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
2019年6月5日
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。
特异性通气成像（SVI）是一种定性肺成像技术，有助于我们进一步了解生理和呼吸系统疾病的管理。SVI 不含辐射，只需要常用的设备、MRI 扫描仪和医用氧气。这使得它是安全的儿童和理想的重复研究成人。
将SVI翻译成临床实践可能会改善哮喘的管理，因为它将使我们能够确定受该疾病影响最严重的地区。绘制治疗反应中肺内变化的能力可能有助于优化吸入疗法，并告知个性化的治疗选择。帮助证明这个程序的是文森特·特贾萨普特拉，医学系的博士后研究员。
开始手术，获得主体的书面知情同意，并描述暴露于快速变化的磁场带来的潜在风险，以及使用面罩和呼吸干气的潜在不适。确认患者可以使用当地批准的磁共振成像或 MRI 安全筛查问卷安全地进行磁共振扫描。使用 MR 扫描序列训练主体及时呼吸，并测量主体的鼻子到下巴尺寸，以确定最适合主体的面罩尺寸。
然后验证主体的口袋和衣服是否不含磁性信用卡和含铁金属件。要准备 MR 扫描仪，请将躯干线圈连接到扫描仪表中的适当连接器，以配置扫描仪以用于扫描仪，并将纸张、垫子和枕头放在扫描仪表上，以便主体能够舒适地进行至少 30 分钟的成像。要组装氧气输送系统，请将双向开关阀放在扫描仪操作员触手可及的地方，并使用一块八米长的四分之一英寸直径塑料管将氧气供应连接到开关阀的一个入口。
将控制室开关阀的插座连接到四分之一的塑料管，并通过控制室的通道将油管馈送至扫描仪室，注意管子到达扫描仪孔的中间。将流旁路附件固定到主体的面罩上。将管子的半英寸黄铜端连接到流旁通面罩附件。
根据研究的性质和气体输送系统的整体电阻，将氧气供应出口调节器的压力设置为产生大于预期峰值吸入流量的氧气流量的值。然后激活氧气流量以测试开关阀，确保流量旁通附件的出口处存在足够的流量，且塑料管中不存在泄漏。要准备成像的主体，请让主体位于扫描仪桌上，确保下线圈元件的顶部高于主体的肩膀，以确保下线圈元件的顶部提供肺皮的充分覆盖。
让主体插入耳塞并验证声音是否被阻塞。将安全机制贴在主体的手腕上，以便轻松访问，并将面罩和流量旁通系统连接到主体的面部。简要地遮挡流旁路附件的呼气侧，并要求主体尝试正常的灵感和过期检查泄漏。
现在，使用光居中工具将主体加载到扫描仪中，以确保躯干线圈占据孔的中心，并引导流旁通线，以确保主体在将主体移动到扫描仪中心时舒适。选择成像切片的肺位置后，获取定位器序列以获取用于开行其余检查的解剖图。使用扫描仪图形用户界面单击并拖动以肺场为中心的成像切片，将目标区域定位到所需位置，以选择要研究的最多四个下垂肺切片。
然后记下成像切片与脊柱位置的位置，以便可以重新成像相同的体积进行纵向研究。对于特定的通风成像，将 MR 计算机中最中切片的反转时间设置为 1100 毫秒，以将空气氧对比度最大，将重复次数设置为 220，将重复时间设置为 5 秒。在后续采集过程中，监控主体肺体积和过期的一致性，并提供必要的反馈以提高质量。
在采集呼吸保持过程中，每 20 次切换主体的灵感气体混合物，以舒适，在室内空气和医用氧气之间交替。定期检查脉搏血氧计，以验证心率和氧饱和度，并经常与对象进行检查，定期更新剩余时间。呼吸220后，成像完成。
将主体返回到室内空气，并将其从扫描仪中卸下。若要创建特定的通风图，请导入图像以注册到图像分析软件中，并直观地检查整个 220 图像堆栈，以选择最适合功能剩余容量的每个切片的图像。使用模式图像作为参考，使用项目或精细注册将所有图像注册到功能剩余容量参考，并使用适当的算法从注册堆栈中量化肺中的特定通气。
将创建特定通风的地图。SVI 可生成特定通风的定量图，例如，在 39 岁健康女性的右肺中，此单片图像所示。请注意，特定通气中是否存在预期的垂直梯度，肺的受抚养部分比肺的非依赖部分呈现更高的特定通气。
具有最佳拟合日志正态概率分布函数的地图特定通风值的直方图允许将最佳拟合分布的宽度用作特定通风异质性的度量。在这里，显示在同一主体中以相同姿势获得的多次呼吸洗涤。在从受启发的空气转向受启发的100%氧气后，在口腔测量氮浓度的时间记录。
在特定通风成像和多次呼吸冲洗的冲洗估计的特定通风分布中，发现分布的宽度在健康的正常范围内。训练受试者及时使用扫描仪呼吸，并在采集过程中给予他们反馈，有助于确保高质量的数据。SVI 结合密度和灌注测量，可用于绘制局部通风与灌注的比例，并测量气体交换效率。
该技术已用于了解剧烈运动后通风分布和哮喘重复支气管限制的特殊面板。MRI 环境需要注意安全性，因为强磁场始终位于铁磁物体上，可能会成为弹丸，从而造成伤害。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
特定通气成像（SVI）是一种定性肺部成像技术，可以增强我们对呼吸生理学和疾病管理的理解。这种无辐射的方法利用MRI和医用氧气，使其对儿童安全，并适合成人进行反复研究。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 呼吸生理学
- 医学成像
背景
- SVI可以绘制肺部的特定通气图。
- 它有助于识别受呼吸系统疾病（如哮喘）影响的区域。
- 该技术以吸入氧气作为造影剂。
- SVI是非侵入性的，可以使用标准的MRI设备进行。
研究目的
- 改进哮喘和其他呼吸系统疾病的管理策略。
- 根据特定肺部区域优化吸入治疗。
- 为患者提供个性化的治疗选择。
使用的方法
- 利用MRI扫描仪进行成像。
- 吸入医用氧气作为造影剂。
- 分析区域特定通气数据。
- 与医疗专业人员合作开发协议。
主要结果
- 识别受哮喘影响最严重的肺部区域。
- 绘制肺功能随治疗变化的图表。
- 展示SVI在临床实践中的潜力。
- 为呼吸系统疾病的个性化治疗方法做出贡献。
结论
- SVI是理解肺生理学的有前途的工具。
- 它可能显著提高呼吸系统疾病的管理。
- 该技术的安全性和可及性使其适用于各种患者群体。
常见问题
Executive Industry Relevance
Quantitative mapping of specific ventilation using proton MRI and oxygen contrast enables precise regional assessment of lung function, supporting early identification of ventilation heterogeneity. This capability enhances predictive confidence in respiratory disease models and informs risk-adjusted decisions in respiratory drug discovery portfolios. The method's non-invasive, radiation-free profile facilitates repeatable, longitudinal studies critical for translational research and therapeutic evaluation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of regional lung ventilation to clarify disease mechanisms.
