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 kartlegging av spesifikk ventilasjon i Human Lung bruker Proton magnetisk resonans imaging og oksygen som kontrast agent

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

Spesifikk ventilasjon Imaging er en funksjonell magnetisk resonans imaging teknikk som gjør det mulig for kvantifisering av Regional spesifikk ventilasjon i den menneskelige lunge, ved hjelp av inhalert oksygen som kontrastmiddel. Her presenterer vi en protokoll for å samle inn og analysere spesifikke ventilasjons bildedata.

Abstract

Spesifikk ventilasjonsteknikk (SVI) er en funksjonell magnetisk resonans tenkelig teknikk som kan kvantifisere spesifikk ventilasjon – forholdet mellom den friske gassen som kommer inn i en lunge region delt på regionens ende ekspiratorisk volum – i den menneskelige lunge, med bare innånding av oksygen som kontrastmiddel. Regional kvantifisering av spesifikk ventilasjon har potensiale til å bidra til å identifisere områder av patologisk lungefunksjon. Oksygen i løsning i vev forkorter vevet langsgående avslapning tid (T1), og dermed en endring i vev oksygenering kan oppdages som en endring i T1-vektet signal med en inversjon utvinning ervervet bilde. Etter en brå endring mellom to konsentrasjoner av inspirert oksygen, gjenspeiler den hastigheten som lunge vev i en Voxel equilibrates til en ny steady-state den hastigheten som bosatt gass blir erstattet av inhalert gass. Denne hastigheten bestemmes av spesifikk ventilasjon. Å lokke fram denne plutselige endringen i oksygenering, emner vekselvis puste 20-pust blokker av luft (21% oksygen) og 100% oksygen mens i MRI-skanneren. En trinnvis endring i inspirert oksygen brøkdel oppnås gjennom bruk av en tilpasset tredimensjonal (3D)-trykt flyt bypass system med en manuell bryter under en kort ende-ekspiratorisk pusten hold. For å oppdage den tilsvarende endringen i T1, en global inversjon puls etterfulgt av et enkelt skudd rask spin ekko sekvensen ble brukt til å erverve todimensjonale t1-vektet bilder i en 1,5 T MRI-skanner, ved hjelp av en åtte-element torso coil. Både enkelt Slice og multi-Slice Imaging er mulig, med litt forskjellige Imaging parametere. Kvantifisering av spesifikk ventilasjon oppnås ved å samkjøre tiden-løpet av signal intensiteten for hver lunge Voxel med et bibliotek av simulerte reaksjoner på luft/oksygen stimulans. SVI estimater av spesifikke ventilasjons heterogenitet har blitt validert mot flere pust bleke og viste seg å nøyaktig bestemme heterogenitet av den spesifikke ventilasjon fordelingen.

Introduction

Det overordnede målet for spesifikk ventilasjon Imaging (SVI)-en Proton magnetisk resonans imaging (MRI) teknikk som bruker oksygen som kontrast agent1 -er å kvantitativt kart spesifikk ventilasjon i den menneskelige lunge. Spesifikk ventilasjon er forholdet mellom frisk gass levert til en lunge region i ett åndedrag delt på slutten ekspiratorisk volum av samme lunge region1. I forbindelse med målinger av lokal lunge tetthet, kan spesifikk ventilasjon brukes til å beregne Regional ventilasjon2. Målinger av lokal ventilasjon og ventilasjon heterogenitet som er levert av svi har potensial til å berike forståelsen av hvordan lunge funksjoner, både normalt og unormalt3,4.

Spesifikk ventilasjon Imaging er en forlengelse av den klassiske fysiologi test, flere pusten bleke (MBW), en teknikk først introdusert i 1950-årene5,6. Begge teknikkene bruker gass Washin/bleke for å måle heterogenitet av spesifikk ventilasjon, men SVI gir romlig informasjon, mens MBW bare gir globale målinger av heterogenitet. I MBW brukes en masse spektrometer til å måle blandet utløpt konsentrasjon av en uløselig gass (nitrogen, helium, svovel Hexafluoride, etc.) over mange åndedrag under en bleke av at gassen, som avbildet i figur 1. Sammen med det utløpte volumet per pust i løpet av den bleke perioden, kan denne informasjonen brukes til å beregne den samlede fordelingen av spesifikk ventilasjon i lungene. I SVI er en MRI-skanner brukt til å måle T1-vektet signal, som er et surrogat for oksygen mengden i løsningen i lungevevet, en direkte indikator på lokal oksygen konsentrasjon – i hver lunge Voxel over mange åndedrag under flere Washin/washouts av oksygen. På en måte som er direkte analogt til MBW, gir denne informasjonen oss mulighet til å beregne den spesifikke ventilasjonen til hver lunge Voxel. Med andre ord, utfører teknikken tusenvis av parallelle MBW-like eksperimenter, en for hver Voxel, under en SVI eksperiment. Faktisk, den romlige kart over spesifikke ventilasjon dermed produseres kan kompileres for å gjenopprette den spesifikke ventilasjon heterogenitet produksjon av MBW. En validerings studie7 viste at de to metodene produserte sammenlignbare resultater når de ble utført i serier på de samme fagene.

