Artykuł metodologiczny

Mapowanie MRI reaktywności naczyń mózgowych za pomocą wyzwań związanych z inhalacją gazową

14.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/52306

⸱

17 grudnia 2014

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

W tym artykule

Podsumowanie

Nieinwazyjne obrazowanie zdolności układu krwionośnego mózgu do rozszerzania lub zwężania może pozwolić na lepsze zrozumienie patofizjologii naczyń mózgowych w różnych chorobach neurologicznych. Niniejszy raport opisuje powtarzalny i wygodny dla pacjenta protokół wykonywania obrazowania reaktywności naczyń krwionośnych u ludzi za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI).

Streszczenie

Mózg jest przestrzennie niejednorodnym i dynamicznym czasowo organem, z różnymi regionami wymagającymi różnej ilości dopływu krwi w różnym czasie. Dlatego zdolność naczyń krwionośnych do rozszerzania lub zwężania się, znana jako reaktywność mózgowo-naczyniowa (CVR), stanowi ważną domenę funkcji naczyniowej. Marker obrazowania reprezentujący tę dynamiczną właściwość dostarczy nowych informacji o naczyniach mózgowych w normalnych i chorobowych warunkach, takich jak udar, demencja, miażdżyca, choroby małych naczyń, guz mózgu, urazowe uszkodzenie mózgu i stwardnienie rozsiane. Aby wykonać tego typu pomiar u ludzi, konieczne jest dostarczenie bodźca wazoaktywnego, takiego jak mieszanina gazów CO2 i / lub O2 podczas zbierania ilościowych obrazów rezonansu magnetycznego mózgu (MRI). W tej pracy przedstawiliśmy system dostarczania gazu kompatybilny z MR i związany z nim protokół, który umożliwia dostarczanie specjalnych mieszanin gazów (np. O2, CO2, N2 i ich kombinacji), gdy badany leży wewnątrz skanera MRI. System ten jest stosunkowo prosty, ekonomiczny i łatwy w użyciu, a protokół eksperymentalny pozwala na dokładne mapowanie CVR zarówno u zdrowych ochotników, jak i pacjentów z zaburzeniami neurologicznymi. Podejście to może zostać wykorzystane w szerokich zastosowaniach klinicznych i w lepszym zrozumieniu patofizjologii naczyń krwionośnych mózgu. W filmie pokazujemy, jak skonfigurować system w pracowni rezonansu magnetycznego i jak przeprowadzić pełny eksperyment na ludzkim uczestniku.

Wprowadzenie

Mózg stanowi około 2% całkowitej masy ciała, ale zużywa około 20% całkowitej energii1. Nic dziwnego, że wystarczające i starannie regulowane zaopatrzenie w krew ma kluczowe znaczenie dla zaspokojenia tego wysokiego zapotrzebowania na energię i prawidłowego funkcjonowania mózgu. Co więcej, mózg jest przestrzennie niejednorodnym i dynamicznym czasowo narządem, z różnymi regionami wymagającymi różnej ilości krwi w różnym czasie. Dlatego dynamiczna modulacja dopływu krwi stanowi ważny wymóg w krążeniu mózgu człowieka. Na szczęście wiadomo, że naczynia krwionośne to nie tylko sztywne rurki, a ważną funkcją naczyń krwionośnych jest rozszerzanie i zwężanie w zależności od zapotrzebowania mózgu i warunków fizjologicznych2.

