Method Article

以质子磁共振成像和氧为造影剂对人肺特异性通气进行定量定位

DOI:

10.3791/59579

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June 5th, 2019

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

In This Article

Summary

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特定通气成像是一种功能磁共振成像技术, 允许使用吸入氧作为造影剂, 对人肺中的区域特异性通气进行量化。在这里, 我们提出了一个收集和分析特定通风成像数据的协议。

Abstract

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特定通气成像 (SVI) 是一种功能性磁共振成像技术, 能够量化特定通气--进入肺区域的新鲜气体除以该区域的呼气末量的比率--在人的肺中只使用吸入氧气作为造影剂。特定通气的区域定量有可能有助于确定病理肺功能的区域。组织中溶液中的氧缩短了组织的纵向松弛时间 (t1), 因此可以检测到组织氧合的变化是 t1 加权信号的变化,并获得了反转恢复图像。在两种浓度的激发氧之间发生突然变化后, 体素平衡内的肺组织达到新的稳定状态的速度反映了常驻气体被吸入气体取代的速度。此速率由特定通风口决定。为了引起氧合的突然变化, 受试者在 MRI 扫描仪中交替呼吸20个呼吸块的空气 (21% 氧气) 和100% 的氧气。通过在短端呼气呼吸保持过程中使用带有手动开关的自定义三维 (3D) 打印的流动旁路系统, 实现了激励氧分数的逐步变化。为了检测 T1 中的相应变化, 采用全局反演脉冲, 然后是单次快速自旋回波序列, 利用八元躯干线圈, 在 1.5 t mri 扫描仪中获取二维 t1 加权图像.单片和多层成像都是可能的, 成像参数略有不同。通过将每个肺体素的信号强度时间过程与对空气/氧刺激的模拟反应库联系起来, 实现了特定通气的量化。针对多次呼吸冲洗, 验证了 SVI 对特定通风异质性的估计, 并证明了该估计可以准确地确定特定通风分布的异质性。

Introduction

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特定通气成像 (SVI)--一种利用氧作为造影剂1的质子磁共振成像 (mri) 技术--的总体目标是定量绘制人肺中的特异性通气图。具体通气是将新鲜气体输送到肺区的比例, 在一次呼吸中除以同一肺区1的末端呼气量。结合局部肺密度的测量, 可使用特定通气来计算区域通气2。Svi 提供的局部通气和通气异质性测量有可能丰富对肺正常和异常3、4 功能的理解。

特定通气成像是经典生理试验的延伸, 多呼吸冲洗 (mbw), 这是 20世纪50年代5,6首次引入的技术。这两种技术都使用气体洗涤清洗来测量特定通风的异质性, 但 SVI 提供空间局部信息, 而 MBW 只提供全球异质性的度量。在 MBW 中, 质谱仪用于测量在许多呼吸过程中, 不溶于气体 (氮、氦、六氟化硫等) 在该气体排出过程中混合过期的浓度, 如图 1所示。在冲洗期间, 随着每次呼吸体积的过期, 这些信息可用于计算肺中特定通气的总体分布。在 SVI 中, MRI 扫描仪用于测量 T1 加权

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Protocol

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加州大学圣地亚哥分校人类研究保护计划批准了这一协议。

1. 学科安全和培训

  1. 获得主体的书面知情同意。描述暴露在迅速变化的磁场中带来的潜在风险, 以及使用面膜和呼吸干气的潜在不适。
  2. 使用当地批准的 MRI 安全检查问卷, 确保受试者能够安全地接受 MR 扫描。
  3. 如果对象是育龄妇女, 且怀孕状况不确定, 请她自行进行非处方药检。如果研究对象怀孕, 将该对象排除在研究的剩余部分之外。
  4. 测量被试的体重。限制传递给主体的射频 (RF) 能量量的扫描仪安全参数需要输入此特性。验证受试者的体重是否低于 MRI 表的最大重量限制 (在本例中为136公斤)。
  5. 用 MR 扫描序列训练拍摄对象及时呼吸。优选地播放以前扫描的录音, 并指示主体正常呼吸, 每5秒完成一次呼吸, 使用扫描仪中的音频提示作为指导;为了训练的目的, 与主题一起呼吸。
  6. 通过测量主体的鼻到下巴尺寸, 确定最适合主体的面膜尺寸 (尺寸从娇小到超大不等)。一个适当大小的面膜将适合舒适, 但将防止空气泄漏在面具和对象的皮肤之间在任何时候。如有必要, 请尝试使用其他尺寸。
  7. 验证主体的口袋和衣服是否没有基于磁性的信用卡和含铁金属件。如有需要, 请将主题更换为 MRI 设施提供的医疗服。
    请注意:金属在 MRI 环境中可能是危险的, 金属物体, 如夹子 (通常在胸....