Andre Imaging modaliteter eksisterer som, som SVI, gir romlige tiltak av ventilasjon heterogenitet. Positron utslipp tomografi (pet)8,9, Single-Foton utslipp beregnet tomografi (SPECT)10,11, og hyperpolarized gass MRI12,13 teknikker har blitt brukt til å skape en betydelig mengde litteratur om romlig mønster av ventilasjon i sunne og unormale. Generelt, disse teknikkene har minst en klar fordel over SVI, ved at deres signal-til-støy-forhold er karakteristisk høyere. Imidlertid har hver teknikk også en karakteristisk ulempe: PET og SPECT innebære eksponering for ioniserende stråling, og hyperpolarized MRI krever bruk av høyt spesialisert hyperpolarized gass og en MR-skanner med ikke-standard multi-kjerner maskinvare.

SVI, en Proton-MRI teknikk, vanligvis bruker 1,5 Tesla MR maskinvare med inhalert oksygen som kontrastmiddel (begge elementene er lett tilgjengelig i helsevesenet), noe som gjør det potensielt mer generaliserings til det kliniske miljøet. SVI utnytter det faktum at oksygen forkorter den langsgående avslapning tid (T1) av lunge vev1, som igjen betyr en endring i signal intensitet i en T1-vektet bilde. Dermed endringer i konsentrasjonen av inspirert oksygen induserer endring i signal intensiteten av passende tidsbestemte MRI-bilder. Frekvensen av denne endringen etter en brå endring i inspirert oksygen konsentrasjon, typisk luft og 100% oksygen, reflekterer hastigheten som fastboende gass er erstattet av inhalert gass. Denne erstatnings hastigheten bestemmes av spesifikk ventilasjon.

Som SVI innebærer ingen ioniserende stråling, det har ingen kontraindikasjoner for langsgående og interventional studier som følger pasienter over tid. Dermed er det ideelt for å studere sykdomsprogresjon eller vurdere hvordan individuelle pasienter reagerer på behandling. På grunn av sin relative letthet og sikre repeterbarhet, er spesifikk ventilasjon Imaging generelt en ideell teknikk for de som ønsker å studere store effekter og/eller et stort antall mennesker over tid eller på flere ulike kliniske steder.

Etter den opprinnelige publikasjonen beskriver teknikk1, spesifikk ventilasjon Imaging (svi) har blitt brukt i studier fokusert på effekten av rask saltvann infusjon, holdning, mosjon, og bronkokonstriksjon2,3 , 4 andre priser , 14 priser og priser , 15. teknikken evne til å anslå hele lunge heterogenitet av spesifikk ventilasjon har blitt validert ved hjelp av veletablerte flere pusten bleke test7 og mer nylig, en regional en kryss-validering ble utført, ved sammenligne SVI og hyperpolarized gass flere pust spesifikk ventilasjon Imaging16. Denne pålitelige og lett distribueres teknikk, i stand til kvantitativt kartlegging spesifikk ventilasjon i den menneskelige lunge, har potensial til å betydelig bidra til tidlig påvisning og diagnostisering av luftveissykdom. Den presenterer også nye muligheter til å kvantifisere regionale lunge unormalt og følge endringer indusert av terapi. Disse endringene i region-spesifikk lungefunksjon, som SVI gjør oss i å måle for første gang, har potensial til å bli biomarkører for å vurdere effekten av narkotika og inhalert terapi, og kan være et svært nyttig verktøy i kliniske studier.

Hensikten med denne artikkelen er å presentere metodikk for spesifikke ventilasjon Imaging i detalj og i en visuell form, og dermed bidra til formidling av teknikken til flere sentre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

The University of California, San Diego Human Research Protection program har godkjent denne protokollen.

