Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Kvantitativ kortlægning af specifik ventilation i den menneskelige lunge ved hjælp af Proton magnetisk resonans imaging og ilt som kontrastmiddel

Published: June 5, 2019 doi: 10.3791/59579
Automatic Translation
1, 2, 1, 1, 1
1Pulmonary Imaging Laboratory, Department of Medicine, University of California, San Diego, 2Pulmonary Imaging Laboratory, Department of Radiology, University of California, San Diego

Summary

Specifik ventilation Imaging er en funktionel magnetisk resonans imaging teknik, der giver mulighed for kvantificering af regionalspecifik ventilation i den menneskelige lunge, ved hjælp af inhaleret ilt som et kontraststof. Her præsenterer vi en protokol til indsamling og analyse af specifikke ventilations billeddata.

Abstract

Specifikke ventilations billedbilleder (SVI) er en funktionel magnetisk resonans billedbehandlings teknik, der kan kvantificere specifik ventilation – forholdet mellem den friske gas, der kommer ind i en lunge region divideret med regionens endeudånings volumen – i den humane lunge, kun ved hjælp af inhaleret ilt som kontraststof. Regional kvantificering af specifik ventilation har potentialet til at hjælpe med at identificere områder med patologisk lungefunktion. Ilt i opløsning i væv forkorter vævets langsgående afslapnings tidspunkt (T1), og dermed en ændring i vævs iltning kan påvises som en ændring i T1-vægtet signal med en inversion opsving erhvervede billede. Efter en brat ændring mellem to koncentrationer af inspireret ilt, afspejler den hastighed, hvormed lungevæv inden for en voxel ækvilibrerer til en ny Steady-State, den hastighed, hvormed hjemmehørende gas erstattes af inhaleret gas. Denne hastighed bestemmes af specifik ventilation. At fremkalde denne pludselige ændring i iltning, skiftevis indånder 20-ånde blokke af luft (21% ilt) og 100% ilt, mens i MRI-scanneren. En trinvis ændring i inspireret oxygen fraktion opnås ved brug af en brugerdefineret tredimensionel (3D)-trykt flow bypass system med en manuel switch under en kortslut-Expiratory åndedrag hold. For at detektere den tilsvarende ændring i T1, en global inversion puls efterfulgt af en enkelt skudt hurtig spin ekko sekvens blev brugt til at erhverve to-dimensionelle T1-vægtede billeder i en 1,5 t MRI-scanner, ved hjælp af en otte-element torso spole. Både enkelt skive og multi-Slice Imaging er muligt, med lidt forskellige Imaging parametre. Kvantificering af specifik ventilation opnås ved at sammenhænge tidsforløbet for signal intensiteten for hver lunge-voxel med et bibliotek med simulerede reaktioner på luft/oxygen stimulus. SVI-estimater af specifik ventilation heterogenitet er blevet valideret mod flere udåndings skylninger og viste sig for præcist at bestemme heterogenitet af den specifikke ventilation fordeling.

Introduction

Det overordnede mål for specifik ventilation Imaging (SVI)-en proton magnetisk resonans imaging (MRI) teknik, der bruger ilt som et kontrastmiddel1 -er at kvantitativt kort specifik ventilation i den menneskelige lunge. Specifik ventilation er forholdet mellem frisk gas, der leveres til en lunge region i ét åndedrag divideret med den endelige udåndingsvolumen i samme lunge region1. I forbindelse med målinger af lokal lunge tæthed kan der anvendes specifik ventilation til at beregne regional ventilation2. Målinger af lokal ventilation og ventilation heterogenitet, der leveres af svi har potentiale til at berige forståelsen af, hvordan lungerne funktioner, både normalt og unormalt3,4.

Specifik ventilation Imaging er en forlængelse af den klassiske fysiologi test, multiple ånde udvaskningen (MBW), en teknik først introduceret i 1950 ' erne5,6. Begge teknikker bruger gasudvask/udvaskningen til at måle heterogenitet af specifik ventilation, men SVI leverer rumligt lokaliserede oplysninger, mens MBW kun giver globale foranstaltninger af heterogenitet. I MBW anvendes et massespektrometer til at måle den blandede udløbne koncentration af en uopløselig gas (nitrogen, helium, svovl hexafluorid osv.) over mange vejrtrækninger under en udskyltning af den pågældende gas som afbildet i figur 1. Sammen med den udløbne volumen pr. åndedræt under udvasknings perioden kan disse oplysninger bruges til at beregne den samlede fordeling af specifik ventilation i lungerne. I SVI anvendes en MRI-scanner til at måle T1-vægtet signal – som er et surrogat for mængden af ilt i lungevæv, en direkte indikator for lokal iltkoncentration — i hver lunge voxel over mange vejrtrækninger under flere vaske/hvepser af ilt. På en måde, der er direkte analog med MBW, disse oplysninger giver os mulighed for at beregne den specifikke ventilation af hver lunge voxel. Med andre ord, teknikken udfører tusindvis af parallelle MBW-lignende eksperimenter, en for hver voxel, under et SVI eksperiment. Faktisk kan de rumlige kort over specifik ventilation således produceres for at inddrive den specifikke ventilation heterogenitet output af MBW. En valideringsundersøgelse7 viste, at de to metoder gav sammenlignelige resultater, når de blev udført i serier om de samme emner.

Andre billedbehandlings metoder findes, at ligesom SVI, give rumlige foranstaltninger af ventilation heterogenitet. Positron emission tomografi (PET)8,9, enkelt-photon emission computertomografi (SPECT)10,11, og hyperpolariseret gas MRI12,13 teknikker er blevet brugt til at skabe en betydelig mængde litteratur om det rumlige mønster af ventilation i raske og unormale. Generelt har disse teknikker mindst en klar fordel i forhold til SVI, idet deres signal-støj-forhold er karakteristisk højere. Men hver teknik har også en karakteristisk ulempe: PET og SPECT involverer udsættelse for ioniserende stråling, og hyperpolariseret MRI kræver brug af højt specialiseret hyperpolariseret gas og en MR-scanner med ikke-standard multi-nuclei hardware.

