Name: MRI Mappatura di cerebrovascolare Reattività via gas per inalazione sfide (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-17T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 33 s
Description: Scopri la mappatura della reattività cerebrovascolare con MRI mediante sfide di gas inalatori. Questo protocollo non invasivo misura i cambiamenti di perfusione cerebrale modulando i livelli di CO2.

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Questo lavoro è stato in parte sostenuto da sovvenzioni del National Institutes of Health (NIH), con i numeri di sovvenzione R01 MH084021, R01 NS067015, R01 AG042753, NS076588, NS029029-20S1, R21 NS078656; e dalla National Multiple Sclerosis Society, con il numero di sovvenzione di RG4707A2.

NOTA: Il protocollo è stato approvato dalla University of Texas Southwestern Medical Center Institutional Review Board. 1. Schema del Sistema Gas consegna e preparazione dei passaggi prima dell&#39;esperimento <ol style="margin-left: 40px;"><li> Valuta lo schema del sistema di erogazione del gas (Figura 1). Riempire un sacchetto 200 L Douglas (Articolo # 1) con una miscela di gas di grado medico contenente 5% di CO 2, O 2 21% e 74% N 2. </li><li> Mettere due diaframmi (Articolo # 4) nella valvola (# punto 3) non-rebreathing bidirezionale per garantire il flusso di gas in un modo. Portare questa valvola a due vie assemblato e Douglas bag (Codice 1) a gas nella stanza magnete. </li><li> Collegare il tubo di mandata del gas (Codice 7) all&#39;estremità di ingresso della valvola a due vie (Articolo # 3). Attaccare il tubo di erogazione del gas (Codice 7) sul lato della bobina testa per supporto peso. Collegare l&#39;altra estremità del tubo di erogazione del gas (Codice 7) alla Douglas a gasbag (Articolo # 1). </li><li> Collegare il boccaglio (Item # 5) al tubo a U (Articolo # 12) attraverso un gomito connettore (Articolo # 13 con la porta di campionamento gas sigillato). </li><li> Collegare il (Articolo # 9) tubo-campionamento gas al tubo a U (Articolo # 12) attraverso un altro gomito connettore (Articolo # 13). </li><li> Collegare un piccolo filtro aria (# articolo 11) all&#39;altra estremità del tubo di campionamento del gas (Codice 9). Collegare l&#39;altra estremità del filtro dell&#39;aria (Articolo # 11) per la CO 2 (Articolo # 14) monitorare. </li><li> Nella sala di controllo della suite MRI, attivare la CO 2 (Articolo # 14) e pulsossimetria (Articolo # 15) monitor. Eseguire un auto-calibrazione per il monitor CO 2. </li><li> Collegare i monitor di un computer portatile utilizzando le porte USB. Aprire il software HyperTerminal che comunica con i monitor. Sincronizzare &#39;volte con un timer scrivendo il tempo del timer e corrispondenti monitor dei monitor tempi. Le differenze del tempo timer e tempi di monitor &#39;saranno contabilizzate in pro dei datielaborazione (punto 4.4). </li><li> Inserire un&#39;estremità di una barra di segnalazione in una guida d&#39;onda in modo che un&#39;estremità della barra è all&#39;interno della camera magnete e l&#39;altra estremità è in sala di controllo. NOTA: La barra di segnalazione è utilizzato per informare il ricercatore all&#39;interno della camera del magnete durante la scansione durante la commutazione della valvola a tre vie (N. articolo 2) è necessario. </li></ol> 2. Le procedure durante l&#39;esperimento <ol style="margin-left: 40px;"><li> Chiedere al soggetto di mentire sul tavolo MRI, ma non lo ha messo / lei nel foro del magnete ancora. Istruire il soggetto di premere il pulsante di chiamata infermiera se si sentono disagio durante la scansione. Chiedere al soggetto di cancellare la / il naso con un pezzo di salvietta di pulizia per rimuovere ogni traccia di grasso. </li><li> Istruire il soggetto di respirare con la bocca e di stabilire e mantenere un ritmo di respirazione. Quindi applicare una clip naso (Articolo # 6) sull&#39;argomento. </li><li> Collegare l&#39;estremità aperta del tubo a U (Codice 12) alla porta centrale della valvola (N. articolo 3) bidirezionale via elConnettore arco (Articolo # 13). </li><li> Posizionare delicatamente il boccaglio nella bocca del soggetto in modo che il soggetto può respirare attraverso il boccaglio. Collegare delicatamente il sensore dito della pulsossimetria (Articolo # 15) per la punta del dito del soggetto. </li><li> Assicurare che la testa del soggetto è in iso-centro della bobina testa. Azionare la tabella MRI di mettere lui / lei all&#39;interno del foro del magnete. </li><li> Garantire che uno soggiorni ricercatore all&#39;interno della stanza del magnete di monitorare il soggetto e di essere pronti a cambiare la valvola a tre vie sul sacchetto di Douglas (Articolo # 1). Assicurarsi che il ricercatore indossa tappi per le orecchie e una cuffia per bloccare il rumore MRI. </li><li> Chiudere la porta della stanza del magnete e, nella sala di controllo, controllare la frazione EtCO 2 e ossigeno arteriosa saturazione (SO 2) i parametri visualizzati sul CO 2 (Articolo # 14) e pulsossimetria (Articolo # 15) monitor. Avviare la registrazione dei parametri sul portatile. </li><li> Istruire l&#39;operatore MRI per avviare la scansione utilizzandoBlood-ossigenazione livello-Dependent (BOLD) sequenza. Per 3T MRI scanner, i parametri di imaging BOLD sono: TR / TE = 1.500 / 30 msec, flip angle = 60 °, campo visivo = 220 x 220 mm 2, matrice = 64 x 64, 29 fette, spessore 5 mm, spazio tra le fette, 361 volumi. Valuta un foglio pre-preparata su cui è presente la temporizzazione