Name: ガス吸入課題を経由して脳血管反応性のMRIのマッピング (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-17T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 33 s
Description: 学ぶ ガス吸入課題を用いた脳血管反応性のMRIマッピング手法。二酸化炭素濃度を変調し、線形回帰解析で脳血流変化を定量化する簡便なプロトコルです。神経疾患の病態生理理解に応用可能です。

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この作業は、国立衛生研究所(NIH)からの助成金によって部分的に支援されました。助成金番号R01 MH084021、R01 NS067015、R01 AG042753、NS076588、NS029029-20S1、R21 NS078656、およびNational Multiple Sclerosis Societyからの助成金番号RG4707A2の下で。

注：プロトコルは、テキサス大学サウスウエストメディカルセンターの施設内倫理委員会によって承認された。 実験前にガス供給システムと準備手順の1.ダイアグラム<ol style="margin-left: 40px;"><li>ガス送達システム（ 図1）の図を確認します。 5％のCO 2、21％O 2、および74％のN 2を含む医療グレードのガス混合物で200 Lダグラスバッグ（項目＃1）を入力します。 </li><li>一方通行のガスの流れを確保するために、2つのダイヤフラム（項目＃4）双方向の非再呼吸弁（項目＃3）で開催。これは磁石の部屋に二方弁とガス充填ダグラスバッグ（項目＃1）を組み立て持参。 </li><li>二方弁（項目＃3）の入力端にガス供給チューブ（項目＃7）を接続します。重量サポートのためのヘッドコイルの側にガス供給チューブ（項目＃7）を取り付けます。ガス充填ダグラスにガス供給チューブ（商品番号7）のもう一方の端を接続バッグ（項目＃1）。 </li><li>マウスピース（項目＃5）肘コネクタを介してU字管（商品番号12）に（ガスサンプリングポート付き商品番号13密封された）を接続します。 </li><li>別のエルボーコネクタ（項目＃13）を介してU字管（商品番号12）にガスサンプリングチューブ（項目＃9）を接続します。 </li><li>ガスサンプリングチューブ（項目＃9）のもう一方の端にある小さなエアフィルター（商品番号11）を接続します。 CO 2（項目＃14）へのエアフィルター（商品番号11）のもう一方の端を接続し監視する。 </li><li> MRIスイートの制御室では、CO 2（商品番号14）と、パルス酸素濃度計（商品番号15）モニターの電源をオンにします。 CO 2モニターの自動キャリブレーションを実行します。 </li><li> USBポートを使用してラップトップにモニターを接続します。モニターと通信し、ハイパーターミナルソフトウェアを開きます。回「タイマ時間を書き留めやモニター対応するタイマーで時間」をモニターを同期させます。タイマー時間とモニターの時間の違いは、データのプロで会計処理されますcessing（ステップ4.4）。 </li><li>バーの一端が磁石室内にあり、他方端が制御室にあるように導波路に信号伝達棒の一端を挿入する。 注：シグナルバーが三方弁（項目＃2）の切り替えが必要なスキャン中にマグネットルーム内研究者に通知するために使用される。 </li></ol>実験中の2.手順<ol style="margin-left: 40px;"><li> MRIのテーブルの上に横に件名を掲載したが、まだ磁石ボアに彼/彼女を入れないでください。彼らはスキャン中に不快感を感じる場合はナースコールボタンを押して、被写体を指示します。すべてのグリースを除去するためのウェットティッシュのクリーニングピースと彼/彼女の鼻を拭くために件名を依頼。 </li><li>対象は、口で息をすると呼吸リズムを確立し、維持するように指示。その後、被写体にノーズクリップ（項目＃6）を適用する。 </li><li>エル経由二方弁（項目＃3）の中間ポートにU字管（商品番号12）の開放端を接続します弓コネクタ（商品番号13）。 </li><li>対象は、マウスピースを介して呼吸することができるように、静かに被験者の口にマウスピースを置く。静かに、被験者の指の先端にパルス酸素濃度計（商品番号15）の指センサーを取り付ける。 </li><li>被検者の頭部が頭部コイルのアイソセンタにあることを確認してください。磁石ボアの内側に、彼/彼女を配置するためにMRIテーブルを操作します。 </li><li> 1研究者が被写体を監視します（Item＃1）ダグラスバッグに三方弁を切り替えるために準備することマグネットルーム内に留まることを確認してください。研究者は耳栓やMRIのノイズを遮断するためにヘッドセットを装着していることを確認します。 </li><li>磁石の部屋のドアを閉じ、、制御室に、ETCO 2と動脈血酸素飽和画分（SO 2）CO 2（商品番号14）に表示されるパラメータおよびパルス酸素濃度計（商品番号15）モニターをチェックしてください。ラップトップ上のパラメータの記録を開始します。 </li><li>使用してスキャンを開始するためのMRIオペレータに指示血液酸素化レベル依存（BOLD）シーケンス。 3T MRIスキャナの場合は、BOLD撮像パラメータは、以下のとおりです。