Methodenartikel

MRI Mapping van cerebrovasculaire reactiviteit via Gas Inademing Uitdagingen

14.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/52306

⸱

17 december 2014

 ,  ,  ,  ,  , 
1Advanced Imaging Research Center, University of Texas Southwestern Medical Center, 2Center for Biomedical Imaging, Department of Radiology, New York University School of Medicine

In dit artikel

Samenvatting

Niet-invasieve beeldvorming van het vermogen van de hersenvaten om te verwijden of te vernauwen, kan een beter begrip geven van de cerebrovasculaire pathofysiologie bij verschillende neurologische aandoeningen. Het huidige rapport beschrijft een reproduceerbaar en comfortabel protocol voor patiënten om vasculaire reactiviteitsbeeldvorming bij mensen uit te voeren met behulp van magnetische resonantiebeeldvorming (MRI).

Samenvatting

Het brein is een ruimtelijk heterogeen als in de tijd dynamische orgel, met verschillende regio's vereisen verschillende hoeveelheid van de bloedtoevoer op verschillende tijdstippen. Daarom is het vermogen van de bloedvaten verwijden of vernauwen, bekend als cerebrale vasculaire-reactiviteit (CVR), een belangrijk domein van vasculaire functie. Een imaging marker die deze dynamische eigenschap zal nieuwe informatie van de hersenvaten onder normale en zieke aandoeningen zoals een beroerte, dementie, atherosclerose, kleine vaatziekten, hersentumor, traumatisch hersenletsel, en multiple sclerose te bieden. Om dergelijke meting uit te voeren bij de mens, is het noodzakelijk om een vasoactieve stimulus leveren zoals CO2 en / of O2 gasmengsel terwijl kwantitatieve hersenen magnetische resonantie beelden (MRI) worden verzameld. In dit werk, presenteerden we een MR compatibel gas-levering systeem en het bijbehorende protocol, dat de levering van speciale gasmengsels kunnen maken (oa, 2, CO 2, N 2, en hun combinaties), terwijl het onderwerp ligt in de MRI-scanner. Dit systeem is relatief eenvoudig, goedkoop en gemakkelijk te gebruiken, en de experimentele protocol maakt nauwkeurige kartering van CVR bij gezonde vrijwilligers en patiënten met neurologische aandoeningen. Deze benadering kan worden gebruikt in grote klinische toepassingen en beter begrip van de hersenen vasculaire pathofysiologie. In de video laten we zien hoe het opzetten van het systeem in een MRI-suite en hoe je een complete experiment uit te voeren op een menselijke deelnemer.

Inleiding

De hersenen is ongeveer 2% van het totale lichaamsgewicht, maar verbruikt ongeveer 20% van de totale energie 1. Niet verrassend, voldoende en zorgvuldig gereguleerde bloedtoevoer is van cruciaal belang om deze hoge vraag naar energie en voor de hersenen goed te laten functioneren ontmoeten. Bovendien, de hersenen is een ruimtelijk heterogeen als in de tijd dynamische orgel, met verschillende regio's vereisen verschillende hoeveelheid van de bloedtoevoer op verschillende tijdstippen. Daarom dynamische differentiatie bloedtoevoer is een belangrijke vereiste menselijke hersenen omloop. Gelukkig is bekend dat bloedvaten niet alleen rigide buizen en dat een belangrijke functie van bloedvat verwijden en vernauwen gebaseerd op de vraag van de hersenen en fysiologische omstandigheden 2.

Deze functionele eigenschap van het vaartuig, bekend als cerebrale vasculaire-reactiviteit (CVR), wordt gedacht dat een bruikbare indicator van vasculaire gezondheid en kunnen toepassingen in verscheidene neurologische conditio voorbeeldns zoals een beroerte 3, dementie 4, atherosclerose 5, kleine vaartuigen ziekten 6, hersentumor 7, moyamoya ziekte 8 en drugsverslaving 9. Fysiologische en anesthesie literatuur is bekend dat, omdat CO2 gas is een potente vasodilator, CVR kan worden beoordeeld door het veranderen van de arteriële CO2 niveau (bijvoorbeeld inhalatie van een kleine hoeveelheid CO 2) Voor de observatie vasculaire reacties 10-13 . In het veld beeldvorming en radiologie, wordt CVR in kaart brengen met behulp van MRI snel in opkomst als een nieuwe marker van belang voor vele fundamentele wetenschappers en clinici 8,14-19. Het wordt meestal geschat door te onderzoeken hoeveel vasculaire respons wordt opgewekt door een vasoactieve uitdaging. Er is echter een behoefte aan technische vooruitgang in het gastoevoersysteem en standaardisatie van experimentele protocol. Het leveren van speciale gasmengsel om een ​​onderwerp in de MRI-scanner is niet triviaal en bijzondere overwegingenzijn vereist voor een MRI-compatibele design. Speciale overwegingen nodig zijn in het ontwerpen van MRI-compatibele gasafgiftesysteem. Deze speciale overwegingen zijn onder andere: 1) Alle componenten moeten niet-metalen zijn (metaal kan niet naar binnen MRI worden gebruikt); 2) het systeem moet werken binnen een kleine ruimte die de MRI-systeem en zijn hoofd spoel mogelijk te maken; 3) het systeem moet in plaats daarvan te werken met een liggende-down positie (zoals MRI-scanner vereist) van zitten, zonder ongemak; 4) relevante fysiologische parameters, zoals end-tidal CO2 (EtCO2, een benadering CO2 gehalte in het arteriële bloed) en arteriële zuurstofverzadiging moet nauwkeurig worden geregistreerd met seconden nauwkeurigheid timing en opgeslagen op een computer voor analyse gebruikt. Deze problemen kunnen de omvang van toepassingen van CVR mapping beperken.