Ta funkcjonalna właściwość naczynia, znana jako reaktywność mózgowo-naczyniowa (CVR), jest uważana za użyteczny wskaźnik zdrowia naczyń krwionośnych i może znaleźć zastosowanie w kilku stanach neurologicznych, takich jak udar3, demencja4, miażdżyca5, choroby małych naczyń 6, guz mózgu7, choroba moyamoya8 i uzależnienie od narkotyków9. W literaturze z zakresu fizjologii i anestezjologii wiadomo, że ponieważ gaz CO2 jest silnym środkiem rozszerzającym naczynia krwionośne, CVR można ocenić poprzez zmianę poziomu CO2 w tętnicach (np. wdychanie niewielkiej ilości CO2 ) przy jednoczesnym monitorowaniu odpowiedzi naczyniowych10-13. W dziedzinie obrazowania i radiologii mapowanie CVR za pomocą MRI szybko staje się nowym markerem zainteresowania wielu naukowców i klinicystów8,14-19. Zwykle szacuje się go, badając, ile odpowiedzi naczyniowej jest indukowane przez prowokację wazoaktywną. Istnieje jednak potrzeba postępu technicznego w systemie dostarczania gazu i standaryzacji protokołu eksperymentalnego. Dostarczenie specjalnej mieszaniny gazów do obiektu znajdującego się wewnątrz skanera MRI nie jest trywialne, a w przypadku konstrukcji zgodnej z MRI wymagane są specjalne względy. Przy projektowaniu systemu dostarczania gazu kompatybilnego z rezonansem magnetycznym należy zwrócić szczególną uwagę na to, co możliwe. Te specjalne względy obejmują: 1) wszystkie elementy muszą być niemetalowe (metal nie może być używany wewnątrz MRI); 2) system powinien działać w niewielkiej przestrzeni, na którą pozwala system MRI i jego cewka główna; 3) system powinien pracować w pozycji leżącej (zgodnie z wymaganiami skanera MRI) zamiast w pozycji siedzącej, bez dyskomfortu; 4) odpowiednie parametry fizjologiczne, takie jak CO2 w okresie końca oddechu (EtCO2, przybliżenie zawartości CO2 we krwi tętniczej) i nasycenie tlenem w tętnicach, powinny być rejestrowane dokładnie z dokładnością do kilku sekund i przechowywane na komputerze do celów analizy. Zagadnienia te mogą ograniczać zakres zastosowań mapowania CVR.

W tym raporcie przedstawiliśmy eksperymentalny protokół, który wykorzystuje kompleksowy system dostarczania gazu do modulowania zawartości wdychanego gazu, gdy badany leży wewnątrz skanera MRI. Korzystając z tego podejścia, badacz może nieinwazyjnie zastosować bodziec wazoaktywny u uczestnika przy minimalnym dyskomforcie lub ruchu masowym. Parametry fizjologiczne i obrazy MRI rejestrowano przez cały okres około 9 minut, na który składały się naprzemienne bloki (1 min na blok) oddychania powietrzem w pomieszczeniu i gazem hiperkapnicznym. Przedstawiono reprezentatywne wyniki. Omówiono potencjalne zastosowania i ograniczenia.

Protokół

UWAGA: Protokół został zatwierdzony przez Komisję Bioetyczną (Institutional Review Board) University of Texas Southwestern Medical Center.

1. Schemat układu dostarczania gazu i etapy przygotowawcze przed eksperymentem

  1. Zapoznaj się ze schematem systemu podawania gazu (Rysunek 1). Napełnij worek Douglasa o pojemności 200 L (Element #1) medyczną mieszaniną gazową zawierającą 5% CO2, 21% O2 i 74% N2.
  2. Umieść dwie membrany (Element #4) w dwudrożnym zaworze nieoddechowym (Element #3), aby zapewnić jednokierunkowy przepływ gazu. Przenieś tak zmontowany zaworze dwudrożny oraz napełniony gazem worek Douglasa (Element #1) do pomieszczenia z magnesem.
  3. Podłącz rurkę do podawania gazu (Element #7) do wlotu zaworu dwudrożnego (Element #3). Przymocuj rurkę do podawania gazu (Element #7) do boku cewki głowy w celu podparcia jej ciężaru. Podłącz drugi koniec rurki do podawania gazu (Element #7) do napełnionego gazem worka Douglasa (Element #1).
  4. Podłącz ustnik (Element #5) do rurki w kształcie litery U (Element #12) za pomocą kolanka (Element #13 z uszczelnionym portem poboru gazu).
  5. Podłącz rurkę do poboru gazu (Element #9) do rurki w kształcie litery U (Element #12) za pomocą drugiego kolanka (Element #13).
  6. Podłącz mały filtr powietrza (Element #11) do drugiego końca rurki do poboru gazu (Element #9). Podłącz drugi koniec filtra powietrza (Element #11) do monitora CO2 (Element #14).
  7. W sterowni pracowni MRI włącz monitory CO2 (Element #14) i pulsoksymetrii (Element #15). Przeprowadź autokalibrację monitora CO2.
  8. Podłącz monitory do laptopa za pomocą portów USB. Otwórz oprogramowanie HyperTerminal służące do komunikacji z monitorami. Zsynchronizuj czas monitorów z timerem, zapisując czas z timera oraz odpowiadające mu czasy z monitorów. Różnice między czasem timera a czasami monitorów zostaną uwzględnione podczas przetwarzania danych (krok 4.4).
  9. Wsuń jeden koniec pręta sygnalizacyjnego do falowodu w taki sposób, aby jeden koniec pręta znajdował się w pomieszczeniu z magnesem, a drugi w sterowni.
    UWAGA: Pręt sygnalizacyjny służy do powiadamiania badacza w pomieszczeniu z magnesem podczas skanowania, gdy konieczne jest przełączenie zaworu trójdrożnego (Element #2).

