Magnetic Resonance Imaging Kwantificering van pulmonale perfusie met geijkte Arterial Spin Labeling
30 mei 2011
Een MRI methode om de verdeling van de pulmonale bloedstroom onderzoek onder verschillende fysiologische omstandigheden, in dit geval de blootstelling aan drie verschillende geïnspireerd zuurstof concentraties: hypoxie, normoxia, en hyperoxia, wordt beschreven. Deze techniek maakt gebruik van de menselijke fysiologie pulmonaire onderzoekstechnieken in een MR-scan-omgeving.
Het algemene doel van het volgende experiment is om fysiologische technieken in combinatie met magnetische resonantiebeeldvorming te gebruiken om de distributie van pulmonaire perfusie niet-invasief te meten onder verschillende geïnspireerde zuurstofomstandigheden. Dit wordt bereikt door eerst een proefpersoon te trainen om de adem in te houden bij functionele restcapaciteit tijdens het verwerven van beelden, en om te ademen tijdens het interval tussen de beelden om het verzamelen van meerdere beelden mogelijk te maken. Als tweede stap wordt de proefpersoon voorzien van de gezichtsmasker en wordt de inspiratie- en expiratiebuis aangesloten om de verschillende gasmengsels aan de proefpersoon te leveren en om expiratiegasmonsters te verzamelen om metabolische metingen te doen.
Vervolgens in de MRI-scanner, na een lokalisatiebeeld, worden arteriële spin labeling en de multi echo fast gradient, echo sequenties gebruikt om pulmonaire bloedstroom en protondichtheid beelden te verkrijgen. De resulterende beelden worden gekwantificeerd om de distributie van pulmonaire bloedstroom uitgedrukt in milliliter per minuut per gram te geven, afgeleid van de twee verschillende MR-beelden. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat pulmonaire perfusie niet-invasief wordt gemeten in vivo zonder blootstelling aan ioniserende straling, waardoor herhaalde metingen mogelijk zijn.
Deze methode kan inzicht geven in de mechanismen die de ruimtelijke verdeling van pulmonaire perfusie regelen, en kan ook worden gebruikt om andere fysiologische mechanismen binnen de MS-scanomgeving te bestuderen. De procedures die vandaag worden gedemonstreerd, zullen worden uitgevoerd door TSIA rogge, een afgestudeerde student Sebastian Verta en RU Carlos SA postdoctoraal onderzoekers van ons lab. Voorafgaand aan het uitvoeren van het experiment. Eerst verkrijg schriftelijke en geïnformeerde toestemming van het onderzoekssubject en laat hem of haar een MRI-veiligheidsscreeningsformulier invullen.
Voer ook een lichamelijk onderzoek longfunctietest uit en een trainingssessie waarin de proefpersoon leert hoe hij of zij zijn of haar adem in kan houden bij functionele restcapaciteit. Of FRC begin met het opzetten van de ademhalingsapparatuur door de masker eerst op het gezicht van de proefpersoon te passen. Met een gaasbevestiging is de masker uitgerust met een voorgesteriliseerde, niet-herademingsklep en buizen.
Zorg ervoor dat de masker op lekken wordt gecontroleerd. Zet de gaszakken in de scannerkamer op en verbind deze met een tank in de MRI-consolekamer. Dit moet zo worden opgezet dat gas aan de zak kan worden toegevoegd door de onderzoeker door manipulatie van de gastank.
Regel erop toe dat de gaszak in zicht is. Net zoals tijdens het experiment, moet de onderzoeker de zak door het raam van de consolekamer controleren om ervoor te zorgen dat het gasvolume voldoende is. Anders kan de proefpersoon mogelijk niet de fractie van geïnspireerde zuurstof van hyperoxische en hypoxische gassen inspireren in dit geval zijn 1,0 en 0,125 Respectievelijk en kamerlucht kan worden gebruikt voor het normoxische gas.
Zorg ervoor dat de uitademingsbuis voldoende lang is om van de proefpersoon in de MR-scanner via een golfgeleider naar de metabolische wagen in de MR-consolekamer te verbinden. De metabolische wagen die hier wordt gezien, meet het volume van uitgeademde lucht evenals gemengde uitgeademde zuurstof- en kooldioxideconcentraties. Op basis van deze parameters berekent het ook verschillende ademhalingsvolumes.
