Summary
La toma de imágenes de ventilación específica es una técnica de resonancia magnética funcional que permite la cuantificación de la ventilación regional específica en el pulmón humano, utilizando oxígeno inhalado como un agente de contraste. Aquí, presentamos un protocolo para recopilar y analizar datos de imágenes de ventilación específicos.
Abstract
La imagen de ventilación específica (SVI) es una técnica funcional de imagen por resonancia magnética capaz de cuantificar la ventilación específica, la proporción del gas fresco que entra en una región pulmonar dividida por el volumen espiratorio final de la región, en el pulmón humano, utilizando sólo oxígeno inhalado como agente de contraste. La cuantificación regional de la ventilación específica tiene el potencial de ayudar a identificar las áreas de la función patológica pulmonar. El oxígeno en solución en el tejido acorta el tiempo de relajación longitudinal del tejido (T1), y por lo tanto un cambio en la oxigenación de los tejidos puede detectarse como un cambio en la señal ponderada en T1con una imagen adquirida de recuperación de inversión. Tras un cambio abrupto entre dos concentraciones de oxígeno inspirado, la velocidad a la que el tejido pulmonar dentro de un vóxin se equilibra con un nuevo estado estacionario refleja la velocidad a la que se reemplaza el gas residente por el gas inhalado. Esta tasa se determina por la ventilación específica. Para provocar este cambio repentino en la oxigenación, los sujetos respiran alternativamente 20 bloques de aliento de aire (21% de oxígeno) y 100% de oxígeno en el escáner de RMN. Un cambio gradual en la fracción de oxígeno inspirada se logra mediante el uso de un sistema de derivación de flujo impreso tridimensional (3D) con un interruptor manual durante una retención de respiración espiratoria corta final. Para detectar el cambio correspondiente en T1, se usó un pulso de inversión global seguido de una secuencia de eco de giro rápido de un solo disparo para adquirir imágenes bidimensionales t1ponderadas en un escáner MRI de 1,5 t, utilizando una bobina de torso de ocho elementos. Es posible la creación de imágenes de una sola rebanada y de varias rebanada, con parámetros de imagen ligeramente diferentes. La cuantificación de la ventilación específica se logra correlacionando el tiempo-curso de la intensidad de la señal para cada voxel pulmonar con una biblioteca de respuestas simuladas al estímulo del aire/oxígeno. Las estimaciones de SVI de heterogeneidad de ventilación específica han sido validadas contra múltiples lavados respiratorios y demostraron determinar con precisión la heterogeneidad de la distribución de ventilación específica.
Introduction
El objetivo general de la toma de imágenes de ventilación específica (SVI), una técnica de resonancia magnética de protones (RMN) que utiliza oxígeno como agente de contraste1 , es cuantificar cuantitativamente la ventilación específica en el pulmón humano. La ventilación específica es la proporción de gas fresco entregado a una región pulmonar en una respiración dividida por el volumen espiratorio final de la misma región pulmonar1. Junto con las mediciones de la densidad pulmonar local, se puede utilizar una ventilación específica para computar la ventilación regional2. Las mediciones de la ventilación local y la heterogeneidad de la ventilación proporcionadas por el SVI tienen el potencial de enriquecer la comprensión de cómo funciona el pulmón, tanto normalmente como anormalmente3,4.
La imagen de ventilación específica es una extensión de la prueba de fisiología clásica, el lavado de aliento múltiple (MBW), una técnica introducida por primera vez en la década de 19505,6. Ambas técnicas utilizan el Washin/Washout de gas para medir la heterogeneidad de la ventilación específica, pero SVI proporciona información localizada espacialmente, mientras que MBW solo proporciona medidas globales de heterogeneidad. En MBW, un espectrómetro de masas se utiliza para medir la concentración mixta caducada de un gas insoluble (nitrógeno, helio, hexafluoruro de azufre, etc.) durante muchas respiraciones durante un lavado de ese gas, como se muestra en la figura 1. Junto con el volumen caducado por aliento durante el período de lavado, esta información se puede utilizar para calcular la distribución general de la ventilación específica en el pulmón. En SVI, se utiliza un escáner de resonancia magnética para medir la señal ponderada en T1― que es un sustituto de la cantidad de oxígeno en la solución en el tejido pulmonar, un indicador directo de la concentración de oxígeno local ― en cada voxel pulmonar durante muchas respiraciones durante varios lavados/washouts de oxígeno. De una manera que es directamente análoga a MBW, esta información nos permite calcular la ventilación específica de cada vóxon pulmonar. En otras palabras, la técnica realiza miles de experimentos paralelos tipo MBW, uno para cada vóxes, durante un experimento SVI. De hecho, los mapas espaciales de ventilación específica así producidos pueden ser compilados para recuperar la salida específica de heterogeneidad de ventilación de MBW. Un estudio de validación7 demostró que las dos metodologías producían resultados comparables cuando se realizaban en serie sobre los mismos temas.
