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方法文章

利用质子磁共振成像结合氧气作为对比剂对人体肺部特异性通气进行定量绘图

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DOI：

10.3791/59579

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2019年6月5日

 ,  ,  ,  , 
1Pulmonary Imaging Laboratory, Department of Medicine, University of California, San Diego, 2Pulmonary Imaging Laboratory, Department of Radiology, University of California, San Diego

本文内容

摘要

比通气成像是一种功能性磁共振成像技术，利用吸入的氧气作为对比剂，可对人体肺部区域的比通气量进行定量分析。本文介绍了一种采集和分析比通气成像数据的实验方案。

摘要

特定通气成像（SVI）是一种功能性磁共振成像技术，仅利用吸入的氧气作为对比剂，即可对人体肺部特定区域的特定通气——即进入肺部某一区域的新鲜气体量与其呼气末容积之比——进行定量测量。对特定通气进行区域性定量分析，有助于识别肺功能异常的区域。溶解于组织中的氧气会缩短组织的纵向弛豫时间（T1），因此组织氧合状态的变化可通过反转恢复成像中T1加权信号的变化来检测。在吸入氧气浓度发生突然改变后，肺组织内体素达到新的稳态的速率，反映了该区域残留气体被吸入气体替换的速率，而该速率由特定通气决定。为实现这种氧合状态的快速变化，受试者在磁共振成像仪中交替吸入20次空气（21%氧气）和100%纯氧。通过使用定制的三维（3D）打印分流旁路系统，并在短暂的呼气末屏气期间手动切换，实现吸入氧浓度的阶跃式变化。为检测相应的T1变化，采用全局反转脉冲结合单次激发快速自旋回波序列，在1.5 T磁共振成像仪上使用八通道体部线圈采集二维T1加权图像。该方法既可进行单层成像，也可进行多层成像，成像参数略有不同。通过将每个肺部体素的信号强度随时间变化曲线与模拟空气/氧气刺激响应的信号库进行比对，实现对特定通气的定量分析。SVI对特定通气异质性的估计结果已通过多次呼吸洗脱法验证，证明其能够准确反映特定通气分布的异质性。

引言

特异性通气成像（SVI）是一种质子磁共振成像（MRI）技术，利用氧气作为对比剂1，其总体目标是对人体肺部的特异性通气进行定量绘图。特异性通气是指一次呼吸中输送至肺部某一区域的新鲜气体量与该肺区呼气末容积的比值1。结合局部肺密度的测量，可利用特异性通气计算区域通气量2。SVI 提供的局部通气及通气异质性测量结果，有望加深对肺部在正常和异常状态下功能机制的理解3,4。

特定通气成像（SVI）是经典生理学检测——多次呼吸洗脱法（MBW）——的一种延伸，后者最早于20世纪50年代提出5,6。这两种技术均利用气体吸入/洗脱过程来测量特定通气的异质性，但SVI可提供空间定位信息，而MBW仅能提供通气异质性的整体评估。在MBW中，通过质谱仪在多次呼吸过程中连续测量不溶性气体（如氮气、氦气、六氟化硫等）洗脱期间呼出气体的混合浓度，如图1所示。结合洗脱期间每次呼吸的呼出气体体积，这些数据可用于计算肺内特定通气的整体分布情况。在SVI中，利用磁共振成像（MRI）扫描仪在多次氧气吸入/洗脱过程中，测量每个肺部体素的T1加权信号——该信号是肺组织中溶解氧含量的替代指标，直接反映局部氧浓度——的变化。与MBW直接类比，这些信息可用于计算每个肺部体素的特定通气值。换句话说，SVI技术在一次实验中同时执行了成千上万次类似MBW的并行实验，每个体素对应一次。事实上，由此生成的特定通气空间图谱可被整合，以重现MBW所获得的特定通气异质性结果。一项验证研究7表明，当在同一受试者身上连续进行这两种方法时，其结果具有可比性。

