使用校准动脉自旋标记磁共振肺灌注显像定量
2011年5月30日
一个磁共振成像方法研究各种生理条件下的肺血流量的分配，在这种情况下接触到三个不同吸入氧浓度，缺氧，常氧和氧，是描述。利用此技术在MR扫描环境中的人肺的生理学研究技术。
以下实验的总体目标是使用生理技术结合磁共振成像来测量不同吸入氧气条件下肺灌注的无创分布。这是通过首先训练受试者在图像采集过程中以功能性残余容量屏气，并在图像之间的间隔期间呼吸以允许收集多个图像来实现的。作为第二步，为受试者戴上面罩并连接吸气管和呼气管，以便向受试者供应不同的气体混合物并收集呼气样本以进行代谢测量。
接下来在 MRI 扫描仪中，在定位器图像、动脉自旋标记和多回波快速梯度之后，使用回波序列来获得肺血流和质子密度图像。对所得图像进行量化，以给出从两种不同的 MR 图像得出的肺血流量分布，以毫升/分钟/克表示。该技术的主要优点是肺灌注是在体内无创测量的，无需暴露于电离辐射，允许重复测量。
这种方法可以深入了解控制肺灌注空间分布的机制，也可用于研究 MS 扫描环境中的其他生理机制。在进行实验之前，我们实验室的研究生 TSIA rye、研究生 Sebastian Verta 和 RU Carlos SA 博士后研究员将演示今天的程序。首先获得研究对象的书面知情同意，并让他或她填写 MRI 安全筛查表。
还要进行体格检查、肺功能测试和培训课程，让受试者学习如何以功能性残余能力屏住呼吸。或者 FRC 首先将面罩戴在受试者的脸上，开始设置呼吸设备。面罩带有网状附件，配有预消毒、非再呼吸阀和管子。
请务必检查面罩是否泄漏。在扫描仪室设置气囊，并将其连接到 MRI 控制台室的水箱。这应该设置成研究者可以通过纵气罐将气体添加到袋子中。
调节器确保气袋在视野范围内。与实验期间一样，研究者必须通过控制台室的窗户监测袋子，以确保气体量充足。否则，在这种情况下，受试者可能无法激发高氧和低氧气体的吸入氧分数分别为 1.0 和 0.125，并且室内空气可用于常氧气体。
确保呼气呼吸管足够长，以便通过 MR 扫描仪中的受试者通过波导连接到 MR 控制台室中的代谢车。这里看到的代谢推车测量呼出空气的体积以及呼气氧和二氧化碳的混合浓度。根据这些参数，它还计算各种呼吸量。
EG，潮气量 VO 2 VC O2，以及呼吸商。让受试者先仰卧在扫描仪床上，并使用枕头和泡沫垫以最大限度地提高舒适度。接下来，将吸气呼吸管连接到受试者面罩的吸气侧。
该管将用于通过切换阀管理来自聚酯薄膜袋的高氧和低氧气体或常氧空气。还要在受试者的胸部放置一个心电图板。这将允许动脉自旋标记 Mr.Sequence 被门控到受试者心电图中的 QRS 波群。
请务必检查阀门以确保其正常工作。提供耳塞以保护拍摄对象免受扫描仪噪音的影响。此外，由于受试者戴着口罩，无法轻松与研究人员交流，因此将挤压球放在受试者的手中并将其固定到位。
如果需要帮助，这允许与研究人员进行沟通。最后，将脉搏血氧仪放在受试者的手指上以监测氧饱和度，这在受试者暴露于缺氧状态时至关重要。现在，将两个幻影先生放在对象的胸部。
这些模型应用于在后处理期间量化 MR 信号。然后将躯干线圈放在模型上。与体圈相比，躯干线圈用于通过减少接收器与被摄体之间的物理距离来提高 MR 图像的信噪比。
最后，在将拍摄对象送入 MR 扫描仪孔的中心之前，用毯子盖住拍摄对象以确保舒适。一旦受试者进入扫描仪，作员应经常与受试者交谈，以确保他或她感到舒适，并提醒受试者在需要帮助时使用挤压球。我们将为本地化器进行设置，这是第一次扫描。
大约需要 30 秒。我希望你放松并正常呼吸，同时所有的砰砰声和咔嗒声仍在继续。请务必监测心电图血氧饱和度、潮气量、VO O2 和 VC O2。监控的前几分钟对于确保高质量的数据尤为重要。
如果这些值超出预期值，则必须重新进行校准，并检查面罩和管路是否有泄漏。首先，获取定位器序列以获取受试者躯干的解剖图像。这将是一个持续约 20 秒的本地化程序。
放松。在整个过程中保持正常呼吸。来吧。
现在设置一个动脉自旋标记，一个带有半傅里叶采集的 SL farer 序列。使用单次 Turbo 自旋回波成像方案（如 haste）获取区域肺灌注数据。然后从右肺前后距离最大的部分选择矢状面。
切片厚度为 15 毫米，视野为 40 厘米 x 40 厘米是典型的。这里使用 1.5 特斯拉 GE HDX ex excite 双速扫描仪获取扫描。对象会听到一系列成对的响亮的砰砰声。
这些刘海之间有 5 秒的间隔，受试者应该完成一个呼吸周期。吸气，然后呼气至功能性残余容量。在砰砰声中，受试者必须屏住呼吸并保持在 FRC 肺容量。
尽管受试者在扫描前已经熟悉了呼吸技术，但第一次图像采集应该是一次试运行，以便受试者可以在扫描仪中练习呼吸和屏气。MR作员应根据隔膜的运动评估肺部图像的质量。如果移动最小，A SL 测量可以在扫描时开始监测潮气量。
近似目标。潮气量为 500 毫升与正常通气一致。在 A SL 序列中。
获取两种不同的心脏门控图像。应为每个受试者和实验条件单独设置 RR 间期 80% 的图像时间，并确保在减去两个图像时图像包含来自一个收缩射血期的血液信号，从而抵消平稳信号。结果是在一个收缩期射血期内输送到图像平面的血液的定量图。
除了 A SL 图像外，还使用多回波快速梯度回波序列获取肺质子密度图像。质子密度的测量允许灌注测量值以毫升/分钟/克表示，并考虑肺组织变形。在胸部内部，受试者将听到持续约 10 秒的连续噪音，并且必须屏住呼吸并在噪音期间保持在 FRC。
放松，正常呼吸，看起来很棒 对于这个实验。常氧或室内空气、缺氧和高氧的气体在受试者之间以平衡的顺序呈现。尽管如果需要，这些可以因受试者而异，但受试者应该呼吸特定气体约 20 分钟，以便在获得大量和质子密度的 MR 测量之前在肺组织内建立稳态条件。
然后遵循上一节中描述的相同成像方案，在选择成像之前暴露于气体中 20 分钟。因为尽管缺氧性肺血管收缩反应的开始发生在几秒钟内，但对肺泡缺氧的反应直到大约 20 分钟才达到最大，这与本特定研究的目标一致。可以使用基于 MATLAB 的定制开发软件完成后处理，方法是使用来自均质体线圈和均质躯干线圈的配对 MGRE 图像。
所有血流和质子密度图像都可以逐个受试者校正线圈的均匀性。一旦减去的 SL 图像被校正为均匀性的线圈，区域肺血流量就可以以每个体素每分钟的毫升血液来量化。然后可以创建密度、归一化灌注图像。
密度归一化灌注以毫升/分钟/克水的单位表示，是通过将 A SL 图像除以质子密度图像来计算的，以每克肺每分钟毫升为单位给出灌注图像，生理数据在这里看到。缺氧时心率加快，饱和度降低。通风量为每分钟 8.31 升。
缺氧时 BTPS，常氧时每分钟 7.04 升，每分钟 6.64 升。在高氧期间，低氧潮气量为 0.76 升，常氧为 0.69 升，高氧为 0.67 升。暴露于缺氧状态会增加通气量和潮气量，而高氧会降低通气量和潮气量。
