Magnetic Resonance Imaging Quantifizierung der pulmonalen Perfusion mittels geeichter Arterial Spin Labeling

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, mithilfe physiologischer Techniken in Kombination mit der Magnetresonanztomographie die Verteilung der pulmonalen Perfusion unter verschiedenen Bedingungen der eingeatmeten Sauerstoffkonzentration nichtinvasiv zu messen. Dies wird erreicht, indem zunächst ein Proband trainiert wird, während der Bildaufnahme die Atmung bei der funktionellen Residualkapazität anzuhalten und in den Intervallen zwischen den Aufnahmen zu atmen, um die Erfassung mehrerer Bilder zu ermöglichen. Im zweiten Schritt wird dem Probanden die Gesichtsmaske angepasst, und die Ein- sowie Ausatmungsschläuche werden angeschlossen, um dem Probanden unterschiedliche Gasgemische zuzuführen und Atemgasproben zur Durchführung metabolischer Messungen zu sammeln.

Als Nächstes erfolgt im MRT-Gerät nach einer Lokalisierungsaufnahme die arterielle Spinmarkierung sowie die Multi-Echo-schnelle Gradientenecho-Sequenz, um Bilder der pulmonalen Durchblutung und der Protonendichte zu erhalten. Die resultierenden Bilder werden quantifiziert, um die Verteilung der pulmonalen Durchblutung in Milliliter pro Minute pro Gramm anzugeben, abgeleitet aus den beiden verschiedenen MRT-Bildern. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die pulmonale Perfusion nichtinvasiv in vivo gemessen wird, ohne Belastung durch ionisierende Strahlung, wodurch wiederholte Messungen möglich sind.

Diese Methode kann Einblicke in die Mechanismen liefern, die die räumliche Verteilung der pulmonalen Perfusion steuern, und kann außerdem verwendet werden, um andere physiologische Mechanismen im MS-Scanning-Umfeld zu untersuchen. Die Durchführung der Verfahren wird heute von TSIA rye, einem Doktoranden Sebastian Verta und RU Carlos SA, Postdoktoranden aus unserem Labor, demonstriert. Bevor das Experiment durchgeführt wird, holen Sie zunächst die schriftliche und informierte Einwilligung der Versuchsperson ein, und lassen Sie diese einen MRI-Sicherheits-Fragebogen ausfüllen.

Führen Sie außerdem eine körperliche Untersuchung, einen Lungenfunktionstest und eine Trainingssitzung durch, in der der Proband lernt, wie er oder sie die Atmung bei der funktionellen Residualkapazität – oder FRC – anhält. Beginnen Sie damit, die Atemausrüstung aufzubauen, indem Sie zunächst die Maske auf das Gesicht des Probanden anpassen. Mit einem Netzanhänger ist die Maske mit einem vosterilisierten, nicht nachatmenden Ventil und Schläuchen ausgestattet.

Stellen Sie sicher, dass Sie die Maske auf Undichtigkeiten überprüfen. Richten Sie die Gassäcke im Scanner-Raum ein und verbinden Sie diese mit einem Tank im MRI-Konsolenraum. Dies sollte so eingerichtet sein, dass das Gas durch den Untersucher über die Manipulation des Gastanks in den Sack gefüllt werden kann.

Stellen Sie sicher, dass der Gassack im Sichtfeld ist. Während des Experiments muss der Untersucher den Sack durch das Fenster des Bedienerraums überwachen, um sicherzustellen, dass das Gasvolumen ausreichend ist. Andernfalls könnte es für den Probanden nicht möglich sein, den gewünschten Anteil an eingeatmetem Sauerstoff zu erreichen. In diesem Fall betragen die Anteile des eingeatmeten Sauerstoffs bei hyperoxischen und hypoxischen Gasen jeweils 1,0 und 0,125, und Raumluft kann als normoxisches Gas verwendet werden.

Stellen Sie sicher, dass das Ausatem-Atmungsrohr ausreichend lang ist, um vom Probanden im MR-Scanner über eine Wellenleiterführung bis zum Stoffwechselwagen im MR-Bedierraum zu reichen. Der hier gezeigte Stoffwechselwagen misst das Volumen der ausgeatmeten Luft sowie die Konzentrationen von gemischtem ausgeatmetem Sauerstoff und Kohlendioxid. Auf Basis dieser Parameter berechnet er zudem verschiedene Atemvolumina.

EG, das Atemzugvolumen VO zwei VC O2 sowie der respiratorische Quotient. Lassen Sie die Versuchsperson rücklings mit den Füßen zuerst auf der Scannerliege liegen und verwenden Sie Kissen und Schaumstoffpolster, um den Komfort zu maximieren. Verbinden Sie anschließend das inspiratorische Atemrohr mit der inspiratorischen Seite der Maske der Versuchsperson.