2. Procedury podczas eksperymentu

  1. Poproś badanego o położenie się na stole do MRI, ale nie wprowadzaj go jeszcze do otworu magnesu. Poinstruuj badanego, aby nacisnął przycisk wezwania pielęgniarki, jeśli poczuje dyskomfort podczas skanowania. Poproś badanego o przetarcie nosa chusteczką czyszczącą w celu usunięcia tłuszczu.
  2. Poinstruuj badanego, aby oddychał przez usta oraz ustalił i utrzymywał rytm oddechowy. Następnie załóż badanemu klips do nosa (Element #6).
  3. Podłącz otwarty koniec rurki w kształcie litery U (Element #12) do środkowego portu zaworu dwudrożnego (Element #3) za pomocą kolanka łączącego (Element #13).
  4. Ostrożnie umieść ustnik w ustach badanego w taki sposób, aby mógł on oddychać przez ustnik. Delikatnie przymocuj czujnik palca pulsoksymetru (Element #15) do opuszka palca badanego.
  5. Upewnij się, że głowa badanego znajduje się w izocentrum cewki głowowej. Przesuń stół MRI, aby wprowadzić badanego do otworu magnesu.
  6. Upewnij się, że jeden z badaczy pozostaje w pomieszczeniu z magnesem, aby monitorować badanego i być przygotowanym do przełączenia zaworu trójdrożnego w worku Douglasa (Element #1). Upewnij się, że badacz ma założone zatyczki do uszu i słuchawki w celu zablokowania hałasu MRI.
  7. Zamknij drzwi pomieszczenia z magnesem i w pomieszczeniu sterowniczym sprawdź parametry EtCO2 oraz frakcję saturacji tlenem tętniczym (sO2) wyświetlane na monitorach CO2 (Element #14) i pulsoksymetrii (Element #15). Rozpocznij zapisywanie parametrów na laptopie.
  8. Poleć operatorowi MRI rozpoczęcie skanowania z użyciem sekwencji BOLD (Blood-Oxygenation-Level-Dependent). Dla skanera MRI 3T parametry obrazowania BOLD wynoszą: TR/TE=1,500/30 msec, kąt odchylenia=60°, pole widzenia=220 x 220 mm2, macierz= 64 x 64, 29 warstw, grubość=5 mm, brak przerwy między warstwami, 361 wolumenów. Przejrzyj przygotowany wcześniej arkusz, w którym wyszczególniono czas przełączania zaworu, i delikatnie poruszaj belką sygnalizacyjną, gdy wymagane jest przełączenie. Zwracaj szczególną uwagę na parametry fizjologiczne badanego, w tym tętno, sO2 oraz EtCO2.
  9. Teraz, w pomieszczeniu z magnesem, przełącz worek Douglasa (Element #1) w oparciu o ruch belki sygnalizacyjnej, która kontroluje rodzaj gazu wdychanego przez badanego.
  10. Kontynuuj tę procedurę przez cały czas trwania badania. Podczas 9 min okresu obrazowania upewnij się, że przełączanie zaworu odbywa się w przybliżeniu raz na minutę. Należy pamiętać, że czas przełączenia nie musi być dokładnie precyzyjny, o ile rejestrowany jest przebieg czasowy EtCO2.
    UWAGA: Jeśli badany naciśnie przycisk wezwania pielęgniarki podczas skanowania, skanowanie zostanie przerwane, a badany zostanie natychmiast wysunięty z otworu magnesu. Badacz usunie z badanego ustnik i klips do nosa.
  11. Użyj interkomu, aby powiadomić badanego o zakończeniu skanowania. Wysuń stół MRI. Delikatnie zdejmij z badanego klips do nosa i ustnik, podając mu chusteczkę do wytarcia śliny. Delikatnie zdejmij z badanego czujnik palca pulsoksymetru. Badany może następnie usiąść i zejść ze stołu MRI.

