Name: Cartographie quantitative de la ventilation spécifique dans le poumon humain utilisant l’imagerie par résonance magnétique de proton et l’oxygène comme agent de contraste (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-06-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 26 s
Description: Découvrez l'imagerie de ventilation spécifique par IRM pour la physiologie respiratoire utilisant l'oxygène médical comme agent de contraste. Cette méthode sans radiation permet d'identifier les zones pulmonaires affectées par l'asthme et d'optimiser les traitements personnalisés.

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Ce travail a été appuyé par l’Institut national de cardiologie, de poumon et de sang (NHLBI) (subventions R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 et R01-HL119263) et l’Institut national de recherche biomédicale spatiale (subvention nationale de l’aéronautique et de l’espace NCC 9-58). E.T. Geier a été soutenue par NHLBI Grant HL127980.

Le programme de protection de la recherche humaine de l’Université de Californie, San Diego a approuvé ce protocole.
1. sécurité et formation des sujets
<ol><li>Obtenir le consentement écrit et éclairé du sujet. Décrivez les risques potentiels présentés par l’exposition à des champs magnétiques en évolution rapide, et l’inconfort potentiel de l’utilisation du masque facial et de la respiration des gaz secs.</li>
	<li>Assurez-vous que le sujet peut subir un balayage MR en toute sécurité, en utilisant le questionnaire de dépistage de la sécurité IRM approuvé localement.</li>
	<li>Si le sujet est une femme en âge de procréer, et incertain de son statut de grossesse, demandez-lui d’administrer un test de grossesse en vente libre. Si le sujet est enceinte, exclure le sujet du reste de l’étude.</li>
	<li>Mesurez le poids du sujet. Les paramètres de sécurité du scanner qui limitent la quantité d’énergie de radiofréquence (RF) livrée au sujet exigent l’entrée de cette caractéristique. Vérifiez que le poids du sujet est inférieur à la limite de poids maximale de la table d’IRM (dans ce cas, 136 kg).</li>
	<li>Entraînez le sujet à respirer dans le temps avec la séquence de balayage MR. De préférence, lisez un enregistrement audio d’une analyse précédente et demandez au sujet de respirer normalement et terminez un souffle tous les 5 s, en utilisant les signaux audio du scanner comme guide; respirer en même temps que le sujet à des fins de formation.</li>
	<li>Déterminez la taille du masque (tailles allant de petite à extra-large [XL]) qui correspond le mieux au sujet en mesurant les dimensions de nez à menton du sujet. Un masque de taille appropriée s’adaptera confortablement encore empêchera l’air de fuir entre le masque et la peau du sujet à tout moment. Essayez d’autres tailles si nécessaire.</li>
	<li>Vérifiez que les poches et les vêtements du sujet sont exempts de cartes de crédit magnétiques et de pièces métalliques contenant du fer. Si nécessaire, faire changer le sujet dans la blouse médicale fournie par l’installation d’IRM. Remarque: Le métal peut être dangereux dans l’environnement d’IRM, et les objets métalliques tels que les clips (généralement dans les soutiens-gorge), les bagues en métal (soutiens-gorge et Sweats à capuche), les boutons en métal ou les fermetures éclair (chemises, chandails), les extensions de cheveux et les perruques ont le potentiel de créer des artefacts d’imagerie.</li>
</ol>2. préparation de l’environnement IRM
<ol><li>N’autorisez le personnel formé à la sécurité IRM qu’aux normes de l’installation d’imagerie à pénétrer dans la salle du scanner ou à participer à l’exécution de cette expérience.</li>
	<li>Configurez le scanner MR pour l’utiliser avec une bobine de torse en connectant la bobine au connecteur approprié dans la table du scanner.</li>
	<li>Préparez la table du scanner avec des draps, des tampons et des oreillers pour que le sujet soit à l’aise pendant au moins 30 min pendant l’imagerie.</li>
	<li>
Assembler le système de distribution d’oxygène. Remarque: un schéma schématique de la tubulure est présenté à la figure 2.<ol>
<li>Placez une vanne de commutation à deux ou trois voies à portée de l’opérateur du scanneur ou de la personne effectuant l’expérience SVI.</li>
		<li>Raccordez soit le réservoir d’oxygène médical (à l’extérieur de la salle du scanner), soit l’alimentation de la paroi d’oxygène (si disponible) à une entrée de la vanne de commutation à l’aide d’un tube en plastique de 1/4 de pouce.</li>
		<li>Raccorder la sortie de la vanne de commutation située dans la salle de commande à la tubulure de 8 m (longueur suffisante pour le scanneur) 1/4-inch en plastique. Faire passer le tube à travers le passage, de la salle de contrôle à la salle du scanner, et s’assurer qu’il atteindra le milieu de l’alésage du scanneur. Remarque: Le tube en plastique reliant la sortie de la vanne de commutation au masque de dérivation de débit comprenait une étape de diamètre dans les 2 derniers m, de 1/4 pouce à 3/8 pouce à 1/2 pouce, afin de diminuer le bruit produit par l’air circulant dans le système de dérivation de débit.</li>
		<li>Raccordez l’extrémité de la tubulure de 1/2 pouce à la pièce jointe du masque de dérivation de débit.</li>
		<li>Fixez l’accessoire de dérivation de débit au masque qui correspond au sujet.</li>
