조정 아티 스핀 라벨을 사용하여 폐 관류의 자기 공명 이미징 부량

다음 실험의 전반적인 목표는 생리학적 기법과 자기공명영상을 결합하여, 서로 다른 흡입 산소 조건 하에서 폐 관류의 분포를 비침습적으로 측정하는 것입니다. 이를 위해 먼저 피험자가 영상 획득 중에 기능적 잔기량 상태에서 숨을 참도록 훈련시키고, 여러 장의 영상을 수집할 수 있도록 영상 촬영 사이의 간격 동안에는 호흡하게 합니다. 두 번째 단계로, 피험자에게 안면 마스크를 착용시키고 흡기 및 호기 튜브를 연결하여 피험자에게 다양한 가스 혼합물을 공급하고, 대사 측정을 위한 호기 가스 샘플을 수집합니다.

다음으로 MRI 스캐너에서 로컬라이저 영상을 촬영한 후, 폐 혈류 및 양성자 밀도 영상을 얻기 위해 동맥 스핀 표지(arterial spin labeling) 및 다중 에코 빠른 경사 에코(multi echo fast gradient, echo) 시퀀스를 사용합니다. 결과 영상들은 두 가지 서로 다른 MR 영상으로부터 유도되어 g당 분당 밀리리터(milliliters per minute per gram)로 표현되는 폐 혈류 분포를 산출하도록 정량화됩니다. 이 기술의 주요 장점은 전리 방사선 노출 없이 생체 내(in vivo)에서 폐 관류를 비침습적으로 측정할 수 있어 반복적인 측정이 가능하다는 점입니다.

이 방법은 폐 혈류의 공간적 분포를 조절하는 메커니즘에 대한 통찰을 제공할 수 있으며, MS 스캔 환경 내의 다른 생리학적 메커니즘을 연구하는 데에도 사용될 수 있습니다. 오늘 절차를 시연할 사람은 저희 실험실의 대학원생인 Sebastian Verta와 박사후 연구원인 Carlos SA입니다. 실험을 진행하기 전에, 먼저 피험자로부터 서면 동의서를 받고 MRI 안전 스크리닝 양식을 작성하도록 합니다.

또한 신체 검사와 폐 기능 검사를 수행하고, 피험자가 기능적 잔기량(functional residual capacity) 또는 FRC에서 숨을 참는 방법을 익히는 교육 세션을 진행하십시오. 먼저 피험자의 얼굴에 마스크를 맞추어 호흡 장비 설정을 시작합니다. 메쉬 부착물이 있는 마스크에는 사전 멸균된 비재호흡 밸브와 튜브가 장착되어 있습니다.

마스크에 누출이 없는지 반드시 확인하십시오. 스캐너실에 가스 백을 설치하고 이를 MRI 콘솔실에 있는 탱크에 연결하십시오. 연구자가 가스 탱크를 조절하여 가스 백에 가스를 추가할 수 있도록 설치해야 합니다.

조절기를 통해 가스 백이 시야 내에 있는지 확인하십시오. 실험 중에 연구자는 콘솔 룸 창문을 통해 가스 백을 모니터링하여 가스 부피가 충분한지 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 피험자가 정해진 흡입 산소 분율의 가스를 흡입하지 못할 수 있습니다. 이 경우 고산소 및 저산소 가스의 흡입 산소 분율은 각각 1.0 및 0.125이며, 정상 산소 가스로는 실내 공기를 사용할 수 있습니다.

호기 호흡관이 MR 스캐너 내의 피험자로부터 웨이브 가이드를 통해 MR 콘솔 룸의 대사 카트까지 연결될 수 있을 만큼 충분히 긴지 확인하십시오. 여기에 보이는 대사 카트는 호기 가스의 부피와 혼합 호기 산소 및 이산화탄소 농도를 측정합니다. 이러한 매개변수를 기반으로 다양한 호흡량 또한 계산합니다.

호흡률(RQ), 일회 호흡량(VO₂), 그리고 호흡 지수(respiratory quotient)를 측정합니다. 피험자를 스캐너 침대에 발부터 향하게 하여 바로 눕히고, 베개와 폼 패드를 사용하여 편안함을 극대화합니다. 다음으로, 흡기 호흡 튜브를 피험자 마스크의 흡기 쪽에 연결합니다.