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Results

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单片 SVI 在一个健康的主题
具体的通气成像产生特定通气的定量地图, 如图 3 a所示, 它描绘了一个39岁健康女性右肺的单片。注意特定通风过程中存在预期的垂直梯度;肺的依赖部分比肺的非依赖部分表现出更高的具体通气。显示映射的特定通风值的直方图 (图 3B, 填充圆) 以及最适合的对数正态分布函数 (虚线)。最佳配合分布的宽度可作为特定通风异质性的指标7、23。图 1显示了在同一主体中获得的同一学科以相同姿势获得的多次呼吸冲洗。图 1a显示了从激发的空气转移到100% 氧气后在口腔测量的氮浓度的时间记录。图 1 b显示了从冲洗中估计的特定通风的分布情况。对于 SVI 和 MBW, 相关变量是分布的宽度, 这里测量的是安装在数据上的日志正态分布的宽度 (虚线), 发现为 0.41, 使用 SVI 和0.41 使用 MBW 在健康正常范围内。对1.......

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Discussion

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特定的通气成像可以定量地绘制人肺特定通气的空间分布图。SVI 的替代方法存在, 但在某种程度上是有限的: 多次呼吸冲洗提供了一个异质性的度量, 但缺乏空间信息23。替代成像方法使患者暴露在电离辐射 (例如, SPECT、PET、CT、伽玛显像) 或不广泛使用 (使用 MRI 的超极化气体成像)。特定的通气成像提供空间信息, 可以使用标准的临床扫描仪和吸入氧气作为对比源进行, 因此可以转换为几乎任何临床研究设置。SVI 不需要使用辐射或造影剂, 这一事实使其非常适合于定量评估区域对药物、治疗或干预措施的反应的重复或纵向研究。这类关于治疗影响的区域定量信息在吸入药物输送方面可能特别有用。

SVI 的缺点是它具有相对较低的信噪比 (通常为 4-7), 它需要大约18分钟才能获得, 并且对主体和数据分析师来说有些费力。学科培训对于获取可靠的特定通风数据至关重要。通常, 在成像过程之前, 使用记录的扫描仪噪音配乐对主题进行训练, 以便他或她可以为220呼吸保持图像中的每一个图像达到可重现的音量 (FRC)。理想情况下, 这是在没有过度通气的情况.......

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Disclosures

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作者没有什么可透露的。

Acknowledgements

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这项工作得到了国家心脏、肺和血液研究所 (NHLBI) 的支持 (赠款 R01 hl-080203、R01 hl-081171、R01 HL-104118 和 R01-hl119263) 和国家空间生物医学研究所 (国家航空和航天局赠款 NCC).. e. t. Geeer 得到 NHLBI 赠款 F30 HL127980 的支持。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3D 打印分流系统
面罩Hans Rudolph7400 系列 不同尺寸的口腔鼻罩
气体/氧气调节器
面罩头套Hans Rudolph7400 兼容头套
MatlabMathworks分析软件 本地开发
医疗氧气Air Liquide/Linde输送给受试者
MRIGE Healthcare1.5 T GE HDx Excite 双速扫描仪
塑料管¼"，3/8 英寸和 1/2 英寸管道和连接器
脉搏血氧仪Nonin7500 FO （MR 兼容）
切换阀
躯干线圈GE Healthcare用于 GE 扫描仪的高增益躯干线圈
氧气

References

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  1. Sá, R. C., et al. Vertical distribution of specific ventilation in normal supine humans measured by oxygen-enhanced proton MRI. Journal of Applied Physiology. 109 (6), 1950-1959 (2010).
  2. Henderson, A. C., et al.

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