本文描述了一种磁共振成像方法，用于研究多种生理条件下肺部血流分布情况，具体而言是暴露于三种不同吸入氧浓度（低氧、常氧和高氧）下的情况。该技术在磁共振扫描环境中应用了人体肺部生理学研究方法。
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摘要
摘要
这展示了一种磁共振成像方法，用于测量健康受试者在常氧（吸入氧浓度为21%）和高氧（吸入氧浓度为100%）条件下肺血流的空间分布2，组分（F我O2) = 0.21）低氧（FIO2 = 0.125）以及高氧 (F我O2 = 1.00)。此外，在磁共振扫描环境中监测受试者的生理反应。在功能残气量下，通过1.5 T GE MRI扫描仪在右肺矢状切面上屏气期间获取磁共振图像。采用动脉自旋标记序列（ASL-FAIRER）测量肺血流的空间分布。 1,2 多回波快速梯度回波（mGRE）序列 3 用于定量区域质子（即 H2O）密度，从而实现对每个体素（每分钟每克肺组织的血流量，单位为毫升）进行密度标准化灌注的定量分析。
通过配备有双向无重复呼吸阀的面罩和气动切换阀，将不同浓度的氧气经吸入气体管路导入磁共振扫描仪中的受试者体内。代谢车通过呼出气体管路收集呼出气体。测量了混合呼出气中的 O2 和 CO2 浓度、氧气消耗量、二氧化碳产生量、呼吸交换比、呼吸频率和潮气量。采用脉搏血氧仪监测心率和血氧饱和度。对一名正常受试者获得的数据表明，与常氧（51次/分钟）或高氧（50次/分钟）相比，低氧条件下心率较高（60次/分钟），且动脉血氧饱和度（SpO2）在低氧期间下降至86%。低氧期间平均通气量为8.31 L/min BTPS，常氧期间为7.04 L/min，高氧期间为6.64 L/min。低氧期间潮气量为0.76 L，常氧期间为0.69 L，高氧期间为0.67 L。
代表性定量的动脉自旋标记（ASL）数据显示，该受试者在低氧状态下平均密度归一化灌注为 8.86 ml/min/g，在常氧状态下为 8.26 ml/min/g，在高氧状态下为 8.46 ml/min/g。该受试者的全局异质性指标——相对分散度4在低氧时升高（低氧时为 1.07，常氧时为 0.85，高氧时为 0.87），而反映血管分支结构的另一项异质性指标——分形维数（Ds）则保持不变（低氧时为 1.24，常氧时为 1.26，高氧时为 1.26）。
概述。本方案将演示如何使用一种称为动脉自旋标记（arterial spin labeling, ASL）的磁共振成像技术，在常氧、低氧和高氧条件下无创地获取数据，以测量肺灌注的分布情况。
原理：采用磁共振技术测量肺血流量和肺质子密度，可获得高空间分辨率的图像，能够进行定量分析，并可在多种不同生理条件下重复测量。在人体研究中，正电子发射断层扫描（PET）、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）和计算机断层扫描（CT）常作为替代技术。然而，这些技术涉及电离辐射暴露，因此不适用于在人体受试者中进行重复测量。
方案
1. 受试者招募
- 受试者人群
- 通过广告招募受试者，以符合本研究所需的特定人口统计学特征。
- 本研究的受试者为年龄在19至45岁之间的健康非吸烟者，无心脏病或肺部疾病史。
- 知情同意
- 本研究已获得加州大学圣地亚哥分校人类研究保护项目批准。
- 向受试者说明本研究可能存在的风险，例如磁共振成像（MRI）中的磁场暴露，以及吸入低氧和高氧气体的风险。
若受试者为育龄女性，需在研究开始前采集尿液样本，以排除妊娠可能。尽管磁场暴露对胎儿发育造成危害的可能性极低，但确切的风险尚不明确。此外，低氧状态可能对胎儿构成风险。基于上述原因，孕妇被排除在本研究之外。
- 磁共振安全筛查
所有受试者必须完成一份关于可能影响磁共振检查安全性的物品的问卷调查。若发现存在禁忌症，该受试者将被排除在研究之外。
2. 准备
- 体格检查
- 由有资质的医师对受试者进行有关其身体健康状况和生活习惯的访谈，并进行简要的体格检查。