Existen otras modalidades de imagen que, al igual que la SVI, proporcionan medidas espaciales de heterogeneidad de la ventilación. Tomografía por emisión de positrones (PET)8,9, tomografía computarizada de emisión de fotón único (SPECT)10,11, y RM de gas hiperpolarizado12,se han utilizado13 técnicas para crear un cuerpo sustancial de literatura sobre el patrón espacial de ventilación en sujetos sanos y anormales. En general, estas técnicas tienen al menos una clara ventaja sobre el SVI, ya que su relación señal-ruido es característicamente más alta. Sin embargo, cada técnica también tiene una desventaja característica: PET y SPECT implican la exposición a la radiación ionizante, y la RMN hiperpolarizada requiere el uso de gas hiperpolarizado altamente especializado y un escáner MR con hardware multinuclei no estándar.
SVI, una técnica de protón-RMN, típicamente utiliza 1,5 Tesla MR hardware con oxígeno inhalado como un agente de contraste (ambos elementos están disponibles en la salud), por lo que es potencialmente más generalizable para el entorno clínico. El SVI aprovecha el hecho de que el oxígeno acorta el tiempo de relajación longitudinal (T1) de los tejidos pulmonares1, que a su vez se traduce en un cambio en la intensidad de la señal en una imagen ponderada en T1. Por lo tanto, los cambios en la concentración de oxígeno inspirado inducen el cambio en la intensidad de la señal de imágenes de RMN apropiadamente cronometradas. La tasa de este cambio después de un cambio abrupto en la concentración de oxígeno inspirada, típicamente el aire y el 100% de oxígeno, refleja la velocidad a la cual el gas residente es reemplazado por el gas inhalado. Esta tasa de reemplazo se determina por la ventilación específica.
Como SVI no implica radiación ionizante, no tiene contraindicaciones para estudios longitudinales e intervencionistas que sigan a los pacientes con el tiempo. Por lo tanto, es ideal para estudiar la progresión de la enfermedad o evaluar cómo los pacientes individuales responden al tratamiento. Debido a su relativa facilidad y repetibilidad segura, la imagen de ventilación específica es, en general, una técnica ideal para aquellos que desean estudiar grandes efectos y/o un gran número de personas a lo largo del tiempo o en varios lugares clínicos diferentes.
Siguiendo la publicación original que describe la técnica1, se ha utilizado la imagen de ventilación específica (SVI) en estudios centrados en el efecto de la infusión salina rápida, la postura, el ejercicio y la broncoconstricción de2,3 , 4 , 14 , 15. la capacidad de la técnica para estimar la heterogeneidad de los pulmones enteros de ventilación específica ha sido validada utilizando la prueba de lavado de aliento múltiple bien establecida7 y más recientemente, una validación cruzada regional fue realizada, por comparando el SVI y el gas hiperpolarizado múltiples imágenes de ventilación específicas de respiración16. Esta técnica fiable y fácilmente implementable, capaz de mapear cuantitativamente la ventilación específica en el pulmón humano, tiene el potencial de contribuir significativamente a la detección precoz y el diagnóstico de enfermedades respiratorias. También presenta nuevas oportunidades para cuantificar las anomalías pulmonares regionales y seguir los cambios inducidos por la terapia. Estos cambios en la función pulmonar específica de la región, que SVI nos permite medir por primera vez, tienen el potencial de convertirse en biomarcadores para evaluar el impacto de los fármacos y las terapias inhaladas, y podría ser una herramienta extremadamente útil en los ensayos clínicos.
El propósito de este artículo es presentar la metodología de la imagen de ventilación específica en detalle y en forma visual, contribuyendo así a la difusión de la técnica a más centros.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
La Universidad de California, programa de protección de la investigación humana de San Diego ha aprobado este protocolo.
1. seguridad y capacitación del sujeto
- Obtener el consentimiento informado por escrito del sujeto. Describa los riesgos potenciales presentados por la exposición a campos magnéticos que cambian rápidamente y la molestia potencial de usar mascarilla facial y gas seco para respirar.
- Asegúrese de que el sujeto pueda someterse de forma segura al escaneo MR, utilizando el cuestionario de detección de seguridad MRI aprobado localmente.
- Si el sujeto es una hembra en edad fértil, y no está seguro de su estado de embarazo, pídale que se autoadministre una prueba de embarazo de venta libre. Si el sujeto está embarazada, excluya al sujeto del resto del estudio.
- Mida el peso del sujeto. Los parámetros de seguridad del escáner que limitan la cantidad de energía de radiofrecuencia (RF) entregada al sujeto requieren la entrada de esta característica. Verifique que el peso del sujeto esté por debajo del límite de peso máximo de la mesa de resonancia magnética (en este caso, 136 kg).