3. Procedury sprzątania po eksperymencie

  1. Wyrzuć przewód do pobierania gazu (Element #9), filtr powietrza (Element #11), ustnik (Element #5) oraz klips do nosa (Element #6).
  2. Wyczyść elementy wielorazowego użytku. Odłącz zawór dwudrożny (Element #3) od pozostałych komponentów i wyjmij membrany (Element #4) z zaworu. Namocz zawór dwudrożny (Element #3), membranę (Element #4) oraz rurkę w kształcie litery U (Element #12) w pojemniku z treściwym środkiem dezynfekującym bez fosforanów, zawierającym surfaktanty, np. detergentem dezynfekcyjnym Bacdown, przez 20 min. Stosunek rozcieńczenia detergentu dezynfekcyjnego i wody destylowanej wynosi 1:64.
  3. Dokładnie wypłucz elementy opisane w punkcie 3.2 wodą destylowaną.
  4. Osusz rurkę w kształcie litery U (Element #12) sprężonym powietrzem. Połóż zawór dwudrożny (Element #3) i membrany (Element #4) na czystym blacie i pozostaw do całkowitego, naturalnego wyschnięcia.
  5. Opróżnij worek Douglasa. Schowaj pręt sygnalizacyjny i szarą rurkę.

4. Analiza danych w celu obliczenia mapy CVR

  1. Zapisz dane MRI w formacie plików DICOM lub dowolnym innym formacie specyficznym dla producenta. Prześlij dane na komputer laboratoryjny i przekonwertuj je na serie plików typu volume-by-volume, w których każdy plik zawiera wolumen 3D (np. obraz BOLD) odpowiadający jednemu punktowi czasowemu.
  2. Przeprowadź wstępne przetwarzanie danych obrazowych. Wykonaj etapy wstępnego przetwarzania obrazu, w tym ponowne dopasowanie, normalizację i wygładzanie, używając skryptu wywołującego funkcje biblioteczne dostarczone przez oprogramowanie Statistical Parametric Mapping (SPM). Przykład skryptu Matlab znajduje się w dodatkowym pliku z kodem 1.
  3. Użyj skryptu do odczytu CO2 podczas rejestracji należy skorygować opóźnienie wynikające z długości rurek próbkowania poprzez przesunięcie przebiegu czasowego o wcześniej skalibrowaną wartość (np. 12 s w tej konfiguracji, co określono jako różnicę czasu między jednym oddechem do ustnika a pojawieniem się tego oddechu na zapisie CO2), a następnie wyodrębnić EtCO2, który stanowi obwiednię (dodatnie piki) surowego szeregu czasowego. Skrypt Matlab znajduje się w dodatkowym pliku z kodem nr 2.
  4. Na podstawie timerze synchronizującego należy wyznaczyć segmenty EtCO22 danych, aby zachować jedynie zapis od 25 s przed pierwszą akwizycją obrazu do 100 s po ostatniej akwizycji obrazu. EtCO2 Przebieg czasowy stanowi funkcję wejściową dla układu naczyniowego i jest wykorzystywany jako zmienna niezależna w opisanej później analizie regresji liniowej.
  5. Określenie opóźnienia fizjologicznego między EtCO22 (mierzonego w płucach) oraz sygnału MRI (mierzonego w mózgu) poprzez obliczenie współczynnika korelacji wzajemnej (CC) między tymi dwoma przebiegami czasowymi przy różnych przesunięciach czasowych. Wartość przesunięcia, która daje wyższy współczynnik CC, jest uznawana za czas optymalny.
  6. EtCO22 przebieg czasowy zostaje przesunięty o optymalne opóźnienie i zachowane zostają jedynie punkty czasowe odpowiadające tym z sygnału MRI, co daje szereg czasowy o tej samej długości co sygnał MRI.
  7. Przeprowadź regresję liniową w każdym wokselu (voxel-by-voxel) przy użyciu oprogramowania SPM, w której przesunięty w czasie przebieg EtCO2 jest zmienną niezależną, a przebieg sygnału MRI jest zmienną zależną.
  8. Oblicz mapę CVR w układzie woxel-po-wokslu
    Static equilibrium formula CVR(i,j,k) in environmental model equations for data analysis.
    gdzie (i,j,k) to indeks woksela, β1 jest współczynnikiem regresji przypisanym do EtCO2, a β0 jest współczynnikiem regresji przypisanym do wyrazu stałego. min(EtCO2)2) czy minimalna wartość EtCO22 w przebiegu czasowym.