此处显示了在三种不同吸入氧浓度下从一名受试者收集的三个密度归一化灌注图像。灌注异质性的数据分析结果见表 2。可见，缺氧增加了相对离散度，而其他指标基本保持不变。
一旦掌握，如果执行得当，这项技术可以在不到两个小时的时间内完成。观看此视频后，您应该对如何测量肺充盈并在 MR 中形成其他生理学研究有很好的了解。扫描程序环境。
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概览
本研究描述了一种磁共振成像（MRI）方法，用于在不同吸入氧气条件下（包括缺氧、正常氧气和高氧）无创地测量肺血流分布。该技术将人体肺生理学研究与MRI技术相结合。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生理学
- 医学影像
背景
- 了解肺灌注对评估呼吸功能至关重要。
- 传统的测量血流方法可能涉及电离辐射。
- 非侵入性技术更适合重复测量。
- 本研究利用MRI克服现有方法的局限性。
研究目的
- 无创地测量肺灌注。
- 评估不同氧气浓度对血流的影响。
- 提供一种无需辐射暴露就能重复测量的方法。
所用方法
- 受试者接受训练，在成像过程中在功能残余容量下屏气。
- 使用面罩和气体混合物来操控吸入氧气水平。
- 收集呼气气体样本以进行代谢测量。
- 在MRI中应用动脉自旋标记和多回波快速梯度回波序列。
主要结果
- 以每分钟每克毫升为单位量化肺血流。
- 在不同吸入氧气条件下成功成像。
- 展示了无创测量能力。
- 在临床环境中进行重复评估的潜力。
结论
- MRI技术为测量肺灌注提供了一种安全的替代方案。
- 它允许研究生理对不同氧气水平的反应。
- 这种方法可以增强我们对肺生理学的理解。
常见问题
Executive Industry Relevance
This MRI-based pulmonary perfusion method enables non-invasive, repeated measurement of lung blood flow under controlled oxygen conditions, supporting mechanistic studies of vascular response without ionizing radiation exposure. It provides quantitative, voxel-level perfusion data that can inform target validation in pulmonary disease models by linking physiological stimuli to functional hemodynamic outcomes. The technique supports preclinical continuity by allowing longitudinal assessment of vascular function in disease-relevant systems, reducing reliance on terminal endpoints and enhancing predictive confidence in early discovery.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses regarding pulmonary vascular regulation by quantifying perfusion changes in response to hypoxic, normoxic, and hyperoxic stimuli.
- Operational Value: Supports biological de-risking of targets involved in pulmonary vasoconstriction or vascular remodeling through repeatable, radiation-free hemodynamic phenotyping.
- Predictive Value: Density-normalized perfusion (mL/min/g) provides a quantitative, translatable metric for assessing target engagement and pathway modulation in preclinical models.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized, spatially resolved perfusion maps that can be used to validate assay systems designed to probe pulmonary vascular function.
- Quantitative Output: Proton density correction enables density-normalized perfusion metrics, improving comparability across conditions and reducing variability from tissue deformation or positioning.
- Platform Reuse: The ASL and mGRE sequence combination establishes a reproducible MRI workflow for longitudinal perfusion screening in drug discovery programs targeting pulmonary pathways.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Permits evaluation of perfusion heterogeneity indices (e.g., relative dispersion, fractal dimension) as potential translational biomarkers in models of pulmonary hypertension or vascular dysfunction.
