Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

MRI رسم خرائط الدماغية التفاعلية عبر استنشاق الغاز التحديات

Published: December 17, 2014 doi: 10.3791/52306
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 2
1Advanced Imaging Research Center, University of Texas Southwestern Medical Center, 2Center for Biomedical Imaging, Department of Radiology, New York University School of Medicine

Abstract

الدماغ هو الجهاز غير متجانسة مكانيا وزمانيا ديناميكية، مع مناطق مختلفة تتطلب كمية مختلفة من إمدادات الدم في أوقات مختلفة. ولذلك، فإن قدرة الأوعية الدموية للتمدد أو انقباض، والمعروفة باسم الدماغي والأوعية الدموية-التفاعلية (CVR)، ويمثل مجال مهم من وظيفة الأوعية الدموية. سوف علامة التصوير تمثل هذه الخاصية الديناميكية توفر معلومات جديدة من الأوعية الدماغية في ظل ظروف طبيعية والمريضة مثل السكتة الدماغية والخرف، وتصلب الشرايين، وأمراض الأوعية الصغيرة، وورم في المخ، إصابات الدماغ، والتصلب المتعدد. من أجل تنفيذ هذا النوع من القياس في البشر، فمن الضروري لتقديم التحفيز فعال في الأوعية مثل CO 2 و / أو O 2 خليط الغاز في حين يجري جمع الدماغ الكمي صور الرنين المغناطيسي (MRI). في هذا العمل، قدمنا ​​متوافق نظام MR الغاز التسليم والبروتوكول المرتبطة بها والتي تتيح للتسليم مخاليط غاز خاص (على سبيل المثال، 2، CO 2، N 2، ومجموعاتها) في حين أن الموضوع هو الكذب داخل الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي. هذا النظام هو بسيط نسبيا، واقتصادا، وسهلة الاستخدام، وبروتوكول تجريبي يسمح رسم الخرائط دقة لCVR في كل من متطوعين أصحاء والمرضى الذين يعانون من الاضطرابات العصبية. هذا النهج لديه القدرة على استخدامها في التطبيقات السريرية واسعة وفهم أفضل للالأوعية الدموية في الدماغ الفيزيولوجيا المرضية. في الفيديو، ونحن لشرح كيفية إعداد النظام داخل جناح التصوير بالرنين المغناطيسي وكيفية إجراء تجربة كاملة عن أحد المشاركين البشري.

Introduction

ويمثل المخ حوالي 2٪ من وزن الجسم الكلي، ولكن يستهلك حوالي 20٪ من إجمالي الطاقة 1. ليس من المستغرب، وتوفير كمية كافية من الدم ومنظم بعناية أمر بالغ الأهمية لتلبية هذا الطلب على الطاقة العالية وللدماغ لتعمل بشكل صحيح. وعلاوة على ذلك، والدماغ هو عضو غير متجانسة مكانيا وزمانيا ديناميكية، مع مناطق مختلفة تتطلب كمية مختلفة من إمدادات الدم في أوقات مختلفة. ولذلك، تعديل ديناميكية من إمدادات الدم يمثل مطلبا هاما في الدورة الدموية في الدماغ البشري. لحسن الحظ، أنه من المعروف أن الأوعية الدموية ليست مجرد أنابيب جامدة وأن وظيفة هامة من الأوعية الدموية هي لتمدد وانقباض بناء على طلب من الدماغ والظروف الفسيولوجية 2.

هذه الخاصية الوظيفية للسفينة، والمعروفة باسم الدماغي والأوعية الدموية-التفاعلية (CVR)، ويعتقد أن يكون مفيدا للصحة و Indictor الأوعية الدموية ويمكن أن تجد تطبيقات في عدة شرطا العصبيةنانوثانية مثل السكتة الدماغية 3، 4 الخرف، تصلب الشرايين 5، وأمراض الأوعية الصغيرة 6، 7 ورم في المخ، وأمراض مويامويا 8، والمخدرات إدمان 9. في علم وظائف الأعضاء والأدب التخدير، فمن المعروف أن، لأن CO 2 الغاز وموسعة وقوية، CVR يمكن تقييمها عن طريق تغيير الشرايين مستوى CO 2 (على سبيل المثال، واستنشاق كمية صغيرة من CO 2)، في حين رصد ردود الأوعية الدموية 10-13 . في مجال التصوير والأشعة ورسم الخرائط CVR باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي في الظهور بسرعة كعلامة جديدة من الاهتمام لكثير من العلماء والأطباء 8،14-19 الأساسي. وعادة ما يقدر من خلال دراسة كيفية يسببها الكثير من استجابة الأوعية الدموية التي تحد فعال في الأوعية. ومع ذلك، هناك حاجة لالتطورات التقنية في نظام توصيل الغاز وتوحيد بروتوكول تجريبي. تقديم خليط الغاز خاصا لموضوع داخل الماسح الضوئي MRI ليس الاعتبارات التافهة والخاصةمطلوبة من أجل تصميم MRI متوافق مع. مطلوبة اعتبارات خاصة في تصميم نظام تسليم الغاز MRI ​​متوافق مع. وتشمل هذه الاعتبارات الخاصة: 1) يجب أن تكون جميع مكونات غير المعدنية (المعادن لا يمكن استخدامها داخل MRI). 2) يجب أن النظام يعمل ضمن مساحة صغيرة أن نظام التصوير بالرنين المغناطيسي وفائف رأسه تسمح. 3) يجب أن النظام يعمل مع موقف الكذب إلى أسفل (كما يتطلب التصوير بالرنين المغناطيسي الماسح الضوئي) بدلا من الجلوس، مع عدم الانزعاج. 4)، وينبغي تسجيل المعلمات الفسيولوجية ذات الصلة، مثل نهاية المد والجزر CO2 (ETCO2، تقريبي من المحتوى CO2 في الدم الشرياني) والشرايين تشبع الأكسجين بدقة مع ثوان من دقة توقيت وتخزينها على جهاز كمبيوتر للاستخدام التحليل. هذه القضايا قد تحد من نطاق تطبيقات رسم الخرائط CVR.