- 同时测量受试者的身高和体重。这些数值用于估算肺功能测试的预测值以及比吸收率（SAR）。SAR 的估算非常重要，因为产生磁共振（MR）图像所需的射频（RF）能量可能导致受试者组织发热。
- 肺功能测试
采用肺量计在直立姿势下测量肺容积。受试者通过向手持式肺量计（EasyOne Spirometer, Medical Technologies Andover）吹气来完成肺功能检测。使用鼻夹以确保所有气体均从口腔呼出。肺量计数据采集三次，以确保数据可靠。肺功能测试的质量必须符合美国胸科学会/欧洲呼吸学会标准5。
3. 进行磁共振研究
- 训练受试者在屏气期间稳定达到功能残气量（FRC）肺容积。
我们的肺部成像在肺处于功能残气量（FRC）时进行采集。该肺容积易于达到，并可通过提高质子密度增强图像的信噪比。我们对受试者进行训练，使其能够舒适且可重复地达到该肺容积。若受试者为首次参与本研究项目，需在进入磁共振（MR）扫描仪前完成此项训练。由于扫描过程中设备会产生声音，我们将预先录制的扫描声音播放给受试者，并在其练习将呼吸与录音同步时提供指导。 - 呼吸系统设置
- 吸气装置
吸气管路连接至Mylar气体袋，气体袋中可充入高氧或低氧气体，或常氧空气，并通过切换阀（Single-Piston Sliding-Type™ 阀及控制器 4285A，Hans Rudolph）输送。需检查该阀是否正常工作。
用于向受试者输送吸入气体的气体袋置于扫描室内，并通过管路连接至MR控制室内不同氧浓度的气瓶。研究者通过调节气瓶减压阀向气体袋中充气。
研究者需通过控制室窗口持续监测气体袋，以确保其内气体体积充足，从而保证受试者能够正常吸气。高氧与低氧气体的吸入氧分数（FIO2）分别为1.0和0.125，常氧气体使用室内空气。 - 呼气装置
呼气管路长度足够，可从MR扫描仪内的受试者经穿墙接口连接至MR控制室内的代谢车（TrueOne 2400, ParvoMedics）。
代谢车用于测量呼出气体体积以及混合呼出气中O2和CO2的浓度。基于这些参数，系统还可计算多种呼吸参数，包括潮气量、耗氧量（V. O2）、二氧化碳生成量（V. CO2）及呼吸商。
每次研究前均需对O2和CO2传感器及流量计进行校准。研究者根据代谢车操作软件内置的校准程序完成系统校准。O2和CO2传感器采用两点校准法，分别使用校准气体（FO2 = 0.16，FCO2 = 0.04）和室内空气（FO2 = 0.2098，FCO2 = 0.00）进行调整。流量计使用标准化的3升校准注射器进行校准：研究者通过配备Hans Rudolph 2通非重复呼吸阀（与受试者面罩所用型号相同）的呼气管路，将3升空气（室温及大气压下）泵入代谢车。为覆盖不同呼吸流速，该校准至少重复五次，峰值流速范围为50 L/min ATPS至80 L/min，适用于静息状态测量。管路及咬嘴内的容积经计算后，结合受试者的呼吸数据，可用于校正因呼气管路长度引起的延迟时间。 - 面罩
使用经冷灭菌处理的硅胶面罩（7400系列口鼻面罩，Hans Rudolph）为受试者佩戴，以在成像过程中输送不同气体混合物并采集代谢与通气数据（尺寸：特小、小、中、大、特大）。大多数成年受试者适用小号、中号或大号面罩。
面罩配备预灭菌的非重复呼吸阀（Two-way non-rebreathing valve T-Shape™ 配置，2600中号，2700大号，Hans Rudolph），通过网状固定带固定于受试者面部，并检查是否存在漏气。随后连接吸气与呼气管路。
- 吸气装置
- 磁共振（MR）系统设置
- 受试者仰卧于可滑动检查床上，足部朝向扫描仪孔径，床体移入磁共振扫描仪内。
- 使用枕头和泡沫垫以最大程度提高受试者舒适度。在受试者手指上佩戴脉搏血氧仪（7500 FO, Nonin），用于监测血氧饱和度和心率，尤其在受试者暴露于低氧环境时尤为重要。
- 在受试者胸部放置心电图（EKG）电极片，使动脉自旋标记（ASL）磁共振序列可与QRS波群同步门控。
- 受试者佩戴面罩后难以与研究人员直接交流。因此在其手中放置一个挤压球，并用胶带固定，以便其在需要帮助时随时向研究人员发出信号。
- 为受试者提供耳塞，以保护其免受扫描仪运行时产生的噪音影响。
- 在受试者胸部放置三个磁共振体模。这些体模用于后处理阶段对磁共振信号进行量化，且此前已完成特性表征。
- 将体部线圈置于受试者胸部的体模上方。体部线圈通过缩短接收器与受试者之间的物理距离，提高磁共振图像的信噪比，优于使用内置体线圈。最后，为受试者覆盖毛毯以确保其舒适。
4. MR 扫描
- 扫描前
- 要求受试者仰卧于MRI扫描床，足部先进入。随后扫描床将受试者移至MRI扫描仪孔洞的中心位置。
- 扫描操作员会频繁与受试者交流，以确保其舒适，并提醒其在需要帮助时挤压手中的压力球。
- 研究人员监测心电图（EKG）、O2饱和度、潮气量、V. O2和V. CO2。监测的最初几分钟对获得高质量数据尤为重要；若这些数值不在预期范围内，则必须重复校准，并检查面罩和管路是否存在泄漏。
- 成像检查序列
- 首先采集定位序列，以获取解剖图像，用于确定躯干内成像层面的位置。
- 在右肺前-后径最大的部位，从矢状面选择一个层面。通常层面厚度为15 mm，视野为40 cm × 40 cm。
- 动脉自旋标记
采用流动敏感交替反转恢复加额外射频脉冲序列（ASL-FAIRER），结合半傅里叶采集单次激发 turbo 自旋回波（HASTE）成像方案，获取区域性灌注数据1,2。- 受试者将听到一系列成对的声音“砰-砰”，分别表示磁性标记和图像采集。第一个“砰”声比第二个短，这种声音差异明显。在每对声音之间，受试者必须完成一次完整的呼吸周期：吸气并呼气，然后等待下一对声音。在声音出现期间，受试者必须在功能残气量（FRC）水平屏气。
- 在正式扫描前，会对受试者进行一次测试性图像采集，使其练习在进入扫描仪前已熟悉的相关呼吸动作（如上所述）。
- MRI操作员根据膈肌运动情况评估肺部图像质量。若膈肌运动最小，则开始ASL测量。研究人员持续监测潮气量，目标潮气量约为500–700 ml，符合正常通气水平，并包含阀门带来的额外死腔。
- 肺灌注定量的基本原理详见参考文献1和2。在此MR序列中，以5秒间隔采集两个不同的心电门控图像。标记与图像采集之间的时间（即第一次“砰”声与第二次“砰”声之间）设定为R-R间期的80%，以便采集一次完整的收缩期射血。血液信号以两种不同方式准备：在第一幅图像中，图像层面内外的血液和组织的纵向磁化均被反转，导致血液和组织信号均极低；在第二幅图像中，仅对成像层面施加反转，因此来自层面外流入层面内的血液具有较强的MR信号。将两幅图像相减后，可消除静止组织的信号，最终得到一个反映一个收缩期射血周期内输送到该层面的血量的定量图。分辨率为256 × 128像素，因此体素大小约为1.5 × 约3.1 × 15 mm（约0.07 cm3）。
- 肺质子密度
除ASL图像外，我们还采用多回波快速梯度回波（mGRE）序列测量肺质子密度3。这使得灌注测量结果可以表示为mL/min/g，并校正胸腔内肺组织变形的影响6。该序列分别使用躯干线圈和体线圈各运行一次。- 在此次质子密度图像采集过程中，受试者将听到持续约10秒的连续噪声。在此期间，受试者必须屏气并保持在功能残气量（FRC）水平。
肺质子密度定量的基本原理见参考文献3。分辨率为64 × 64像素，因此体素大小约为6.3 × 约6.3 × 15 mm（约0.59 cm3）。
- 在此次质子密度图像采集过程中，受试者将听到持续约10秒的连续噪声。在此期间，受试者必须屏气并保持在功能残气量（FRC）水平。
- 切换吸入气体
- 本研究中，受试者依次吸入氧浓度分数（FIO2）为0.21（常氧/室内空气）、FIO2 = 0.125（低氧）和FIO2 = 1.00（高氧）的气体，顺序在受试者间均衡分配，但可根据研究目标灵活调整。
- 当受试者在特定条件下达到稳态后（约20分钟暴露于某种气体）7，进行灌注和质子密度的MR测量。此处选择成像前20分钟的气体暴露时间，是因为虽然低氧性肺血管收缩反应在数秒内启动，但对肺泡低氧的反应需约20分钟才能达到最大，符合本研究的具体目标8。
5. 后处理
使用在 MATLAB 编程环境中开发的自定义软件完成后处理。
- 线圈非均匀性校正
通过使用来自均匀体线圈和非均匀体部线圈的配对多回波梯度回波（mGRE）图像（第4.1节），所有血流和质子密度图像均针对每个受试者进行个体化的线圈非均匀性校正6。该方法在参考文献6和9中已有描述。 - 密度归一化灌注
- 在对减影ASL图像完成线圈非均匀性校正后，区域肺血流量以毫升（血液）每分钟每立方厘米（体素）为单位进行量化。
- 通过将ASL图像除以质子密度图像，计算得到以毫升（血液）每分钟每克水表示的密度归一化灌注，结果单位为毫升每分钟每克肺组织（组织+血液）。
- 采用基于互信息的技术对ASL图像与质子密度图像进行配准，该技术包含平移和旋转校正；随后，在体素基础上将ASL灌注图像除以体部线圈获取的质子密度图像6,9。该方法也在参考文献6和9中有所描述。
- 数据分析
对于上述获取的每幅图像（肺部质子密度图像和密度归一化灌注图像），数据按以下方式分析。- 对每幅图像，计算平均密度归一化灌注值。
- 计算三种不同的灌注异质性指标。分别为：1）相对离散度4,10,11，又称变异系数，是一种全局性异质性尺度，定义为灌注标准差与平均灌注的比值，相对离散度越大，表示灌注分布越不均匀；2）分形维数（Ds）7，为一种与尺度无关的空间异质性指标，其值介于1.0（均匀）和1.5（空间随机）之间；3）几何标准差，同样是基于对数正态分布模型的全局性异质性尺度2。
6. 代表性结果
生理数据见表1。在低氧条件下，心率升高，饱和度降低。低氧期间通气量为8.31 L/min BTPS，常氧期间为7.04 L/min，高氧期间为6.64 L/min。低氧期间潮气量为0.72 L，常氧期间为0.69 L，高氧期间为0.67 L。低氧暴露可增加通气量和潮气量，而高氧则降低通气量和潮气量。
图1显示了一名受试者（男性，30岁）在三种不同吸入氧浓度（低氧：0.125，常氧：0.21，高氧：1.00）条件下采集的三幅经密度归一化的灌注图像。灌注异质性数据分析结果见表2。可以看出，低氧条件增加了相对分散度，但其他指标基本保持不变。
图2显示了吸入氧浓度对肺部最依赖区域下方10 cm以内及上方10 cm以上每1 cm高度的密度标准化灌注垂直分布的影响。所有高于10 cm的数据点被平均后显示为一个数据点。
| 缺氧 | 常氧 | 高氧 | |
| 心率（次/分钟） | 60 | 51 | 50 |
| 血氧饱和度（SpO2） | 86 | 99 | 100 |
| 每分钟通气量 VE BTPS（L/min） | 8.31 | 7.04 | 6.64 |
| 潮气量 Vt BTPS（L） | 0.76 | 0.69 | 0.67 |
| 呼出气氧浓度 FEO2（%） | 8.85 | 17.27 | - |
| 呼出气二氧化碳浓度 FECO2（%） | 3.41 | 3.60 | 3.20 |
| 氧耗量 VO2 STPD（L/min） | 0.25 | 0.22 | -* |
| 二氧化碳排出量 VCO2 STPD（L/min） | 0.23 | 0.21 | 0.18 |
表1. 扫描过程中的生理数据。
* 当受试者吸入100%氧气时，无法轻易测量VO2（详见12）。
| 缺氧 | 常氧 | 高氧 | |
| 相对离散度 | 1.07 | 0.85 | 0.87 |
| 分形维数 | 1.24 | 1.26 | 1.26 |
| 几何标准差 | 2.41 | 2.11 | 2.38 |
表2. 肺灌注异质性的三个指数。
图 1. 三种不同吸入氧浓度对密度标准化灌注的影响。1.1：缺氧（0.125），1.2：常氧（0.21），1.3：高氧（1.00）。比例尺为 3 cm（白色实线）。A：前侧，P：后侧，I：下侧，S：上侧方向。
图 2. 三种不同吸入氧浓度对肺内密度标准化灌注垂直分布的影响。密度标准化灌注值在相同重力平面内按1 cm间隔进行分段平均，起始于肺最依赖部位（0 cm），向上延伸至最非依赖区域。所有高于10 cm的数据点被合并为一个数据点进行平均和展示。
误差线表示该平面内归一化密度灌注值的标准差。缺氧数据用红色表示，常氧数据用蓝色表示，高氧数据用绿色表示。
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讨论
该方法利用磁共振扫描环境中的基本生理学技术，能够测量吸入氧浓度对肺部血流空间分布的影响。将生理学技术与肺部的定量质子成像相结合，相对易于实施。
为了确保高质量的检测，最重要的步骤是训练受试者在正确的肺容积下屏气，并与成像序列保持同步。由于动脉自旋标记（ASL）和质子密度图像均依赖于功能残气量（FRC）肺容积的可重复性，任何膈肌或胸壁的运动都会导致图像配准错误。经过良好训练的受试者能够在磁共振扫描仪中反复重现FRC肺容积。部分受试者在扫描过程中会出现过度通气，因此研究人员必须同时监测代谢车测量的潮气量，并向受试者提供反馈以确保其正常呼吸。最后，在低氧暴露期间尤其需要监测受试者的血氧饱和度，以确保其安全。
这些技术的一些局限性如下：1. 我们每次屏气只能获取一个层面的灌注数据。然而，我们的序列允许在呼吸间隙进行连续采集，因此通过重复屏气，可在不到3分钟的时间内完成整个肺部的成像。2. 定量分析依赖于对参考模体的准确表征，任何在此方面的误差都会直接反映在数据中。3. 由于我们使用的生理监测设备位于扫描室之外，因此无法对每次呼吸的VO...
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披露
未声明任何利益冲突。
致谢
由美国国立卫生研究院（NIH）HL081171 和 NIH HL080203 项目资助
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 磁共振成像 | GE Healthcare | 1.5 T GE HDx EXICITE twinspeed 扫描仪 | |
| 代谢车 | ParvoMedics | TrueOne 2400 | |
| 脉搏血氧仪 | 非侵入性 | 7500 FO | |
| 肺量计 | 医疗技术安多弗 | EasyOne 诊断型肺功能仪 | |
| 口罩 | Hans Rudolph | 7400 系列口鼻面罩，小号、中号和大号 | |
| 瓣膜 | Hans Rudolph | 双向无复吸阀 T型接口，2600 型 中号，2700 型 大号 | |
| 头戴式耳机 | Hans Rudolph | 头部固定帽（成人尺寸），绑带 &和锁定夹。 | |
| 气动方向控制阀和控制器 | Hans Rudolph | 单活塞滑动式阀门及控制器 4285A | |
| 非扩散气体收集袋 | Hans Rudolph | 6100（100升） | |
| 管 | VacuMed | Clean-Bor 管道 108”, 1-3/8” OD接头 | |
| 模体 | 导师 | 乳房植入物 圆形，250毫升 | |
| matlab | Mathworks |
参考文献
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- Henderson, A. C., Prisk, G. K., Levin, D. L., Hopkins, S. R., Buxton, R. B. Characterizing pulmonary blood flow distribution measured using arterial spin labeling. NMR Biomed. 22, 1025-1035 (2009).
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