Svi, en proton-MRI teknik, typisk bruger 1,5 Tesla Mr hardware med inhaleret ilt som et kontrastmiddel (begge elementer er let tilgængelige i sundhedssektoren), hvilket gør det potentielt mere generaliserbart til det kliniske miljø. SVI udnytter det faktum, at ilt forkorter den langsgående afslapnings tid (T1) af lungevæv1, som igen kan oversættes til en ændring i signal intensiteten i et T1-vægtet billede. Således ændringer i koncentrationen af inspireret ilt inducere ændring i signal intensiteten af passende timet MRI-billeder. Hastigheden af denne ændring efter en brat ændring i inspireret oxygen koncentration, typisk luft og 100% ilt, afspejler den hastighed, hvormed Resident gas erstattes af inhaleret gas. Denne udskiftnings hastighed bestemmes af specifik ventilation.

Da SVI ikke involverer ioniserende stråling, har det ingen kontraindikationer for langsgående og interventionelle undersøgelser, der følger patienter over tid. Det er således velegnet til at studere sygdomsprogression eller evaluere, hvordan individuelle patienter reagerer på behandlingen. På grund af sin relative lethed og sikker repeterbarhed, er specifik ventilation Imaging generelt en ideel teknik for dem, der ønsker at studere store effekter og/eller et stort antal mennesker over tid eller i flere forskellige kliniske steder.

Efter den oprindelige publikation, der beskriver teknikken1, er specifik ventilation Imaging (svi) blevet anvendt i undersøgelser fokuseret på effekten af hurtig saltvands infusion, kropsholdning, motion, og bronkokonstriktion2,3 , 4 af , 14 ud af , 15. teknikken evne til at estimere hele lunge heterogenitet af specifik ventilation er blevet valideret ved hjælp af veletablerede multiple ånde udvasknings test7 og for nylig, en regional en kryds validering blev udført, ved sammenligne SVI og hyperpolariseret gas multiple ånde specifik ventilation Imaging16. Denne pålidelige og let deployerbare teknik, der er i stand til kvantitativt at kortlægge specifik ventilation i den menneskelige lunge, har potentialet til at bidrage væsentligt til tidlig påvisning og diagnosticering af luftvejssygdomme. Det præsenterer også nye muligheder for at kvantificere regionale lunge abnormiteter og følgeændringer induceret af terapi. Disse ændringer i den region specifikke lungefunktion, som SVI giver os mulighed for at måle for første gang, har potentialet til at blive biomarkører til at vurdere virkningen af narkotika og inhalerede terapier, og kan være et yderst nyttigt redskab i kliniske forsøg.

Formålet med denne artikel er at præsentere metoden for specifik ventilation Imaging i detaljer og i en visuel form, og dermed bidrage til udbredelsen af teknikken til flere centre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

University of California, San Diego Human Research Protection program har godkendt denne protokol.

1. emne sikkerhed og uddannelse

  1. Indhente skriftligt, informeret samtykke fra emnet. Beskriv de potentielle risici ved udsættelse for hurtigt skiftende magnetfelter, og den potentielle ubehag ved at bruge ansigtsmaske og trække vejret tør gas.
  2. Sørg for, at motivet trygt kan gennemgå MR-scanning ved hjælp af det lokalt godkendte MRI-sikkerheds Screenings spørgeskema.
  3. Hvis motivet er en kvinde i den fødedygtige alder, og usikker på hendes graviditet status, bede hende om at selv administrere en over-the-counter graviditetstest. Hvis forsøgsemnet er gravid, udelukkes motivet fra resten af studiet.
  4. Mål emnet vægt. Scanner sikkerhedsparametre, der begrænser den mængde radiofrekvensenergi (RF), der leveres til motivet, kræver input af denne egenskab. Kontroller, at motivet vejer under den maksimale vægtgrænse for MRI-tabellen (i dette tilfælde 136 kg).
  5. Træn motivet for at trække vejret i tide med MR-scanningssekvensen. Helst, afspille en lydoptagelse af en tidligere scanning og instruere motivet til at trække vejret normalt og fuldføre et åndedrag hver 5 s, ved hjælp af lyd stikord fra scanneren som guide; trække vejret sammen med emnet med henblik på uddannelse.
  6. Bestem størrelsen af ansigtsmasken (størrelser spænder fra Petite til ekstra store [XL]), der passer bedst til motivet ved at måle motivet næse-til-Chin dimensioner. En passende størrelse maske vil passe komfortabelt endnu vil forhindre luften i at lække i mellem masken og motivet hud på noget tidspunkt. Prøv på andre størrelser, hvis det er nødvendigt.
  7. Kontroller, at motivet er fri for magnet baserede kreditkort og jernholdige metalstykker. Hvis det er nødvendigt, skal motivet ændres til den medicinske kjole, der leveres af MRI-anlægget.
    Bemærk: Metal kan være farligt i MRI-miljøet, og metalliske objekter såsom clips (typisk i bh'er), metalringe (bh'er og Hoodies), metal-knap eller lynlåse (skjorter, trøjer), hårforlængelse og parykker har potentiale til at skabe Imaging artefakter.

