La cuantificación de resonancia magnética de imagen de perfusión pulmonar con etiquetado calibrado arterial spin
May 30th, 2011
Un método de imágenes de RM para estudiar la distribución del flujo sanguíneo pulmonar bajo una variedad de condiciones fisiológicas, en este caso la exposición a tres diferentes concentraciones de oxígeno inspirado: normoxia hipoxia y la hiperoxia, se describe. Esta técnica utiliza las técnicas pulmonar humano de investigación de la fisiología en un entorno de digitalización MR.
El objetivo general del siguiente experimento es utilizar técnicas fisiológicas combinadas con imágenes de resonancia magnética para medir la distribución de la perfusión pulmonar de forma no invasiva en diferentes condiciones de oxígeno inspirado. Esto se logra entrenando primero a un sujeto para que aguante la respiración a la capacidad residual funcional durante la adquisición de la imagen, y para que respire durante el intervalo entre imágenes para permitir la recopilación de múltiples imágenes. Como segundo paso, se coloca al sujeto la mascarilla y se le conectan los tubos inspiratorios y espiratorios para suministrar las diferentes mezclas de gases al sujeto y recoger muestras de gases espiratorios para realizar mediciones metabólicas.
A continuación, en el escáner de resonancia magnética, después de una imagen del localizador, el etiquetado de espín arterial y el gradiente rápido multieco, se utilizan secuencias de eco para obtener imágenes de flujo sanguíneo pulmonar y densidad de protones. Las imágenes resultantes se cuantifican para dar la distribución del flujo sanguíneo pulmonar expresado en mililitros por minuto por gramo derivado de las dos imágenes de RM diferentes. La principal ventaja de esta técnica es que la perfusión pulmonar se mide de forma no invasiva in vivo sin exposición a radiaciones ionizantes, lo que permite repetir las mediciones.
Este método puede proporcionar información sobre los mecanismos que controlan la distribución espacial de la perfusión pulmonar, y también se puede utilizar para estudiar otros mecanismos fisiológicos dentro del entorno de la exploración de la EM. Demostrando los procedimientos hoy estarán TSIA centeno, un estudiante graduado Sebastián Verta y RU Carlos SA becarios postdoctorales de nuestro laboratorio antes de realizar el experimento. Primero obtenga el consentimiento escrito e informado del sujeto de investigación y pídale que complete un formulario de evaluación de seguridad de la resonancia magnética.
También realizar un examen físico, una prueba de función pulmonar y una sesión de entrenamiento en la que el sujeto aprenda a contener la respiración a la capacidad residual funcional. O FRC comienza a configurar el equipo de respiración colocando primero la máscara en la cara del sujeto. Con un accesorio de malla, la mascarilla está equipada con una válvula y tubos preesterilizados que no reinhalan.
Asegúrese de revisar la mascarilla en busca de fugas. Coloque las bolsas de gas en la sala de escáneres y conéctelas a un tanque en la sala de la consola de resonancia magnética. Esto debe configurarse de tal manera que el investigador pueda agregar gas a la bolsa mediante la manipulación del tanque de gas.
El regulador asegura que la bolsa de gas esté a la vista. Al igual que durante el experimento, el investigador debe monitorear la bolsa a través de la ventana de la sala de consola para asegurarse de que el volumen de gas sea suficiente. De lo contrario, es posible que el sujeto no pueda inspirar la fracción de oxígeno inspirado de los gases hiperóxicos e hipóxicos, en este caso son 1,0 y 0,125 respectivamente, y se puede utilizar aire ambiente para el gas normóxico.
Asegúrese de que el tubo de respiración espiratoria sea lo suficientemente largo como para conectarse desde el sujeto en el escáner de resonancia magnética a través de una guía de onda y con el carro metabólico en la sala de la consola de resonancia magnética. El carro metabólico que se ve aquí mide el volumen de aire espirado, así como las concentraciones mixtas de oxígeno espiratorio y dióxido de carbono. A partir de estos parámetros, también calcula diversos volúmenes respiratorios.
Por ejemplo, el volumen corriente VO dos VC O2, así como el cociente respiratorio. Haga que el sujeto se acueste en decúbito supino con los pies primero en la cama del escáner y use almohadas y almohadillas de espuma para maximizar la comodidad. A continuación, conecte el tubo de respiración inspiratoria al lado inspiratorio de la máscara del sujeto.
El tubo se utilizará para administrar gases hiperóxicos e hipóxicos o aire normóxico de las bolsas de Mylar a través de una válvula de conmutación. Coloque también una almohadilla de electrocardiograma en el pecho del sujeto. Esto permitirá que la secuencia de marcaje de espín arterial se conecte al complejo QRS en el electrocardiograma del sujeto.
