Name: Mapeamento quantitativo de ventilação específica no pulmão humano usando ressonância magnética de prótons e oxigênio como agente de contraste (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-06-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 26 s
Description: Aprenda a realizar imagem de ventilação específica em pulmões humanos usando ressonância magnética com oxigênio como agente de contraste. Este método sem radiação permite mapear função pulmonar regional e otimizar terapias para asma.

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Este trabalho foi apoiado pelo Instituto Nacional do coração, pulmão e sangue (NHLBI) (concede R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 e R01-HL119263) e o Instituto Nacional de pesquisa biomédica do espaço (National Aeronautics and Space Administration concede NCC 9-58). E.T. Geier foi apoiado pelo NHLBI Grant F30 HL127980.

A Universidade da Califórnia, programa de proteção de pesquisa humana de San Diego aprovou este protocolo.
1. segurança e formação de sujeitos
<ol><li>Obter o consentimento escrito e informado do assunto. Descreva os riscos potenciais apresentados pela exposição a campos magnéticos em rápida mutação, e o desconforto potencial de usar máscara facial e respirar o gás seco.</li>
	<li>Assegure-se de que o assunto possa submeter-se com segurança a varredura do Sr, utilizando o questionário localmente aprovado da seleção da segurança MRI.</li>
	<li>Se o assunto é uma fêmea da idade fértil, e incerto de seu status da gravidez, peça-a para self-administrar um teste de gravidez over-the-counter. Se o sujeito estiver grávido, exclua o assunto do restante do estudo.</li>
	<li>Medir o peso do sujeito. Os parâmetros de segurança do scanner que limitam a quantidade de energia de radiofrequência (RF) entregue ao sujeito requerem entrada dessa característica. Verifique se o peso do sujeito está abaixo do limite máximo de peso da tabela de RM (neste caso, 136 kg).</li>
	<li>Treinar o assunto para respirar no tempo com a seqüência de digitalização MR. De preferência, reproduzir uma gravação de áudio de uma varredura anterior e instruir o sujeito a respirar normalmente e completar uma respiração a cada 5 s, usando as pistas de áudio do scanner como guia; respirar junto com o assunto para fins de formação.</li>
	<li>Determine o tamanho da máscara facial (tamanhos variam de Petite a extra grande [XL]) que melhor se adapta ao assunto medindo as dimensões do nariz para o queixo do sujeito. Uma máscara apropriadamente-feita medida caberá confortavelmente contudo impedirá que o ar escape entre a máscara e a pele do assunto a qualquer momento. Tente em outros tamanhos, se necessário.</li>
	<li>Verifique se os bolsos e roupas do sujeito estão livres de cartões de crédito magnéticos e peças metálicas contendo ferro. Se necessário, tenha a mudança do assunto no vestido médico fornecido pela facilidade de MRI. Nota: O metal pode ser perigoso no ambiente de MRI, e os objetos metálicos tais como grampos (tipicamente nos sutiãs), anéis do metal (sutiãs e Hoodies), tecla do metal ou zíperes (camisas, camisolas), extensão do cabelo e perucas têm o potencial criar Artifacts da imagem latente.</li>
</ol>2. preparação do ambiente de ressonância magnética
<ol><li>Permita somente o pessoal treinado na segurança de MRI aos padrões da facilidade da imagem latente entrar na sala do varredor ou ajudar em executar esta experimentação.</li>
	<li>Configure o scanner MR para uso com uma bobina de tronco conectando a bobina ao conector apropriado na tabela do scanner.</li>
	<li>Prepare a tabela do varredor com folhas, almofadas, e descansos de modo que o assunto seja confortável por pelo menos 30 minutos durante a imagem latente.</li>
	<li>
Montar o sistema de entrega de oxigénio. Nota: um diagrama esquemático do tubo é apresentado na Figura 2.<ol>
<li>Coloque uma válvula de comutação de dois/três vias ao alcance do operador do scanner ou da pessoa que executa o experimento SVI.</li>
		<li>Conecte o tanque do oxigênio médico (fora da sala do varredor) ou a fonte da parede do oxigênio (se disponível) a uma entrada da válvula de switching usando a tubulação plástica de 1/4-inch.</li>
		<li>Conecte a tomada da válvula de interruptor situada na sala de controle ao 8 m (comprimento suficiente para o varredor) tubulação plástica de 1/4-inch. Alimente a tubulação através da passagem, da sala de controle à sala do varredor, e assegure-se de que alcangue o meio do furo do varredor. Nota: A tubulação plástica que conecta a tomada da válvula de comutação à máscara do fluxo-desvio incluiu um passo acima no diâmetro nos últimos 2 m, de 1/4 de polegada a 3/8 polegadas a 1/2 polegadas, a fim diminuir o ruído produzido pelo ar que flui no sistema do desvio do fluxo.</li>
		<li>Conecte a extremidade de 1/2 polegadas da tubulação ao acessório da máscara do fluxo-desvio.</li>
		<li>Fixe o acessório do fluxo-desvio à máscara protectora que cabe o assunto.</li>
		<li>Ajuste a pressão no regulador do tanque de gás ou da tomada de parede a um valor que produza um fluxo do oxigênio maior do que o fluxo inspiratória máximo esperado. A pressão necessária depende da natureza do estudo (repouso, exercício, etc.) e da resistência global do sistema de fornecimento de gás (tipicamente ~ 70 psi para o sistema de entrega descrito na etapa 2.4.3 para estudos em repouso).</li>
		<li>Teste a válvula de interruptor ativando o fluxo do oxigênio, certificando-se de que o fluxo adequado está atual na tomada do acessório do fluxo-desvio e que nenhum escape está atual na tubulação plástica.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. instrumentando e preparando o assunto para a imagem latente