1. sikkerhet og opplæring

  1. Innhente skriftlig, informert samtykke fra faget. Beskriv den potensielle risikoen som presenteres ved eksponering for raskt skiftende magnetiske felt, og den potensielle ubehag ved bruk av ansiktsmaske og puste tørr gass.
  2. Sørg for at motivet trygt kan gjennomgå MR skanning, utnytte den lokalt godkjente Mr sikkerhet screening spørreskjema.
  3. Hvis motivet er en kvinnelig i fertil alder, og usikker på hennes graviditet status, be henne om å selv administrere en over-the-counter graviditetstest. Hvis motivet er gravid, utelukke faget fra resten av studien.
  4. Målvekten av motivet. Sikkerhetsparametre for skanner som begrenser mengden av RF-energi (radiofrekvens) som leveres til motivet, krever inn data fra denne egenskapen. Kontroller at vekten til motivet er lavere enn maksimumsgrensen for MRI-tabellen (i dette tilfellet 136 kg).
  5. Tren motivet til å puste i tid med MR Scan sekvensen. Fortrinnsvis, spille en lydopptak av en tidligere skanning og instruere motivet til å puste normalt og fullføre en pust hver 5 s, ved hjelp av lydsignaler fra skanneren som guide; puste sammen med motivet for det formål å trene.
  6. Bestem størrelsen på ansiktsmasken (størrelser varierer fra små til ekstra store [XL]) som best passer motivet ved å måle motivet er nese-til-haken dimensjoner. En riktig størrelse maske vil passe komfortabelt, men vil hindre luft fra lekker mellom masken og motivet hud på noe punkt. Prøv på andre størrelser om nødvendig.
  7. Kontroller at det er lommer og klær uten magnetisk basert kredittkort og jern inneholder metalldeler. Hvis det er nødvendig, har motivet endres til den medisinske kjolen som gis av MRI-anlegget.
    Merk: Metall kan være farlig i Mr-miljøet, og metalliske objekter som for eksempel klips (vanligvis i BH), metall ringer (BH og hettegensere), metallknapp eller glidelås (skjorter, gensere), hårforlengelse og parykker har potensial til å skape bilde gjenstander.

2. klargjøring av MRI-miljøet

  1. Bare Tillat personell opplært i Mr-sikkerhet til standardene for bildebehandlings anlegget for å gå inn i skanner rommet eller bistå i å utføre dette eksperimentet.
  2. Konfigurer MR-skanneren for bruk med en torso coil ved å koble spolen til den aktuelle kontakten i skanner tabellen.
  3. Klargjør skanner tabellen med laken, pads og puter, slik at motivet vil være komfortabelt i minst 30 minutter under bildebehandling.
  4. Monter oksygen leveringssystemet.
    Merk:     et skjematisk diagram av slangen er presentert i figur 2.
    1. Plasser en to/tre-veis bytte ventil innen rekkevidde av skanneren operatøren eller personen som utfører SVI eksperimentet.
    2. Koble enten tanken av medisinsk oksygen (utenfor skanneren rommet) eller oksygen veggen forsyning (hvis tilgjengelig) til en vik av bytte ventil med 1/4-tommers plastrør.
    3. Koble utløpet av bryteren ventilen ligger i kontrollrommet til 8 m (tilstrekkelig lengde for skanneren) 1/4-tommers plast slange. Feed slangen gjennom pass-through, fra kontrollrommet til skanneren rommet, og sørge for at det vil nå midten av skanneren bar.
      Merk: Plasten slangen kobler bytte ventil utløp til Flow-bypass maske inkludert et steg opp i diameter i de siste 2 m, fra 1/4 tommer til 3/8 tommer til 1/2 tommer, for å redusere støyen produsert av luft som strømmer inn i flyten bypass system.
    4. Koble den 1/2 tommer enden av slangen til strøm-bypass maske vedlegg.
    5. Fest Flow-bypass-tilbehøret til ansiktsmasken som passer til motivet.
    6. Sett trykket på gasstanken eller stikkontakt regulator til en verdi som produserer en strøm av oksygen større enn forventet peak inspirasjons Flow. Trykket som trengs avhenger av arten av studien (hvile, mosjon, etc.) og den samlede motstanden i gass leveringssystemet (vanligvis ~ 70 PSI for levering systemet beskrevet i trinn 2.4.3 for studier på resten).
    7. Test bryteren ventilen ved å aktivere flyten av oksygen, noe som gjør at tilstrekkelig flyt er til stede ved utløpet av Flow-bypass vedlegg og at ingen lekkasjer er tilstede i plastrør.

3. instrumenting og klargjøre faget for Imaging

  1. La motivet ligge på MRI-bordet. Pass på at toppen av det nedre spole elementet gir tilstrekkelig dekning av lunge toppene, ved å sørge for at toppen av nedre spole element er høyere enn motivet skuldre.
  2. La motivet sette inn ørepropper og kontrollere at lyden blir blokkert.
  3. Tape klemme ballen (eller en alternativ sikkerhetsmekanisme) til motivet håndleddet slik at det lett kan nås.
  4. Fest masken og Flow-bypass-systemet til motivet ansiktet. Kort tette den ekspiratorisk siden av Flow-bypass vedlegg og be motivet til å forsøke en normal inspirasjon og utløp for å se etter lekkasjer.
  5. Plasser motivet i skanneren, ved hjelp av lys sentrering verktøyet for å sikre at torso spolen opptar midten av bore.
  6. Koble flyten bypass linjen til 3D trykt Flow-bypass maske vedlegg ved hjelp av tettsittende messing mutter til innløpet.

