criar um corpo substancial da literatura a respeito do teste padrão espacial da ventilação em assuntos saudáveis e anormais. Em geral, essas técnicas têm pelo menos uma vantagem distinta sobre o SVI, em que sua relação sinal-ruído é caracteristicamente maior. No entanto, cada técnica também tem uma desvantagem característica: PET e SPECT envolvem exposição à radiação ionizante, e ressonância magnética hiperpolarizada requer o uso de gás hiperpolarizado altamente especializado e um scanner de RM com hardware multi-core não padronizado.

SVI, uma técnica de prótons-RM, normalmente usa 1,5 Tesla MR hardware com oxigênio inalado como um agente de contraste (ambos os elementos estão prontamente disponíveis na saúde), tornando-o potencialmente mais generalizável para o ambiente clínico. O SVI aproveita o fato de que o oxigênio encurta o tempo de relaxamento longitudinal (T₁) dos tecidos pulmonares¹, que por sua vez se traduz em uma mudança na intensidade do sinal em uma imagem ponderada em T₁. Assim, as mudanças na concentração de oxigênio inspirado induzem a mudança na intensidade do sinal de imagens apropriadamente cronometradas de MRI. A taxa desta mudança que segue uma mudança abrupta na concentração inspirada do oxigênio, tipicamente ar e 100% oxigênio, reflete a taxa em que o gás residente é substituído pelo gás inalado. Esta taxa de substituição é determinada por ventilação específica.

Como SVI não envolve nenhuma radiação ionizante, não tem contra-indicações para estudos longitudinais e intervencionais que seguem pacientes ao longo do tempo. Assim, é serido idealmente estudando a progressão da doença ou avaliando como os pacientes individuais respondem ao tratamento. Devido à sua facilidade relativa e repetibilidade segura, a imagem de ventilação específica é, em geral, uma técnica ideal para aqueles que desejam estudar grandes efeitos e/ou um grande número de pessoas ao longo do tempo ou em vários locais clínicos diferentes.

Após a publicação original descrevendo a técnica¹, a imagem de ventilação específica (SVI) tem sido utilizada em estudos focados no efeito da infusão salina rápida, postura, exercício e broncoconstrição^{2,3 , 4. º , 14} anos de ^, a habilidade da técnica ¹⁵. The de estimar a heterogeneidade inteira do pulmão da ventilação específica foi validada usando o teste múltiplo bem estabelecido do washout da respiração⁷ e mais recentemente, uma validação cruzada regional foi executada, por comparando SVI e a imagem latente de ventilação específica da respiração múltipla do gás hyperpolarizado¹⁶. Essa técnica confiável e prontamente implantável, capaz de mapear quantitativamente a ventilação específica no pulmão humano, tem o potencial de contribuir significativamente para a detecção precoce e o diagnóstico da doença respiratória. Também apresenta novas oportunidades para quantificar anormalidades pulmonares regionais e acompanhar as alterações induzidas pela terapia. Essas alterações na função pulmonar específica da região, que a SVI nos permite mensurar pela primeira vez, têm o potencial de se tornarem biomarcadores para avaliar o impacto das drogas e das terapias inalatórias, podendo ser uma ferramenta extremamente útil em ensaios clínicos.

O objetivo deste artigo é apresentar a metodologia de imagem de ventilação específica em detalhe e em forma visual, contribuindo assim para a disseminação da técnica para mais centros.

Protocol

A Universidade da Califórnia, programa de proteção de pesquisa humana de San Diego aprovou este protocolo. 1. segurança e formação de sujeitos Obter o consentimento escrito e informado do assunto. Descreva os riscos potenciais apresentados pela exposição a campos magnéticos em rápida mutação, e o desconforto potencial de usar máscara facial e respirar o gás seco. Assegure-se de que o assunto possa submeter-se com segurança a varredura do Sr, utilizando o ques…

Representative Results

Única fatia SVI em um assunto saudávelA imagem latente específica da ventilação produz mapas quantitativos da ventilação específica como mostrado na Figura 3a, que descreve uma única fatia no pulmão direito de uma fêmea saudável dos anos de idade 39. Observe a presença do gradiente vertical esperado em ventilação específica; a porção dependente do pulmão apresenta maior ventilação específica do que a porção não dependente do p…

Discussion

A imagem latente específica da ventilação permite o traço quantitativo da distribuição espacial da ventilação específica no pulmão humano. Alternativas ao SVI existem, mas são limitadas de alguma maneira: o washout múltiplo da respiração fornece uma medida da heterogeneidade mas falta a informação spatial²³. Os métodos alternativos da imagem latente expõem pacientes à radiação ionizante (por exemplo, SPECT, animal de estimação, CT, Scintigraphy da gama) ou não são extensam…

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