في هذا التقرير، قدمنا ​​بروتوكول تجريبي يستخدم نظام شامل تسليم الغاز لتعديل المحتوى من الغاز وحي في حين أن الموضوع هو الكذب داخل الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي. لناجي هذا النهج، يمكن للباحث تنطبق غير جراحية حافز فعال في الأوعية إلى المشارك مع الحد الأدنى من الراحة أو الحركة السائبة. تم تسجيل المعلمات الفسيولوجية وصور الرنين المغناطيسي خلال كامل فترة حوالي 9 دقائق، والتي تتألف من كتل بالتناوب (1 دقيقة لكل كتلة) من غرفة الهواء والتنفس بفرط ثنائي أكسيد الكربون الغاز. يتم عرض النتائج التمثيلية. وتناقش التطبيقات المحتملة والقيود.

Protocol

ملاحظة: تمت الموافقة على البروتوكول من قبل جامعة المؤسسي مجلس مركز تكساس الطبي في جنوب المراجعة.

1. رسم تخطيطي لنظام توصيل الغاز وخطوات إعداد قبل التجربة

  1. مراجعة الرسم البياني لنظام تسليم الغاز (الشكل 1). ملء 200 L دوغلاس حقيبة (# البند 1) مع خليط الغاز الطبية الصف تحتوي على 5٪ CO 2، 21٪ O 2، و 74٪ N 2.
  2. وضع اثنين أغشية (# البند 4) في اتجاهين غير إعادة التنفس صمام (# البند 3) لضمان تدفق الغاز باتجاه واحد. جلب هذا تجميعها صمام اتجاهين ومملوءة بالغاز دوغلاس حقيبة (الصنف # 1) في غرفة المغناطيس.
  3. قم بتوصيل أنبوب توصيل الغاز (بند رقم 7) إلى نهاية الإدخال من اتجاهين صمام (# البند 3). نعلق أنبوب توصيل الغاز (بند رقم 7) إلى جانب لفائف الرأس للحصول على دعم الوزن. قم بتوصيل الطرف الآخر من أنبوب توصيل الغاز (بند رقم 7) إلى دوغلاس المملوءة بالغاز للحقيبة (بند رقم 1).
  4. ربط لسان حال (# البند 5) إلى أنبوب U-الشكل (بند رقم 12) عن طريق موصل الكوع (البند رقم 13 مع منفذ أخذ العينات الغاز مختومة).
  5. توصيل أنابيب الغاز-أخذ العينات (# البند 9) إلى أنبوب U-الشكل (بند رقم 12) عن طريق آخر الكوع الموصل (بند رقم 13).
  6. توصيل الصغيرة فلتر الهواء (بند رقم 11) إلى الطرف الآخر من الأنبوب-أخذ عينات الغاز (# البند 9). قم بتوصيل الطرف الآخر للفلتر الهواء (بند رقم 11) إلى CO 2 (بند رقم 14) مراقبة.
  7. في غرفة التحكم من مجموعة MRI، بدوره على CO 2 (بند رقم 14) وعداد النبض (بند رقم 15) مراقبين. إجراء صناعة السيارات في معايرة لجهاز العرض CO 2.
  8. ربط مراقبين إلى الكمبيوتر المحمول باستخدام منافذ USB. فتح برنامج المحطة الطرفية الذي يتصل مع المراقبين. مزامنة "مرات مع جهاز توقيت بكتابة الوقت الموقت وما يقابلها من المراقبين" المراقبين مرات. سيتم احتساب الفروق في ذلك الوقت الموقت والأوقات مراقبين "لفي موالية البياناتcessing (الخطوة 4.4).
  9. إدراج واحدة من نهاية شريط الإشارات إلى الدليل الموجي بحيث واحدة من نهاية شريط هو داخل الغرفة المغناطيس والطرف الآخر هو في غرفة التحكم.
    ملاحظة: يتم استخدام شريط الإشارات لإبلاغ الباحث داخل الغرفة المغناطيس أثناء الفحص عند التبديل من ثلاثي صمام (# البند 2) هو مطلوب.