2. klargøring af MRI-miljøet

  1. Lad kun personale, der er uddannet i MRI-sikkerhed, opfylde standarderne i billed anlægget for at komme ind i scanner rummet eller hjælpe med at udføre dette eksperiment.
  2. Konfigurer MR-scanneren til brug med en torso spole ved at slutte spolen til det relevante stik i scanner tabellen.
  3. Forbered scanner bordet med lagner, puder og puder, så motivet vil være behageligt i mindst 30 minutter under billedbehandling.
  4. Saml ilt delivery system.
    Bemærk:     et skematisk diagram af slangen er præsenteret i figur 2.
    1. Anbring en to/tre-vejs koblings ventil inden for rækkevidde af scanner operatøren eller den person, der udfører SVI-eksperimentet.
    2. Tilslut enten tanken om medicinsk ilt (uden for scanner rummet) eller iltvæggens forsyning (hvis den findes) til én indgang på koblings ventilen ved hjælp af 1/4-tommer plastikslange.
    3. Tilslut kontakten på afbryderventilen placeret i kontrolrummet til 8 m (tilstrækkelig længde for scanneren) 1/4-tommer plastikslange. Fodre slangen gennem pass-through, fra kontrolrum til scanner rummet, og sikre, at det vil nå midten af scanneren boring.
      Bemærk: Plastik slangen, der forbinder koblings ventil afgangen til flow bypass-masken, inkluderede et trin op i diameter i de sidste 2 m, fra 1/4 tommer til 3/8 tommer til 1/2 tommer, for at mindske støjen fra luft, der flyder ind i flow bypass-systemet.
    4. Tilslut den 1/2 tommer ende af slangen til flow-bypass maske vedhæftet fil.
    5. Fastgør flow-bypass-tilknytningen til den ansigtsmaske, der passer til motivet.
    6. Indstil trykket på gastanken eller stikkontakten regulator til en værdi, der producerer en strøm af ilt større end den forventede peak inspiratorisk flow. Det nødvendige pres afhænger af undersøgelsens art (hvile, motion osv.) og den generelle modstand i gasleverings systemet (typisk ~ 70 psi for det leveringssystem, der er beskrevet i trin 2.4.3 for undersøgelser i hvile).
    7. Afprøv omskifteren ved at aktivere strømmen af ilt, og sørg for, at der er tilstrækkelig strøm ved udløbet af strømmen-bypass-tilbehøret, og at der ikke forekommer lækager i plastik slangen.

3. at instrumentere og forberede emnet til Imaging

  1. Få motivet til at ligge på MRI-bordet. Sørg for, at toppen af den nedre spole element giver tilstrækkelig dækning af lunge apices, ved at sikre toppen af den nedre spole element er højere end motivet skuldre.
  2. Få motivet til at indsætte ørepropper, og kontrollér, at lyden blokeres.
  3. Tape klemme bolden (eller en alternativ sikkerhedsmekanisme) til motivet håndled, så det let kan tilgås.
  4. Fastgør masken og flow-bypass system til motivet ansigt. Kort skakten udløbssiden af flow-bypass vedhæftet fil og bede motivet til at forsøge en normal inspiration og udløb for at kontrollere for lækager.
  5. Anbring motivet i scanneren ved hjælp af det lette centrerings værktøj for at sikre, at torso spolen indtager midten af borehullet.
  6. Tilslut flow bypass-linjen til den 3D-trykte flow-bypass maske fastgørelse ved hjælp af den tætsiddende messing møtrik til indløbet.

4. MR-scanning

  1. Vælg den anatomiske placering for billedudsnit.
    1. Erhverve en Localizer sekvens for at få et anatomisk kort, der vil blive brugt til at ordinere resten af eksamen.
    2. Vælg op til 4 sagittale lunge skiver, der skal undersøgt ved at klikke og trække billedudsnit til den ønskede placering ved hjælp af scannerens grafiske brugergrænseflade. Synsfeltet er typisk indstillet til 40 x 40 cm og udsnitstykkelse til 1,5 cm. Vælg udsnit centreret i lunge marken rettet mod den region af interesse for studiet, typisk minimere indtrængen af store lunge skibe medialt og brystvæggen sideværts til maksimere den udtagne lunge mængde.
      Bemærk: Valg af udsnit kan udføres i ethvert plan; der kan vælges op til 4 skiver. Med henblik på demonstration, en skive vil blive erhvervet.
    3. Læg mærke til placeringen af billedbehandlings skiver med hensyn til rygsøjlens placering, så den samme mængde kan genindsættes i langsgående undersøgelser.
  2. Specifik ventilations afbildning
    Bemærk:     en liste over typiske MRI-parametre er vist i tabel 1.
    1. Indstil inversions tiden i MR-computeren til den mest mediale skive til 1.100 ms for at maksimere luft-oxygen kontrast17.
    2. Angiv anskaffelses parametrene (tabel 1) til erhvervelse af billeddiagnostik. For multi Slice erhvervelse, hver ekstra skive erhverves efter den første, med intervaller på 235 MS (1.335 MS, 1.570 MS, 1.805 MS).
      Bemærk: Efter den inversion opsving puls og et tidsinterval (beskrevet af inversion tid), hver skive billede er erhvervet ved hjælp af en halv-Fourier Single-Shot Turbo spin-ECHO (hast), på 128 x 128 opløsning (70-linjer af k-Space samples); billeder rekonstrueres til 256 x 256 opløsning.
    3. Indstil antallet af gentagelser til 220 og gentagelsestiden (TR) til 5 s. Dette vil resultere i gentagelse af 4.2.1 og 4.2.2 for i alt 220 på hinanden følgende åndedrag, 5 s fra hinanden. Bed motivet om frivilligt at få hans eller hendes vejrtrækning i gang med billed erhvervelsen.
      Bemærk: Billeder erhverves ved afslutningen af en normal udløbsdato i en kort frivillig respirations afbrydelse ved funktionel residualkapacitet (FRC). Det er vigtigt, at en lignende lungevolumen er nået konsekvent i hver af disse på hinanden følgende opkøb.
    4. Overvåg konsistensen af forsøgspersons lungevolumen (slut udløbsdato) under efterfølgende opkøb, og giv feedback for at forbedre kvaliteten, hvis det er nødvendigt. Forøg TR (tidsintervallet mellem successive opkøb), hvis motivet finder det vanskeligt at nå frem til en ensartet lungevolumen hver 5 s.
    5. Skift motivet inspirerede gas blanding hver 20 åndedrag (under erhvervelse åndedrag hold for motivet komfort), vekslende mellem rumluft og medicinsk ilt. Vær opmærksom på, hvornår kontakterne opstod, og de intervaller, hvorunder motivet var vejrtrækning hver gas. Lad motivet ånde 100% ilt til 40 på hinanden følgende åndedrag på et tidspunkt i forsøget (typisk åndedrag 20-60 eller 180-220) for at øge følsomheden over for lav ventilation lunge regioner.
    6. Kontrollér regelmæssigt hjertefrekvensen (40 − 80 for normale forsøgspersoner i hvile) og iltmætning (typisk 98 − 100%) ved at se på pulsoximeteret (figur 2); afvigelser fra normen kan signalere angst eller angst.
    7. Tal ofte med motivet ved at trykke på scanner tastaturets push-to-Talk-knap, hvilket giver regelmæssige opdateringer af den resterende tid.
    8. Efter udånding 220 er billeddiagnostik færdig. Returner motivet til rumluften, og fjern ham eller hende fra scanneren.

