Магнитно-резонансная томография Количественное легочной перфузии с использованием калиброванных Артериальная Маркировка спиновой
30 мая 2011 г.
Метод МРТ для изучения распределения легочного кровотока при различных физиологических состояниях, в данном случае воздействия трех различных концентраций кислорода вдохновили: гипоксия, нормоксии и гипероксии, описывается. Эта техника использует человеческие легочной методов исследования физиологии в среду сканирования МР.
Общая цель данного эксперимента заключается в использовании физиологических методов в сочетании с магнитно-резонансной томографией для измерения неинвазивного распределения легочной перфузии при различных условиях вдыхаемого кислорода. Это достигается путем обучения испытуемого задержке дыхания на функциональной остаточной емкости во время получения изображения и дыханию в интервале между изображениями, чтобы обеспечить возможность получения нескольких изображений. На втором этапе на испытуемого надевают маску для лица и прикрепляют трубку для вдоха и выдоха для подачи различных газовых смесей субъекту и сбора проб выдоха для проведения метаболических измерений.
Затем в МРТ-сканере, после изображения локализатора, артериального спин-мечения и быстрого градиента multi echo, используются эхо-последовательности для получения изображений легочного кровотока и плотности протонов. Полученные изображения количественно оцениваются для получения распределения легочного кровотока, выраженного в миллилитрах в минуту на грамм, полученного на основе двух различных МРТ-изображений. Основное преимущество этой методики заключается в том, что легочная перфузия измеряется неинвазивно in vivo без воздействия ионизирующего излучения, что позволяет проводить повторные измерения.
Этот метод может дать представление о механизмах, которые контролируют пространственное распределение легочной перфузии, а также может быть использован для изучения других физиологических механизмов в среде сканирования РС. Демонстрировать процедуры сегодня будут TSIA rye, аспирант Себастьян Верта и Ру Карлос Са, постдокторанты из нашей лаборатории. Сначала получите письменное и информированное согласие от субъекта исследования и попросите его или ее заполнить форму проверки безопасности МРТ.
Также проведите физический осмотр, тест функции легких и тренировку, в ходе которой субъект учится задерживать дыхание на функциональной остаточной мощности. Или FRC начинает настройку дыхательного оборудования, сначала надев маску на лицо субъекта. С сетчатой насадкой маска оснащена предварительно стерилизованным, недышащим клапаном и трубками.
Обязательно проверьте маску на герметичность. Установите газовые баллончики в комнате сканера и подключите их к баллону в комнате пульта МРТ. Это должно быть настроено таким образом, чтобы следователь мог добавить газ в сумку путем манипуляций с газовым баллоном.
Регулятор гарантирует, что газовый мешок находится в пределах видимости. Как и во время эксперимента, исследователь должен следить за мешком через окно консольной комнаты, чтобы убедиться, что объем газа достаточен. В противном случае испытуемый может оказаться не в состоянии вдохнуть доли вдыхаемого кислорода гипероксических и гипоксических газов в этом случае составляют 1,0 и 0,125 соответственно, а для нормоксического газа может быть использован комнатный воздух.
Убедитесь, что дыхательная трубка для выдоха достаточно длинна для подключения к объекту в МР-сканере через волновод и к метаболической тележке в комнате МР-консоли. Метаболическая тележка, показанная здесь, измеряет объем выдыхаемого воздуха, а также концентрации кислорода и углекислого газа на смешанном выдохе. На основе этих параметров он также рассчитывает различные дыхательные объемы.
EG, дыхательный объем VO два VC O2, а также дыхательный коэффициент. Пусть объект ляжет лежа на спине на кровати сканера и используйте подушки и поролоновые прокладки для максимального комфорта. Затем соедините дыхательную трубку на вдохе с инспираторной стороной маски испытуемого.
Трубка будет использоваться для подачи либо гипероксических и гипоксических газов, либо нормоксического воздуха из майларовых мешков через переключающий клапан. Также приложите подушечку для ЭКГ к груди пациента. Это позволит кодировать артериальное спиновое мечение Mr.Sequence с комплексом QRS на электрокардиограмме испытуемого.
Обязательно проверьте клапан, чтобы убедиться, что он работает нормально. Предусмотрите беруши для защиты объекта от шума сканера. Кроме того, поскольку субъект носит маску и не может легко общаться с испытуемым, испытуемый помещает сжимающий шарик в руку испытуемого и фиксирует его на месте.
Это позволяет поддерживать связь со следователями, если требуется помощь. Наконец, поместите пульсоксиметр на палец пациента для контроля сатурации кислорода, что имеет решающее значение, когда субъект подвергается воздействию гипоксии. Теперь поместите двух мистеров Фантомов на грудь субъекта.
Эти фантомы следует использовать для количественной оценки сигнала МРТ во время постобработки. Затем поместите спираль туловища на фантомы. Катушка туловища используется для увеличения отношения сигнал/шум МР-изображения по сравнению с катушкой тела за счет уменьшения физического расстояния между приемником и объектом.
Наконец, накройте субъекта одеялом, чтобы обеспечить комфорт, прежде чем отправлять его или ее в центр отверстия МР-сканера. После того, как объект находится в сканере, оператор должен часто разговаривать с ним, чтобы убедиться, что он или она чувствует себя комфортно, и напомнить ему о необходимости использовать сжимающий мяч, если требуется помощь. И мы собираемся настроить локализатор, который является первым сканированием.
Это займет около 30 секунд. Я хочу, чтобы ты просто расслабился и дышал нормально, пока идут все эти хлопки и щелчки. Обязательно контролируйте ЭКГ, сатурацию кислорода, дыхательный объем VO, O2 и VC O2. Первые несколько минут мониторинга особенно важны для обеспечения хорошего качества данных.