Das Rohr wird verwendet, um entweder hyperoxische und hypoxische Gase oder normoxische Luft aus den Mylar-Beuteln über ein Umschaltventil zuzuführen. Bringen Sie außerdem ein EKG-Pflaster auf der Brust des Probanden an. Dies ermöglicht es, die arterielle Spin-Labeling-MR-Sequenz an den QRS-Komplex im Elektrokardiogramm des Probanden zu koppeln.

Überprüfen Sie unbedingt das Ventil, um sicherzustellen, dass es normal funktioniert. Stellen Sie Gehörschutz bereit, um den Probanden vor dem Geräusch des Scanners zu schützen. Da der Proband eine Maske trägt und nicht leicht mit dem Studienpersonal kommunizieren kann, platzieren Sie außerdem einen Druckball in der Hand des Probanden und fixieren Sie diesen mit Klebeband.

Dadurch ist eine Kommunikation mit den Untersuchern möglich, falls Unterstützung erforderlich ist. Als Letztes platzieren Sie ein Pulsoximeter am Finger des Probanden, um die Sauerstoffsättigung zu überwachen, was entscheidend ist, wenn der Proband Hypoxie ausgesetzt ist. Bringen Sie nun zwei Mr Phantoms auf der Brust des Probanden an.

Diese Phantome sollten zur Quantifizierung des MR-Signals während der Nachbearbeitung verwendet werden. Anschließend wird die Torokspule über die Phantome gelegt. Die Torokspule dient dazu, das Signal-Rausch-Verhältnis des MR-Bildes im Vergleich zur Körperspule zu erhöhen, indem der physikalische Abstand zwischen Empfänger und Untersuchungsobjekt verringert wird.

Schließlich decken Sie die Versuchsperson mit einer Decke zu, um ihren Komfort sicherzustellen, bevor sie in die Mitte der MR-Scannerröhre geschoben wird. Sobald sich die Versuchsperson im Scanner befindet, sollte der Bediener regelmäßig mit ihr sprechen, um sicherzustellen, dass sie sich wohlfühlt, und sie daran erinnern, den Druckball zu benutzen, falls Unterstützung benötigt wird. Danach bereiten wir die Aufnahme des Lokalisators vor, welche die erste Scansequenz darstellt.

Es dauert ungefähr 30 Sekunden. Ich möchte, dass Sie sich entspannen und normal atmen, während alle Geräusche und Klicks ablaufen. Achten Sie darauf, die EKG-O2-Sättigung, das Atemzugvolumen VO O2 und VC O2 zu überwachen. Die ersten Minuten der Überwachung sind besonders wichtig, um Daten von guter Qualität sicherzustellen.

Wenn diese Werte außerhalb der erwarteten Werte liegen, muss die Kalibrierung erneut durchgeführt und die Gesichtsmaske sowie die Schläuche auf Undichtigkeiten überprüft werden. Zunächst wird eine Lokalisierungssequenz aufgezeichnet, um anatomische Bilder des Torso des Probanden zu erhalten. Diese Lokalisierung dauert etwa 20 Sekunden.

Entspannen Sie sich einfach. Atmen Sie währenddessen normal. Los geht's.

Richten Sie nun eine Arterial Spin Labeling, eine SL-Farer-Sequenz mit einer Halb-Fourier-Akquisition ein. Verwenden Sie ein Einzelschuss-Turbo-Spin-Echo-Bildgebungsverfahren wie HASTE, um regionale pulmonale Perfusiondaten zu erfassen. Wählen Sie dann die sagittale Ebene aus dem Bereich der rechten Lunge, wo der anteroposteriore Abstand am größten ist.

Eine Schichtdicke von 15 Millimetern und ein Bildfeld von 40 Zentimetern mal 40 Zentimetern sind typisch. Hier werden die Aufnahmen mit einem 1,5-Tesla-GE-HDX-ex-excite-Twin-Speed-Scanner durchgeführt. Der Proband hört eine Serie lauter Klopfgeräusche, die paarweise auftreten.

Zwischen diesen Schlägen liegt ein Intervall von fünf Sekunden, in dem der Proband einen vollständigen Atemzyklus durchführen sollte. Einatmen, dann bis zur funktionellen Residualkapazität ausatmen. Während des Schallgeräuschs muss der Proband die Luft anhalten und das Lungenvolumen auf der FRC-Größe beibehalten.

Obwohl die Probanden vor der Aufnahme mit der Atemtechnik vertraut gemacht werden, sollte der erste Durchgang der Bildaufnahme ein Testdurchlauf sein, damit die Probanden das Atmen und die Atemanhaltephase während des Scannens üben können. Der MR-Operator sollte die Qualität der Lungenbilder anhand der Bewegung des Zwerchfells beurteilen. Wenn die Bewegung minimal ist, können die A SL-Messungen beginnen, wobei das Atemzugvolumen während des Scannens überwacht wird.

Das ungefähre Ziel. Ein Atemzugvolumen von 500 Millilitern entspricht einer normalen Beatmung. In der A SL-Sequenz.

