Methodenartikel

MRI-Abbildung von zerebrovaskuläre Reaktivität über Gas Einatmen Herausforderungen

14.3K Aufrufe

⸱

DOI:

10.3791/52306

⸱

17. Dezember 2014

 ,  ,  ,  ,  , 
1Advanced Imaging Research Center, University of Texas Southwestern Medical Center, 2Center for Biomedical Imaging, Department of Radiology, New York University School of Medicine

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Nicht-invasive Bildgebung der Fähigkeit des Gehirngefäßsystems, sich zu erweitern oder zu verengen, könnte ein besseres Verständnis der zerebrovaskulären Pathophysiologie bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen ermöglichen. Der vorliegende Bericht beschreibt ein reproduzierbares und patientenfreundliches Protokoll zur Durchführung der Gefäßreaktivitätsbildgebung beim Menschen mittels Magnetresonanztomographie (MRT).

Zusammenfassung

Das Gehirn ist ein räumlich und zeitlich heterogenen dynamisches Organ mit unterschiedlichen Regionen, die unterschiedliche Menge an Blutzufuhr zu verschiedenen Zeit. Daher ist die Fähigkeit der Blutgefäße zu erweitern oder verengen, wie Cerebral-Vascular-Reaktivität (CVR) bekannt, ist ein wichtiger Bereich der Gefäßfunktion. Ein bildgebendes Marker, die diese dynamische Eigenschaft wird neue Informationen der Hirngefäße unter normalen und krankhaften Zuständen, wie Schlaganfall, Demenz, Arteriosklerose, kleine Gefäßkrankheiten, Gehirntumor, traumatische Hirnverletzung, und Multiple Sklerose ist. Um diese Art der Messung bei Menschen durchzuführen, ist es notwendig, eine vasoaktive Stimulus wie CO 2 zu liefern und / oder O 2 -Gasgemisch während quantitative Gehirn Magnetresonanzbilder (MRI) werden gesammelt. In dieser Arbeit haben wir eine MR-kompatible Gasliefersystem und die zugehörige Protokoll, das die Lieferung von speziellen Gasgemischen zu ermöglichen (zB 2, CO 2, N 2, und deren Kombinationen), während der Gegenstand im Inneren des MRI-Scanners liegt. Dieses System ist relativ einfach, wirtschaftlich und einfach zu bedienen, und das experimentelle Protokoll ermöglicht die genaue Zuordnung der CVR sowohl bei gesunden Probanden und Patienten mit neurologischen Störungen. Dieser Ansatz hat das Potential, in eine breite klinische Anwendung und in besseren Verständnis der Gehirngefäß Pathophysiologie verwendet werden. Im Video zeigen wir, wie man innerhalb einer MRT-Einrichtung des Systems und wie man ein komplettes Experiment auf einem menschlichen Teilnehmer durchzuführen.

Einleitung

Das Gehirn stellt etwa 2% des gesamten Körpergewichts, verbraucht jedoch etwa 20% der Gesamtenergie 1. Es überrascht nicht, ist ausreichend und sorgfältig regulierten Blutversorgung wichtig, diese hohen Energiebedarf und für das Gehirn, um richtig funktionieren zu erfüllen. Darüber hinaus ist Gehirn ein räumlich und zeitlich heterogen dynamisches Organ, mit den verschiedenen Regionen, die unterschiedliche Höhe der Blutversorgung zu unterschiedlichen Zeit. Daher dynamische Modulation der Blutversorgung ist eine wichtige Voraussetzung im menschlichen Gehirn Durchblutung. Glücklicherweise ist es bekannt, dass die Blutgefäße sind nicht nur starre Rohre und dass eine wichtige Funktion des Blutgefäßes zu erweitern und zu verengen, basierend auf der Nachfrage des Gehirns und physiologischen Bedingungen 2.

Diese funktionelle Eigenschaft des Schiffes, wie Cerebral-Vascular-Reaktivität (CVR) bekannt ist, wird angenommen, dass eine sinnvolle indictor von Kreislauf-Gesundheit und kann Anwendungen in verschiedenen neurologischen conditio findenns wie Schlaganfall 3, 4 Demenz, Arteriosklerose 5, kleine Gefäßkrankheiten 6, Gehirntumor 7, Moyamoya-Krankheit 8 und Drogenabhängigkeit 9. In der Physiologie und der Anästhesiologie Literatur ist es bekannt, durch Änderung des arteriellen CO 2 Pegel (beispielsweise Inhalation einer kleinen Menge an CO 2) während der Überwachung vaskuläre Reaktionen 10-13, denn CO 2 -Gas ist ein potenter Vasodilatator, kann CVR beurteilen . In der Bildgebung und Radiologie Feld wird CVR Mapping mittels MRT rasch zu einer neuen Marker von Interesse für viele Grundlagenforscher und Kliniker 8,14-19. Es wird üblicherweise durch Untersuchen wieviel vaskuläre Reaktion wird durch eine vasoaktive Herausforderung induzierten geschätzt. Es besteht jedoch ein Bedarf an technischen Verbesserungen in der Gasabgabesystem und Standardisierung der Versuchsprotokoll. Liefern spezieller Gasgemisches an ein Subjekt innerhalb des MRI-Scanner, ist nicht trivial und besondere Überlegungensind für ein MRI-kompatibles Design erforderlich. Besondere Überlegungen sind bei der Gestaltung MRI-kompatiblen Gaszuführungssystem erforderlich. Diese Besonderheiten sind: 1) Alle Komponenten müssen nicht-metallisch sein (Metall kann nicht in MRI verwendet werden); 2) das System auf kleinem Raum, dass die MRI-System und seine Kopfspule erlauben zu arbeiten; 3) sollte das System mit einer Liegeposition statt sitzen, ohne Beschwerden zu arbeiten (wie MRI-Scanner benötigt); 4) relevanten physiologischen Parametern wie endexspiratorischen CO2 (EtCO2-, eine Annäherung der CO2-Gehalt im arteriellen Blut) und der arteriellen Sauerstoffsättigung, sollte genau mit Sekunden Zeitgenauigkeit aufgenommen und auf einem Computer zur Analyse gelagert werden. Diese Probleme können die Anwendungsspektrum der CVR-Mapping zu begrenzen.