TR / TE = 1500/30ミリ秒、フリップ角= 60°、視野= 220 X 220ミリメートル2のフィールド、行列= 64×64、29スライス、= 5ミリメートルの厚さ、スライス、361ボリュームの間に隙間はありません。バルブの切り替えのタイミングが上場している事前準備されたシートを確認し、スイッチが必要なときに優しく、シグナリングバーをスイング。心拍数、SO 2、及びETCO 2を含む、被験者の生理機能に細心の注意を払ってください。 </li><li>さて、磁石ルーム内に、被写体が鼓舞ガスの種類を制御シグナリングバーの動きに基づいて（項目＃1）ダグラスバッグに切り替える。 </li><li>研究の長さのために、この手順を続行します。 9分撮像期間中は、バルブの切り替えが毎分約1回行われることを確保する。スイッチのタイミングは限りEtCO2の時間経過が記録されるように、正確に精密である必要はないことに注意してください。&lt;BR /&gt;注：対象は、スキャン時にナースコールボタンを押すと、スキャンは中止され、被験者はすぐに磁石ボアの外に移動されます。研究者は、被験者からマウスピースとノーズクリップを削除します。 </li><li>スキャンが完了すると、被写体を通知するためにインターホンを使用してください。 MRIテーブルを引き出します。すべての唾液を拭くために対象にクリーニングティッシュを提供しながら、ゆっくりと、被写体からのノーズクリップとマウスピースを取り外します。静かに、被写体からのパルス酸素濃度計の指センサーを取り外します。対象は、その後座るとMRIテーブルをオフに取得することができます。 </li></ol>実験後の3のクリーンアップ手順<ol style="margin-left: 40px;"><li>ガスサンプリングチューブ（項目＃9）、エアフィルター（商品番号11）、マウスピース（項目＃5）と、ノーズクリップ（項目＃6）を破棄します。 </li><li>再利用可能なコンポーネントを清掃してください。他の成分から二方弁（項目＃3）を外し、バルブからダイヤフラム（項目＃4）を削除。双方向ソークそのような20分間のコンテナ内Bacdown用洗剤消毒剤などの界面活性剤を含むバルブ（項目＃3）、ダイアフラム（項目＃4）、濃縮無リン消毒剤でU字管（商品番号12）、。洗剤、消毒剤及び蒸留水の希釈率が1:64である。 </li><li>蒸留水で完全に3.2で説明した項目をすすぐ。 </li><li>圧縮空気でU字管（商品番号12）を乾燥させます。明確なカウンターに二方弁（項目＃3）、ダイアフラム（4項目＃）を配置し、それらを乾燥、自然と完全に許可する。 </li><li>ダグラスバッグを空にします。シグナリングバーとグレーチューブを離れて置きます。 </li></ol>計算CVR地図へ4.データ解析<ol style="margin-left: 40px;"><li> DICOMファイルフォーマットまたは他のベンダー固有の形式でMRIデータを保存します。各ファイルは一つの時間点に対応する3Dボリューム（ 例えば、BOLD画像）を含有する、ラボコンピュータにデータを転送し、ボリュームごとのボリュームのファイル系列にデータを変換する。 </li><li>前処理された画像データ。再編、正規化、およびソフトウェアの統計的パラメトリックマッピング（SPM）が提供するライブラリ関数を呼び出すスクリプトを使用して平滑化を含む画像前処理の手順を実行します。 MATLABスクリプトの例については、補足コードファイル1を参照してください。 </li><li> CO 2記録を読み取るために、スクリプトを使用して予め較正量だけ時間的経過をずらしてサンプリングチューブの遅れを補正する（ 例えば、マウスピースと1つの呼吸の間の時間差として決定され、この設定で12秒CO2の記録上のその息）の外観、および生の時系列のエンベロープ（正のピーク）であるEtCO2のを抽出。 MATLABスクリプトのために補足コードファイル2を参照してください。 </li><li>同期タイマーに基づいて、セグメントETCO 2のデータは、25秒からの事前の最後の画像取得後100秒に最初の画像取得にのみ記録を維持する。 ETCO 2時間のコースです血管系への入力機能と、後述する線形回帰分析における独立変数として使用される。 </li><li>時間シフトを変化させて、これら二つのタイムコースの間の相互相関係数（CC）を算出し（肺で測定）のEtCO 2および（脳で測定）MRI信号との間の生理学的な遅延を識別する。より高いCCを与えるシフト値は、最適な時間とみなされる。 </li><li>のEtCO 2時間経過が最適な遅延によってシフトされ、MRI信号のそれと一致する唯一の時点は、MRI信号と同じ長さで時系列的に得られ、保存される。 </li><li>シフトEtCO2のタイムコースは独立変数であり、MRI信号の時間経過が従属変数であるSPMを用いたボクセルの線形回帰を行う。 </li><li> CVRのボクセルマップを計算します <img alt="式1" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/52306/52306eq1.jpg" /> ここで、（i、j、k）をtとする彼はβ1はEtCO2のとβ0に関連した回帰係数は定数項に関連した回帰係数である、インデックスボクセル。 分（ETCO 2）は時間経過でETCO 2の最小値です。 </li></ol>