- Entrena al sujeto para que respire en el tiempo con la secuencia de escaneo MR. Preferiblemente, reproducir una grabación de audio de un escaneo anterior e instruir al sujeto a respirar normalmente y completar una respiración cada 5 s, usando las señales de audio del escáner como guía; respirar junto con el sujeto con el propósito de entrenar.
- Determine el tamaño de la máscara facial (los tamaños van desde Petite a extra grande [XL]) que mejor se adapte al sujeto midiendo las dimensiones de la nariz a la barbilla del sujeto. Una máscara de tamaño adecuado encajará cómodamente sin embargo evitará que el aire se filtre entre la máscara y la piel del sujeto en cualquier punto. Pruebe con otros tamaños si es necesario.
- Verifique que los bolsillos y la ropa del sujeto estén libres de tarjetas de crédito magnéticas y piezas metálicas que contengan hierro. Si es necesario, tenga el sujeto cambiar en la bata médica proporcionada por la instalación de RMN.
Nota: El metal puede ser peligroso en el entorno de RMN, y los objetos metálicos tales como clips (típicamente en sujetadores), anillos metálicos (sostenes y sudaderas), botón de metal o cremalleras (camisas, suéteres), extensión del cabello y pelucas tienen el potencial de crear artefactos de imagen.
2. preparación del entorno de RMN
- Sólo permita que el personal capacitado en seguridad de RMN a los estándares de la instalación de imágenes para entrar en la sala de escáner o ayudar en la realización de este experimento.
- Configure el escáner MR para utilizarlo con una bobina de torso conectando la bobina al conector apropiado en la mesa del escáner.
- Prepare la mesa del escáner con láminas, almohadillas y almohadas para que el sujeto se sienta cómodo durante al menos 30 minutos durante la toma de imágenes.
-
Ensamble el sistema de suministro de oxígeno.
Nota: en la figura 2se presenta un diagrama esquemático de la tubería.- Coloque una válvula de conmutación de dos/tres vías al alcance del operador del escáner o de la persona que realiza el experimento SVI.
- Conecte el tanque de oxígeno medicinal (fuera de la sala del escáner) o el suministro de la pared de oxígeno (si está disponible) a una entrada de la válvula de conmutación utilizando tubos de plástico de 1/4 pulgadas.
- Conecte la salida de la válvula del interruptor situada en la sala de control a la 8 m (longitud suficiente para el escáner) tubo de plástico de 1/4 pulgadas. Alimente el tubo a través del paso, desde la sala de control hasta la sala del escáner, y asegúrese de que llegará a la mitad del orificio del escáner.
Nota: El tubo de plástico que conecta la salida de la válvula de conmutación a la máscara de derivación de flujo incluyó un paso hacia arriba en el diámetro en los últimos 2 m, de 1/4 pulgadas a 3/8 pulgadas a 1/2 pulgadas, con el fin de disminuir el ruido producido por el aire que fluye en el sistema de derivación de flujo. - Conecte el extremo de 1/2 pulgadas del tubo al accesorio de la máscara de derivación de flujo.
- Asegure el accesorio de derivación de flujo a la máscara facial que se ajusta al sujeto.
- Ajuste la presión en el tanque de gas o en el regulador de la toma de pared a un valor que produzca un flujo de oxígeno mayor que el flujo inspiratorio máximo esperado. La presión necesaria depende de la naturaleza del estudio (reposo, ejercicio, etc.) y de la resistencia general del sistema de suministro de gas (típicamente ~ 70 psi para el sistema de entrega descrito en el paso 2.4.3 para estudios en reposo).
- Pruebe la válvula del interruptor activando el flujo de oxígeno, asegurándose de que el flujo adecuado esté presente en la salida del accesorio de derivación de flujo y que no haya fugas en el tubo de plástico.
3. instrumentar y preparar el sujeto para la creación de imágenes
- Que el sujeto esté acostado en la mesa de resonancia magnética. Asegúrese de que la parte superior del elemento de la bobina inferior proporciona una cobertura adecuada de los ápices pulmonares, asegurándose de que la parte superior del elemento de la bobina inferior es más alta que los hombros del sujeto.
- Hacer que el sujeto Inserte tapones para los oídos y verifique que el sonido esté bloqueado.
- Tape la bola de apriete (o un mecanismo de seguridad alternativo) a la muñeca del sujeto para que pueda accederse fácilmente.
- Fije la máscara y el sistema de derivación de caudal a la cara del sujeto. Ocluir brevemente el lado espiratorio del accesorio de derivación de flujo y pedir al sujeto que intente una inspiración y expiración normales para comprobar si hay fugas.
- Coloque el sujeto en el escáner, utilizando la herramienta de centrado de luz para asegurarse de que la bobina del torso ocupe el centro del orificio.
- Conecte la línea de derivación de caudal al accesorio de la máscara de derivación de flujo impreso en 3D utilizando la tuerca de latón ajustada a la entrada.
4. resonancia magnética
-
Seleccione la ubicación anatómica para las rebanadas de imágenes.