Asegúrese de revisar la válvula para asegurarse de que esté funcionando normalmente. Proporcione tapones para los oídos para proteger al sujeto del ruido del escáner. Además, dado que el sujeto lleva una mascarilla y no puede comunicarse fácilmente con el personal del estudio, coloque una pelota de compresión en la mano del sujeto y péguela con cinta adhesiva.
Esto permite la comunicación con los investigadores si se necesita ayuda. Por último, coloque un oxímetro de pulso en el dedo del sujeto para controlar la saturación de oxígeno, que es fundamental cuando el sujeto está expuesto a la hipoxia. Ahora, coloca dos Mr Phantoms en el pecho del sujeto.
Estos maniquíes deben utilizarse para cuantificar la señal de RM durante el posprocesamiento. A continuación, coloque la bobina del torso sobre los maniquíes. La bobina del torso se utiliza para aumentar la relación señal/ruido de la imagen de resonancia magnética en comparación con la bobina del cuerpo al reducir la distancia física entre el receptor y el sujeto.
Por último, cubra al sujeto con una manta para garantizar su comodidad antes de enviarlo al centro del orificio del escáner de resonancia magnética. Una vez que el sujeto está en el escáner, el operador debe hablar con frecuencia con el sujeto para asegurarse de que se siente cómodo y recordarle al sujeto que use la bola de compresión si necesita ayuda. Y vamos a configurar el localizador, que es el primer escaneo.
Va a tardar unos 30 segundos. Quiero que te relajes y respires normalmente mientras todos los flequillos y clics continúan. Asegúrese de controlar el electrocardiograma, la saturación de oxígeno, el volumen corriente, VO O2 y VC O2. Los primeros minutos de monitorización son especialmente importantes para garantizar datos de buena calidad.
Si estos valores están fuera de los valores esperados, se debe rehacer la calibración y se debe verificar si hay fugas en la mascarilla y el tubo. Primero, adquiera una secuencia localizadora para obtener las imágenes anatómicas en el torso del sujeto. Este va a ser un localizador dura unos 20 segundos.
Solo relájate. Respira normalmente durante todo el proceso. Aquí vamos.
Ahora configura un marcaje de espín arterial, una secuencia de Farer SL con una adquisición de Fourier medio. Utilice un esquema de imágenes de ecocardiograma de espín turbo de disparo único, como la prisa, para adquirir datos de perfusión pulmonar regional. A continuación, seleccione el plano sagital de la porción del pulmón derecho donde la distancia entre anterior y posterior es mayor.
Lo típico es un grosor de corte de 15 milímetros y un campo de visión de 40 centímetros por 40 centímetros. Aquí, los escaneos se adquieren utilizando un escáner de doble velocidad GE HDX ex excite de 1.5 Tesla. El sujeto escuchará una serie de fuertes golpes en pares.
Hay un intervalo de cinco segundos entre estos flequillos en el que el sujeto debe completar un ciclo de respiración. Inhale y luego exhale hasta alcanzar la capacidad residual funcional. Durante el sonido de golpe, el sujeto debe contener la respiración y permanecer al volumen pulmonar FRC.
Aunque los sujetos están familiarizados con la técnica de respiración antes de la exploración, la primera ejecución de la adquisición de imágenes debe ser una prueba para que el sujeto pueda practicar la respiración y la contención de la respiración mientras está en el escáner. El operador de RM debe evaluar la calidad de las imágenes pulmonares en función del movimiento del diafragma. Si el movimiento es mínimo, las mediciones A SL pueden comenzar a monitorear el volumen corriente mientras se escanea.
El objetivo aproximado. El volumen corriente de 500 mililitros es consistente con una ventilación normal. En la secuencia A SL.
Se adquieren dos imágenes cardíacas controladas diferentes. La temporización de la imagen del 80% del intervalo RR debe establecerse individualmente para cada sujeto y condición experimental y garantiza que la imagen contenga señal sanguínea de un período de eyección sistólica cuando se restan las dos imágenes, cancelando así la señal estacionaria. El resultado es un mapa cuantitativo de la sangre entregada al plano de la imagen dentro de un período de eyección sistólica.
Además de las imágenes A SL, adquiera una imagen de densidad de protones pulmonares utilizando una secuencia de eco de gradiente rápido de eco múltiple. La medición de la densidad de protones permite que las mediciones de perfusión se expresen en mililitros por minuto por gramo y tiene en cuenta la deformación del tejido pulmonar. Dentro del tórax, el sujeto escuchará un ruido continuo que durará aproximadamente 10 segundos durante esta exploración y debe contener la respiración y permanecer en FRC durante la duración del ruido.