In dit rapport, presenteerden wij een experimenteel protocol dat een uitgebreid gasafgiftesysteem gebruikt om de inhoud van geïnspireerde gas te moduleren, terwijl het onderwerp ligt in de MRI-scanner. Onsing deze aanpak, kan de onderzoeker niet-invasief toepassen van een vasoactieve stimulans voor de deelnemer met minimaal ongemak of bulk beweging. Fysiologische parameters en MRI-beelden zijn opgenomen tijdens de gehele periode van ongeveer 9 min, die bestond uit afwisselende blokken (1 min per blok) van de kamer is voorzien van en hypercapnische gas ademhaling. Representatieve resultaten worden gepresenteerd. Mogelijke toepassingen en beperkingen worden besproken.

Protocol

OPMERKING: Het protocol werd goedgekeurd door de Universiteit van Texas Southwestern Medical Center van de Institutional Review Board.

1. Schematische weergave van het Gas Delivery System en voorbereidende stappen voor het experiment

  1. Beoordeel het diagram van het gastoevoersysteem (figuur 1). Vul 200 L Douglas zak (punt 1 #) met een medische kwaliteit gasmengsel bevattende 5% CO2, 21% O2 en 74% N2.
  2. Plaats twee diafragma's (punt 4 #) in de twee-weg-niet-rebreathing ventiel (punt 3 #) naar een manier gasstroom te waarborgen. Breng dit samengestelde twee-weg klep en de gasgevulde Douglas zak (punt 1 #) in de magneet kamer.
  3. Sluit de gasleveringsbuis (Item # 7) naar de ingang einde van de twee-weg ventiel (punt 3 #). Bevestig de gasleveringsbuis (Item # 7) aan de zijkant van het hoofd spoel om gewicht te ondersteunen. Sluit het andere uiteinde van de gasleveringsbuis (Item # 7) gasvullende Douglaszak (Item # 1).
  4. Sluit het mondstuk (Item # 5) om de U-vormige buis (Item # 12) via een elleboog-connector (Item # 13 met gassampleslang poort afgesloten).
  5. Sluit de-gasbemonstering buizen (punt 9 #) aan de U-vormige buis (Item # 12) via een andere elleboog-connector (Item # 13).
  6. Sluit een kleine lucht-filter (post # 11) aan het andere uiteinde van de-gasbemonstering buis (punt 9 #). Sluit het andere uiteinde van de CO 2 (Item # 14) de lucht-filter (post # 11) te monitoren.
  7. In de controlekamer van de MRI-suite, zet de CO 2 (Item # 14) en pulsoxymetrie (Item # 15) monitoren. Voer een automatische kalibratie voor de CO 2 monitor.
  8. Sluit de monitor aan op een laptop met behulp van USB-poorten. Open de HyperTerminal software die bij de monitoren communiceert. Synchroniseer 'keer met een timer door monitoren opschrijven van de timer de tijd en de bijbehorende' de monitoren tijden. De verschillen van de timer tijd en tijden monitoren 'zullen worden verantwoord in data proverwerking (stap 4.4).
  9. Verbind met een signalering bar in een golfgeleider zodat één uiteinde van de staaf is in de magneet kamer en het andere einde in de controlekamer.
    OPMERKING: De signalering bar wordt gebruikt voor het melden van de onderzoeker in de magneet kamer tijdens de scan bij het omschakelen van de driewegklep (item # 2) nodig.