2. إجراءات خلال تجربة

  1. طرح هذا الموضوع على الاستلقاء على طاولة التصوير بالرنين المغناطيسي ولكن لا تضع له / لها في تجويف المغناطيس حتى الان. إرشاد الموضوع إلى الضغط على زر ممرضة بنداء إذا شعروا عدم الراحة أثناء الفحص. طرح هذا الموضوع للقضاء له / لها الأنف مع قطعة من تنظيف towelette لإزالة أي الشحوم.
  2. تعليمات موضوع للتنفس عن طريق الفم، وإنشاء والحفاظ على إيقاع التنفس. ثم تطبيق مقطع الأنف (بند رقم 6) حول هذا الموضوع.
  3. ربط نهاية مفتوحة للأنبوب U-الشكل (بند رقم 12) إلى منفذ الأوسط من اتجاهين صمام (# البند 3) عن طريق ايلموصل القوس (بند رقم 13).
  4. وضع بلطف لسان حال في فم هذا الموضوع بحيث موضوع يمكن ان تتنفس من خلال لسان حال. نعلق بلطف استشعار إصبع من عداد النبض (بند رقم 15) إلى طرف الإصبع للموضوع.
  5. تأكد من أن رأس الموضوع هو في الوسط ايزو من لفائف الرأس. تشغيل الجدول MRI لوضع له / لها داخل تجويف المغناطيس.
  6. ضمان واحد يبقى الباحث داخل الغرفة المغناطيس لرصد هذا الموضوع وإلى أن تكون مستعدة لتبديل صمام ثلاثي على حقيبة دوغلاس (# البند 1). تأكد من أن الباحث هو يرتدي سدادات وسماعة رأس لمنع الضوضاء MRI.
  7. إغلاق باب غرفة المغناطيس و، في غرفة التحكم، والتحقق من التشبع جزء اتكو 2 والأكسجين الشرياني (حتى 2) معلمات للظهور في CO 2 (بند رقم 14) وعداد النبض (بند رقم 15) مراقبين. بدء تسجيل المعلمات على الكمبيوتر المحمول.
  8. تعليمات المشغل MRI لبدء المسح الضوئي باستخدامالدم بالأكسجين المستوى التي تعتمد على (بولد) التسلسل. ل3T MRI الماسح الضوئي، المعلمات التصوير بولد هي: TR / TE = 1،500 / 30 ميللي ثانية، وزاوية الوجه = 60 درجة، مجال الرؤية = 220 × 220 مم 2، مصفوفة = 64 × 64، 29 شرائح، سمك = 5 ملم، لا الفجوة بين شرائح، 361 وحدات التخزين. مراجعة ورقة معدة سلفا التي يتم سرد توقيت تبديل صمام وتأرجح بلطف شريط الإشارات عند الحاجة إلى التبديل. إيلاء اهتمام وثيق لعلم وظائف الأعضاء هذا الموضوع، بما في ذلك معدل ضربات القلب، لذلك 2، واتكو 2.
  9. الآن، داخل غرفة المغناطيس، والتبديل على حقيبة دوغلاس (الصنف # 1) على أساس حركة شريط الإشارات التي تسيطر على نوع الغاز الذي يلهم هذا الموضوع.
  10. يستمر هذا الإجراء لطول الدراسة. خلال فترة التصوير 9 دقيقة، تأكد من أن التحول صمام يحدث تقريبا مرة واحدة كل دقيقة. لاحظ أن توقيت التبديل ليس من الضروري أن تكون دقيقة تماما، طالما يتم تسجيل دوام ETCO2. <ر /> ملاحظة: إذا كان الهدف يضغط زر ممرضة بنداء أثناء الفحص، سيتم إحباط عملية الفحص وسيتم نقل هذا الموضوع من تجويف المغناطيس على الفور. فإن الباحث إزالة قطعة الفم والأنف مقطع من هذا الموضوع.
  11. استخدام الداخلي إخطار الموضوع الذي تم الانتهاء من المسح الضوئي. سحب الجدول MRI بها. بلطف إزالة مقطع الأنف والمعبرة عن الموضوع في الوقت الذي توفر تنظيف الأنسجة لهذا الموضوع لمحو أي اللعاب. بلطف إزالة استشعار إصبع من عداد النبض من هذا الموضوع. هذا الموضوع يمكن بعد ذلك الجلوس والنزول الجدول MRI.

3. إجراءات النظيفة المتابعة بعد تجربة

  1. تجاهل أنابيب أخذ العينات الغاز (# البند 9)، فلتر الهواء (بند رقم 11)، الناطقة باسم (# البند 5) ومشبك الأنف (# البند 6).
  2. تنظيف مكونات قابلة للاستخدام. فصل في اتجاهين صمام (بند رقم 3) من المكونات الأخرى وإزالة أغشية (# البند 4) من الصمام. نقع في اتجاهينصمام (# البند 3)، والحجاب الحاجز (# البند 4) وU-شكل أنبوب (بند رقم 12) في مطهر خالية من الفوسفات المركزة، والتي تحتوي على السطحي مثل Bacdown المنظفات المطهرة في حاوية لمدة 20 دقيقة. نسبة التخفيف من مطهر المنظفات والماء المقطر هي 1:64.
  3. شطف البنود المذكورة في 3.2 جيدا بالماء المقطر.
  4. تجف الأنبوب U-الشكل (بند رقم 12) مع الهواء المضغوط. ضع في اتجاهين صمام (بند رقم 3) وأغشية (# البند 4) على كونترتوب واضحة والسماح لهم يجف بشكل طبيعي وبشكل كامل.
  5. إفراغ كيس دوغلاس. وضعت بعيدا شريط الإشارات وأنبوب الرمادي.