Relájate, respira con normalidad que se veía muy bien para este experimento. Los gases de la normoxia o del aire ambiente, la hipoxia y la hiperoxia se presentan en orden equilibrado entre los sujetos. Aunque estos pueden variar entre sujetos si se desea, un sujeto debe respirar un gas particular durante unos 20 minutos para establecer condiciones de estado estacionario dentro del tejido pulmonar antes de que se adquieran las mediciones de resonancia magnética de la profusión y la densidad de protones.
A continuación, siga el mismo protocolo de imagen descrito en la sección anterior, el período de 20 minutos de exposición al gas antes de elegir la imagen. Porque aunque el inicio de la respuesta de vasoconstricción pulmonar hipóxica ocurre en segundos, la respuesta a la hipoxia alveolar no es máxima hasta aproximadamente 20 minutos, lo que coincide con el objetivo de este estudio en particular. El posprocesamiento se puede realizar mediante el uso de software desarrollado a medida basado en MATLAB mediante el uso de las imágenes MGRE emparejadas de la bobina de cuerpo homogéneo y la bobina de torso homogéneo.
Todas las imágenes de flujo sanguíneo y densidad de protones se pueden corregir en homogeneidad sujeto por sujeto. Una vez que se corrige la homogeneidad de una imagen SL restada, el flujo sanguíneo pulmonar regional se puede cuantificar en mililitros de sangre por minuto por vóxel. A continuación, se pueden crear imágenes de densidad y perfusión normalizadas.
La densidad de perfusión normalizada se expresa en unidades de mililitros de sangre por minuto por gramo de agua, y se calcula dividiendo la imagen A SL por la imagen de densidad de protones para dar las imágenes de perfusión en mililitros por minuto por gramo de pulmón, ejemplo de datos fisiológicos. La frecuencia cardíaca aumentó en hipoxia y la saturación disminuyó. La ventilación fue de 8,31 litros por minuto.
BTPS durante hipoxia, 7,04 litros por minuto durante normoxia y 6,64 litros por minuto. Durante la hiperoxia el volumen corriente fue de 0,76 litros para la hipoxia, 0,69 litros para la normoxia y 0,67 litros para la hiperoxia. La exposición a la hipoxia aumenta tanto la ventilación como el volumen corriente, mientras que la hiperoxia disminuye la ventilación y el volumen corriente.
Aquí se muestran tres imágenes de perfusión normalizada de densidad recogidas de un sujeto bajo las tres diferentes concentraciones de oxígeno inspirado. Los resultados del análisis de los datos de heterogeneidad de perfusión se presentan en la tabla dos. Se puede ver que la hipoxia aumentó la dispersión relativa, sin embargo, los otros índices se mantuvieron prácticamente sin cambios.
Una vez dominada, esta técnica se puede completar en menos de dos horas si se realiza correctamente. Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo medir la profusión pulmonar y realizar otros estudios fisiológicos dentro de la RM. Entorno de escáner.
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Visión general
Este estudio describe un método de resonancia magnética (RM) para medir de forma no invasiva la distribución del flujo sanguíneo pulmonar en condiciones de oxígeno inspirado variables, incluyendo hipoxia, normoxia e hiperoxia. La técnica integra la investigación de fisiología pulmonar humana con la tecnología de RM.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Fisiología
- Imágenes médicas
Fundamentos
- Comprender la perfusión pulmonar es crucial para evaluar la función respiratoria.
- Los métodos tradicionales de medición del flujo sanguíneo pueden implicar radiación ionizante.
- Se prefieren técnicas no invasivas para mediciones repetidas.
- Este estudio utiliza RM para superar las limitaciones de los métodos existentes.
Propósito del estudio
- Medir la perfusión pulmonar de forma no invasiva.
- Evaluar los efectos de diferentes concentraciones de oxígeno en el flujo sanguíneo.
- Proporcionar un método que permita mediciones repetidas sin exposición a la radiación.
Métodos utilizados
- Sujetos entrenados para contener la respiración a la capacidad residual funcional durante la obtención de imágenes.
- Uso de mascarillas faciales y mezclas de gases para manipular los niveles de oxígeno inspirado.
- Recolección de muestras de gas expirado para mediciones metabólicas.
- Aplicación de etiquetado de espín arterial y secuencias de eco de gradiente rápido multi-eco en RM.
Principales resultados
- Cuantificación del flujo sanguíneo pulmonar en mililitros por minuto por gramo.
- Imágenes exitosas bajo condiciones de oxígeno inspirado variables.
- Demostración de capacidades de medición no invasivas.
- Potencial para evaluaciones repetidas en entornos clínicos.
Conclusiones
- La técnica de RM proporciona una alternativa segura para medir la perfusión pulmonar.
- Permite el estudio de las respuestas fisiológicas a diferentes niveles de oxígeno.
- Este método puede mejorar nuestra comprensión de la fisiología pulmonar.
Preguntas frecuentes
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.