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HLとPLは、UTサウスウェスタンメディカルセンターが所有する、ガス供給システムの一部を説明する暫定特許の発明者です。

このレポートでは、MR-互換性のあるガス供給システムと、人間の脳内の血管反応性のマッピングを可能にする総合的な実験プロトコルを発表した。ガス送出システムの概略図を図1に示されている。MRIスキャナ室内のすべての部品は、プラスチック、それらのMRI適合性を確保するためである。システムは、概念的に、ガス吸気サブシステム（袋、送達チューブ、二方弁）、呼吸インターフェイスサブシステム（ノーズクリップ、マウスピース、U字管）を含む三つのサブシステムに分割することができ、かつ監視サブシステム（CO 2濃度、酸素飽和度、心拍数、呼吸数）。ガス吸気サブシステムは、ガスは二方弁に到達するために吸入することを可能にする。空気を吸入するが、呼気だけでなく、このサブシステムを通って流れることになる。呼吸インターフェイスサブシステムは、被験者が意図したガスにして息を吐き出すことができます。両方の吸入及び呼気ガスは、このサブシステムを通って流れることになる。 monitoringのサブシステムは、したがって、呼吸インターフェイスサブシステムに沿った点でガスをサンプリングする必要がある。 この技術の臨床応用は、脳卒中、アテローム性動脈硬化症、モヤモヤ病、血管性認知症、多発性硬化症、脳腫瘍などの神経疾患、脳血管予備の評価を含むことができる。技術はまた、神経活動23,24をよりよく定量化するためのfMRI信号を正規化または較正するための機能的MRI研究に使用することができる。 提案されたシステムおよび実験プロトコルの重要な特徴は、最小限の動きまたは不快感を引き起こしながら、ガス混合物は、被験体に送達することができることである。したがって、U字管（商品番号12）は（それの端部に接続口金）が自然に被験者の口の中に下向きに収まるように配置することが重要である。この方法は、被験体は、保持またはマウスピースを支持するために彼の顔の筋肉を使用する必要がない。また、インポートされ対象は、マウスピースが自分の口の中にある間に話をすることができなくなりますので注意してくださいするにはアリ。そのため、研究者は質問のトーンを有する対象に話を避けるべきである。その代わりに、唯一の明確な、決定的な命令が与えられるべきである。さらに、研究者は、実験の全過程の間、生理的パラメータ（ 例えば、ETCO 2、SO 2、心拍数、呼吸数）に細心の注意を払う必要がありますし、1または生理的パラメータの複数が典型的な範囲外に逸脱したときに迅速に対応。 文献で ​​使用される他のガス送達システムの徹底的な調査は、この記事の範囲を超えているが、それは少数の一般的に使用されるもの17,18に現在のシステムを比較することが有用です。主な違いは、私たちのシステムは他のほとんどのシステムがデザインのマスクを使用しているが意図されたガスを提供するためにマウスピースを使用していることです。マスクを使用することの潜在的な合併症は、2つの折り目である。まず、マスクoをスペースのかなりの量をccupies、それは常に多くの科目のために、彼らの鼻がほとんどであってもマスクなしヘッドコイルに触れるだろう、ことを考えると、ヘッドコイルの内側にタイトな空間にマスクをフィットすることが実現可能ではないかもしれません。