Name: 肺換気および灌流 (V/Q) 評価のための位相分解機能肺 MRI (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-08-09T12:50:00.000+00:00
Duration: 5 min 56 s
Description: 学ぶ位相分解機能肺MRIによる肺換気・灌流の動的評価法。COPDや嚢胞性線維症の治療効果定量化や早期診断に有用な非侵襲的イメージング技術を習得できます。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

<meta charset="utf8"></head><body>疾患の検出とモニタリングのための高度な肺イメージング

呼吸器系は、その複雑なメカニズムにより、さまざまな病気に対して脆弱です。特に、慢性閉塞性肺疾患(COPD)、嚢胞性線維症(CF)、慢性血栓塞栓性肺高血圧症(CTEPH)などの慢性呼吸器疾患は、平均余命を大幅に短縮します1。その結果、早期診断、モニタリング、治療反応評価が最も重要になっています。
肺機能検査 (PFT) は、1 秒間の強制呼気量 (FEV1) と強制肺活量 (FVC) の比率として定義される Tiffeneau-Pinelli 指数などの全体的な肺機能パラメーターを導き出すことができます2。このようなパラメータは、臨床ルーチンでは十分に確立されていますが、地域情報が不足しており、高いレベルの患者コンプライアンスが必要です。この点で、イメージングは、より感度の高いパラメーターについて、さらなる洞察と可能性を提供することができます。コンピュータ断層撮影(CT)は、実質形態の高解像度イメージングを提供し、パラメトリック応答マッピングなどの最近の技術も機能情報を取得します3。それにもかかわらず、単一光子放出型コンピュータ断層撮影法(SPECT)は、肺の換気と灌流(V/Q)を描写するための現在のゴールドスタンダードであり続けています4。すべてに共通して、前述のイメージングモダリティは電離放射線への曝露を必要とし、モニタリングや脆弱なグループの場合には特別な考慮が必要です。そのため、MRIを代替法として推進する取り組みが進められています。
本質的に、肺は陽子密度が低く、信号の減衰が速いため、MRIにとって困難な臓器です5。数あるアプローチの中で、最も普及している解決策には、換気のための過分極ガス( 129Xe MRIなど)の使用6や、 灌流描写のためのガドリニウムベースの造影剤の静脈内投与7などがあります。これらの方法は、高い信号対雑音比(SNR)を提供し、MRコミュニティで広くゴールドスタンダードの方法と見なされています。より最近のアプローチでは、造影剤の適用を回避し、従来の陽子MRを自由呼吸で使用し、合計取得時間を~1分/スライスで実現可能としています。したがって、造影剤の潜在的な有害事象や最近議論されている長期的な影響が回避され、追加の過分極や多核ハードウェアを必要とせずに、より簡単に普及することができます。さらに、導出された換気欠陥値8 に影響を与える可能性のある適切な膨張状態を見つける問題は、自由呼吸の取得によって回避される。
この間接的なMR信号ベースのアプローチは、プロトン強調信号Sと肺容量V:S~1/V.9の相互関係を利用したZapkeらによって最初に導入されました.9 これは、自由呼吸で取得された画像を1つの共通の膨張状態(通常は終了呼気と終了吸気の中間位置)に変換するプロセスに基づいており、それによって動きを補償し、各ボクセルの信号時系列を分析することを可能にします。その後、Klimeš et al.10 の式 (1) を使用して、これらのいわゆるレジストレーション画像から換気測定値を導き出すことができます。
<img alt="呼吸換気の方程式: RVent= (VInsp-VExp)/VReg = (SReg/SInsp) - (SReg/SExp)。" src="/files/ftp_upload/66380/66380eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Equation 1">(1)
吸気(Insp)、有効期限(Exp)、および登録状態(Reg)のボリューム/シグナル。その後、フーリエ分解を導入して、呼吸周波数(換気)とパルス周波数(灌流)に関連する信号変調を区別し、したがって、1つの取得から完全に空間的に一致したV / Qマップを導出することにより、方法が拡張されました11。これは、呼吸と心の周波数の間の典型的なギャップによって可能になり、時間領域で互いに重なり合っている両方の成分がフーリエ解析によって周波数領域で効果的に識別されます。最適化された平衡定常状態自由歳差運動シーケンス(bSSFP)12による低磁場(0.35T)から1.5Tへの移行後、この方法はいくつかの追跡研究13,14,15でより注目を集め始めました。
呼吸とパルスは変動性の影響を受けやすく、1.5Tでの市販のbSSFP(グラジエント補償)イメージングは、かなりのバンディングアーチファクト(信号の空隙の明確な線)をもたらす可能性があるため、スポイルドグラジエントエコーシーケンス(SPGRE)と広範なローパスおよびハイパスフィルタリングを組み合わせた関連方法が提案された16,17.これにより、実際の呼吸および脈拍に関連する変調のより複雑なスペクトルがキャプチャされます。時間領域での振幅の次の計算により、特定の周波数ピークを1つ選択する必要がなくなります。1つの参照状態に対する一般的な1ステップ登録を2つの別々のステップに分割することで、さらなる最適化が達成されました。これにより、自由呼吸中に、エンドインスピレーションとエンド呼気の間にさまざまな異なる呼吸フェーズが獲得され、固定状態に向けて必要な変形の程度が異なるという事実が利用されます。いくつかのグループを選択し、個々の画像のグループを特定した後、次の手順が実行されます:1)それぞれの呼吸状態グループ内での登録、2)1つの隣接するグループから次のグループへの段階的なグループ間登録(たとえば、1-&gt;2、2-&gt;3,...)参照グループを表すグループへの登録。このアプローチは、換気および灌流ダイナミクスの分析を容易にするために、より高い見かけの時間分解能を確立するために、各画像の位相推定によってさらに拡張され、このブランチを他の関連技術と区別するための位相分解機能肺(PREFUL)MR用語につながった18。追跡研究では、全呼吸および心周期によって提供される追加情報を利用し、そのようなパラメータ19,20,21の感度が潜在的に増加したことを示しました。
ゴールドスタンダードのSPECTによる検証では、欠陥領域22のサイコロ係数が≥67%であることが明らかになり、129Xeを使用したより直接的な換気測定では、COPD/CF/健康な混合コホート23で換気欠陥率の相関≥62%、CFマルチセンター、マルチベンダーコホート24で84%が示され、PREFULおよび129Xeの肺クリアランス指数(r = 0.82およびr = 0.91)と同様の相関が示されました。同じ研究の灌流分析では、評価されたセンター間でDCEとの空間的重複に有意差がないことが示されました25。DCEとの一致およびセンター間のPREFUL結果の一致も、9つのセンターを含む前向きサブスタディについて報告されました26。COPD患者における再現性分析の結果、すべてのパラメータで変動係数が15%未満であった27。現在の研究では、FVLパラメータは、吸気終末期と呼気終末期のみを考慮に入れた「静的」換気パラメータと比較して、治療変化を検出するための予測力と感度が高いことが示唆されています。COPD28 では、インダカテロール-グリコピロニウム (IND/GLY) による吸入器治療後に、領域流量ループ (FVL) 測定による治療に対する応答性が示されました。これと一致して、FVLパラメータは両肺移植患者の移植片損失を予測しましたが、スパイロメトリーは予測できませんでした(P = 0.02対P = 0.33)29。まず、実現可能性調査では、PREFULによる機能的な肺イメージングが、標準的な臨床MRIハードウェア30,31を使用して、自由呼吸の乳児および新生児で実現できることが示されています。Glandorfらは、1.5Tと3T(SPGRE配列)でPREFULパラメータを比較し、ほとんどのパラメータに有意差はなく、電界強度の違いにもかかわらず再現性が高い32ことを確認しました。これは、すべてのサイトが1.5T以下の電界強度スキャナーにアクセスできるわけではないため、重要な利点になる可能性があります。最近、PREFUL33 で bSSFP データを評価することにより、0.55T での COVID-19 感染後の持続的な症状の実現可能性と検出が実証されました。
要約すると、PREFULは比較的新しい技術であるにもかかわらず、広く研究されてきました。より直接的で確立された測定値による検証、再現性、病理学に対する感度、治療や進行の変化に対する反応性などの重要な基準が評価されました。それにもかかわらず、技術的要件が低いにもかかわらず、この技術を使用している専門センターはごくわずかです。したがって、この作業の目的は、PREFUL MRの最新の方法論を書面および視覚的な形式で要約することです。この情報は、この手法をより多くのセンターで確立するために使用できるため、長期的には、より成熟した手法につながります。

<table><tbody><tr><td>Advanced Normalization Tools (ANTs)</td><td>-</td><td></td><td>Image registration toolbox (https://stnava.github.io/ANTs/; https://github.com/fordanic/image-registration)</td></tr><tr><td>Forsberg-Image</td><td></td><td></td> <td>registration toolbox</td></tr><tr><td>MRI</td><td>Siemens Healthineers AG, Munich, Germany</td><td></td><td>0.55T / 1.5T / 3T Scanner</td></tr><tr><td>PREFUL App</td><td>BioVisioneers GmbH, Laatzen, Germany</td><td></td><td>PREFUL分析・数値・レポート</td></tr></tbody></table>

肺換気および灌流 (v/q) 評価のための位相分解機能肺 mri

Phase-Resolved Functional Lung MRI for Pulmonary Ventilation and Perfusion (V/Q) Assessment

図2の下部は、適切なスケーリングと不適切なスケーリングの結果と、ダイナミックレンジに対応する影響を示しています。図6は、コイルの正規化を使用しないスキャンとコイル正規化を使用したスキャンを代表する不均一な信号分布を示しています。低ダイナミックレンジやコイル正規化のない画像は避けることをお勧めします。
<img alt="胸部画像におけるコイル矯正プロセスの MRI 画像比較。強化前と強化後。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig06.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 6"> 図6:コイル補正なし(不正解)およびコイル補正あり(正解)で取得した後の例示的な画像。 コイル素子の近くのボディ境界での人工的な信号の増強に注意してください。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig06large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
図 7 は、自動セグメンテーションの成功と失敗を示しています。失敗したセグメンテーションにはすべての肺ボクセルが含まれているわけではないため、今後の分析と統計が改ざんされることに注意してください。浸潤がある場合は、AIモデルによる信号が高いため、ボクセルが血管として誤って分類されたり、まったくセグメント化されなかったりする可能性があるため、特別な注意が必要です。
<img alt="肺セグメンテーション、MRI 分析、比較図、セグメンテーション段階、画像スライス、被験者 A および B。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig07.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 7"> 図7:自動セグメンテーションの例で、失敗(被験者A:COPDの83歳男性)と成功した結果(被験者B:30歳女性、健康な対照 )が得られました。最初の行には、AI モデルの入力として使用された画像が表示されます。2 行目は、肺の境界を見つける最初のセグメンテーション段階の結果を示しています。3行目は、船舶を除外した後の最終結果を示しています。青い矢印で示されているように、アルゴリズムは、誤った肺境界検出を引き起こす高信号の肺分散によって課題に直面しました。画像は最大信号によって正規化されたため、被験者Aに対して実行されたスキャンのコイル正規化が欠落しているため、異なる結果が生じたことに注意してください。略語:COPD =慢性閉塞性肺疾患;ROI = 関心領域。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig07large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
図 8 と 図 9 は、健康なコントロール(30 歳、女性)と COPD 患者(60 歳、男性)の代表的なパラメータ マップを示しています。健康なコントロールでは、より均質な換気と灌流が示され、したがって欠陥ボクセルが少ないことに注意してください。ROI統計の対応するレポートは、 表4 および 表5にあります。
<img alt="局所流量と体積の定量化による灌流、換気肺機能分析図。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig08.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 8"> 図8:30歳の女性の健康なコントロールのPREFFULパラメータマップ。灌流(1行目)、局所換気(2行目)、流量ループ相関メトリック(3行目)、およびしきい値化されたV / Qマップ(4行目)。実質値の均質な分布と低い欠陥率に注目してください。略語:PREFUL =位相分解機能肺;V =換気;Q = 灌流。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig08large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="肺機能分析図;灌流、換気、動的換気、V/Q画像の組み合わせ。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66380/66380fig09.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 9"> 図9:60歳の男性COPD患者のPREFULパラメータマップ。灌流(1行目)、局所換気(2行目)、流量ループ相関メトリック(3行目)、およびしきい値化されたV / Qマップ(4行目)。実質値の不均一な分布と高い欠陥率に注意してください。略語:COPD =慢性閉塞性肺疾患;PREFUL = 位相分解機能肺;V =換気;Q = 灌流。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380fig09large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
表4:健康な対照(30歳の女性)について得られたPREFULパラメータの例示的な報告。 変動係数と欠陥値が低く、同じ被験者の 図8 に示されているパラメータマップと一致していることに注意してください。 表 5 と 図 9 も参照してください。略語:PREFUL =位相分解機能肺。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380_Table_4_rev.xlsx" target="_blank">この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
表5:COPD患者(60歳男性)について得られたPREFULパラメータの例示的な報告。 高い変動係数と欠陥の値は、同じ被験者の 図 9 に示されているパラメータ マップと一致していることに注意してください。 表 4 と 図 8 も参照してください。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/66380_Table_5_rev.xlsx" target="_blank">この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足資料: PREFULアルゴリズムのアニメーション説明。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66380/JOVE_All_Screen_Recordings.mp4" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

肺換気および灌流 (V/Q) 評価のための位相分解機能肺 MRI

Fourier decomposition is a contrast agent-free 1H MRI method for lung perfusion (Q) and ventilation (V) assessment. After image registration, the time ...

phase-resolved-functional-lung-mri-for-pulmonary-ventilation

Research

JoVE Journal

Medicine

医学

生理的条件の様々な環境下で肺血流の分布を調べるためにMRイメージング法、この場合、3つの異なる吸入酸素濃度への暴露：低酸素、酸素正常状態、および高濃度酸素は、説明されています。この手法は、MRスキャンの環境で、人間の肺生理学の研究技術を利用しています。...

キャリブレーション動脈スピンラベリングを用いた肺血流の磁気共鳴イメージングの定量化

Three-dimensional (3D) phase-resolved functional lung (PREFUL) は、一回換気と造影剤フリー取得を 8 分間使用して、ヒトの肺容積全体の局所換気を定量化できる機能的磁気共鳴画像法 (MRI) 技術です。ここでは、3D...

三次元位相分解機能的肺磁気共鳴イメージング法

気管支熱形成術は、過剰な気道平滑筋を減らすために正確に制御された方法で気道壁への熱エネルギーを供給重症持続型喘息のための非薬物手順です。気道平滑筋を減らすと、それによって喘息の発作の頻度を減らすこと、収縮する気道の能力を減少させる。...

気管支熱形成術：重篤な喘息の新しい治療アプローチ

肺は全身気管支動脈と肺動脈の両方によって灌流される。ほとんどの肺の病変では、堅牢な血管新生を示す小さい全身の血管系である。肺血流の停止は好調気管支血管新生を促進する。我々は気管支血管新生を促進し、左肺動脈の虚血を誘導手術の詳細を提供します。...

虚血ラットの肺の血管新生

私たちは、マイクロコンピュータ断層撮影法を用いて腺癌マウスモデルの肺における腫瘍結節の発生を検出する方法と、その使用を経時的な結節サイズの変化および治療に反応して監視するための方法について説明します。評価の精度は、エンドポイントの組織学的定量化によって確認されました。...

腫瘍の開発の評価のためのマイクロコンピュータ断層撮影を使用し、肺癌のマウスモデルでの治療に対する応答のフォローアップ

運動に肺の拡散及び血管系の応答を評価するために、我々は、肺内動静脈吻合の動員を評価するために毛細血管の血液量および膜拡散能、ならびに撹拌生理食塩水のコントラスト心エコー検査を決定するために、複数の風の酸素拡散能力の技術が記載されています。...

トレーニング中の肺毛細管血液量、膜拡散能力、及び肺内動静脈吻合の評価

特定の換気イメージングは、ヒトの肺における地域特有の換気の定量化を可能にする機能的な磁気共鳴イメージング技術で、造影剤として吸入酸素を使用する。ここでは、特定の換気画像データを収集・解析するためのプロトコルを紹介します。...

造影剤としてのプロトン磁気共鳴イメージングと酸素を用いたヒト肺における特定の換気の定量的マッピング

ここに提示されるPCLSマウス肺組織の血管収縮性を維持するためのプロトコルは、多数の手順に影響を受けやすい最大10日間保存することができる肺血管構造および気道の洗練された3次元画像をもたらす。...

前生体肺の構造と収縮性研究のための効率的なツールとしての精密切断肺スライス

この論文では、カスタムメイドのプラットフォームでの調達、取り付け、および管理を含む、陰圧換気 のその場肺...

正常母性陰圧換気 ex situ 肺灌流:肺機能と代謝の評価

正常温候性 ex situ 心灌流(NESP)中のドナー心臓の機能評価のための信頼できる非侵襲的アプローチは不足しています。本明細書では、心外エコー検査およびコンダクタンスカテーテル法を用いた心筋性能の ex situ...

Ex-situ灌流中のドナー心臓の機能評価:圧力-体積ループと表面心エコー検査からの洞察

学ぶ位相分解機能肺MRIによる肺換気・灌流の動的評価法。COPDや嚢胞性線維症の治療効果定量化や早期診断に有用な非侵襲的イメージング技術を習得できます。

肺換気および灌流 (V/Q) 評価のための位相分解機能肺 MRI

さらに動画を探す