- Adquiera una secuencia de localizador para obtener un mapa anatómico que se utilizará para prescribir el resto del examen.
- Seleccione hasta 4 rodajas de pulmón sagital para estudiarlas haciendo clic y arrastrando el trozo de imagen a la ubicación deseada utilizando la interfaz gráfica de usuario del escáner. Por lo general, el campo de visión se establece en 40 x 40 cm y el espesor de la rebanada a 1,5 cm. Seleccione cortes centrados en el campo pulmonar dirigidos a la región de interés para el estudio, minimizando típicamente la intrusión de grandes vasos pulmonares medialmente y la pared torácica lateralmente a maximizar el volumen pulmonar muestreado.
Nota: La selección de sectores se puede realizar en cualquier plano; se pueden seleccionar hasta 4 rebanadas. Con el propósito de la demostración, se adquirirán una porción. - Anote la ubicación de las rebanadas de imágenes con respecto a la ubicación de la columna vertebral para que el mismo volumen pueda ser reimaged para estudios longitudinales.
-
Las imágenes de ventilación específicas
Nota: en la tabla 1se presenta una lista de los parámetros típicos de resonancia magnética.- Fije el tiempo de inversión en la computadora MR para la porción más medial a 1.100 ms para maximizar el contraste aire-oxígeno17.
- Establezca los parámetros de adquisición (tabla 1) para la adquisición de imágenes. Para la adquisición de múltiples sectores, cada porción adicional se adquiere después de la primera, a intervalos de 235 MS (1.335 MS, 1.570 MS, 1.805 MS).
Nota: Siguiendo el pulso de recuperación de inversión y un intervalo de tiempo (descrito por el tiempo de inversión), cada imagen de la rebanada se adquiere usando un turbo spin-echo de un solo disparo de media Fourier (celeridad), con una resolución de 128 x 128 (70 líneas de k-Space muestreadas); imágenes se reconstruyen a 256 x 256 resolución. - Establezca el número de repeticiones en 220 y el tiempo de repetición (TR) en 5 s. Esto resultará en la repetición de 4.2.1 y 4.2.2 para un total de 220 respiraciones consecutivas, 5 s aparte. Pídale al sujeto que se embarque voluntariamente a su respiración a tiempo con la adquisición de la imagen.
Nota: Las imágenes se adquieren al final de una expiración normal en una breve interrupción voluntaria de la respiración con capacidad residual funcional (FRC). Es importante que un volumen pulmonar similar se alcance consistentemente durante cada una de estas adquisiciones consecutivas. - Supervise la consistencia del volumen pulmonar del sujeto (expiración final) durante las adquisiciones posteriores y proporcione retroalimentación para mejorar la calidad si es necesario. Aumentar TR (el intervalo de tiempo entre adquisiciones sucesivas) si el sujeto encuentra difícil alcanzar un volumen pulmonar consistente cada 5 s.
- Cambie la mezcla de gas inspirada del sujeto cada 20 respiraciones (durante la adquisición del aliento para la comodidad del sujeto), alternando entre el aire de la habitación y el oxígeno médico. Anote cuando se produjeron los interruptores y los intervalos durante los cuales el sujeto respiraba cada gas. Permita que el sujeto respire 100% de oxígeno durante 40 respiraciones consecutivas en algún momento del experimento (normalmente respiraciones 20-60 o 180-220) para aumentar la sensibilidad a las regiones pulmonares de baja ventilación.
- Verificar regularmente la frecuencia cardíaca (40 − 80 para los sujetos normales en reposo) y la saturación de oxígeno (típicamente 98 − 100%) mirando el oxímetro de pulso (figura 2); desviaciones de la norma pueden indicar angustia o ansiedad.
- Hable con el tema con frecuencia presionando el botón Push-to-Talk del teclado del escáner, dando actualizaciones periódicas del tiempo restante.
- Después de la respiración 220, la imagen está completa. Devuelva el sujeto al aire de la habitación y retírelo del escáner.
5. creación de un mapa de ventilación específico de una serie temporal de imágenes
- Compruebe que se adquirió una pila de 220 imágenes de MR consecutivas para cada rebanada de pulmón.
- Importe las imágenes para su registro en el software de análisis de imagen (p. ej., MATLAB).
- De las imágenes 220, elija, por inspección visual de toda la pila de imagen, para cada sector uno que represente mejor la capacidad residual funcional. La capacidad residual funcional se identifica como el "modo" de los volúmenes pulmonares en la pila.
- Utilizando la imagen "MODE" como referencia, utilice el registro proyectivo o afín para registrar todas las imágenes en la referencia de capacidad residual funcional.
Nota: El registro se realiza normalmente mediante un algoritmo desarrollado en la casa18 o un algoritmo de punto más cercano iterativo de arranque dual generalizado y disponible públicamente (GDB-ICP19). - Utilice la salida del algoritmo de registro para calcular el cambio de área de cada imagen. Descarte las imágenes cuyo paso de registro requerido > un 10% de cambio de área de la pila de imagen y tratarlos como datos faltantes20.