		<li>Réglez la pression sur le régulateur du réservoir de gaz ou de la prise murale sur une valeur qui produit un débit d’oxygène supérieur au débit inspiratoire maximal attendu. La pression nécessaire dépend de la nature de l’étude (repos, exercice, etc.) et de la résistance globale du système de distribution de gaz (typiquement ~ 70 psi pour le système de livraison décrit à l’étape 2.4.3 pour les études au repos).</li>
		<li>Testez la vanne de commutation en activant le débit d’oxygène, en veillant à ce qu’un écoulement adéquat soit présent à la sortie de l’accessoire de dérivation de débit et qu’aucune fuite ne soit présente dans le tube en plastique.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. instrumenter et préparer le sujet pour l’imagerie
<ol><li>Que le sujet se trouve sur la table IRM. Assurez-vous que le haut de l’élément de la bobine inférieure fournit une couverture adéquate des apex pulmonaires, en veillant à ce que le haut de l’élément de la bobine inférieure soit plus élevé que les épaules du sujet.</li>
	<li>Demandez au sujet d’insérer des bouchons d’oreille et vérifiez que le son est bloqué.</li>
	<li>Collez la boule de compression (ou un autre mécanisme de sécurité) au poignet du sujet afin qu’il puisse être facilement accessible.</li>
	<li>Fixez le masque et le système de dérivation de flux au visage du sujet. Occlure brièvement le côté expiratoire de l’attachement de dérivation de débit et demandez au sujet de tenter une inspiration normale et l’expiration pour vérifier les fuites.</li>
	<li>Placez le sujet dans le scanneur, en utilisant l’outil de centrage de lumière pour vous assurer que la bobine du torse occupe le centre de l’alésage.</li>
	<li>Raccordez la ligne de dérivation de débit à la fixation du masque de dérivation imprimée en 3D à l’aide de l’écrou en laiton étanche à l’entrée.</li>
</ol>4. imagerie IRM
<ol><li>
Sélectionnez l’emplacement anatomique des tranches d’imagerie.
	<ol>
<li>Procurez-vous une séquence d’alignement pour obtenir une carte anatomique qui servira à prescrire le reste de l’examen.</li>
		<li>Sélectionnez jusqu’à 4 tranches de poumon sagittal à étudier en cliquant et en faisant glisser la tranche d’imagerie à l’emplacement désiré à l’aide de l’interface utilisateur graphique du scanneur. En règle générale, le champ de vision est réglé sur 40 x 40 cm et l’épaisseur de tranche à 1,5 cm. Sélectionnez des tranches centrées dans le champ pulmonaire ciblant la région d’intérêt pour l’étude, minimisant généralement l’intrusion de grands vaisseaux pulmonaires en milieu et la paroi thoracique latéralement à maximiser le volume pulmonaire échantillonné. Remarque: La sélection de tranches peut être effectuée dans n’importe quel plan; jusqu’à 4 tranches peuvent être sélectionnées. Aux fins de démonstration, une tranche sera acquise.</li>
		<li>Notez l’emplacement des tranches d’imagerie par rapport à l’emplacement de la colonne vertébrale de sorte que le même volume puisse être réimagé pour des études longitudinales.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Imagerie de ventilation spécifique Remarque: une liste de paramètres IRM typiques est présentée dans le tableau 1.<ol>
<li>Réglez le temps d’inversion dans l’ordinateur MR pour la tranche la plus médiale à 1 100 ms pour maximiser le contraste air-oxygène17.</li>
		<li>Définissez les paramètres d’acquisition (tableau 1) pour l’acquisition d’images. Pour l’acquisition de tranches multiples, chaque tranche supplémentaire est acquise après la première, à des intervalles de 235 ms (1 335 ms, 1 570 ms, 1 805 ms). Remarque: Après l’impulsion de récupération d’inversion et un intervalle de temps (décrit par le temps d’inversion), chaque image de tranche est acquise à l’aide d’un spin-Echo de demi-Fourier à un seul coup Turbo (hâte), à 128 x 128 résolution (70-lignes de k-Space échantillonnées); les images sont reconstruites à 256 x 256 résolution.</li>
		<li>Réglez le nombre de répétitions à 220 et le temps de répétition (TR) à 5 s. Cela se traduira par la répétition 4.2.1 et 4.2.2 pour un total de 220 respirations consécutives, 5 s à part. Demandez au sujet de se faire volontairement la respiration dans le temps avec l’acquisition d’image. Remarque: Les images sont acquises à la fin d’une expiration normale dans une courte interruption volontaire de respiration à la capacité résiduelle fonctionnelle (FRC). Il est important qu’un volume pulmonaire similaire soit atteint uniformément au cours de chacune de ces acquisitions consécutives.</li>
		<li>Surveillez la cohérence du volume pulmonaire du sujet (expiration finale) lors des acquisitions ultérieures et fournissez des commentaires pour améliorer la qualité si nécessaire. Augmenter TR (intervalle de temps entre les acquisitions successives) si le sujet trouve difficile d’atteindre un volume pulmonaire cohérent tous les 5 s.</li>
		<li>Changez le mélange de gaz inspiré du sujet toutes les 20 respirations (pendant la prise d’haleine d’acquisition pour le confort du sujet), alternant entre l’air de la pièce et l’oxygène médical. Notez quand les interrupteurs se sont produits, et les intervalles pendant lesquels le sujet respirait chaque gaz. Laisser le sujet à respirer 100% d’oxygène pour 40 respirations consécutives à un moment donné de l’expérience (généralement des respirations 20-60 ou 180-220) pour augmenter la sensibilité aux régions pulmonaires à faible ventilation.</li>
		<li>Vérifier régulièrement la fréquence cardiaque (40 − 80 pour les sujets normaux au repos) et la saturation en oxygène (typiquement 98 − 100%) en regardant l’oxymètre de pouls (figure 2); les écarts par rapport à la norme peuvent signaler la détresse ou l’anxiété.</li>