<ol><li>Tenha o sujeito deitado na mesa de ressonância magnética. Certifique-se que a parte superior do elemento da baixo-bobina fornece a cobertura adequada dos apices do pulmão, certificando-se que a parte superior do elemento da baixo-bobina é mais elevada do que os ombros do assunto.</li>
	<li>Ter o assunto inserir tampões de ouvido e verificar se o som está sendo bloqueado.</li>
	<li>Tape a bola de aperto (ou um mecanismo de segurança alternativo) para o pulso do sujeito para que ele possa ser facilmente acessado.</li>
	<li>Fixe a máscara e o sistema de bypass de fluxo à face do sujeito. Obstrua momentaneamente o lado expiratório do acessório do fluxo-desvio e peça o assunto para tentar uma inspiração e uma expiração normais para verific para ver se há escapes.</li>
	<li>Coloque o objeto no scanner, usando a ferramenta de centralização de luz para se certificar de que a bobina do tronco ocupa o centro do furo.</li>
	<li>Conecte a linha de bypass de fluxo ao acessório de máscara de bypass de fluxo impresso em 3D usando a porca de latão com encaixe apertado na entrada.</li>
</ol>4. imagem latente de MRI
<ol><li>
Selecione o local anatômico para fatias de imagem.
	<ol>
<li>Adquira uma sequência de localizador para obter um mapa anatômico que será usado para prescrever o restante do exame.</li>
		<li>Selecione até 4 fatias de pulmão sagital a serem estudadas clicando e arrastando a fatia de imagem para o local desejado usando a interface gráfica do usuário do scanner. Normalmente, o campo de visão é definido como 40 x 40 cm e espessura de fatia para 1,5 cm. Selecione fatias centralizadas no campo pulmonar visando a região de interesse para o estudo, tipicamente minimizando a intrusão de grandes vasos pulmonares medialmente e parede torácica lateralmente para maximizar o volume pulmonar amostrado. Nota: A seleção de fatias pode ser feita em qualquer plano; podem ser selecionadas até 4 fatias. Para fins de demonstração, uma fatia será adquirida.</li>
		<li>Anote a localização das fatias de imagem em relação à localização da coluna vertebral para que o mesmo volume possa ser reimaged para estudos longitudinais.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Imagens de ventilação específicas Nota: uma lista de parâmetros típicos de RM é apresentada na tabela 1.<ol>
<li>Defina o tempo de inversão no computador MR para a fatia mais medial para 1.100 ms para maximizar o contraste do ar-oxigênio17.</li>
		<li>Definir os parâmetros de aquisição (tabela 1) para aquisição de imagens. Para a aquisição de várias fatias, cada fatia adicional é adquirida após a primeira, em intervalos de 235 MS (1.335 MS, 1.570 MS, 1.805 MS). Nota: Após o pulso de recuperação de inversão e um intervalo de tempo (descrito pelo tempo de inversão), cada imagem de fatia é adquirida usando um Half-Fourier Turbo spin-Echo (HASTE), em 128 x 128 resolução (70-linhas de k-espaço amostrado); as imagens são reconstruídas para 256 x 256 de resolução.</li>
		<li>Defina o número de repetições para 220 e o tempo de repetição (TR) para 5 s. Isso resultará na repetição 4.2.1 e 4.2.2 para um total de 220 respirs consecutivos, 5 s separados. Peça ao sujeito que voluntariamente porta sua respiração a tempo com a aquisição da imagem. Nota: As imagens são adquiridas no fim de uma expiração normal em uma interrupção de respiração voluntária curta na capacidade residual funcional (FRC). É importante que um volume pulmonar semelhante seja atingido consistentemente durante cada uma dessas aquisições consecutivas.</li>
		<li>Monitore a consistência do volume pulmonar do sujeito (expiração final) durante as aquisições subsequentes e forneça feedback para melhorar a qualidade, se necessário. Aumente o TR (o intervalo de tempo entre aquisições sucessivas) se o sujeito achar difícil atingir um volume pulmonar consistente a cada 5 s.</li>
		<li>Mude a mistura inspirada do gás do assunto cada 20 respirs (durante a preensão da respiração da aquisição para o conforto do assunto), alternando entre o ar do quarto e o oxigênio médico. Anote quando os interruptores ocorreram, e os intervalos durante os quais o sujeito respirava cada gás. Permita que o sujeito respire 100% de oxigênio por 40 respiros consecutivos em algum momento do experimento (tipicamente respira 20-60 ou 180-220) para aumentar a sensibilidade a regiões pulmonares de baixa ventilação.</li>
		<li>Verifique regularmente a frequência cardíaca (40 − 80 para indivíduos normais em repouso) e a saturação de oxigênio (tipicamente 98 − 100%) observando o oxímetro de pulso (Figura 2); desvios da norma podem sinalizar angústia ou ansiedade.</li>
		<li>Converse com o assunto com freqüência, pressionando o teclado do scanner Push-to-talk botão, dando atualizações regulares de tempo restante.</li>
		<li>Após a respiração 220, a imagem latente é completa. Devolva o assunto ao ar do quarto e retire-o do scanner.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. criando um mapa de ventilação específico de uma série temporal de imagens
<ol><li>Verifique se uma pilha de 220 imagens consecutivas de MR para cada fatia de pulmão foi adquirida.</li>
	<li>Importe as imagens para o registro no software de análise de imagem (por exemplo, MATLAB).</li>
	<li>Das 220 imagens, escolha, por inspeção visual de toda a pilha de imagens, para cada fatia uma que melhor represente a capacidade residual funcional. A capacidade residual funcional é identificada como o "modo" dos volumes pulmonares na pilha.</li>
