Mapowanie ilościowe specyficznej wentylacji w płucach człowieka przy użyciu obrazowania metodą protonowego rezonansu magnetycznego i tlenu jako środka kontrastowego
June 5th, 2019
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.
Obrazowanie wentylacji swoistej (SVI) to jakościowa technika obrazowania płuc, która pomoże nam pogłębić naszą podstawową wiedzę na temat fizjologii i leczenia chorób układu oddechowego. SVI jest wolny od promieniowania i wymaga jedynie powszechnie dostępnego sprzętu, skanera MRI i tlenu medycznego. Dzięki temu jest bezpieczny dla dzieci i idealny do powtórnych badań u dorosłych.
Przełożenie SVI na praktykę kliniczną może poprawić leczenie astmy, ponieważ pozwoli nam zidentyfikować obszary, które są najbardziej dotknięte chorobą. Zdolność do mapowania zmian w płucach w odpowiedzi na terapię może pomóc w optymalizacji terapii wdechowej i informowaniu o zindywidualizowanych wyborach terapeutycznych. W demonstrowaniu tej procedury pomaga Vincent Tedjasaputra, adiunkt na Wydziale Medycyny.
Rozpocznij procedurę, uzyskaj pisemną świadomą zgodę od uczestnika i opisz potencjalne zagrożenia związane z narażeniem na szybko zmieniające się pola magnetyczne oraz potencjalny dyskomfort związany z używaniem maski na twarz i wdychaniem suchego gazu. Upewnij się, że pacjent może bezpiecznie przejść badanie rezonansem magnetycznym przy użyciu lokalnie zatwierdzonego kwestionariusza przesiewowego rezonansu magnetycznego lub rezonansu magnetycznego. Naucz osobę badaną oddychać w rytm sekwencji skanowania MR i zmierz wymiary od nosa do podbródka, aby określić rozmiar maski na twarz, która będzie najlepiej pasować do fotografowanej osoby.
Następnie sprawdź, czy kieszenie i ubranie osoby badanej są wolne od magnetycznych kart kredytowych i kawałków metalu zawierających żelazo. Aby przygotować skaner MR, podłącz cewkę tułowia do odpowiedniego złącza w tabeli skanera, aby skonfigurować skaner do użytku i umieść prześcieradła, podkładki i poduszki na stole skanera tak, aby osoba badana czuła się komfortowo przez co najmniej 30 minut obrazowania. Aby zmontować system dostarczania tlenu, umieść dwudrogowy zawór przełączający w zasięgu operatora skanera i użyj kawałka plastikowej rurki o długości ośmiu metrów i średnicy ćwierć cala, aby podłączyć dopływ tlenu do jednego wlotu zaworu przełączającego.
Podłącz wylot zaworu przełączającego w sterowni do jednej czwartej plastikowej rurki i przeprowadź rurkę przez przejście sterowni do pomieszczenia skanera, uważając, aby rurka sięgała do środka otworu skanera. Przymocuj nasadkę obejścia przepływu do maski na twarz dla fotografowanego obiektu. Podłącz półcalowy mosiężny koniec rurki do nasadki maski obejścia przepływu.
Ustawić ciśnienie na regulatorze wylotu tlenu na wartość, która wytwarza przepływ tlenu większy niż oczekiwany szczytowy przepływ wdechowy, zgodnie z charakterem badania i ogólną rezystancją układu dostarczania gazu. Następnie aktywuj przepływ tlenu, aby przetestować zawór przełączający, upewniając się, że na wylocie nasadki obejścia przepływu występuje odpowiedni przepływ i że w plastikowej rurce nie ma żadnych wycieków. Aby przygotować osobę do obrazowania, należy położyć ją na stole skanera, upewniając się, że górna część dolnego elementu cewki znajduje się wyżej niż ramiona fotografowanej osoby, aby upewnić się, że górna część dolnego elementu cewki zapewnia odpowiednie pokrycie wierzchołków płuc.
Poproś testera, aby włożył zatyczki do uszu i sprawdź, czy dźwięk jest blokowany. Przyklej mechanizm zabezpieczający do nadgarstka pacjenta, aby był łatwo dostępny, i przymocuj maskę i system obejścia przepływu do twarzy pacjenta. Na krótko zasłoń stronę wydechową nasadki obejścia przepływu i poproś badanego o próbę normalnego wdechu i wydechu w celu sprawdzenia, czy nie ma wycieków.
Teraz załaduj obiekt do skanera za pomocą narzędzia do centrowania światła, aby upewnić się, że cewka tułowia zajmuje środek otworu i poprowadź linię obejścia przepływu, aby zapewnić komfort obiektu podczas przesuwania obiektu w kierunku środka skanera. Po wybraniu lokalizacji płuc do obrazowania należy uzyskać sekwencję lokalizacyjną, aby uzyskać mapę anatomiczną, która zostanie wykorzystana do przepisania pozostałej części badania. Użyj graficznego interfejsu użytkownika skanera, aby kliknąć i przeciągnąć wycinek obrazowania wyśrodkowany w polu płuc, celujący w obszar zainteresowania do żądanego miejsca, aby wybrać do czterech strzałkowych wycinków płuc do badania.
Następnie zanotuj położenie wycinków obrazowania w stosunku do położenia kręgosłupa, aby można było ponownie zobrazować tę samą objętość do badań podłużnych. W przypadku specyficznego obrazowania wentylacji ustaw czas inwersji w komputerze MR dla najbardziej przyśrodkowego wycinka na 1100 milisekund, aby zmaksymalizować kontrast tlenu w powietrzu, liczbę powtórzeń na 220, a czas powtarzania na pięć sekund. Monitoruj spójność objętości płuc i wydechu pacjenta podczas kolejnych akwizycji i w razie potrzeby udzielaj informacji zwrotnych w celu poprawy jakości.
Zmieniaj wdychaną mieszaninę gazów pacjenta co 20 oddechów podczas akwizycji, aby zapewnić komfort pacjenta, naprzemiennie podając powietrze w pomieszczeniu i tlen medyczny. Regularnie sprawdzaj pulsoksymetr, aby sprawdzić tętno i nasycenie tlenem, a także często sprawdzaj obiekt, aby regularnie aktualizować pozostały czas. Po oddechu 220 obrazowanie jest zakończone.
Przywróć obiekt do powietrza w pomieszczeniu i wyjmij go ze skanera. Aby utworzyć konkretną mapę wentylacji, zaimportuj obrazy w celu rejestracji do oprogramowania do analizy obrazu i dokonaj wizualnej kontroli całego stosu obrazów 220, aby wybrać obraz dla każdego przekroju, który najlepiej reprezentuje funkcjonalną pojemność resztkową. Korzystając z obrazu trybu jako odniesienia, użyj rejestracji projekcyjnej lub dokładnej, aby zarejestrować wszystkie obrazy do funkcjonalnego odniesienia pojemności resztkowej i określić ilościowo specyficzną wentylację w płucach z zarejestrowanego komina przy użyciu odpowiedniego algorytmu.
Zostanie utworzona mapa konkretnej wentylacji. SVI tworzy ilościowe mapy wentylacji specyficznej, na przykład jak pokazano na tym zdjęciu z pojedynczym plasterkiem w prawym płucu 39-letniej zdrowej kobiety. Należy zwrócić uwagę na obecność oczekiwanego gradientu pionowego w wentylacji specyficznej, przy czym zależna część płuca wykazuje wyższą wentylację swoistą niż niezależna część płuca.
Histogram wartości wentylacji specyficznej dla mapy z funkcją rozkładu normalnego logarytmu najlepszego dopasowania pozwala na użycie szerokości rozkładu najlepszego dopasowania jako metryki niejednorodności wentylacji specyficznej. Tutaj pokazane jest wielokrotne wypłukiwanie oddechu nabyte u tego samego pacjenta w tej samej pozycji. Czasowy zapis stężenia azotu mierzono w jamie ustnej po przejściu z wdychanego powietrza na wdychany 100% tlen.
W tym rozkładzie wentylacji specyficznej, oszacowanym na podstawie wypłukiwania zarówno dla obrazowania wentylacji specyficznej, jak i wielokrotnego wymywania oddechowego, stwierdzono, że szerokość rozkładu mieści się w zdrowym normalnym zakresie. Szkolenie badanych, aby oddychali w rytm skanera i udzielanie im informacji zwrotnej podczas akwizycji może pomóc w zapewnieniu dobrej jakości danych. W połączeniu z pomiarami gęstości i perfuzji, SVI może być używany do mapowania lokalnego stosunku wentylacji do perfuzji i pomiaru wydajności wymiany gazowej.
Technika ta została wykorzystana do zrozumienia rozkładu wentylacji po intensywnych ćwiczeniach i specjalnym panelu powtarzających się ograniczeń oskrzeli w astmie. Środowisko MRI wymaga zwrócenia uwagi na bezpieczeństwo, ponieważ silne pole magnetyczne jest zawsze włączone, a obiekty ferromagnetyczne mogą stać się pociskami, powodując obrażenia.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Specific Ventilation Imaging (SVI) to jakościowa technika obrazowania płuc, która poprawia nasze rozumienie fizjologii oddychania i zarządzania chorobami. Ta bezpromieniowa metoda wykorzystuje MRI i tlen medyczny, co sprawia, że jest bezpieczna dla dzieci i nadaje się do powtarzanych badań u dorosłych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Fizjologia oddychania
- Wizualizacja medyczna
Tło
- SVI pozwala na mapowanie specyficznej wentylacji w płucach.
- Pomaga identyfikować obszary dotknięte chorobami układu oddechowego, takimi jak astma.
- Technika opiera się na tlenku wdychanym jako środku kontrastowym.
- SVI jest nieinwazyjne i może być wykonane z użyciem standardowego sprzętu MRI.
Cel badania
- Aby poprawić strategie zarządzania astmą i innymi chorobami układu oddechowego.
- Aby zoptymalizować terapie inhalacyjne na podstawie określonych obszarów płuc.
- Aby ułatwić indywidualne wybory terapeutyczne dla pacjentów.
Stosowane metody
- Wykorzystanie skanerów MRI do obrazowania.
- Wdychanie tlenu medycznego jako środka kontrastowego.
- Analiza regionalnych danych dotyczących specyficznej wentylacji.
- Współpraca z lekarzami przy opracowaniu protokołu.
Główne wyniki
- Identyfikacja obszarów płuc najbardziej dotkniętych przez astmę.
- Mapowanie zmian w funkcji płuc w odpowiedzi na terapię.
- Demonstracja potencjału SVI w praktyce klinicznej.
- Wkład w spersonalizowane podejście terapeutyczne do chorób układu oddechowego.
Wnioski
- SVI jest obiecującym narzędziem do zrozumienia fizjologii płuc.
- Może znacznie poprawić zarządzanie chorobami układu oddechowego.
- Bezpieczeństwo i dostępność techniki sprawia, że jest ona idealna dla różnych populacji pacjentów.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Quantitative mapping of specific ventilation using proton MRI and oxygen contrast enables precise regional assessment of lung function, supporting early identification of ventilation heterogeneity. This capability enhances predictive confidence in respiratory disease models and informs risk-adjusted decisions in respiratory drug discovery portfolios. The method's non-invasive, radiation-free profile facilitates repeatable, longitudinal studies critical for translational research and therapeutic evaluation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of regional lung ventilation to clarify disease mechanisms.
- Supports biological de-risking by mapping functional heterogeneity relevant to target validation.
- Provides predictive confidence for selecting disease-relevant endpoints in respiratory research.
Screening & Assay Development
- Prepares validated imaging-based assays for evaluating therapeutic interventions in lung models.
- Facilitates assay standardization and reproducibility through quantitative, voxel-level outputs.
- Enables reliable comparison of compound effects on regional lung ventilation in preclinical studies.
Translational & Preclinical Research
- Aligns imaging biomarkers with disease-relevant functional endpoints for translational continuity.
- Supports longitudinal monitoring of therapeutic response and disease progression in preclinical models.
- Provides mechanistic de-risking by correlating imaging outputs with established physiological metrics.
Pipeline & Workflow Integration
This imaging method integrates into the respiratory discovery continuum from early target validation through preclinical efficacy assessment, supporting both mechanistic studies and translational biomarker development.
- Discovery Biology: Quantitative mapping of ventilation supports hypothesis testing and pathway clarification in lung disease models.
- Screening: Imaging-based assays deliver reproducible, quantitative outputs for compound evaluation.
- Analytics: Voxel-level measurements and distribution analyses enable robust statistical comparison across conditions.
- Translational Research: Imaging outputs align with functional biomarkers for preclinical-to-clinical continuity.
- Enterprise Reuse: The protocol is adaptable for repeated, longitudinal studies across diverse respiratory models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in respiratory target validation.
- Operational Value: Standardizes imaging workflows and enables reproducible, scalable data acquisition.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and optimizes resource allocation in respiratory portfolios.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of respiratory drug candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in MRI operation and quantitative image analysis.
- Needs access to 1.5T MRI scanners and compatible torso coils.
- Demands cross-team standardization of imaging protocols and analysis algorithms.
- Adaptable to both single-slice and multi-slice imaging for different study designs.
- Attention to MRI safety and subject training is essential for high-quality, reproducible data.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:56
Subject Safety and Training
1:49
MRI Environment Preparation
3:17
Instrumentation and Subject Imaging Preparation
4:19
MR Imaging and Specific Ventilation Map Creation
6:35
Results: Representative Specific Ventilation Imaging (SVI) and Multiple Breath Washout (MBW) Analyses
7:47
Conclusion