		<li>Parlez fréquemment au sujet en appuyant sur le bouton Push-to-Talk du clavier du scanneur, en donnant régulièrement des mises à jour du temps restant.</li>
		<li>Après le souffle 220, l’imagerie est terminée. Retournez le sujet à l’air de la pièce et retirez-le du scanner.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. création d’une carte de ventilation spécifique à partir d’une série temporelle d’images
<ol><li>Vérifiez qu’une pile de 220 images MR consécutives pour chaque tranche pulmonaire a été acquise.</li>
	<li>Importez les images à enregistrer dans le logiciel d’analyse d’image (par exemple, MATLAB).</li>
	<li>Parmi les 220 images, choisissez, par inspection visuelle de la pile d’images entière, pour chaque tranche qui représente le mieux la capacité résiduelle fonctionnelle. La capacité résiduelle fonctionnelle est identifiée comme le «mode» des volumes pulmonaires dans la pile.</li>
	<li>En utilisant l’image "mode" comme référence, utilisez l’enregistrement projective ou affine pour enregistrer toutes les images dans la référence fonctionnelle de la capacité résiduelle. Remarque: L’enregistrement est généralement effectué à l’aide d’un algorithme développé dans la maison18 ou un algorithme de point le plus proche itératif de bootstrap généralisé-Dual public-available (gdb-ICP19).</li>
	<li>Utilisez la sortie de l’algorithme d’enregistrement pour calculer le changement de zone de chaque image. Jetez les images dont l’étape d’enregistrement a exigé > 10% de zone changent de la pile d’image, et traitez-les comme données manquantes20.</li>
	<li>Quantifier la ventilation spécifique dans le poumon de la pile enregistrée en utilisant un algorithme développé dans la maison1,7. Effectuer la quantification en comparant la réponse temporelle de chaque voxel à la série de lavage et de lavage à l’oxygène consécutive, à une bibliothèque de 50 réponses simulées, sans bruit, correspondant à des ventilations spécifiques allant de 0,01 à 10, par incréments de 15%. Chaque voxel se voit attribuer une valeur de ventilation spécifique correspondant à la ventilation spécifique de l’idéal simulé présentant une corrélation maximale avec les séries chronologiques de chaque voxel, comme présenté à l’origine dans1.</li>
	<li>La sortie de l’étape précédente est une carte de ventilation spécifique. Créer un histogramme de la distribution, et calculer la largeur de la distribution de ventilation spécifique, une mesure de l’hétérogénéité de ventilation spécifique, indépendamment du volume de marée.</li>
</ol>6. combiner des cartes de ventilation et de densité spécifiques pour calculer la ventilation alvéolaire régionale
<ol><li>En plus de la SVI, acquérir des images de densité de protons du poumon21, comme décrit dans une étude précédente22 (sections 4,4 et 5,1 dans la référence22). Obtenir les images de densité de protons dans la ou les mêmes tranches pulmonaires, au même volume pulmonaire (FRC, fin d’une expiration normale); Réglez la résolution sur 64 x 64, ce qui correspond à une taille de voxel de ~ 6,3 mm x 6,3 mm x 15 mm (~ 0,6 cm3).</li>
	<li>
Alignez les images spécifiques de ventilation et de densité de protons.
	<ol>
<li>Lisser à la fois les images spécifiques de ventilation et de densité de protons à l’aide d’un filtre gaussien d’une taille de noyau de ~ 1 cm3.</li>
		<li>Effectuer un enregistrement rigide (translation et rotation) entre la carte de ventilation spécifique et la carte de densité à l’aide d’un algorithme basé sur l’information mutuelle.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Calculez la ventilation alvéolaire à partir de données de ventilation spécifiques co-enregistrées et de densité de protons.
	<ol>
<li>Calculer une carte de (1-densité), qui est la fraction de l’air dans le volume échantillonné à la fin d’une expiration normale, en supposant que le poumon est composé d’air et de tissus et que la densité tissulaire est ~ 1 g/cm3.</li>
		<li>Calculez une carte de ventilation régionale en tant que produit (1-Density) x SV (unités naturelles). Multiplier ce produit par le volume d’un voxel (ou d’une autre région d’intérêt) et la fréquence respiratoire (imposée, typiquement 12 respirations/min), pour obtenir une carte de ventilation dans les unités plus familières de ml/min. Remarque: Pour chaque région pulmonaire, SV = ΔV/V0 et (1 – densité) ≈ v0. Ainsi, le produit (1-Density) x SV = ventilation régionale, exprimée en unités naturelles.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Sá, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vertical+distribution+of+specific+ventilation+in+normal+supine+humans+measured+by+oxygen-enhanced+proton+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Vertical distribution of specific ventilation in normal supine humans measured by oxygen-enhanced proton MRI.</a> Journal of Applied Physiology. 109 (6), 1950-1959 (2010).</li>
<li>Henderson, A. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+gravitational+distribution+of+ventilation-perfusion+ratio+is+more+uniform+in+prone+than+supine+posture+in+the+normal+human+lung%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">The gravitational distribution of ventilation-perfusion ratio is more uniform in prone than supine posture in the normal human lung.</a> Journal of Applied Physiology. 115 (3), 313-324 (2013).</li>
