使用校准动脉自旋标记法对肺灌注进行磁共振成像定量

摘要

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。

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（F_IO₂ = 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

1. 受试者人群
   1. 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。
   2. 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。
2. 知情同意
   1. 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。
   2. 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。
3. 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

1. 体格检查
   1. 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。
   2. 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。
2. 肺功能测试
   ....

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.......

材料

本文使用的材料清单

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