della commutazione valvola e oscillare delicatamente la barra di segnalazione quando è necessario un interruttore. Prestare particolare attenzione alla fisiologia del soggetto, tra cui la frequenza cardiaca, SO 2, e EtCO 2. </li><li> Ora, all&#39;interno della camera magnete, accendere il sacchetto Douglas (N. articolo 1) in base al movimento della barra di segnalazione che controlla il tipo di gas che il soggetto ispira. </li><li> Continuare questa procedura per la durata dello studio. Durante il periodo di imaging 9 min, assicurarsi che la valvola di commutazione avviene circa una volta ogni minuto. Si noti che i tempi dell&#39;interruttore non deve essere esattamente preciso, finché il decorso EtCO2 viene registrato. &lt;br /&gt; NOTA: Se il soggetto preme il pulsante di chiamata infermiera durante la scansione, la scansione viene interrotta e il soggetto sarà spostato fuori dal foro del magnete immediatamente. Il ricercatore togliere il pezzo bocca e il naso clip dal soggetto. </li><li> Utilizzare il citofono per comunicare il soggetto che la scansione è completata. Estrarre il tavolo MRI fuori. Rimuovere delicatamente la clip del naso e il boccaglio dal soggetto, fornendo la pulizia dei tessuti al soggetto per pulire qualsiasi saliva. Rimuovere delicatamente il sensore dito della pulsossimetria dal soggetto. Il soggetto può poi sedersi e ottenere dal tavolo MRI. </li></ol> 3. Le procedure di pulizia dopo l&#39;esperimento <ol style="margin-left: 40px;"><li> Eliminare il tubo di campionamento del gas (Articolo # 9), filtro aria (Articolo # 11), Bocchino (5 Articolo #) e la clip del naso (Articolo # 6). </li><li> Pulire i componenti riutilizzabili. Scollegare la valvola a due vie (Codice 3) dagli altri componenti e rimuovere i diaframmi (Articolo # 4) dalla valvola. Mettere a bagno le due vievalvola (# articolo 3), il diaframma (# punto 4) e il tubo a forma di U (Codice 12) in un disinfettante senza fosfati concentrata, contenente tensioattivi quali Bacdown detergente disinfettante in un contenitore per 20 min. Il rapporto di diluizione del disinfettante detergente e acqua distillata è 1:64. </li><li> Sciacquare le voci descritte in 3.2 a fondo con acqua distillata. </li><li> Asciugare il tubo a U (Articolo # 12) con l&#39;aria compressa. Posizionare la valvola a due vie (Articolo # 3) e diaframmi (# punto 4) su un chiaro piano di lavoro e li permettono asciugare naturalmente e completamente. </li><li> Svuotare il sacco Douglas. Metti via la barra di segnalazione e tubo grigio. </li></ol> 4. Analisi dei dati per calcolare CVR Mappa <ol style="margin-left: 40px;"><li> Salvare i dati MRI in formato Dicom o qualsiasi altro formato specifico del fornitore. Trasferire i dati a un computer di laboratorio e convertire i dati in volume-by-volumi serie di file, in cui ciascun file contiene un volume 3D (ad esempio, un&#39;immagine grassetto) corrispondente ad un punto di tempo. </li><li> Pre-processo i dati dell&#39;immagine. Eseguire immagine fasi di pre-elaborazione, tra cui riallineamento, la normalizzazione, e levigante utilizzando uno script che chiama le funzioni di libreria fornite dal software Statistical Parametric Mapping (SPM). Per un esempio dello script Matlab Vedere file di codice supplementare 1. </li><li> Utilizzare uno script per leggere la registrazione di CO 2, correggere il ritardo tubo di campionamento spostando il decorso di un valore pre-calibrato (ad esempio, 12 sec in questa configurazione, che è determinato come la differenza di tempo tra un respiro per il boccaglio e la aspetto di quel respiro sulla registrazione CO2), ed estrarre EtCO2 che è l&#39;inviluppo (picchi positivi) della serie temporale grezzo. Per lo script Matlab Vedere file di codice supplementare 2. </li><li> Sulla base del temporizzatore di sincronizzazione, i dati di segmento EtCO 2 per mantenere solo la registrazione da 25 sec prima della prima acquisizione dell&#39;immagine a 100 secondi dopo l&#39;ultima acquisizione dell&#39;immagine. Il decorso EtCO 2 èla funzione di ingresso per la vascolarizzazione e viene utilizzato come variabile indipendente in analisi di regressione lineare entro descritto. </li><li> Identificare il ritardo fisiologico tra EtCO 2 (misurata nel polmone) e il segnale RM (misurata nel cervello) calcolando coefficiente di correlazione incrociata (CC) tra questi due corsi a tempo a diversi salti temporali. Il valore di spostamento che produce maggiore CC è considerato il momento ottimale. </li><li> Il decorso EtCO 2 viene spostata dal ritardo ottimale e solo i punti di tempo corrispondenti a quelli di segnale RM sono conservati, risultante in una serie temporale che sono della stessa lunghezza del segnale di risonanza magnetica. </li><li> Condurre un voxel-by-voxel regressione lineare utilizzando SPM in cui il decorso EtCO2 spostato è la variabile indipendente e l&#39;andamento temporale del segnale RM è la variabile dipendente. </li><li> Calcola voxel-by-voxel mappa di CVR <img alt="Equazione 1" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/52306/52306eq1.jpg" /> dove (i, j, k) è tegli voxel indice, β1 è il coefficiente di regressione associato EtCO2 e β0 è il coefficiente di regressione associato al termine costante. min (EtCO 2) è il valore minimo di EtCO 2 nel corso del tempo. </li></ol>

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HL e PL sono inventori di un brevetto provvisorio, di proprietà dell'UT Southwestern Medical Center, che descrive parte del sistema di erogazione del gas.