4. MRI-avbildning

  1. Velg den anatomiske plasseringen for bilde sektorer.
    1. Skaff deg en localizer sekvens for å få en anatomisk kart som vil bli brukt til å foreskrive resten av eksamen.
    2. Velg opptil 4 sagittal lunge sektorer som skal tas i bruk ved å klikke og dra bilde sektoren til ønsket plassering ved hjelp av det grafiske brukergrensesnittet for skanner. Vanligvis er synsfeltet satt til 40 x 40 cm og Slice tykkelse til 1,5 cm. Velg skiver sentrert i lunge-feltet rettet mot regionen av interesse for studien, vanligvis minimere inntrenging av store lunge fartøy anteriort og brystveggen sideveis for å å maksimere prøve lunge volumet.
      Merk: Slice utvalg kan gjøres på noen plan; opptil fire skiver kan velges. For det formål å demonstrasjon, vil en skive bli ervervet.
    3. Noter plasseringen av bilde sektorene med hensyn til plasseringen av ryggsøylen, slik at det samme volumet kan reimaged for langsgående studier.
  2. Spesifikk ventilasjons avbildning
    Merk:     en liste over typiske Mr-parametre er presentert i tabell 1.
    1. Angi inversjon tid i MR datamaskinen for de mest midtre skive til 1 100 MS for å maksimere luft-oksygen kontrast17.
    2. Angi anskaffelses parameterne (tabell 1) for bildeinnhenting. For multi Slice oppkjøpet, er hver ekstra skive ervervet etter den første, med intervaller på 235 MS (1 335 MS, 1 570 MS, 1 805 MS).
      Merk: Etter inversjon utvinning pulsen og et tidsintervall (beskrevet av inversjon tid), hver skive bildet er ervervet ved hjelp av en Half-Fourier single-shot Turbo spin-Echo (hast), på 128 x 128 oppløsning (70-linjer av k-Space samplet); bildene er rekonstruert til 256 x 256 oppløsning.
    3. Angi antall repetisjoner til 220 og repetisjons tiden (TR) til 5 s. Dette vil resultere i repeterende 4.2.1 og 4.2.2 for totalt 220 påfølgende åndedrag, 5 s fra hverandre. Spør faget til frivillig gate hans eller hennes puste i tide med bildet oppkjøpet.
      Merk: Bilder er ervervet ved slutten av en normal utløp i en kort frivillig puste avbrudd ved funksjonell restkapasitet (FRC). Det er viktig at et lignende lungevolum nås konsekvent under hver av disse påfølgende oppkjøp.
    4. Overvåk konsistensen til motivet i lungene (utløpsdato) under påfølgende anskaffelser og gi tilbakemelding for å forbedre kvaliteten om nødvendig. Øk TR (tidsintervallet mellom påfølgende anskaffelser) hvis motivet finner det vanskelig å nå et konsistent lungevolum hver 5 s.
    5. Bytt motivet er inspirert gassblanding hver 20 åndedrag (under oppkjøpet pusten holder for faget komfort), alternerende mellom rom luft og medisinsk oksygen. Noter når bryterne skjedde, og intervallene som motivet pustet hver gass. Tillat gjenstand for pusten 100% oksygen for 40 påfølgende åndedrag på et tidspunkt i forsøket (vanligvis åndedrag 20-60 eller 180-220) for å øke følsomheten for lav ventilasjon lunge regioner.
    6. Kontroller regelmessig hjertefrekvens (40 − 80 for normale emner i hvile) og oksygenmetning (vanligvis 98 − 100%) ved å se på pulsen oximeter (figur 2); avvik fra normen kan signalisere nød eller angst.
    7. Snakk med emnet ofte ved å trykke på knappen for Trykk og snakk på skanner tastaturet, noe som gir regelmessige oppdateringer av gjenværende tid.
    8. Etter pusten 220, er bildebehandling fullført. Returner motivet til rom luften og fjern ham eller henne fra skanneren.

5. opprette et spesifikt ventilasjons kart fra en tidsserie med bilder

  1. Kontroller at en stabel med 220 påfølgende MR-bilder for hver lunge skive ble anskaffet.
  2. Importer bildene for registrering i bildeanalyse programvaren (for eksempel MATLAB).
  3. Av 220 bilder, velger, ved visuell inspeksjon av hele bildet stabelen, for hver skive som best representerer funksjonell restkapasitet. Funksjonell restkapasitet identifiseres som "modus" for lunge volumer i stakken.
  4. Bruke "modus" bildet som referanse, bruk projektive eller affine registrering for å registrere alle bilder til funksjonell restkapasitet referanse.
    Merk: Registrering utføres vanligvis ved hjelp av en algoritme utviklet i huset18 eller en offentlig tilgjengelig generalisert-dual bootstrap interaktiv nærmeste punkt ALGORITME (gdb-ICP19).
  5. Bruk utdataene for registrering algoritmen for å beregne areal endring av hvert bilde. Forkast bilder som har registrerings trinn som kreves for > 10% endring i området fra bildes takken, og behandle dem som manglende data20.
  6. Kvantifisere spesifikk ventilasjon i lungene fra den registrerte stabelen ved hjelp av en algoritme utviklet i huset1,7. Utfør kvantifisering ved å sammenligne tiden responsen av hver Voxel til påfølgende oksygen Washin og bleke serien, til et bibliotek med 50 simulert, støy gratis, svar, tilsvarende spesifikke ventilasjoner spenner fra 0,01 til 10, i 15% trinn. Hver Voxel er tildelt en verdi på spesifikke ventilasjon tilsvarende den spesifikke ventilasjon av simulert ideelle presentere maksimal korrelasjon med hver Voxel tid serien, som opprinnelig presentert i1.
  7. Utdataene fra forrige trinn er et kart over spesifikk ventilasjon. Lag et histogram av distribusjonen, og Beregn bredden på den spesifikke ventilasjons fordelingen, et mål på den spesifikke ventilasjons heterogenitet, uavhengig av tidevanns volum.