2. Procedures tijdens het experiment

  1. Vraag het onderwerp op de MRI-tafel te liggen, maar hem niet zetten / haar in de magneet boring nog. Instrueer het onderwerp om op de verpleegkundige-belknop als ze het gevoel ongemak tijdens de scan. Vraag het onderwerp te vegen zijn / haar neus met een stuk van het schoonmaken doekje om eventuele vet te verwijderen.
  2. Instrueer het onderwerp te ademen door de mond en om vast te stellen en onderhouden van een ademhalingsritme. Breng dan een neusklem (Item # 6) over het onderwerp.
  3. Sluit het open uiteinde van de U-vormige buis (item # 12) naar het midden poort van de tweewegklep (punt 3 #) via de elboog connector (Item # 13).
  4. Plaats voorzichtig het mondstuk in de mond van het onderwerp, zodat het onderwerp kan ademen door het mondstuk. Zachtjes bevestig de vinger sensor van de pulsoxymetrie (Item # 15) aan de vingertop van het onderwerp.
  5. Verzekeren dat het hoofd van het onderwerp in het iso-centrum van het hoofd spoel. Bedien de MRI-tafel om hem / haar te plaatsen in de magneet boring.
  6. Ervoor te zorgen dat een onderzoeker een verblijf in de magneet kamer te bewaken het onderwerp en worden voorbereid op de driewegklep het inschakelen van de Douglas zak (punt 1 #). Ervoor dat de onderzoeker is het dragen van oordopjes en een headset aan MRI ruis te blokkeren.
  7. Sluit de magneet kamer deur en, in de controlekamer, controleer dan de EtCO 2 en arteriële zuurstofverzadiging fractie (SO 2) parameters weergegeven op de CO 2 (Item # 14) en pulsoxymetrie (post # 15) monitoren. Start de registratie van de parameters op de laptop.
  8. Instrueer de MRI-operator om te beginnen met scannen met behulp vanBloed-Oxygenatie-Level-Dependent (BOLD) sequentie. Voor 3T MRI-scanner, de BOLD beeldvorming parameters zijn: TR / TE = 1500/30 msec, flip hoek = 60 °, gezichtsveld = 220 x 220 mm 2, matrix = 64 x 64, 29 plakjes, dikte = 5 mm, geen kloof tussen plakjes, 361 volumes. Beoordeel een voorbereide vel waarop de timing van de klep schakelen wordt opgenomen en voorzichtig zwenken de signalering balk wanneer een schakelaar nodig. Let goed op de fysiologie van het onderwerp, inclusief hartslag, SO 2, en EtCO 2.
  9. Nu, in de magneet kamer, het inschakelen van de Douglas zak (punt 1 #) op basis van de beweging van de signalering bar die het soort gas dat het onderwerp inspireert controleert.
  10. Herhaal deze procedure voor de duur van de studie. Tijdens de 9 min beeldvorming periode, ervoor zorgen dat de klep omschakeling gebeurt ongeveer eens per minuut. Merk op dat de timing van de schakelaar niet precies precies te zijn zolang de EtCO2 tijdsverloop wordt opgenomen.
    OPMERKING: Als het onderwerp drukt de verpleegkundige-belknop tijdens de scan, zal het scannen worden afgebroken en het onderwerp uit van de magneet boring verplaatst worden onmiddellijk. De onderzoeker zal het mondstuk en neus clip van het onderwerp te verwijderen.
  11. Gebruik de intercom het onderwerp dat de scan is voltooid kennis. Trek de MRI-tafel uit. Verwijder voorzichtig de neus clip en het mondstuk van het onderwerp, terwijl het verstrekken schoonmaken weefsel om het onderwerp aan een speeksel af te vegen. Verwijder voorzichtig de vinger sensor van de pulsoximetrie van het onderwerp. Het onderwerp kan dan gaan zitten en stapt uit de MRI-tafel.

3. Clean-up Procedures na het experiment

  1. Gooi de bemonstering gasleiding (punt 9 #), air-filter (post # 11), mondstuk (punt 5 #) en neus clip (punt 6 #).
  2. Reinig de herbruikbare componenten. Koppel de twee-weg ventiel (Item # 3) van de andere componenten en verwijder de membranen (Item # 4) uit het ventiel. Week de twee-wegklep, (punt 3 #), diafragma (punt 4 #) en U-vorm buis (Item # 12) in een geconcentreerde fosfaatvrije desinfectiemiddel met oppervlakteactieve stoffen zoals Bacdown wasmiddel ontsmettingsmiddel in een container voor 20 min. De verdunningsverhouding van het wasmiddel ontsmettingsmiddel en gedestilleerd water is 1:64.
  3. Spoel de in 3.2 beschreven grondig met gedestilleerd water artikelen.
  4. Droog de U-vormige buis (Item # 12) met perslucht. Plaats de twee-weg ventiel (Item # 3) en diafragma (punt 4 #) op een duidelijke aanrecht en laat ze drogen op natuurlijke wijze en volledig.
  5. Leeg de Douglas zak. Doet weg de signalering bar en grijze buis.

