Method Article

Quantitative Mapping spezieller Belüftung in der menschlichen Lung mit Proton-Magnetresonanztomographie und Sauerstoff als Kontrastmittel

DOI:

10.3791/59579

June 5th, 2019

In This Article

Summary

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Die spezifische Lüftungsbildgebung ist eine funktionelle Magnetresonanztomographie, die es ermöglicht, die regionalspezifische Beatmung in der menschlichen Lunge zu quantifizieren, wobei der inhalierte Sauerstoff als Kontrastmittel verwendet wird. Hier stellen wir ein Protokoll zur Erfassung und Analyse von spezifischen Lüftungsdaten vor.

Abstract

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Die spezifische Lüftungsbildgebung (SVI) ist eine funktionelle Magnetresonanztomographen-Technik, die in der Lage ist, eine spezifische Belüftung zu quantifizieren-das Verhältnis des Frischgases, das in eine Lungenregion gelangt, die durch das Endausfallvolumen der Region in der menschlichen Lunge geteilt ist, wobei nur die menschliche Lunge verwendet wird. Sauerstoff als Kontrastmittel eingeatmet Die regionale Quantifizierung spezifischer Belüftung kann helfen, Bereiche der pathologischen Lungenfunktion zu identifizieren. Sauerstoff in der Lösung im Gewebe verkürzt die Längsentspannungszeit des Gewebes (T1), und so kann eine Veränderung der Gewebe-Sauerstoffversorgung als Veränderung desT 1-gewichteten Signals mit einer Inversionsrettungsaufnahme erworbenes Bild festgestellt werden. Nach einem abrupten Wechsel zwischen zwei Konzentrationen von inspiriertem Sauerstoff spiegelt die Geschwindigkeit, mit der Lungengewebe innerhalb eines Voxels in einen neuen Steady-Zustand ausgeglichen wird, die Geschwindigkeit wider, mit der das ansässige Gas durch eingeatmtes Gas ersetzt wird. Dieser Tarif wird durch eine spezielle Belüftung bestimmt. Um diese plötzliche Veränderung der Sauerstoffversorgung zu entlocken, atmen die Probanden im MRT-Scanner abwechselnd 20-Atemblöcke (21% Sauerstoff) und 100% Sauerstoff ein. Eine stufenweise Veränderung der inspirierten Sauerstofffraktion wird durch den Einsatz eines maßgeschneiderten dreidimensionalen (3D-) gedruckten Flow-Bypass-Systems mit manuellem Schalter während eines kurzen Endauslaufs erreicht. Um die entsprechende Änderung in T1 zuerkennen, wurde ein globaler Inversionsimpuls, gefolgt von einer einzigen Dreh-schnellen Spin-Echo-Sequenz, verwendet, um zweidimensionale T1-gewichteteBilder in einem 1,5 T-MRI-Scanner mit einer Acht-Elemente-Oberkörper-Spule zu erfassen. Sowohl eine Einzel-als auch eine Mehrschneidbildgebung sind möglich, mit leicht unterschiedlichen Bildungsparametern. Die Quantifizierung der spezifischen Belüftung wird erreicht, indem der zeitliche Verlauf der Signalintensität für jeden Lungenvoxeln mit einer Bibliothek simulierter Reaktionen auf den Luft-Sauerstoffreiz korreliert wird. SVI-Einschätzungen der spezifischen Lüftungsheterogenität wurden gegen mehrfache Atemauswaschen validiert und erwiesen sich als genau zu bestimmen, wie die Heterogenität der spezifischen Lüftungsverteilung erfolgt.

Introduction

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Das übergeordnete Ziel der spezifischen Lüftungsbildgebung (SVI)-einer Protonenspinresonanztomographie (MRT), die Sauerstoffals Kontrastmittel 1 verwendet, ist es, die spezifische Lüftung in der menschlichen Lunge quantitativ zu kartieren. Spezifische Belüftung ist das Verhältnis von frischem Gas, das in einem Atemzug in einer Lungenregion geliefert wird, geteilt durch das Endauslaufvolumen der gleichen Lungenregion1. In Verbindung mit Messungen der lokalen Lungendichte kann eine spezifische Lüftung zur Berechnung der regionalen Lüftung2 verwendet werden. Messungen der lokalen Belüftung und Lüftun....

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Protocol

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Das Human Research Protection Program der University of California, San Diego, hat dieses Protokoll genehmigt.

1. Thema Sicherheit und Ausbildung

  1. Erhalten Sie eine schriftliche, informierte Einwilligung des Betroffenen. Beschreiben Sie die potenziellen Risiken, die durch die Exposition bei sich schnell verändernden Magnetfeldern entstehen, und die potenziellen Beschwerden, die durch die Verwendung von Gesichtsmaske und Atemtrockengas entstehen.
  2. Stellen Sie sicher, dass das Thema sicher dem MR-Scannen unterzogen werden kann, indem Sie den lokal zugelassenen MRD-Sicherheitsscreeny-Fragebogen verwenden.
  3. Wenn es si....

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Results

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Einzelne Scheibe SVI in einem gesunden Thema
Die spezifische Lüftungsbildgebung erzeugt quantitative Karten spezifischer Belüftung, wie sie in Abbildung 3Agezeigt werden, die eine einzelne Scheibe in der rechten Lunge eines 39-jährigen gesunden Weibchens darstellt. Beachten Sie das Vorhandensein des erwarteten vertikalen Gefälles in der spezifischen Belüftung; Der abhängige Teil der Lunge stellt eine höhere spezifische Belüftung dar als der nicht abhän.......

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Discussion

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Die spezifische Lüftungsbildgebung ermöglicht die quantitative Kartierung der räumlichen Verteilung der spezifischen Belüftung in der menschlichen Lunge. Alternativen zu SVI gibt es, sind aber in gewisser Weise begrenzt: Mehrfache Atemauswaschen bietet ein Maß an Heterogenität, aber es fehlt an räumlichen Informationen23. Alternative bildgebende Methoden setzen Patienten der ionisierenden Strahlung aus (z.B. SPECT, PET, CT, Gammascintigraphie) oder sind nicht weit verbreitet (hyperpolarisierte Gas.......

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Disclosures

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgements

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Diese Arbeit wurde vom Nationalherz unterstützt, Lungen-und Blutinstitut (NHLBI) (Zuschüsse R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 und R01-HL119263) und das National Space Biomedical Research Institute (National Aeronautics and Space Administration gewähren NCC E.T. Geier wurde von der NHLBI-Zuwendung F30 HL127980 unterstützt.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
3D-gedrucktes Flow-Bypass-System
GesichtsmaskeHans Rudolph7400 Serie Mund-Nasen-Maske, verschiedene Größen
Gas-/Sauerstoffregler
Maskenkopf-SetHans Rudolph7400 kompatibles Kopf-Set
MatlabMathworksAnalyse-Software, die vor Ort entwickelt
wurde Medizin SauerstoffLuft Liquide/LindeSauerstoff zur Abgabe an den Probanden
MRT GEGesundheitswesen1,5 T GE HDx Excite Twin-Speed-Scanner
Kunststoffschläuche¼ ", 3/8" und 1/2" Schläuche und Anschlüsse
PulsoximeterNonin7500 FO (MR-kompatibel)
Schaltventil
TorsospuleGE HealthcareTorsospule mit hoher Verstärkung für GE-Scanner

References

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  1. Sá, R. C., et al. Vertical distribution of specific ventilation in normal supine humans measured by oxygen-enhanced proton MRI. Journal of Applied Physiology. 109 (6), 1950-1959 (2010).
  2. Henderson, A. C., et al.

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Specific Ventilation ImagingProton Magnetic Resonance ImagingOxygen Contrast AgentLung Ventilation MappingT1 weighted ImagingInversion Recovery SequenceFunctional Residual CapacityMultiple Breath WashoutVentilation Heterogeneity AnalysisMRI Safety Screening

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