还存在其他成像方式，与SVI类似，可提供通气异质性的空间测量指标。正电子发射断层扫描（PET）8,9、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）10,11以及超极化气体磁共振成像（hyperpolarized gas MRI）12,13技术已被用于生成大量关于健康个体与异常个体通气空间分布的文献。总体而言，这些技术至少具有一项明显优于SVI的优势，即其信噪比通常更高。然而，每种技术也存在特定的缺点：PET和SPECT涉及电离辐射暴露，而超极化MRI则需要使用高度特化的超极化气体，并配备非常规的多核磁共振扫描设备。

SVI 是一种质子磁共振成像技术，通常使用 1.5 特斯拉的磁共振设备，并以吸入氧气作为对比剂（这两种资源在医疗环境中均易于获得），因此该技术在临床环境中的推广应用潜力更大。SVI 利用氧气可缩短肺组织纵向弛豫时间（T1）的特性1，从而导致 T1 加权图像中的信号强度发生变化。因此，吸入氧气浓度的变化会引发经过适当时间采集的磁共振图像信号强度的改变。在吸入氧气浓度突然改变（通常为空气与 100% 氧气之间切换）后，信号强度变化的速率反映了肺内原有气体被吸入气体替换的速度。这一替换速率由特定通气（specific ventilation）决定。

由于SVI不涉及电离辐射，因此在需要随访患者的纵向研究和干预性研究中不存在禁忌证。因此，该技术非常适合用于研究疾病进展或评估个体患者对治疗的反应。由于其操作相对简便且可安全重复进行，特异性通气成像通常是一种理想的技术，适用于希望在多个时间点或多个不同临床场所研究显著效应和/或大量人群的研究人员。

自首次描述该技术的论文发表以来1，特异性通气成像（SVI）已被应用于研究快速生理盐水输注、体位、运动以及支气管收缩的影响2,3,4,14,15。该技术估算全肺特异性通气异质性的能力已通过成熟的多次呼吸洗脱试验得到验证7，而最近还开展了区域性交叉验证，通过将SVI与超极化气体多次呼吸特异性通气成像进行比较进一步确认了其可靠性16。这一可靠且易于部署的技术能够对人肺内的特异性通气进行定量绘图，有望显著促进呼吸系统疾病的早期检测与诊断。同时，它也为量化区域性肺部异常以及监测治疗引起的改变提供了新的机会。SVI使我们首次能够测量这些区域特异性的肺功能变化，这些变化有望成为评估药物和吸入疗法效果的生物标志物，并可能在临床试验中成为极为有用的工具。

本文旨在详细介绍并以可视化形式展示特定通气成像的方法学，从而促进该技术向更多研究中心的推广。

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方案

加州大学圣地亚哥分校人类研究保护项目已批准本方案。

1. 受试者安全与培训

  1. 获得受试者的书面知情同意。向其说明暴露于快速变化的磁场可能带来的风险，以及使用面罩和呼吸干燥气体可能引起的不适。
  2. 通过当地批准的磁共振成像（MRI）安全筛查问卷，确认受试者能够安全接受MR扫描。
  3. 如果受试者为育龄期女性且不确定是否怀孕，应要求其自行使用市售的妊娠检测试剂进行检测。若受试者已怀孕，则将其排除在后续研究之外。
  4. 测量受试者的体重。磁共振扫描仪的安全参数需根据输送至受试者的射频（RF）能量进行限制，因此必须输入该参数。确认受试者的体重低于MRI检查床的最大承重限制（本例中为136 kg）。
  5. 训练受试者根据MR扫描序列的节奏进行呼吸。建议播放一段先前扫描的音频录音，指导受试者保持正常呼吸，每5秒完成一次呼吸周期，并以扫描仪发出的音频提示作为引导；在训练过程中应与受试者同步呼吸以提供示范。
  6. 通过测量受试者鼻尖至下巴的距离，确定最适合其面部的面罩尺寸（尺寸范围从特小号至加大号[XL]）。合适的面罩应佩戴舒适，且在任何部位均能防止空气在面罩与皮肤之间泄漏。如有必要，可尝试其他尺寸。
  7. 确认受试者口袋和衣物中不携带磁性信用卡或含铁金属物品。如有需要，应让受试者更换为MRI检查机构提供的医用病号服。
    注意：金属在MRI环境中可能存在安全隐患，金属物体如衣物夹（通常在文胸中）、金属环（文胸和连帽衫）、金属纽扣或拉链（衬衫、毛衣）、发饰及假发等，均可能产生影像伪影。