4. Data-analyse te berekenen CVR Kaart

  1. Opslaan MRI data in DICOM-bestand formaat of een ander formaat vendor-specifieke. De gegevens over naar een lab computer en de gegevens omzetten in volume per volume file serie, waarbij elk bestand een 3D volume (bv BOLD afbeelding) gevonden volgens één tijdstip.
  2. Pre-proces van de beeldgegevens. Voeren beeldvoorverwerking stappen waaronder herschikking, normalisatie, en glad met behulp van een script dat library functies van de software voor de Statistiek Parametric Mapping (SPM) noemt. Zie aanvullende code bestand 1 voor een voorbeeld van de Matlab script.
  3. Gebruik een script om de CO 2 opname te lezen, corrigeren de monstername vertraging door het verschuiven van het tijdsverloop van een vooraf geijkte hoeveelheid (bv 12 sec in deze setup die wordt bepaald als het tijdverschil tussen een adem aan het mondstuk en de schijn van dat de adem van de CO2-opname), en extract EtCO2 die de envelop (positieve pieken) van de ruwe tijdreeksen. Zie aanvullende code bestand 2 voor de Matlab script.
  4. Op basis van de synchronisatie-timer, het segment van de EtCO 2 gegevens om alleen de opname van 25 seconden voorafgaand aan het eerste beeld acquisitie tot 100 seconden na het laatste beeld acquisitie te houden. De EtCO 2 tijdsverloop isde invoerfunctie het vaatstelsel en wordt gebruikt als onafhankelijke variabele in de later beschreven lineaire regressieanalyse.
  5. Identificeer de fysiologische vertraging tussen EtCO 2 (gemeten in long) en MRI signaal (gemeten in de hersenen) door eerst kruiscorrelatiecoëfficiënt (CC) tussen deze twee tijdsverloop variërende tijdverschuivingen. De verschuiving waarde die hoger CC oplevert wordt beschouwd als de optimale tijd.
  6. De EtCO 2 tijdsverloop wordt verschoven met de optimale vertraging en alleen de tijdstippen die overeenkomen MRI signaal behouden, resulterend in een tijdreeks die van dezelfde lengte als het MRI signaal.
  7. Voer een voxel-by-voxel lineaire regressie met behulp van SPM, waarin de verschoven EtCO2 tijdsverloop is de onafhankelijke variabele en de MRI-signaal tijdsverloop is de afhankelijke variabele.
  8. Berekenen voxel-by-voxel kaart van CVR
    figure-protocol-1
    waarbij (i, j, k) tHij voxel-index, β1 is de regressiecoëfficiënt geassocieerd met EtCO2 en β0 is de regressiecoëfficiënt in verband met de constante term. min (EtCO 2) wordt de minimale waarde van EtCO 2 in het tijdsverloop.

Resultaten

Twee soorten gegevens worden verzameld met het voorgestelde protocol, fysiologische opnames en MR-beelden. Figuren 2 en 3 tonen opnamen van fysiologische parameters van een representatieve subject. Zwarte sporen in figuur 2 geeft de CO 2 tijdsverloop geregistreerd door de CO 2-monitor, die het CO 2 -gehalte in de lucht bemonsterd in de buurt van het mondstuk vertegenwoordigt. Merk op dat dit spoor fluctueert sterk in functie van de tijd. Dit is omdat tijdens de inademingsfase van de ademhalingscyclus, deze opname weerspiegelt het CO2 gehalte in de lucht inademen en tijdens de uitademhalingsfase, deze opname weerspiegelt het CO2 gehalte in de uitgeademde lucht. Als zodanig, de bovenste top van elke ademhalingscyclus, aangeduid als end-tidal CO 2 of EtCO 2 vertegenwoordigt het CO2 gehalte in de longen, die ongeveer kan worden gebruikt als de CO2 concentratie in het arteriële bloed. Opmerking thbij CO 2 concentratie in het arteriële bloed is de drijvende kracht, dat wil zeggen, ingangsfunctie, van de vaatverwijdende respons. De toppen van de CO 2 trace (rode lijn in figuur 2) werden afgebakend met een detectie-algoritme dat zoekt naar de piek bij elke ademhaling, in combinatie met handmatige inspectie en correctie. Dit werd gevolgd door een mediaanfiltering abrupte pieken door gedeeltelijke adem te verwijderen en te verantwoorden bloed menging tijdens stroming van longvaten tot hersenvaten. De laatste EtCO 2 tijdsverloop wordt getoond door de groene kromme in figuur 2 en wordt gebruikt bij de berekening van CVR.