<li>Geier, E. T., Neuhart, I., Theilmann, R. J., Prisk, G. K., Sá, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+persistence+of+reduced+specific+ventilation+following+methacholine+challenge+in+the+healthy+human+lung%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Spatial persistence of reduced specific ventilation following methacholine challenge in the healthy human lung.</a> Journal of Applied Physiology. 124 (5), 1222-1232 (2018).</li>
<li>Tedjasaputra, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+heterogeneity+of+regional+specific+ventilation+is+unchanged+following+heavy+exercise+in+athletes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">The heterogeneity of regional specific ventilation is unchanged following heavy exercise in athletes.</a> Journal of Applied Physiology. 115 (1), 126-135 (2013).</li>
<li>Fowler, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lung+Function+Studies.+III.+Uneven+Pulmonary+Ventilation+in+Normal+Subjects+and+in+Patients+with+Pulmonary+Disease%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Lung Function Studies. III. Uneven Pulmonary Ventilation in Normal Subjects and in Patients with Pulmonary Disease.</a> Journal of Applied Physiology. 2 (6), 283-299 (1949).</li>
<li>Robertson, J. S., Siri, W. E., Jones, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lung+ventilation+patterns+determined+by+analysis+of+nitrogen+elimination+rates%3B+use+of+mass+spectrometer+as+a+continuous+gas+analyzer%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Clinical+Investigation%22%5BJournal%5D)">Lung ventilation patterns determined by analysis of nitrogen elimination rates; use of mass spectrometer as a continuous gas analyzer.</a> Journal of Clinical Investigation. 29 (5), 577-590 (1950).</li>
<li>Sá, R. C., Asadi, A. K., Theilmann, R. J., Hopkins, S. R., Prisk, G. K., Darquenne, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Validating+the+distribution+of+specific+ventilation+in+healthy+humans+measured+using+proton+MR+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Validating the distribution of specific ventilation in healthy humans measured using proton MR imaging.</a> Journal of Applied Physiology. 116 (8), 1048-1056 (2014).</li>
<li>Musch, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Topographical+distribution+of+pulmonary+perfusion+and+ventilation%2C+assessed+by+PET+in+supine+and+prone+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Topographical distribution of pulmonary perfusion and ventilation, assessed by PET in supine and prone humans.</a> Journal of Applied Physiology. 93 (5), 1841-1851 (2002).</li>
<li>Venegas, J. G., Schroeder, T., Harris, R. S., Winkler, R. T., Melo, M. F. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+distribution+of+ventilation+during+bronchoconstriction+is+patchy+and+bimodal%3A+a+PET+imaging+study%5BTitle%5D)+AND+%22Respiratory+Physiology+%26+Neurobiology%22%5BJournal%5D)">The distribution of ventilation during bronchoconstriction is patchy and bimodal: a PET imaging study.</a> Respiratory Physiology & Neurobiology. 148 (1-2), 57-64 (2005).</li>
<li>Orphanidou, D., Hughes, J. M., Myers, M. J., Al-Suhali, A. R., Henderson, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tomography+of+regional+ventilation+and+perfusion+using+krypton+81m+in+normal+subjects+and+asthmatic+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Thorax%22%5BJournal%5D)">Tomography of regional ventilation and perfusion using krypton 81m in normal subjects and asthmatic patients.</a> Thorax. 41 (7), 542-551 (1986).</li>
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<li>Arai, T. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+Resonance+Imaging+Quantification+of+Pulmonary+Perfusion+using+Calibrated+Arterial+Spin+Labeling%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Magnetic Resonance Imaging Quantification of Pulmonary Perfusion using Calibrated Arterial Spin Labeling.</a> Journal of Visualized Experiments. 51 (51), e2712(2011).</li>
<li>Lewis, S. M., Evans, J. W., Jalowayski, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+Distributions+of+Specific+Ventilation+Recovered+From+Inert-Gas+Washout%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Continuous Distributions of Specific Ventilation Recovered From Inert-Gas Washout.</a> Journal of Applied Physiology. 44 (3), 416-423 (1978).</li>
<li>Cook, F. R., Geier, E. T., Asadi, A. K., Sá, R. C., Prisk, G. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+Prototyping+of+Inspired+Gas+Delivery+System+for+Pulmonary+MRI+Research%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+and+Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Rapid Prototyping of Inspired Gas Delivery System for Pulmonary MRI Research.</a> 3D Printing and Additive Manufacturing. 2 (4), 196-203 (2015).</li>
<li>Zapol, W. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pulmonary+Delivery+of+Therapeutic+and+Diagnostic+Gases%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Aerosol+Medicine+and+Pulmonary+Drug+Delivery%22%5BJournal%5D)">Pulmonary Delivery of Therapeutic and Diagnostic Gases.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 78-87 (2018).</li>
<li>Kang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+silico+modeling+of+oxygen-enhanced+MRI+of+specific+ventilation%5BTitle%5D)+AND+%22Physiological+Reports%22%5BJournal%5D)">In silico modeling of oxygen-enhanced MRI of specific ventilation.</a> Physiological Reports. 6 (7), e13659(2018).</li>
</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