2. MRI 环境的准备

  1. 仅允许接受过符合影像中心标准的磁共振成像（MRI）安全培训的人员进入扫描室或协助进行本实验。
  2. 通过将体部线圈连接至扫描床的相应接口，配置磁共振扫描仪以使用体部线圈。
  3. 在扫描床上铺设床单、垫子和枕头，确保受试者在成像期间至少30分钟内保持舒适。
  4. 组装氧气输送系统。
    注意：    氧气管路系统的示意图见图2。
    1. 将一个两通/三通切换阀放置在扫描操作员或执行SVI实验人员易于触及的位置。
    2. 使用¼英寸塑料管，将位于扫描室外的医用氧气瓶或墙式氧气供应口（如可用）连接至切换阀的一个入口。
    3. 将控制室内切换阀的出口连接至长度为8 m（足以延伸至扫描仪）的¼英寸塑料管。将管道穿过传递孔，从控制室通入扫描室，并确保其可延伸至扫描孔道的中央位置。
      注意：连接切换阀出口至流量旁路面罩的塑料管在最后2 m处管径逐步增大，从¼英寸增至3/8英寸再增至½英寸，以降低气流进入旁路系统时产生的噪音。
    4. 将管道的½英寸端连接至流量旁路面罩接口。
    5. 将流量旁路接口牢固安装在适合受试者的面罩上。
    6. 调节气体钢瓶或墙式供气出口的减压阀压力，使其输出的氧气流量高于预期的最大吸气峰流速。所需压力取决于研究性质（静息、运动等）以及整个气体输送系统的阻力（对于步骤2.4.3所述系统，在静息状态下研究时通常约为~70 psi）。
    7. 通过启动氧气流动来测试切换阀，确保流量旁路接口出口处有充足的气流，并确认塑料管路无泄漏。

3. 受试者的仪器连接与成像前准备

  1. 让受试者平躺在 MRI 检查床上。确保下部线圈元件的顶部能够充分覆盖肺尖区域，即下部线圈元件的顶端应高于受试者的双肩。
  2. 让受试者插入耳塞，并确认声音已被有效隔绝。
  3. 用胶带将捏球（或其他备用安全装置）固定在受试者的手腕上，以便其能够方便地使用。
  4. 将面罩和气流旁路系统连接至受试者面部。短暂阻塞气流旁路接头的呼气端，要求受试者尝试一次正常的吸气和呼气，以检查是否存在漏气。
  5. 将受试者送入扫描仪，使用激光定位工具确保躯干线圈位于磁体孔道的中心位置。
  6. 使用紧密贴合的黄铜螺母将气流旁路管路连接到3D打印的气流旁路面罩接头上。