6. kombinere spesifikke ventilasjon og tetthet kart for å beregne Regional Alveolære ventilasjon

  1. I tillegg til SVI, erverve lunge Proton tetthet bilder21, som beskrevet i en tidligere studie22 (seksjoner 4,4 og 5,1 i referanse22). Skaff Proton tetthet bildene i samme lunge SKIVE (s), på samme lungevolum (FRC, slutten av en normal utløp); sette oppløsningen til 64 x 64, som tilsvarer en Voxel størrelse på ~ 6,3 mm x 6,3 mm x 15 mm (~ 0,6 cm3).
  2. Juster bestemt ventilasjon og Proton tetthet bilder.
    1. Glatt både den spesifikke ventilasjon og Proton tetthet bilder ved hjelp av en Gaussian filter med en kernel størrelse på ~ 1 cm3.
    2. Utfør stiv registrering (oversettelse og rotasjon) mellom kart over spesifikk ventilasjon og kart over tettheten ved hjelp av en gjensidig informasjons BAS ert algoritme.
  3. Beregn alveolære ventilasjon fra co-registrert spesifikk ventilasjon og Proton tetthet data.
    1. Beregn et kart over (1-tetthet), som er brøkdel av luft i samplet volum på slutten av en normal utløp, forutsatt at lungene er sammensatt av luft og vev, og at vevet tetthet er ~ 1 g/cm3.
    2. Beregn et regionalt ventilasjons kart som produktet (1-Density) x SV (naturlige enheter). Multipliser dette produktet med volumet av en Voxel (eller annen region av interesse) og pustefrekvens (pålagt, vanligvis 12 åndedrag/min), for å få et kart over ventilasjon i de mer kjente enheter av ml/min.
      Merk: For hver lunge region, SV = ΔV/V0 og (1 – Density) ≈ V0. Dermed produktet (1-tetthet) x SV = Regional ventilasjon, uttrykt i naturlige enheter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Single Slice SVI i et sunt emne
Spesifikk ventilasjon Imaging produserer kvantitative kart av spesifikk ventilasjon som vist i figur 3a, som viser en enkelt skive i høyre lunge av en 39 år gammel sunn kvinne. Merk tilstedeværelsen av den forventede vertikale gradient i spesifikk ventilasjon; den avhengige delen av lungene presenterer høyere spesifikk ventilasjon enn den ikke-avhengige delen av lungene. Et histogram av de tilordnede, spesifikke ventilasjons verdiene presenteres (figur 3b, fylte sirkler) sammen med en best egnet Logg-normal Sannsynlighets fordelingsfunksjon (prikket linje). Bredden på den best-Fit fordelingen kan brukes som en beregning av spesifikke ventilasjon heterogenitet7, 23. Figur 1 viser en flere pusten bleke ervervet i samme, i samme holdning. Figur 1a viser den timelige innspillingen av nitrogen konsentrasjon målt ved munnen etter et skifte fra inspirert luft til å inspirere 100% oksygen. Figur 1B presenterer fordelingen av spesifikk ventilasjon, som estimert fra bleke. For både SVI og MBW, den relevante variabelen er bredden på fordelingen, målt her ved bredden av en logg normalfordeling montert på data (stiplet linje), ble funnet å være 0,41, ved hjelp av SVI og 0,42 bruker MBW innenfor sunn normal rekkevidde. Validering av SVI-estimert spesifikk ventilasjon heterogenitet ved sammenligning med MBW ble utført i 10 og forskjellen mellom teknikker ble funnet å være mindre enn MBW Inter-test variasjon7. En romlig sammenligning med en hyperpolarized gass flere pust spesifikk ventilasjon Imaging16 viste også pålitelig gruppe anslag over spesifikke ventilasjon heterogenitet (bredden av den spesifikke ventilasjon fordelingen over de 8 fagene studert var 0,28 ± 0,08 og 0,27 ± 0,10 for hyperpolarized 3he og spesifikke ventilasjon Imaging, henholdsvis), til tross for høyere enn forventet intra-faget variasjon (standardavviket av de enkelte forskjellene i bredden var 0,13)16.

