使用校准动脉自旋标记法对肺灌注进行磁共振成像定量

以下实验的总体目标是结合生理学技术与磁共振成像，在不同吸入氧浓度条件下无创地测量肺部血流灌注的分布情况。首先，训练受试者在图像采集期间于功能残气量水平屏住呼吸，而在图像采集间隔期间正常呼吸，以实现多幅图像的连续获取。第二步，为受试者佩戴面罩，并连接吸气与呼气管道，以便向受试者供给不同的气体混合物，同时收集呼出气体样本以进行代谢测量。

接下来在 MRI 扫描仪中，获取定位像后，采用动脉自旋标记和多回波快速梯度回波序列，以获得肺血流和质子密度图像。对所得图像进行定量分析，得到以毫升每分钟每克表示的肺血流分布，该结果源自两种不同的磁共振图像。该技术的主要优势在于，可在体内无创地测量肺灌注，且无需暴露于电离辐射，因而允许进行重复测量。

该方法可帮助深入了解调控肺灌注空间分布的机制，也可用于研究磁共振扫描环境中的其他生理机制。今天演示实验操作的是来自我们实验室的研究生TSIA rye、Sebastian Verta以及博士后研究员RU Carlos SA。在开始实验之前，首先需获得受试者的书面知情同意，并让其填写磁共振成像安全筛查表。

同时进行体格检查、肺功能测试以及一次训练，让受试者学习如何在功能残气量（FRC）水平屏住呼吸。开始设置呼吸设备时，首先将面罩佩戴在受试者面部。该面罩配有网状附件，内置已预消毒的非重复呼吸阀及导管。

务必检查面罩是否漏气。在扫描室中设置气体袋，并将其连接到磁共振控制室中的气罐。应设置成可通过操作气罐由研究人员向气体袋中添加气体的模式。

调节器应确保气体袋在视野范围内。实验过程中，研究人员必须通过控制室的观察窗持续监测气体袋，以确保气体容量充足。否则，受试者可能无法吸入足够浓度的氧气。本实验中，高氧和低氧气体的吸入氧浓度分数分别为 1.0 和 0.125，而常氧气体可使用室内空气。

确保呼气呼吸管长度足够，能够从磁共振扫描仪内的受试者经由波导管连接至磁共振控制室内的一氧化碳代谢车。此处所示的代谢车可测量呼出气体的体积以及混合呼出气中氧气和二氧化碳的浓度。根据这些参数，代谢车还可计算多种呼吸容积。

例如，潮气量VO₂、二氧化碳排出量VCO₂以及呼吸商。让受试者仰卧于扫描床面上，足部朝前，并使用枕头和泡沫垫以最大程度地提高舒适度。接下来，将吸气呼吸管连接至受试者面罩的吸气端。

该导管将用于通过切换阀从Mylar袋中向受试者输送高氧和低氧气体或常氧空气。同时在受试者胸部放置心电图电极片，以便使动脉自旋标记磁共振序列与受试者心电图中的QRS波群同步门控。

务必检查阀门，确保其正常工作。为受试者提供耳塞，以保护其免受扫描仪噪声的影响。此外，由于受试者佩戴面罩，难以与研究人员直接沟通，应在受试者手中放置一个挤压球，并用胶带固定。

如果需要协助，可借此与研究人员取得联系。最后，将脉搏血氧仪放置于受试者手指上，以监测血氧饱和度，这在受试者暴露于低氧环境时至关重要。现在，在受试者胸部放置两个 Mr Phantoms。

这些模体应用于后处理过程中对MR信号进行定量。然后将躯干线圈放置在模体上方。与体线圈相比，使用躯干线圈可通过缩短接收器与受检体之间的物理距离，提高MR图像的信噪比。

最后，用毛毯覆盖受试者，以确保其舒适，然后将其送入磁共振扫描仪的中心。一旦受试者进入扫描仪，操作员应频繁与其交流，以确认其状态舒适，并提醒受试者如有需要可使用握力球寻求帮助。接下来，我们将进行定位像扫描，这是第一个扫描序列。

大约需要30秒。在各种声响和点击声进行时，请您放松并正常呼吸。务必监测心电图、血氧饱和度、潮气量、VO₂和VCO₂。监测的最初几分钟尤为重要，以确保获得高质量的数据。

