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Medicine

Quantitative Mapping spezieller Belüftung in der menschlichen Lung mit Proton-Magnetresonanztomographie und Sauerstoff als Kontrastmittel

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

Die spezifische Lüftungsbildgebung ist eine funktionelle Magnetresonanztomographie, die es ermöglicht, die regionalspezifische Beatmung in der menschlichen Lunge zu quantifizieren, wobei der inhalierte Sauerstoff als Kontrastmittel verwendet wird. Hier stellen wir ein Protokoll zur Erfassung und Analyse von spezifischen Lüftungsdaten vor.

Abstract

Die spezifische Lüftungsbildgebung (SVI) ist eine funktionelle Magnetresonanztomographen-Technik, die in der Lage ist, eine spezifische Belüftung zu quantifizieren-das Verhältnis des Frischgases, das in eine Lungenregion gelangt, die durch das Endausfallvolumen der Region in der menschlichen Lunge geteilt ist, wobei nur die menschliche Lunge verwendet wird. Sauerstoff als Kontrastmittel eingeatmet Die regionale Quantifizierung spezifischer Belüftung kann helfen, Bereiche der pathologischen Lungenfunktion zu identifizieren. Sauerstoff in der Lösung im Gewebe verkürzt die Längsentspannungszeit des Gewebes (T1), und so kann eine Veränderung der Gewebe-Sauerstoffversorgung als Veränderung desT 1-gewichteten Signals mit einer Inversionsrettungsaufnahme erworbenes Bild festgestellt werden. Nach einem abrupten Wechsel zwischen zwei Konzentrationen von inspiriertem Sauerstoff spiegelt die Geschwindigkeit, mit der Lungengewebe innerhalb eines Voxels in einen neuen Steady-Zustand ausgeglichen wird, die Geschwindigkeit wider, mit der das ansässige Gas durch eingeatmtes Gas ersetzt wird. Dieser Tarif wird durch eine spezielle Belüftung bestimmt. Um diese plötzliche Veränderung der Sauerstoffversorgung zu entlocken, atmen die Probanden im MRT-Scanner abwechselnd 20-Atemblöcke (21% Sauerstoff) und 100% Sauerstoff ein. Eine stufenweise Veränderung der inspirierten Sauerstofffraktion wird durch den Einsatz eines maßgeschneiderten dreidimensionalen (3D-) gedruckten Flow-Bypass-Systems mit manuellem Schalter während eines kurzen Endauslaufs erreicht. Um die entsprechende Änderung in T1 zuerkennen, wurde ein globaler Inversionsimpuls, gefolgt von einer einzigen Dreh-schnellen Spin-Echo-Sequenz, verwendet, um zweidimensionale T1-gewichteteBilder in einem 1,5 T-MRI-Scanner mit einer Acht-Elemente-Oberkörper-Spule zu erfassen. Sowohl eine Einzel-als auch eine Mehrschneidbildgebung sind möglich, mit leicht unterschiedlichen Bildungsparametern. Die Quantifizierung der spezifischen Belüftung wird erreicht, indem der zeitliche Verlauf der Signalintensität für jeden Lungenvoxeln mit einer Bibliothek simulierter Reaktionen auf den Luft-Sauerstoffreiz korreliert wird. SVI-Einschätzungen der spezifischen Lüftungsheterogenität wurden gegen mehrfache Atemauswaschen validiert und erwiesen sich als genau zu bestimmen, wie die Heterogenität der spezifischen Lüftungsverteilung erfolgt.

Introduction

Das übergeordnete Ziel der spezifischen Lüftungsbildgebung (SVI)-einer Protonenspinresonanztomographie (MRT), die Sauerstoffals Kontrastmittel 1 verwendet, ist es, die spezifische Lüftung in der menschlichen Lunge quantitativ zu kartieren. Spezifische Belüftung ist das Verhältnis von frischem Gas, das in einem Atemzug in einer Lungenregion geliefert wird, geteilt durch das Endauslaufvolumen der gleichen Lungenregion1. In Verbindung mit Messungen der lokalen Lungendichte kann eine spezifische Lüftung zur Berechnung der regionalen Lüftung2 verwendet werden. Messungen der lokalen Belüftung und Lüftungs-Heterogenität, die von SVI erbracht werden, haben das Potenzial, das Verständnis dafür zu bereichern, wie die Lunge funktioniert, sowohl normal als auch ungewöhnlich3,4.

Die spezifische Lüftungsbildgebung ist eine Erweiterung des klassischen Physiologie-Tests, einer mehrfachen Atemauswaschung (MBW), einer Technik, die erstmals in den 1950er Jahren mit 5,6eingeführtwurde. Beide Techniken verwenden Gaswäsche-Auswaschung, um die Heterogenität der spezifischen Lüftung zu messen, aber SVI liefert räumlich lokalisierte Informationen, während MBW nur globale Maßnahmen der Heterogenität liefert. In MBW wird ein Massenspektrometer verwendet, um die gemischte abgelaufene Konzentration eines unlöslichen Gases (Stickstoff, Helium, Schwefelhexafluorid, etc.) über viele Atemzüge während eines Auswaschens des Gases zu messen , wie in Abbildung 1 dargestellt. Zusammen mit dem abgelaufenen Volumen pro Atemzug während der Auswaschzeit können diese Informationen verwendet werden, um die Gesamtverteilung der spezifischen Belüftung in der Lunge zu berechnen. In SVI wird ein MRT-Scanner verwendet, um das T1-gewichtete Signal zu messen, das eine Überschussmenge für die Menge an Sauerstoff in der Lösung im Lungengewebe ist, ein direkter Indikator für die lokale Sauerstoffkonzentration-in jedem Lungenvoxeln über viele Atemzüge während mehrerer Wasch-und Auswaschungen Sauerstoff. In einer Art und Weise, die direkt mit MBW vergleichbar ist, können wir mit diesen Informationen die spezifische Belüftung jedes Lungenvoxels berechnen. Mit anderen Worten: Die Technik führt während eines SVI-Experiments Tausende paralleler MBW-ähnlicher Experimente durch, eines für jedes Voxier. Die so erstellten Raumkarten der spezifischen Lüftung können tatsächlich zusammengestellt werden, um die spezifische Lüftungs-Heterogenität von MBW wiederherzustellen. Eine Validierungsstudie7 zeigte, dass die beiden Methoden vergleichbare Ergebnisse hervorbrachten, wenn sie in Serien zu den gleichen Probanden durchgeführt wurden.