4. تحليل البيانات لحساب CVR خريطة

  1. حفظ البيانات MRI في تنسيق ملف ديكوم أو أي شكل ببائعي الآخرين. نقل البيانات إلى جهاز كمبيوتر المختبر وتحويل البيانات إلى حجم تلو حجم سلسلة الملف، الذي كل ملف يحتوي على حجم 3D (على سبيل المثال، صورة BOLD) المقابلة لنقطة زمنية واحدة.
  2. قبل عملية بيانات الصورة. أداء صورة ما قبل المعالجة الخطوات بما في ذلك إعادة تنظيم، التطبيع، وتمهيد باستخدام السيناريو الذي يدعو ظائف المكتبة التي يقدمها البرنامج الإحصائي حدودي رسم الخرائط (SPM). انظر ملف التعليمات البرمجية التكميلي 1 للحصول على مثال من السيناريو ماتلاب.
  3. استخدام برنامج نصي لقراءة تسجيل CO 2، تصحيح تأخير أنابيب أخذ العينات عن طريق تحويل مسار الوقت عن طريق كمية محسوبة مسبقا (على سبيل المثال، 12 ثانية في هذا الإعداد والتي يتم تحديدها وفارق التوقيت بين نفس واحد للقطعة الفم و مظهر أن التنفس على تسجيل CO2)، واستخراج ETCO2 الذي هو الظرف (قمم الإيجابية) للسلسلة الزمنية الخام. انظر ملف التعليمات البرمجية التكميلي 2 للبرنامج النصي ماتلاب.
  4. وبناء على توقيت مزامنة، شريحة البيانات اتكو 2 للحفاظ فقط على تسجيل من 25 ثانية قبل أول عملية استحواذ الصورة إلى 100 ​​ثانية بعد الحصول على الصور الماضي. وبالطبع الوقت اتكو 2 هويتم استخدام الدالة مساهمة في الأوعية الدموية، وكما المتغير المستقل في التحليل وصفها لاحقا، الانحدار الخطي.
  5. التعرف على تأخير الفسيولوجية بين اتكو 2 (تقاس في الرئة) وإشارة MRI (تقاس في الدماغ) عن طريق حساب معامل عبر الارتباط (CC) بين هذه المرة دورات اثنين على تحولات زمنية مختلفة. يعتبر قيمة التحول الذي ينتج أعلى CC الوقت الأمثل.
  6. يتم إزاحة دوام اتكو 2 من تأخير الأمثل والحفاظ على نقطة فقط الوقت مطابقة تلك MRI إشارة، مما أدى إلى سلسلة زمنية التي هي من نفس طول إشارة MRI.
  7. إجراء فوكسل تلو فوكسل الانحدار الخطي باستخدام SPM فيها تحول دوام ETCO2 هو المتغير المستقل وMRI دوام إشارة هي المتغير التابع.
  8. حساب فوكسل تلو فوكسل خريطة CVR
    المعادلة 1
    حيث (ط، ي، ك) هو رانه فوكسل مؤشر، β1 هو معامل الانحدار المرتبطة ETCO2 وβ0 هو معامل الانحدار المرتبطة الحد الثابت. دقيقة (اتكو 2) وقيمة الحد الأدنى من اتكو 2 في أثناء الوقت.

Representative Results

يتم جمع نوعين من البيانات مع البروتوكول المقترح، والتسجيلات الفسيولوجية والصور MR. أرقام 2 و 3 مشاهدة التسجيلات من المعلمات الفسيولوجية من موضوع تمثيلي. أثر السوداء في الشكل 2 يعرض دوام CO 2 تسجيلها بواسطة جهاز العرض CO 2، الذي يمثل المحتوى CO 2 في عينات الهواء بالقرب من سان حال. لاحظ أن هذا أثر يتقلب بسرعة بوصفها وظيفة من الزمن. هذا هو لأنه، خلال المرحلة استنشاق دورة التنفس، وهذا تسجيل يعكس المحتوى CO 2 في الهواء استنشاق، وخلال مرحلة الزفير، وهذا تسجيل يعكس المحتوى CO 2 في هواء الزفير. على هذا النحو، وذروة العليا من كل دورة التنفس، ويشار إلى نهاية المد CO 2 أو اتكو 2، يمثل المحتوى CO 2 في الرئة، والتي يمكن استخدامها تقريبا على النحو تركيز CO 2 في الدم الشرياني. ملاحظة عشرفي CO 2 التركيز في الدم الشرياني هو القوة الدافعة، أي وظيفة الإدخال، الرد توسيع الاوعيه الدمويه. ويرسم قمم التتبع CO 2 (المنحنى الأحمر في الشكل 2) مع خوارزمية الكشف وهو البحث عن ذروتها خلال كل نفس، بالاشتراك مع التفتيش اليدوي وتصحيح. وقد تبع ذلك متوسط ​​الترشيح لإزالة قمم مفاجئة بسبب التنفس الجزئي ولإيضاح خلط الدم أثناء تدفق من الأوعية الرئوية إلى الأوعية الدماغية. يظهر اتكو دورة 2 مرة الأخيرة قبل المنحنى الأخضر في الشكل (2) ويتم استخدامه في حساب CVR.