L’imagerie de ventilation spécifique permet la cartographie quantitative de la répartition spatiale de la ventilation spécifique dans le poumon humain. Des alternatives à la SVI existent mais sont limitées d’une manière ou d’une autres: le lavage à respiration multiple fournit une mesure d’hétérogénéité mais manque d’information spatiale23. Des méthodes d’imagerie alternatives exposent les patients à des rayonnements ionisants (p. ex. SPECT, PET, CT, scintigraphie gamma) ou ne sont pas largement d...

L’objectif global de l’imagerie de ventilation spécifique (SVI) ― une technique d’imagerie par résonance magnétique à protons (IRM) qui utilise l’oxygène comme agent de contraste1 ― est de cartographier quantitativement la ventilation spécifique dans le poumon humain. La ventilation spécifique est le rapport du gaz frais livré à une région pulmonaire dans une respiration divisée par le volume expiratoire final de la même région pulmonaire1. En conjonction avec les mesures de la densité pulmonaire locale, une ventilation spécifique peut être utilisée pour calculer la ventilation régionale2. Les mesures de l’hétérogénéité de la ventilation et de la ventilation locales qui sont fournies par le SVI ont le potentiel d’enrichir la compréhension de la façon dont les fonctions pulmonaires, normalement et anormalement3,4.
L’imagerie de ventilation spécifique est une extension du test de physiologie classique, le lavage à respiration multiple (MBW), une technique introduite pour la première fois dans les années 19505,6. Les deux techniques utilisent le Washin/washout de gaz pour mesurer l’hétérogénéité d’une ventilation spécifique, mais le SVI fournit des informations spatialement localisées tandis que MBW ne fournit que des mesures globales d’hétérogénéité. Dans MBW, un spectromètre de masse est utilisé pour mesurer la concentration expirée mélangée d’un gaz insoluble (azote, hélium, hexafluorure de soufre, etc.) sur de nombreuses respirations au cours d’un lavage de ce gaz, comme illustré à la figure 1. Avec le volume expiré par respiration pendant la période de lavage, cette information peut être utilisée pour calculer la distribution globale d’une ventilation spécifique dans le poumon. Dans SVI, un scanner d’IRM est utilisé pour mesurer le signal pondéré T1― qui est un substitut de la quantité d’oxygène en solution dans le tissu pulmonaire, un indicateur direct de la concentration locale d’oxygène ― dans chaque voxel pulmonaire sur de nombreuses respirations pendant plusieurs Washin/washouts d’oxygène. D’une manière qui est directement analogue à MBW, cette information nous permet de calculer la ventilation spécifique de chaque voxel pulmonaire. En d’autres termes, la technique effectue des milliers d’expériences de genre MBW parallèles, une pour chaque voxel, lors d’une expérience SVI. En effet, les cartes spatiales de ventilation spécifique ainsi produites peuvent être compilées pour récupérer l’hétérogénéité de ventilation spécifique de MBW. Une étude de validation7 a montré que les deux méthodologies produisaient des résultats comparables lorsqu’elles étaient exécutées en série sur les mêmes sujets.
Il existe d’autres modalités d’imagerie qui, comme le SVI, fournissent des mesures spatiales d’hétérogénéité de ventilation. Tomographie par émission de positrons (PET)8,9, tomodensitométrie à un seul photon (SPECT)10,11et IRM de gaz hyperpolarisée12,13 techniques ont été utilisées pour créer un corpus substantiel de littérature concernant le modèle spatial de ventilation chez les sujets sains et anormaux. En général, ces techniques ont au moins un avantage distinct par rapport au SVI, en ce que leur rapport signal/bruit est typiquement plus élevé. Cependant, chaque technique présente également un désavantage caractéristique: le PET et le SPECT impliquent une exposition aux rayonnements ionisants, et l’IRM hyperpolarisée nécessite l’utilisation d’un gaz hyperpolarisé hautement spécialisé et d’un scanner MR avec un matériel multinucléi non standard.
SVI, une technique de proton-IRM, utilise typiquement 1,5 Tesla MR matériel avec de l’oxygène inhalé comme un agent de contraste (les deux éléments sont facilement disponibles dans les soins de santé), ce qui rend potentiellement plus généralisables à l’environnement clinique. Le SVI tire parti du fait que l’oxygène raccourcit le temps de relaxation longitudinal (T1) des tissus pulmonaires1, ce qui à son tour se traduit par une modification de l’intensité du signal dans une image pondérée en T1. Ainsi, les changements dans la concentration de l’oxygène inspiré induisent un changement dans l’intensité du signal des images IRM correctement chronométrées. Le taux de ce changement à la suite d’un changement brusque de la concentration d’oxygène inspirée, généralement de l’air et de 100% d’oxygène, reflète la vitesse à laquelle le gaz résident est remplacé par le gaz inhalé. Ce taux de remplacement est déterminé par une ventilation spécifique.
Comme le SVI ne comporte aucun rayonnement ionisant, il n’a aucune contre-indication pour les études longitudinales et interventionnelles qui suivent les patients au fil du temps. Ainsi, il est idéalement adapté pour étudier la progression de la maladie ou évaluer la façon dont les patients individuels réagissent au traitement. En raison de sa facilité relative et de sa répétabilité sûre, l’imagerie de ventilation spécifique est, en général, une technique idéale pour ceux qui souhaitent étudier de grands effets et/ou un grand nombre de personnes dans le temps ou dans plusieurs endroits cliniques différents.
Suite à la publication originale décrivant la technique1, l’imagerie de ventilation spécifique (SVI) a été utilisée dans des études axées sur l’effet de la perfusion saline rapide, de la posture, de l’exercice et de la bronchoconstriction2,3 , le 4 , le 14 , 15. la capacité de la technique à estimer l’hétérogénéité pulmonaire totale de la ventilation spécifique a été validée en utilisant le test de lavage à respiration multiple bien établi7 et plus récemment, une validation croisée régionale a été réalisée, par Comparaison de l’imagerie de ventilation spécifique au gaz à respiration multiple SVI et hyperpolarisée16. Cette technique fiable et facilement déployable, capable de cartographier quantitativement la ventilation spécifique dans le poumon humain, a le potentiel de contribuer significativement à la détection précoce et au diagnostic des maladies respiratoires. Il présente également de nouvelles possibilités de quantifier les anomalies pulmonaires régionales et de suivre les changements induits par le traitement. Ces changements dans la fonction pulmonaire spécifique à la région, que SVI nous permet de mesurer pour la première fois, ont le potentiel de devenir des biomarqueurs pour évaluer l’impact des médicaments et des thérapies inhalées, et pourrait être un outil extrêmement utile dans les essais cliniques.
Le but de cet article est de présenter la méthodologie de l’imagerie de ventilation spécifique en détail et sous une forme visuelle, contribuant ainsi à la diffusion de la technique à plus de centres.