如果这些数值超出预期范围，则必须重新进行校准，并检查面罩和管路是否存在泄漏。首先，获取定位序列，以获得受试者躯干的解剖图像。该定位序列持续约20秒。

请放松。整个过程中保持正常呼吸。我们开始了。

现在设置动脉自旋标记，采用带有半傅里叶采集的SL远端序列。使用单次激发快速自旋回波成像方案（如HASTE）来获取区域性肺灌注数据。然后从右肺前-后径最大的部位选取矢状面。

通常采用15毫米的层厚和40厘米×40厘米的视野。此处使用1.5特斯拉GE HDX ex excite twin speed扫描仪进行扫描。受试者将听到一系列成对出现的响亮撞击声。

这些撞击声之间有五秒的间隔，在此期间受试者应完成一个呼吸周期：先吸气，然后呼气至功能残气量。在撞击声响起时，受试者必须屏住呼吸，并保持在功能残气量的肺容积水平。

尽管受试者在扫描前已熟悉呼吸技术，但首次图像采集应作为测试运行，以便受试者在扫描仪内练习呼吸和屏气。MR 操作员应根据膈肌的运动情况评估肺部图像的质量。如果运动幅度最小，即可开始进行 A SL 测量，同时在扫描过程中监测潮气量。

近似目标。500 毫升的潮气量与正常通气一致。在 A SL 序列中。

采集两个不同的心脏门控图像。每个受试者和实验条件下，应单独设置RR间期80%时相的图像采集时间，以确保在两次图像相减时，图像包含一个射血期的血流信号，从而消除静止组织的信号。结果得到一幅定量反映一个射血期内输送到成像平面的血流分布图。

除了A SL图像外，使用多回波快速梯度回波序列获取肺部质子密度图像。质子密度的测量可使灌注测量结果以每分钟每克毫升（mL/min/g）表示，并校正肺组织的形变。在扫描过程中，受试者胸腔内会听到持续约10秒的连续噪声，需在整个噪声持续期间屏住呼吸并保持在功能残气量（FRC）水平。

放松，正常呼吸，刚才的状态很好。在本实验中，受试者将按平衡顺序吸入常氧（室内空气）、低氧和高氧气体。尽管不同受试者之间的气体顺序可根据需要调整，但每位受试者需吸入特定气体约20分钟，以使肺组织内达到稳态，然后才能进行灌注和质子密度的磁共振测量。

然后遵循前一节所述的相同成像方案，选择成像前20分钟的气体暴露期。因为尽管低氧性肺血管收缩反应在数秒内即可启动，但对肺泡低氧的反应需约20分钟才能达到最大，这与本研究的特定目标一致。后期处理可通过基于MATLAB开发的定制软件，利用来自均匀体线圈和非均匀躯干线圈的配对MGRE图像完成。

所有血流和质子密度图像均可针对每个受试者进行线圈不均匀性校正。在对减影后的 aSL 图像完成线圈不均匀性校正后，可对局部肺血流进行定量，单位为每分钟每体素的血液毫升数（mL/min/voxel）。随后可生成密度归一化的灌注图像。

经密度标准化的灌注以每分钟每克水的血液毫升数为单位表示，通过将ASL图像除以质子密度图像，得到以每分钟每克肺组织为单位的灌注图像。例如，此处显示了生理数据：在低氧条件下，心率升高，饱和度降低。通气量为8.31升每分钟。

低氧条件下BTPS为每分钟7.04升，常氧条件下为每分钟6.64升。高氧条件下，潮气量在低氧时为0.76升，常氧时为0.69升，高氧时为0.67升。暴露于低氧环境会增加通气量和潮气量，而高氧环境则会降低通气量和潮气量。

此处显示了一名受试者在三种不同吸入氧浓度下获得的三幅密度归一化灌注图像。灌注异质性数据分析结果见表二。可以看出，低氧增加了相对分散度，但其他指标基本保持不变。

一旦掌握，若操作得当，该技术可在两小时内完成。观看本视频后，您应能充分理解如何在MR.Scanner环境中测量肺部灌注，并开展其他生理学研究。