- Supports biological de-risking by mapping functional heterogeneity relevant to target validation.
- Provides predictive confidence for selecting disease-relevant endpoints in respiratory research.
Screening & Assay Development
- Prepares validated imaging-based assays for evaluating therapeutic interventions in lung models.
- Facilitates assay standardization and reproducibility through quantitative, voxel-level outputs.
- Enables reliable comparison of compound effects on regional lung ventilation in preclinical studies.
Translational & Preclinical Research
- Aligns imaging biomarkers with disease-relevant functional endpoints for translational continuity.
- Supports longitudinal monitoring of therapeutic response and disease progression in preclinical models.
- Provides mechanistic de-risking by correlating imaging outputs with established physiological metrics.
Pipeline & Workflow Integration
This imaging method integrates into the respiratory discovery continuum from early target validation through preclinical efficacy assessment, supporting both mechanistic studies and translational biomarker development.
- Discovery Biology: Quantitative mapping of ventilation supports hypothesis testing and pathway clarification in lung disease models.
- Screening: Imaging-based assays deliver reproducible, quantitative outputs for compound evaluation.
- Analytics: Voxel-level measurements and distribution analyses enable robust statistical comparison across conditions.
- Translational Research: Imaging outputs align with functional biomarkers for preclinical-to-clinical continuity.
- Enterprise Reuse: The protocol is adaptable for repeated, longitudinal studies across diverse respiratory models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in respiratory target validation.
- Operational Value: Standardizes imaging workflows and enables reproducible, scalable data acquisition.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and optimizes resource allocation in respiratory portfolios.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of respiratory drug candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in MRI operation and quantitative image analysis.
- Needs access to 1.5T MRI scanners and compatible torso coils.
- Demands cross-team standardization of imaging protocols and analysis algorithms.
- Adaptable to both single-slice and multi-slice imaging for different study designs.
- Attention to MRI safety and subject training is essential for high-quality, reproducible data.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:56
Subject Safety and Training
1:49
MRI Environment Preparation
3:17
Instrumentation and Subject Imaging Preparation
4:19
MR Imaging and Specific Ventilation Map Creation
6:35
Results: Representative Specific Ventilation Imaging (SVI) and Multiple Breath Washout (MBW) Analyses
7:47
Conclusion