Wyniki

W ramach proponowanego protokołu gromadzone są dwa rodzaje danych: zapisy fizjologiczne oraz obrazy MR. Rysunki 2 i 3 przedstawiają zapisy parametrów fizjologicznych u reprezentatywnej osoby badanej. Czarna linia na Rysunku 2 obrazuje przebieg czasowy CO2 zarejestrowany przez monitor CO2, który reprezentuje zawartość CO2 w powietrzu pobieranym w pobliżu ustnika. Należy zauważyć, że linia ta fluktuuje gwałtownie w funkcji czasu. Wynika to z faktu, że w fazie wdechu cyklu oddechowego zapis ten odzwierciedla zawartość CO2 w powietrzu wdychanym, a w fazie wydechu – zawartość CO2 w powietrzu wydychanym. W związku z tym górny szczyt każdego cyklu oddechowego, nazywany końcowym stężeniem CO2 w powietrzu wydychanym lub EtCO2, reprezentuje zawartość CO2 w płucach, którą można przybliżyć jako stężenie CO2 we krwi tętniczej. Należy pamiętać, że stężenie CO2 we krwi tętniczej jest siłą napędową, t.j. funkcją wejściową, odpowiedzi wazodylatacyjnej. Szczyty zapisu CO2 (czerwona krzywa na Rysunku 2) zostały wyznaczone za pomocą algorytmu detekcji, który wyszukuje szczyt podczas każdego oddechu, w połączeniu z manualną inspekcją i korektą. Następnie zastosowano filtrowanie medianowe w celu usunięcia gwałtownych skoków wynikających z niepełnych oddechów oraz aby uwzględnić mieszanie się krwi podczas przepływu z naczyń płucnych do naczyń mózgowych. Końcowy przebieg czasowy EtCO2 przedstawia zielona krzywa na Rysunku 2 i jest on wykorzystywany do obliczenia CVR.

Rysunek 3 przedstawia przebieg czasowy częstości oddechów, frakcji saturacji tlenem w tętnicach (sO2) oraz częstości akcji serca. Częstość oddechów jest uzyskiwana z monitora CO2, natomiast sO2 i częstość akcji serca są mierzone za pomocą pulsoksymetrii. Jak widać, parametry te nie wykazują systematycznych zmian podczas próby z hiperkapnią. Należy zauważyć, że hiperkapnia powoduje hiperwentylację u badanego, w związku z czym ciśnienie parcjalne O2 w płucach nieznacznie wzrośnie. Jednak jej wpływ na sO2 jest minimalny, ponieważ hemoglobina we krwi jest już w dużej mierze nasycona przy oddychaniu powietrzem pokojowym, a krzywa dysocjacji tlenu jest w tym zakresie dość płaska.

Rycina 4 przedstawia reprezentatywne obrazy MR BOLD w różnych momentach eksperymentu. Przedstawiono również średnią intensywność sygnału (w arbitralnych jednostkach MR). Widać, że sygnał BOLD w mózgu wykazuje wzrost podczas inhalacji CO2. Należy zauważyć, że różnica sygnału między okresami oddychania powietrzem pokojowym a inhalacją CO2 wynosi od 1-3% amplitudy.