Es gibt noch andere bildgebende Modalitäten, die, wie die SVI, räumliche Messgrößen der Lüftungs-Heterogenität bieten. Positronen-Emissionstomographie (PET) 8,9,Single-Photonen-Emission Computertomographie (SPECT)10, 11,undhyperpolarisiertes Gas MRT12,13 Techniken wurden verwendet, um Erstellen Sie eine umfangreiche Literatur über das räumliche Muster der Belüftung in gesunden und abnormalen Fächern. Im Allgemeinen haben diese Techniken mindestens einen deutlichen Vorteil gegenüber SVI, da ihr Signal-Rauschen-Verhältnis charakteristisch höher ist. Jede Technik hat jedoch auch einen charakteristischen Nachteil: PET und SPECT beinhalten die Exposition gegenüber ionisierender Strahlung, und hyperpolarisiertes MRT erfordert den Einsatz von hochspezialisiertem hyperpolarisiertem Gas und einem MR-Scanner mit nicht-normaler Multi-Nucly-Hardware.

SVI, eine Proton-MRT-Technik, verwendet in der Regel 1,5 Tesla-MR-Hardware mit eingeatmtem Sauerstoff als Kontrastmittel (beide Elemente sind leicht im Gesundheitswesen verfügbar), was sie potenziell verallgemeinerbarer für die klinische Umgebung macht. SVI nutzt die Tatsache, dass Sauerstoff die Längsentspannungszeit (T1) des Lungengewebes 1 verkürzt, was wiederum zu einer Veränderung der Signalintensität in einem T1-gewichtetenBild führt. So führen Veränderungen in der Konzentration von inspiriertem Sauerstoff zu Veränderungen in der Signalintensität von entsprechend zeitgemächten MRT-Bildern. Die Geschwindigkeit dieser Veränderung nach einer abrupten Veränderung der inspirierten Sauerstoffkonzentration, typischerweise Luft und 100% Sauerstoff, spiegelt die Geschwindigkeit wider, mit der das ansässige Gas durch das eingeatmete Gas ersetzt wird. Diese Ersatzrate wird durch eine spezielle Belüftung bestimmt.

Da es sich bei der SVI nicht um eine ionisierende Strahlung handelt, gibt es keine Kontraindikationen für Längs-und Interventionsstudien, die den Patienten im Laufe der Zeit folgen. So eignet es sich ideal für das Studium des Krankheitsverlaufs oder für die Bewertung, wie einzelne Patienten auf die Behandlung reagieren. Aufgrund ihrer relativen Leichtigkeit und sicheren Wiederholbarkeit ist die spezifische Beatmungsbildgebung in der Regel eine ideale Technik für diejenigen, die große Effekte and/oder eine große Anzahl von Menschen im Laufe der Zeit oder an verschiedenen klinischen Standorten untersuchen möchten.

Nach der ursprünglichen Publikation, die die Technik1beschreibt, wurde die spezifische Lüftungsbildgebung (SVI) in Studien verwendet, die sich mit der Wirkung von schneller Salzinfusion, Haltung, Bewegung und Bronchokonstriktion2,3beschäftigen . , 4 , 14 , 15. Die Fähigkeit der Technik, die gesamte Lungen-Heterogenität der spezifischen Belüftung zu schätzen, wurde mit dem etablierten Mehrfachauswaschtest7 validiert und in jüngerer Zeit wurde eine regionale Quervalidierung durchgeführt, die durch Vergleich SVI und hyperpolarisiertes Gas mehrere Atem-spezifische Lüftungsdarstellung16. Diese zuverlässige und leicht einsetzbare Technik, die in der Lage ist, eine spezifische Beatmung in der menschlichen Lunge quantitativ abzubilden, hat das Potenzial, einen wesentlichen Beitrag zur Früherkennung und Diagnose von Atemwegserkrankungen zu leisten. Es bietet auch neue Möglichkeiten, regionale Lungenanomalien zu quantifizieren und Veränderungen zu verfolgen, die durch die Therapie hervorgerufen werden. Diese Veränderungen in der regionsspezifischen Lungenfunktion, die uns SVI erstmals messen kann, haben das Potenzial, Biomarker zu werden, um die Wirkung von Medikamenten und inhalierten Therapien zu beurteilen, und könnten ein äußerst nützliches Instrument in klinischen Studien sein.

Der Zweck dieses Artikels ist es, die Methodik der spezifischen Lüftungsbildgebung detailliert und in visueller Form zu präsentieren und so zur Verbreitung der Technik in weitere Zentren beizutragen.

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Protocol

Das Human Research Protection Program der University of California, San Diego, hat dieses Protokoll genehmigt.