- Translational Continuity: Bridges discovery-phase mechanistic insights with preclinical validation by enabling consistent perfusion measurement across oxygen challenge paradigms.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by providing objective, quantitative perfusion data that reflect vascular responsiveness under physiological stress.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum by enabling hemodynamic phenotyping after target modulation but before functional efficacy assessment, particularly in pulmonary vascular research.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing of vascular targets by measuring perfusion responses to controlled oxygen challenges, supporting mechanistic de-risking.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative perfusion readouts that support assay standardization and compound effect evaluation in lung tissue.
- Analytics: Provides density-normalized perfusion and heterogeneity indices (relative dispersion, fractal dimension) as multiparametric outputs for comparing experimental conditions.
- Translational Research: Enables continuity from acute physiological response studies to chronic disease modeling by allowing repeated perfusion measurements over time.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, non-invasive perfusion profiling capability applicable across multiple pulmonary discovery programs without consumable tracers or radiation safety overhead.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by linking oxygen-sensitive physiological stimuli to quantifiable perfusion changes in lung tissue.
- Operational Value: Ensures reproducibility and standardization through physiological gating, proton density correction, and controlled gas delivery, minimizing technical variability.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by enabling early detection of vascular liabilities or therapeutic effects in physiologically relevant contexts.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of pulmonary vascular targets by providing objective hemodynamic data for go/no-go decisions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in pulmonary physiology, MRI physics, and physiological monitoring to ensure subject compliance and data quality during breath-hold and gas challenge protocols.
- Depends on access to MRI scanner capable of arterial spin labeling and multi-echo fast gradient echo sequences with cardiac gating and gas delivery integration.
- Necessitates cross-team standardization between imaging, physiology, and data analysis teams to ensure consistent perfusion quantification and heterogeneity indexing.
- Involves adaptation considerations when translating from healthy human subjects to disease models, particularly regarding breath-hold capacity and gas exchange dynamics.
- Practical limitations include scan time constraints, signal-to-noise challenges in lung tissue, and the need for subject training to maintain functional residual capacity during image acquisition.