5. oprettelse af et specifikt ventilations kort fra en tidsserie af billeder

  1. Kontroller, at der blev anskaffet en stak på 220 i træk MR-billeder for hver lunge skive.
  2. Importer billederne til registrering i billedanalyse softwaren (f. eks. MATLAB).
  3. Af de 220 billeder, vælge, ved visuel inspektion af hele billedet stakken, for hver skive en, der bedst repræsenterer funktionelle resterende kapacitet. Funktionel residualkapacitet er identificeret som "mode" af lunge volumener i stakken.
  4. Brug "mode" billedet som reference, bruge projektiv eller affine registrering til at registrere alle billeder til den funktionelle residualkapacitet reference.
    Bemærk: Registrering udføres typisk ved hjælp af en algoritme udviklet i hus18 eller en offentligt tilgængelig generaliseret-Dual bootstrap iterativ nærmeste punkt algoritme (gdb-ICP19).
  5. Brug outputtet fra registrerings algoritmen til at beregne område ændringen for hvert billede. Kassér billeder, hvis registreringstrin kræves > 10% område ændring fra billed stakken, og behandle dem som manglende data20.
  6. Kvantificere specifik ventilation i lungerne fra den registrerede stak ved hjælp af en algoritme udviklet ihus1,7. Udfør kvantificering ved at sammenligne tids respons af hver voxel til den efterfølgende oxygen vask og udvaskningsserie, til et bibliotek af 50 simuleret, støjfrit, svar, svarende til specifikke ventilations spænder fra 0,01 til 10, i 15% intervaller. Hver voxel er tildelt en værdi af specifik ventilation svarende til den specifikke ventilation af den simulerede ideelle præsenterer maksimal korrelation med hver voxel tidsserie, som oprindeligt præsenteret i1.
  7. Outputtet fra det foregående trin er et kort over specifik ventilation. Opret et histogram af fordelingen, og beregne bredden af den specifikke ventilation fordeling, et mål for den specifikke ventilation heterogenitet, uafhængigt af tidevands volumen.

6. kombinere specifikke ventilation og tæthed kort til at beregne regionale alveolær ventilation

  1. Ud over SVI, erhverve lunge proton massefylde billeder21, som beskrevet i en tidligere undersøgelse22 (afsnit 4,4 og 5,1 i reference22). Opnå proton density billeder i samme lunge Skive (r), på samme lungevolumen (FRC, slutningen af en normal udløbsdato); Indstil opløsningen til 64 x 64, svarende til en voxel-størrelse på ~ 6,3 mm x 6,3 mm x 15 mm (~ 0,6 cm3).
  2. Juster specifikke ventilations-og proton tæthed billeder.
    1. Glat både de specifikke ventilation og proton density billeder ved hjælp af et Gaussisk filter med en kerne størrelse på ~ 1 cm3.
    2. Udfør stiv registrering (oversættelse og rotation) mellem kortet over specifik ventilation og kortet over tæthed ved hjælp af en gensidig informationsbaseret algoritme.
  3. Beregn alveolær ventilation fra Co-registreret specifik ventilation og proton tæthed data.
    1. Beregn et kort over (1-tæthed), som er den fraktion af luft i den udtagne mængde i slutningen af en normal udløbsdato, forudsat at lungerne er sammensat af luft og væv, og at vævs tætheden er ~ 1 g/cm3.
    2. Beregn et regionalt ventilations kort som produktet (1-tæthed) x SV (naturlige enheder). Multiplicer dette produkt med mængden af en voxel (eller anden region af interesse) og åndedræts frekvensen (pålagt, typisk 12 vejrtrækninger/min), for at få et kort over ventilation i de mere velkendte enheder af ml/min.
      Bemærk: For hver lunge region, SV = ΔV/V0 og (1 – tæthed) ≈ V0. Således produktet (1-tæthed) x SV = regional ventilation, udtrykt i naturlige enheder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Enkelt skive SVI i et sundt motiv
Specifik ventilation Imaging producerer kvantitative kort over specifik ventilation som vist i figur 3a, som skildrer en enkelt skive i den rigtige lunge af en 39-årig sund kvinde. Bemærk tilstedeværelsen af den forventede lodrette gradient i specifik ventilation; den afhængige del af lungerne giver højere specifik ventilation end den ikke-afhængige del af lungerne. Et histogram af de tilknyttede specifikke ventilations værdier præsenteres (figur 3b, udfyldte cirkler) sammen med en bedst egnet log-normal Sandsynligheds fordelingsfunktion (punkteret linje). Bredden af den bedst egnede fordeling kan bruges som en metrikværdi af specifik ventilation heterogenitet7, 23. Figur 1 viser en multipel udåndings vask erhvervet i samme emne, i samme stilling. Figur 1a viser den tidsmæssige registrering af kvælstofkoncentrationen målt ved mundingen efter et skift fra inspireret luft til inspireret 100% ilt. Figur 1b præsenterer fordelingen af specifik ventilation, som anslået fra udvaskningen. For både SVI og MBW, er den relevante variabel bredden af fordelingen, som målt her ved bredden af en log normal fordeling monteret på data (stiplet linje), blev anset for at være 0,41, ved hjælp af SVI og 0,42 ved hjælp af MBW inden for sund normalområdet. Validering af SVI-estimeret specifik ventilations heterogenitet ved sammenligning med MBW blev udført i 10, og forskellen mellem teknikker fandtes at være mindre end variabiliteten af MBW mellem test7. En rumlig sammenligning med en hyperpolariseret gas flere åndedræt specifikke ventilation Imaging16 også viste pålidelige gruppe estimater af specifikke ventilation heterogenitet (bredden af den specifikke ventilation fordeling over de 8 undersøgt var 0,28 ± 0,08 og 0,27 ± 0,10 for hyperpolariseret 3he og specifik ventilation Imaging, henholdsvis), trods højere end forventet intra-emne variabilitet (standardafvigelsen af de individuelle forskelle i bredden var 0,13)16.

Specifikke ventilations kort kan også bruges sammen med lunge tæthed kort til at beregne regional alveolær ventilation. For at generere kort over alveolær ventilation, specifikke ventilation og tæthed billeder skal rumligt udjævnes for at minimere de potentielle mindre valutakursuligevægte mellem de to metoder.

Respons på methacholin-udfordring i et astmatisk motiv
SVI kan bruges til at måle både lunge-dækkende og regionale reaktioner på interventioner som motion4, kropsholdning2, eller medicin3. F. eks. skildrer figur 4 enkelt skive kort fra lungerne af et mildt astmatisk kvindeligt motiv ved baseline (figur 4a), efter bronkokonstriktion med Methacholin (figur 4b), og efter Albuterol-assisteret helbredelse ( Figur 4C). Bemærk den øgede specifikke ventilation heterogenitet under induceret astma begivenhed, og tilstedeværelsen af store pletter på lidt at ingen specifik ventilation (mørkeblå regioner i den afhængige del af lungerne). Bemærk også, at ventilation steget paradoksalt i nogle regioner under bronkokonstriktion (grøn-røde regioner).

Multi-skive SVI
Op til seks (typisk fire), sammenhængende, 15 mm lunge skiver kan samtidig blive overfyldt med SVI. Figur 5 skildrer fire sammenhængende højre lunge skiver, der dækker ~ 70% af den højre lunge, i en moderat astmatisk mandlig emne, der var blevet trukket tilbage fra hans astmamedicin i 24 timer.

Ventilations kort
Forudsat lunge tæthed oplysninger blev erhvervet i samme skive, og vejrtrækningen frekvens er kendt, en fuldt kvantitativ ventilations kort kan beregnes i enheder af mL/min/mL. Et eksempel på et kort over ventilation er vist i figur 6.

Figure 1
Figur 1: multiple udåndings vask. (A) typisk MBW-sporing, der viser udløbet kvælstof (N2) koncentration (top) og tidevands volumen (bund) over tid (sekunder, s). Data blev erhvervet i rygholdningen; motivet var en sund 39-årig kvinde. (B) histogram skildrer fordelingen af specifik ventilation (SV) beregnet fra MBW eksperiment ved hjælp af den metode, der er foreslået af Lewis et al.23 (solid linje). Den stiplede linje repræsenterer den log (Gaussisk), der passer bedst til den specifikke ventilations fordeling. Den heterogenitet af specifik ventilation, det vigtigste resultat, måles som bredden af den bedste pasform fordeling, i dette tilfælde 0,42. Dette tal er blevet genoptrykt med tilladelse fra reference7. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: diagram over VVS-systemet og instrumentering. Specifik ventilation Imaging kræver 100% medicinsk ilt, enten fra komprimeret gas tank (som trukket) eller en stikkontakt. Oxygen kilden er forbundet til en switch-ventil (kontrolrum), der igen er forbundet, gennem MRI pass-through, til 3D trykte flow bypass system24, fastgjort til en ansigtsmaske (scanner værelse). Den venstre side af tegningen svarer til MRI-kontrolrummet, højre side til scanner rummet. Plastik slangen, der forbinder tanken med kontakten, er 1/4 tommer i diameter. Slangen fra kontakten ventil udgang til flow bypass system er også 1/4 i. De sidste 2m omfatter et trin op i diameter, fra 1/4 tommer til 3/8 tommer, og derefter til 1/2 tommer, for at mindske støjen fra strømmen af luft24. En pulsoximeter bruges til at overvåge motivet puls (HR) og ilt mætning (sat) niveauer. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: specifik ventilation Imaging. (A) typisk kort over specifik ventilation (farve), overlagt på en ANATOMISK MRI-billede af samme supin emne (gråskala). Specifikke ventilations intervaller fra meget lave værdier (blå) til SV = 1,0 (rød). Emnet, 39 år-gamle raske frivillige (samme emne som i figur 1) blev billedet i ryggen kropsholdning. Bemærk den lodrette gradient i specifik ventilation. Et fantom af kendt MR karakteristik, der anvendes til kalibrering af absolut tæthed blev placeret i den forreste brystvæggen. Der kræves ikke fantomer for SVI-kvantificering. (B) histogram over fordelingen af specifik ventilation (fyldte cirkler), der er indsamlet fra det specifikke ventilations kort. Bredden af fordelingen repræsenterer heterogenitet af specifik ventilation i lunge skive undersøgt. I dette eksempel er fordelingen unimodal og bredden af loggen Gaussisk monteret distribution (punkteret linje) var 0,41; Dette er sammenlignelig med MBW hele lunge specifikke ventilation distribution præsenteret i figur 1b, for samme emne og kropsholdning, hvor bredden af fordelingen) var 0,42. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: Bronchokonstriktion og bronkodilatation kort i en mild astmatisk. Specifik ventilation målt i et mildt astmatisk motiv (kvinde, 24 år) ved baseline (a) efter inhalation af 1 mg/ml methacholin (B) og efter inhalation af Albuterol (C). Bemærk de betydelige ændringer i fordelingen af specifik ventilation efter induktion af en astma-lignende hændelse ved hjælp af metacholin (panel B), med store regioner i den afhængige lunge viser meget lav specifik ventilation. Bemærk også inddrivelse efter bronkodilaterende administration (panel C). Som i figur 3er de specifikke ventilations kort blevet overlagt til en ANATOMISK MRI. Bredden af den specifikke ventilation fordeling var 0,31 ved baseline, 0,94 post methacholine, og 0,28 post Albuterol. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: multi skive specifikke ventilations kort i en moderat astmatisk efter 24-h medicin tilbagetrækning. Specifik ventilation kort over 4 sammenhængende lunge skiver i den rigtige lunge, erhvervet i en 25-årig mandlig moderat astmatisk efter 24 h tilbagetrækning af daglige astmamedicin. De 4 skiver vist dække ~ 70% af motivet højre lunge. Regioner med lav specifik ventilation (mørkeblå) er til stede i alle skiver. Ved baseline var FEV1 84% forudsagt. Efter 24 h tilbagetrækning af daglige medicin, dette emne s FEV1 var 69% af forudsagt; post-Imaging, emnet brugte sin rednings-inhalator og FEV1 genvundet til 83% af forventet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: eksempel på ventilations kort, der viser ventilation (ml/min/ml) erhvervet i en sund 27-årig mandlig forsøgsperson. Ventilations kort blev genereret som beskrevet i afsnit 6, ved hjælp af en SV kort sammen med et kort over lunge proton tæthed i samme skive. I dette eksempel, både SV og tæthed kort blev udjævnet ved hjælp af en log Gaussisk kerne med en fuld bredde på halvt maksimum på 5 voxels, hvilket resulterer i en rumlig skala af ~ 0,64 cm2 i flyet. Klik her for at se en større version af dette tal.

MRI-parametre Svi Noter
Ekko tid (TE) 21,6 ms (enkelt skive)
18,2 MS (multi skive)
Gentagelses tidspunkt (TR) 5 s Enhver værdi > 4 s
Juster til patientens komfort
Tidspunkt for inversion (TI) 1,100 s (enkelt skive) For multi skive, TI af skive n
1,100, 1,335, 1,570, 1,805 s (4 skiver) TI (n) = 1.100 s + 0.235 * (n-1)
Matrix 256 x 128 (enkelt skive)
128 x 128 (flere skiver)
Synsfelt 40 cm med 32-44 cm med
Båndbredde 125 kHz

Tabel 1: liste over typiske MRI-parametre, der anvendes til anskaffelse af specifik ventilations afbildning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Specifik ventilation Imaging tillader kvantitativ kortlægning af den rumlige fordeling af specifik ventilation i den humane lunge. Alternativer til SVI eksisterer, men er begrænset på nogle måde: multiple ånde udvaskere giver et mål af heterogenitet, men mangler rumlige oplysninger23. Alternative billedbehandlings metoder udsætter patienterne for ioniserende stråling (f. eks. SPECT, PET, CT, gamma-scintigrafi) eller er ikke almindeligt tilgængelige (hyperpolariseret gasafbildning ved hjælp af MRI). Specifik ventilation Imaging giver rumlige oplysninger og kan udføres ved hjælp af en standard klinisk scanner og inhaleret ilt som kontrast kilde, og dermed kan oversættes til næsten enhver klinisk forskning indstilling. Det faktum, at SVI ikke kræver brug af stråle-eller kontraststoffer, gør det velegnet til gentagne eller langsgående undersøgelser, der kvantitativt evaluerer regionale reaktioner på medicin, terapi eller interventioner. Denne type af regionale kvantitative oplysninger om virkningen af terapi kan være særlig nyttig i forbindelse med inhaleret medicin levering.

Ulemperne ved SVI er, at det har en relativt lav signal-støj-forhold (typisk 4-7), det kræver ~ 18 minutter at erhverve, og at det er noget besværligt for emnet og data analytiker. Undervisning er afgørende for erhvervelse af pålidelige specifikke ventilations data. Motivet er typisk uddannet, ved hjælp af et indspillet soundtrack af scanneren lyde, før billedbehandling session, så han eller hun kan nå en reproducerbar volumen (FRC) for hver af de 220 åndedrag hold billeder. Ideelt set opnås dette, mens du trækker vejret ved en normal, behagelig tidevands volumen uden hyperventilerende. Upræcise åndedræt skal medregnes i efter behandling af data analytikeren, der skal bruge billed registrerings software til at tage højde for forskelle i lungevolumen (afsnit 5,3 ovenfor).

Siden teknikkens oprindelige publikation1har svi gennemgået en ændring for at strømline implementeringen. Et 3D-trykt MR-kompatibelt flow-bypass-system24 aktiveret nær-øjeblikkelig skift mellem levering af rumluft og ilt til motivet. Dette system reducerer kompleksiteten af den oprindelige opsætning, som lignede den Gaslevering setup tidligere beskrevet i et JoVE papir vedrørende perfusion Imaging22. Dette, sammen med den løbende udvikling af gratis vejrtrækning erhvervelse teknikker, vil gøre flytte teknikken tættere på klinisk forskning anvendelighed.

Som præsenteret her, SVI har 2 hovedbegrænsninger: 1) de fire skiver (typisk) af den rigtige lunge, der er erhvervet repræsenterer kun ~ 70% af den rigtige lunge-i sin nuværende gennemførelse, ikke mere end seks skiver kan erhverves på 1.5 T på grund af RF deposition fører til væv han drifts vævs opvarmning stigninger på højere Feltstyrker, yderligere begrænse multi-Slice erhvervelse på 3T; og 2) SVI tager ~ 18 minutter at erhverve, og dermed kortet over specifik ventilation afspejler hver voxel tid-gennemsnit specifik ventilation over dette interval.

Dog kan fuld lunge dækning opnås ved at gentage proceduren eller ved nedværdigende rumlig opløsning, og scanningstiden kan reduceres på bekostning af nøjagtighed i specifik ventilation kvantificering. Teknikken er, generelt, alsidige og forskellige erhvervelse kompromiser er muligt, hver optimal til forskellige applikationer. For eksempel, i en undersøgelse af dynamisk opsving fra en astma hændelse25, svi data blev analyseret ved en højere tidsmæssig opløsning (~ 7 min vs. ~ 18 min) og den samme rumlige opløsning, på bekostning af en ~ 30% stigning i usikkerhed af specifik ventilation (anslået fra Monte Carlo simuleringer). En nylig modellering undersøgelse26 søgte at kvantificere virkningen af flere mindre begrænsninger af svi teknik, nemlig 1) at den afbildet volumen ikke omfatter hele højre lunge, 2) at små valutakursuligevægte mellem på hinanden følgende billeder kan eksistere, selv efter registrering, og 3) at pulmonale vener, ved at transportere blod fra andre steder i lungerne til en afbildet region, kan tilføje forstyrrende signal, der afspejler ventilation i regionen, hvor dette blod oprindeligt var iltet og ikke i den region, hvor det er ved at blive Afbildet. Undersøgelsen26 fandt, at 1) hos raske forsøgspersoner, en enkelt-skive billede (som omfatter kun 8% af den samlede lunge) anslår den lodrette gradient af specifik ventilation inden for 10% af sin sande værdi, 2) svi analyse udført på modelleret data målrettet i gennemsnit med 9% (et værst tænkeligt scenario, der forværres ved ikke at kassere billeder med valutakursuligevægte > 10%) resulterede i en ~ 20% undervurdering af gennemsnitlig specifik ventilation, en undervurdering sandsynligvis drevet af det faktum, at blanding af hurtige og langsomme ækvilibrerende enheder sandsynligvis vil medføre en skævhed i retning af langsommere, lav specifik ventilation, og 3) pulmonal venøs signal fører til systematisk overvurdering af den specifikke ventilation med mindre end 10%.

Evnen til at producere funktionelle billeder af den menneskelige lunge-i modsætning til udlede funktion fra anatomiske ændringer-har potentiale til at bidrage til tidlig diagnose og øge forståelsen af lungerne i sundhed og sygdom. Især evnen til at producere repeterbare og kvantitative regionale kort over ventilation tillader langsgående undersøgelser af sygdomsprogression og gør det muligt kvantificering af virkningen af interventioner, såsom inhaleret astmamedicin. Ved at kombinere specifik ventilation Imaging med to MRI-teknikker til at måle lunge tæthed21 og pulmonal perfusion (tidligere præsenteret i dette tidsskrift22), kort over ventilation-perfusion ratio i sundhed og sygdom kan genereres 2. da uoverensstemmelse mellem ventilation og perfusion er en væsentlig årsag til hypoxi og hyperkapnia, regionale oplysninger om ventilation perfusion ratio i sundhed og sygdom kan give yderligere indblik i virkningen af lungesygdom.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af national Heart, Lung and Blood Institute (NHLBI) (tilskud R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 og R01-HL119263) og national Space Biomedical Research Institute (National aeronautik and Space administration Grant NCC 9-58). E.T. Geier blev støttet af NHLBI Grant F30 HL127980.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D-printed flow bypass system
Face mask Hans Rudolph 7400 series Oro-nasal mask, different sizes
Gas/oxygen regulator
Mask head set Hans Rudolph 7400 compatible head set
Matlab Mathworks analysis software developed locally
Medical oxygen Air Liquide/Linde Oxygen to be delivered to the subject
MRI GE healthcare 1.5 T GE HDx Excite twin-speed scanner
Plastic tubing ¼”, 3/8” and 1/2” tubing and connectors
Pulse oximeter Nonin 7500 FO (MR compatible)
Switch valve
Torso coil GE healthcare High gain torso coil for GE scanner

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sá, R. C., et al. Vertical distribution of specific ventilation in normal supine humans measured by oxygen-enhanced proton MRI. Journal of Applied Physiology. 109 (6), 1950-1959 (2010).
  2. Henderson, A. C., et al. The gravitational distribution of ventilation-perfusion ratio is more uniform in prone than supine posture in the normal human lung. Journal of Applied Physiology. 115 (3), 313-324 (2013).
  3. Geier, E. T., Neuhart, I., Theilmann, R. J., Prisk, G. K., Sá, R. C. Spatial persistence of reduced specific ventilation following methacholine challenge in the healthy human lung. Journal of Applied Physiology. 124 (5), 1222-1232 (2018).
  4. Tedjasaputra, V., et al. The heterogeneity of regional specific ventilation is unchanged following heavy exercise in athletes. Journal of Applied Physiology. 115 (1), 126-135 (2013).
  5. Fowler, W. S. Lung Function Studies. III. Uneven Pulmonary Ventilation in Normal Subjects and in Patients with Pulmonary Disease. Journal of Applied Physiology. 2 (6), 283-299 (1949).
  6. Robertson, J. S., Siri, W. E., Jones, H. B. Lung ventilation patterns determined by analysis of nitrogen elimination rates; use of mass spectrometer as a continuous gas analyzer. Journal of Clinical Investigation. 29 (5), 577-590 (1950).
  7. Sá, R. C., Asadi, A. K., Theilmann, R. J., Hopkins, S. R., Prisk, G. K., Darquenne, C. Validating the distribution of specific ventilation in healthy humans measured using proton MR imaging. Journal of Applied Physiology. 116 (8), 1048-1056 (2014).
  8. Musch, G., et al. Topographical distribution of pulmonary perfusion and ventilation, assessed by PET in supine and prone humans. Journal of Applied Physiology. 93 (5), 1841-1851 (2002).
  9. Venegas, J. G., Schroeder, T., Harris, R. S., Winkler, R. T., Melo, M. F. V. The distribution of ventilation during bronchoconstriction is patchy and bimodal: a PET imaging study. Respiratory Physiology & Neurobiology. 148 (1-2), 57-64 (2005).
  10. Orphanidou, D., Hughes, J. M., Myers, M. J., Al-Suhali, A. R., Henderson, B. Tomography of regional ventilation and perfusion using krypton 81m in normal subjects and asthmatic patients. Thorax. 41 (7), 542-551 (1986).
  11. King, G. G., Eberl, S., Salome, C. M., Meikle, S. R., Woolcock, A. J. Airway closure measured by a technegas bolus and SPECT. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 155 (2), 682-688 (1997).
  12. Horn, F. C., Deppe, M. H., Marshall, H., Parra-Robles, J., Wild, J. M. Quantification of regional fractional ventilation in human subjects by measurement of hyperpolarized 3He washout with 2D and 3D MRI. Journal of Applied Physiology. 116 (2), 129-139 (2014).
  13. Hamedani, H., et al. A hybrid multibreath wash-in wash-out lung function quantification scheme in human subjects using hyperpolarized 3 He MRI for simultaneous assessment of specific ventilation, alveolar oxygen tension, oxygen uptake, and air trapping. Magnetic Resonance in Medicine. 78 (2), 611-624 (2017).
  14. Hall, E. T., et al. The effect of supine exercise on the distribution of regional pulmonary blood flow measured using proton MRI. Journal of Applied Physiology. 116 (4), 451-461 (2014).
  15. Henderson, A. C., Sá, R. C., Barash, I. A., Holverda, S., Buxton, R. B., Prisk, G. K. Rapid intravenous infusion of 20mL/kg saline alters the distribution of perfusion in healthy supine humans. Respiratory Physiology & Neurobiology. 180 (2-3), 331-341 (2012).
  16. Arai, T. J., et al. Comparison of quantitative multiple-breath specific ventilation imaging using colocalized 2D oxygen-enhanced MRI and hyperpolarized 3He MRI. Journal of Applied Physiology. 125 (5), 1526-1535 (2018).
  17. Chen, Q., Jakob, P. M., Griswold, M. A., Levin, D. L., Hatabu, H., Edelman, R. R. Oxygen enhanced MR ventilation imaging of the lung. Magma: Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology, and Medicine. 7 (3), 153-161 (1998).
  18. Arai, T. J., Asadi, A. K., Sá, R. C. Deforminator: Projective transformation to register small scale Lung deformation. , Available from: https://github.com/UCSDPulmonaryImaging/Deforminator (2019).
  19. Yang, G., Stewart, C. V., Sofka, M., Tsai, C. -L. Registration of Challenging Image Pairs: Initialization, Estimation, and Decision. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 29 (11), 1973-1989 (2007).
  20. Arai, T. J., Villongco, C. T., Villongco, M. T., Hopkins, S. R., Theilmann, R. J. Affine transformation registers small scale lung deformation. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2012, 5298-5301 (2012).
  21. Theilmann, R. J., et al. Quantitative MRI measurement of lung density must account for the change in T(2) (*) with lung inflation. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 30 (2), 527-534 (2009).
  22. Arai, T. J., et al. Magnetic Resonance Imaging Quantification of Pulmonary Perfusion using Calibrated Arterial Spin Labeling. Journal of Visualized Experiments. 51 (51), e2712 (2011).
  23. Lewis, S. M., Evans, J. W., Jalowayski, A. A. Continuous Distributions of Specific Ventilation Recovered From Inert-Gas Washout. Journal of Applied Physiology. 44 (3), 416-423 (1978).
  24. Cook, F. R., Geier, E. T., Asadi, A. K., Sá, R. C., Prisk, G. K. Rapid Prototyping of Inspired Gas Delivery System for Pulmonary MRI Research. 3D Printing and Additive Manufacturing. 2 (4), 196-203 (2015).
  25. Zapol, W. M., et al. Pulmonary Delivery of Therapeutic and Diagnostic Gases. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 78-87 (2018).
  26. Kang, W., et al. In silico modeling of oxygen-enhanced MRI of specific ventilation. Physiological Reports. 6 (7), e13659 (2018).

Tags

Medicin respiration lunge specifik ventilation funktionel magnetisk resonans imaging ilt forbedret magnetisk resonans imaging ventilation
Kvantitativ kortlægning af specifik ventilation i den menneskelige lunge ved hjælp af Proton magnetisk resonans imaging og ilt som kontrastmiddel
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Geier, E. T., Theilmann, R. J.,… More

Geier, E. T., Theilmann, R. J., Darquenne, C., Prisk, G. K., Sá, R. C. Quantitative Mapping of Specific Ventilation in the Human Lung using Proton Magnetic Resonance Imaging and Oxygen as a Contrast Agent. J. Vis. Exp. (148), e59579, doi:10.3791/59579 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter