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

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....

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....

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.......

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.......

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 Rudolph		7400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
Matlab	Mathworks		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
MRI	GE healthcare		1.5 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	Nonin		7500 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