Questa relazione presentato un sistema di erogazione di gas compatibile MR e un protocollo sperimentale completa che consente la mappatura di reattività vascolare nel cervello umano. Lo schema del sistema di erogazione del gas è illustrato nella figura 1. Tutte le parti interne della camera scanner MRI sono in plastica per assicurare la compatibilità MRI. Il sistema può essere suddiviso in tre sottosistemi, tra cui un sotto-sistema di aspirazione del gas (borsa, tubo di erogazione, valvola a due vie), un sotto-sistema di interfaccia di respirazione (naso clip, boccaglio, tubo a U), e un sotto-sistema di monitoraggio (CO 2 concentrazione, saturazione di ossigeno, frequenza cardiaca, frequenza respiratoria). Il sub-sistema di aspirazione del gas consente al gas di essere inalato per raggiungere la valvola a due vie. Solo inalato aria, ma non l&#39;aria espirata, scorre attraverso il sub-sistema. Il sub-sistema di interfaccia di respirazione permette al soggetto di respirare e il gas destinato. Sia gas inspirato ed espirato fluirà attraverso questo sub-sistema. La Verifica e Controlg sub-sistema dovrebbe quindi campionare il gas in un punto lungo il sub-sistema di interfaccia di respirazione. Applicazioni cliniche di questa tecnica possono includere valutazioni di cervello riserva vascolare nelle malattie neurologiche come l&#39;ictus, aterosclerosi, malattia moyamoya, demenza vascolare, la sclerosi multipla, e tumore al cervello. La tecnica può essere usata anche in studi funzionali MRI per normalizzare o calibrare segnale fMRI per una migliore quantificazione dell&#39;attività neurale 23,24. Una caratteristica importante del sistema proposto e protocollo sperimentale è che la miscela gassosa può essere consegnato al soggetto mentre causando un movimento minimo o disagio. Pertanto, è fondamentale per posizionare il tubo a U (Codice 12) tale che (e il boccaglio collegato all&#39;estremità di esso) cade naturalmente verso il basso nella bocca del soggetto. In questo modo, il soggetto non ha bisogno di usare il suo muscolo facciale di tenere o sostenere il boccaglio. E &#39;anche l&#39;importazioneformica di essere a conoscenza che il soggetto non sarà in grado di parlare, mentre il boccaglio è nella loro bocca. Pertanto, il ricercatore dovrebbe evitare di parlare al soggetto con un tono di domanda. Invece, solo istruzioni chiare e definitive devono essere fornite. Inoltre, un ricercatore deve prestare molta attenzione ai parametri fisiologici (ad esempio, EtCO 2, SO 2, frequenza cardiaca, frequenza respiratoria) durante l&#39;intero corso della sperimentazione e rispondere prontamente quando uno o più dei parametri fisiologici discostano di fuori del campo tipico . Mentre un&#39;indagine esaustiva di altri sistemi di lancio di gas utilizzato in letteratura è oltre la portata di questo articolo, è utile confrontare il sistema attuale di alcune fra le più comunemente usati 17,18. Una differenza importante è che il nostro sistema utilizza un boccaglio di consegnare il gas destinato, mentre la maggior parte degli altri sistemi hanno usato una maschera nella progettazione. I potenziali complicazioni di utilizzare una maschera sono due pieghe. Innanzitutto, una maschera occupies una notevole quantità di spazio, e potrebbe non essere sempre possibile adattare la maschera nello spazio stretto all&#39;interno della bobina testa, considerando che, per molti soggetti, il naso sarebbe quasi toccare la bobina testa ancora senza maschera. Ciò vale in particolare per le bobine di testa destinati a realizzare l&#39;alta sensibilità, che di solito sono progettati per adattarsi perfettamente alla testa del soggetto. Una seconda complicazione associata con un design maschera è che c&#39;è grande spazio all&#39;interno della maschera, che si traduce in sostanziale miscelazione di gas inalato e esalato. Pertanto, potrebbe influenzare la precisione della misurazione del EtCO 2, che idealmente dovrebbe essere basata su un solo gas espirato. Accurate EtCO 2 è ovviamente importante per l&#39;affidabilità della mappa CVR. Un&#39;altra importante differenza del nostro sistema rispetto a molti altri sistemi è che il nostro sistema offre il gas da un sacchetto invece di un serbatoio di gas. Pertanto, non sono necessari serbatoi nell&#39;area scanner, risparmiando spazio prezioso nel cont<html> rol camera di una suite MRI. Nel nostro progetto, abbiamo portare il sacchetto prima della scansione e, dopo la scansione, la borsa è svuotato, piegato, e mettere via. Infine, rispetto a molti altri sistemi 18,21, il sistema di erogazione di gas corrente è più semplice, richiede meno tempo della formazione, e suoi materiali di consumo sono meno costosi. Occorre rilevare che, sebbene il protocollo presentato in questa relazione si è concentrata principalmente sulla CO 2 inalazione, il sistema di erogazione del gas presentato permette la fornitura di altre miscele di gas (ad esempio, ogni frazione di O 2, ogni frazione di CO 2, qualsiasi frazione di N 2, e la loro combinazione) di un essere umano per loro di respirare, mentre s / si è disteso all&#39;interno dello scanner MRI. Si può anche utilizzare il sistema di erogazione del gas al di fuori del contesto del MRI, per esempio in combinazione con elettroencefalogramma (EEG), magnetoencephalogram (MEG), tomografia ad emissione di positroni (PET), o l&#39;imaging ottimale. _content &quot;&gt; Nel fornire una raccomandazione di parametri di imaging, ci siamo concentrati principalmente sulla sequenza BOLD. Un&#39;altra sequenza che può essere potenzialmente utilizzato in mapping CVR è Arterial Spin Labeling (ASL) MRI, che fornisce una misura quantitativa del flusso ematico cerebrale (CBF) in unità fisiologiche (ml di sangue per 100 g di tessuto per min). Pertanto, il vantaggio di CVR mappatura basata ASL-è che i risultati sono più facili da interpretare, a differenza del segnale BOLD che riflette un effetto combinato del flusso di sangue, volume di sangue nonché eventuali contributi di alterazioni metaboliche cerebrale durante CO 2 sfida 25-27. Tuttavia, una limitazione della tecnica ASL è che la sua sensibilità è diverse pieghe inferiore a quello del BOLD 28. Come risultato, la nostra esperienza è che, attualmente, è altamente difficile da ottenere un livello individuale, voxel-by-voxel CVR mappa con ASL. Pertanto, per gli studi applicativi del CVR, usiamo soprattutto la sequenza BOLD e quindi anche concentrarsi su questa tecnica in ouraccomandazioni r. Una limitazione del presente metodo è che la respirazione attraverso un boccaglio con il naso bloccato (da una clip naso) non è del tutto naturale e alcuni soggetti (in particolare pazienti) può percepire questo come una fonte di disagio. Respirare con la clip boccaglio e naso può anche aggravare la sensazione di claustrofobia. Inoltre, il soggetto può avvertire secchezza della bocca dovuta a respirare da solo bocca. Pertanto, si raccomanda che il ricercatore suo meglio per completare l&#39;esperimento rapidamente. Infine, è importante notare che, in base all&#39;esperienza degli autori, il disagio potenziale di cui sopra è transitorio e scompare non appena l&#39;esperimento è finito.