In diesem Bericht haben wir ein experimentelles Protokoll, das eine umfassende Gaszufuhrsystem verwendet, um den Inhalt des eingeatmeten Gases zu modulieren, während sich das Motiv innerhalb des MRI-Scanners liegt. Unsing dieses Ansatzes kann der Forscher nicht-invasiv eine vasoaktive Stimulus gelten für den Teilnehmer mit minimalem Unbehagen oder Massebewegung. Physiologischen Parameter und MRI-Bilder wurden während der gesamten Zeitdauer von etwa 9 min, die aus alternierenden Blöcken (1 min pro Block) der Raumluft und Hyperkapnie Gasatem bestand aufgezeichnet. Repräsentative Ergebnisse sind dargestellt. Potentielle Anwendungen und Beschränkungen werden diskutiert.

Protokoll

HINWEIS: Das Protokoll wurde von der University of Texas Southwestern Medical Center der Institutional Review Board genehmigt.

1. Schematische Darstellung der Gasliefersystem und Vorbereitende Arbeiten vor dem Experiment

  1. Überprüfen Sie das Diagramm des Gaszufuhrsystem (Abbildung 1). Füllen Sie einen 200 L Douglas Beutel (Artikel # 1) mit einem medizinischem Gasmischung, die 5% CO 2, 21% O 2 und 74% N 2.
  2. Legen Sie zwei Membranen (Artikel # 4) in der Zwei-Wege-Nichtrückatemventil (Artikel # 3), um einen Weg Gasstrom zu gewährleisten. Bringen Sie diese montiert Zweiwegeventil und die gasgefüllten Douglas Beutel (Artikel # 1) in den Magnetraum.
  3. Schließen Sie das Gaszuführungsrohr (Artikel # 7) mit dem Eingangsende des Zweiwegeventil (Artikel # 3). Befestigen Sie die Gaszufuhrröhre (Artikel # 7) auf der Seite der Kopfspule für Gewichtsentlastung. Schließen Sie das andere Ende des Gaszufuhrrohr (Artikel # 7) mit dem gasgefüllten DouglasBeutel (Artikel # 1).
  4. Verbinden Sie das Mundstück (Artikel # 5) mit dem U-förmigen Rohr (Artikel # 12) über einen Ellbogen-Anschluss (Artikel # 13 mit Gasprobenentnahmeöffnung verschlossen).
  5. Schließen Sie das Gasprobenahmeschlauch (Artikel # 9) mit dem U-förmigen Rohr (Artikel # 12) über eine weitere Ellenbogen-Anschluss (Artikel # 13).
  6. Schließen Sie eine kleine Luftfilter (Artikel # 11) auf das andere Ende des Gas-Probenahmeschlauch (Artikel # 9). Schließen Sie das andere Ende der Luftfilter (Artikel # 11) mit der CO 2 (Artikel # 14) zu überwachen.
  7. Im Kontrollraum des MRT-Raum, aktivieren Sie die CO 2 (Artikel # 14) und der Pulsoximetrie (Artikel # 15) überwacht. Ausführen eines Auto-Kalibrierung für die CO 2 -Monitor.
  8. Schließen Sie die Monitore an einem Laptop mit USB-Ports. Öffnen Sie das Hyperterminal-Software, die mit den Monitoren kommuniziert. Der Monitore mal mit einem Timer durch Aufschreiben der Timer-Zeit und die entsprechenden Monitore "Synchronisieren Zeiten. Die Unterschiede der Timerzeit und überwacht "Zeiten für Daten pro bilanzierenVerarbeitung (Schritt 4.4).
  9. Ein Ende einer Signalisierungs bar in einen Wellenleiter, so dass ein Ende der Stange befindet sich innerhalb des Magnetraumes und das andere Ende ist in dem Steuerraum.
    HINWEIS: Die Signalisierung Leiste zur Benachrichtigung des Forschers im Magneten Raum während des Scans beim Umschalten des Drei-Wege-Ventil (Teil # 2) benötigt wird.