BG, het tijdelijk volume VO twee VC O2, evenals ademhalingsquotiënt. Laat de proefpersoon rugwaarts met de voeten eerst op het scannerbed liggen, en gebruik kussens en schuimkussens om het comfort te maximaliseren. Verbind vervolgens de inademingsbuis met de inademingszijde van de masker van de proefpersoon.
De buis zal worden gebruikt om ofwel hyperoxische en hypoxische gassen ofwel normoxische lucht van de Mylar-zakken toe te dienen via een schakelklep. Plaats ook een EKG-pad op de borst van de proefpersoon. Dit zal het arteriële spin labeling Mr.Sequence toelaten om te worden ingedeeld op de QRS-complex in het elektrocardiogram van de proefpersoon.
Zorg ervoor dat de klep wordt gecontroleerd om te verzekeren dat deze normaal functioneert. Bied oordopjes om de proefpersoon te beschermen tegen scannerruis. Ook, aangezien de proefpersoon een masker draagt en niet gemakkelijk kan communiceren met het onderzoekspersoneel, plaats een knijpbal in de hand van de proefpersoon en plak deze op zijn plaats.
Dit maakt communicatie met de onderzoekers mogelijk als er assistentie nodig is. Plaats tenslotte een pulse oximeter op de vinger van de proefpersoon om de zuurstofverzadiging te controleren, wat cruciaal is wanneer de proefpersoon wordt blootgesteld aan hypoxie. Plaats nu twee Mr Phantoms op de borst van de proefpersoon.
Deze phantoms moeten worden gebruikt om het MR-signaal tijdens de postverwerking te kwantificeren. Plaats vervolgens de torso spiraal over de phantoms. De torso spiraal wordt gebruikt om de signaal-ruisverhouding van het MR-beeld te verhogen in vergelijking met de lichaamsspiraal door de fysieke afstand tussen de ontvanger en de proefpersoon te verminderen.
Ten slotte dek de proefpersoon af met een deken om comfort te garanderen voordat hij of zij naar het centrum van de MR-scannerboord wordt gestuurd. Zodra de proefpersoon in de scanner is, moet de operator regelmatig met de proefpersoon praten om ervoor te zorgen dat hij of zij comfortabel is en om de proefpersoon eraan te herinneren de knijpbal te gebruiken als er assistentie nodig is. En we gaan het opzetten voor de localizer, wat de eerste scan is.
Het gaat ongeveer 30 seconden duren. Ik wil dat je gewoon ontspant en normaal ademt terwijl alle geklop en geklik gebeurt. Zorg ervoor dat je de EKG zuurstofverzadiging tijdelijk volume VO O2 en VC O2 controleert. De eerste paar minuten van de monitoring zijn vooral belangrijk om goede kwaliteitsgegevens te garanderen.
Als deze waarden buiten de verwachte waarden liggen, moet de kalibratie opnieuw worden uitgevoerd en moet de gezichtsmasker en buizen worden gecontroleerd op lekken. Verwerf eerst een localizersequentie om de anatomische beelden in de romp van de pro
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie beschrijft een magnetische resonantie beeldvorming (MRI) methode om niet-invasief de pulmonaire bloedstroomverdeling te meten onder verschillende geïnspireerde zuurstofcondities, inclusief hypoxie, normoxie en hyperoxie. De techniek integreert menselijke pulmonaire fysiologie onderzoek met MRI-technologie.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Fysiologie
- Medische beeldvorming
Achtergrond
- Het begrijpen van pulmonaire perfusie is cruciaal voor het beoordelen van de ademhalingsfunctie.
- Traditionele methoden voor het meten van bloedstroom kunnen ioniserende straling omvatten.
- Niet-invasieve technieken worden bij voorkeur gebruikt voor herhaalde metingen.
- Deze studie gebruikt MRI om de beperkingen van bestaande methoden te overwinnen.
Doel van het onderzoek
- Om pulmonaire perfusie niet-invasief te meten.
- Om de effecten van verschillende zuurstofconcentraties op de bloedstroom te evalueren.
- Om een methode te bieden die herhaalde metingen mogelijk maakt zonder blootstelling aan straling.
Gebruikte methoden
- Proefpersonen getraind om tijdens beeldvorming de adem in te houden op functionele restcapaciteit.
- Gebruik van gezichtsmaskers en gasmengsels om geïnspireerde zuurstofniveaus te manipuleren.
- Verzameling van expiratoire gasmonsters voor metabolische metingen.
