Ilościowe określanie perfuzji płucsnej w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego z wykorzystaniem skalibrowanego znakowania spinowego tętnic

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest wykorzystanie technik fizjologicznych w połączeniu z obrazowaniem rezonansem magnetycznym do nieinwazyjnego pomiaru rozkładu perfuzji płucnej przy różnych warunkach tlenu w powietrzu wdechowym. Osiąga się to poprzez wcześniejsze przeszkolenie badanego w wstrzymywaniu oddechu przy funkcjonalnej pojemności resztkowej podczas akwizycji obrazu oraz w oddychaniu w przerwach między obrazami, aby umożliwić zgromadzenie wielu serii obrazów. W drugim kroku badanemu zakłada się maskę twarzową i podłącza rurki inspiracyjne oraz ekspiracyjne, w celu dostarczania różnych mieszanin gazów oraz pobierania próbek gazu wydychanego do pomiarów metabolicznych.

Następnie w skanerze MRI, po wykonaniu obrazu lokalizacyjnego, stosuje się sekwencje znakowania spinu tętniczego (arterial spin labeling) oraz szybkie gradientowe echo wieloechowe (multi echo fast gradient echo) w celu uzyskania obrazów przepływu krwi płucnej oraz gęstości protonów. Uzyskane obrazy poddaje się kwantyfikacji, aby określić rozkład przepływu krwi płucnej wyrażony w mililitrach na minutę na gram, wyliczony na podstawie dwóch różnych obrazów MR. Główną zaletą tej techniki jest to, że perfuzja płuc jest mierzona nieinwazyjnie in vivo, bez ekspozycji na promieniowanie jonizujące, co pozwala na wielokrotne wykonywanie pomiarów.

Metoda ta może dostarczyć wiedzy na temat mechanizmów kontrolujących przestrzenną dystrybucję perfuzji płucnej, a także może być wykorzystana do badania innych mechanizmów fizjologicznych w środowisku skanowania MS. Procedury zostaną zaprezentowane przez TSIA rye, doktoranta Sebastiana Vertę oraz RU Carlosa, stażystę podoktorskiego z naszego laboratorium. Przed przeprowadzeniem eksperymentu należy najpierw uzyskać pisemną i świadomą zgodę od badanego oraz poprosić go o wypełnienie kwestionariusza przesiewowego dotyczącego bezpieczeństwa MRI.

Należy również przeprowadzić badanie fizykalne, próbę czynnościową płuc oraz sesję szkoleniową, podczas której badany nauczy się wstrzymywania oddechu przy funkcjonalnej pojemności resztkowej (FRC). Następnie należy przygotować sprzęt do oddychania, zaczynając od dopasowania maski do twarzy badanego. Maska z przyłączem siatkowym jest wyposażona w wysterylizowany zawór zapobiegający ponownemu wdechowi oraz rurki.

Należy upewnić się, że maska nie wykazuje nieszczelności. Rozmieścić worki gazowe w pomieszczeniu skanera i połączyć je z butlą w pomieszczeniu konsoli MRI. Układ powinien być skonfigurowany w taki sposób, aby badacz mógł dodawać gaz do worka poprzez manipulację butlą z gazem.

Regulator musi upewnić się, że worek z gazem znajduje się w zasięgu wzroku. W trakcie eksperymentu badacz musi monitorować worek przez okno sterowni, aby upewnić się, że objętość gazu jest wystarczająca. W przeciwnym razie badany może nie być w stanie wdychać frakcji tlenu w gazach hiperoksycznych i hipoksycznych, które w tym przypadku wynoszą odpowiednio 1,0 oraz 0,125, natomiast jako gaz normoksyczny można zastosować powietrze pokojowe.

Upewnij się, że rurka wydechowa jest wystarczająco długa, aby połączyć badanego w skanerze MR poprzez falowód z wózkiem metabolicznym znajdującym się w pomieszczeniu z konsolą MR. Przedstawiony tutaj wózek metaboliczny mierzy objętość wydychanego powietrza oraz stężenia tlenu i dwutlenku węgla w powietrzu wydechowym. Na podstawie tych parametrów urządzenie oblicza również różne objętości oddechowe.

EG, objętość tidalna VO dwa VC O2, a także iloraz oddechowy. Poproś badanego o położenie się na plecach, stopami w stronę gniazda skanera, i użyj poduszek oraz piankowych wkładów, aby zapewnić maksymalny komfort. Następnie podłącz rurkę inspiracyjną do strony wdechowej maski badanego.