2. Verfahren im Experiment

  1. Bitten Sie das Motiv auf dem MRI Tisch liegen, aber nicht ihn / sie in der Magnetbohrung noch. Weisen Sie den Gegenstand, den Krankenschwester-Anruf-Taste drücken, wenn sie während der Untersuchung unangenehm wird. Ersucht den Patienten, seine / ihre Nase mit einem Stück Reinigungstuch, jede Fett zu entfernen wischen.
  2. Weisen Sie das Thema durch den Mund atmen und zur Schaffung und Aufrechterhaltung einer Atemrhythmus. Dann bewerben Sie sich eine Nasenklammer (Artikel # 6) zu diesem Thema.
  3. Schließen Sie das offene Ende des U-förmigen Rohr (Artikel # 12) in die Mitte-Port des Zweiwegeventil (Artikel # 3) über den elBogen-Anschluss (Artikel # 13).
  4. Legen Sie vorsichtig das Mundstück in den Mund des Patienten, so dass das Subjekt durch das Mundstück zu atmen. Befestigen Sie vorsichtig die Fingersensor der Pulsoximetrie (Artikel # 15) mit der Fingerspitze des Themas.
  5. Versichern, dass der Kopf des Motivs ist in der Iso-Zentrum der Kopfspule. Betreiben Sie das MRI-Tabelle, ihn / sie in der Magnetbohrung setzen.
  6. Sicherzustellen, dass ein Forscher Aufenthalte im Magneten Raum das Subjekt zu überwachen und bereit sein, die Dreiwegeventil an der Douglas Beutel (Artikel # 1) zu schalten. Stellen Sie sicher, dass der Forscher trägt Ohrstöpsel und ein Headset an MRI Geräusche zu blockieren.
  7. Schließen Sie das Magnetzimmertür und in den Kontrollraum, überprüfen Sie die EtCO 2 und arterielle Sauerstoffsättigung Fraktion (SO 2) auf dem CO 2 (Artikel # 14) und der Pulsoximetrie (Artikel # 15) Monitoren angezeigten Parameter. Starten der Aufnahme der Parameter auf dem Laptop.
  8. Weisen Sie den MRT-Betreiber, um das Scannen mit beginnenBlut-Sauerstoffversorgung Ebene Abhängige (BOLD) Folge. Für 3T-MRT sind die BOLD-Bildgebung Parameter: TR / TE = 1500/30 ms, Flipwinkel = 60 °, Sichtfeld = 220 x 220 mm 2, Matrix = 64 x 64, 29 Scheiben, Dicke = 5 mm, kein Spalt zwischen Scheiben, 361 Bände. Neue Beiträge zu diesem vorbereiteten Blatt, auf dem der Zeitpunkt der Ventilumschaltung aufgeführt ist und sanft schwingen die Signalisierung bar, wenn ein Schalter erforderlich ist. Achten Sie genau auf der Person Physiologie, einschließlich Herzfrequenz, SO 2 und EtCO 2.
  9. Jetzt, im Magneten Raum, schalten Sie die Douglas Tasche auf der Basis der Bewegung der Signalleiste, die die Art des Gases, die Gegenstand inspiriert kontrolliert (Artikel # 1).
  10. Setzen Sie dieses Verfahren für die Dauer der Studie. Während der 9 min Bildperiode, sicherzustellen, dass die Ventilschaltung erfolgt etwa einmal pro Minute. Man beachte, dass die Zeitsteuerung des Schalters nicht, genau gesagt, werden, solange die EtCO2- Zeitverlauf aufgezeichnet.
    Hinweis: Wenn sich das Motiv drückt die Krankenschwester-Call-Taste während des Scans wird der Suchlauf abgebrochen, und das Thema wird von der Magnetbohrung sofort bewegt werden. Der Forscher wird das Mundstück und Nasenklemme vom Thema zu entfernen.
  11. Verwenden Sie die Sprechanlage, um das Thema, das der Scan abgeschlossen informieren. Ziehen Sie die MRT-Tabelle aus. Entfernen Sie vorsichtig die Nasenklammer und Mundstück aus dem Thema und bietet Reinigungstuch auf das Thema, jede Speichel abzuwischen. Die Fingersensor der Pulsoximetrie vom Motiv vorsichtig entfernen. Das Thema kann dann sitzen und um aus dem MRT-Tabelle.

3. Säuberungsverfahren nach dem Experiment

  1. Entsorgen Sie die Gasentnahmeschlauch (Artikel # 9), Luftfilter (Artikel # 11), Mundstück (Artikel # 5) und Nasenklammer (Artikel # 6).
  2. Reinigen Sie die wiederverwendbaren Komponenten. Trennen Sie das Zweiwegeventil (Artikel # 3) von den anderen Komponenten und entfernen Sie die Membranen (Artikel # 4) von dem Ventil. Weichen Sie die Zwei-Wege-Ventil (Artikel # 3), Membran (Artikel # 4) und U-Form Rohr (Artikel # 12) in konzentrierter Phosphatfreie Desinfektionsmittel, die Tenside enthalten, wie Bacdown spülmittel in einem Behälter für 20 min. Das Verdünnungsverhältnis des Waschmitteldesinfektionsmittel und destilliertem Wasser 1:64.
  3. Spülen Sie die in 3.2 gründlich mit destilliertem Wasser beschriebenen Produkte.
  4. Trocknen Sie die U-Form Rohr (Artikel # 12) mit Druckluft. Setzen Sie den Zweiwegeventil (Artikel # 3) und Membranen (Artikel # 4) an einem klaren Arbeitsplatte und ermöglichen ihnen natürlich trocknen und vollständig.
  5. Leeren Sie den Douglas-Tasche. Tut von euch die Signalisierung Bar und grauen Röhre.