Es werden zwei verschiedene EKG-gesteuerte Aufnahmen angefertigt. Die Aufnahmezeitpunkte bei 80 % des RR-Intervalls sollten für jeden Probanden und jede Versuchsbedingung individuell festgelegt werden, um sicherzustellen, dass das Bild beim Subtrahieren der beiden Aufnahmen ein Blutsignal aus einer systolischen Auswurffase enthält und dadurch das stationäre Signal eliminiert wird. Das Ergebnis ist eine quantitative Karte des Blutes, das innerhalb einer systolischen Auswurffase in die Bildgebungsebene gelangt ist.

Neben den A-SL-Bildern sollte ein Lungen-Protonendichtebild mithilfe einer Multi-Echo-Schnellgradientenecho-Sequenz aufgenommen werden. Die Messung der Protonendichte ermöglicht es, die Perfusion in Milliliter pro Minute pro Gramm auszudrücken und berücksichtigt Deformationen des Lungengewebes. Während dieser Aufnahme wird der Proband im Brustkorb ein kontinuierliches Geräusch wahrnehmen, das etwa 10 Sekunden andauert; er oder sie muss während der gesamten Dauer des Geräuschs die Luft anhalten und sich am funktionellen Residualvolumen (FRC) befinden.

Entspannen Sie sich, atmen Sie normal – das hat gut ausgesehen. Für dieses Experiment werden die Gase Normoxie oder Raumluft, Hypoxie und Hyperoxie in balancierter Reihenfolge zwischen den Probanden präsentiert. Obwohl diese zwischen den Probanden bei Bedarf variiert werden können, sollte ein Proband ein bestimmtes Gas etwa 20 Minuten lang einatmen, um stabile Bedingungen im Lungengewebe zu etablieren, bevor MR-Messungen der Perfusion und der Protonendichte durchgeführt werden.

Danach wird das im vorherigen Abschnitt beschriebene Bildgebungsprotokoll befolgt, wobei eine 20-minütige Expositionszeit gegenüber dem Gas vor der Bildaufnahme gewählt wird. Denn obwohl die Initiierung der hypoxischen pulmonalen Vasokonstriktion innerhalb von Sekunden erfolgt, ist die Reaktion auf alveoläre Hypoxie erst nach etwa 20 Minuten maximal, was mit dem Ziel dieser speziellen Studie übereinstimmt. Die Nachbearbeitung kann mithilfe einer benutzerdefinierten, auf MATLAB basierenden Software unter Verwendung der gepaarten MGRE-Bilder aus der homogenen Körper-Spule und der inhomogenen Torso-Spule durchgeführt werden.

Alle Durchblutungs- und Protonendichte-Bilder können subjektbezogen auf Unhomogenitäten der Spule korrigiert werden. Sobald das subtrahierte aSL-Bild auf Spuleninhomogenität korrigiert ist, kann die regionale pulmonale Durchblutung in Milliliter Blut pro Minute pro Voxel quantifiziert werden. Anschließend können dichtekorrigierte, normalisierte Perfusionsbilder erstellt werden.

Die auf die Dichte normierte Perfusion wird in Einheiten von Milliliter Blut pro Minute pro Gramm Wasser ausgedrückt und berechnet sich durch die Division des ASL-Bildes durch das Protonendichtebild, um die Perfusionbilder in Milliliter pro Minute pro Gramm Lunge zu erhalten. Beispielsweise sind hier physiologische Daten zu sehen. Die Herzfrequenz war bei Hypoxie erhöht und die Sättigung verringert. Die Ventilation betrug 8,31 Liter pro Minute.

BTPS während Hypoxie, 7,04 Liter pro Minute während Normoxie und 6,64 Liter pro Minute. Während Hyperoxie betrug das Atemzugvolumen 0,76 Liter bei Hypoxie, 0,69 Liter bei Normoxie und 0,67 Liter bei Hyperoxie. Die Exposition gegenüber Hypoxie erhöht sowohl die Ventilation als auch das Atemzugvolumen, während Hyperoxie die Ventilation und das Atemzugvolumen vermindert.

Hier werden drei dichte-normalisierte Perfusionsbilder gezeigt, die von einem Probanden unter drei verschiedenen inspiratorischen Sauerstoffkonzentrationen aufgenommen wurden. Die Ergebnisse der Datenanalyse der Perfusionsheterogenität sind in Tabelle zwei angegeben. Es ist ersichtlich, dass Hypoxie die relative Streuung erhöhte, während die anderen Indizes weitgehend unverändert blieben.

Wenn man die Technik einmal beherrscht, kann sie bei ordnungsgemäßer Durchführung in weniger als zwei Stunden abgeschlossen werden. Nach dem Ansehen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man die pulmonale Perfusion misst und andere physiologische Untersuchungen in der MR-Scanner-Umgebung durchführt.