<table><tbody><tr>Système <td></td><td></td><td></td><td>de dérivation de flux imprimé en 3D</td></tr><tr><td>Masque facial</td><td>Hans Rudolph</td><td></td><td>série 7400 Masque oro-nasal, différentes tailles</td></tr><tr><td>Régulateur</td><td></td><td></td><td></td>de gaz/oxygène</tr><tr><td>Casque de masque</td><td>Hans Rudolph</td><td></td><td>7400 compatible</td></tr><tr><td>Logiciel d’analyse Matlab</td><td>Mathworks</td><td></td><td>développé localement</td></tr><tr><td>Médical oxygène</td><td>Air Liquide/Linde</td><td></td><td>Oxygène à livrer au sujet</td></tr><tr><td>IRM</td><td>GE healthcare</td><td></td><td>1,5 T GE HDx Excite scanner à deux vitesses</td></tr><tr><td>Tubes</td><td></td><td></td> en plastique<td>&frac14 ; « , 3/8 » et 1/2" tubes et connecteurs</td></tr><tr><td>Oxymètre de pouls</td><td>Nonin</td><td></td><td>7500 FO (compatible MR)</td></tr><tr><td>Vanne</td><td></td><td></td><td></td>de commutation</tr><tr><td>Bobine de torse</td><td>GE healthcare</td><td></td><td>Bobine de torse à gain élevé pour scanner GE</td></tr></tbody></table>