Il cervello rappresenta circa il 2% del peso corporeo totale, ma consuma circa il 20% dell&#39;energia totale 1. Non sorprende, sufficiente e accuratamente regolato apporto di sangue è fondamentale per rispondere a questa forte domanda di energia e per il cervello a funzionare correttamente. Inoltre, il cervello è un organo spazialmente eterogeneo e temporalmente dinamico, con diverse regioni che richiedono diverse quantità di afflusso di sangue in tempi diversi. Pertanto, la modulazione dinamica delle scorte di sangue rappresenta un requisito importante in circolazione cervello umano. Fortunatamente, è noto che i vasi sanguigni non sono solo tubi rigidi e che un importante funzione di vaso sanguigno è a dilatarsi e costringere basata sulla domanda del cervello e condizioni fisiologiche 2. Questa proprietà funzionale della nave, noto come cerebrale-vascolare-reattività (CVR), è pensato per essere un indicatore utile della salute vascolare e può trovare applicazioni in vari conditio neurologicans come ictus 3, demenza 4, 5 aterosclerosi, malattie dei vasi piccoli 6, tumore al cervello 7, malattia moyamoya 8, e tossicodipendenza 9. In fisiologia e letteratura anestesiologia, è noto che, a causa gas CO 2 è un potente vasodilatatore, CVR può essere valutata alterando il livello arteriosa CO 2 (ad esempio, l&#39;inalazione di una piccola quantità di CO 2) durante il monitoraggio risposte vascolari 10-13 . Nel campo di imaging e radiologia, la mappatura CVR utilizzando MRI sta rapidamente emergendo come un nuovo marker di interesse per molti scienziati e medici di base 8,14-19. Di solito è stimato esaminando quanto risposta vascolare è indotta da una sfida vasoattivi. Tuttavia, vi è una necessità di progressi tecnici nel sistema di erogazione del gas e standardizzazione di protocollo sperimentale. Fornire speciale miscela di gas ad un soggetto all&#39;interno dello scanner MRI non è considerazioni banali e specialisono necessari per una progettazione compatibile con la risonanza magnetica. Considerazioni particolari sono richieste nella progettazione di sistema di erogazione del gas compatibile con la risonanza magnetica. Queste considerazioni speciali includono: 1) tutti i componenti devono essere non metallico (metallo non può essere utilizzato all&#39;interno MRI); 2) il sistema dovrebbe funzionare all&#39;interno di un piccolo spazio che il sistema di risonanza magnetica e la sua bobina di testa consentono; 3) il sistema dovrebbe funzionare con una posizione sdraiata (come scanner MRI richiede) invece di seduta, senza alcun disagio; 4) i parametri fisiologici rilevanti, come la CO2 di fine espirazione (EtCO2, un&#39;approssimazione di contenuto di CO2 nel sangue arterioso) e la saturazione di ossigeno arteriosa, devono essere registrati accuratamente con secondi di precisione tempi e memorizzati su un computer per l&#39;utilizzo di analisi. Questi problemi possono limitare la portata delle applicazioni di mappatura CVR. In questo rapporto, abbiamo presentato un protocollo sperimentale che utilizza un sistema di erogazione del gas globale per modulare il contenuto di gas ispirato mentre il soggetto è sdraiato all&#39;interno dello scanner MRI. Noiing questo approccio, il ricercatore può non invasivo applicare uno stimolo vasoattivo al partecipante con il minimo disagio o di movimento di massa. Parametri fisiologici e immagini di risonanza magnetica sono state registrate durante l&#39;intero periodo di circa 9 minuti, che consisteva di blocchi alternati (1 min per blocco) di spazio di aria e la respirazione gas ipercapnica. I risultati rappresentativi vengono presentati. Le potenziali applicazioni e limitazioni sono discusse.