- Cuantificar la ventilación específica en el pulmón de la pila registrada utilizando un algoritmo desarrollado en la casa1,7. Realice la cuantificación comparando la respuesta de tiempo de cada vóxeles con la serie consecutiva de Washin y lavado de oxígeno, a una biblioteca de 50 simuladas, sin ruido, respuestas, correspondientes a las ventilaciones específicas que van desde 0,01 a 10, en incrementos de 15%. A cada vóxeles se le asigna un valor de ventilación específica correspondiente a la ventilación específica del ideal simulado que presenta la correlación máxima con cada serie temporal de vóxeles, como se presentó originalmente en1.
- La salida del paso anterior es un mapa de ventilación específica. Crear un histograma de la distribución, y calcular el ancho de la distribución de ventilación específica, una medida de la heterogeneidad de ventilación específica, independiente del volumen tidal.
6. combinando la ventilación específica y los mapas de densidad para computar la ventilación alveolar regional
- Además de SVI, adquirir imágenes de densidad de protones pulmonares21, como se describe en un estudio anterior22 (secciones 4,4 y 5,1 en la referencia22). Obtener las imágenes de densidad de protones en el mismo trozo (s) de pulmón, en el mismo volumen pulmonar (FRC, fin de una expiración normal); ajustar la resolución a 64 x 64, correspondiente a un tamaño de vóxeles de ~ 6,3 mm x 6,3 mm x 15 mm (~ 0,6 cm3).
-
Alinee la ventilación específica y las imágenes de densidad de protones.
- Suaviza las imágenes específicas de la densidad de protones y la ventilación utilizando un filtro Gaussiano con un tamaño de kernel de ~ 1 cm3.
- Realizar el registro rígido (traducción y rotación) entre el mapa de ventilación específica y el mapa de densidad utilizando un algoritmo mutuo basado en la información.
-
Calcule la ventilación alveolar a partir de datos de densidad de protones y ventilación específicos coregistrados.
- Calcular un mapa de (1-densidad), que es la fracción de aire en el volumen muestreado al final de una expiración normal, suponiendo que el pulmón se compone de aire y tejido y que la densidad del tejido es ~ 1 g/cm3.
- Calcule un mapa de ventilación regional como el producto (1-densidad) x SV (unidades naturales). Multiplique este producto por el volumen de un vóxeles (u otra región de interés) y la frecuencia respiratoria (impuesta, típicamente 12 respiraciones/min), para obtener un mapa de ventilación en las unidades más familiares de ml/min.
Nota: Para cada región pulmonar, SV = ΔV/V0 y (1 – densidad) ≈ v0. Por lo tanto, el producto (1-densidad) x SV = ventilación regional, expresado en unidades naturales.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
SVI de una sola rebanada en un sujeto saludable
Las imágenes de ventilación específicas producen mapas cuantitativos de ventilación específica, como se muestra en la figura 3a, que representa una sola rebanada en el pulmón derecho de una hembra sana de 39 años de edad. Observe la presencia del gradiente vertical esperado en la ventilación específica; la porción dependiente del pulmón presenta una ventilación específica más alta que la porción no dependiente del pulmón. Se presenta un histograma de los valores de ventilación específicos asignados (figura 3B, círculos rellenos) junto con una función de distribución de probabilidad logaritmo-normal de mejor ajuste (línea de puntos). El ancho de la distribución de mejor ajuste se puede utilizar como una métrica de heterogeneidad de ventilación específica7, 23. La figura 1 muestra un lavado de aliento múltiple adquirido en el mismo sujeto, en la misma postura. La figura 1A muestra la grabación temporal de la concentración de nitrógeno medida en la boca después de un cambio de aire inspirado a un 100% de oxígeno inspirado. La figura 1B presenta la distribución de la ventilación específica, según se estima a partir del lavado. Tanto para SVI como para MBW, la variable relevante es el ancho de la distribución, medido aquí por el ancho de una distribución normal de registro ajustada a los datos (línea de puntos), se descubrió que era 0,41, usando SVI y 0,42 usando MBW dentro del rango normal saludable. La validación de la heterogeneidad de ventilación específica estimada en SVI en comparación con MBW se realizó en 10 sujetos y se descubrió que la diferencia entre las técnicas era más pequeña que la variabilidad entre pruebas de MBW7. Una comparación espacial con un gas hiperpolarizado de respiración múltiple específica de la ventilación16 también mostraron estimaciones de grupo confiables de heterogeneidad de ventilación específica (el ancho de la distribución de ventilación específica sobre los 8 sujetos estudiados fueron 0,28 ± 0,08 y 0,27 ± 0,10 para la hiperpolarizada 3él y la imagen de ventilación específica, respectivamente), a pesar de la variabilidad intra-sujeto más alta de lo esperado (la desviación estándar de las diferencias individuales de ancho era 0,13)16.