4. Datenanalyse zu Berechnen CVR Karte

  1. Sparen MRT-Daten im DICOM-Format oder einem anderen herstellerspezifischen Format. Übertragen der Daten zu einem Testcomputer und die Daten in das Volumen-zu-Volumen-Dateireihen, wobei jede Datei eine 3D-Volumen (zB BOLD Bild) entsprechend einem Zeitpunkt umzuwandeln.
  2. Vorprozess die Bilddaten. Führen Bildvorverarbeitung Schritte einschließlich der Verlegung, Normalisierung, und Glättung mit einem Skript, das Bibliotheksfunktionen von der Software Statistische Parametric Mapping (SPM) vorgesehen nennt. Siehe zusätzliche Code-Datei 1 für ein Beispiel der Matlab-Skript.
  3. Verwenden Sie ein Skript, um die CO 2 Aufnahme lesen, korrigieren Sie die Sampling-Schlauch Verzögerung durch Verschieben des Zeitverlaufs von einem vorkalibrierten Menge (zB 12 Sekunden in dieser Einstellung, die als die Zeitdifferenz zwischen einem Atemzug mit dem Mundstück und der bestimmt wird Aussehen dieser Atem auf die CO2-Aufnahme), und extrahieren EtCO2, der die Hülle (positive Spitzen) des Ausgangszeitreihe. Siehe zusätzliche Code-Datei 2 für die Matlab-Skript.
  4. Basierend auf dem Synchronisationszeitgeber, um die Segment EtCO 2 Daten nur die Aufnahme von 25 Sekunden vor der ersten Bildaufnahme bis 100 s nach der letzten Bildaufnahme zu halten. Die EtCO 2 Zeitverlauf istder Eingangsfunktion, die das Gefäßsystem und wird als unabhängige Variable in der später beschriebenen linearen Regressionsanalyse verwendet.
  5. Identifizieren Sie die physiologische Verzögerung zwischen EtCO 2 (in der Lunge gemessen) und MRT-Signal (im Gehirn gemessen) durch Berechnung Kreuzkorrelationskoeffizient (CC) zwischen diesen beiden Zeitverläufe bei unterschiedlichen Zeitverschiebungen. Der Verschiebungswert, der höher CC ergibt gilt als die optimale Zeit.
  6. Die EtCO 2 Zeitverlauf ist durch die optimale Verzögerung verschoben und nur die Zeitpunkte enthalten wie der MRI-Signal werden konserviert, was sich in einer Zeitreihe, die von der gleichen Länge wie die MRI-Signal sind.
  7. Führen Sie eine Voxel-für-Voxel-lineare Regression unter Verwendung SPM, in dem die verschoben EtCO2 Zeitverlauf ist die unabhängige Variable und die MRT-Signalzeitverlauf ist die abhängige Variable.
  8. Berechne Voxel für Voxel Karte von CVR
    figure-protocol-1
    wobei (i, j, k) ter Voxel-Index ist β1 der Regressionskoeffizient mit EtCO2- und β0 zugeordnet ist der Regressionskoeffizient mit dem konstanten Term zugeordnet. min (EtCO 2) wird der Minimalwert EtCO 2 im Zeitverlauf.

Ergebnisse

Zwei Arten von Daten werden mit der vorgeschlagenen Protokoll, physiologische Aufnahmen und MR-Bilder gesammelt. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen Aufnahmen von physiologischen Parametern aus einer repräsentativen Thema. Schwarze Kurve in Abbildung 2 zeigt die CO 2 Zeitverlauf durch die CO 2-Monitor, der den CO 2 -Gehalt in der Luft in der Nähe des Mundstücks abgetastet stellt aufgezeichnet. Man beachte, daß diese Spur schwankt stark in Abhängigkeit von der Zeit. Dies deshalb, weil während der Einatemphase des Atemzyklus, diese Aufnahme spiegelt den CO 2 -Gehalt in der Luft einatmet, und während der Exspirationsphase diese Aufnahme spiegelt den CO 2 -Gehalt in der Atemluft. Als solche ist die obere Spitze jedes Atemzyklus, bezeichnet als endexspiratorischen CO 2 oder EtCO 2 stellt die CO 2 -Gehalts in der Lunge, die etwa wie die CO 2 -Konzentration in dem arteriellen Blut verwendet werden kann. Hinweis thauf CO 2 -Konzentration in dem arteriellen Blut ist die Antriebskraft, dh Eingangsfunktion, der Durchblutungsförderung. Die Spitzen des CO 2 trace (rote Kurve in Figur 2) wurden mit einem Erkennungsalgorithmus, der für den Peak bei jedem Atemzug durchsucht, in Kombination mit manuellen Inspektion und Korrektur abgegrenzt. Dies wurde durch eine Medianfilterung gefolgt, um abrupte Spitzen durch Teil Atem zu entfernen und für den Blutdurchmischung im Verlauf der Strömung von Lungengefäße zur Hirngefäße ausmachen. Die endgültige EtCO 2 Zeitverlauf wird durch die grüne Kurve in Abbildung 2 dargestellt, und es bei der Berechnung der CVR eingesetzt wird.