4. MRI 成像

  1. 选择成像切片的解剖位置。
    1. 获取定位序列，以获得用于规划后续检查的解剖图谱。
    2. 在扫描仪图形用户界面中，通过点击并拖动成像切片至所需位置，选择最多4个矢状位肺部切片进行研究。通常，视野设为40 × 40 cm，切片厚度设为1.5 cm。选择位于肺野中心、针对研究感兴趣区域的切片，通常应尽量减少内侧大肺血管和外侧胸壁的干扰，以最大化采样的肺容积。
      注意：切片选择可在任意平面进行；最多可选择4个切片。为演示目的，将仅采集一个切片。
    3. 记录成像切片相对于脊柱的位置，以便在纵向研究中能够对相同体积区域进行重复成像。
  2. 特异性通气成像
    注意：    典型的MRI参数列表见表1。
    1. 将MR计算机中最内侧切片的反转时间设为1,100 ms，以最大化空气-氧气对比度17。
    2. 设置成像采集的参数（表1）。对于多切片采集，每个额外切片在第一个切片之后以235 ms的间隔依次采集（即1,335 ms、1,570 ms、1,805 ms）。
      注意：在反转恢复脉冲及其后的时间间隔（由反转时间定义）结束后，使用半傅里叶单次激发快速自旋回波（HASTE）序列采集每个切片图像，k空间采样70行，原始分辨率为128 × 128；图像重建为256 × 256分辨率。
    3. 将重复次数设为220次，重复时间（TR）设为5 s。这将导致步骤4.2.1和4.2.2连续重复220次，每次间隔5 s。要求受试者主动配合图像采集节奏进行自主呼吸门控。
      注意：图像在正常呼气末、功能残气量（FRC）状态下，通过短暂的自主呼吸暂停进行采集。每次连续采集时，应尽可能达到一致的肺容积。
    4. 在后续采集过程中监测受试者肺容积（呼气末）的一致性，并在必要时提供反馈以提高图像质量。若受试者难以每5 s达到一致的肺容积，可适当延长TR（即增加连续采集之间的时间间隔）。
    5. 每20次呼吸后切换一次受试者吸入的气体混合物（为保证受试者舒适，切换在采集期间的呼吸暂停中进行），在室内空气与医用氧气之间交替。记录每次气体切换的时间点以及受试者吸入每种气体的持续时间段。在实验过程中，让受试者在某一时段连续吸入100%氧气40次呼吸（通常为第20–60次或第180–220次呼吸），以提高对低通气肺区域的检测敏感性。
    6. 定期通过脉搏血氧仪（图2）监测心率（静息状态下正常受试者为40–80次/分钟）和血氧饱和度（通常为98–100%）；偏离正常范围可能提示受试者出现不适或焦虑。
    7. 频繁通过按下扫描仪键盘上的对讲按钮与受试者交流，定期告知剩余时间。
    8. 第220次呼吸后，成像结束。将受试者恢复至吸入室内空气状态，并将其移出扫描仪。

5. 从图像时间序列创建特定通气图

  1. 确认每个肺部切片均已采集220张连续的磁共振图像。
  2. 将图像导入图像分析软件（例如 MATLAB）进行配准。
  3. 在220张图像中，通过目视检查整个图像序列，为每个切片选择一张最能代表功能残气量的图像。功能残气量在图像序列中表现为肺容积的“众数”。
  4. 以该“众数”图像为参考，采用投影变换或仿射变换方法，将所有图像配准至功能残气量参考图像。
    注意：配准通常使用实验室自研算法18，或公开可用的广义双引导迭代最近点算法（GDB-ICP19）进行。
  5. 利用配准算法的输出结果计算每张图像的面积变化。剔除配准过程中面积变化超过>10%的图像，并将其视为缺失数据20。
  6. 使用实验室自研算法1,7，基于配准后的图像序列量化肺部的比通气量。通过将每个体素的时间响应与连续的氧气吸入和洗出序列，与一个包含50种模拟的无噪声响应的数据库进行比较，实现量化。该数据库对应的比通气量范围为0.01至10，以15%为增量。根据每个体素时间序列与模拟理想响应之间的最大相关性，为其分配相应的比通气量值，方法如文献1首次提出。
  7. 上一步的输出结果为比通气量分布图。生成其分布直方图，并计算比通气量分布的宽度，该参数用于评估比通气量异质性，且独立于潮气量。