これは、特に、通常、被検者の頭部にしっかりとフィットするように設計された高感度を達成するために意図された頭部コイルの場合である。マスク設計に関連する第合併症は、吸入及び吐き出されたガスの実質的な混合をもたらすマスク内部に大きなスペースがあることである。したがって、理想的に吐き出されたガスのみに基づくべきであるのEtCO 2の測定の精度に影響を及ぼす可能性がある。正確のEtCO 2は CVRマップの信頼性にとって重要なことは勿論である。他の多くのシステムと比較して我々のシステムのもう一つの大きな違いは、私たちのシステムは、バッグの代わりに、ガソリンタンクからガスを提供することである。したがって、タンクが続きで貴重なスペースを節約し、スキャナ領域に必要とされない<html> MRIスイートのROL室。我々の設計では、スキャン開始前にバッグを持参し、スキャン後に、バッグは、空に折り畳まれ、そして片付ける。最後に、いくつかの他のシステム18,21に比べて、現在のガス送達システムは単純であり、より少ないトレーニング時間を必要とし、その消耗品が安価である。 なお、このレポートに記載のプロトコルは、主に、CO 2吸入に焦点を当ててきた提示ガス送達システムは他のガス混合物（ 例えば、O 2、CO 2の任意の画分のいずれかの画分の送達を可能にする、任意のが、ことを指摘すべきであるsは/彼はMRIスキャナーの中に横たわっている間に彼らが呼吸するためにヒトにN 2、およびそれらの組み合わせ）の割合。一つには、脳波図（EEG）、磁図（MEG）、ポジトロン放出断層撮影（PET）、または最適なイメージングに関連して、例えば、MRIのコンテキストの外部ガス送出システムを使用することができる。 撮像パラメータの推奨を提供する場合_content &quot;&gt;は、主にBOLDシーケンスに焦点を当てている。潜在的にCVRのマッピングに使用することができる他の配列は、動脈スピンラベリング脳血流（CBF）の定量的尺度を提供する（ASL）MRI、ある生理学的な単位（毎分100gの組織当たりミリリットルの血液）であるため、ASLベースCVRマッピングの利点は、血流の組み合わせ効果を反映BOLD信号とは異なり、結果は解釈が容易であることで、血液量、ならびにCO 2のチャレンジ25-27中の脳代謝の変化の可能性の寄与であるが、ASL法の制限は、その感度がBOLD 28のそれよりも数倍低いことである。その結果、我々の経験は、現時点では、それがあることであるASLを使用して、個々のレベル、ボクセルCVRマップを得るために非常に挑戦的であるため、CVRの応用研究のために、我々は、主にBOLDシーケンスを使用し、ひいてはのouこの技術に焦点を当てるR勧告。 本発明の方法の1つの制限は、（ノーズクリップによって）ブロックされた鼻とマウスピースを介して呼吸が完全に自然ではなく、一部の被験者（特に、患者が）不快感の源としてこれを認識することができることである。マウスピースと鼻クリップで呼吸することも閉所恐怖症感を悪化させる可能性がある。さらに、対象は、原因だけ口で呼吸に口渇が発生する可能性があります。したがって、研究者が迅速に実験を完了するために彼のベストを尽くすことをお勧めします。最後に、著者の経験に基づいて、上記の潜在的な不快感が一時的であるとすぐ実験が終了すると消えます、ことに注意することが重要です。