ويبين الشكل 3 دورات وقت معدل التنفس، الشرياني جزء تشبع الأكسجين (حتى 2)، ومعدل ضربات القلب. يتم الحصول على معدل التنفس من رصد CO 2 الوقت حتى 2 ومعدل ضربات القلب وتم الحصول عليها من عداد النبض. كما يمكن أن تكون الصورةالتابعين، وهذه المعايير لا تظهر تغييرا منهجيا مع التحدي فرط ثنائي أكسيد الكربون في الدم. لاحظ أن فرط ثنائي أكسيد الكربون في الدم لا يسبب فرط في هذا الموضوع، وبالتالي فإن الضغط الجزئي O 2 في الرئة ستزيد بشكل متواضع. ومع ذلك، تأثيره على ما هو الحد الأدنى 2 كما هو بالفعل المشبعة الهيموغلوبين في الدم إلى حد كبير في التنفس غرفة الهواء ومنحنى تفارق الأكسجين مسطح بدلا ضمن هذا النطاق.

ويبين الشكل 4 تمثيلية الصور MR BOLD في أوقات مختلفة من التجربة. ويرد أيضا متوسط ​​كثافة إشارة (في وحدات MR التعسفية). ويمكن ملاحظة أن إشارة BOLD في الدماغ وتظهر زيادة مع CO 2 الاستنشاق. لاحظ أن الفرق بين إشارة غرفة الهواء وCO 2 فترات هو بناء على أمر من 1-3٪ في السعة.

الجمع بين البيانات من التسجيلات الفسيولوجية وصور الرنين المغناطيسي، وفوكسل تلو فوكسل خريطة CVR يمكن حسابها. الشكل 5 يظهر ممثلخرائط CVR (في وحدات من نسبة التغير في إشارة مم زئبق CO 2 تغيير) من موضوع صحي الممسوحة ضوئيا على خمسة أيام مختلفة، مما يدل على استنساخ ممتازة من النتائج. وحتى الآن تم تطبيق هذه التقنية المقترحة في دراسات الشيخوخة 20، مرض الزهايمر 4، والتصلب المتعدد 21، وممارسة التدريب 22.

الشكل (1)
الشكل 1. رسم تخطيطي لنظام توصيل الغاز. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. CO 2 دوام من موضوع تمثيلي دوعصابة التجربة. قطاعات من CO 2 المحتوى أثر التنفس عن طريق التنفس كما هو مسجل بواسطة جهاز العرض CO 2 وتظهر لفترة لالتقاط الانفاس الهواء (أسفل اليسار) و 5٪ CO 2 فترة الاستنشاق (أسفل اليمين). وتظهر المستخرجة الوقت اتكو 2 دورات في المنحنيات الملونة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. المسجلة المعلمات علم وظائف الأعضاء من موضوع تمثيلي أثناء التجربة. (A) معدل التنفس (نبضة في الدقيقة، والتنفس في الدقيقة الواحدة) مدار الساعة من هذا الموضوع. (B) حتى 2 (٪) مدار الساعة من هذا الموضوع. (C) قلب معدل (نبضة في الدقيقة، وفاز في الدقيقة) مدار الساعة من هذا الموضوع. هذا الموضوع هو نفس واحدة كما أنه في الشكل 1. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
وأظهرت الشكل 4. ممثل الصور MR BOLD في أوقات مختلفة من التجربة. شدة إشارة متوسط ​​شريحة الدماغ عرض (شريحة محوري # 54 في MNI الفضاء) في الصف السفلي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الشكل 5. خريطة الممثل CVR من موضوع تمثيلي..jove.com / الملفات / ftp_upload / 52306 / 52306fig5large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

قدم هذا التقرير نظام تسليم الغاز-MR متوافق وبروتوكول تجريبي شامل يسمح للرسم خرائط لتفاعل الأوعية الدموية في الدماغ البشري. ويوضح شكل توضيحي لنظام تسليم الغاز في الشكل 1. جميع الأجزاء داخل الغرفة الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي هي البلاستيكية لضمان التوافق MRI بهم. النظام يمكن تقسيم المفهوم إلى ثلاثة أنظمة فرعية، بما في ذلك النظام الفرعي كمية الغاز (كيس، أنبوب التسليم، صمام ثنائي الاتجاه)، وهو النظام الفرعي واجهة التنفس (مشبك الأنف، الناطقة بلسان، U-شكل أنبوب)، و رصد النظام الفرعي (CO 2 التركيز، وتشبع الأكسجين ومعدل ضربات القلب ومعدل التنفس). يسمح النظام الفرعي كمية الغاز الغاز إلى أن استنشاق للوصول إلى اتجاهين صمام. فقط استنشق الهواء، ولكن لا هواء الزفير، سوف تتدفق من خلال هذا النظام الفرعي. النظام الفرعي واجهة التنفس يسمح هذا الموضوع للتنفس داخل وخارج الغاز المقصود. وكلا الغاز استنشاق والزفير تتدفق من خلال هذا النظام الفرعي. والرصولذلك ينبغي ز النظام الفرعي عينة الغاز عند نقطة على طول النظام الفرعي واجهة التنفس.