Abbildung 3 zeigt die Zeitverläufe der Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung Fraktion (SO 2), und die Herzfrequenz. Die Atemfrequenz wird aus dem CO 2 -Monitor erhalten, wobei SO 2 und Herzfrequenz werden aus der Pulsoxymetrie erhalten. Wie kann seen, diese Parameter nicht eine systematische Veränderung der Hyperkapnie Herausforderung zu zeigen. Beachten Sie, dass Hyperkapnie ist Hyperventilation verursachen in der Betreffzeile, damit der O 2 Partialdruck in der Lunge wird moderat erhöhen. Allerdings ist ihr Einfluss auf die SO2 gering wie Hämoglobin bereits weitgehend bei Raumluft-Atem gesättigt und die Sauerstoffdissoziationskurve ist eher flach in diesem Bereich.

4 zeigt repräsentativ BOLD MR-Bilder zu verschiedenen Zeitpunkten des Experiments. Die mittlere Signalintensität (in willkürlichen Einheiten MR) ist ebenfalls gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Signaländerung im Gehirn zeigt eine Zunahme mit CO 2 Inhalation. Man beachte, dass die Signaldifferenz zwischen Raumluft und CO 2 Perioden in der Größenordnung von 1-3% in der Amplitude.

Kombinieren von Daten physiologische Aufzeichnungen und MR-Bilder kann ein Voxel für Voxel CVR Karte berechnet werden. 5 zeigt repräsentativeCVR Karten (in Einheiten von% Signaländerung pro mm Hg CO 2 ändern) eines gesunden Probanden an fünf verschiedenen Tagen gescannt und zeigt eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Die vorgeschlagene Technik hat bisher in Studien der Alterung 20, Alzheimer-Krankheit 4, Multiple Sklerose 21 und Bewegungstraining 22 angewendet.

figure-results-1
Abbildung 1. Schematische Darstellung der Gaszuführungssystem. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

figure-results-2
Abbildung 2: CO 2 Zeitverlauf von einem Vertreter unterliegen duklingelt das Experiment. Segmente des Breath-by-breath CO 2 -Gehalt Spur wie von der CO 2-Monitor erfasst werden für Raumluftatemperiode (unten links) und 5% CO 2 Inhalationszeit (unten rechts) gezeigt. Heraus EtCO 2 Zeit Kurse werden in farbigen Kurven. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

figure-results-3
Abbildung 3: Aufgenommen Physiologie Parameter von einem Vertreter unterliegen während des Experiments. (A) Atemfrequenz (bpm, Atem pro Minute) Zeitverlauf von dem Thema. (B) SO 2 (%) Zeitverlauf von dem Thema. (C) Herz Frequenz (bpm, schlagen pro Minute) Zeitverlauf von dem Thema. Das Thema ist die gleiche wie die in 1. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

figure-results-4
Abbildung 4. Repräsentative BOLD MRT-Bilder zu verschiedenen Zeit des Experiments. Durchschnittliche Signalintensitäten des angezeigten Hirnschnitt (axial Scheibe # 54 in MNI Raum) in der unteren Reihe gezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

figure-results-5
Abbildung 5. Vertreter CVR Karte aus einer repräsentativen Thema..jove.com / files / ftp_upload / 52.306 / 52306fig5large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Diskussion

Dieser Bericht präsentiert einen MR-kompatiblen Gaszuführsystem und ein umfassendes Versuchsprotokoll, das die Zuordnung der vaskulären Reaktivität im menschlichen Gehirn ermöglicht. Ein Diagramm des Gaszuführungssystems ist in Figur 1 veranschaulicht. Alle Teile im Inneren des MRI-Scanner-Raum sind aus Kunststoff ihre MRI Kompatibilität sicherzustellen. Das System kann konzeptionell in drei Untersysteme, einschließlich einer Gaszufuhr-Untersystem (Beutel, Lieferrohr, Zweiwegeventil), einem Atem Schnittstelle Subsystem (Nasenclip, Mundstück, U-förmigen Röhrchen) aufgeteilt werden, und ein Überwachungsuntersystem (CO 2 -Konzentration, Sauerstoffsättigung, Herzfrequenz, Atemfrequenz). Die Gaszufuhr-Untersystem kann das Gas inhaliert werden kann, um das Zweiwegeventil zu erreichen. Nur Atemluft, aber nicht ausgeatmete Luft wird durch diese Untersystem fließen. Die Atem Schnittstelle Sub-System kann der Gegenstand in atmen und aus den vorgesehenen Gas. Sowohl ein- und ausgeatmeten Gas durch dieses Teilsystem fließen. Die Kontrollausrüsg Subsystem sollte daher Probe des Gases bei einem Punkt entlang des Atmungszwischen Subsystem.