	<li>Usando a imagem "Mode" como referência, use o registro projetivo ou afim para registrar todas as imagens na referência de capacidade residual funcional. Nota: O registro é normalmente realizado usando um algoritmo desenvolvido na casa18 ou um algoritmo de ponto mais próximo iterativo de Bootstrap generalizado-Dual disponível publicamente (gdb-ICP19).</li>
	<li>Use a saída do algoritmo de registro para calcular a mudança de área de cada imagem. Descarte as imagens cuja etapa de registro exigiu > 10% de alteração de área da pilha de imagens e trate-as como dados ausentes20.</li>
	<li>Quantificar a ventilação específica no pulmão a partir da pilha registrada usando um algoritmo desenvolvido na casa1,7. Realizar a quantificação comparando a resposta do tempo de cada voxel à série de Washin e washout consecutivos de oxigênio, a uma biblioteca de 50 simulado, sem ruído, respostas, correspondendo a ventilações específicas variando de 0, 1 a 10, em incrementos de 15%. Cada voxel recebe um valor de ventilação específica correspondente à ventilação específica do ideal simulado apresentando correlação máxima com a série temporal de cada voxel, como originalmente apresentado em1.</li>
	<li>A saída da etapa anterior é um mapa de ventilação específica. Criar um histograma da distribuição, e calcular a largura da distribuição de ventilação específica, uma medida da heterogeneidade de ventilação específica, independente do volume corrente.</li>
</ol>6. combinando ventilação específica e mapas de densidade para calcular a ventilação alveolar regional
<ol><li>Além do SVI, adquira imagens de densidade de prótons pulmonares21, como descrito em um estudo anterior22 (seções 4,4 e 5,1 na referência22). Obter as imagens de densidade de prótons na mesma fatia (s) de pulmão, no mesmo volume pulmonar (FRC, fim de uma expiração normal); definir a resolução para 64 x 64, correspondendo a um tamanho de VOXEL de ~ 6,3 mm x 6,3 mm x 15 mm (~ 0,6 cm3).</li>
	<li>
Alinhe imagens específicas de ventilação e densidade de prótons.
	<ol>
<li>Alise as imagens específicas de ventilação e densidade de prótons usando um filtro Gaussian com um tamanho de kernel de ~ 1 cm3.</li>
		<li>Realize o registro rígido (tradução e rotação) entre o mapa de ventilação específica e o mapa de densidade usando um algoritmo mútuo baseado em informações.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Calcule a ventilação alveolar de dados de ventilação específica e densidade de prótons coregistrados.
	<ol>
<li>Calcule um mapa de (1-densidade), que é a fração de ar no volume amostrado no final de uma expiração normal, assumindo que o pulmão é composto de ar e tecido e que a densidade do tecido é ~ 1 g/cm3.</li>
		<li>Calcule um mapa de ventilação regional como o produto (1-density) x SV (unidades naturais). Multiplique este produto pelo volume de um VOXEL (ou outra região de interesse) e a frequência respiratória (imposta, tipicamente 12 respirs/min), para obter um mapa de ventilação nas unidades mais familiares de ml/min. Nota: Para cada região pulmonar, SV = ΔV/V0 e (1 – densidade) ≈ v0. Assim, o produto (1-densidade) x SV = ventilação regional, expressa em unidades naturais.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Sá, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vertical+distribution+of+specific+ventilation+in+normal+supine+humans+measured+by+oxygen-enhanced+proton+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Vertical distribution of specific ventilation in normal supine humans measured by oxygen-enhanced proton MRI.</a> Journal of Applied Physiology. 109 (6), 1950-1959 (2010).</li>
<li>Henderson, A. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+gravitational+distribution+of+ventilation-perfusion+ratio+is+more+uniform+in+prone+than+supine+posture+in+the+normal+human+lung%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">The gravitational distribution of ventilation-perfusion ratio is more uniform in prone than supine posture in the normal human lung.</a> Journal of Applied Physiology. 115 (3), 313-324 (2013).</li>
<li>Geier, E. T., Neuhart, I., Theilmann, R. J., Prisk, G. K., Sá, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+persistence+of+reduced+specific+ventilation+following+methacholine+challenge+in+the+healthy+human+lung%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Spatial persistence of reduced specific ventilation following methacholine challenge in the healthy human lung.</a> Journal of Applied Physiology. 124 (5), 1222-1232 (2018).</li>
<li>Tedjasaputra, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+heterogeneity+of+regional+specific+ventilation+is+unchanged+following+heavy+exercise+in+athletes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">The heterogeneity of regional specific ventilation is unchanged following heavy exercise in athletes.</a> Journal of Applied Physiology. 115 (1), 126-135 (2013).</li>
<li>Fowler, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lung+Function+Studies.+III.+Uneven+Pulmonary+Ventilation+in+Normal+Subjects+and+in+Patients+with+Pulmonary+Disease%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Lung Function Studies. III. Uneven Pulmonary Ventilation in Normal Subjects and in Patients with Pulmonary Disease.</a> Journal of Applied Physiology. 2 (6), 283-299 (1949).</li>
<li>Robertson, J. S., Siri, W. E., Jones, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lung+ventilation+patterns+determined+by+analysis+of+nitrogen+elimination+rates%3B+use+of+mass+spectrometer+as+a+continuous+gas+analyzer%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Clinical+Investigation%22%5BJournal%5D)">Lung ventilation patterns determined by analysis of nitrogen elimination rates; use of mass spectrometer as a continuous gas analyzer.</a> Journal of Clinical Investigation. 29 (5), 577-590 (1950).</li>
<li>Sá, R. C., Asadi, A. K., Theilmann, R. J., Hopkins, S. R., Prisk, G. K., Darquenne, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Validating+the+distribution+of+specific+ventilation+in+healthy+humans+measured+using+proton+MR+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Validating the distribution of specific ventilation in healthy humans measured using proton MR imaging.</a> Journal of Applied Physiology. 116 (8), 1048-1056 (2014).</li>
<li>Musch, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Topographical+distribution+of+pulmonary+perfusion+and+ventilation%2C+assessed+by+PET+in+supine+and+prone+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Topographical distribution of pulmonary perfusion and ventilation, assessed by PET in supine and prone humans.</a> Journal of Applied Physiology. 93 (5), 1841-1851 (2002).</li>
<li>Venegas, J. G., Schroeder, T., Harris, R. S., Winkler, R. T., Melo, M. F. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+distribution+of+ventilation+during+bronchoconstriction+is+patchy+and+bimodal%3A+a+PET+imaging+study%5BTitle%5D)+AND+%22Respiratory+Physiology+%26+Neurobiology%22%5BJournal%5D)">The distribution of ventilation during bronchoconstriction is patchy and bimodal: a PET imaging study.</a> Respiratory Physiology & Neurobiology. 148 (1-2), 57-64 (2005).</li>
<li>Orphanidou, D., Hughes, J. M., Myers, M. J., Al-Suhali, A. R., Henderson, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tomography+of+regional+ventilation+and+perfusion+using+krypton+81m+in+normal+subjects+and+asthmatic+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Thorax%22%5BJournal%5D)">Tomography of regional ventilation and perfusion using krypton 81m in normal subjects and asthmatic patients.</a> Thorax. 41 (7), 542-551 (1986).</li>
<li>King, G. G., Eberl, S., Salome, C. M., Meikle, S. R., Woolcock, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Airway+closure+measured+by+a+technegas+bolus+and+SPECT%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Respiratory+and+Critical+Care+Medicine%22%5BJournal%5D)">Airway closure measured by a technegas bolus and SPECT.</a> American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 155 (2), 682-688 (1997).</li>
<li>Horn, F. C., Deppe, M. H., Marshall, H., Parra-Robles, J., Wild, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+regional+fractional+ventilation+in+human+subjects+by+measurement+of+hyperpolarized+3He+washout+with+2D+and+3D+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Quantification of regional fractional ventilation in human subjects by measurement of hyperpolarized 3He washout with 2D and 3D MRI.</a> Journal of Applied Physiology. 116 (2), 129-139 (2014).</li>
<li>Hamedani, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((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%2C+alveolar+oxygen+tension%2C+oxygen+uptake%2C+and+air+trapping%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">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.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 78 (2), 611-624 (2017).</li>
<li>Hall, E. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+supine+exercise+on+the+distribution+of+regional+pulmonary+blood+flow+measured+using+proton+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">The effect of supine exercise on the distribution of regional pulmonary blood flow measured using proton MRI.</a> Journal of Applied Physiology. 116 (4), 451-461 (2014).</li>
<li>Henderson, A. C., Sá, R. C., Barash, I. A., Holverda, S., Buxton, R. B., Prisk, G. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+intravenous+infusion+of+20mL%2Fkg+saline+alters+the+distribution+of+perfusion+in+healthy+supine+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Respiratory+Physiology+%26+Neurobiology%22%5BJournal%5D)">Rapid intravenous infusion of 20mL/kg saline alters the distribution of perfusion in healthy supine humans.</a> Respiratory Physiology & Neurobiology. 180 (2-3), 331-341 (2012).</li>
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<li>Cook, F. R., Geier, E. T., Asadi, A. K., Sá, R. C., Prisk, G. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+Prototyping+of+Inspired+Gas+Delivery+System+for+Pulmonary+MRI+Research%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+and+Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Rapid Prototyping of Inspired Gas Delivery System for Pulmonary MRI Research.</a> 3D Printing and Additive Manufacturing. 2 (4), 196-203 (2015).</li>
<li>Zapol, W. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pulmonary+Delivery+of+Therapeutic+and+Diagnostic+Gases%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Aerosol+Medicine+and+Pulmonary+Drug+Delivery%22%5BJournal%5D)">Pulmonary Delivery of Therapeutic and Diagnostic Gases.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 78-87 (2018).</li>
<li>Kang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+silico+modeling+of+oxygen-enhanced+MRI+of+specific+ventilation%5BTitle%5D)+AND+%22Physiological+Reports%22%5BJournal%5D)">In silico modeling of oxygen-enhanced MRI of specific ventilation.</a> Physiological Reports. 6 (7), e13659(2018).</li>
</ol>

Os autores não têm nada a revelar.

A imagem latente específica da ventilação permite o traço quantitativo da distribuição espacial da ventilação específica no pulmão humano. Alternativas ao SVI existem, mas são limitadas de alguma maneira: o washout múltiplo da respiração fornece uma medida da heterogeneidade mas falta a informação spatial23. Os métodos alternativos da imagem latente expõem pacientes à radiação ionizante (por exemplo, SPECT, animal de estimação, CT, Scintigraphy da gama) ou não são extensamente-disponíveis (imagem ...

O objetivo geral da imagem latente específica da ventilação (SVI) ― uma técnica da imagem latente de ressonância magnética do Proton (MRI) que use o oxigênio como um agente do contraste1 ― é para mapear quantitativamente a ventilação específica no pulmão humano. A ventilação específica é a proporção de gás fresco entregue a uma região pulmonar em uma respiração dividida pelo volume expiratório final da mesma região pulmonar1. Em conjunto com medições da densidade pulmonar local, a ventilação específica pode ser usada para computar a ventilação regional2. Medidas de ventilação local e heterogeneidade de ventilação que são fornecidas pelo SVI têm o potencial de enriquecer a compreensão de como as funções pulmonares, tanto normalmente como anormalmente3,4.
A imagem latente específica da ventilação é uma extensão do teste Classical da fisiologia, washout múltiplo da respiração (MBW), uma técnica introduzida primeiramente nos 1950s5,6. Ambas as técnicas usam Washin/washout do gás para medir a heterogeneidade da ventilação específica, mas o SVI fornece a informação spatially-localizada quando o MBW fornece somente medidas globais da heterogeneidade. Em MBW, um espectrómetro de massa é usado para medir a concentração expirada misturada de um gás insolúvel (nitrogênio, hélio, hexafluoreto do enxôfre, etc.) sobre muitas respiras durante um washout desse gás, como representado em Figura 1. Junto com o volume expirado por a respiração durante o período do washout, esta informação pode ser usada para computar a distribuição total da ventilação específica no pulmão. Em SVI, um varredor de MRI é usado para medir o sinal de T1-weighted ― que é um substituto para a quantidade de oxigênio na solução no tecido pulmonar, um indicador direto da concentração local do oxigênio ― em cada voxel do pulmão sobre muitas respirações durante diversos Washin/washouts de oxigénio. De uma forma que é diretamente análoga ao MBW, essa informação nos permite computar a ventilação específica de cada voxel pulmonar. Em outras palavras, a técnica realiza milhares de experimentos paralelos do tipo MBW, um para cada voxel, durante um experimento do SVI. De fato, os mapas espaciais de ventilação específica assim produzidos podem ser compilados para recuperar a saída específica de heterogeneidade de ventilação da MBW. Um estudo de validação7 mostrou que as duas metodologias produziram resultados comparáveis quando realizadas em série sobre os mesmos sujeitos.
Existem outras modalidades de imagem que, como a SVI, fornecem medidas espaciais de heterogeneidade ventilatória. Tomografia por emissão de pósitrons (PET)8,9, tomografia computadorizada de emissão de fóton único (SPECT)10,11e gás hiperpolarizado ressonância magnética12,13 técnicas têm sido usadas para criar um corpo substancial da literatura a respeito do teste padrão espacial da ventilação em assuntos saudáveis e anormais. Em geral, essas técnicas têm pelo menos uma vantagem distinta sobre o SVI, em que sua relação sinal-ruído é caracteristicamente maior. No entanto, cada técnica também tem uma desvantagem característica: PET e SPECT envolvem exposição à radiação ionizante, e ressonância magnética hiperpolarizada requer o uso de gás hiperpolarizado altamente especializado e um scanner de RM com hardware multi-core não padronizado.
SVI, uma técnica de prótons-RM, normalmente usa 1,5 Tesla MR hardware com oxigênio inalado como um agente de contraste (ambos os elementos estão prontamente disponíveis na saúde), tornando-o potencialmente mais generalizável para o ambiente clínico. O SVI aproveita o fato de que o oxigênio encurta o tempo de relaxamento longitudinal (T1) dos tecidos pulmonares1, que por sua vez se traduz em uma mudança na intensidade do sinal em uma imagem ponderada em T1. Assim, as mudanças na concentração de oxigênio inspirado induzem a mudança na intensidade do sinal de imagens apropriadamente cronometradas de MRI. A taxa desta mudança que segue uma mudança abrupta na concentração inspirada do oxigênio, tipicamente ar e 100% oxigênio, reflete a taxa em que o gás residente é substituído pelo gás inalado. Esta taxa de substituição é determinada por ventilação específica.
Como SVI não envolve nenhuma radiação ionizante, não tem contra-indicações para estudos longitudinais e intervencionais que seguem pacientes ao longo do tempo. Assim, é serido idealmente estudando a progressão da doença ou avaliando como os pacientes individuais respondem ao tratamento. Devido à sua facilidade relativa e repetibilidade segura, a imagem de ventilação específica é, em geral, uma técnica ideal para aqueles que desejam estudar grandes efeitos e/ou um grande número de pessoas ao longo do tempo ou em vários locais clínicos diferentes.
Após a publicação original descrevendo a técnica1, a imagem de ventilação específica (SVI) tem sido utilizada em estudos focados no efeito da infusão salina rápida, postura, exercício e broncoconstrição2,3 , 4. º , 14 anos de , a habilidade da técnica 15. The de estimar a heterogeneidade inteira do pulmão da ventilação específica foi validada usando o teste múltiplo bem estabelecido do washout da respiração7 e mais recentemente, uma validação cruzada regional foi executada, por comparando SVI e a imagem latente de ventilação específica da respiração múltipla do gás hyperpolarizado16. Essa técnica confiável e prontamente implantável, capaz de mapear quantitativamente a ventilação específica no pulmão humano, tem o potencial de contribuir significativamente para a detecção precoce e o diagnóstico da doença respiratória. Também apresenta novas oportunidades para quantificar anormalidades pulmonares regionais e acompanhar as alterações induzidas pela terapia. Essas alterações na função pulmonar específica da região, que a SVI nos permite mensurar pela primeira vez, têm o potencial de se tornarem biomarcadores para avaliar o impacto das drogas e das terapias inalatórias, podendo ser uma ferramenta extremamente útil em ensaios clínicos.
O objetivo deste artigo é apresentar a metodologia de imagem de ventilação específica em detalhe e em forma visual, contribuindo assim para a disseminação da técnica para mais centros.

<table><tbody><tr>Sistema <td></td><td></td><td></td><td>de desvio de fluxo impresso em 3D</td></tr><tr><td>Máscara facial</td><td>Hans Rudolph</td><td></td><td>série 7400 Máscara oro-nasal, tamanhos diferentes</td></tr><tr>Regulador <td></td><td></td><td></td>de<td>gás/oxigênio</td></tr><tr><td>Conjunto de cabeça de máscara Conjunto de cabeça</td> compatível <td>Hans Rudolph</td><td></td><td>7400 Software</td></tr> de <tr>análise<td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td></td><td>desenvolvido localmente</td></tr><tr><td>Médico oxigênio</td><td>Air Liquide/Linde</td><td></td><td>Oxigênio a ser entregue ao sujeito</td></tr><tr><td>MRI</td><td>GE healthcare</td><td></td><td>1.5 T GE HDx Excite scanner de dupla velocidade</td></tr><tr><td>Tubulação</td><td></td><td></td> de plástico<td>&frac14; ", 3/8" e 1/2" tubulação e conectores</td></tr><tr><td>Oxímetro de pulso</td><td>Nonin</td><td></td><td>7500 FO (compatível com MR)</td></tr> <tr><td>Válvula</td><td></td><td></td><td></td>de comutação</tr><tr><td>Bobina de torso</td><td>GE healthcare</td><td></td><td>Bobina de torso de alto ganho para scanner GE</td></tr></tbody></table>

mapeamento quantitativo de ventilação específica no pulmão humano usando ressonância magnética de prótons e oxigênio como agente de contraste

Quantitative Mapping of Specific Ventilation in the Human Lung using Proton Magnetic Resonance Imaging and Oxygen as a Contrast Agent

A imagem latente específica da ventilação (SVI) é uma técnica funcional da imagem latente de ressonância magnética capaz de quantificar a ventilação específica ― a relação do gás fresco que entra em uma região do pulmão dividida pelo volume final expiratório da região ― no pulmão humano, usando somente oxigênio inalado como um agente de contraste. A quantificação regional da ventilação específica tem o potencial ajudar a identificar áreas da função patológica do pulmão. O oxigênio na solução no tecido encurta o tempo longitudinal do abrandamento do tecido (T1), e assim uma mudança no oxigenação do tecido pode ser detectada como uma mudança no sinal de T1-weighted com uma imagem adquirida recuperação da inversão. Após uma mudança abrupta entre duas concentrações de oxigênio inspirado, a taxa em que o tecido pulmonar dentro de um VOXEL equilibrou a um novo estado estacionário reflete a taxa em que o gás residente está sendo substituído pelo gás inalado. Esta taxa é determinada pela ventilação específica. Para provocar esta mudança repentina na oxigenação, os indivíduos respiram alternadamente 20 blocos da respiração do ar (oxigênio de 21%) e oxigênio de 100% quando no varredor de MRI. Uma mudança Stepwise na fração inspirada do oxigênio é conseguida com o uso de um sistema tridimensional (3D)-impresso feito encomenda do desvio do fluxo com um interruptor manual durante uma preensão final-expiratória curta da respiração. Para detectar a mudança correspondente em T1, um pulso global da inversão seguido por uma única seqüência rápida do eco da rotação do tiro foi usado para adquirir imagens bidimensionais de t1-weighted em um varredor de 1,5 t MRI, usando uma bobina do torso do oito-elemento. A única fatia e a imagem latente da multi-fatia são possíveis, com parâmetros ligeiramente diferentes da imagem latente. A quantificação da ventilação específica é conseguida correlacionando o tempo-curso da intensidade do sinal para cada voxel do pulmão com uma biblioteca de respostas simuladas ao estímulo do ar/oxigênio. As estimativas de SVI da heterogeneidade específica da ventilação foram validadas de encontro ao washout múltiplo da respiração e provaram determinar exatamente a heterogeneidade da distribuição específica da ventilação.

Única fatia SVI em um assunto saudável A imagem latente específica da ventilação produz mapas quantitativos da ventilação específica como mostrado na Figura 3a, que descreve uma única fatia no pulmão direito de uma fêmea saudável dos anos de idade 39. Observe a presença do gradiente vertical esperado em ventilação específica; a porção dependente do pulmão apresenta maior ventilação específica do que a porção não dependente do pulmão. Um histograma dos ...

A imagem latente específica da ventilação é uma técnica funcional da imagem latente de ressonância magnética que permita a quantificação da ventilação específica regional no pulmão humano, usando o oxigênio inalado como um agente do contraste. Aqui, apresentamos um protocolo para coletar e analisar dados específicos de imagens de ventilação.

Mapeamento quantitativo de ventilação específica no pulmão humano usando ressonância magnética de prótons e oxigênio como agente de contraste

Specific ventilation imaging (SVI) is a functional magnetic resonance imaging technique capable of quantifying specific ventilation &#8213; the ratio of ...

A Imagem de Ventilação Específica, ou SVI, é uma técnica qualitativa de imagem pulmonar que nos ajudará a aprofundar nossa compreensão fundamental da fisiologia e do manejo de doenças respiratórias. O SVI é livre de radiação e requer apenas equipamentos comumente disponíveis, um scanner de ressonância magnética e oxigênio médico. Isso o torna seguro para crianças e ideal para estudos repetidos em adultos.A tradução do SVI para a prática clínica pode melhorar o manejo da asma, pois nos permitirá identificar áreas mais afetadas pela doença. A capacidade de mapear mudanças dentro do pulmão em resposta à terapia pode ajudar a otimizar a terapia inalação e informar escolhas terapêuticas individualizadas. Ajudando a demonstrar este procedimento está Vincent Tedjasaputra, um pós-doutorando no Departamento de Medicina.Comece a iniciar o procedimento, obtenha consentimento por escrito informado do sujeito e descreva os potenciais riscos apresentados pela exposição a campos magnéticos em rápida mudança e o desconforto potencial do uso de uma máscara facial e gás seco respiratório. Confirme que o sujeito pode ser submetido com segurança à ressonância magnética utilizando o questionário de triagem de segurança de ressonância magnética ou ressonância magnética aprovado localmente. Treine o sujeito para respirar a tempo com a sequência de ressonância magnética e meça as dimensões do nariz do sujeito ao queixo para determinar o tamanho da máscara facial que melhor se encaixará no assunto.Em seguida, verifique se os bolsos e roupas do sujeito estão livres de cartões de crédito baseados em magnético e peças metálicas contendo ferro. Para preparar o scanner MR, conecte uma bobina do torso ao conector apropriado na mesa do scanner para configurar o scanner para uso e coloque folhas, almofadas e travesseiros na mesa do scanner para que o sujeito fique confortável por pelo menos 30 minutos de imagem. Para montar o sistema de entrega de oxigênio, coloque uma válvula de interruptor bidirecional ao alcance do operador do scanner e use um pedaço de tubo plástico de oito metros de comprimento de um quarto de polegada de diâmetro para conectar o suprimento de oxigênio a uma entrada da válvula de comutação.Conecte a saída da válvula de comutação na sala de controle ao tubo plástico de um quarto e alimente a tubulação através da sala de controle até a sala do scanner, tomando cuidado para que a tubulação atinja o meio do furo do scanner. Fixar o acessório de desvio de fluxo à máscara facial para o sujeito. Conecte a extremidade de latão de meia polegada da tubulação ao acessório da máscara de desvio de fluxo.Coloque a pressão sobre o regulador de saída de oxigênio a um valor que produz um fluxo de oxigênio maior do que o fluxo inspirador de pico esperado de acordo com a natureza do estudo e a resistência geral do sistema de entrega de gás. Em seguida, ative o fluxo de oxigênio para testar a válvula de comutação, certificando-se de que um fluxo adequado está presente na saída do acessório de desvio de fluxo e que não há vazamentos na tubulação plástica. Para preparar o assunto para a imagem, que o sujeito esteja sobre a mesa do scanner certificando-se de que a parte superior do elemento da bobina inferior é maior do que os ombros do sujeito para garantir que a parte superior do elemento bobina inferior forneça uma cobertura adequada dos apices pulmonares.Que o sujeito insira os protetores auriculares e verifique se o som está sendo bloqueado. Grave um mecanismo de segurança no pulso do sujeito para que ele possa ser facilmente acessado e anexar a máscara e o sistema de desvio de fluxo ao rosto do sujeito. Oclua brevemente o lado expiratório do anexo do bypass de fluxo e peça ao sujeito para tentar uma inspiração e expiração normais para verificar se há vazamentos.Agora carregue o sujeito no scanner usando a ferramenta de centro de luz para garantir que a bobina do tronco ocupe o centro do furo e guie a linha de desvio de fluxo para garantir o conforto do sujeito enquanto move o assunto em direção ao centro do scanner. Depois de selecionar o local pulmonar para fatias de imagem, adquira uma sequência de localizador para obter um mapa anatômico que será usado para prescrever o resto do exame. Use a interface gráfica do usuário do scanner para clicar e arrastar a fatia de imagem centrada no campo pulmonar visando a região de interesse para o local desejado para selecionar até quatro fatias pulmonares sagiais a serem estudadas.Em seguida, anote a localização das fatias de imagem em relação à localização da coluna vertebral para que o mesmo volume possa ser reimagem para estudos longitudinais. Para imagens de ventilação específicas, defina o tempo de inversão no computador MR para a fatia mais medial para 1100 milissegundos para o máximo o contraste de oxigênio do ar, o número de repetições para 220 e o tempo de repetição para cinco segundos. Monitore a consistência do volume pulmonar e expiração do sujeito durante as aquisições subsequentes e forneça feedback para melhorar a qualidade, se necessário.Troque a mistura de gás inspirada do sujeito a cada 20 respirações durante a aquisição de respiração para o conforto do sujeito, alternando entre o ar da sala e o oxigênio médico. Verifique o oxímetro de pulso regularmente para verificar a frequência cardíaca e a saturação de oxigênio e faça check-in com o sujeito com frequência para dar atualizações regulares do tempo restante. Após o hálito 220, a imagem está completa.Devolva o assunto ao ar da sala e remova-os do scanner. Para criar um mapa de ventilação específico, importe as imagens para registro no software de análise de imagens e inspecione visualmente toda a pilha de imagens 220 para selecionar a imagem para cada fatia que melhor represente a capacidade residual funcional. Usando a imagem do modo como referência, use um registro projetivo ou fino para registrar todas as imagens na referência de capacidade residual funcional e quantificar a ventilação específica no pulmão a partir da pilha registrada usando um algoritmo apropriado.Um mapa da ventilação específica será criado. A SVI produz mapas quantitativos de ventilação específica, por exemplo, como mostrado nesta única imagem de fatia no pulmão direito de uma mulher saudável de 39 anos. Observe a presença do gradiente vertical esperado na ventilação específica com a porção dependente do pulmão apresentando uma ventilação específica maior do que a porção não dependente do pulmão.Um histograma dos valores de ventilação específicos do mapa com uma função de distribuição de probabilidade normal de registro de ajuste melhor permite que a largura da melhor distribuição de ajuste seja usada como uma métrica de heterogeneidade de ventilação específica. Aqui, uma lavagem múltipla da respiração adquirida no mesmo assunto na mesma postura é mostrada. O registro temporal da concentração de nitrogênio foi medido na boca após uma mudança do ar inspirado para 100% de oxigênio inspirado.Nesta distribuição de ventilação específica, conforme estimado a partir da lavagem tanto para imagens específicas de ventilação quanto para lavagem múltipla da respiração, a largura da distribuição foi encontrada dentro da faixa normal saudável. Treinar os sujeitos para respirar a tempo com o scanner e dar-lhes feedback durante a aquisição pode ajudar a garantir dados de boa qualidade. Combinado com medidas de densidade e perfusão, o SVI pode ser usado para mapear a razão local de ventilação à perfusão e medida da eficiência da troca de gás.Esta técnica tem sido usada para entender a distribuição da ventilação após exercícios extenuantes e um painel especial de restrição brônquica repetida na asma. O ambiente de ressonância magnética requer atenção à segurança, pois um campo magnético forte está sempre ligado e objetos ferromagnéticos podem se tornar projéteis resultando em ferimentos.

quantitative-mapping-specific-ventilation-human-lung-using-proton

Research

JoVE Journal

Medicine

Medicina

A MR método de imagem para estudar a distribuição do fluxo sanguíneo pulmonar, sob uma variedade de condições fisiológicas, neste caso a exposição a três diferentes concentrações de oxigênio inspirado: hipóxia, normóxia e hiperoxia, é descrito. Esta técnica utiliza técnicas de pesquisa humana pulmonares fisiologia em um ambiente de digitalização MR.

Quantificação Imagem por Ressonância Magnética de perfusão pulmonar usando Labeling rotação Calibrado Arterial

A avaliação da função microvascular por ressonância magnética cardíaca sensível à oxigenação em combinação com manobras respiratórias vasoativas é única em sua capacidade de avaliar mudanças dinâmicas rápidas na oxigenação miocárdica in vivo e, portanto, pode servir como uma técnica diagnóstica de importância crítica para a função vascular coronariana.

RMC Sensível à Oxigenação com Manobras Respiratórias Vasoativas para Avaliação Não Invasiva da Disfunção Microvascular Coronariana

A ressonância magnética (RM) hiperpolarizada 129Xe é um método para estudar aspectos regionalmente resolvidos da função pulmonar. Este trabalho apresenta um fluxo de trabalho padronizado de ponta a ponta para RM hiperpolarizada de 129Xe de ventilação pulmonar, com atenção específica ao design da sequência de pulsos, preparação da dose de 129Xe, fluxo de trabalho de varredura e melhores práticas para monitoramento da segurança do indivíduo.

Aquisição de Imagens de Ressonância Magnética 129Xe Hiperpolarizadas da Ventilação Pulmonar

O manuscrito apresenta um protocolo detalhado para o uso da recuperação de saturação por deslocamento químico (CSSR) hiperpolarizada de Xenon-129 para rastrear as trocas gasosas pulmonares, avaliar a espessura aparente da parede do septo alveolar e medir a relação superfície-volume. O método tem o potencial de diagnosticar e monitorar doenças pulmonares.

Medida quantitativa da estrutura e função pulmonar obtida por espectroscopia de xenônio hiperpolarizada

A TC e a ressonância magnética com 129Xe fornecem informações complementares sobre a função da estrutura pulmonar que podem ser exploradas para análise regional usando registro de imagem. Aqui, fornecemos um protocolo que se baseia na literatura existente para 129Xe MR para registro de imagem de TC usando plataformas de código aberto.

Imagem pulmonar multimodal: usando informações complementares de TC e ressonância magnética hiperpolarizada de 129Xe para avaliar a função da estrutura pulmonar

Aqui, descrevemos a implementação da RM pulmonar funcional resolvida em fase como uma técnica de RM de prótons sem contraste para a avaliação da ventilação pulmonar e da dinâmica de perfusão. Validado e aplicável em diferentes pontos fortes de campo e faixas etárias, pode melhorar a tomada de decisões clínicas no futuro, auxiliando na quantificação de doenças e no monitoramento da terapia.

Ressonância magnética pulmonar funcional resolvida em fase para avaliação de ventilação e perfusão pulmonar (V/Q)

O pulmão funcional tridimensional (3D) resolvido em fase (PREFUL) é uma técnica de ressonância magnética (RM) funcional que permite quantificar a ventilação regional de todo o volume pulmonar humano, usando respiração corrente e aquisição livre de contraste por 8 min. Aqui, apresentamos um protocolo de RM para coletar e analisar dados de imagem 3D PREFUL.

Imagem de ressonância magnética funcional resolvida fase tridimensional do pulmão

Um método preciso e prático para medir parâmetros como a tensão no tecido do miocárdio é de grande valor clínico, uma vez que tem sido demonstrado, que a tensão é um marcador mais sensível e mais cedo para a disfunção contrátil do que o parâmetro freqüentemente usado EF.

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Na patogénese da metástase óssea, a angiogénese é um processo crucial e, portanto, representa um alvo para imagiologia e terapia. Aqui, apresentamos um modelo do rato de site-specific metástases ósseas de câncer de mama e descrever as estratégias para não-invasiva angiogênese...

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Aprenda a realizar imagem de ventilação específica em pulmões humanos usando ressonância magnética com oxigênio como agente de contraste. Este método sem radiação permite mapear função pulmonar regional e otimizar terapias para asma.

Mapeamento quantitativo de ventilação específica no pulmão humano usando ressonância magnética de prótons e oxigênio como agente de contraste (Vídeo) | JoVE Journal

Mapeamento quantitativo de ventilação específica no pulmão humano usando ressonância magnética de prótons e oxigênio como agente de contraste

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