Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego Kwantyfikacja perfuzji płucnej przy użyciu skalibrowanego znakowania wirowania tętnic
30 maja 2011
Opisano metodę obrazowania MR do badania rozkładu przepływu krwi w płucach w różnych warunkach fizjologicznych, w tym przypadku ekspozycję na trzy różne wdechu stężenia tlenu: hipoksję, normoksję i hiperoksję. Technika ta wykorzystuje techniki badawcze fizjologii płuc człowieka w środowisku skanowania MR.
Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest wykorzystanie technik fizjologicznych w połączeniu z obrazowaniem metodą rezonansu magnetycznego do nieinwazyjnego pomiaru rozkładu perfuzji płucnej w różnych warunkach wdychanego tlenu. Osiąga się to poprzez najpierw wytrenowanie osoby badanej w zakresie wstrzymywania oddechu przy funkcjonalnej pojemności resztkowej podczas akwizycji obrazu oraz oddychania w przerwie między obrazami, aby umożliwić zebranie wielu obrazów. W drugim kroku pacjent zostaje wyposażony w maskę na twarz, a rurki wdechowe i wydechowe są podłączane w celu dostarczenia pacjentowi różnych mieszanin gazów i pobrania próbek gazów wydechowych w celu dokonania pomiarów metabolicznych.
Następnie w skanerze MRI, po obrazie lokalizatora, znakowaniu spinu tętnicy i szybkim gradiencie z wieloma echami, stosuje się sekwencje echa w celu uzyskania obrazów przepływu krwi w płucach i gęstości protonów. Powstałe obrazy są określane ilościowo, aby uzyskać rozkład przepływu krwi w płucach wyrażony w mililitrach na minutę na gram pochodzący z dwóch różnych obrazów MR. Główną zaletą tej techniki jest to, że perfuzja płucna jest mierzona nieinwazyjnie in vivo bez ekspozycji na promieniowanie jonizujące, co pozwala na wielokrotne pomiary.
Metoda ta może zapewnić wgląd w mechanizmy kontrolujące rozkład przestrzenny perfuzji płucnej, a także może być wykorzystana do badania innych mechanizmów fizjologicznych w środowisku skanowania stwardnienia rozsianego. Dzisiejsze procedury zademonstrują TSIA rye, doktorant Sebastian Verta i stypendyści podoktoranccy RU Carlos SA z naszego laboratorium Przed przeprowadzeniem eksperymentu. Najpierw uzyskaj pisemną i świadomą zgodę od uczestnika badania i poproś go o wypełnienie formularza przesiewowego badania bezpieczeństwa MRI.
Wykonaj również badanie fizykalne, test czynnościowy płuc i sesję treningową, podczas której badany uczy się, jak wstrzymywać oddech przy funkcjonalnej pojemności resztkowej. Lub FRC rozpoczyna ustawianie sprzętu do oddychania, najpierw zakładając maskę na twarz pacjenta. Z siatkowym mocowaniem maska jest wyposażona we wstępnie wysterylizowany, nieoddychający zawór i rurki.
Pamiętaj, aby sprawdzić maskę pod kątem wycieków. Ustaw worki z gazem w pomieszczeniu skanera i podłącz je do zbiornika w pomieszczeniu konsoli MRI. Powinno to być ustawione w taki sposób, aby badacz mógł dodać gaz do worka poprzez manipulację zbiornikiem gazu.
Regulator upewnij się, że worek z gazem jest w zasięgu wzroku. Podobnie jak podczas eksperymentu, badacz musi monitorować worek przez okno konsoli, aby upewnić się, że objętość gazu jest wystarczająca. W przeciwnym razie badany może nie być w stanie zainspirować frakcji wdychanego tlenu gazów hiperoksycznych i hipoksyjnych w tym przypadku odpowiednio 1,0 i 0,125, a powietrze w pomieszczeniu może być używane do gazu normoksycznego.
Upewnij się, że rurka do oddychania wydechowego jest wystarczająco długa, aby połączyć się z obiektem w skanerze MR przez falowód i z wózkiem metabolicznym w pomieszczeniu konsoli MR. Widoczny tutaj wózek metaboliczny mierzy objętość wydychanego powietrza, a także mieszane stężenia tlenu i dwutlenku węgla w wydechu. Na podstawie tych parametrów oblicza również różne objętości oddechowe.
EG, objętość oddechowa VO dwa VC O2, a także iloraz oddechowy. Poproś badanego, aby najpierw położył stopy na wprost na łóżku skanera i użyj poduszek i piankowych podkładek, aby zmaksymalizować komfort. Następnie podłącz rurkę do oddychania wdechowego do wdechowej strony maski badanego.
Rurka będzie używana do podawania gazów hiperoksycznych i niedotlenionych lub normoksycznego powietrza z worków Mylar za pośrednictwem zaworu przełączającego. Umieść również podkładkę EKG na klatce piersiowej fotografowanej osoby. Umożliwi to bramkowanie spinu tętniczego Mr.Sequence do kompleksu QRS w elektrokardiogramie pacjenta.
Pamiętaj, aby sprawdzić zawór, aby upewnić się, że działa normalnie. Zapewnij zatyczki do uszu, aby chronić obiekt przed hałasem skanera. Ponadto, ponieważ osoba badana nosi maskę i nie jest w stanie łatwo komunikować się z personelem badawczym, umieść ściskaną piłkę w dłoni badanego i przyklej ją taśmą na miejscu.
Pozwala to na komunikację ze śledczymi w razie potrzeby pomocy. Na koniec umieść pulsoksymetr na palcu pacjenta, aby monitorować nasycenie tlenem, co ma kluczowe znaczenie, gdy pacjent jest narażony na niedotlenienie. Teraz połóż dwa Panie Widma na klatce piersiowej obiektu.
Fantomy te powinny być używane do ilościowego określania sygnału MR podczas przetwarzania końcowego. Następnie umieść cewkę tułowia na fantomach. Cewka tułowia służy do zwiększenia stosunku sygnału do szumu obrazu MR w porównaniu z cewką ciała poprzez zmniejszenie fizycznej odległości między odbiornikiem a obiektem.
Na koniec przykryj osobę kocem, aby zapewnić jej komfort przed wysłaniem jej do środka otworu skanera MR. Gdy obiekt znajdzie się w skanerze, operator powinien często z nim rozmawiać, aby upewnić się, że czuje się komfortowo i przypomnieć mu o użyciu kulki do ściskania, jeśli potrzebna jest pomoc. I zamierzamy skonfigurować lokalizator, który jest pierwszym skanowaniem.
Zajmie to około 30 sekund. Chcę, żebyś po prostu się zrelaksował i normalnie oddychał, podczas gdy wszystkie grzywki i kliknięcia trwają. Pamiętaj, aby monitorować nasycenie tlenem EKG, objętość oddechową VO O2 i VC O2. Pierwsze kilka minut monitorowania jest szczególnie ważne, aby zapewnić dobrą jakość danych.
Jeśli wartości te odbiegają od wartości oczekiwanych, kalibrację należy powtórzyć, a maskę twarzową i rurkę sprawdzić, czy nie ma wycieków. Najpierw uzyskaj sekwencję lokalizacyjną, aby uzyskać obrazy anatomiczne w tułowiu badanego. To będzie lokalizator trwa około 20 sekund.
Po prostu zrelaksuj się. Oddychaj normalnie przez cały czas. Zaczynamy.
Teraz ustaw etykietowanie spinu tętniczego, sekwencję SL Farer z akwizycją połówkową Fouriera. Użyj schematu obrazowania echa spinowego z pojedynczym ujęciem, takiego jak pośpiech, aby uzyskać regionalne dane dotyczące perfuzji płucnej. Następnie wybierz płaszczyznę strzałkową od części prawego płuca, w której odległość od przodu do tyłu jest największa.
Typowa jest grubość plastra 15 milimetrów i pole widzenia 40 centymetrów na 40 centymetrów. Tutaj skany są uzyskiwane za pomocą skanera o podwójnej prędkości 1,5 Tesla GE HDX ex excite. Tester usłyszy serię głośnych dźwięków w parach.
Pomiędzy tymi uderzeniami występuje pięciosekundowa przerwa, w której badany powinien wykonać jeden cykl oddychania. Zrób wdech, a następnie wydychaj do funkcjonalnej pojemności resztkowej. Podczas odgłosu dudnienia tester musi wstrzymać oddech i pozostać na poziomie FRC w płucach.
Chociaż badani są zaznajamiani z techniką oddychania przed skanowaniem, pierwszy przebieg akwizycji obrazu powinien być testem, aby badany mógł ćwiczyć oddychanie i wstrzymywanie oddechu podczas korzystania ze skanera. Operator rezonansu magnetycznego powinien ocenić jakość obrazów płuc na podstawie ruchu przepony. Jeśli ruch jest minimalny, pomiary A SL mogą rozpocząć monitorowanie objętości oddechowej podczas skanowania.
Przybliżona wartość docelowa. Objętość oddechowa wynosząca 500 mililitrów jest zgodna z normalną wentylacją. W sekwencji A SL.
Uzyskiwane są dwa różne obrazy bramkowane serca. Czas obrazowania wynoszący 80% interwału RR powinien być ustawiony indywidualnie dla każdego pacjenta i warunków eksperymentalnych oraz zapewnia, że obraz zawiera sygnał krwi z jednego okresu wyrzutu skurczowego, gdy oba obrazy są odejmowane, niwelując w ten sposób sygnał stacjonarny. Wynikiem jest ilościowa mapa krwi dostarczonej do płaszczyzny obrazu w ciągu jednego okresu wyrzutu skurczowego.
Oprócz obrazów A SL, uzyskaj obraz gęstości protonów płuc za pomocą sekwencji echa gradientowego z wieloma echami. Pomiar gęstości protonów pozwala na wyrażenie pomiarów perfuzji w mililitrach na minutę na gram i uwzględnia deformację tkanki płucnej. Wewnątrz klatki piersiowej pacjent będzie słyszał ciągły dźwięk, który będzie trwał około 10 sekund podczas tego skanowania i będzie musiał wstrzymać oddech i pozostać w FRC przez czas trwania hałasu.
Zrelaksuj się, oddychaj normalnie, co wyglądało świetnie dla tego eksperymentu. Gazy normoksji lub powietrza w pomieszczeniu, hipoksja i hiperoksja są prezentowane w zrównoważonej kolejności między badanymi. Chociaż w razie potrzeby mogą one być zmieniane między pacjentami, pacjent powinien oddychać określonym gazem przez około 20 minut, aby ustalić warunki w stanie ustalonym w tkance płucnej przed uzyskaniem pomiarów MR obfitości i gęstości protonów.
Następnie postępuj zgodnie z tym samym protokołem obrazowania, który opisano w poprzednim rozdziale, czyli 20-minutowym okresem ekspozycji na gaz przed wyborem obrazowania. Ponieważ chociaż inicjacja niedotlenionej odpowiedzi na zwężenie naczyń płucnych następuje w ciągu kilku sekund, odpowiedź na niedotlenienie pęcherzyków płucnych nie jest maksymalna do około 20 minut zgodnych z celem tego konkretnego badania. Przetwarzanie końcowe można wykonać za pomocą niestandardowego oprogramowania opartego na MATLAB, wykorzystując sparowane obrazy MGRE z jednorodnej cewki ciała i jednorodnej cewki tułowia.
Wszystkie obrazy przepływu krwi i gęstości protonów można skorygować pod kątem jednorodności cewki na podstawie każdego obiektu. Po odjęciu obrazu SL pod kątem jednorodności cewki, regionalny przepływ krwi w płucach można określić ilościowo w mililitrach krwi na minutę na woksel. Następnie można utworzyć gęstość, znormalizowane obrazy perfuzyjne.
Gęstość znormalizowana perfuzja jest wyrażona w mililitrach krwi na minutę na gram wody i jest obliczana przez podzielenie obrazu A SL przez obraz gęstości protonów, aby uzyskać obrazy perfuzji w mililitrach na minutę na gram płuc, na przykład dane fizjologiczne są widoczne tutaj. Częstość akcji serca była zwiększona w niedotlenieniu, a saturacja była zmniejszona. Wentylacja wynosiła 8,31 litra na minutę.
BTPS podczas niedotlenienia, 7,04 litra na minutę podczas normoksji i 6,64 litra na minutę. Podczas hiperoksji objętość oddechowa wynosiła 0,76 litra dla hipoksji, 0,69 litra dla normoksji i 0,67 litra dla hiperoksji. Narażenie na niedotlenienie zwiększa zarówno wentylację, jak i objętość oddechową, podczas gdy hiperoksja zmniejsza wentylację i objętość oddechową.
Pokazano tutaj trzy obrazy perfuzji o znormalizowanej gęstości zebrane od jednego obiektu przy trzech różnych wdychanych stężeniach tlenu. Wyniki analizy danych dotyczących niejednorodności perfuzji przedstawiono w tabeli drugiej. Można zauważyć, że niedotlenienie zwiększyło względną dyspersję, jednak pozostałe wskaźniki pozostały w dużej mierze niezmienione.
Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w mniej niż dwie godziny, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak mierzyć profuzję płuc i przeprowadzać inne badania fizjologiczne w MR. Środowisko skanera.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie opisuje metodę magnetycznego rezonansu jądrowego (MRI) do nieinwazyjnego pomiaru rozkładu przepływu krwi w płucach w zmieniających się warunkach tlenowych, w tym hipoksemii, normoksji i hiperoksji. Technika łączy badania fizjologii płuc z technologią MRI.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Fizjologia
- Wizualizację medyczną
Tło
- Zrozumienie perfuzji płucnej jest kluczowe dla oceny funkcji oddechowych.
- Tradycyjne metody pomiaru przepływu krwi mogą obejmować promieniowanie jonizujące.
- Nieinwazyjne techniki są preferowane dla powtarzanych pomiarów.
- To badanie wykorzystuje MRI, aby przezwyciężyć ograniczenia istniejących metod.
Cel badania
- Nieinwazyjne pomiar perfuzji płucnej.
- Ocena wpływu różnych stężeń tlenu na przepływ krwi.
- Zapewnienie metody, która umożliwia powtarzane pomiary bez narażenia na promieniowanie.
Stosowane metody
- Poddanie się szkoleniu w celu wstrzymania oddechu na funkcjonalnej pojemności rezydualnej podczas obrazowania.
- Użycie masek na twarz i mieszanek gazów do manipulacji poziomem tlenowania wdechowego.
- Pobieranie próbek gazu wydychanego do pomiarów metabolicznych.
- Zastosowanie arterialnego spin labelingu i sekwencji multi-echo fast gradient echo w MRI.
Główne wyniki
- Ilościowe określenie przepływu krwi w płucach w mililitrach na minutę na gram.
- Udane obrazowanie w zmieniających się warunkach tlenowania wdechowego.
- Demonstracja nieinwazyjnych możliwości pomiarowych.
- Możliwość powtarzanych ocen w warunkach klinicznych.
Wnioski
- Technika MRI zapewnia bezpieczną alternatywę do pomiaru perfuzji płucnej.
- Umożliwia badanie fizjologicznych reakcji na różne poziomy tlenu.
- Ta metoda może zwiększyć nasze zrozumienie fizjologii płuc.
Często zadawane pytania
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.