튜브는 전환 밸브를 통해 마일라(Mylar) 백으로부터 고산소 및 저산소 가스 또는 정상 산소 공기를 투여하는 데 사용됩니다. 또한 피험자의 가슴에 EKG 패드를 부착하십시오. 이를 통해 동맥 스핀 라벨링(arterial spin labeling) Mr.Sequence를 피험자 심전도의 QRS 복합파에 맞추어 게이팅(gated)할 수 있습니다.

밸브가 정상적으로 작동하는지 반드시 확인하십시오. 스캐너 소음으로부터 피험자를 보호하기 위해 귀마개를 제공하십시오. 또한, 피험자가 마스크를 착용하여 연구진과 쉽게 의사소통할 수 없으므로, 피험자의 손에 스퀴즈 볼을 쥐어주고 테이프로 고정하십시오.

이를 통해 도움이 필요할 때 연구진과 소통할 수 있습니다. 마지막으로, 피험자가 저산소증에 노출될 때 매우 중요한 산소 포화도를 모니터링하기 위해 피험자의 손가락에 펄스 옥시미터를 장착하십시오. 이제 피험자의 가슴에 두 개의 Mr Phantom을 배치하십시오.

이 팬텀들은 후처리 과정에서 MR 신호를 정량화하는 데 사용되어야 합니다. 그런 다음 팬텀 위에 토르소 코일을 배치하십시오. 토르소 코일은 수신기와 피사체 사이의 물리적 거리를 줄임으로써 바디 코일에 비해 MR 영상의 신호 대 잡음비를 높이는 데 사용됩니다.

마지막으로, 피험자를 MR 스캐너 보어 중앙으로 이동시키기 전, 편안함을 유지할 수 있도록 담요를 덮어줍니다. 피험자가 스캐너 내부에 위치하면, 작업자는 피험자가 편안한 상태인지 확인하고 도움이 필요할 경우 스퀴즈 볼을 사용하도록 안내하기 위해 수시로 대화를 나누어야 합니다. 그리고 첫 번째 스캔인 로컬라이저 설정을 진행하겠습니다.

약 30초 정도 소요될 예정입니다. 소음과 클릭 소리가 들리는 동안 편안하게 정상적으로 호흡하시기 바랍니다. EKG, 산소 포화도, 1회 호흡량, VO O2 및 VC O2를 반드시 모니터링하십시오. 고품질의 데이터를 확보하기 위해서는 모니터링 초기 몇 분이 특히 중요합니다.

이 값들이 예상 범위를 벗어난 경우, 교정을 다시 수행하고 안면 마스크와 튜브의 누출 여부를 확인해야 합니다. 먼저, 피험자의 몸통 부위 해부학적 이미지를 얻기 위해 로컬라이저 시퀀스를 획득하십시오. 이 로컬라이저 과정은 약 20초 동안 지속됩니다.

편안하게 계십시오. 하는 동안 계속해서 정상적으로 호흡하세요. 이제 시작합니다.

이제 half Fourier 획득 방식의 ASL(arterial spin labeling) farer 시퀀스를 설정하십시오. 지역 폐 관류 데이터를 획득하기 위해 haste와 같은 single shot turbo spin echo 영상 기법을 사용하십시오. 그런 다음 우폐 영역 중 전후방 거리가 가장 긴 부분에서 시상면을 선택하십시오.

일반적으로 슬라이스 두께는 15 millimeters, 시야(field of view)는 40 centimeters by 40 centimeters로 설정합니다. 본 실험에서는 1.5 Tesla GE HDX ex excite twin speed 스캐너를 사용하여 스캔을 수행합니다. 피험자는 두 번씩 짝을 지어 발생하는 일련의 큰 쿵쿵거리는 소리를 듣게 됩니다.

이 뱅(bang) 소리들 사이에는 5초의 간격이 있으며, 피험자는 이 시간 동안 한 번의 호흡 주기를 완료해야 합니다. 숨을 들이마신 후, 기능적 잔기량(functional residual capacity)까지 숨을 내뱉으십시오. 뱅 소리가 나는 동안 피험자는 숨을 참아야 하며 FRC 폐 부피 상태를 유지해야 합니다.

피험자가 스캔 전에 호흡법을 익혔더라도, 스캐너 내에서 호흡 및 숨 참기를 연습할 수 있도록 첫 번째 영상 획득 과정은 테스트 런으로 수행해야 합니다. MR 운영자는 횡격막의 움직임을 바탕으로 폐 영상의 품질을 평가해야 합니다. 움직임이 최소화되었다면, 스캐닝 하는 동안 일회 호흡량을 모니터링하며 ASL 측정을 시작할 수 있습니다.