Figuur 3 toont het tijdsverloop van de ademhaling, de arteriële zuurstofverzadiging fractie (SO 2), en hartslag. De ademhaling wordt verkregen uit de CO 2 monitor terwijl SO 2 en hartslag worden verkregen van de pulsoximetrie. Zoals kan worden seen, deze parameters geen systematische verandering met de hypercapnie uitdaging zien. Merk op dat hypercapnia ofwel hyperventilatie veroorzaken onderwerp, waardoor de O2 partiële druk in de longen zal bescheiden toenemen. Echter, de impact ervan op SO 2 is minimaal als bloed hemoglobine is al grotendeels verzadigd bij kamer is voorzien van de ademhaling en de zuurstof dissociatie curve is vrij vlak binnen dat bereik.

Figuur 4 toont representatieve BOLD MR beelden op verschillende tijdstippen van het experiment. De gemiddelde intensiteit van het signaal (in willekeurige MR eenheden) wordt ook getoond. Het blijkt dat de BOLD signaal in de hersenen een stijging met CO2 inhalatie. Merk op dat het signaal tussen ruimtelucht voorzien en CO 2 perioden in de orde van 1-3% in amplitude.

Het combineren van gegevens uit fysiologische opnames en MR-beelden, kan een voxel-by-voxel CVR kaart worden berekend. Figuur 5 toont representatieveCVR kaarten (in eenheden van% signaal wisseling per mmHg CO 2 verandering) van een gezonde proefpersoon gescand op vijf verschillende dagen, waaruit blijkt een uitstekende reproduceerbaarheid van de resultaten. Deze techniek is tot nu toe toegepast in studies van veroudering 20, Alzheimer's Disease 4, Multiple sclerose 21, 22 en fysieke training.

figure-results-1
Figuur 1. Schematische weergave van het gas levering systeem. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figure-results-2
Figuur 2. CO 2 tijdsverloop van een representatieve onderwerp during het experiment. Segmenten van de adem-by-breath CO 2 -gehalte trace zoals geregistreerd door de CO 2-monitor worden getoond voor kamer lucht laten ademen periode (linksonder) en 5% CO 2 inhalatie periode (rechtsonder). Uitgepakte EtCO 2 keer cursussen worden weergegeven in gekleurde curven. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figure-results-3
Figuur 3. Opgenomen fysiologie parameters van een vertegenwoordiger onderwerp tijdens het experiment. (A) ademhaling (bpm, adem per minuut) tijdsverloop van het onderwerp. (B) SO 2 (%) tijdsverloop van het onderwerp. (C) Hart rate (bpm, beat per minuut) tijdsverloop van het onderwerp. Het onderwerp is de dezelfde als die in figuur 1. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figure-results-4
Figuur 4. Vertegenwoordiger BOLD MR-beelden op verschillende tijdstippen van het experiment. Gemiddeld signaalintensiteiten van de getoonde hersenen slice (axiale slice # 54 in MNI ruimte) worden getoond in de onderste rij. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figure-results-5
Figuur 5. Vertegenwoordiger CVR kaart uit een representatieve onderwerp..jove.com / files / ftp_upload / 52306 / 52306fig5large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Discussie

Dit rapport presenteerde een MR-compatibele gasafgiftesysteem en een uitgebreide experimentele protocol dat het in kaart brengen van vasculaire reactiviteit in het menselijk brein maakt. Een diagram van het gastoevoersysteem wordt in figuur 1. Alle onderdelen in de MRI scanner kamers zijn plastic hun MRI-compatibiliteit. Het systeem kan conceptueel worden onderverdeeld in drie sub-systemen, waaronder een gas intake sub-systeem (tas, levering buis, twee-weg klep), een ademhaling interface-sub-systeem (neus clip, mondstuk, U-vorm buis), en een controle subsysteem (CO 2 -concentratie, zuurstofverzadiging, hartslag, ademhaling). De gasinlaat subsysteem maakt het gas te inhaleren aan de tweewegklep bereiken. Alleen ingeademde lucht, maar niet uitgeademde lucht, zal door middel van deze sub-systeem stromen. De ademhaling interface-sub-systeem maakt het mogelijk het onderwerp te ademen in en uit de beoogde gas. Zowel ingeademd en uitgeademd gas zal via deze sub-systeem stromen. De monitoring sub-systeem moet dan ook proeven van het gas op een punt langs de ademhaling-interface sub-systeem.