脳は全体重の約2％に相当するが、総エネルギー1の約20％を消費する。驚くことではないが、十分かつ慎重に調整された血液供給は、脳が正常に機能するため、この高エネルギー需要とを満たすために非常に重要です。さらに、脳の異なる領域が異なる時間に血液供給の異なる量を必要とすると、空間的に不均一で時間的に動的な器官である。従って、血液供給の動的調​​節は、ヒトの脳循環に重要な要件を表す。幸いなことには、血管がちょうどパイプ材ではなく、血管の重要な機能は、脳及び生理的条件2の需要に基づいて拡張及び収縮されることが知られている。 脳 - 血管 - 反応性（CVR）として知られている血管のこの機能的特性は、血管の健康の有用なインジケータであると考えられ、いくつかの神経conditioにおける用途を見出すことができる卒中3、痴呆4、アテローム性動脈硬化症5、小血管疾患6、脳腫瘍7、モヤモヤ病8、および薬物中毒9ナノ秒。生理学および麻酔の文献で ​​は（ 例えば、CO 2の少量の吸入）が血管反応10-13を監視しながら、動脈血CO 2レベルを変化させることにより、CO 2ガスは、強力な血管拡張剤であるため、CVRを評価することができることが知られている。イメージングと放射線医学分野では、MRIを用いCVRマッピングが急速に多くの基本的な科学者や臨床医8,14-19ための関心の新しいマーカーとして浮上している。これは通常、多くの血管応答は血管作動性チャレンジによって誘導されるかを調べることによって推定される。しかし、実験プロトコルのガス送出システムと標準化における技術的な進歩が必要とされている。 MRIスキャナ内部の対象に特別なガス混合物を提供することは些細な、特別な考慮事項はありませんMRI対応設計のために必要とされる。特別な考慮事項は、MRI互換のガス供給システムを設計する際に必要とされる。これらの特別な考慮事項は、1）すべてのコンポーネントは、（金属はMRI内では使用できません）、非金属でなければなりません。 2）システムは、MRIシステムとそのヘッドコイルが許可されていることを小さな空間内で動作するはずです。 MRIスキャナは、必要に応じ3）システムが無い不快感、座っするのではなく）（横たわっダウン位置で動作するはずです。 4）そのような呼気終末CO2（EtCO2の、動脈血中のCO2含有量の近似値）と動脈血酸素飽和度などの関連する生理学的パラメータは、タイミング精度を秒で正確に記録し、分析用にコンピュータに保存されるべきである。これらの問題は、CVRマッピングの適用範囲を制限することができる。 本稿では、被験者がMRIスキャナの内側に横たわっている間インスピレーションガスの含有を変調するために総合的なガス供給システムを使用して実験プロトコルを提示した。私達このアプローチをる、研究者は、非侵襲的に最小限の不快感やバルク運動に参加者に血管作動性刺激を適用することができます。生理的パラメータおよびMRI画像は、室内空気と高炭酸ガス呼吸の交互ブロック（ブロックあたり1分）から構成されていた約9分の全期間、中に記録された。代表的な結果を提示されている。潜在的な用途と制限事項が説明されています。

<table><tbody><tr><td>ダグラスバッグ&nbsp;</td><td>ハーバード装置</td><td></td><td>500942 200 L 容量</td></tr><tr><td>三方弁</td><td>ハンスルドルフ</td><td>CR1207</td><td>100% プラスチック</td></tr><tr><td>双方向非再呼吸弁</td><td>ハンスルドルフ</td><td>CR1480</td><td>22 mm/15 mm</td></tr><tr><td>内径 ダイヤフラム</td><td>ハンス・ルドルフ</td><td>602021-2608</td><td>サイズ:中、タイプ:スパイラル</td></tr><tr><td>マウスピース</td><td>ハンス・ルドルフ</td><td>602076</td><td>シリコーン、モデル #&nbsp;9061</td></tr><tr><td>ノーズクリップ</td><td>ハンス・ルドルフ</td><td>201413</td><td>プラスチックフォーム、モデル #9014</td></tr><tr><td>ガス供給チューブ</td><td>真空</td><td>1011-108</td><td></td></tr><tr><td>ブルーカフ</td><td>真空</td><td>22254</td><td></td></tr><tr><td>ガスサンプリングチューブ</td><td>QoSINA</td><td>T4305</td><td>薄型</td></tr><tr><td>オスルアー</td><td>QoSINA</td><td>11547</td><td></td></tr><tr><td>疎水性フィルター</td><td>フィリップスメディカルシステムズ</td><td>9906-00</td><td>ディスポーザブル</td></tr><tr><td>U 字型チューブ</td> 自社<td>製</td><td></td><td></td></tr><tr><td>エルボー コネクタ</td><td>QoSINA</td><td>51033</td><td></td></tr><tr><td>EtCO2 モニター</td><td>フィリップス メディカル システム</td><td>モデル 1265</td><td></td></tr><tr><td>パルスオキシメトリ&nbsp;</td><td>Invivo</td><td>Expression</td><td>MRIモニタリングシステム</td></tr><tr><td>MRIスキャナー&nbsp;</td><td>フィリップ</td><td>スAchieva 3.0T TX</td><td></td></tr><tr><td>消毒剤</td><td>フィッシャーサイエンティフィック</td><td>04-355-13</td><td>デコンBDDバクダウン洗剤消毒剤</td></tr></tbody></table>