근사적인 목표치입니다. 500 milliliters의 1회 호흡량은 정상적인 환기와 일치합니다. A SL 시퀀스에서.

두 개의 서로 다른 심장 게이팅 영상을 획득합니다. RR 간격의 80%로 이미지 타이밍을 설정해야 하며, 이는 각 피험자와 실험 조건에 따라 개별적으로 설정하여 두 영상을 감산했을 때 정지 신호가 상쇄되고 하나의 수축기 박출기 동안의 혈류 신호가 영상에 포함되도록 합니다. 그 결과, 하나의 수축기 박출기 동안 영상 평면으로 전달된 혈류의 정량적 맵을 얻을 수 있습니다.

A SL 이미지 외에도, 다중 에코 빠른 경사 에코 시퀀스를 사용하여 폐 양성자 밀도 이미지를 획득하십시오. 양성자 밀도를 측정하면 관류 측정값을 g당 분당 밀리리터(mL/min/g)로 표시할 수 있으며, 폐 조직의 변형을 보정할 수 있습니다. 흉부 내에서 피험자는 이 스캔 동안 약 10초 동안 지속되는 연속적인 소음을 듣게 되며, 소음이 지속되는 동안 숨을 참아 기능적 잔기량(FRC) 상태를 유지해야 합니다.

편안하게 정상적으로 호흡하십시오. 아주 좋습니다. 본 실험에서는 정상 산소 또는 실내 공기, 저산소 및 고산소 가스를 피험자 간에 균형 있게 순서대로 제공합니다. 원할 경우 피험자마다 이를 변경할 수 있으나, 관류 및 양성자 밀도의 MR 측정을 수행하기 전 폐 조직 내에 정상 상태(steady state) 조건이 형성되도록 피험자는 특정 가스를 약 20분 동안 호흡해야 합니다.

그 다음 앞 섹션에서 설명한 것과 동일한 영상 촬영 프로토콜을 따르며, 촬영 전 20분 동안 가스에 노출시키는 시간을 선택합니다. 저산소성 폐혈관 수축 반응의 시작은 수 초 내에 일어나지만, 폐포 저산소증에 대한 반응은 본 연구의 목적에 부합하게 약 20분이 지나야 최대치에 도달하기 때문입니다. 후처리는 균질한 바디 코일(body coil)과 불균질한 토르소 코일(torso coil)에서 얻은 쌍을 이룬 MGRE 영상을 사용하여 MATLAB 기반의 자체 개발 소프트웨어로 수행할 수 있습니다.

모든 혈류 및 양성자 밀도 영상은 피험자별로 코일 불균일성을 보정할 수 있습니다. 감산된 a SL 영상의 코일 불균일성이 보정되면, 국소 폐 혈류량을 voxel당 분당 혈액 밀리리터(mL/min/voxel) 단위로 정량화할 수 있습니다. 이후 밀도가 정규화된 관류 영상을 생성할 수 있습니다.

밀도 정규화 관류는 분당 그램당 혈액 밀리리터 단위로 표시되며, ASL 영상을 양성자 밀도 영상으로 나누어 폐 그램당 분당 밀리리터 단위의 관류 영상으로 계산합니다. 예를 들어, 여기서 생리학적 데이터를 확인할 수 있습니다. 저산소증 상태에서 심박수는 증가하고 포화도는 감소했습니다. 환기량은 8.31 liters per minute였습니다.

저산소증 상태에서는 BTPS 기준 분당 7.04리터였으며, 정상산소증 상태에서는 분당 6.64리터였습니다. 고산소증 상태에서 일회 호흡량은 저산소증의 경우 0.76리터, 정상산소증의 경우 0.69리터, 고산소증의 경우 0.67리터였습니다. 저산소증에 노출되면 환기량과 일회 호흡량이 모두 증가하는 반면, 고산소증은 환기량과 일회 호흡량을 감소시킵니다.

세 가지 서로 다른 흡입 산소 농도 조건에서 한 피험자로부터 수집한 세 장의 밀도 정규화 관류 영상이 여기에 제시되어 있습니다. 관류 불균일성에 대한 데이터 분석 결과는 표 2에 나와 있습니다. 저산소증이 상대적 분산을 증가시켰으나, 다른 지표들은 대체로 변하지 않았음을 알 수 있습니다.

이 기술을 숙달하면 적절하게 수행했을 때 2시간 이내에 완료할 수 있습니다. 이 영상을 시청한 후에는 MR.Scanner 환경 내에서 폐 관류를 측정하고 다른 생리학적 연구를 수행하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.