Klinische toepassingen van deze techniek kan omvatten evaluaties van hersenen vasculaire reserve neurologische aandoeningen zoals beroerte, atherosclerose, moyamoya ziekte, vasculaire dementie, multiple sclerose, en hersentumor. De techniek kan ook worden gebruikt in functionele MRI studies normaliseren of kalibreren fMRI signaal voor een betere kwantificering van neurale activiteit 23,24.

Een belangrijk kenmerk van het voorgestelde systeem en experimentele protocol is dat het gasmengsel kan worden afgeleverd aan de patiënt weliswaar in weinig beweging of ongemak. Daarom is het essentieel om de U-vormige buis (item # 12) zodanig dat het (en het mondstuk verbonden met het uiteinde ervan) vanzelf omlaag valt in de mond van de patiënt te plaatsen. Op deze manier hoeft het onderwerp niet nodig om zijn gezichtsspieren te houden of te ondersteunen het mondstuk te gebruiken. Het is ook importmier zich bewust te zijn dat het onderwerp niet in staat zal zijn om te praten terwijl het mondstuk is in hun mond. Daarom moet de onderzoeker niet het gesprek aan het subject via een vraag toon. In plaats daarvan moet alleen duidelijke, definitieve instructies worden gegeven. Bovendien moet een onderzoeker veel aandacht besteden aan de fysiologische parameters (bv EtCO 2, SO 2, hartslag, ademhaling) gedurende het gehele verloop van het experiment en snel reageren wanneer een of meer van de fysiologische parameters wijken buiten de typische bereik .

Terwijl een uitputtend overzicht van andere gas levering systemen die worden gebruikt in de literatuur valt buiten het bestek van dit artikel, is het nuttig om het huidige systeem te vergelijken met een paar veelgebruikte degenen 17,18. Een belangrijk verschil is dat ons systeem maakt gebruik van een mondstuk om de beoogde gas leveren terwijl de meeste andere systemen een masker ontwerp gebruikt. De mogelijke complicaties van een masker zijn twee vouwen. Eerst een masker occupies een aanzienlijke hoeveelheid ruimte, en het is misschien niet altijd haalbaar zijn om het masker te passen in de krappe ruimte in het hoofd spoel, gezien het feit dat, voor vele onderwerpen, hun neus zou bijna de kop spiraal te raken, zelfs zonder een masker. Dit is vooral het geval voor het hoofd spoelen bedoeld om een ​​hoge gevoeligheid te bereiken, die meestal zijn ontworpen om strak aan het hoofd van het onderwerp. Een tweede complicatie van een masker ontwerp is dat er grote ruimte in het masker waardoor aanzienlijke menging van ingeademde en uitgeademde gas. Het kan dus invloed op de nauwkeurigheid van de meting van EtCO 2, die idealiter zijn gebaseerd op slechts uitgeademde gas. Nauwkeurige EtCO 2 is natuurlijk belangrijk voor de betrouwbaarheid van de CVR kaart. Een ander belangrijk verschil van ons systeem in vergelijking met veel andere systemen is dat ons systeem levert gas uit een zak in plaats van een gas tank. Daarom zijn tanks niet nodig in de scanner gebied, bespaart kostbare ruimte in het vervolg rol kamer van een MRI-suite. In ons ontwerp, brengen we de zak voor het begin van de scan en na de scan, de zak is geleegd, gevouwen en opgeborgen. Tenslotte vergelijking met enkele andere systemen 18,21, de huidige gastoevoersysteem eenvoudiger, vergt minder trainingstijd en verbruiksartikelen minder duur.

Hierbij moet worden opgemerkt dat, hoewel het protocol in dit rapport vooral heeft gericht op de CO 2 inhalatie, de gepresenteerde gas levering systeem maakt het mogelijk de levering van andere gasmengsels (bv elke fractie van O 2, elke fractie van CO 2, elke fractie N2, en hun combinatie) aan een mens voor hen te ademen terwijl hij / zij ligt binnen de MRI scanner. Men kan ook het gastoevoersysteem buiten de context van MRI, bijvoorbeeld in samenhang met elektro-encefalogram (EEG), magnetoencephalogram (MEG), positron emissie tomografie (PET), of optimale beeldvorming.