1. Thema Sicherheit und Ausbildung

  1. Erhalten Sie eine schriftliche, informierte Einwilligung des Betroffenen. Beschreiben Sie die potenziellen Risiken, die durch die Exposition bei sich schnell verändernden Magnetfeldern entstehen, und die potenziellen Beschwerden, die durch die Verwendung von Gesichtsmaske und Atemtrockengas entstehen.
  2. Stellen Sie sicher, dass das Thema sicher dem MR-Scannen unterzogen werden kann, indem Sie den lokal zugelassenen MRD-Sicherheitsscreeny-Fragebogen verwenden.
  3. Wenn es sich um ein weibliches Kind im gebärfähigen Alter handelt und sich über seinen Schwangerschaftsstatus unsicher ist, bitten Sie sie, einen rezeptfreien Schwangerschaftstest selbst zu verabreichen. Wenn das Fach schwanger ist, schließen Sie das Fach aus dem Rest der Studie aus.
  4. Messen Sie das Gewicht des Subjekts. Die Sicherheitsparameter der Scanner-Sicherheit, die die Menge der Radiofrequenz (RF)-Energie, die an den Gegenstand geliefert wird, begrenzen, benötigen die Eingabe dieser Eigenschaft. Überprüfen Sie, ob das Gewicht des Probanden unter der maximalen Gewichtsgrenze der MRT-Tabelle liegt (in diesem Fall 136 kg).
  5. Trainieren Sie das Motiv, um rechtzeitig mit der MR-Scan-Sequenz zu atmen. Vorzugsweise spielen Sie eine Audioaufzeichnung eines früheren Scans ab und weisen das Motiv an, normal zu atmen und alle 5 s einen Atemzug zu vervollständigen, wobei die Audiowürste des Scanners als Anleitung verwendet werden; Zum Zweck der Ausbildung mit dem Thema durchatmen.
  6. Bestimmen Sie die Größe der Gesichtsmaske (Größen reichen von zierlich bis extra-groß [XL]), die am besten zu dem Motiv passt, indem Sie die Nase-zu-Kinn-Abmessungen des Motivs messen. Eine wohlform-große Maske passt bequem, verhindert aber, dass die Luft an jedem Punkt zwischen Maske und Haut des Motivs hineinsickert. Versuchen Sie es bei Bedarf auch in anderen Größen.
  7. Überprüfen Sie, ob die Taschen und die Kleidung des Betreffes frei von magnetischen Kreditkarten und eisenhaltigen Metallstücken sind. Bei Bedarf soll das Thema in das von der MRT-Anlage zur Verfügung gestellte medizinische Kleid wechseln.
    NOTE: Metall kann in der MRT-Umgebung gefährlich sein, und metallische Objekte wie Clips (typischerweise in BHs), Metallringe (BHs und Hoodies), Metallknopf oder Reißverschlüsse (Hemden, Pullover), Haarverlängerung und Perücken haben das Potenzial, bildgebende Artefakte zu schaffen.

2. Vorbereitung der MRT-Umgebung

  1. Nur das in der MRT-Sicherheit ausgebildete Personal nach den Standards der Bildgebung lassen, um in den Scannerraum zu gelangen oder bei der Durchführung dieses Experiments zu helfen.
  2. Konfigurieren Sie den MR-Scanner für den Einsatz mit einer Oberkörper-Spule, indem Sie die Spule an den entsprechenden Stecker in der Scanner-Tabelle anschließen.
  3. Bereiten Sie den Scanner-Tisch mit Blechen, Pads und Kissen vor, damit das Motiv während der Bildgebung mindestens 30 Minuten lang bequem ist.
  4. Montieren Sie das Sauerstoffliefersystem.
    Hinweis:     In Abbildung 2 wird ein schematisches Diagramm der Schläuche dargestellt.
    1. Platzieren Sie ein Zwei-und Drei-Wege-Schalventil in Reichweite des Scanner-Bedieners oder der Person, die das SVI-Experiment durchführt.
    2. Verbinden Sie entweder den Tank mit medizinischem Sauerstoff (außerhalb des Scannerraums) oder die Sauerstoffwandversorgung (falls vorhanden) mit einem Einlass des Schaltventils mit einem 4-Zoll-Kunststoffschläuchen.
    3. Schaltung des Schalterventils im Kontrollraum an die 8 m (ausreichend lange Länge für den Scanner) 4-Zoll-Kunststoffschläuche. Füttern Sie die Schläuche durch den Durchgang, vom Kontrollraum in den Scannerraum und sorgen Sie dafür, dass sie in der Mitte der Scannerbohrung ankommen.
      NOTE: Die Kunststoffrohre, die den Schalklappausgang mit der Flow-Bypass-Maske verbinden, beinhalteten einen Sprung in den Durchmesser der letzten 2 m von 1/4 Zoll auf 3/8 Zoll bis 1/2 Zoll, um den Lärm zu verringern, der durch Luft entsteht, die in das Fließbypass-System fließt.
    4. Schläuche mit dem Flow-bypass-Maskenaufsatz verbinden.
    5. Sichern Sie die Flow-Umypass-Anhängung an die Gesichtsmaske, die zum Thema passt.
    6. Stellen Sie den Druck auf den Tank oder den Wandauslaufregler auf einen Wert, der einen Sauerstofffluss erzeugt, der größer ist als der erwartete Peak-Inspirationsfluss. Der Druck, der benötigt wird, hängt von der Art der Studie (Ruhe, Bewegung, etc.) und der Gesamterwiderständigkeit des Gasliefersystems ab (typischerweise ~ 70 psi für das Liefersystem, das im Schritt 2.4.3 für Studien in Ruhe beschrieben wird).
    7. Testen Sie das Schalterventil, indem Sie den Sauerstofffluss aktivieren, um sicherzustellen, dass ein ausreichender Durchfluss am Auslauf des Flow-Bypass-Anbauers vorhanden ist und keine Lecks in den Kunststoffrohren vorhanden sind.

3. Instrumentierung und Vorbereitung des Themas für die Bildgebung

  1. Das Thema auf dem MRT-Tisch liegen lassen. Achten Sie darauf, dass die Oberseite des unteren Spulen-Elements eine ausreichende Abdeckung der Lungenapices bietet, indem Sie sicherstellen, dass die Oberseite des unteren Spulen-Elements höher ist als die Schultern des Subjekts.
  2. Haben Sie das Betreff Ohrstöpsel einfügen und überprüfen, ob der Ton blockiert wird.
  3. Die Squeeze-Kugel (oder ein alternativer Sicherheitsmechanismus) an das Handgelenk des Motivs kleben lassen, so dass sie leicht zugänglich ist.
  4. Befestigen Sie das Masken-und Flow-bypass-System an das Gesicht des Motivs. Kurz verdeckt die Expiration-Seite der Flow-bypass-Anlage und bittet den Betreffenden, eine normale Inspiration und Ablauf zu versuchen, um nach Lecks zu überprüfen.
  5. Legen Sie das Motiv in den Scanner, mit dem Lichtzentrierwerkzeug, um sicherzustellen, dass die Oberdach-Spule die Mitte der Bohrung belegt.
  6. Verbinden Sie die Flow-Bypass-Linie mit dem 3D-gedruckten Flow-bypass-Maskenaufsatz mit der eng sitzenden Messingmutter an den Einlass.