<table><tbody><tr><td>Borsa Douglas&nbsp;</td><td>Apparecchio Harvard</td><td>500942</td><td>capacità 200 L</td></tr><tr><td>Valvola a tre vie</td><td>Hans Rudolph</td><td>CR1207</td><td>100% plastica</td></tr><tr><td>Valvola a due vie non respiratoria</td><td>Hans Rudolph</td><td>CR1480</td><td>22 mm/15 mm</td></tr><tr><td>ID Diaframma</td><td>Hans Rudolph</td><td>602021-2608</td><td>Dimensioni: medio, Tipo: spirale</td></tr><tr><td>Bocchino</td><td>Hans Rudolph</td><td>602076</td><td>Silicone, Modello #&nbsp; 9061</td></tr><tr><td>Clip per il naso</td><td>Hans Rudolph</td><td>201413</td><td>Schiuma plastica, Modello #9014</td></tr><tr><td>Tubo di mandata del gas</td><td>Vacumed</td><td>1011-108</td><td></td></tr><tr><td>Bracciale blu</td><td>Vacumed</td><td>22254</td><td></td></tr><tr><td>Tubo di campionamento del gas</td><td>QoSINA</td><td>T4305</td><td>Luer</td></tr><tr><td>maschio</td> sottile <td>QoSINA</td><td>11547</td><td></td></tr><tr><td>Filtro idrofobico</td><td>Philips Medical Systems</td><td>9906-00</td><td>Tubo monouso</td></tr><tr><td>a forma di U</td> Connettore a gomito <td>realizzato internamente</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>QoSINA</td><td>51033</td><td></td></tr><tr><td>Monitor EtCO2</td><td>Philips Medical Systems</td><td>Modello 1265</td><td></td></tr><tr><td>Pulsossimetria&nbsp;</td><td>Sistemi di monitoraggio MRI</td><td></td> <td>Invivo Expression</td></tr><tr><td>MRI scanner</td><td>Philips</td><td>Achieva 3.0T TX</td><td></td></tr><tr><td>Disinfettante</td><td>Fisher Scientific</td><td>04-355-13</td><td>Decon BDD Bacdown Detergente Disinfettante</td></tr></tbody></table>

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MRI Mapping of Cerebrovascular Reactivity via Gas Inhalation Challenges

Il cervello è un organo spazialmente eterogeneo e temporalmente dinamico, con diverse regioni che richiedono diverse quantità di afflusso di sangue in tempi diversi. Pertanto, la capacità dei vasi sanguigni di dilatarsi o strozzare, noto come cerebrale-vascolare-reattività (CVR), rappresenta un dominio importante funzione vascolare. Un indicatore di imaging che rappresenta questa struttura dinamica fornirà nuove informazioni di vasi cerebrali in condizioni normali e patologiche come l&#39;ictus, la demenza, l&#39;aterosclerosi, malattie dei vasi piccoli, tumore al cervello, traumi cerebrali, e la sclerosi multipla. Per effettuare questo tipo di misurazione negli esseri umani, è necessario fornire uno stimolo vasoattivo quali CO 2 e / o O 2 miscela di gas mentre cerebrali quantitativa immagini di risonanza magnetica (MRI) vengono raccolti. In questo lavoro, abbiamo presentato un sistema MR compatibile di erogazione del gas e il protocollo associato che consentono la fornitura di miscele di gas speciali (ad esempio, </em&gt; O 2, CO 2, N 2, e loro combinazioni) mentre il soggetto è sdraiato all&#39;interno dello scanner MRI. Questo sistema è relativamente semplice, economico e facile da usare, e il protocollo sperimentale permette la mappatura precisa del CVR sia in volontari sani e pazienti con disturbi neurologici. Questo approccio ha il potenziale per essere usato in applicazioni cliniche larghe e una migliore comprensione della fisiopatologia vascolare cerebrale. Nel video, si dimostra come impostare il sistema all&#39;interno di una suite MRI e come eseguire un esperimento completo su un partecipante umana.