6. 结合特定通气与密度图谱计算区域肺泡通气量

  1. 除了SVI外，还应获取肺部质子密度图像21，具体方法如先前研究中所述22（参考文献22中的第4.4和5.1节）。在相同肺部层面、相同肺容积（功能残气量，即正常呼气末）下获取质子密度图像；将分辨率设为64 × 64，对应体素大小约为6.3 mm × 6.3 mm × 15 mm（约0.6 cm3）。
  2. 对准特定通气图像与质子密度图像。
    1. 使用核大小约为1 cm3的高斯滤波器对特定通气图像和质子密度图像均进行平滑处理。
    2. 采用基于互信息的算法，在特定通气图与密度图之间执行刚性配准（包括平移和旋转）。
  3. 基于配准后的特定通气数据和质子密度数据计算肺泡通气量。
    1. 计算（1-密度）图，该图表示在正常呼气末采样体积中空气所占的比例，假设肺组织由空气和组织构成，且组织密度约为1 g/cm3。
    2. 将（1-密度）与SV（自然单位）相乘，得到区域通气图。再将该乘积乘以体素（或其他感兴趣区域）的体积以及呼吸频率（设定值，通常为12次/分钟），从而获得以更常用单位ml/min表示的通气图。
      注意： 对于每个肺区域，SV = ΔV/V0，且（1 – 密度）≈ V0。因此，乘积（1-密度）× SV 即为以自然单位表示的区域通气量。

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结果

健康受试者的单层SVI
特定通气成像可生成如图所示的特定通气定量图谱 图 3A，显示一名39岁健康女性右肺的单一切片。注意特定通气量存在预期的垂直梯度；肺的依赖部分的特定通气量高于非依赖部分。展示了映射的特定通气量值的直方图（图3B，实心圆）以及最佳拟合的对数正态概率分布函数（虚线）。最佳拟合分布的宽度可作为特异性通气异质性的度量指标7,23. 图1 显示同一受试者在相同体位下获取的多次呼吸洗脱曲线。 图1A 显示从吸入空气转为吸入100%氧气后，在口腔处测得的氮气浓度随时间变化的记录。 图1B 展示了通过洗脱法估算的特异性通气分布。对于SVI和MBW，相关变量均为分布的宽度，此处通过拟合数据的对数正态分布（虚线）的宽度来衡量，SVI测得值为0.41，MBW测得值为0.42，均处于健康正常范围内。通过对10名受试者进行SVI估算的特异性通气...

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讨论

特异性通气成像可实现对人类肺部特异性通气空间分布的定量绘图。目前虽存在其他替代SVI的方法，但均存在某些局限性：多次呼吸洗脱法可评估通气异质性，但缺乏空间信息23。其他成像方法则存在患者暴露于电离辐射（如SPECT、PET、CT、伽马闪烁显像）的问题，或设备普及性较差（如利用MRI的超极化气体成像）。特异性通气成像具备提供空间信息的能力，且可使用常规临床扫描仪及吸入氧气作为对比源进行操作，因此几乎可应用于任何临床研究环境。由于SVI无需使用放射性物质或对比剂，因此特别适用于需重复或长期随访的研究，以定量评估药物、治疗或干预措施对肺部不同区域的影响。此类关于治疗效果的区域性定量信息，在吸入药物递送研究中可能具有尤为重要的价值。

SVI 的缺点是其信噪比较低（通常为 4-7），采集时间约需 18 分钟，且对受试者和数据分析人员而言相对繁琐。为获得可靠的特异性通气数据，必须对受试者进行训练。通常在成像检查前，利用扫描仪噪声的录音对受试者进行训练，使其在每次屏气采集（共 220 次屏气成像）时均能达到可重复的肺容积（功能残气量，FRC）。理想...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由国家心肺血液研究所（NHLBI）（资助号 R01 HL-080203、R01 HL-081171、R01 HL-104118 和 R01-HL119263）以及国家航天生物医学研究所（美国国家航空航天局资助号 NCC 9-58）提供支持。E.T. Geier 获得了 NHLBI 资助 F30 HL127980 的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
3D打印的流动旁路系统
面罩Hans Rudolph7400系列口鼻面罩，多种尺寸
气体/氧气调节器
面罩头带Hans Rudolph与7400系列兼容的头带
MatlabMathworks本地开发的分析软件
医用氧气Air Liquide/Linde输送给受试者的氧气
MRIGE healthcare1.5 T GE HDx Excite双速扫描仪
塑料管路¼”、3/8” 和 1/2” 管路及连接件
脉搏血氧仪Nonin7500 FO（磁共振兼容）
切换阀
体部线圈GE healthcare适用于GE扫描仪的高增益体部线圈

参考文献

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