- Toepassing van arteriële spin labeling en multi-echo fast gradient echo sequenties in MRI.
Belangrijkste resultaten
- Kwantificering van pulmonaire bloedstroom in milliliters per minuut per gram.
- Succesvolle beeldvorming onder verschillende geïnspireerde zuurstofcondities.
- Demonstratie van niet-invasieve meetmogelijkheden.
- Mogelijkheid voor herhaalde beoordelingen in klinische omgevingen.
Conclusies
- De MRI-techniek biedt een veilig alternatief voor het meten van pulmonaire perfusie.
- Het maakt de studie van fysiologische reacties op verschillende zuurstofniveaus mogelijk.
- Deze methode kan ons begrip van de pulmonaire fysiologie verbeteren.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
This MRI-based pulmonary perfusion method enables non-invasive, repeated measurement of lung blood flow under controlled oxygen conditions, supporting mechanistic studies of vascular response without ionizing radiation exposure. It provides quantitative, voxel-level perfusion data that can inform target validation in pulmonary disease models by linking physiological stimuli to functional hemodynamic outcomes. The technique supports preclinical continuity by allowing longitudinal assessment of vascular function in disease-relevant systems, reducing reliance on terminal endpoints and enhancing predictive confidence in early discovery.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses regarding pulmonary vascular regulation by quantifying perfusion changes in response to hypoxic, normoxic, and hyperoxic stimuli.
- Operational Value: Supports biological de-risking of targets involved in pulmonary vasoconstriction or vascular remodeling through repeatable, radiation-free hemodynamic phenotyping.
- Predictive Value: Density-normalized perfusion (mL/min/g) provides a quantitative, translatable metric for assessing target engagement and pathway modulation in preclinical models.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized, spatially resolved perfusion maps that can be used to validate assay systems designed to probe pulmonary vascular function.
- Quantitative Output: Proton density correction enables density-normalized perfusion metrics, improving comparability across conditions and reducing variability from tissue deformation or positioning.
- Platform Reuse: The ASL and mGRE sequence combination establishes a reproducible MRI workflow for longitudinal perfusion screening in drug discovery programs targeting pulmonary pathways.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Permits evaluation of perfusion heterogeneity indices (e.g., relative dispersion, fractal dimension) as potential translational biomarkers in models of pulmonary hypertension or vascular dysfunction.
- Translational Continuity: Bridges discovery-phase mechanistic insights with preclinical validation by enabling consistent perfusion measurement across oxygen challenge paradigms.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by providing objective, quantitative perfusion data that reflect vascular responsiveness under physiological stress.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum by enabling hemodynamic phenotyping after target modulation but before functional efficacy assessment, particularly in pulmonary vascular research.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing of vascular targets by measuring perfusion responses to controlled oxygen challenges, supporting mechanistic de-risking.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative perfusion readouts that support assay standardization and compound effect evaluation in lung tissue.
- Analytics: Provides density-normalized perfusion and heterogeneity indices (relative dispersion, fractal dimension) as multiparametric outputs for comparing experimental conditions.
- Translational Research: Enables continuity from acute physiological response studies to chronic disease modeling by allowing repeated perfusion measurements over time.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, non-invasive perfusion profiling capability applicable across multiple pulmonary discovery programs without consumable tracers or radiation safety overhead.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by linking oxygen-sensitive physiological stimuli to quantifiable perfusion changes in lung tissue.
- Operational Value: Ensures reproducibility and standardization through physiological gating, proton density correction, and controlled gas delivery, minimizing technical variability.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by enabling early detection of vascular liabilities or therapeutic effects in physiologically relevant contexts.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of pulmonary vascular targets by providing objective hemodynamic data for go/no-go decisions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in pulmonary physiology, MRI physics, and physiological monitoring to ensure subject compliance and data quality during breath-hold and gas challenge protocols.
- Depends on access to MRI scanner capable of arterial spin labeling and multi-echo fast gradient echo sequences with cardiac gating and gas delivery integration.
- Necessitates cross-team standardization between imaging, physiology, and data analysis teams to ensure consistent perfusion quantification and heterogeneity indexing.
- Involves adaptation considerations when translating from healthy human subjects to disease models, particularly regarding breath-hold capacity and gas exchange dynamics.
- Practical limitations include scan time constraints, signal-to-noise challenges in lung tissue, and the need for subject training to maintain functional residual capacity during image acquisition.