Łącząc dane z zapisów fizjologicznych oraz obrazów MR, można obliczyć mapę CVR w skali woxel-po-wokselu. Rysunek 5 przedstawia reprezentatywne mapy CVR (wyrażone jako % zmiany sygnału na mmHg zmiany CO2) zdrowego badanego, poddanego skanowaniu w pięciu różnych dniach, co wykazuje doskonałą powtarzalność wyników. Zaproponowana technika została dotychczas zastosowana w badaniach nad starzeniem20, chorobą Alzheimera4, stwardnieniem rozsianym21 oraz treningiem fizycznym22.

Schemat układu analizy oddechowej z monitorem EtCO2, workiem Douglasa, przepływem gazu i pulsoksymetrią.
Rycina 1. Schemat systemu podawania gazu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres zawartości CO2 w czasie, analiza EtCO2 w warunkach bazowych i przy 5% inhalacji.
Rycina 2. Przebieg czasowy poziomu CO2 u reprezentatywnego badanego podczas eksperymentu. Przedstawiono fragmenty zapisu zawartości CO2 oddech po oddechu zarejestrowane przez monitor CO2 dla okresu oddychania powietrzem pokojowym (lewy dół) oraz okresu inhalacji 5% CO2 (prawy dół). Wyekstrahowane przebiegi czasowe EtCO2 przedstawiono za pomocą kolorowych krzywych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Analiza częstotliwości oddechów i tętna; wykresy szeregów czasowych; wyniki monitorowania fizjologicznego.
Rycina 3. Zarejestrowane parametry fizjologiczne reprezentatywnego badanego podczas eksperymentu. (A) Przebieg czasowy częstotliwości oddechów (bpm, oddechów na minutę) badanego. (B) Przebieg czasowy sO2 (%) badanego. (C) Przebieg czasowy tętna (bpm, uderzeń na minutę) badanego. Badany jest tą samą osobą, co na Rycini 1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Sekwencja obrazowania BOLD w powietrzu pokojowym i 5% CO2 wykazująca aktywację mózgu, wykres zmian sygnału.
Rysunek 4. Reprezentatywne obrazy BOLD MR w różnych momentach eksperymentu. Średnie intensywności sygnału dla wyświetlonego przekroju mózgu (przekrój osiowy nr 54 w przestrzeni MNI) przedstawiono w dolnym rzędzie. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Sekwencja skanów mózgu fMRI; kontrast BOLD w odpowiedzi na poziomy CO2; analiza aktywności neuronalnej.
Rysunek 5. Reprezentatywna mapa CVR u reprezentatywnego badanego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

W raporcie przedstawiono system dostarczania gazów zgodny z rezonansem magnetycznym oraz kompleksowy protokół eksperymentalny, który umożliwia mapowanie reaktywności naczyniowej w ludzkim mózgu. Schemat systemu dostarczania gazu zilustrowano na rysunku 1. Wszystkie części wewnątrz pomieszczenia skanera MRI są plastikowe, aby zapewnić ich kompatybilność z MRI. System można koncepcyjnie podzielić na trzy podsystemy, w tym podsystem wlotu gazu (worek, rurka doprowadzająca, zawór dwudrogowy), podsystem interfejsu oddechowego (klips na nos, ustnik, rurka w kształcie litery U) oraz podsystem monitorowania (stężenieCO2 , saturacja tlenem, tętno, częstość oddechów). Podsystem wlotu gazu umożliwia wdychanie gazu w celu dotarcia do zaworu dwudrogowego. Przez ten podsystem przepływać będzie tylko powietrze wdychane, ale nie powietrze wydychane. Podsystem interfejsu oddechowego umożliwia pacjentowi wdychanie i wydychanie zamierzonego gazu. Przez ten podsystem przepływa zarówno wdychany, jak i wydychany gaz. Podsystem "Monitorowanie" powinien zatem pobierać próbki gazu w punkcie wzdłuż podsystemu "Interfejs oddychania".

Kliniczne zastosowania tej techniki mogą obejmować ocenę rezerwy naczyniowej mózgu w chorobach neurologicznych, takich jak udar, miażdżyca, choroba Moyamoya, otępienie naczyniowe, stwardnienie rozsiane i guz mózgu. Technika ta może być również stosowana w funkcjonalnych badaniach MRI w celu normalizacji lub kalibracji sygnału fMRI w celu lepszej kwantyfikacji aktywności neuronalnej23,24.