Los mapas de ventilación específicos también se pueden utilizar junto con los mapas de densidad pulmonar para computar la ventilación alveolar regional. Para generar mapas de ventilación alveolar, las imágenes específicas de ventilación y densidad deben suavizarse espacialmente para minimizar las posibles desalineaciones menores entre las dos modalidades.
Respuesta al desafío de la metacholina en un sujeto asmático
El SVI se puede utilizar para medir tanto las respuestas de todo el pulmón como regionales a intervenciones como el ejercicio4, la postura2o el medicamento3. A modo de ejemplo, la figura 4 muestra los mapas de una sola rebanada del pulmón de un sujeto femenino asmático leve al inicio (figura 4a), después de la broncoconstricción con Metacholina (Figura 4B), y después de la recuperación asistida por albuterol ( Figura 4C). Tenga en cuenta la heterogeneidad de ventilación específica aumentada durante el evento de asma inducida, y la presencia de grandes parches de poca o ninguna ventilación específica (regiones de color azul oscuro en la porción dependiente del pulmón). Además, tenga en cuenta que la ventilación aumentó paradójicamente en algunas regiones durante la broncoconstricción (regiones verde-rojas).
SVI de varias rebanada
Hasta seis (típicamente cuatro), las rodajas de pulmón contiguas de 15 mm pueden ser fotografiadas simultáneamente con SVI. La figura 5 muestra cuatro rebanadas de pulmón derecho contiguas, cubriendo ~ 70% del pulmón derecho, en un sujeto masculino asmático moderado que había sido retirado de sus medicamentos para el asma durante 24 horas.
Mapa de ventilación
Proporcionó información de densidad pulmonar se adquirió en la misma rebanada, y se conoce la frecuencia respiratoria, un mapa de ventilación totalmente cuantitativo se puede calcular en unidades de mL/min/mL. Un ejemplo de un mapa de ventilación se muestra en la figura 6.
Figura 1: lavado múltiple del aliento. (A) traza típica de MBW mostrando la concentración de nitrógeno (N2) caducada (arriba) y el volumen tidal (abajo) con el tiempo (segundos, s). Los datos se adquirieron en la postura supina; el sujeto era una mujer sana de 39 años. (B) histograma que represente la distribución de la ventilación específica (SV) calculada a partir del experimento MBW utilizando el método propuesto por Lewis et al.23 (línea sólida). La línea discontinua representa el mejor ajuste de log (Gaussian) a la distribución de ventilación específica. La heterogeneidad de la ventilación específica, el resultado clave, se mide como el ancho de la distribución de mejor ajuste, en este caso 0,42. Esta figura ha sido reimpresa con permiso de la referencia7. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: diagrama del sistema de fontanería e instrumentación. Las imágenes de ventilación específicas requieren un 100% de oxígeno médico, ya sea de un tanque de gas comprimido (como extraído) o de una toma de pared. La fuente de oxígeno está conectada a una válvula de conmutación (sala de control), que a su vez está conectada, a través del paso de RMN, al sistema de derivación de flujo impreso en 3D24, conectado a una máscara (sala de escáner). El lado izquierdo del dibujo corresponde a la sala de control de RMN, el lado derecho a la sala del escáner. El tubo de plástico que conecta el tanque al interruptor es de 1/4 pulgadas de diámetro. El tubo de la salida de la válvula del interruptor al sistema de derivación de flujo también es de 1/4 pulg. Los últimos 2m incluyen un paso hacia arriba en diámetro, de 1/4 pulgadas a 3/8 pulgadas, y luego a 1/2 pulgadas, con el fin de disminuir el ruido producido por el flujo de aire24. Un oxímetro de pulso se utiliza para monitorear la frecuencia cardíaca del sujeto (HR) y la saturación de oxígeno (SAT) niveles. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: imágenes de ventilación específicas. (A) mapa típico de ventilación específica (color), superpuesta en una imagen de resonancia magnética anatómica del mismo sujeto supino (escala de grises). La ventilación específica oscila entre valores muy bajos (azul) y SV = 1,0 (rojo). El sujeto, un voluntario sano de 39 años (el mismo sujeto que en la figura 1) fue fotografiado en la postura supina. Observe el gradiente vertical en ventilación específica. En la pared torácica anterior se colocó un fantasma de una característica conocida de MR utilizada para calibrar la densidad absoluta. No se requieren Phantoms para la cuantificación de SVI. (B) histograma de la distribución de la ventilación específica (círculos llenos) compilado a partir del mapa de ventilación específico. El ancho de la distribución representa la heterogeneidad de la ventilación específica en la porción de pulmón estudiada. En este ejemplo, la distribución es unimodal y el ancho de la distribución ajustada gaussiana (línea de puntos) fue 0,41; Esto es comparable a la distribución de ventilación específica del pulmón de MBW presentada en la figura 1B, para el mismo sujeto y postura, donde la anchura de la distribución) fue de 0,42. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: mapas de broncoconstricción y broncodilatación en un asmático leve. Ventilación específica medida en un sujeto asmático leve (hembra, edad 24) al inicio (a), después de la inhalación de 1 mg/ml de metacolina (B) y después de la inhalación de albuterol (C). Tenga en cuenta los cambios significativos en la distribución de la ventilación específica después de la inducción de un evento de asma-como utilizando metacolina (panel B), con grandes regiones del pulmón dependiente mostrando muy baja ventilación específica. Observe también la recuperación después de la administración del broncodilatador (panel C). Como en la figura 3, los mapas de ventilación específicos han sido superpuestos en una resonancia magnética anatómica. El ancho de la distribución de ventilación específica fue de 0,31 en la línea de base, 0,94 post methacholine, y 0,28 post albuterol. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: mapa de ventilación específico de varias rebanada en un asmático moderado después de la abstinencia de medicamentos 24-h. Mapa de ventilación específico de 4 rodajas de pulmón contiguas en el pulmón derecho, adquirida en un varón de 25 años de edad, asmático moderado después de la retirada de 24 h de los medicamentos diarios para el asma. Las 4 rodajas mostradas cubren ~ 70% del pulmón derecho del sujeto. Las regiones de baja ventilación específica (azul oscuro) están presentes en todas las rodajas. Al inicio, el FEV1 estaba previsto en el 84%. Después de la retirada de 24 h de los medicamentos diarios, el FEV1 de este sujeto fue del 69% de lo previsto; después de la toma de imágenes, el sujeto usó su inhalador de rescate y FEV1 se recuperó al 83% de lo previsto. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: ejemplo de mapa de ventilación que muestra la ventilación (ml/min/ml) adquirida en un sujeto sano de 27 años de edad. Los mapas de ventilación se generaron como se describe en la sección 6, utilizando un mapa SV junto con un mapa de la densidad pulmonar de protones en la misma rebanada. En este ejemplo, tanto el SV como los mapas de densidad se suavizan utilizando un kernel gaussiano de registro con un ancho completo a la mitad de un máximo de 5 vóxeles, lo que da como resultado una escala espacial de ~ 0,64 cm2 en el plano. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Los parámetros de RMN | Svi | Notas |
| Tiempo de Eco (TE) | 21,6 ms (una sola porción) | |
| 18,2 ms (multi Slice) | ||
| Tiempo de repetición (TR) | 5 s | Cualquier valor > 4 s |
| Ajuste para comodidad del paciente | ||
| Tiempo de inversión (TI) | 1,100 s (una sola porción) | Para multi Slice, TI de Slice n |
| 1,100, 1,335, 1,570, 1,805 s (4 rebanadas) | TI (n) = 1.100 s + 0.235 * (n-1) | |
| Matriz | 256 x 128 (una sola porción) | |
| 128 x 128 (multi Slice) | ||
| Campo de visión | 40 cm | 32-44 cm |
| Banda | 125 kHz |
Tabla 1: lista de parámetros típicos de resonancia magnética utilizados para la adquisición de imágenes de ventilación específicas.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Las imágenes de ventilación específicas permiten el mapeo cuantitativo de la distribución espacial de la ventilación específica en el pulmón humano. Existen alternativas a la SVI pero son limitadas de alguna manera: el lavado múltiple del aliento proporciona una medida de heterogeneidad pero carece de información espacial23. Los métodos alternativos de diagnóstico por imágenes exponen a los pacientes a la radiación ionizante (p. ej., SPECT, PET, CT, centellografía gamma) o no están ampliamente disponibles (imágenes de gas hiperpolarizadas mediante RMN). Las imágenes de ventilación específicas proporcionan información espacial y se pueden realizar utilizando un escáner clínico estándar y oxígeno inhalado como fuente de contraste, y por lo tanto se pueden traducir a casi cualquier entorno de investigación clínica. El hecho de que SVI no requiera el uso de radiación o agentes de contraste lo hace adecuado para estudios repetitivo o longitudinal que evalúen cuantitativamente las respuestas regionales a medicamentos, terapias o intervenciones. Este tipo de información cuantitativa regional sobre el impacto del tratamiento puede ser especialmente útil en el contexto de la administración de fármacos inhalados.
Las desventajas de SVI son que tiene una relación señal-ruido relativamente baja (típicamente 4-7), requiere ~ 18 minutos para adquirir y que es un poco laborioso para el sujeto y el analista de datos. La formación del sujeto es esencial para la adquisición de datos de ventilación específicos fiables. El sujeto se entrena típicamente, usando una banda sonora grabada de los ruidos del escáner, antes de la sesión de imágenes, para que él o ella pueda alcanzar un volumen reproducible (FRC) para cada una de las imágenes de retención de aliento 220. Idealmente, esto se logra mientras se respira a un volumen tidal normal y cómodo sin hiperventilar. Las suspensiones de respiración imprecisas deben tenerse en cuenta en el post-procesamiento por el analista de datos, que debe utilizar el software de registro de imágenes para tener en consideración las diferencias en el volumen pulmonar (sección 5,3 anterior).
Desde la publicación original de la técnica1, SVI ha sido objeto de una modificación para agilizar su implementación. Un sistema de derivación de flujo compatible con MR de 3D impreso24 habilitó la conmutación casi instantánea entre la entrega de aire de la sala y el oxígeno al sujeto. Este sistema disminuye significativamente la complejidad de la configuración original, que se asemejaba a la configuración de suministro de gas descrita anteriormente en un papel JoVE en relación con la imagen de perfusión22. Esto, junto con el desarrollo continuo de técnicas de adquisición de respiración libre, hará que el movimiento de la técnica más cerca de la aplicación de la investigación clínica.
Como se presenta aquí, SVI tiene 2 limitaciones principales: 1) las cuatro rebanadas (típicamente) del pulmón derecho que se adquieren representan sólo ~ 70% del pulmón derecho-en su implementación actual, no más de seis rebanadas se pueden adquirir en 1.5 T debido a la deposición de RF que conduce al tejido que RANDO calentamiento de los tejidos aumenta a mayores concentraciones de campo, limitando aún más la adquisición de múltiples sectores en 3T; y 2) SVI tarda ~ 18 minutos en adquirirlo, y por lo tanto el mapa de ventilación específica refleja la ventilación específica de cada voxel en promedio durante este intervalo.
Sin embargo, la cobertura pulmonar completa puede lograrse repitiendo el procedimiento o degradando la resolución espacial, y el tiempo de escaneo se puede reducir a expensas de la precisión en la cuantificación de ventilación específica. La técnica es, en general, versátil y diferentes compromisos de adquisición son posibles, cada uno óptimo para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, en un estudio de recuperación dinámica de un evento de asma25, los datos de SVI se analizaron a una resolución temporal más alta (~ 7 min vs. ~ 18 min) y la misma resolución espacial, a costa de un aumento de ~ 30% en la incertidumbre de ventilación específica (Estimado de simulaciones Monte Carlo). Un reciente estudio de modelado26 trató de cuantificar el impacto de varias limitaciones menores de la técnica SVI, a saber, 1) que el volumen imágenes no abarca todo el pulmón derecho, 2) que pequeñas desalineaciones entre imágenes sucesivas pueden existir incluso después registro, y 3) que las venas pulmonares, mediante el transporte de sangre de otras partes del pulmón a una región con imágenes, pueden añadir una señal de confusión que refleje la ventilación en la región donde la sangre fue oxigenada originalmente y no en la región en la que se está Reflejada. El estudio26 encontró que 1) en sujetos sanos, una imagen de una sola porción (que abarca sólo el 8% del pulmón total) estima el gradiente vertical de ventilación específica dentro del 10% de su verdadero valor, 2) análisis SVI realizado en datos modelados a propósito desalineado, en promedio, en un 9% (el peor de los casos, empeorado por no descartar imágenes con desalineaciones > 10%) resultó en una subestimación de ~ 20% de la ventilación media específica, una subestimación probablemente impulsada por el hecho de que mezclar unidades de equilibrado rápido y lento probablemente resulte en un sesgo hacia los más lentos, bajos específicos de ventilación, y 3) venosa pulmonar señal conduce a una sobreestimación sistemática de la ventilación específica en menos del 10%.
La capacidad de producir imágenes funcionales del pulmón humano-en contraposición a la función inferencia de los cambios anatómicos-tiene el potencial de contribuir al diagnóstico precoz y aumentar la comprensión del pulmón en la salud y la enfermedad. En particular, la capacidad de producir mapas de ventilación regionales repetibles y cuantitativos permite estudios longitudinales de progresión de la enfermedad y permite cuantificar el efecto de las intervenciones, como los medicamentos para el asma inhalados. Mediante la combinación de imágenes de ventilación específicas con dos técnicas de RMN para medir la densidad pulmonar21 y la perfusión pulmonar (anteriormente presentada en esta revista22), se pueden generar mapas de la relación de ventilación y perfusión en la salud y la enfermedad 2. como la discordancía entre la ventilación y la perfusión es una causa importante de hipoxia e hipercapnia, la información regional sobre la relación de perfusión de ventilación en la salud y la enfermedad puede proporcionar más información sobre el impacto de la enfermedad pulmonar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por el Instituto Nacional de corazón, pulmón y sangre (NHLBI) (subvenciones r01 HL-080203, r01 HL-081171, r01 HL-104118 y r01-HL119263) y el Instituto Nacional de investigación biomédica espacial (Administración Nacional de Aeronáutica y el espacio de la concesión NCC 9-58). E.T. Geier recibió el apoyo de 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kang, W., et al. In silico modeling of oxygen-enhanced MRI of specific ventilation. Physiological Reports. 6 (7), e13659 (2018).