Spesifikke ventilasjons kart kan også brukes i forbindelse med kart for lunge tetthet for å beregne Regional alveolære ventilasjon. For å generere kart over alveolære ventilasjon, må spesifikk ventilasjon og tetthet bilder være romlig glattet å minimere potensialet mindre avvik mellom de to modaliteter.

Response til metakolin utfordring i et astmatisk emne
SVI kan brukes til å måle både lunge-bred og Regional respons på intervensjoner som øvelse4, holdning2, eller medisinering3. Som et eksempel, Figur 4 viser enkelt stykke kart fra lungene av en mild astmatisk kvinnelig motiv ved Baseline (figur 4a), etter Bronkokonstriksjon med metakolin (figur 4b), og etter albuterol-assistert utvinning ( Figur 4C). Merk den økte spesifikke ventilasjon heterogenitet under indusert astma hendelsen, og tilstedeværelsen av store flekker av liten eller ingen spesifikk ventilasjon (mørkeblå regioner i den avhengige delen av lungene). Vær også oppmerksom på at ventilasjon økt paradoksalt i enkelte regioner under bronkokonstriksjon (grønn-røde regioner).

Multi-Slice SVI
Opp til seks (typisk fire), sammenhengende, 15 mm lunge skiver kan samtidig avbildet med SVI. Figur 5 viser fire sammenhengende høyre lunge skiver, som dekker ~ 70% av høyre lunge, i en moderat astmatisk mannlig emne som hadde blitt trukket tilbake fra hans astma medisiner i 24 timer.

Ventilasjons kart
Gitt informasjon om lunge tetthet ble anskaffet i samme skive, og pustefrekvensen er kjent, et fullt kvantitativ ventilasjons kart kan beregnes i enheter på mL/min/mL. Et eksempel på et kart over ventilasjon er vist i figur 6.

Figure 1
Figur 1: flere pust flyter. (A) typisk MBW-sporing som viser utløpt nitrogen (N2) konsentrasjon (øverst) og tidevanns volum (nederst) over tid (sekunder, s). Data ble ervervet i liggende holdning; motivet var en sunn 39 år gammel kvinne. (B) histogram som viser fordelingen av spesifikk ventilasjon (SV) beregnet fra MBW-eksperimentet ved å bruke metoden foreslått av Lewis et al.23 (heltrukket linje). Den stiplede linjen representerer loggen (Gaussian) som passer best til den spesifikke ventilasjons fordelingen. Heterogenitet av spesifikk ventilasjon, det sentrale utfallet, måles som bredden av den beste passformen, i dette tilfellet 0,42. Dette tallet har blitt gjengitt med tillatelse fra referanse7. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: diagram av VVS-systemet og instrumentering. Spesifikk ventilasjon Imaging krever 100% medisinsk oksygen, enten fra komprimert gass tank (som trekkes) eller en stikkontakt. Oksygen kilden er koblet til en bryter ventil (kontrollrom), som i sin tur er tilkoblet, gjennom MRI pass-through, til 3D trykt flyt bypass system24, festet til en ansiktsmaske (skanner rom). Den venstre siden av tegningen tilsvarer Mr kontrollrommet, høyre side til skanneren rommet. Plasten slangen forbinder tanken til bryteren er 1/4 tommer i diameter. Slangen fra bryteren ventil utløp til Flow bypass-systemet er også 1/4 i. Den siste 2m inkluderer et steg opp i diameter, fra 1/4 tommer til 3/8 tommer, og deretter til 1/2 tommer, for å redusere støyen produsert av strømmen av luft24. En puls oximeter brukes til å overvåke motivet puls (HR) og oksygenmetning (SAT) nivåer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: spesifikk ventilasjons avbildning. (A) typisk kart over spesifikk ventilasjon (farge), lagt oppå et anatomisk MRI-bilde av samme liggende motiv (gråskala). Spesifikke ventilasjons områder fra svært lave verdier (blå) til SV = 1,0 (rød). Faget, 39 år gamle sunne frivillig (samme emne som i figur 1) ble avbildet i liggende holdning. Legg merke til den vertikale gradient i spesifikk ventilasjon. Et fantom av kjente MR karakteristisk brukes til kalibrering av absolutt tetthet ble plassert i fremre brystveggen. Fantomer er ikke nødvendig for SVI kvantifisering. (B) histogram for fordelingen av spesifikk ventilasjon (fylte sirkler) som er kompilert fra det spesifikke ventilasjons kartet. Bredden på fordelingen representerer heterogenitet av spesifikk ventilasjon i lunge stykket studert. I dette eksempelet er fordelingen unimodal og bredden på loggen Gaussian montert fordeling (prikket linje) var 0,41; Dette kan sammenlignes med MBW-spesifikk ventilasjons fordeling for hele lungene presentert i figur 1B, for samme motiv og holdning, hvor bredden på fordelingen) var 0,42. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: bronkokonstriksjon og bronkodilatasjonen kart i en mild astmatisk. Spesifikk ventilasjon målt i et mildt astmatisk motiv (kvinnelig, 24 år) ved Baseline (a), etter inhalasjon av 1 mg/ml Metakolin (B) og etter inhalasjon av albuterol (C). Legg merke til vesentlige endringer i fordelingen av spesifikke ventilasjon etter induksjon av en astma-lignende hendelse ved hjelp av metakolin (panel B), med store deler av den avhengige lunge viser svært lav spesifikk ventilasjon. Legg også merke til utvinningen etter bronkodilatator administrasjon (panel C). Som i Figur 3har de spesifikke ventilasjons kartene blitt lagt inn i en anatomisk MRI. Bredden på den spesifikke ventilasjon fordelingen var 0,31 ved Baseline, 0,94 post metakolin, og 0,28 post albuterol. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: multi Slice bestemt ventilasjons kart i en moderat astmatisk etter 24-h medisinering tilbaketrekking. Spesifikk ventilasjon kart over 4 sammenhengende lunge skiver i høyre lunge, ervervet i en 25 år gammel mannlig moderat astmatisk etter 24 h tilbaketrekking av daglige astma medisiner. De 4 skiver vist dekke ~ 70% av motivet er høyre lunge. Regioner med lav spesifikk ventilasjon (mørk blå) er til stede i alle skiver. Ved Baseline, FEV1 var 84% spådd. Etter 24 h tilbaketrekking av daglige medisiner, var dette temaet FEV1 69% av spådd; post-Imaging, faget brukte sin rednings inhalatoren og FEV1 utvinnes til 83% av spådd. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: eksempel ventilasjons kart som viser ventilasjon (ml/min/ml) ervervet i et sunt 27 år gammelt mannlig motiv. Ventilasjons kartene ble generert som beskrevet i avsnitt 6, ved hjelp av et SV-kart sammen med et kart over lunge Proton tetthet i samme skive. I dette eksempelet både SV og tetthet kartene ble glattet ved hjelp av en logg Gaussian kernel med en full bredde på halv maksimalt 5 voxels, noe som resulterer i en romlig skala på ~ 0,64 cm2 i flyet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Mr-parametere SVI Notater
Ekko tid (TE) 21,6 ms (ett stykke)
18,2 ms (flere sektorer)
Repetisjons tid (TR) 5-s Enhver verdi > 4 s
Tilpass for pasientens komfort
Inversjon tid (TI) 1,100 s (enkelt stykke) For multi Slice, TI av Slice n
1,100, 1,335, 1,570, 1,805 s (4 skiver) TI (n) = 1.100 s + 0.235 * (n-1)
Matrise 256 x 128 (enkelt stykke)
128 x 128 (flere sektorer)
Synsfelt 40 cm 32-44 cm
Båndbredde 125 kHz