cartographie quantitative de la ventilation spécifique dans le poumon humain utilisant l’imagerie par résonance magnétique de proton et l’oxygène comme agent de contraste

Quantitative Mapping of Specific Ventilation in the Human Lung using Proton Magnetic Resonance Imaging and Oxygen as a Contrast Agent

L’imagerie de ventilation spécifique (SVI) est une technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle capable de quantifier la ventilation spécifique ― le ratio du gaz frais entrant dans une région pulmonaire divisée par le volume expiratoire de la région ― dans le poumon humain, en utilisant seulement l’oxygène inhalé comme agent de contraste. La quantification régionale de la ventilation spécifique a le potentiel d’aider à identifier les zones de la fonction pulmonaire pathologique. L’oxygène en solution dans le tissu raccourcit le temps de relaxation longitudinal du tissu (T1), et donc un changement dans l’oxygénation tissulaire peut être détecté comme un changement dans le signal pondéré T1avec une récupération d’inversion image acquise. À la suite d’un changement brusque entre deux concentrations d’oxygène inspiré, la vitesse à laquelle le tissu pulmonaire à l’intérieur d’un voxel est équilibré à un nouvel état d’équilibre reflète la vitesse à laquelle le gaz résident est remplacé par du gaz inhalé. Ce taux est déterminé par une ventilation spécifique. Pour susciter ce changement soudain dans l’oxygénation, les sujets respirent alternativement 20-souffle blocs d’air (21% d’oxygène) et 100% d’oxygène dans le scanner d’IRM. Un changement progressif de la fraction d’oxygène inspirée est obtenu par l’utilisation d’un système de dérivation de débit imprimé en trois dimensions (3D) avec un commutateur manuel pendant une courte attente d’expiration expiratoire. Pour détecter la variation correspondante de T1, une impulsion d’inversion globale suivie d’une séquence d’écho de spin rapide à un seul coup a été utilisée pour acquérir des images pondérées en t1à deux dimensions dans un scanner IRM 1,5 t, à l’aide d’une bobine de torse à huit éléments. Une seule tranche et une imagerie à plusieurs tranches sont possibles, avec des paramètres d’imagerie légèrement différents. La quantification de la ventilation spécifique est obtenue en corréler le temps-cours de l’intensité du signal pour chaque voxel pulmonaire avec une bibliothèque de réponses simulées au stimulus air/oxygène. Les estimations de SVI de l’hétérogénéité spécifique de la ventilation ont été validées par rapport aux multiples lavées à l’haleine et ont prouvé avec précision l’hétérogénéité de la répartition spécifique de la ventilation.