_content "> Wanneer verschaffen van een aanbeveling van beeldvormingsparameters, we hebben vooral gericht op BOLD sequentie. Een andere sequentie die mogelijk kunnen worden gebruikt CVR mapping Arterial Spin Labeling (ASL) MRI, die een kwantitatieve maat cerebrale bloedstroom bepaalt (CBF) in fysiologische eenheden (ml bloed per 100 gram weefsel per minuut). Daarom is het voordeel van ASL gebaseerde CVR mapping is dat de resultaten gemakkelijker te interpreteren, in tegenstelling BOLD signaal dat een gecombineerd effect van de bloedstroom, bloedvolume weerspiegelt en mogelijke bijdragen van hersenen metabole veranderingen in CO2 challenge 25-27. Echter, een beperking van de ASL techniek is dat de gevoeligheid meerdere plooien lager dan die van BOLD 28. Daardoor is onze ervaring dat momenteel is zeer uitdagend om een ​​individueel niveau te verkrijgen, voxel-by-voxel CVR kaart met behulp van ASL. Daarom is voor de toepassing studies van CVR, gebruiken we vooral de BOLD volgorde en dus ook richten op deze techniek in our aanbevelingen.

Een beperking van deze werkwijze is dat ademen door een mondstuk met de neus geblokkeerde (een neusklem) niet volledig natuurlijk en sommige onderwerpen (vooral patiënten) kan dit zien als een bron van ongemak. Ademhaling met het mondstuk en neus clip kan ook verergeren het gevoel van claustrofobie. Daarnaast kan het onderwerp droge mond als gevolg van het inademen van slechts mond ervaren. Daarom is het raadzaam dat de onderzoeker proberen zijn best om het experiment te snel af te ronden. Tenslotte moet worden opgemerkt dat, gebaseerd op ervaring van de auteurs, de ongemakken bovengenoemde voorbijgaand en zodra het experiment klaar verdwijnen.

Openbaarmakingen

HL en PL zijn uitvinders van een voorlopig patent, eigendom van UT Southwestern Medical Center, dat een deel van het gasafleveringssysteem beschrijft.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door subsidies van de National Institutes of Health (NIH), onder subsidienummers R01 MH084021, R01 NS067015, R01 AG042753, NS076588, NS029029-20S1, R21 NS078656; en van de National Multiple Sclerosis Society, onder subsidienummer RG4707A2.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Douglas zak Harvard Apparatus500942200 L capaciteit
DriewegklepHans RudolphCR1207100% kunststof
Tweewegklep zonder terugademingHans RudolphCR148022 mm/15 mm ID
DiafragmaHans Rudolph602021-2608Grootte: medium, Type: spiraal
MondstukHans Rudolph602076Siliconen, Model # 9061
NeusklempjeHans Rudolph201413Kunstschuim, Model #9014
GasafvoerslangVacumed1011-108
Blauwe manchetVacumed22254
GasmonsterbuisQoSINAT4305Dun
Mannelijke luerQoSINA11547
Hydrofobe filterPhilips Medical Systems9906-00Voor eenmalig gebruik
U-vormige buisIn eigen huis gemaakt
EllboogverbinderQoSINA51033
EtCO2 monitorPhilips Medical SystemsModel 1265
Pulsoximeter InvivoExpressionMRI Monitoring Systems
MRI-scanner PhilipsAchieva 3.0T TX
OntsmettingsmiddelFisher Scientific04-355-13Decon BDD Bacdown Detergent Ontsmettingsmiddel