ويمكن أن تشمل التطبيقات السريرية لهذه التقنية التقييمات من الدماغ الاحتياطي الأوعية الدموية في الأمراض العصبية مثل السكتة الدماغية وتصلب الشرايين، وأمراض مويامويا، والخرف الوعائي، والتصلب المتعدد، وورم في المخ. ويمكن أيضا أن تستخدم هذه التقنية في الدراسات MRI وظيفية لتطبيع أو معايرة إشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي لتحسين عملية حصر النشاط العصبي 23،24.

سمة هامة من سمات النظام المقترح والبروتوكول التجريبي هو أن خليط الغاز يمكن أن يتم تسليمها لهذا الموضوع بينما تسبب الحد الأدنى من الحركة أو عدم الراحة. لذا، فمن الأهمية بمكان لوضع أنبوب U-الشكل (بند رقم 12) من النوع الذي (والمعبرة متصلة نهاية لها) يقع بطبيعة الحال إلى أسفل إلى الفم في هذا الموضوع. بهذه الطريقة، لا يحتاج هذا الموضوع إلى استخدام له عضلات الوجه لعقد أو دعم لسان حال. بل هو أيضا استيرادالنملة أن يدرك أن هذا الموضوع لن يكون قادرا على التحدث في حين لسان حال هو في فمه. ولذلك، يجب على الباحث تجنب الحديث إلى موضوع مع لهجة السؤال. بدلا من ذلك، ينبغي إيلاء اضحة فقط، تعليمات نهائية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن الباحث إيلاء اهتمام وثيق لمعلمات الفسيولوجية (على سبيل المثال، اتكو 2، لذلك 2، معدل ضربات القلب ومعدل التنفس) خلال كامل من التجربة والاستجابة فورا عند واحد أو أكثر من المعلمات الفسيولوجية تنحرف خارج نطاق نموذجي .

في حين مسح شامل لأنظمة أخرى تسليم الغاز المستخدمة في الأدب هو خارج نطاق هذا المقال، فمن المفيد أن نقارن بين النظام الحالي لعدد قليل منها التي يشيع استخدامها 17،18. والفرق الرئيسي هو أن نظامنا يستخدم لسان حال لتوصيل الغاز المقصود في حين أن معظم الأنظمة الأخرى استخدمت قناع في التصميم. المضاعفات المحتملة لاستخدام قناع هما طيات. الأول، قناع سccupies كمية كبيرة من الفضاء، وأنه قد لا يكون دائما مجديا لتتناسب مع قناع في مساحة ضيقة داخل لفائف الرأس، بالنظر إلى أن، على العديد من المواضيع، أنوفهم سيتطرق تقريبا لفائف الرأس حتى من دون قناع. هذا هو الحال بالنسبة لفائف الرأس تهدف إلى تحقيق حساسية عالية، والتي عادة ما تكون مصممة لتناسب بإحكام على رأس الشخص المعني على وجه الخصوص. ومن المضاعفات الثانية المرتبطة مع تصميم قناع هي أن هناك مساحة كبيرة داخل القناع مما يؤدي إلى خلط كبير من الغاز المستنشق والزفير. وبناء على ذلك، فإنه يمكن أن يؤثر على دقة قياس ETCO 2، من الناحية المثالية التي ينبغي أن تقوم على الغاز الزفير فقط. دقيقة اتكو 2 هو بالطبع مهم للموثوقية خريطة CVR. آخر الفرق الرئيسي من نظامنا بالمقارنة مع العديد من الأنظمة الأخرى هو أن نظامنا يسلم الغاز من حقيبة بدلا من خزان الغاز. لذلك، ليست هناك حاجة الدبابات في منطقة الماسح الضوئي، وتوفير مساحة ثمينة في تابع غرفة رول من جناح التصوير بالرنين المغناطيسي. في التصميم لدينا، ونحن نقدم الحقيبة قبل بدء عملية الفحص، وبعد الفحص، يتم إفراغ الكيس، مطوية، ووضع بعيدا. وأخيرا، بالمقارنة مع عدة أنظمة أخرى 18،21، ونظام تسليم الغاز الحالي هو أبسط، وتتطلب أقل وقت التدريب، والمواد الاستهلاكية منه هي أقل تكلفة.

وتجدر الإشارة إلى أنه، على الرغم من أن بروتوكول الواردة في هذا التقرير قد ركز في المقام الأول على CO 2 الاستنشاق، ونظام تسليم الغاز قدمت يسمح للتسليم مخاليط الغاز الأخرى (على سبيل المثال، أي جزء من O 2، أي جزء من CO 2، أي جزء من N 2، والجمع بينهما) إلى الإنسان بالنسبة لهم للتنفس في حين ق / انه يكذب داخل الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي. يمكن للمرء أيضا استخدام نظام تسليم الغاز خارج سياق MRI، على سبيل المثال بالتزامن مع الكهربائي (EEG)، magnetoencephalogram (MEG)، التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، أو التصوير الأمثل.