ガス吸入課題を経由して脳血管反応性のmriのマッピング

MRI Mapping of Cerebrovascular Reactivity via Gas Inhalation Challenges

脳は、異なる領域が異なる時間に血液供給の異なる量を必要とすると、空間的に不均一で時間的に動的な器官である。したがって、拡張または収縮する血管の能力、脳、血管、反応性（CVR）として知られているが、血管機能の重要なドメインを表す。この動的な性質を表す画像化マーカーは、脳卒中、認知症、アテローム性動脈硬化症、小血管疾患、脳腫瘍、外傷性脳損傷、多発性硬化症などの正常および病的条件下では、脳血管の新たな情報を提供する。ヒトにおいて、このタイプの測定を行うためには、定量的な脳の磁気共鳴画像（MRI）を回収している間および/ ​​またはO 2ガス混合物は、CO 2などの血管作動性刺激を送達することが必要である。本研究では、MR互換性のガス送出システムと特殊ガスの混合物（ 例えばの送達を可能に関連するプロトコルを提示し、 </em&gt;のO 2、CO 2、N 2、およびそれらの組み合わせ）被験者は、MRIスキャナの内側に横たわっている。このシステムは、経済的、比較的簡単であり、かつ使いやすく、かつ実験的なプロトコルは、神経疾患との両方の健康なボランティアと患者のCVRの正確なマッピングが可能。このアプローチは、広範な臨床用途および脳血管の病態生理学のより良い理解に使用される可能性がある。ビデオでは、我々はMRIスイート、どのように人間の参加者に完全な実験を行っ内部のシステムを設定する方法を示します。

2つのタイプのデータが、提案されたプロトコル、生理学的記録およびMR画像を収集される。代表的な被験者からの生理的パラメータの2及び図3の記録を示す。図2のブラックトレースは、マウスピースの近くにサンプリングされた空気中のCO 2含有量を表し、CO 2モニターによって記録されたCO 2時間経過を表示します。このトレースは、時間の関数として急激に変動することに注意してください。呼吸サイクルの吸入相の間に、この記録が吸入空気中のCO 2含有量を反映し、呼気相の間、この記録は呼気中のCO 2含有量を反映しているからである。このように、各呼吸サイクルの上限ピークは、呼吸終期CO 2またはのEtCO 2は 、約動脈血中のCO 2濃度として使用することができ、肺、中のCO 2含有量を表すと呼ばれる。目に注意してください動脈血中のCO 2濃度で血管拡張反応の駆動力、 すなわち、入力された関数である。 CO 2のトレース（ 図2の赤い曲線）のピークは、手動検査および訂正と組み合わせて、各呼吸の間にピークを検索する検出アルゴリズムを描写した。これは、部分的な呼吸の急激なピークを除去するために、脳血管への肺血管からの流れの過程で血液の混合を説明するためにメディアンフィルタ処理を行った。最終のEtCO 2時間経過は図2の緑色の曲線で示され、それはCVRの計算に使用される。 図3は、呼吸数、動脈血酸素飽和率（SO 2）、および心拍数の推移を示している。 SO 2及び心拍数は、パルス酸素濃度計から得ている間、呼吸速度は、CO 2モニタから得られる。 sであることができるようなEEN、これらのパラメータは高炭酸ガスの挑戦との体系的な変化を示していない。したがって、肺中のO 2分圧が緩やかに増加し、対象における過換気を引き起こすないよう高炭酸ガスに注意してください。しかし、血中ヘモグロビンが既に大部分が室内空気の呼吸で飽和するように2への影響は軽微であり、酸素解離曲線は、その範囲内ではなく平坦である。 図4は 、実験の異なる時点での代表的なBOLD MR画像を示す。 （任意のMR単位）の平均信号強度も示す。これは、脳内のBOLD信号はCO 2吸入との増加を示すことがわかる。室内空気とCO 2の期間との間の信号の差の振幅が1〜3％程度であることに留意されたい。 生理学的記録とMR画像からのデータを組み合わせる、ボクセルCVRマップを計算することができる。 図5に示す代表結果の優れた再現性を実証する5異なる日にスキャンされた健常者の、（mmHgのCO 2変化当たり％の信号変化の単位）CVRマップ。提案された技術は、これまで、アルツハイマー病4、多発性硬化症21、運動トレーニング20,22老化の研究に適用されている。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig1highres.jpg" /> 図1.ガス送出システムの図。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig2highres.jpg" /> 代表主題デュから図2. CO 2時間経過実験を鳴らす。室内空気呼吸期間（左下）および5％CO 2吸入期間（右下）のために示されているCO 2モニターによって記録されたように呼吸ごとのCO 2含有量トレースのセグメント。抽出されたETCO 2時間のコースが着色曲線に示されています。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig3highres.jpg" /> 図3は、実験中の代表的な被験体からの生理パラメータを録画（A）、呼吸速度（拍毎分呼吸）被験者の時間経過。（B）は 、被写体の2（％）の時間経過。（C）ハート率（BPM、分あたりのビート）被験者の時間経過。被写体がある<html> 図1と同様の1。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig4highres.jpg" /> 図実験の異なる時間に4。代表的なBOLD MR画像。表示された脳切片の平均シグナル強度（MNI空間での軸方向のスライス＃54）は、一番下の行に示されたされている。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig5highres.jpg" /> 図代表被験者から5。代表的なCVRマップ。.jove.com /ファイル/ ftp_upload / 52306 / 52306fig5large.jpg「ターゲット= &quot;_空白&quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

脳血管の非侵襲的イメージングにより、さまざまな神経疾患における脳血管の病態生理学をより深く理解できるかもしれません。本報告では、磁気共鳴画像法(MRI)を使用してヒトの血管反応性イメージングを実施するための、再現性があり患者に快適なプロトコルについて説明しています。

ガス吸入課題を経由して脳血管反応性のMRIのマッピング

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

この手順の全体的な目的は、記録中に血中の二酸化炭素ガス含有量を調節し、MRIによる脳血流の変化を記録することで、脳血管反応性を測定することです。まず、MRI対応のガス供給システムをセットアップすることでこれを実現します。第2に、呼気終末二酸化炭素などの生理学的パラメータを記録するために必要な装置をセットアップします。次に、被験者にノーズクリップとマウスピースを装着させ、心地よい呼吸リズムで口呼吸するように指示します。最後のステップはMRIスキャンを行うことで、その間に吸入ガスを室気と二酸化炭素で周期的に切り替えます。最終的に、MRIデータと潮汐CO2の線形回帰分析を行い、脳血管反応性を決定します。文献にある既存の手法と比較して、このCVRマッピング技術の主な利点は、ガス供給システムが単純であることです。この手順は習得に必要な時間が短く、装置のコストも抑えられます。同僚2名とヤメチャンと共に、本手順のデモンストレーションを行います。実験の前に、まずこちらに示されているガス供給システムの図を確認してください。次に、5%の二酸化炭素、21%の酸素、および74%の窒素を含む医療用グレードの混合ガスを200リットルのDouglas bagに充填し、セットアップを開始します。次に、一方向へのガスフローを確保するため、2つのダイヤフラムを二方非再呼吸バルブに装着します。その後、この組み立て済みの二方バルブとガスを満たしたダグラスバッグをマグネット室に運びます。ガス供給チューブを二方バルブの入力端に接続し、重量を支えるためにヘッドコイルの側面に固定します。デリバリーチューブのもう一方の端を、ガスが充填されたDouglasバッグに接続します。ガスサンプリングポートが密閉されたエルボコネクタを用いて、マウスピースをU字管に接続します。次に、別のエルボコネクタを介して、ガスサンプリングチューブをU字管に接続します。ガスサンプリングチューブのもう一方の端に小型エアフィルターを接続します。次に、エアフィルターのもう一方の端を二酸化炭素モニターに接続します。これはMRI室のコントロールルームで行います。二酸化炭素モニターとパルスオキシメトリモニターの電源を入れ、二酸化炭素モニターの自動校正を行います。次に、USBポートを介してモニターをノートパソコンに接続します。その後、モニターと通信するハイパーターミナルソフトウェアを起動します。モニターを同期させるために、タイマーを使用して各モニターの時間を記録します。タイミングの差は後で補正することが可能です。データ処理において、シグナリングバーの一端を導波管に挿入し、一端が磁場室内に、もう一端が制御室にある状態にします。このバーは、スキャン中に三方バルブの切り替えが必要な場合に、マグネットルーム内にいる研究者に通知するために使用します。MRI安全性のスクリーニングを行い、インフォームドコンセントを得た後、被験者をMRIテーブルに就かせます。スキャン手順中に不快感が生じた場合に備え、ナースコールボタンを提供してください。次に、被験者にタオルで鼻を拭くよう指示します。皮膚から油分を除去するため、被験者に口呼吸を行い、呼吸リズムを確立して維持するように指示し、ノーズクリップを装着させます。その後、U字管の開口端をエルボコネクタを介して2方バルブの中央ポートに接続します。次に、被験者が呼吸できるようマウスピースをそっと装着させます。続いて、パルスオキシメータの指センサーを慎重に取り付けます。被験者の頭部がヘッドコイルのISO中心にあることを確認してください。次に、MRIテーブルをマグネットボア内にスライドさせます。この時点で、被験者をモニターし、Douglasバッグの三方弁を切り替えるために、研究者が1名マグネットルーム内に留まる必要があります。この研究者が、コントロールルームでのMRIノイズを遮断するために耳栓とヘッドセットを着用していることを確認してください。二酸化炭素モニターおよびパルスオキシメーターに表示される呼気終末CO2と動脈血酸素飽和度のパラメータを確認します。ノートパソコンでこれらのパラメータの記録を開始します。3 Tesla MRIスキャナーを用い、血中酸素濃度依存（BOLD）シーケンスでスキャンを開始します。ここではイメージングパラメータを詳しく確認します。スキャンの間、被験者の生理学的測定値を監視してください。バルブ切り替えのタイミングが記載された事前準備済みのシートを確認し、切り替えが必要なタイミングでシグナルバーを静かに振ってください。合図があったら、磁気室内の研究者はシグナリングバーの動きに基づいてDouglas bagを切り替え、被験者が吸入するガスの種類を制御します。この手順を、9分間の撮像期間中、研究期間が終わるまで継続してください。バルブの切り替えが、約1分ごとに1回行われるようにしてください。終了後のタイトルであるCO2タイムコースが記録されていれば、切り替えのタイミングは厳密に正確である必要はありません。インターホンを使用して、被験者にスキャンが完了したことを知らせてください。その後、スキャナーテーブルをスライドさせて出し、唾液を拭き取るためのクリーニングティッシュを提供しながら、被験者からノーズクリップとマウスピースを慎重に取り除きます。指センサーをそっと取り外してください。その後、被験者に体を起こさせ、MRIテーブルから降りてもらいます。ガスサンプリングチューブ、エアフィルター、マウスピース、およびノーズクリップは廃棄し、再利用可能なコンポーネントはすべて洗浄してください。2方バルブを他のコンポーネントから取り外し、バルブからダイアフラムを取り除きます。二方弁、ダイアフラム、およびU字管を、界面活性剤を含む濃縮リン酸フリー消毒剤（Back Down 洗浄消毒剤など）に浸漬します。容器の中で20分間浸漬させた後、蒸留水で十分にすすぎます。U字管は圧縮空気で乾燥させてください。2方バルブとダイヤフラムを清潔なカウンターの上に置き、自然乾燥させます。ダグラスバッグを完全に空にし、シグナリングバーとグレーのチューブを片付けます。最後に、MATLABおよび統計パラメトリックマッピング（SPM）ソフトウェアを用いて、記録された呼気終末CO2の時間経過データとBOLD画像をデータ解析します。SPMを用いて、シフトさせた呼気終末CO2の時間経過を独立変数、MRI信号の時間経過を従属変数としたボクセルごとの線形回帰分析を行います。出力結果は脳血管反応性マップである。この図は、異なる実験時点における代表的なBOLD画像を、最下段には平均信号強度を示している。二酸化炭素の吸入に伴い、脳内のBOLD信号が増加していることがわかります。室空気吸入時と二酸化炭素吸入時の信号差は、振幅で1～3%程度であることに注意してください。この図は、1mmHgあたりの信号変化率（%）で表した代表的な脳血管反応性マップを示しています。二酸化炭素。5日間にわたってスキャンした健康な被験者の変化であり、一度習得すれば結果の再現性が極めて高いことを示しています。適切に実施し、当論文に記載されている適切なデータ解析を行えば、この手法は9分以内に完了でき、脳血管反応性マップを得ることができます。

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Medicine

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ガス吸入課題を経由して脳血管反応性のMRIのマッピング

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