Tabell 1: liste over typiske Mr-parametre som brukes ved anskaffelse av spesifikk ventilasjons avbildning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Spesifikk ventilasjon Imaging tillater kvantitativ kartlegging av romlig fordeling av spesifikk ventilasjon i den menneskelige lunge. Alternativer til SVI eksisterer, men er begrenset på noen måte: Multiple pusten flyter gir et mål på heterogenitet men mangler romlig informasjon23. Alternative bildebehandlings metoder utsetter pasientene for ioniserende stråling (f.eks. SPECT, PET, CT, gamma scintigrafi) eller er ikke allment tilgjengelig (hyperpolarized gass avbildning ved hjelp av MRI). Spesifikk ventilasjon Imaging gir romlig informasjon og kan utføres ved hjelp av en standard klinisk skanner og inhalert oksygen som kontrast kilde, og dermed kan oversettes til nesten enhver klinisk forskning innstilling. Det faktum at SVI ikke krever bruk av stråling eller kontrast agenter gjør det godt egnet for gjenta eller langsgående studier som kvantitativt evaluere regionale reaksjoner på medisiner, terapi eller intervensjoner. Denne typen Regional kvantitativ informasjon om virkningen av behandlingen kan være spesielt nyttig i forbindelse med inhalert medikamentlevering.

Ulempene ved SVI er at den har en relativt lav signal-til-støy-forhold (vanligvis 4-7), krever det ~ 18 minutter å erverve og at det er noe arbeidskrevende for faget og data analytiker. Fagopplæring er avgjørende for erverv av pålitelige spesifikke ventilasjons data. Motivet er vanligvis trent, ved hjelp av et innspilt lydspor av skanneren lyder, før Imaging økten, slik at han eller hun kan nå et reproduserbar volum (FRC) for hver av 220 pusten Hold bilder. Ideelt sett oppnås dette mens man puster på et normalt, behagelig tidevanns volum uten hyperventilering. Unøyaktig pust holder må regnskapsføres i etterbehandling av data analytiker, som må bruke bilde registrering programvare for å gjøre rede for forskjeller i lungevolum (§ 5,3 ovenfor).