_content "> وعند تقديم توصية من المعلمات التصوير، فقد ركزنا بشكل أساسي على تسلسل بولد. تسلسل آخر يمكن أن يكون يحتمل استخدامها في رسم الخرائط CVR هو الشرياني سبين وصفها (ASL) MRI، والتي توفر مقياس كمي من تدفق الدم إلى المخ (البرازيلي) في وحدات الفسيولوجية (ملليتر دم لكل 100 غرام الأنسجة لكل دقيقة). لذلك، والاستفادة من الخرائط CVR القائم على ASL هو أن النتائج هي أسهل لتفسير، على عكس إشارة جريئة مما يعكس التأثير المشترك لتدفق الدم، حجم الدم وكذلك المساهمات المحتملة للتغيرات التمثيل الغذائي الدماغ أثناء CO 2 التحدي 25-27. ومع ذلك، وجود قيود على تقنية ASL هو أن حساسيتها أقل عدة مرات من تلك التي من BOLD 28. ونتيجة لذلك، تجربتنا هي أنه في الوقت الحاضر، فمن تحديا للغاية للحصول على المستوى الفردي، والتركيز فوكسل تلو فوكسل خريطة CVR باستخدام ASL. لذلك، للدراسات تطبيق CVR، ونحن نستخدم بشكل رئيسي تسلسل BOLD، وبالتالي أيضا على هذه التقنية في أووتوصيات ص.

واحد الحد من هذا الأسلوب هو أن التنفس عن طريق لسان حال مع انسداد الأنف (عن طريق مقطع الأنف) ليس من الطبيعي تماما وبعض المواضيع (خصوصا المرضى) قد تعتبر هذه كمصدر للإزعاج. قد التنفس مع الناطقة بلسان والأنف كليب أيضا تفاقم شعور الخوف من الأماكن المغلقة. بالإضافة إلى ذلك، هذا الموضوع قد تواجه جفاف الفم بسبب التنفس عن طريق الفم فقط. ولذلك، فمن المستحسن أن الباحث حاول قصارى جهده لاستكمال التجربة بسرعة. وأخيرا، من المهم أن نلاحظ أنه بناء على خبرة المؤلفين، والانزعاج المحتمل المذكورة أعلاه هو عابر وسوف تختفي بمجرد الانتهاء من التجربة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Douglas bag  Harvard Apparatus 500942 200 L capacity
Three-way valve Hans Rudolph CR1207 100% plastic
Two-way non-rebreathing valve Hans Rudolph CR1480 22 mm/15 mm ID
Diaphragm Hans Rudolph 602021-2608 Size: medium, Type: spiral
Mouth piece Hans Rudolph 602076 Silicone, Model # 9061
Nose clip Hans Rudolph 201413 Plastic foam, Model #9014
Gas delivery tube Vacumed 1011-108
Blue cuff Vacumed 22254
Gas sampling tube QoSINA T4305 Thin
Male luer QoSINA 11547
Hydrophobic filter Philips Medical Systems 9906-00 Disposable
U-shape tube Made in-house
Elbow connector QoSINA 51033
EtCO2 monitor Philips Medical Systems Model 1265
Pulse oximetry  Invivo Expression MRI Monitoring Systems
MRI scanner  Philips Achieva 3.0T TX
Disinfectant Fisher Scientific 04-355-13 Decon BDD Bacdown Detergent Disinfectant