4. MRI Imaging

  1. Wählen Sie den anatomischen Ort für die Bildgebung von Scheiben.
    1. Erwerben Sie eine Lokalausschreiheersequenz, um eine anatomische Karte zu erhalten, die verwendet wird, um den Rest der Prüfung zu verordnen.
    2. Wählen Sie bis zu 4 Sagittal-Lungscheiben aus, die untersucht werden sollen, indem Sie die Bildscheibe mit Hilfe der grafischen Benutzeroberfläche des Scanners an den gewünschten Ort klicken und ziehen. Typischerweise ist das Sichtfeld auf 40 x 40 cm und die Scheibendicke auf 1,5 cm eingestellt. Wählen Sie Scheiben, die im Lungenfeld zentriert sind und auf den für die Studie interessanten Bereich abzielen, und minimieren in der Regel das Eindringen von großen Lungengefäßen im Mittelal-und Brustwand seitlich bis seitlich, um Maximieren Sie das gesampelte Lungenvolumen.
      NOTE: Die Auswahl der Scheiben kann in jeder Ebene erfolgen; Man kann bis zu 4 Scheiben auswählen. Zur Demonstration wird eine Scheibe erworben.
    3. Notieren Sie sich die Lage der bildgebenden Scheiben in Bezug auf den Standort der Wirbelsäule, so dass das gleiche Volumen für Längsschnittstudien reimiert werden kann.
  2. Spezifische Lüftungsbildgebung
    Hinweis:     Eine Liste der typischen MRT-Parameter ist in Tabelle 1dargestellt.
    1. Stellen Sie die Inversionszeit im MR-Computer für die medialste Scheibe auf 1.100 ms ein, um den Luft-Sauerstoff-Kontrast17zu maximieren.
    2. Setzen Sie die Akquisitionsparameter (Tabelle 1) für die Bildaufzeichnung. Für die Mehrspeiserwerbung wird jede weitere Scheibe nach der ersten, in Abständen von 235 ms (1.335 ms, 1.570 ms, 1.805 ms) erworben.
      NOTE: Nach dem Inversionsrückgewinnungsimpuls und einem Zeitintervall (beschrieben durch die Inversionszeit) wird jedes Scheibenbild mit einem halb-Fourier-Einschuss-Turbo-Spin-Echo (HASTE) mit 128 x 128 Auflösung (70 Zeilen k-Space gesampelt) aufgenommen; Die Bilder werden auf 256 x 256 Auflösung rekonstruiert.
    3. Setzen Sie die Anzahl der Wiederholungen auf 220 und die Wiederholungszeit (TR) auf 5 s. Dies führt dazu, dass sich 4.2.1 und 4.2.2 für insgesamt 220 aufeinanderfolgende Atemzüge wiederholen, die 5 s voneinander entfernt sind. Bitten Sie das Subjekt, seine Atmung mit der Bildaufnahme freiwillig zu Gate zu nehmen.
      NOTE: Die Bilder werden am Ende eines normalen Auslaufs in einer kurzen freiwilligen Atemunterbrechung bei funktioneller Restkapazität (FRC) erworben. Es ist wichtig, dass bei jeder dieser aufeinanderfolgenden Akquisitionen ein ähnliches Lungenvolumen konsequent erreicht wird.
    4. Überwachen Sie die Konsistenz des Lungenvolumens des Subjekts (Endablauf) bei späteren Akquisitionen und geben Sie Feedback, um die Qualität bei Bedarf zu verbessern. Erhöhen Sie TR (das Zeitintervall zwischen den aufeinanderfolgenden Übernahmen), wenn es dem Subjekt schwer fällt, alle 5 s ein konsistentes Lungenvolumen zu erreichen.
    5. Wechseln Sie das inspirierte Gasgemisch des Probanden alle 20 Atemzüge (während der Anschaffung atmen Sie den Komfort des Probanden), abwechselnd zwischen Raumluft und medizinischem Sauerstoff. Notieren Sie sich, wann die Schalter auftraten, und die Intervalle, in denen das Subjekt jedes Gas atmete. Lassen Sie das Subjekt 100% Sauerstoff für 40 aufeinanderfolgende Atemzüge zu einem bestimmten Zeitpunkt im Experiment (typischerweise Atemzüge 20-60 oder 180-220), um die Empfindlichkeit gegenüber niedrig belüfteten Lungenregionen zu erhöhen.
    6. Regelmäßig überprüfen Herzfrequenz (40 − 80 für normale Probanden in Ruhe) und Sauerstoffsättigung (typischerweise 98 − 100%) Beim Blick auf den Pulsoximeter (Abbildung 2); Abweichungen von der Norm können Not oder Angst signalisieren.
    7. Sprechen Sie häufig mit dem Thema, indem Sie auf die Scanner-Tastatur drücken, die noch zu sprechen ist, und geben Sie regelmäßig die verbleibende Zeit.
    8. Nach dem Atem 220 ist die Bildgebung abgeschlossen. Bringe das Betreffende in die Raumluft zurück und entferne ihn oder sie aus dem Scanner.