Siden teknikken opprinnelige publikasjonen1, har svi gjennomgått en modifikasjon for å effektivisere gjennomføringen. En 3D-trykt MR kompatibel Flow-bypass system24 aktivert nesten momentant veksling mellom levering av rom luft og oksygen til faget. Dette systemet reduserer kompleksiteten i det opprinnelige oppsettet betydelig, noe som lignet gass leverings oppsettet som tidligere var beskrevet i et JoVE-papir relatert til bildebehandling22. Dette, sammen med den pågående utviklingen av gratis puste oppkjøp teknikker, vil gjøre flytte teknikken nærmere klinisk forskning anvendelse.

Som presentert her, SVI har 2 hoved begrensninger: 1) de fire skiver (vanligvis) av høyre lunge som er ervervet representerer bare ~ 70% av høyre lunge-i sin nåværende gjennomføringen, ikke mer enn seks skiver kan anskaffes på 1.5 T på grunn av RF avsetning fører til vev han drifts vev oppvarming øker på høyere felt styrker, ytterligere begrense multi-Slice oppkjøpet på 3T; og 2) SVI tar ~ 18 minutter å erverve, og dermed kart over spesifikke ventilasjon reflekterer hver Voxel tid-gjennomsnitt spesifikk ventilasjon over dette intervallet.

Imidlertid kan full lunge dekning oppnås ved å gjenta prosedyren eller ved nedverdigende romlig oppløsning, og skannetid kan reduseres på bekostning av nøyaktighet i spesifikke ventilasjons kvantifisering. Teknikken er generelt allsidig og ulike oppkjøp kompromisser er mulig, hver optimal for ulike applikasjoner. For eksempel, i en studie av dynamisk utvinning fra en astma hendelse25, ble svi data analysert på et høyere Temporal oppløsning (~ 7 min vs ~ 18 min) og samme romlig oppløsning, på bekostning av en ~ 30% økning i usikkerhet av spesifikk ventilasjon (estimert fra Monte Carlo-simuleringer). En fersk modellering studie26 søkt å kvantifisere virkningen av flere mindre begrensninger av svi teknikk, nemlig 1) at avbildet volumet ikke omfatter hele høyre lunge, 2) som små avvik mellom påfølgende bilder kan eksistere selv etter registrering, og 3) at lunge årer, ved å transportere blod fra andre steder i lungene til et avbildet område, kan legge til forvirrende signal som reflekterer ventilasjon i regionen der blod var opprinnelig oksygenert og ikke i regionen der det blir Fotografert. Studien26 fant at 1) i friske forsøkspersoner, en enkelt-Slice bilde (som omfatter bare 8% av den totale lunge) anslår den vertikale gradient av spesifikke ventilasjon innen 10% av sin sanne verdi, 2) svi analyse utført på modellerte data målbevisst feiljustert, i gjennomsnitt, med 9% (et verst tilfelle scenario, gjort verre ved å ikke kaste bilder med avvik > 10%) resulterte i en ~ 20% undervurdering av gjennomsnittlig spesifikk ventilasjon, en undervurdering sannsynlig drevet av det faktum at miksing rask og langsom equilibrating enheter vil trolig resultere i en skjevhet mot tregere, lav spesifikk ventilasjon seg, og 3) lunge venøs signal fører til systematisk overvurdering av den spesifikke ventilasjonen med mindre enn 10%.

Evnen til å produsere funksjonelle bilder av den menneskelige lunge-i motsetning til inferring funksjon fra anatomiske forandringer-har potensial til å bidra til tidlig diagnose og øke forståelsen av lunge i helse og sykdom. Spesielt evnen til å produsere repeterbar og kvantitativ regionale kart av ventilasjon tillater langsgående studier av sykdomsprogresjon og tillater kvantifisering av effekten av intervensjoner, for eksempel inhalert astma medisiner. Ved å kombinere spesifikk ventilasjon Imaging med to Mr-teknikker for å måle lunge tetthet21 og lunge-behandling (tidligere presentert i denne tidsskriftet22), kan kart av ventilasjon---ut-forholdet i helse og sykdom genereres 2. som manglende samsvar mellom ventilasjon og mengde er en viktig årsak til hypoksi og hyperkapni, regional informasjon om ventilasjons-og sykdoms forholdet i helse og sykdom kan gi ytterligere innsikt i virkningen av lungesykdom.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av National Heart, Lung og Blood Institute (NHLBI) (tilskudd R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 og R01-HL119263) og National Space Biomedical Research Institute (National Aeronautics og Space Administration gi NCC 9-58). E.T. Geier ble støttet av 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

Medisin åndedrett lunge spesifikk ventilasjon funksjonell magnetisk resonans imaging oksygen forbedret magnetisk resonans imaging ventilasjon
Kvantitativ kartlegging av spesifikk ventilasjon i Human Lung bruker Proton magnetisk resonans imaging og oksygen som kontrast agent
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