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Attwell, D., Laughlin, S. B. An energy budget for signaling in the grey matter of the brain. J Cereb Blood Flow Metab. 21 (10), 1133-1145 (2001).
  2. Kety, S. S., Schmidt, C. F. The Effects of Altered Arterial Tensions of Carbon Dioxide and Oxygen on Cerebral Blood Flow and Cerebral Oxygen Consumption of Normal Young Men. J Clin Invest. 27 (4), 484-492 (1948).
  3. Krainik, A., Hund-Georgiadis, M., Zysset, S., von Cramon, D. Y. Regional impairment of cerebrovascular reactivity and BOLD signal in adults after stroke. Stroke. 36 (6), 1146-1152 (2005).
  4. Yezhuvath, U. S., et al. Forebrain-dominant deficit in cerebrovascular reactivity in Alzheimer's disease. Neurobiol Aging. 33 (1), 75-82 (2012).
  5. Mandell, D. M., et al. Mapping cerebrovascular reactivity using blood oxygen level-dependent MRI in Patients with arterial steno-occlusive disease: comparison with arterial spin labeling MRI. Stroke. 39 (7), 2021-2028 (2008).
  6. Greenberg, S. M. Small vessels, big problems. N Engl J Med. 354 (14), 1451-1453 (2006).
  7. Hsu, Y. Y., et al. Blood oxygenation level-dependent MRI of cerebral gliomas during breath holding. J Magn Reson Imaging. 19 (2), 160-167 (2004).
  8. Mikulis, D. J., et al. Preoperative and postoperative mapping of cerebrovascular reactivity in moyamoya disease by using blood oxygen level-dependent magnetic resonance imaging. J Neurosurg. 103 (2), 347-355 (2005).
  9. Han, J. S., et al. BOLD-MRI cerebrovascular reactivity findings in cocaine-induced cerebral vasculitis. Nat Clin Pract Neurol. 4 (11), 628-632 (2008).
  10. Ellingsen, I., Hauge, A., Nicolaysen, G., Thoresen, M., Walloe, L. Changes in human cerebral blood flow due to step changes in PAO2 and PACO2. Acta Physiol Scand. 129 (2), 157-163 (1987).
  11. Ide, K., Eliasziw, M., Poulin, M. J. Relationship between middle cerebral artery blood velocity and end-tidal PCO2 in the hypocapnic-hypercapnic range in humans. J Appl Physiol (1985). 95 (1), 129-137 (2003).
  12. Xie, A., et al. Cerebrovascular response to carbon dioxide in patients with congestive heart failure. Am J Respir Crit Care Med. 172 (3), 371-378 (2005).
  13. Rostrup, E., et al. Regional differences in the CBF and BOLD responses to hypercapnia: a combined PET and fMRI study. Neuroimage. 11 (2), 87-97 (2000).
  14. Zande, F. H., Hofman, P. A., Backes, W. H. Mapping hypercapnia-induced cerebrovascular reactivity using BOLD MRI. Neuroradiology. 47 (2), 114-120 (2005).
  15. Kastrup, A., Kruger, G., Neumann-Haefelin, T., Moseley, M. E. Assessment of cerebrovascular reactivity with functional magnetic resonance imaging comparison of CO(2) and breath holding. Magn Reson Imaging. 19 (1), 13-20 (2001).
  16. Bright, M. G., Donahue, M. J., Duyn, J. H., Jezzard, P., Bulte, D. P. The effect of basal vasodilation on hypercapnic and hypocapnic reactivity measured using magnetic resonance imaging. J Cereb Blood Flow Metab. 31 (2), 426-438 (2011).
  17. Slessarev, M., et al. Prospective targeting and control of end-tidal CO2 and O2 concentrations. J Physiol. 581 (3), 1207-1219 (2007).
  18. Wise, R. G., et al. Dynamic forcing of end-tidal carbon dioxide and oxygen applied to functional magnetic resonance imaging). J Cereb Blood Flow Metab. 27 (8), 1521-1532 (2007).
  19. Yezhuvath, U. S., Lewis-Amezcua, K., Varghese, R., Xiao, G., Lu, H. On the assessment of cerebrovascular reactivity using hypercapnia. BOLD MRI. NMR Biomed. 22 (7), 779-786 (2009).
  20. Lu, H., et al. Alterations in cerebral metabolic rate and blood supply across the adult lifespan. Cereb Cortex. 21 (6), 1426-1434 (2011).
  21. Marshall, O., et al. Impaired cerebral vascular reactivity in multiple sclerosis measured with hypercapnia perfusion MRI. JAMA Neurology. In press, Forthcoming.
  22. Thomas, B. P., et al. Life-long aerobic exercise preserved baseline cerebral blood flow but reduced vascular reactivity to CO2. J Magn Reson Imaging. 38 (5), 1177-1183 (2013).
  23. Liu, P., et al. Age-related differences in memory-encoding fMRI responses after accounting for decline in vascular reactivity. Neuroimage. 78, 415-425 (2013).
  24. Liu, P., et al. A comparison of physiologic modulators of fMRI signals. Hum Brain Mapp. 34 (9), 2078-2088 (2013).
  25. Zappe, A. C., Uludag, K., Oeltermann, A., Ugurbil, K., Logothetis, N. K. The influence of moderate hypercapnia on neural activity in the anesthetized nonhuman primate. Cereb Cortex. 18 (11), 2666-2673 (2008).
  26. Xu, F., et al. The influence of carbon dioxide on brain activity and metabolism in conscious humans. J Cereb Blood Flow Metab. 31 (1), 58-67 (2011).
  27. Thesen, T., et al. Depression of cortical activity in humans by mild hypercapnia. Hum Brain Mapp. 33 (3), 715-726 (2012).
  28. Lu, H., Golay, X., Pekar, J. J., Van Zijl, P. C. Functional magnetic resonance imaging based on changes in vascular space occupancy. Magn Reson Med. 50 (2), 263-274 (2003).

Tags

الطب، العدد 94، التفاعل الدماغية الوعائية والأمراض الدماغية الوعائية، وأنظمة تسليم الغاز MRI-متوافق، فرط ثنائي أكسيد الكربون في الدم، فرط التأكسج، CO
MRI رسم خرائط الدماغية التفاعلية عبر استنشاق الغاز التحديات
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lu, H., Liu, P., Yezhuvath, U.,… More

Lu, H., Liu, P., Yezhuvath, U., Cheng, Y., Marshall, O., Ge, Y. MRI Mapping of Cerebrovascular Reactivity via Gas Inhalation Challenges. J. Vis. Exp. (94), e52306, doi:10.3791/52306 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter