Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Mapowanie ilościowe specyficznej wentylacji w płucach człowieka przy użyciu obrazowania metodą protonowego rezonansu magnetycznego i tlenu jako środka kontrastowego

6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/59579

⸱

5 czerwca 2019

 ,  ,  ,  , 
1Pulmonary Imaging Laboratory, Department of Medicine, University of California, San Diego, 2Pulmonary Imaging Laboratory, Department of Radiology, University of California, San Diego

W tym artykule

Podsumowanie

Specyficzne obrazowanie wentylacji to funkcjonalna technika rezonansu magnetycznego, która pozwala na ilościowe określenie regionalnej specyficznej wentylacji w ludzkich płucach, przy użyciu wdychanego tlenu jako środka kontrastowego. W tym miejscu przedstawiamy protokół zbierania i analizy określonych danych obrazowania wentylacji.

Streszczenie

Obrazowanie wentylacji specyficznej (SVI) to funkcjonalna technika obrazowania metodą rezonansu magnetycznego zdolna do ilościowego określenia specyficznej wentylacji ― stosunku świeżego gazu wchodzącego do obszaru płuc podzielonego przez objętość końcowo-wydechową regionu ― w płucach ludzkich, przy użyciu tylko wdychanego tlenu jako środka kontrastowego. Regionalna kwantyfikacja specyficznej wentylacji może potencjalnie pomóc w identyfikacji obszarów patologicznej czynności płuc. Tlen w roztworze w tkance skraca czas wzdłużnego relaksu tkanki (T1), a zatem zmiana natlenienia tkanek może być wykryta jako zmiana sygnału zależnego odT1 z uzyskanym obrazem odzyskiwania inwersji. Po nagłej zmianie między dwoma stężeniami wdychanego tlenu, szybkość, z jaką tkanka płucna w wokselu równoważy się do nowego stanu ustalonego, odzwierciedla szybkość, z jaką gaz rezydentny jest zastępowany gazem wdychanym. Szybkość ta zależy od specyficznej wentylacji. Aby wywołać tę nagłą zmianę w natlenieniu, badani na przemian oddychają 20-oddechowymi blokami powietrza (21% tlenu) i 100% tlenu podczas pobytu w skanerze MRI. Stopniowa zmiana wdychanej frakcji tlenu jest osiągana dzięki zastosowaniu niestandardowego, wydrukowanego w 3D trójwymiarowego (3D) systemu obejścia przepływu z ręcznym przełącznikiem podczas krótkiego wstrzymania oddechu na końcu wydechu. Aby wykryć odpowiednią zmianę w T1, zastosowano globalny impuls inwersyjny, po którym następuje pojedynczy strzał szybkiej sekwencji echa spinowego, w celu uzyskania dwuwymiarowych obrazów T1 w skanerze MRI 1,5 T, przy użyciu ośmioelementowej cewki tułowia. Możliwe jest zarówno obrazowanie jednowarstwowe, jak i wielowarstwowe, o nieco innych parametrach obrazowania. Kwantyfikacja specyficznej wentylacji uzyskuje się poprzez skorelowanie przebiegu czasowego intensywności sygnału dla każdego woksela płucnego z biblioteką symulowanych reakcji na bodziec powietrze/tlen. Oszacowania SVI dotyczące niejednorodności wentylacji specyficznej zostały zweryfikowane w odniesieniu do wielokrotnego wypłukiwania z oddechu i udowodniono, że dokładnie określają niejednorodność specyficznego rozkładu wentylacji.

Wprowadzenie

Ogólnym celem obrazowania specyficznej wentylacji (SVI) ― techniki rezonansu magnetycznego protonów (MRI), która wykorzystuje tlen jako środek kontrastowy1 ― jest ilościowe odwzorowanie specyficznej wentylacji w płucach ludzkich. Wentylacja specyficzna to stosunek świeżego gazu dostarczonego do obszaru płuc w jednym oddechu podzielony przez końcową objętość wydechową tego samego obszaru płuc1. W połączeniu z pomiarami lokalnej gęstości płuc, specyficzna wentylacja może być wykorzystana do obliczenia wentylacji regionalnej2. Pomiary wentylacji miejscowej i niejednorodności wentylacji, które są dostarczane przez SVI, mogą potencjalnie wzbogacić wiedzę na temat funkcjonowania płuc, zarówno normalnie, jak i nieprawidłowo3,4.

Specyficzne obrazowanie wentylacji jest rozszerzeniem klasycznego testu fizjologicznego, wielokrotnego wymywania oddechem (MBW), techniki wprowadzonej po raz pierwszy w latach 50-tych XX wieku5,6. Obie techniki wykorzystują mycie/wymywanie gazem do pomiaru niejednorodności wentylacji specyficznej, ale SVI dostarcza informacji zlokalizowanych przestrzennie, podczas gdy MBW zapewnia tylko globalne pomiary niejednorodności. W MBW spektrometr masowy służy do pomiaru zmieszanego stężenia wydychanego nierozpuszczalnego gazu (azotu, helu, sześciofluorku siarki itp.) przez wiele oddechów podczas wymywania tego gazu, jak pokazano na Rysunek 1. Wraz z objętością wydychanego powietrza na oddech w okresie wypłukiwania, informacje te można wykorzystać do obliczenia ogólnego rozkładu specyficznej wentylacji w płucach. W SVI skaner MRI jest używany do pomiaru sygnału zależnego od czynnika T1 ― który jest substytutem ilości tlenu w roztworze w tkance płucnej, bezpośrednim wskaźnikiem lokalnego stężenia tlenu ― w każdym wokselu płucnym przez wiele oddechów podczas kilku płukania/wymywania tlenu. W sposób, który jest wprost analogiczny do MBW, informacje te pozwalają nam obliczyć specyficzną wentylację każdego woksela płucnego. Innymi słowy, technika ta wykonuje tysiące równoległych eksperymentów podobnych do MBW, po jednym dla każdego woksela, podczas eksperymentu SVI. Rzeczywiście, powstałe w ten sposób mapy przestrzenne wentylacji specyficznej mogą być kompilowane w celu odtworzenia niejednorodności wentylacji właściwej wyjściowej MBW. Badanie walidacyjne7 wykazało, że obie metodologie przyniosły porównywalne wyniki, gdy zostały przeprowadzone w seriach na tych samych tematach.

Istnieją inne metody obrazowania, które, podobnie jak SVI, dostarczają przestrzennych pomiarów niejednorodności wentylacji. Pozytonowa tomografia emisyjna (PET)8,9, tomografia komputerowa emisji pojedynczych fotonów (SPECT)10,11, oraz hiperpolaryzowany gazowy rezonans magnetyczny12,13 techniki zostały wykorzystane do stworzenia obszernej literatury dotyczącej przestrzennego wzorca wentylacji u osób zdrowych i nieprawidłowych. Ogólnie rzecz biorąc, techniki te mają co najmniej jedną wyraźną przewagę nad SVI, ponieważ ich stosunek sygnału do szumu jest charakterystycznie wyższy. Każda z tych technik ma jednak również charakterystyczną wadę: PET i SPECT wiążą się z ekspozycją na promieniowanie jonizujące, a hiperspolaryzowany rezonans magnetyczny wymaga użycia wysoce wyspecjalizowanego gazu hiperpolaryzacyjnego oraz skanera MR z niestandardowym sprzętem wielojądrowym.

SVI, technika rezonansu magnetycznego protonami, zazwyczaj wykorzystuje sprzęt MR o mocy 1,5 Tesli z wdychanym tlenem jako środkiem kontrastowym (oba elementy są łatwo dostępne w służbie zdrowia), co czyni go potencjalnie bardziej uogólniającym na środowisko kliniczne. SVI wykorzystuje fakt, że tlen skraca czas relaksacji podłużnej (T1) tkanek płuc 1, co z kolei przekłada się na zmianę intensywności sygnału na obrazie T1 zależnym. W ten sposób zmiany stężenia wdychanego tlenu indukują zmianę intensywności sygnału obrazów MRI o odpowiednim czasie. Szybkość tej zmiany po nagłej zmianie wdychanego stężenia tlenu, zwykle powietrza i 100% tlenu, odzwierciedla szybkość, z jaką gaz rezydentny jest zastępowany przez wdychany gaz. Ten współczynnik wymiany zależy od określonej wentylacji.

Ponieważ SVI nie wiąże się z promieniowaniem jonizującym, nie ma przeciwwskazań do badań podłużnych i interwencyjnych, które śledzą pacjentów w czasie. Dzięki temu idealnie nadaje się do badania progresji choroby lub oceny, jak poszczególni pacjenci reagują na leczenie. Ze względu na względną łatwość i bezpieczną powtarzalność, obrazowanie wentylacji specyficznej jest ogólnie idealną techniką dla tych, którzy chcą badać duże efekty i/lub dużą liczbę osób w czasie lub w kilku różnych lokalizacjach klinicznych.

Zgodnie z oryginalną publikacją opisującą technikę1, specyficzne obrazowanie wentylacji (SVI) zostało wykorzystane w badaniach koncentrujących się na wpływie szybkiej infuzji soli fizjologicznej, postawy, ćwiczeń i zwężenia oskrzeli2,3,4,14,15. Zdolność techniki do oszacowania całej niejednorodności płuc specyficznej wentylacji została potwierdzona przy użyciu dobrze znanego testu wielokrotnego wymywania oddechu7, a ostatnio przeprowadzono regionalną walidację krzyżową, porównując obrazowanie wentylacji specyficznej dla wielu oddechów SVI i hiperspolaryzowanego gazu16. Ta niezawodna i łatwa do zastosowania technika, zdolna do ilościowego mapowania specyficznej wentylacji w ludzkich płucach, może znacząco przyczynić się do wczesnego wykrywania i diagnozowania chorób układu oddechowego. Stwarza również nowe możliwości ilościowego określania regionalnych nieprawidłowości płuc i śledzenia zmian wywołanych przez terapię. Te zmiany w funkcji płuc specyficznej dla regionu, które SVI pozwala nam zmierzyć po raz pierwszy, mają potencjał, aby stać się biomarkerami do oceny wpływu leków i terapii wziewnych i mogą być niezwykle użytecznym narzędziem w badaniach klinicznych.

Celem tego artykułu jest szczegółowe i wizualne przedstawienie metodologii obrazowania specyficznej wentylacji, przyczyniając się w ten sposób do rozpowszechnienia tej techniki w większej liczbie ośrodków.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Program Ochrony Badań Naukowych Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego zatwierdził ten protokół.

1. Temat Bezpieczeństwo i szkolenie

  1. Uzyskaj pisemną, świadomą zgodę od uczestnika. Opisz potencjalne zagrożenia związane z narażeniem na szybko zmieniające się pola magnetyczne oraz potencjalny dyskomfort związany z używaniem maski na twarz i oddychaniem suchym gazem.
  2. Upewnij się, że pacjent może bezpiecznie poddać się badaniu MR, korzystając z lokalnie zatwierdzonego kwestionariusza przesiewowego bezpieczeństwa MRI.
  3. Jeśli pacjentka jest kobietą w wieku rozrodczym i nie ma pewności co do swojego statusu ciążowego, poproś ją o samodzielne wykonanie testu ciążowego dostępnego bez recepty. Jeśli pacjentka jest w ciąży, należy wykluczyć ją z pozostałej części badania.
  4. Zmierz wagę obiektu. Parametry bezpieczeństwa skanera, które ograniczają ilość energii o częstotliwości radiowej (RF) dostarczanej do obiektu, wymagają wprowadzenia tej charakterystyki. Sprawdź, czy waga pacjenta jest poniżej maksymalnego limitu wagi na stole MRI (w tym przypadku 136 kg).
  5. Naucz pacjenta oddychać w rytm sekwencji skanowania MR. Najlepiej odtworzyć nagranie dźwiękowe z poprzedniego skanowania i poinstruować badanego, aby oddychał normalnie i wykonywał oddech co 5 sekund, korzystając ze wskazówek dźwiękowych ze skanera jako przewodnika; Oddychaj razem z obiektem w celu treningu.
  6. Określ rozmiar maski na twarz (rozmiary od małej do bardzo dużej [XL]), która najlepiej pasuje do fotografowanej osoby, mierząc wymiary od nosa do podbródka. Maska o odpowiednim rozmiarze będzie wygodnie pasować, a jednocześnie zapobiegnie przedostawaniu się powietrza między maskę a skórę osoby badanej w dowolnym momencie. W razie potrzeby przymierz inne rozmiary.
  7. Sprawdź, czy kieszenie i ubranie osoby badanej są wolne od magnetycznych kart kredytowych i kawałków metalu zawierających żelazo. W razie potrzeby poproś pacjenta o przebranie się w fartuch medyczny dostarczony przez urządzenie do rezonansu magnetycznego.
    nuta: Metal może być niebezpieczny w środowisku MRI, a metalowe przedmioty, takie jak klipsy (zwykle w biustonoszach), metalowe pierścienie (biustonosze i bluzy z kapturem), metalowe guziki lub zamki błyskawiczne (koszule, swetry), przedłużanie włosów i peruki mogą potencjalnie tworzyć artefakty obrazowania.

2. Przygotowanie środowiska MRI

  1. Do pomieszczenia skanera lub pomocy w przeprowadzaniu tego eksperymentu należy wpuszczać wyłącznie personel przeszkolony w zakresie bezpieczeństwa rezonansu magnetycznego zgodnie ze standardami urządzenia do obrazowania.
  2. Skonfiguruj skaner MR do użytku z cewką tułowia, podłączając cewkę do odpowiedniego złącza w tabeli skanera.
  3. Przygotuj stół skanera z prześcieradłami, podkładkami i poduszkami tak, aby osoba fotografowana czuła się komfortowo przez co najmniej 30 minut podczas obrazowania.
  4. Zmontuj system dostarczania tlenu.
    UWAGA:     Schemat ideowy rurki jest przedstawiony w Rysunek 2.
    1. Umieść dwu/trójdrogowy zawór przełączający w zasięgu operatora skanera lub osoby wykonującej eksperyment SVI.
    2. Podłącz zbiornik z tlenem medycznym (poza pomieszczeniem skanera) lub ścianę tlenową (jeśli jest dostępna) do jednego wlotu zaworu przełączającego za pomocą plastikowej rurki 1/4 cala.
    3. Podłącz wylot zaworu przełączającego znajdującego się w sterowni do 8 m (długość wystarczająca dla skanera) 1/4 cala z tworzywa sztucznego. Przeprowadź rurkę przez przepust z sterowni do pomieszczenia skanera i upewnij się, że dotrze do środka otworu skanera.
      nuta: Plastikowa rurka łącząca wylot zaworu przełączającego z maską obejścia przepływu miała zwiększoną średnicę w ostatnich 2 m, z 1/4 cala do 3/8 cala do 1/2 cala, w celu zmniejszenia hałasu wytwarzanego przez powietrze przepływające do systemu obejścia przepływu.
    4. Podłącz końcówkę rurki 1/2 cala do nasadki maski obejścia przepływu.
    5. Przymocuj nasadkę obejściową przepływu do maski na twarz, która pasuje do fotografowanego obiektu.
    6. Ustaw ciśnienie w zbiorniku gazu lub regulatorze na wylocie ściennym na wartość, która wytwarza przepływ tlenu większy niż oczekiwany szczytowy przepływ wdechowy. Wymagane ciśnienie zależy od charakteru badania (odpoczynek, ćwiczenia itp.) oraz ogólnej odporności systemu dostarczania gazu (zwykle ~70 psi dla systemu dostarczania opisanego w kroku 2.4.3 dla badań w spoczynku).
    7. Przetestuj zawór przełączający, aktywując przepływ tlenu, upewniając się, że na wylocie nasadki obejścia przepływu występuje odpowiedni przepływ i że w plastikowej rurce nie ma żadnych wycieków.

3. Oprzyrządowanie i przygotowanie obiektu do obrazowania

  1. Niech pacjent położy się na stole do rezonansu magnetycznego. Upewnij się, że górna część dolnego elementu cewki zapewnia odpowiednie pokrycie wierzchołków płuc, upewniając się, że górna część dolnego elementu cewki znajduje się wyżej niż ramiona pacjenta.
  2. Poproś testera, aby włożył zatyczki do uszu i sprawdź, czy dźwięk jest blokowany.
  3. Przyklej kulkę do wyciskania (lub alternatywny mechanizm zabezpieczający) do nadgarstka fotografowanej osoby, aby mieć do niej łatwy dostęp.
  4. Przymocuj maskę i system obejścia przepływu do twarzy fotografowanej osoby. Na krótko zasłoń stronę wydechową nasadki obejścia przepływu i poproś badanego, aby spróbował normalnego wdechu i wydechu w celu sprawdzenia, czy nie ma wycieków.
  5. Umieść obiekt w skanerze, używając narzędzia do centrowania światła, aby upewnić się, że cewka tułowia zajmuje środek otworu.
  6. Podłącz przewód obejściowy przepływu do wydrukowanej w 3D nasadki maski obejścia przepływu za pomocą ściśle dopasowanej mosiężnej nakrętki do wlotu.

4. Obrazowanie MRI

  1. Wybierz położenie anatomiczne dla warstw obrazowania.
    1. Uzyskaj sekwencję lokalizacyjną, aby uzyskać mapę anatomiczną, która zostanie wykorzystana do przepisania pozostałej części badania.
    2. Wybierz do 4 strzałkowych wycinków płuc do badania, klikając i przeciągając wycinek obrazowania w żądane miejsce za pomocą graficznego interfejsu użytkownika skanera. Zazwyczaj pole widzenia jest ustawione na 40 x 40 cm, a grubość plastra na 1,5 cm. Wybierz wycinki wyśrodkowane w polu płucnym, kierując się na obszar zainteresowania badaniem, zazwyczaj minimalizując wtargnięcie dużych naczyń płucnych przyśrodkowo i ściany klatki piersiowej bocznie, aby zmaksymalizować objętość płuc pobieranej próbki.
      nuta: Wybór plasterków może być wykonany w dowolnej płaszczyźnie; Można wybrać do 4 plasterków. W celu demonstracji zostanie pozyskany jeden plasterek.
    3. Zanotuj położenie wycinków obrazowania w stosunku do położenia kręgosłupa, aby można było ponownie zobrazować tę samą objętość do badań podłużnych.
  2. Obrazowanie wentylacji specyficznej
    UWAGA:     Wykaz typowych parametrów MRI przedstawiono w tabeli 1.
    1. Ustaw czas inwersji w komputerze MR dla najbardziej środkowego wycinka na 1,100 ms, aby zmaksymalizować kontrast powietrze-tlen17.
    2. Ustawić parametry akwizycji (Tabela 1) dla akwizycji obrazowej. W przypadku akwizycji wielowarstwowej każdy dodatkowy wycinek jest pobierany po pierwszym, w odstępach 235 ms (1 335 ms, 1 570 ms, 1 805 ms).
      nuta: Po impulsie odzyskiwania inwersji i przedziale czasowym (opisanym przez czas inwersji), każdy obraz wycinka jest rejestrowany za pomocą połówki Fouriera single-shot turbo spin-echo (HASTE), w rozdzielczości 128 x 128 (próbkowano 70 linii k-space); Obrazy są rekonstruowane do rozdzielczości 256 x 256.
    3. Ustaw liczbę powtórzeń na 220, a czas powtórzeń (TR) na 5 s. Spowoduje to powtórzenie 4.2.1 i 4.2.2 w sumie 220 kolejnych oddechów w odstępie 5 sekund. Poproś badanego, aby dobrowolnie wstrzymał swój oddech w czasie akwizycji obrazu.
      nuta: Obrazy są uzyskiwane pod koniec normalnego wydechu w krótkiej dobrowolnej przerwie w oddychaniu przy funkcjonalnej pojemności resztkowej (FRC). Ważne jest, aby podobna objętość płuc była osiągana konsekwentnie podczas każdego z tych kolejnych nabyć.
    4. Monitoruj konsystencję objętości płuc pacjenta (końcowy wydech) podczas kolejnych akwizycji i w razie potrzeby udzielaj informacji zwrotnych w celu poprawy jakości. Zwiększ TR (odstęp czasu między kolejnymi akwizycjami), jeśli pacjent ma trudności z osiągnięciem stałej objętości płuc co 5 sekund.
    5. Zmieniaj wdychaną mieszaninę gazów badanego co 20 oddechów (podczas akwizycji wstrzymaj oddech dla komfortu pacjenta), naprzemiennie między powietrzem w pomieszczeniu a tlenem medycznym. Zanotuj, kiedy nastąpiły zmiany i w jakich odstępach czasu tester wdychał każdy gaz. Pozwól badanemu oddychać 100% tlenem przez 40 kolejnych oddechów w pewnym momencie eksperymentu (zwykle oddechy 20-60 lub 180-220), aby zwiększyć wrażliwość na obszary płuc o niskiej wentylacji.
    6. Regularnie sprawdzaj tętno (40−80 dla normalnych osób w spoczynku) i nasycenie tlenem (zwykle 98−100%), patrząc na pulsoksymetr (Rysunek 2); odchylenia od normy mogą sygnalizować niepokój lub niepokój.
    7. Często rozmawiaj z obiektem, naciskając przycisk "naciśnij i mów" na klawiaturze skanera, co regularnie aktualizuje pozostały czas.
    8. Po oddechu 220 obrazowanie jest zakończone. Przywróć badany obiekt do powietrza w pomieszczeniu i wyjmij go ze skanera.

5. Tworzenie specyficznej mapy wentylacji na podstawie serii obrazów w czasie

  1. Sprawdź, czy uzyskano stos 220 kolejnych obrazów MR dla każdego wycinka płuca.
  2. Zaimportuj obrazy w celu rejestracji do oprogramowania do analizy obrazów (np. MATLAB).
  3. Spośród 220 obrazów wybierz, po wizualnym oględzinach całego stosu obrazów, dla każdego wycinka jeden, który najlepiej reprezentuje funkcjonalną pojemność resztkową. Funkcjonalna pojemność resztkowa jest identyfikowana jako "tryb" objętości płuc w kominie.
  4. Używając obrazu "mode" jako odniesienia, użyj rejestracji rzutowej lub afinicznej, aby zarejestrować wszystkie obrazy w funkcjonalnym odwołaniu pojemności resztkowej.
    nuta: Rejestracja jest zwykle wykonywana przy użyciu algorytmu opracowanego w house18 lub publicznie dostępnego uogólnionego, iteracyjnego algorytmu najbliższego punktu uruchamiającego z podwójnym systemem bootstrap (GDB-ICP19).
  5. Użyj danych wyjściowych algorytmu rejestracji, aby obliczyć zmianę obszaru każdego obrazu. Odrzuć obrazy, których krok rejestracji wymagał zmiany obszaru >10% ze stosu obrazów, i potraktuj je jako brakujące dane20.
  6. Określ ilościowo specyficzną wentylację w płucach z zarejestrowanego komina za pomocą algorytmu opracowanego w house1,7. Przeprowadź kwantyfikację, porównując reakcję czasową każdego woksela na kolejne serie płukania i wymywania tlenem, z biblioteką 50 symulowanych, bezgłośnych odpowiedzi, odpowiadających określonym wentylacjom w zakresie od 0,01 do 10, w krokach co 15%. Każdemu wokselowi przypisana jest wartość wentylacji specyficznej odpowiadającej wentylacji specyficznej symulowanego ideału, prezentując maksymalną korelację z szeregiem czasowym każdego woksela, jak pierwotnie przedstawiono w1.
  7. Wynikiem poprzedniego kroku jest mapa określonej wentylacji. Utwórz histogram rozkładu i oblicz szerokość określonego rozkładu wentylacji, który jest miarą określonej niejednorodności wentylacji, niezależnie od objętości oddechowej.

6. Łączenie map wentylacji i gęstości w celu obliczenia regionalnej wentylacji pęcherzyków płucnych