Ważną cechą proponowanego systemu i protokołu eksperymentalnego jest to, że mieszanina gazów może być dostarczana do obiektu, powodując przy tym minimalny ruch lub dyskomfort. Dlatego bardzo ważne jest, aby rurkę w kształcie litery U (punkt #12) umieścić tak, aby (i ustnik połączony z jej końcem) naturalnie opadały w dół do ust badanego. W ten sposób badany nie musi używać mięśni twarzy do trzymania lub podtrzymywania ustnika. Ważne jest również, aby mieć świadomość, że osoba badana nie będzie w stanie mówić, gdy ustnik będzie w jej ustach. Dlatego badacz powinien unikać rozmowy z tematem w tonie pytającym. Zamiast tego należy udzielać tylko jasnych, ostatecznych instrukcji. Dodatkowo badacz powinien zwracać szczególną uwagę na parametry fizjologiczne (np. EtCO2, sO2, tętno, częstość oddechów) podczas całego trwania eksperymentu i szybko reagować, gdy jeden lub więcej parametrów fizjologicznych odbiega od typowego zakresu.

Chociaż wyczerpujący przegląd innych systemów dostarczania gazów stosowanych w literaturze wykracza poza zakres tego artykułu, przydatne jest porównanie obecnego systemu z kilkoma powszechnie stosowanymisystemami 17,18. Główna różnica polega na tym, że nasz system wykorzystuje ustnik do dostarczania zamierzonego gazu, podczas gdy większość innych systemów używa maski w konstrukcji. Potencjalne komplikacje związane z używaniem maski są dwojakie. Po pierwsze, maska zajmuje znaczną ilość miejsca i nie zawsze jest możliwe zmieszczenie maski w ciasnej przestrzeni wewnątrz cewki głowicy, biorąc pod uwagę, że w przypadku wielu osób ich nosy prawie dotykałyby cewki głowicy nawet bez maski. Dotyczy to zwłaszcza cewek głowicy, które mają na celu osiągnięcie wysokiej czułości, które zwykle są zaprojektowane tak, aby ściśle przylegały do głowy fotografowanej osoby. Drugą komplikacją związaną z konstrukcją maski jest to, że wewnątrz maski znajduje się duża przestrzeń, co powoduje znaczne mieszanie się wdychanego i wydychanego gazu. W związku z tym może to wpłynąć na dokładność pomiaru EtCO2 , który najlepiej powinien opierać się wyłącznie na wydychanym gazie. Dokładny EtCO2 jest oczywiście ważny dla wiarygodności mapy CVR. Kolejną istotną różnicą między naszym systemem a wieloma innymi systemami jest to, że nasz system dostarcza gaz z worka, a nie ze zbiornika gazu. W związku z tym zbiorniki nie są potrzebne w obszarze skanera, co pozwala zaoszczędzić cenne miejsce w sterowni pracowni rezonansu magnetycznego. W naszym projekcie przynosimy worek przed rozpoczęciem skanowania, a po skanowaniu worek jest opróżniany, składany i odkładany. Wreszcie, w porównaniu z kilkoma innymi systemami18,21, obecny system dostarczania gazu jest prostszy, wymaga mniej czasu na szkolenie, a jego materiały eksploatacyjne są tańsze.

Należy wskazać, że chociaż protokół przedstawiony w niniejszym raporcie skupia się przede wszystkim na wdychaniu CO2 , przedstawiony system dostarczania gazów pozwala na dostarczenie człowiekowi innych mieszanin gazów (np . dowolnej frakcjiO2, dowolnej frakcji CO2 , dowolnej frakcji N2 i ich kombinacji) człowiekowi w celu oddychania, gdy leży on wewnątrz skanera MRI. System dostarczania gazów można również stosować poza kontekstem rezonansu magnetycznego, na przykład w połączeniu z elektroencefalogramem (EEG), magnetoencefalogramem (MEG), pozytonową tomografią emisyjną (PET) lub obrazowaniem optymalnym.

Udzielając rekomendacji parametrów obrazowania, skupiliśmy się przede wszystkim na sekwencji BOLD. Inną sekwencją, która może być potencjalnie wykorzystana w mapowaniu CVR, jest rezonans magnetyczny z funkcją znakowania wirowania tętnic (ASL), który zapewnia ilościową miarę przepływu krwi w mózgu (CBF) w jednostkach fizjologicznych (ml krwi na 100 g tkanki na minutę). Dlatego zaletą mapowania CVR opartego na ASL jest to, że wyniki są łatwiejsze do interpretacji, w przeciwieństwie do sygnału BOLD, który odzwierciedla połączony efekt przepływu krwi, objętości krwi, a także możliwy udział zmian metabolicznych w mózgu podczas prowokacji CO2 25-27. Ograniczeniem techniki ASL jest jednak to, że jej czułość jest kilkakrotnie niższa niż w przypadku BOLD28. W rezultacie, z naszego doświadczenia wynika, że obecnie bardzo trudno jest uzyskać mapę CVR na poziomie indywidualnym, woksel po wokselu przy użyciu ASL. Dlatego w badaniach aplikacyjnych CVR używamy głównie sekwencji BOLD i dlatego skupiamy się również na tej technice w naszych zaleceniach.

Jednym z ograniczeń obecnej metody jest to, że oddychanie przez ustnik z zablokowanym nosem (przez klips na nos) nie jest całkowicie naturalne i niektórzy badani (zwłaszcza pacjenci) mogą postrzegać to jako źródło dyskomfortu. Oddychanie za pomocą ustnika i klipsa na nos może również nasilać uczucie klaustrofobii. Dodatkowo pacjent może odczuwać suchość w ustach z powodu oddychania wyłącznie przez usta. Dlatego zaleca się, aby badacz dołożył wszelkich starań, aby jak najszybciej ukończyć eksperyment. Na koniec należy zauważyć, że w oparciu o doświadczenie autorów, potencjalny dyskomfort, o którym mowa powyżej, jest przejściowy i zniknie, gdy tylko eksperyment zostanie zakończony.

Oświadczenia

HL i PL są wynalazcami tymczasowego patentu, należącego do UT Southwestern Medical Center, który opisuje część systemu dostarczania gazu.

Podziękowania

Ta praca była częściowo wspierana przez granty z National Institutes of Health (NIH), pod numerami grantów R01 MH084021, R01 NS067015, R01 AG042753, NS076588, NS029029-20S1, R21 NS078656; oraz z National Multiple Sclerosis Society, pod numerem grantu RG4707A2.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Torba Douglas Aparat Harvard500942pojemności 200 L
Zawór trójdrogowyHans RudolphCR1207100% plastik
Dwukierunkowy zawór bez ponownego oddychaniaHans RudolphCR148022 mm/15 mm ID
MembranaHans Rudolph602021-2608Rozmiar: średni, Typ: spiralny
UstnikHans Rudolph602076Silikon, model #  9061
Klips na nosHans Rudolph201413Pianka z tworzywa sztucznego, Model #9014
Rurka doprowadzająca gazVacumed1011-108
Niebieski mankietVacumed22254
Rurka do pobierania próbek gazuQoSINAT4305Cienki
męski luerQoSINA11547
Filtr hydrofobowyPhilips Medical Systems9906-00
Jednorazowa rurka w kształcie litery UWykonana we własnym zakresie
Złącze kolankoweQoSINA51033
Monitor EtCO2Philips Medical SystemsModel 1265
Pulsoksymetria Systemy monitorowania MRIInvivoExpression
Skaner MRI PhilipsAchieva 3.0T TX
Środek dezynfekującyFisher Scientific04-355-13Decon BDD Detergent Detergent Środek dezynfekujący

Bibliografia

  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).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Reaktywno naczyniowa m zgudostarczanie gaz w w MRIpr ba inhalacyjna CO2monitorowanie ko cowego st enia CO2 w wydychanym powietrzusekwencja BOLD MRIanaliza regresji liniowejprzetwarzanie danych SPMsystem kompatybilny z MRIrejestracja parametr w fizjologicznychmapowanie CVR na poziomie wokseli
Mapowanie MRI reaktywności naczyń mózgowych za pomocą wyzwań związanych z inhalacją gazową
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.