Referenties

  1. Attwell, D., Laughlin, S. B. An energy budget for signaling in the grey matter of the brain. J Cereb Blood Flow Metab. 21 (10), 1133-1145 (2001).
  2. Kety, S. S., Schmidt, C. F. The Effects of Altered Arterial Tensions of Carbon Dioxide and Oxygen on Cerebral Blood Flow and Cerebral Oxygen Consumption of Normal Young Men. J Clin Invest. 27 (4), 484-492 (1948).
  3. Krainik, A., Hund-Georgiadis, M., Zysset, S., von Cramon, D. Y. Regional impairment of cerebrovascular reactivity and BOLD signal in adults after stroke. Stroke. 36 (6), 1146-1152 (2005).
  4. Yezhuvath, U. S., et al. Forebrain-dominant deficit in cerebrovascular reactivity in Alzheimer's disease. Neurobiol Aging. 33 (1), 75-82 (2012).
  5. Mandell, D. M., et al. Mapping cerebrovascular reactivity using blood oxygen level-dependent MRI in Patients with arterial steno-occlusive disease: comparison with arterial spin labeling MRI. Stroke. 39 (7), 2021-2028 (2008).
  6. Greenberg, S. M. Small vessels, big problems. N Engl J Med. 354 (14), 1451-1453 (2006).
  7. Hsu, Y. Y., et al. Blood oxygenation level-dependent MRI of cerebral gliomas during breath holding. J Magn Reson Imaging. 19 (2), 160-167 (2004).
  8. Mikulis, D. J., et al. Preoperative and postoperative mapping of cerebrovascular reactivity in moyamoya disease by using blood oxygen level-dependent magnetic resonance imaging. J Neurosurg. 103 (2), 347-355 (2005).
  9. Han, J. S., et al. BOLD-MRI cerebrovascular reactivity findings in cocaine-induced cerebral vasculitis. Nat Clin Pract Neurol. 4 (11), 628-632 (2008).
  10. Ellingsen, I., Hauge, A., Nicolaysen, G., Thoresen, M., Walloe, L. Changes in human cerebral blood flow due to step changes in PAO2 and PACO2. Acta Physiol Scand. 129 (2), 157-163 (1987).
  11. Ide, K., Eliasziw, M., Poulin, M. J. Relationship between middle cerebral artery blood velocity and end-tidal PCO2 in the hypocapnic-hypercapnic range in humans. J Appl Physiol (1985). 95 (1), 129-137 (2003).
  12. Xie, A., et al. Cerebrovascular response to carbon dioxide in patients with congestive heart failure. Am J Respir Crit Care Med. 172 (3), 371-378 (2005).
  13. Rostrup, E., et al. Regional differences in the CBF and BOLD responses to hypercapnia: a combined PET and fMRI study. Neuroimage. 11 (2), 87-97 (2000).
  14. Zande, F. H., Hofman, P. A., Backes, W. H. Mapping hypercapnia-induced cerebrovascular reactivity using BOLD MRI. Neuroradiology. 47 (2), 114-120 (2005).
  15. Kastrup, A., Kruger, G., Neumann-Haefelin, T., Moseley, M. E. Assessment of cerebrovascular reactivity with functional magnetic resonance imaging comparison of CO(2) and breath holding. Magn Reson Imaging. 19 (1), 13-20 (2001).
  16. Bright, M. G., Donahue, M. J., Duyn, J. H., Jezzard, P., Bulte, D. P. The effect of basal vasodilation on hypercapnic and hypocapnic reactivity measured using magnetic resonance imaging. J Cereb Blood Flow Metab. 31 (2), 426-438 (2011).
  17. Slessarev, M., et al. Prospective targeting and control of end-tidal CO2 and O2 concentrations. J Physiol. 581 (3), 1207-1219 (2007).
  18. Wise, R. G., et al. Dynamic forcing of end-tidal carbon dioxide and oxygen applied to functional magnetic resonance imaging). J Cereb Blood Flow Metab. 27 (8), 1521-1532 (2007).
  19. Yezhuvath, U. S., Lewis-Amezcua, K., Varghese, R., Xiao, G., Lu, H. On the assessment of cerebrovascular reactivity using hypercapnia. BOLD MRI. NMR Biomed. 22 (7), 779-786 (2009).
  20. Lu, H., et al. Alterations in cerebral metabolic rate and blood supply across the adult lifespan. Cereb Cortex. 21 (6), 1426-1434 (2011).
  21. Marshall, O., et al. Impaired cerebral vascular reactivity in multiple sclerosis measured with hypercapnia perfusion MRI. JAMA Neurology. In press, Forthcoming.
  22. Thomas, B. P., et al. Life-long aerobic exercise preserved baseline cerebral blood flow but reduced vascular reactivity to CO2. J Magn Reson Imaging. 38 (5), 1177-1183 (2013).
  23. Liu, P., et al. Age-related differences in memory-encoding fMRI responses after accounting for decline in vascular reactivity. Neuroimage. 78, 415-425 (2013).
  24. Liu, P., et al. A comparison of physiologic modulators of fMRI signals. Hum Brain Mapp. 34 (9), 2078-2088 (2013).
  25. Zappe, A. C., Uludag, K., Oeltermann, A., Ugurbil, K., Logothetis, N. K. The influence of moderate hypercapnia on neural activity in the anesthetized nonhuman primate. Cereb Cortex. 18 (11), 2666-2673 (2008).
  26. Xu, F., et al. The influence of carbon dioxide on brain activity and metabolism in conscious humans. J Cereb Blood Flow Metab. 31 (1), 58-67 (2011).
  27. Thesen, T., et al. Depression of cortical activity in humans by mild hypercapnia. Hum Brain Mapp. 33 (3), 715-726 (2012).
  28. Lu, H., Golay, X., Pekar, J. J., Van Zijl, P. C. Functional magnetic resonance imaging based on changes in vascular space occupancy. Magn Reson Med. 50 (2), 263-274 (2003).

Herprints en machtigingen

Tags

Cerebrale vasculaire reactiviteitMRI gasdistributieCO2 inhalatieproefend tidale CO2 monitoringBOLD MRI sequentielineaire regressieanalyseSPM gegevensverwerkingMRI compatibel systeemregistratie van fysiologische parametersvoxelgewijze CVR mapping
MRI Mapping van cerebrovasculaire reactiviteit via Gas Inademing Uitdagingen
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.