Klinische Anwendungen dieser Technik können Auswertungen von Hirngefäßreserve bei neurologischen Erkrankungen wie Schlaganfall, Arteriosklerose, Moyamoya-Krankheit, Vaskuläre Demenz, Multipler Sklerose und Gehirntumoren sind. Die Technik kann auch in der funktionellen MRT-Studien verwendet werden, um zu normalisieren oder kalibrieren fMRI-Signal für eine bessere Quantifizierung der neuronalen Aktivität 23,24 werden.

Ein wesentliches Merkmal des vorgeschlagenen Systems und experimentelle Protokoll ist, dass die Gasmischung auf den Gegenstand abgegeben werden, während wodurch minimale Bewegung oder Beschwerden. Daher ist es entscheidend, die U-förmig Rohr (Teil # 12), so dass es (und das Mundstück mit dem Ende der es verbunden ist) auf natürliche Weise in den Mund des Subjekts fällt nach unten zu setzen. Auf diese Weise, das Thema muss nicht seine Gesichtsmuskeln zu halten oder zu unterstützen, das Mundstück zu verwenden. Es ist auch ImportAmeise, um sich bewusst, dass das Thema nicht in der Lage zu sprechen, während das Mundstück in den Mund zu sein. Daher sollte die Forscher vermeiden, sprechen auf das Thema mit einem Fragezeichen. Stattdessen sollten Sie nur klare und definitive Anweisungen gegeben werden. Darüber hinaus, ein Forscher sollten daher genau auf die physiologischen Parameter (zB EtCO 2, SO 2, Herzfrequenz, Atemfrequenz) während des gesamten Verlaufs des Experiments zu bezahlen und reagieren umgehend, wenn eine oder mehrere der physiologischen Parameter abweichen außerhalb der typischen Bereich .

Während eine vollständige Übersicht über weitere Gasförderanlagen in der Literatur verwendet, würde den Rahmen dieses Artikels, ist es sinnvoll, das derzeitige System auf wenige häufigsten verwendeten 17,18 vergleichen. Ein Hauptunterschied ist, dass unser System verwendet ein Mundstück, um die beabsichtigte Gas zu liefern, während die meisten anderen Systeme haben eine Maske in Design verwendet. Die möglichen Komplikationen der Verwendung einer Maske sind zwei Falten. Zuerst wird eine Maske occupies eine erhebliche Menge an Speicherplatz, und es nicht immer möglich sein könnte, um die Maske in den engen Raum innerhalb der Kopfspule passen, wenn man bedenkt, dass für viele Themen, die Nase würde fast die Kopfspule berühren auch ohne Maske. Dies ist insbesondere der Fall für Kopfspulen soll eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen, die in der Regel entworfen, um fest an den Kopf der Person passen. Eine zweite Komplikation mit einem Maskendesign zugeordnet ist, dass es großen Raum innerhalb der Maske, die im wesentliche Vermischung des eingeatmeten und ausgeatmeten Gases führt. Folglich konnte die Genauigkeit der Messung der EtCO 2, die im Idealfall nur auf ausgeatmete Gas basieren beeinflussen. Genaue EtCO 2 ist natürlich wichtig für die Zuverlässigkeit des CVR Karte. Ein weiterer wichtiger Unterschied unseres Systems im Vergleich zu vielen anderen Systemen ist, dass unser System liefert das Gas aus einer Tasche anstelle eines Gasbehälters. Daher sind Tanks nicht in den Scanner-Bereich benötigt, spart wertvollen Platz in der Fortsetzung rol Raum eines MRI-Suite. In unserem Design, die Tasche bringen wir vor dem Start des Scans und nach dem Scan wird der Beutel geleert, gefaltet, und weggeräumt. Schließlich, im Vergleich zu einigen anderen Systemen 18,21, der aktuelle Gaszufuhrsystem ist einfacher, erfordert weniger Trainingszeit, und seine Verbrauchsmaterialien sind weniger teuer.

Es sollte darauf hingewiesen werden, dass, obwohl die in diesem Bericht dargestellten Protokoll hauptsächlich auf CO 2 Inhalation konzentriert, ermöglicht die vorgestellte Gaszuführungssystem auch die Lieferung anderer Gasmischungen (zB jede Fraktion von O 2 ist für jede Fraktion des CO 2, jedes Bruchteil von N 2, und deren Kombination) an einen Menschen für sie zu atmen, während er / sie innerhalb des MRI-Scanners liegt. Man kann auch die Gaszuführungssystem verwenden außerhalb des Zusammenhangs mit MRI, beispielsweise in Verbindung mit Elektroenzephalogramm (EEG), Magnetoenzephalogramm (MEG), Positronenemissionstomographie (PET), oder optimale Bildgebung.