  1. Oprócz SVI uzyskaj obrazy gęstości protonów w płucach21, zgodnie z opisem w poprzednim badaniu22 (sekcje 4.4 i 5.1 w odniesieniu22). Uzyskać obrazy gęstości protonów w tych samych wycinkach płuc, przy tej samej objętości płuc (FRC, koniec normalnego wydechu); Ustaw rozdzielczość na 64 x 64, co odpowiada rozmiarowi woksela ~6,3 mm x 6,3 mm x 15 mm (~0,6 cm3).
  2. Dopasuj obrazy określonej wentylacji i gęstości protonów.
    1. Wygładź zarówno obrazy wentylacji specyficznej, jak i gęstości protonów za pomocą filtra gaussowskiego o wielkości ziarna ~1 cm3.
    2. Wykonaj sztywną rejestrację (translację i rotację) między mapą wentylacji właściwej a mapą zagęszczenia za pomocą algorytmu opartego na wzajemnych informacjach.
  3. Obliczanie wentylacji pęcherzyków płucnych na podstawie współzarejestrowanych danych dotyczących wentylacji właściwej i gęstości protonów.
    1. Oblicz mapę (1-gęstości), która jest frakcją powietrza w objętości próbki pod koniec normalnego wydechu, zakładając, że płuca składają się z powietrza i tkanki, a gęstość tkanki wynosi ~1 g/cm3.
    2. Obliczanie regionalnej mapy wentylacji jako iloczyn (1-Gęstość) x SV (jednostki naturalne). Pomnóż ten iloczyn przez objętość woksela (lub innego obszaru zainteresowania) i częstotliwość oddychania (narzuconą, zwykle 12 oddechów/min), aby uzyskać mapę wentylacji w bardziej znanych jednostkach ml/min.
      nuta: Dla każdego obszaru płuc SV = ΔV/V0 i (1 – gęstość) ≈ V0. Zatem iloczyn (1-gęstość) x SV = wentylacja regionalna, wyrażona w jednostkach naturalnych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

SVI pojedynczego przekroju u zdrowego badanego
Obrazowanie wentylacji swoistej generuje ilościowe mapy wentylacji swoistej, jak pokazano na Rysunku 3A, który przedstawia pojedynczy przekrój prawego płuca 39-letniej zdrowej kobiety. Należy zwrócić uwagę na występowanie oczekiwanego gradientu pionowego wentylacji swoistej; część zależna płuca wykazuje wyższą wentylację swoistą niż część niezależna. Przedstawiono histogram zmapowanych wartości wentylacji...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Obrazowanie wentylacji specyficznej umożliwia ilościowe mapowanie rozkładu przestrzennego wentylacji swoistej w płucach człowieka. Istnieją alternatywy dla SVI, ale są one w pewien sposób ograniczone: wielokrotne wypłukiwanie oddechu zapewnia miarę niejednorodności, ale brakuje informacji przestrzennych23. Alternatywne metody obrazowania narażają pacjentów na promieniowanie jonizujące (np. SPECT, PET, CT, scyntygrafia gamma) lub nie są powszechnie dostępne (obrazowanie gazów hiperpolaryzacyjnych z...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez National Heart, Lung and Blood Institute (NHLBI) (granty R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 i R01-HL119263) oraz National Space Biomedical Research Institute (grant Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej NCC 9-58). E.T. Geier był wspierany przez grant NHLBI F30 HL127980.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Drukowany w 3D system
Maska na twarz Maskaserii Hans Rudolph7400, różne rozmiary
gazu/tlenu
Zestaw głowicy Zestaw głowickompatybilny z Hansem Rudolphem7400
MatlabMathworksopracowane lokalnie
Medycyna tlenAir Liquide/LindeTlen dostarczany do pacjenta
MRIGE healthcare1,5 T GE HDx Excite dwubiegowy skaner
Rurki z tworzywa sztucznegoi frac14; ", 3/8" oraz 1/2" rurki i złącza
PulsoksymetrNonin7500 FO (kompatybilny z MR)
Zawór
Cewka tułowiaGE opieka zdrowotnaCewka tułowia o wysokim wzmocnieniu do skanera GE
obejścia przepływu ustno-nosowa Regulator Oprogramowanie analityczneprzełączający

Bibliografia

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Kang, W., et al. In silico modeling of oxygen-enhanced MRI of specific ventilation. Physiological Reports. 6 (7), e13659(2018).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Obrazowanie specyficznej wentylacjikontrastowy środek utleniającymapowanie wentylacji płucobrazowanie T1-zależnesekwencja odwracania magnetyzacjipojemność resztkowa funkcjonalnawielodmucha wypłukiwanieanaliza heterogeniczności wentylacjibadanie bezpieczeństwa MRI
Mapowanie ilościowe specyficznej wentylacji w płucach człowieka przy użyciu obrazowania metodą protonowego rezonansu magnetycznego i tlenu jako środka kontrastowego
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.