Rurka ta posłuży do podawania gazów hiperoksycznych i hipoksycznych lub powietrza normoksycznego z worków Mylar poprzez zawór przełączający. Należy również umieścić elektrodę EKG na klatce piersiowej badanego. Pozwoli to na synchronizację sekwencji Mr.Sequence dla obrazowania etykietowania spinowego tętnic z kompleksem QRS w elektrokardiogramie badanego.

Należy sprawdzić zawór, aby upewnić się, że działa on prawidłowo. Dostarczyć zatyczki do uszu, aby chronić badanego przed hałasem skanera. Ponadto, ponieważ badany ma na twarzy maskę i nie może łatwo komunikować się z personelem badawczym, należy umieścić w jego dłoni piłeczkę do ściskania i przymocować ją taśmą.

Pozwala to na komunikację z badaczami w przypadku potrzeby uzyskania pomocy. Na koniec załóż pulsoksymetr na palec badanego, aby monitorować saturację tlenem, co jest kluczowe podczas narażenia badanego na hipoksję. Teraz umieść dwa fantomy Mr Phantoms na klatce piersiowej badanego.

Fantomy te należy wykorzystać do kwantyfikacji sygnału MR podczas postprocesowania. Następnie umieść cewkę tułowiową nad fantomami. Cewka tułowiowa służy do zwiększenia stosunku sygnału do szumu obrazu MR w porównaniu z cewką powierzchniową (body coil) poprzez zmniejszenie fizycznej odległości między odbiornikiem a obiektem.

Na koniec przykryj badanego kocem, aby zapewnić mu komfort przed wprowadzeniem do wnętrza gantry skanera MR. Gdy badany znajdzie się w skanerze, operator powinien często z nim rozmawiać, aby upewnić się, że osoba ta czuje się komfortowo, oraz przypominać o korzystaniu z gruszki alarmowej w razie potrzeby uzyskania pomocy. Następnie przygotujemy skan lokalizacyjny, który jest pierwszym etapem obrazowania.

Zajmie to około 30 sekund. Proszę się zrelaksować i oddychać normalnie podczas wszystkich dźwięków stuków i kliknięć. Należy monitorować EKG, saturację tlenową, objętość oddechową, VO O2 oraz VC O2. Pierwsze kilka minut monitorowania jest szczególnie istotne, aby zapewnić wysoką jakość danych.

Jeśli wartości te wykraczają poza zakres oczekiwany, należy ponownie przeprowadzić kalibrację oraz sprawdzić maskę i przewody pod kątem nieszczelności. W pierwszej kolejności należy wykonać sekwencję lokalizacyjną w celu uzyskania obrazów anatomicznych tułowia badanego. Ta sekwencja lokalizacyjna trwa około 20 sekund.

Proszę się rozluźnić. Oddychaj normalnie przez cały czas. Zaczynamy.

Następnie skonfiguruj sekwencję znakowania spinowego tętnic (arterial spin labeling), czyli sekwencję SL farer z akwizycją połowiczą Fouriera. Wykorzystaj schemat obrazowania turbo spin echo w jednym przejściu (single shot), taki jak haste, aby pozyskać dane dotyczące regionalnej perfuzji płucnej. Następnie wybierz płaszczyznę strzałkową z części prawego płuca, w której odległość w kierunku przednio-tylnym jest największa.

Typowa grubość warstwy wynosi 15 mm, a pole widzenia 40 cm na 40 cm. W tym przypadku skany są pozyskiwane przy użyciu skanera 1.5 Tesla GE HDX ex excite twin speed. Badany będzie słyszał serię głośnych uderzeń występujących w parach.

Między tymi sygnałami dźwiękowymi występuje pięciosekundowy odstęp, w którym badany powinien wykonać jeden pełny cykl oddechowy. Należy wziąć wdech, a następnie wykonać wydech do poziomu funkcjonalnej pojemności zalegającej. W trakcie trwania sygnału dźwiękowego badany musi wstrzymać oddech i utrzymać objętość płuc odpowiadającą FRC.

Chociaż badani są zapoznawani z techniką oddychania przed skanowaniem, pierwsze uruchomienie akwizycji obrazów powinno być uruchomieniem testowym, aby badany mógł poćwiczyć oddychanie i wstrzymywanie oddechu wewnątrz skanera. Operator MR powinien ocenić jakość obrazów płuc na podstawie ruchu przepony. Jeśli ruch jest minimalny, można rozpocząć pomiary A SL, monitorując objętość oddechową podczas skanowania.

Przybliżony cel. Objętość oddechowa wynosząca 500 mililitrów jest zgodna z prawidłową wentylacją. W sekwencji A SL.

Nabywa się dwa różne obrazy z synchronizacją z cyklem pracy serca. Czas obrazowania wynoszący 80% odstępu RR powinien być ustalany indywidualnie dla każdego badanego i warunku eksperymentalnego, co zapewnia, że po odjęciu od siebie dwóch obrazów, wynikowy obraz zawiera sygnał krwi z jednego okresu wyrzutu skurczowego, eliminując tym samym sygnał stacjonarny. Wynikiem jest ilościowa mapa krwi dostarczonej do płaszczyzny obrazowania w ciągu jednego okresu wyrzutu skurczowego.

Oprócz obrazów A SL, należy uzyskać obraz gęstości protonowej płuc, wykorzystując sekwencję szybkiego echa gradientowego z wieloma echami. Pomiar gęstości protonowej pozwala na wyrażenie pomiarów perfuzji w mililitrach na minutę na gram oraz uwzględnia deformację tkanki płucnej. Podczas tego skanowania, w obrębie klatki piersiowej, badany będzie słyszał ciągły szum trwający około 10 sekund; w tym czasie musi wstrzymać oddech i pozostać w pozycji FRC przez cały czas trwania szumu.

Proszę się rozluźnić i oddychać normalnie, wyglądało to świetnie. W tym eksperymencie gazy odpowiadające normoksji (powietrze pokojowe), hipoksji i hiperoksji są podawane w zrównoważonej kolejności między badanymi. Chociaż kolejność ta może być zmieniana między osobami, jeśli jest to pożądane, badany powinien oddychać danym gazem przez około 20 minut, aby ustanowić warunki stanu stacjonarnego w tkance płucnej przed wykonaniem pomiarów MR perfuzji i gęstości protonów.

Następnie należy zastosować ten sam protokół obrazowania opisany w poprzedniej sekcji, wybierając 20-minutowy okres ekspozycji na gaz przed obrazowaniem. Dzieje się tak, ponieważ choć reakcja skurczu naczyń płucnych wywołanego hipoksją rozpoczyna się w ciągu kilku sekund, odpowiedź na hipoksję pęcherzykową nie osiąga wartości maksymalnej aż do około 20 minuty, co jest zgodne z celem niniejszego badania. Postprocesowanie można przeprowadzić przy użyciu specjalistycznego oprogramowania opracowanego w środowisku MATLAB, wykorzystując sparowane obrazy MGRE uzyskane z homogenicznej cewki ciała oraz niehomogenicznej cewki tułowia.

Wszystkie obrazy przepływu krwi oraz gęstości protonowej mogą być korygowane pod kątem niejednorodności cewek dla każdego badanego z osobna. Po skorygowaniu obrazu a SL po odjęciu pod kątem niejednorodności cewek, regionalny przepływ krwi płucnej może zostać określony ilościowo w mililitrach krwi na minutę na woxel. Następnie można stworzyć znormalizowane obrazy perfuzji gęstościowej.

Przeperfuzja znormalizowana do gęstości jest wyrażona w jednostkach mililitrów krwi na minutę na gram wody i jest obliczana poprzez podzielenie obrazu A SL przez obraz gęstości protonów, co pozwala uzyskać obrazy perfuzji w mililitrach na minutę na gram płuca; przykładowe dane fizjologiczne przedstawiono tutaj. W warunkach hipoksji odnotowano wzrost częstości akcji serca oraz spadek saturacji. Wentylacja wynosiła 8,31 litrów na minutę.

BTPS podczas hipoksji, 7,04 litrów na minutę podczas normoksji i 6,64 litrów na minutę. Podczas hiperoksji objętość oddechowa wynosiła 0,76 litra dla hipoksji, 0,69 litra dla normoksji i 0,67 litra dla hiperoksji. Ekspozycja na hipoksję zwiększa zarówno wentylację, jak i objętość oddechową, podczas gdy hiperoksja zmniejsza wentylację oraz objętość oddechową.

Przedstawiono tutaj trzy obrazy perfuzji z normalizacją gęstości, pobrane od jednego badanego przy trzech różnych stężeniach tlenu w powietrzu wdechowym. Wyniki analizy danych dotyczącej heterogeniczności perfuzji przedstawiono w tabeli dwa. Można zauważyć, że hipoksja zwiększyła dyspersję względną, natomiast pozostałe wskaźniki pozostały w dużej mierze niezmienione.

Po opanowaniu tej techniki, przy prawidłowym przeprowadzeniu procedury, można ją zrealizować w czasie krótszym niż dwie godziny. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat pomiaru perfuzji płucnej oraz przeprowadzania innych badań fizjologicznych w środowisku MR.Scanner.