_content "> Beim Bereitstellen einer Empfehlung von Abbildungsparametern, haben wir vor allem auf BOLD Sequenz konzentriert. Eine weitere Sequenz, die möglicherweise in CVR Zuordnung verwendet werden kann, ist Arterial Spin Labeling (ASL) MRI, die eine quantitative Messung des zerebralen Blutflusses bereitstellt (CBF) in physiologischen Einheiten (ml Blut pro 100 g Gewebe pro min). Daher ist der Vorteil der ASL-basierten CVR Mapping, dass die Ergebnisse leichter interpretierbar, anders BOLD-Signal, das eine kombinierte Wirkung des Blutflusses, des Blutvolumens reflektiert sowie mögliche Beiträge der Hirnstoffwechselveränderungen während der CO 2 Herausforderung 25-27. Allerdings ist eine Beschränkung der ASL-Technik, dass seine Empfindlichkeit ist mehrere Falten geringer als die der BOLD 28. Dadurch ist unsere Erfahrung, dass derzeit ist es sehr anspruchsvoll, eine individuelle Ebene zu erhalten, Voxel für Voxel CVR Karte mit ASL. Daher ist für Anwendungsstudien der CVR, verwenden wir hauptsächlich die BOLD-Sequenz und somit auch auf dieser Technik in ou konzentrierenr Empfehlungen.

Eine Einschränkung des vorliegenden Verfahrens ist, dass die Atmung durch ein Mundstück mit der Nase blockiert (durch eine Nasenklammer) ist nicht ganz natürlich und in einigen Fächern (insbesondere Patienten) kann dies als eine Quelle von Unbehagen empfinden. Atmung mit dem Mundstück und Nasenklemme kann auch verschärfen das Gefühl von Klaustrophobie. Darüber hinaus kann das Thema Mundtrockenheit aufgrund von Atem nur von Mund zu erleben. Daher ist es empfehlenswert, dass der Forscher versuchen sein Bestes, um das Experiment zu schnell zu beenden. Schließlich ist es wichtig zu beachten, dass, bezogen auf die Erfahrungen der Autoren ist die Potential Unannehmlichkeit oben erwähnt vorübergehend und sobald das Experiment beendet ist, verschwindet.

Offenlegungen

HL und PL sind die Erfinder eines vorläufigen Patents des UT Southwestern Medical Center, das einen Teil des Gasversorgungssystems beschreibt.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde teilweise durch Zuschüsse der National Institutes of Health (NIH) unter den Fördernummern R01 MH084021, R01 NS067015, R01 AG042753, NS076588, NS029029-20S1, R21 NS078656; und von der National Multiple Sclerosis Society unter der Fördernummer von RG4707A2 unterstützt.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Douglasie Tasche Harvard Apparat500942200 L Fassungsvermögen
DreiwegeventilHans RudolphCR1207100% Kunststoff
Zweiwegeventil ohne RückatmungHans RudolphCR148022 mm/15 mm
ID MembranHans Rudolph602021-2608Größe: mittel, Typ: spiralförmig
MundstückHans Rudolph602076Silikon, Modell #  9061
NasenclipHans Rudolph201413Kunststoffschaum, Modell #9014
GaszufuhrschlauchVakuumiert1011-108
Blaue ManschetteVakuumiert22254
GasentnahmeschlauchQoSINAT4305
Dünner männlicher LuerQoSINA11547
Hydrophober FilterPhilips Medical Systems9906-00
Einweg-U-förmiges EinwegrohrHergestellt im eigenen Haus
WinkelverbinderQoSINA51033
EtCO2Monitor Philips Medical SystemsModell 1265
Pulsoximetrie InvivoExpressionMRT-Überwachungssysteme
MRT-ScannerPhilipsAchieva 3.0T TX
DesinfektionsmittelFisher Scientific04-355-13Decon BDD Bacdown Reinigungsmittel Desinfektionsmittel