Une seule tranche de SVI dans un sujet sain L’imagerie de ventilation spécifique produit des cartes quantitatives de ventilation spécifique, comme le montre la figure 3A, qui représente une seule tranche dans le poumon droit d’une femelle en bonne santé de 39 ans. Noter la présence du gradient vertical attendu dans une ventilation spécifique; la portion dépendante du poumon présente une ventilation spécifique plus élevée que la portion non dépendante d...

L’imagerie de ventilation spécifique est une technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle qui permet de quantifier la ventilation spécifique régionale dans le poumon humain, en utilisant l’oxygène inhalé comme agent de contraste. Ici, nous présentons un protocole pour collecter et analyser des données spécifiques d’imagerie de ventilation.

Cartographie quantitative de la ventilation spécifique dans le poumon humain utilisant l’imagerie par résonance magnétique de proton et l’oxygène comme agent de contraste

Specific ventilation imaging (SVI) is a functional magnetic resonance imaging technique capable of quantifying specific ventilation &#8213; the ratio of ...

L’imagerie par ventilation spécifique, ou IVS, est une technique qualitative d’imagerie pulmonaire qui nous aidera à mieux comprendre notre compréhension fondamentale de la physiologie et de la prise en charge des maladies respiratoires. SVI est exempt de radiations et ne nécessite que de l’équipement couramment disponible, un scanner IRM et de l’oxygène médical. Cela le rend sûr pour les enfants et idéal pour les études répétées chez les adultes.La traduction de l’IVS à la pratique clinique peut améliorer la prise en charge de l’asthme, car elle nous permettra d’identifier les régions les plus touchées par la maladie. La capacité de cartographier les changements dans le poumon en réponse à la thérapie peut aider à optimiser la thérapie inhalée et à éclairer les choix thérapeutiques individualisés. Vincent Tedjasaputra, boursier postdoctoral au Département de médecine, aide à démontrer cette procédure.Commencez la procédure, obtenez le consentement éclairé écrit du sujet et décrivez les risques potentiels présentés par l’exposition à des champs magnétiques en évolution rapide et l’inconfort potentiel d’utiliser un masque facial et de respirer du gaz sec. Confirmez que le sujet peut subir en toute sécurité un balayage par résonance magnétique à l’aide du questionnaire d’imagerie par résonance magnétique ou de dépistage de l’IRM approuvé localement. Entraînez le sujet à respirer dans le temps avec la séquence de balayage mr et mesurez les dimensions du nez au menton du sujet pour déterminer la taille du masque facial qui s’adaptera le mieux au sujet.Vérifiez ensuite que les poches et les vêtements du sujet sont exempts de cartes de crédit à base magnétique et de pièces métalliques contenant du fer. Pour préparer le scanner MR, connectez une bobine de torse au connecteur approprié dans la table du scanner pour configurer le scanner pour l’utilisation et placez des draps, des tampons et des oreillers sur la table du scanner afin que le sujet soit à l’aise pendant au moins 30 minutes d’imagerie. Pour assembler le système de distribution d’oxygène, placez une soupape d’aiguillage dans les deux sens à la portée de l’opérateur du scanner et utilisez un tube en plastique de huit mètres de longueur d’un quart de pouce de diamètre pour connecter l’alimentation en oxygène à une entrée de la valve d’aiguillage.Connectez la sortie de la vanne d’aiguillage dans la salle de commande au tube en plastique d’un quart et alimentez le tube à travers le passage de la salle de commande à la salle de scanner en prenant soin que le tube atteigne le milieu de l’alésage du scanner. Fixez l’attache de dérivation d’écoulement au masque facial pour le sujet. Connectez l’extrémité en laiton d’un demi-pouce du tube à la fixation du masque de dérivation d’écoulement.Réglez la pression sur le régulateur de sortie d’approvisionnement en oxygène à une valeur qui produit un flux d’oxygène supérieur au débit inspiratoire de pointe prévu selon la nature de l’étude et la résistance globale du système de livraison de gaz. Activez ensuite l’écoulement de l’oxygène pour tester la vanne d’aiguillage, en vous assurant qu’un débit adéquat est présent à la sortie de la fixation du pontage d’écoulement et qu’aucune fuite n’est présente dans le tube en plastique. Pour préparer le sujet à l’imagerie, faites en sorte que le sujet se trouve sur la table du scanner en s’assurant que le dessus de l’élément de bobine inférieure est plus haut que les épaules du sujet pour s’assurer que le dessus de l’élément de bobine inférieure fournit une couverture adéquate des apices pulmonaires.Que le sujet insère des bouchons d’oreille et vérifie que le son est bloqué. Collez un mécanisme de sécurité au poignet du sujet afin qu’il puisse être facilement accessible et fixez le masque et le système de dérivation d’écoulement au visage du sujet. Occlusez brièvement le côté expiratory de la pièce jointe de déviation de flux et demandez au sujet de tenter une inspiration et une expiration normales pour vérifier les fuites.Maintenant, chargez le sujet dans le scanner à l’aide de l’outil de centrage de la lumière pour s’assurer que la bobine de torse occupe le centre de l’alésage et guider la ligne de dérivation d’écoulement pour assurer le confort du sujet tout en déplaçant le sujet vers le centre du scanner. Après avoir choisi l’emplacement pulmonaire pour les tranches d’imagerie, acquérir une séquence de localisation pour obtenir une carte anatomique qui sera utilisée pour prescrire le reste de l’examen. Utilisez l’interface utilisateur graphique du scanner pour cliquer et faire glisser la tranche d’imagerie centrée dans le champ pulmonaire ciblant la région d’intérêt à l’endroit désiré pour sélectionner jusqu’à quatre tranches pulmonaires sagittales à étudier.Notez ensuite l’emplacement des tranches d’imagerie en ce qui concerne l’emplacement de la colonne vertébrale afin que le même volume puisse être re-imaged pour les études longitudinales. Pour une imagerie de ventilation spécifique, réglez le temps d’inversion dans l’ordinateur MR pour la tranche la plus médiale à 1100 millisecondes au maximum le contraste de l’oxygène de l’air, le nombre de répétitions à 220, et le temps de répétition à cinq secondes. Surveillez l’uniformité du volume pulmonaire et de l’expiration du sujet lors d’acquisitions subséquentes et fournissez des commentaires pour améliorer la qualité si nécessaire.Changez le mélange de gaz inspiré du sujet toutes les 20 respirations pendant la prise de souffle d’acquisition pour le confort du sujet, alternant entre l’air de la pièce et l’oxygène médical. Vérifiez régulièrement l’oxymètre d’impulsion pour vérifier la fréquence cardiaque et la saturation en oxygène et vérifiez fréquemment avec le sujet pour donner des mises à jour régulières du temps restant. Après souffle 220, l’imagerie est complète.Retournez le sujet à l’air de la pièce et retirez-le du scanner. Pour créer une carte de ventilation spécifique, importez les images pour l’enregistrement dans le logiciel d’analyse d’image et inspectez visuellement l’ensemble de la pile d’images de 220 pour sélectionner l’image pour chaque tranche qui représente le mieux la capacité résiduelle fonctionnelle. En utilisant l’image de mode comme référence, utilisez le projectif ou un enregistrement fin pour enregistrer toutes les images à la référence fonctionnelle de capacité résiduelle et quantifier la ventilation spécifique dans le poumon à partir de la pile enregistrée à l’aide d’un algorithme approprié.Une carte de la ventilation spécifique sera créée. SVI produit des cartes quantitatives de ventilation spécifique, par exemple comme le montre cette seule tranche d’image dans le poumon droit d’une femme en bonne santé de 39 ans. Notez la présence du gradient vertical prévu dans la ventilation spécifique, la partie dépendante du poumon présentant une ventilation spécifique plus élevée que la partie non dépendante du poumon.Un histogramme des valeurs de ventilation spécifiques de la carte avec une fonction de distribution normale de probabilité de journal de meilleur ajustement permet d’utiliser la largeur de la meilleure distribution d’ajustement comme mesure de l’hétérogénéité spécifique de ventilation. Ici, un lavage de souffle multiple acquis dans le même sujet dans la même posture est montré. L’enregistrement temporel de la concentration d’azote a été mesuré à la bouche après un passage de l’air inspiré à l’oxygène inspiré à 100%.Dans cette répartition de la ventilation spécifique, estimée à partir du lavage pour l’imagerie de ventilation spécifique et le lavage multiple de l’haleine, la largeur de la distribution s’est trouvée dans une fourchette normale saine. Former les sujets à respirer à temps avec le scanner et leur donner des commentaires lors de l’acquisition peut aider à assurer des données de bonne qualité. Combiné avec des mesures de densité et de perfusion, SVI peut être utilisé pour cartographier le rapport local de ventilation à la perfusion et la mesure de l’efficacité de l’échange de gaz.Cette technique a été employée pour comprendre la distribution de la ventilation après exercice laborieux et un panneau spécial de restriction bronchique répétée dans l’asthme. L’environnement IRM exige une attention à la sécurité car un fort champ magnétique est toujours en place et les objets ferrrommagnétiques peuvent devenir des projectiles entraînant des blessures.

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Cartographie quantitative de la ventilation spécifique dans le poumon humain utilisant l’imagerie par résonance magnétique de proton et l’oxygène comme agent de contraste (Vidéo) | JoVE Journal

Cartographie quantitative de la ventilation spécifique dans le poumon humain utilisant l’imagerie par résonance magnétique de proton et l’oxygène comme agent de contraste

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