5. Erstellung einer speziellen Ventilationskarte aus einer Zeitreihe von Bildern

  1. Überprüfen Sie, ob für jede Lungenscheibe ein Stapel von 220 aufeinanderfolgenden MR-Bildern aufgenommen wurden.
  2. Importieren Sie die Bilder zur Registrierung in die Bildanalyse-Software (z.B. MATLAB).
  3. Wählen Sie von den 220 Bildern, durch visuelle Inspektion des gesamten Bildstacks, für jede Scheibe, die am besten die funktionale Restkapazität darstellt. Die funktionale Restkapazität wird als "Modus" der Lungenvolumina im Stapel identifiziert.
  4. Verwenden Sie das "Modus"-Bild als Referenz, verwenden Sie projektive oder affine Registrierung, um alle Bilder auf die funktionale Restkapazität Referenz zu registrieren.
    NOTE: Die Registrierung erfolgt in der Regel mit einem Algorithmus, der in Haus18 entwickelt wurde, oder einem öffentlich erhältlichen, verallgemeinerten Dual-Bootstrap iterativen nächstpunktgleichen Algorithmus (GDB-ICP19).
  5. Verwenden Sie die Ausgabe des Registrierungsalgorithmus, um die Flächenänderung jedes Bildes zu berechnen. Verwerfen Sie Bilder, deren Registrierungsschritt erforderte und gt;10%-Bereich vom Bildstapel wechseln, undbehandeln Sie sie als fehlende Daten 20.
  6. Quantifizieren Sie die spezifische Belüftung in der Lunge aus dem registrierten Stapel mit einem Algorithmus,derin Haus 1,7 entwickelt wurde. Führen Sie Quantifizierung durch, indem Sie die Zeitenumaktion jedes Voxels mit der aufeinanderfolgenden Sauerstoffwashin-und-auswasch-Serie vergleichen, mit einer Bibliothek von 50 simulierten, geräuschfreien Antworten, die spezifischen Belüftungen von 0,01 bis 10 in 15% Zuwächsen entsprechen. Jedem Voxeln wird ein Wert der spezifischen Belüftung zugeordnet, der der spezifischen Belüftung des simulierten Ideals entspricht, der eine maximale Korrelation zu den Zeitreihen jedes Voxels darstellt, wie sie ursprünglich in 1 dargestellt wurde.
  7. Die Ausgabe des vorherigen Schrittes ist eine Karte der spezifischen Lüftung. Erstellen Sie ein Histogramm der Verteilung und berechnen Sie die Breite der spezifischen Lüftungsverteilung, ein Maß für die spezifische Lüftungs-Heterogenität, unabhängig von Gezeitenvolumen.

6. Kombination von spezieller Ventilungs-und Dichte Karten zur Kompute der regionalen Alveolar-Lüftung

  1. Neben SVI, erwerben Lungenprotonendichte Bilder21, wie in einer früheren Studie22 (Abschnitte 4.4 und 5.1 in Bezug auf 22) beschrieben. Erhalten Sie die Protonendichtebilder in der gleichen Lungenscheibe (n), am gleichen Lungenvolumen (FRC, Ende eines normalen Ablaufs); Setzen Sie die Auflösung auf 64 x 64, was einer Voxelgröße von ~ 6,3 mm x 6,3 mm x 15 mm entspricht.
  2. Richten Sie spezifische Lüftungs-und Protonendichte-Bilder ein.
    1. Glätten Sie sowohl die spezifischen Lüftungs-als auch die Protonendichte-Bilder mit einem Gaussisch-Filter mit einer Kerngröße von ~ 1 cm 3.
    2. Führen Sie eine starre Registrierung (Übersetzung und Rotation) zwischen der Karte der spezifischen Lüftung und der Karte der Dichte mit einem gegenseitigen informationsbasierten Algorithmus durch.
  3. Berechnen Sie die alveolare Belüftung aus der mitregistrierten spezifischen Lüftungs-und Protonendichtedaten.
    1. Berechnen Sie eine Karte von (1-Dichte), die der Bruchteil der Luft in der gesampelten Lautstärke am Ende eines normalen Auslaufs ist, vorausgesetzt, dass die Lunge aus Luft und Gewebe besteht und dass die Gewebedichte ~ 1 g/cm 3 ist.
    2. Berechnen Sie eine regionale Lüftungskarte als Produkt (1-Dichte) x SV (natürliche Einheiten). Multiplizieren Sie dieses Produkt mit dem Volumen eines Voxels (oder einer anderen Region von Interesse) und der Atemfrequenz (verhängt, in der Regel 12 Atem-/min), um eine Karte der Belüftung in den bekannteren Einheiten von ml/min zu erhalten.
      NOTE: Für jede Lungenregion ist der SV = "V/V 0" und (1 – Dichte)-V 0. So ist das Produkt (1-Dichte) x SV = regionale Belüftung, ausgedrückt in natürlichen Einheiten.

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Representative Results

Einzelne Scheibe SVI in einem gesunden Thema
Die spezifische Lüftungsbildgebung erzeugt quantitative Karten spezifischer Belüftung, wie sie in Abbildung 3Agezeigt werden, die eine einzelne Scheibe in der rechten Lunge eines 39-jährigen gesunden Weibchens darstellt. Beachten Sie das Vorhandensein des erwarteten vertikalen Gefälles in der spezifischen Belüftung; Der abhängige Teil der Lunge stellt eine höhere spezifische Belüftung dar als der nicht abhängige Teil der Lunge. Es wird ein Histogramm der abgebildeten spezifischen Lüftungswerte (Abbildung 3B, gefüllte Kreise) sowie eine am besten passende Log-Normale-Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion (gestrichelte Linie) dargestellt. Die Breite der am besten fitten Verteilung kann als Metrik der spezifischen Lüftungsheterogenität7,23 verwendetwerden. Abbildung 1 zeigt eine mehrfache Atemauswäsche-Auswände, die in der gleichen Materie, in der gleichen Körperhaltung, erworben wurde. Abbildung 1A zeigt die zeitliche Aufzeichnung der Stickstoffkonzentration, die am Mund gemessen wird, nachdem sie von der inspirierten Luft zu 100% Sauerstoff verschoben wurde. Die Abbildung 1B zeigt die Verteilung der spezifischen Belüftung, wie sie aus dem Auswaschen geschätzt wird. Sowohl für SVI als auch für MBW ist die entsprechende Variable die Breite der Verteilung, gemessen an der Breite einer auf die Daten angepassten Protokoll-Normalverteilung (gestrichelte Linie), die bei SVI und 0.42 mit MBW im gesunden Normalbereich festgestellt wurde. Die Validierung der SVI-geschätzten spezifischen Lüftungsheterogenität im Vergleich zu MBW wurde in 10 Probanden durchgeführt und der Unterschied zwischen den Techniken wurde als kleiner als die MBW-Inter-Test-Variabilität7festgestellt. Ein räumlicher Vergleich mit einem hyperpolarisierten Gas Mehratm-Spezifische Lüftungsabbildung16 zeigte auch verlässliche Gruppenschätzungen der spezifischen Lüftungsheterogenität (die Breite der spezifischen Lüftungsverteilung über die 8 untersuchten Probanden Bei 0,28 ± 0,08 und 0,27 ± 0,10 für hyperpolarisierte 3Er und die spezifische Lüftungsabbildung waren 0,28 ± 0,08 und 0,27 ± 0,10, trotz höherer als erwarteter Intra-Fef-Variabilität (die Standardabweichung der einzelnen Breitenunterschiede betrug 0,13)16.