Due tipi di dati sono raccolti con il protocollo proposto, registrazioni fisiologiche e immagini RM. Figure 2 e 3 mostrano registrazioni di parametri fisiologici da un soggetto rappresentativo. Traccia nero nella Figura 2 mostra l&#39;andamento temporale CO 2 registrata dal monitor CO 2, che rappresenta il contenuto di CO 2 in aria campionata vicino al boccaglio. Si noti che questa traccia fluttua rapidamente in funzione del tempo. Questo perché, durante la fase di inspirazione del ciclo di respirazione, questa registrazione riflette il contenuto di CO 2 nell&#39;aria inalazione e, durante la fase di espirazione, questa registrazione riflette il contenuto di CO 2 nell&#39;aria espirata. Come tale, il picco superiore di ogni ciclo di respirazione, denominato fine espirazione CO 2 o EtCO 2, rappresenta il contenuto di CO 2 nel polmone, che può essere utilizzato approssimativamente come la concentrazione di CO 2 nel sangue arterioso. Nota thalla concentrazione di CO 2 nel sangue arterioso è la forza motrice, cioè, la funzione di ingresso, della risposta vasodilatatoria. I picchi della traccia CO 2 (curva rossa nella figura 2) sono stati delineati con un algoritmo di rilevamento che ricerca il picco durante ogni respiro, in combinazione con l&#39;ispezione e correzione manuale. Questa è stata seguita da un filtraggio mediano per rimuovere i picchi improvvisi a causa di respiro parziale e per tenere conto di miscelazione del sangue nel corso del flusso da vasi polmonari a vasi cerebrali. La finale EtCO 2 decorso è mostrato dalla curva verde in figura 2 ed è utilizzato nel calcolo del CVR. La figura 3 mostra le andamento nel tempo della frequenza respiratoria, la saturazione di ossigeno arterioso frazione (SO 2), e la frequenza cardiaca. Il tasso di respirazione è ottenuto dal monitor di CO 2, mentre SO 2 e la frequenza cardiaca sono ottenuti dalla pulsossimetria. Come può essere seen, questi parametri non mostrano un cambiamento sistematico, con la sfida ipercapnia. Si noti che ipercapnia non causare iperventilazione nel soggetto, così la pressione parziale O 2 nel polmone aumenteranno modestamente. Tuttavia, il suo impatto sul SO 2 è minimo come l&#39;emoglobina del sangue è già ampiamente saturo a respirare camera con aria e la curva di dissociazione ossigeno è piuttosto piatta all&#39;interno di tale intervallo. Figura 4 mostra rappresentativi immagini BOLD RM al momento diversi dell&#39;esperimento. È anche mostrato l&#39;intensità media del segnale (in unità MR arbitrarie). Si può vedere che il segnale BOLD nel cervello mostra un aumento con CO 2 inalazione. Si noti che la differenza tra il segnale di camera con aria e CO 2 periodi è dell&#39;ordine di 1-3% in ampiezza. Figura 5 mostra rappresentante Combinando i dati provenienti da registrazioni fisiologiche e immagini RM, un voxel-by-voxel CVR mappa può essere calcolato.Mappe CVR (in unità di cambio di segnale% per mmHg CO 2 variazione) di un soggetto sano digitalizzata su cinque giorni diversi, dimostrando un&#39;eccellente riproducibilità dei risultati. La tecnica proposta è stata finora applicata in studi di invecchiamento 20, Morbo di Alzheimer 4, sclerosi multipla 21, e l&#39;esercizio di formazione 22. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig1highres.jpg" /> Figura 1. Schema del sistema di erogazione del gas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig1large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig2highres.jpg" /> Figura 2. CO 2 portate volta da un soggetto rappresentativo dusuonare l&#39;esperimento. Segmenti di CO 2 trace contenuti respiro per respiro registrati dal monitor di CO 2 sono riportati per il periodo di respiro dell&#39;aria (in basso a sinistra) e il 5% di CO 2 periodo inalazione (in basso a destra). Estratti EtCO 2 corsi di tempo sono mostrati in curve colorate. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig2large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig3highres.jpg" /> Figura 3. Registrato parametri di fisiologia di un soggetto rappresentante durante l&#39;esperimento. (A) tasso di respirazione (bpm, respiro al minuto) andamento temporale del soggetto. (B) in modo 2 (%) andamento temporale del soggetto. (C) Cuore rate (bpm, battuto al minuto) andamento temporale del soggetto. Il soggetto è il<html> stesso come quello in figura 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig4highres.jpg" /> Figura 4. Rappresentante immagini BOLD RM al momento diversi dell&#39;esperimento. Intensità di segnale medio della fetta cervello visualizzati (fetta assiale # 54 nello spazio MNI) sono mostrato nella riga inferiore. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig5highres.jpg" /> Figura 5. Rappresentante CVR mappa da un soggetto rappresentativo..jove.com / files / ftp_upload / 52306 / 52306fig5large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

L'imaging non invasivo della capacità del sistema vascolare cerebrale di dilatarsi o restringersi può consentire una migliore comprensione della fisiopatologia cerebrovascolare in varie malattie neurologiche. Il presente rapporto descrive un protocollo riproducibile e confortevole per il paziente per eseguire l'imaging di reattività vascolare nell'uomo utilizzando la risonanza magnetica (MRI).

MRI Mappatura di cerebrovascolare Reattività via gas per inalazione sfide

The brain is a spatially heterogeneous and temporally dynamic organ, with different regions requiring different amount of blood supply at different time. ...

L'obiettivo generale di questa procedura è misurare la reattività vascolare cerebrale modulando il contenuto ematico di anidride carbonica durante la registrazione. I cambiamenti nella perfusione cerebrale vengono valutati mediante risonanza magnetica (MRI). Ciò si ottiene innanzitutto configurando il sistema di somministrazione di gas compatibile con la MRI.Il secondo passaggio consiste nel predisporre l'apparecchiatura necessaria per registrare i parametri fisiologici, come l'anidride carbonica al termine espiratorio. Successivamente, al soggetto viene applicato un morsetto nasale e un boccaglio, e gli viene chiesto di respirare attraverso la bocca mantenendo un ritmo respiratorio comodo. L'ultimo passaggio prevede l'esecuzione di una scansione MRI durante la quale il gas inalato viene alternato periodicamente tra aria ambiente e anidride carbonica.Infine, un'analisi di regressione lineare tra i dati di risonanza magnetica e la CO2 espiratoria viene utilizzata per determinare la reattività vascolare cerebrale. Il principale vantaggio di questa tecnica di mappatura della reattività vascolare cerebrale rispetto ai metodi esistenti in letteratura è che il sistema di somministrazione del gas è semplice. La procedura richiede un tempo minore di addestramento e l'attrezzatura è meno costosa.Dimostrerò questa procedura insieme a due miei colleghi e a Yame Chan prima dell'esperimento. Per prima cosa, esaminare lo schema del sistema di erogazione del gas mostrato qui. Quindi, iniziare l'allestimento riempiendo un sacchetto Douglas da 200 litri con una miscela gassosa di grado medico contenente il 5% di anidride carbonica, il 21% di ossigeno e il 74% di azoto.Successivamente, inserire due diaframmi nella valvola a due vie non rigenerativa per garantire un flusso unidirezionale del gas. Portare quindi la valvola a due vie assemblata e il sacchetto di Douglas pieno di gas nella stanza del magnete. Collegare il tubo di somministrazione del gas all'estremità di ingresso della valvola a due vie, quindi fissarlo al lato della bobina per la testa per il supporto del peso.Collegare l'altra estremità del tubo di erogazione alla busta di Douglas piena di gas. Collegare il boccaglio al tubo a forma di U utilizzando un raccordo a gomito con un'apertura sigillata per il campionamento del gas. Successivamente, collegare il tubo per il campionamento del gas al tubo a forma di U tramite un altro raccordo a gomito.Collegare un piccolo filtro dell'aria all'altra estremità del tubo di campionamento del gas. Successivamente, collegare l'altra estremità del filtro dell'aria al monitor di anidride carbonica. Nella stanza di controllo dell'ambiente MRI.Accendere i monitor dell'ossido di carbonio e della pulsiossimetria ed eseguire una calibrazione automatica per il monitor dell'ossido di carbonio. Successivamente, collegare i monitor a un laptop tramite porte USB. Quindi aprire il software terminale ipercomunicante con i monitor.Per sincronizzare i monitor, utilizzare un timer e annotare l'ora di ciascun monitor. La differenza di temporizzazione potrà essere successivamente compensata. Durante l'elaborazione dei dati, inserire un'estremità di una barra di segnalazione in una guida d'onda in modo che un'estremità si trovi all'interno della stanza del magnete e l'altra nella stanza di controllo.Questa barra verrà utilizzata per notificare al ricercatore all'interno della stanza del magnete quando è necessario commutare la valvola a tre vie durante la scansione. Dopo aver effettuato la selezione per la sicurezza in MRI e ottenuto il consenso informato, far distendere il soggetto sul tavolo della risonanza magnetica. Fornire il pulsante di chiamata per l'infermiera nel caso in cui il soggetto avverta disagio durante la procedura di scansione.Chiedere quindi al soggetto di pulirsi il naso con una salvietta. Per rimuovere qualsiasi traccia di olio dalla pelle, istruire il soggetto a respirare attraverso la bocca, a stabilire e mantenere un ritmo respiratorio regolare e applicare il morsetto nasale al soggetto. Successivamente, collegare l'estremità aperta del tubo a forma di U al connettore centrale della valvola a due vie mediante il raccordo ad angolo.Successivamente, posizionare delicatamente l'ugello in modo che il soggetto possa respirare attraverso di esso. Quindi, applicare delicatamente il sensore del pulsossimetro sul dito. Assicurarsi che la testa del soggetto sia al centro ISO della bobina per la testa.Quindi far scivolare il tavolo della risonanza magnetica nel foro del magnete. A questo punto, un ricercatore deve rimanere all'interno della stanza del magnete per monitorare il soggetto e azionare la valvola a tre vie del sacchetto di Douglas. Assicurarsi che questo ricercatore indossi tappi per le orecchie e una cuffia per attenuare il rumore della risonanza magnetica nella stanza di controllo.Verificare i parametri di CO2 al finale dell'espirazione e della frazione di saturazione arteriosa di ossigeno visualizzati sui monitor di anidride carbonica e di ossimetria del polso. Avviare la registrazione dei parametri sul laptop. Iniziare la scansione utilizzando una sequenza dipendente dal livello di ossigeno nel sangue o sequenza bold per una risonanza magnetica da tre Tesla.I parametri di imaging vengono esaminati attentamente qui. Monitorare le misurazioni fisiologiche del soggetto per tutta la durata della scansione. Consultare un foglio predisposto in cui è indicata la tempistica dello scambio delle valvole ed azionare delicatamente la leva di segnalazione quando è necessario effettuare un cambio.Quando riceve il segnale, il ricercatore all'interno della stanza del magnete deve accendere il sacchetto di Douglas in base al movimento della barra di segnalazione, che controlla il tipo di gas inspirato dal soggetto. Continuare questa procedura per tutta la durata dello studio durante il periodo di imaging di nove minuti. Assicurarsi che l'alternanza della valvola avvenga approssimativamente una volta ogni minuto.Si noti che la tempistica dell'interruttore non deve essere esattamente precisa, purché venga registrato l'andamento temporale finale della CO2. Utilizzare l'interfono per avvisare il soggetto quando la scansione è completata. Quindi estrarre delicatamente il tavolo dello scanner e rimuovere con attenzione la pinza nasale e il boccaglio dal soggetto, fornendo un fazzoletto per pulire la saliva ed eliminare delicatamente il sensore per le dita.Quindi permettere al soggetto di mettersi seduto e di scendere dal tavolo della risonanza magnetica. Smaltire il tubo per il campionamento del gas, il filtro dell'aria, il boccaglio e la molletta nasale, ma pulire tutti i componenti riutilizzabili. Scollegare la valvola a due vie dagli altri componenti ed estrarre le membrane dalla valvola.Immergere la valvola a due vie, la membrana e il tubo a forma di U in un disinfettante concentrato privo di fosfati e contenente agenti tensioattivi, ad esempio il detergente disinfettante Back Down. Lasciare in ammollo in un contenitore per 20 minuti, quindi risciacquare accuratamente con acqua distillata. Asciugare il tubo a forma di U con aria compressa.Posizionare la valvola a due vie e le membrane su un piano di lavoro pulito e lasciarle asciugare all'aria; svuotare completamente il sacco di Douglas e riporre la barra segnalatrice e il tubo grigio. Infine, eseguire l'analisi dei dati sui tracciati temporali del CO2 alla fine della respirazione e sulle immagini in grassetto utilizzando MATLAB e un software di mappatura parametrica statistica. Effettuare una regressione lineare voxel per voxel mediante SPM, in cui il tracciato temporale del CO2 alla fine della espirazione, opportunamente traslato, è la variabile indipendente e il tracciato temporale del segnale MRI è la variabile dipendente.L'output è una mappa della reattività vascolare cerebrale. Questa figura mostra immagini BOLD rappresentative in diversi momenti sperimentali. L'intensità media del segnale è inoltre mostrata nell'ultima riga.Si può osservare che il segnale intenso nel cervello aumenta con l'inalazione di anidride carbonica. Si noti che la differenza di segnale tra aria ambiente e periodi di anidride carbonica è dell'ordine dell'1-3% in ampiezza. Questa figura mostra mappe rappresentative di reattività vascolare cerebrale in unità di variazione percentuale del segnale per millimetro di mercurio.Anidride carbonica. Variazione in un soggetto sano sottoposto a scansione in cinque giorni diversi, che dimostra un'eccellente riproducibilità dei risultati una volta acquisita padronanza della tecnica. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita entro nove minuti e, se effettuata correttamente e con un'analisi dei dati appropriata come descritto nel nostro articolo, si otterrà una mappa della reattività vascolare cerebrale.

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