Referenzen

  1. Attwell, D., Laughlin, S. B. An energy budget for signaling in the grey matter of the brain. J Cereb Blood Flow Metab. 21 (10), 1133-1145 (2001).
  2. Kety, S. S., Schmidt, C. F. The Effects of Altered Arterial Tensions of Carbon Dioxide and Oxygen on Cerebral Blood Flow and Cerebral Oxygen Consumption of Normal Young Men. J Clin Invest. 27 (4), 484-492 (1948).
  3. Krainik, A., Hund-Georgiadis, M., Zysset, S., von Cramon, D. Y. Regional impairment of cerebrovascular reactivity and BOLD signal in adults after stroke. Stroke. 36 (6), 1146-1152 (2005).
  4. Yezhuvath, U. S., et al. Forebrain-dominant deficit in cerebrovascular reactivity in Alzheimer's disease. Neurobiol Aging. 33 (1), 75-82 (2012).
  5. Mandell, D. M., et al. Mapping cerebrovascular reactivity using blood oxygen level-dependent MRI in Patients with arterial steno-occlusive disease: comparison with arterial spin labeling MRI. Stroke. 39 (7), 2021-2028 (2008).
  6. Greenberg, S. M. Small vessels, big problems. N Engl J Med. 354 (14), 1451-1453 (2006).
  7. Hsu, Y. Y., et al. Blood oxygenation level-dependent MRI of cerebral gliomas during breath holding. J Magn Reson Imaging. 19 (2), 160-167 (2004).
  8. Mikulis, D. J., et al. Preoperative and postoperative mapping of cerebrovascular reactivity in moyamoya disease by using blood oxygen level-dependent magnetic resonance imaging. J Neurosurg. 103 (2), 347-355 (2005).
  9. Han, J. S., et al. BOLD-MRI cerebrovascular reactivity findings in cocaine-induced cerebral vasculitis. Nat Clin Pract Neurol. 4 (11), 628-632 (2008).
  10. Ellingsen, I., Hauge, A., Nicolaysen, G., Thoresen, M., Walloe, L. Changes in human cerebral blood flow due to step changes in PAO2 and PACO2. Acta Physiol Scand. 129 (2), 157-163 (1987).
  11. Ide, K., Eliasziw, M., Poulin, M. J. Relationship between middle cerebral artery blood velocity and end-tidal PCO2 in the hypocapnic-hypercapnic range in humans. J Appl Physiol (1985). 95 (1), 129-137 (2003).
  12. Xie, A., et al. Cerebrovascular response to carbon dioxide in patients with congestive heart failure. Am J Respir Crit Care Med. 172 (3), 371-378 (2005).
  13. Rostrup, E., et al. Regional differences in the CBF and BOLD responses to hypercapnia: a combined PET and fMRI study. Neuroimage. 11 (2), 87-97 (2000).
  14. Zande, F. H., Hofman, P. A., Backes, W. H. Mapping hypercapnia-induced cerebrovascular reactivity using BOLD MRI. Neuroradiology. 47 (2), 114-120 (2005).
  15. Kastrup, A., Kruger, G., Neumann-Haefelin, T., Moseley, M. E. Assessment of cerebrovascular reactivity with functional magnetic resonance imaging comparison of CO(2) and breath holding. Magn Reson Imaging. 19 (1), 13-20 (2001).
  16. Bright, M. G., Donahue, M. J., Duyn, J. H., Jezzard, P., Bulte, D. P. The effect of basal vasodilation on hypercapnic and hypocapnic reactivity measured using magnetic resonance imaging. J Cereb Blood Flow Metab. 31 (2), 426-438 (2011).
  17. Slessarev, M., et al. Prospective targeting and control of end-tidal CO2 and O2 concentrations. J Physiol. 581 (3), 1207-1219 (2007).
  18. Wise, R. G., et al. Dynamic forcing of end-tidal carbon dioxide and oxygen applied to functional magnetic resonance imaging). J Cereb Blood Flow Metab. 27 (8), 1521-1532 (2007).
  19. Yezhuvath, U. S., Lewis-Amezcua, K., Varghese, R., Xiao, G., Lu, H. On the assessment of cerebrovascular reactivity using hypercapnia. BOLD MRI. NMR Biomed. 22 (7), 779-786 (2009).
  20. Lu, H., et al. Alterations in cerebral metabolic rate and blood supply across the adult lifespan. Cereb Cortex. 21 (6), 1426-1434 (2011).
  21. Marshall, O., et al. Impaired cerebral vascular reactivity in multiple sclerosis measured with hypercapnia perfusion MRI. JAMA Neurology. In press, Forthcoming.
  22. Thomas, B. P., et al. Life-long aerobic exercise preserved baseline cerebral blood flow but reduced vascular reactivity to CO2. J Magn Reson Imaging. 38 (5), 1177-1183 (2013).
  23. Liu, P., et al. Age-related differences in memory-encoding fMRI responses after accounting for decline in vascular reactivity. Neuroimage. 78, 415-425 (2013).
  24. Liu, P., et al. A comparison of physiologic modulators of fMRI signals. Hum Brain Mapp. 34 (9), 2078-2088 (2013).
  25. Zappe, A. C., Uludag, K., Oeltermann, A., Ugurbil, K., Logothetis, N. K. The influence of moderate hypercapnia on neural activity in the anesthetized nonhuman primate. Cereb Cortex. 18 (11), 2666-2673 (2008).
  26. Xu, F., et al. The influence of carbon dioxide on brain activity and metabolism in conscious humans. J Cereb Blood Flow Metab. 31 (1), 58-67 (2011).
  27. Thesen, T., et al. Depression of cortical activity in humans by mild hypercapnia. Hum Brain Mapp. 33 (3), 715-726 (2012).
  28. Lu, H., Golay, X., Pekar, J. J., Van Zijl, P. C. Functional magnetic resonance imaging based on changes in vascular space occupancy. Magn Reson Med. 50 (2), 263-274 (2003).

Nachdrucke und Genehmigungen

Tags

Zerebrale Gef reaktivit tMRT GaszufuhrCO2 InhalationsprovokationEnd Tidal CO2 berwachungBOLD MRT Sequenzlineare RegressionsanalyseSPM DatenverarbeitungMRT kompatibles SystemAufzeichnung physiologischer Parametervoxelweise CVR Kartierung
MRI-Abbildung von zerebrovaskuläre Reaktivität über Gas Einatmen Herausforderungen
Kontaktieren Sie uns
Der Bibliothek empfehlen

Datenschutz

Nutzungsbedingungen

Richtlinien

Urheberrecht © 2026 MyJoVE Corporation. Alle Rechte vorbehalten.