Spezifische Lüftungskarten können auch in Verbindung mit Lungendichtekarten verwendet werden, um die regionale alveolare Lüftung zu berechnen. Um Karten der alveolaren Belüftung zu erstellen, müssen spezifische Lüftungs-und Dichtewilder räumlich geglättet werden, um die möglichen kleinen Fehlstellungen zwischen den beiden Modalitäten zu minimieren.

Reaktion auf Methacholin-Herausforderung in einem asthmatischen Thema
SVI kann verwendet werden, um sowohl lung-weite als auch regionale Reaktionen auf Eingriffe wie Übung4, Körperhaltung2oder Medikamente3 zu messen. Als Beispiel zeigt Abbildung 4 eingleisige Karten aus der Lunge eines milden asthmatischen weiblichen Subjekts an der Grundlinie (Abbildung 4A), nach Bronchokonstriktion mit Methacholin (Abbildung 4B) und nach albuterol-gestützter Genesung ( Abbildung 4C). Man beachte die erhöhte spezifische Lüftungsheterogenität während des induzierten Asthma-Ereignisses und das Vorhandensein großer Flecken von wenig bis gar keiner spezifischen Belüftung (dunkelblaue Regionen im abhängigen Teil der Lunge). Beachten Sie auch, dass die Belüftung in einigen Regionen während der Bronchokonstriktion (grün-rote Regionen) paradoxerweise zugenommen hat.

Mehrfachscheibe SVI
Bis zu sechs (typischerweise vier), zusammenhängende, 15 mm Lungenscheiben können gleichzeitig mit SVI abgebildet werden. Abbildung 5 zeigt vier zusammenhängende rechte Lungenscheiben, die ~ 70% der rechten Lunge abdecken, in einem moderaten asthmatischen männlichen Subjekt, das 24 Stunden lang aus seinen Asthmamedikamenten zurückgezogen worden war.

Lüftungskarte
Sofern die Informationen über die Lungendichte in der gleichen Scheibe erfasst wurden und die Atemfrequenz bekannt ist, kann eine vollständig quantitative Lüftungskarte in Einheiten von mL/min/mL berechnet werden. Ein Beispiel für eine Karte der Lüftung ist in Abbildung6 dargestellt.

Figure 1
Abbildung 1: Mehrfacher Atemauswaschen. (A) Typische MBW-Tracing, die abgelaufene Stickstoffkonzentration (N2) und Gezeitenvolumen (unten) über die Zeit (Sekunden, s) zeigt. Die Daten wurden in der Rückenhaltung erhoben; Thema war ein gesundes 39-jähriges Weibchen. B) Histogramm, das die Verteilung der spezifischen Lüftung (SV) darstellt, die aus dem MBW-Experiment mit der von Lewis et al. 23 (Festlinie) vorgeschlagenen Methode berechnet wird. Die gestrichelte Linie stellt das Log (Gaußisch) dar, das am besten zur spezifischen Lüftungsverteilung passt. Die Heterogenität der spezifischen Belüftung, das Schlüsselergebnis, wird als Breite der besten Passverteilung, in diesem Fall 0,42, gemessen. Diese Zahl wurde mit GenehmigungvonReferenz 7 nachgedruckt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figure 2
Abbildung 2: Diagramm des Sanitärsystems und der Instrumentierung. Die spezifische Lüftungsabbildung erfordert 100% medizinischen Sauerstoff, entweder aus dem Druckgasbehälter (wie gezeichnet) oder einem Wandausgang. Die Sauerstoffquelle wird an ein Schalterventil (Kontrollraum) angeschlossen, das wiederum über den MRT-Durchgang mit dem 3D-gedruckten Flow-Bypass-System 24 verbunden ist, das an einem Facemase-Raum(Scannerraum) befestigt ist. Die linke Seite der Zeichnung entspricht der MRT-Regie, die rechte Seite dem Scannerraum. Die Kunststoffrohre, die den Tank mit dem Schalter verbindet, haben einen Durchmesser von 1/4 Zoll. Auch der Schlauch vom Schalterventil-Auslass bis zum Strömungsbypass-System ist 1/4 in. Die letzten 2m beinhalten einen Schritt nach oben im Durchmesser, von 1/4 Zoll auf 3/8 Zoll, und dann auf 1/2 Zoll, um den Lärm durch den Luftstrom24erzeugt zu verringern. Ein Pulsoximeter wird verwendet, um die Herzfrequenz (HR) und Sauerstoffsättigung (Sa) des Motivs zu überwachen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figure 3
Bild 3: Spezifische Lüftungsbildgebung. A) Typische Karte der spezifischen Belüftung (Farbe), die auf ein anatomisches MRT-Bild desselben unterschwelenden Subjekts (graue Skala) überlagert wird. Die spezifische Belüftung reicht von sehr niedrigen Werten (blau) bis SV = 1,0 (rot). Das Subjekt, 39 Jahre gesunde Freiwillige (gleiches Fach wiein Abbildung 1), wurde in der Rückenhaltung abgebildet. Beachten Sie den vertikalen Gefälle in der spezifischen Belüftung. In der vorderen Brustwand wurde ein Phantom der bekannten MR-Kennzeichnung platziert, das zur Kalibrierung der absoluten Dichte verwendet wurde. Phantome sind für die SVI-Quantifizierung nicht erforderlich. B) Histogramm der Verteilung der spezifischen Lüftung (gefüllte Kreise), die aus der spezifischen Lüftungskarte zusammengestellt wurde. Die Breite der Verteilung stellt die Heterogenität der spezifischen Belüftung in der untersuchten Lungenscheibe dar. In diesem Beispiel ist die Verteilung unimodal und die Breite des Blocks Gaussian Einbauverteilung (gestrichelte Linie) war 0,41; Dies ist vergleichbar mit der MBW-Ganz-Lunge spezifischen Lüftungsverteilung, die in Abbildung 1Bdargestellt wird, für das gleiche Thema und die gleiche Körperhaltung, wo die Breite der Verteilung betrug. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figure 4
Abbildung 4: Bronchokonstriktion und Bronchodilationskarten in einem milden Asthma. Spezifische Belüftung, gemessen in einem milden asthmatischen Probanden (weiblich, 24 Jahre) an der Grundlinie (A), nach dem Einatmen von 1 mg/mL Methacholin (B) und nach dem Einatmen von Albuterol (C). Beachten Sie die signifikanten Veränderungen in der Verteilung der spezifischen Belüftung nach der Induktion eines asthmaähnlichen Ereignisses mit Methacholin (Tafel B), wobei große Regionen der abhängigen Lunge eine sehr geringe spezifische Belüftung aufweisen. Beachten Sie auch die Erholung nach der Bronchodilator-Verwaltung (Panel C). Wie in Abbildung3 wurden die spezifischen Lüftungskarten in ein anatomisches MRT überlagert. Die Breite der spezifischen Lüftungsverteilung betrug 0,31 Basiswerte, 0,94 Pfosten-Methacholine und 0,28 Post-Albuterol. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figure 5
Abbildung 5: Mehrteile spezifische Beatmungskarte in moderatem Asthmatikern nach 24-h-Medikamententnahme. Spezifische Lüftungskarte von 4 zusammenhängenden Lungenscheiben in der richtigen Lunge, erworben in einem 25-jährigen männlichen moderaten Asthmatiker nach 24 Stunden Entzug der täglichen Asthmamedikamente. Die 4 abgebildeten Scheiben decken ~ 70% der rechten Lunge des Subjekts ab. Regionen mit geringer spezifischer Belüftung (dunkelblau) sind in allen Scheiben vorhanden. An der Grundlinie lag die FEV1 bei 84 Prozent. Nach der 24-Stunden-Entnahme der täglichen Medikamente betrug die FEV1 dieses Themas 69 % der vorhergesagten; Nach der Bildgebung nutzte das Thema seinen Rettungshubschrauber und FEV1 erholte sich auf 83 Prozent der prognostizierten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figure 6
Abbildung 6: Beispiel Lüftungskarte mit Belüftung (mL/min/mL), die in einem gesunden 27-jährigen Männersubjekt erworben wurde. Lüftungskarten wurden wie in Abschnitt 6 beschrieben erstellt, wobei eine SV-Karte zusammen mit einer Karte der Lungenprotonendichte in der gleichen Scheibe verwendet wurde. In diesem Beispiel wurden sowohl die SV als auch die Dichte-Karten mit einem Gauss-Kernel mit einer vollen Breite von halb maximal 5 Voxeln geglättet, was zu einer räumlichen Skala von ~ 0,64 cm 2 in der Ebene führte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

MRT-Parameter Svi Notizen
ECHO-Zeit (TE) 21,6 ms (Einzelscheibe)
18,2 ms (Multi-Slice)
Wiederholungszeit (TR) 5 s Jeder Wert > 4 s
Passen Sie auf Patientenkomfort
Inversion time (TI) 1,100 s (Einzelscheibe) Für Mehrfachscheibe, TI aus Scheibe n
1.100, 1.335, 1.570, 1.805 s (4 Scheiben) TI(n)=1.100 s + 0.235*(n-1)
Matrix 256 x 128 (Einzelscheibe)
128 x 128 (Multi-Slice)
Blickfeld 40 Zentimeter 32-44 cm
bandbreite 125 kHz

Tabelle 1: Liste der typischen MRT-Parameter, die für die Erfassung einer bestimmten Lüftungsbildgebung verwendet werden.

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Discussion

Die spezifische Lüftungsbildgebung ermöglicht die quantitative Kartierung der räumlichen Verteilung der spezifischen Belüftung in der menschlichen Lunge. Alternativen zu SVI gibt es, sind aber in gewisser Weise begrenzt: Mehrfache Atemauswaschen bietet ein Maß an Heterogenität, aber es fehlt an räumlichen Informationen23. Alternative bildgebende Methoden setzen Patienten der ionisierenden Strahlung aus (z.B. SPECT, PET, CT, Gammascintigraphie) oder sind nicht weit verbreitet (hyperpolarisierte Gasbildgebung mit MRT). Die spezifische Lüftungsbildgebung liefert räumliche Informationen und kann mit einem Standard-klinischen Scanner und inhaliertem Sauerstoff als Kontrastquelle durchgeführt werden und kann so in nahezu jede klinische Forschung übersetzt werden. Die Tatsache, dass SVI nicht den Einsatz von Strahlen-oder Kontrastmitteln benötigt, eignet sich gut für Wiederhol-oder Längsschnittstudien, die regionale Reaktionen auf Medikamente, Therapien oder Eingriffe quantitativ bewerten. Diese Art von regionalen quantitativen Informationen über die Auswirkungen der Therapie kann besonders nützlich sein im Zusammenhang mit der eingeatmeten Medikamentenzufuhr.

Die Nachteile von SVI sind, dass es ein relativ niedriges Signal-Rausch-Verhältnis (typischerweise 4-7) hat, es benötigt ~ 18 Minuten, um zu erwerben und dass es für das Subjekt und den Datenanalytiker etwas mühsam ist. Für den Erwerb zuverlässiger spezifischer Lüftungsdaten ist eine fachliche Schulung unerlässlich. Das Motiv wird in der Regel mit einem aufgezeichneten Soundtrack der Scanner-Geräusche vor der Bildgebung trainiert, so dass er oder sie für jedes der 220 Atemhaltebilder eine reproduzierbare Lautstärke (FRC) erreichen kann. Im Idealfall wird dies bei der Atmung bei einem normalen, komfortablen Gezeitenvolumen ohne Hyperventilatoren erreicht. Bei der Nachbearbeitung muss der Datenanalyst, der Bildregistrierungssoftware verwenden muss, um Unterschiede im Lungenvolumen zu berücksichtigen (Abschnitt 5.3 oben).

Seit der ursprünglichen Veröffentlichung der Technik1hat SVI eine Modifikation erfahren, um die Umsetzung zu optimieren. Ein 3D-gedrucktes MR-kompatibles Flow-Bypass-System24 ermöglichte es, zwischen der Zufuhr von Raumluft und Sauerstoff nahezu sofort zwischen Raumluft-und Sauerstoffzufuhr zu wechseln. Dieses System mindert die Komplexität des ursprünglichen Setups erheblich, was dem zuvor in einem JoVE-Papier beschriebenen Gas-Lieferaufbau in Bezug auf die Perfusionsbildgebung22ähnelte. Zusammen mit der kontinuierlichen Entwicklung von Techniken zur freien Atembeschaffung wird die Technik der Anwendbarkeit der klinischen Forschung näher gebracht.

Wie hier dargestellt, hat SVI zwei Haupteinschränkungen: 1) die vier Scheiben (typischerweise) der rechten Lunge, die erworben werden, machen nur ~ 70% der rechten Lunge aus-in ihrer aktuellen Umsetzung können nicht mehr als sechs Scheiben mit 1,5T erworben werden, da die HF-Ablagerung zu Gewebe führt, die er bewirkt. ating; Die Gewebeheizung steigt mit höheren Feldstärken, wodurch die Akquisition von Mehrspitzen bei 3T weiter begrenzt wird; Und 2) SVI braucht ~ 18 Minuten, um zu erwerben, und so spiegelt die Karte der spezifischen Lüftung die zeitdurchschnittlich spezifische Belüftung jedes Voxels über dieses Intervall wider.

Die vollständige Lungenabdeckung kann jedoch durch die Wiederholung des Verfahrens oder durch eine abbauende räumliche Auflösung erreicht werden, und die Scanzeit kann auf Kosten der Genauigkeit bei der spezifischen Lüftungsquantifizierung reduziert werden. Die Technik ist in der Regel vielseitig einsetzbar und es sind verschiedene Akquisitionserpromisse möglich, die jeweils optimal für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. In einer Studie zur dynamischen Erholung von einem Asthma-Ereignis 25 wurden dieSVI-Daten beispielsweise mit einer höheren zeitlichen Auflösung (~ 7 min vs. ~ 18 min) und der gleichen räumlichen Auflösung analysiert, auf Kosten einer um ~ 30% höheren Unsicherheit der spezifischen Belüftung (geschätzt Von Monte Carlo Simulationen). Eine aktuelle Modellierungsstudie26 versuchte, die Auswirkungen mehrerer kleinerer Einschränkungen der SVI-Technik zu quantifizieren, nämlich 1), dass das abgebildete Volumen nicht die gesamte rechte Lunge umfasst, 2) dass kleine Fehlstellungen zwischen aufeinanderfolgenden Bildern auch nach Registrierung, und 3) dass Lungenvenen, indem sie Blut von anderswo in der Lunge in eine abgebildet Region transportiert, kann verwirendes Signal hinzufügen, das die Beatmung in der Region widerspiegelt, in der dieses Blut ursprünglich sauerstoffarm war und nicht in der Region, in der es sich befindet. Abgebildet. Die Studie26 ergab, dass 1) bei gesunden Probanden, ein Einpunktbild (das nur 8% der gesamten Lunge umfasst) schätzt den vertikalen Gefälle der spezifischen Belüftung innerhalb von 10% seines tatsächlichen Wertes, 2) SVI-Analyse auf modellierten Daten gezielt durchgeführt Fehlausgerichtet im Durchschnitt um 9% (ein schlimmster Fall Szenario, durch die Nichtableitung von Bildern mit Fehlausrichtungen & gt;10%) führte zu einer ~ 20% Unterschätzung der mittleren spezifischen Belüftung, eine Unterschätzung wahrscheinlich durch die Tatsache, dass das Mischen von schnellen und langsamen Gleichgewichtseinheiten wird wahrscheinlich zu einer Neigung zu den langsameren, niedrigen spezifischen Belüftungsanlagen führen, und 3) Lungenvenen Das Signal führt zu einer systematischen Überschätzung der spezifischen Belüftung um weniger als 10%.

Die Fähigkeit, funktionelle Bilder der menschlichen Lunge zu erzeugen-im Gegensatz zu der Einflussfunktion von anatomischen Veränderungen-hat das Potenzial, zur Früherkennung beizutragen und das Lungenverständnis bei Gesundheit und Krankheit zu erhöhen. Insbesondere die Fähigkeit, wiederholbare und quantitative regionale Karten der Beatmung zu erstellen, ermöglicht Längsschnittstudien des Krankheitsverlaufs und ermöglicht die Quantifizierung der Wirkung von Eingriffen, wie zum Beispiel eingeatmete Asthma-Medikamente. Durch die Kombination von spezifischer Lüftungsbildgebungmit zwei MRT-Techniken zur Messung der Lungendichte 21 und der Lungenperfusion (zuvor in dieser Zeitschrift 22 vorgestellt) können Karten des Beatmungsperfusionsverhältnisses bei Gesundheit und Krankheit erstellt werden. 2. Da das Missverhältnis zwischen Beatmung und Perfusion eine Hauptursache für Hypoxie und Hyperkapnie ist, können regionale Informationen über das Beatmungsdurchblutungsverhältnis bei Gesundheit und Krankheit weitere Einblicke in die Auswirkungen von Lungenerkrankungen geben.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde vom Nationalherz unterstützt, Lungen-und Blutinstitut (NHLBI) (Zuschüsse R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 und R01-HL119263) und das National Space Biomedical Research Institute (National Aeronautics and Space Administration gewähren NCC E.T. Geier wurde von der NHLBI-Zuwendung F30 HL127980 unterstützt.

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

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References

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Medizin Ausgabe 148 Atmung Lunge spezifische Belüftung funktionelle Magnetresonanztomographie sauerstoffgestützte Magnetresonanztomographie Lüftung
Quantitative Mapping spezieller Belüftung in der menschlichen Lung mit Proton-Magnetresonanztomographie und Sauerstoff als Kontrastmittel
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