Если эти значения выходят за рамки ожидаемых значений, необходимо повторить калибровку, а лицевую маску и трубку проверить на наличие утечек. Во-первых, получите последовательность локализаторов, чтобы получить анатомические изображения в туловище субъекта. Это будет локализатор длится около 20 секунд.
Просто расслабься. Дышите нормально на протяжении всего этого. Вот так.
Теперь настройте артериальную спиновую маркировку, последовательность SL farer с получением половины Фурье. Используйте схему визуализации с одним выстрелом с турбоспиновым эхо, например, для получения данных об регионарной перфузии легких. Затем выберите сагиттальную плоскость из того участка правого легкого, где расстояние от переднего к заднему является наибольшим.
Типичной является толщина среза 15 миллиметров и поле зрения 40 сантиметров на 40 сантиметров. Здесь сканирование осуществляется с помощью двухскоростного сканера Tesla GE HDX ex excite с быстродействием 1,5 Тесла. Субъект услышит серию громких хлопающих звуков парами.
Между этими ударами существует пятисекундный интервал, в течение которого субъект должен завершить один дыхательный цикл. Вдохните, затем выдохните до функциональной остаточной емкости. Во время стука субъект должен задержать дыхание и оставаться на уровне объема легких FRC.
Несмотря на то, что перед сканированием испытуемые знакомятся с техникой дыхания, первый прогон получения изображения должен быть тестовым, чтобы объект мог попрактиковаться в дыхании и задержке дыхания, находясь в сканере. Оператор МРТ должен оценить качество изображений легких на основе движения диафрагмы. Если движение минимально, измерения A SL могут начать мониторинг дыхательного объема во время сканирования.
Примерная цель. Дыхательный объем в 500 миллилитров соответствует нормальной вентиляции. В последовательности A SL.
Получены два различных кардиозависимых изображения. Время съемки в 80% от интервала RR должно быть установлено индивидуально для каждого субъекта и экспериментальных условий и гарантирует, что изображение содержит сигнал крови из одного периода систолического выброса при вычитании двух изображений, тем самым подавляя стационарный сигнал. Результатом является количественная карта крови, доставленной в плоскость изображения в течение одного систолического периода выброса.
В дополнение к изображениям A SL получите изображение плотности протонов легких с помощью последовательности быстрого градиентного эха с несколькими эхо-сигналами. Измерение плотности протонов позволяет выражать измерения перфузии в миллилитрах в минуту на грамм и учитывает деформацию легочной ткани. Внутри грудной клетки субъект будет слышать непрерывный шум, который будет длиться примерно 10 секунд во время сканирования, и должен задержать дыхание и оставаться в FRC на протяжении всего шума.
Расслабьтесь, дышите нормально, что выглядело отлично Для этого эксперимента. Газы нормоксии или комнатного воздуха, гипоксии и гипероксии представлены в сбалансированном порядке между испытуемыми. Хотя при желании они могут варьироваться у разных субъектов, субъект должен дышать определенным газом в течение примерно 20 минут, чтобы установить устойчивые условия в легочной ткани до того, как будут получены МРТ-измерения обильности и плотности протонов.
Затем следуйте тому же протоколу визуализации, описанному в предыдущем разделе, выберите 20-минутный период воздействия газа перед получением изображения. Потому что, хотя инициация гипоксической реакции легочных сосудов происходит в течение нескольких секунд, реакция на альвеолярную гипоксию не является максимальной до примерно 20 минут, соответствующих цели данного конкретного исследования. Постобработка может быть выполнена с помощью специально разработанного программного обеспечения MATLAB с использованием парных изображений MGRE с катушки однородного тела и катушки в однородном туловище.
Все изображения кровотока и плотности протонов могут быть скорректированы на однородность катушки для каждого субъекта. После того, как вычтенное изображение SL скорректировано на однородность катушки, регионарный легочный кровоток может быть количественно определен в миллилитрах крови в минуту на воксель. Затем могут быть созданы плотные, нормализованные перфузионные изображения.
Нормализованная плотность перфузии выражается в единицах миллилитров крови в минуту на грамм воды и рассчитывается путем деления изображения A SL на изображение плотности протона, чтобы получить изображения перфузии в миллилитрах в минуту на грамм легких. При гипоксии частота сердечных сокращений увеличивалась, а сатурация снижалась. Вентиляция составляла 8,31 литра в минуту.
BTPS во время гипоксии, 7,04 литра в минуту во время нормоксии и 6,64 литра в минуту. Во время гипероксии дыхательный объем составил 0,76 л для гипоксии, 0,69 л для нормоксии и 0,67 л для гипероксии. Воздействие гипоксии увеличивает как вентиляцию, так и дыхательный объем, в то время как гипероксия снижает вентиляцию и дыхательный объем.
Здесь показаны три изображения нормализованной перфузии, полученные от одного субъекта при трех различных концентрациях вдыхаемого кислорода. Результаты анализа данных перфузионной гетерогенности приведены в таблице второй. Видно, что гипоксия увеличивала относительную дисперсию, однако остальные показатели в основном не менялись.
После освоения этой техники она может быть выполнена менее чем за два часа, если она выполнена правильно. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как измерять легочную профузию и проводить другие физиологические исследования в рамках МРТ. Среда сканера.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Это исследование описывает метод магнитно-резонансной томографии (МРТ) для неинвазивного измерения распределения легочного кровотока в различных условиях вдыхаемого кислорода, включая гипоксию, нормоксию и гипероксию. Техника объединяет исследования легочной физиологии человека с технологией МРТ.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Физиология
- Медицинские исследования
Бэкграунд
- Понимание легочной перфузии важно для оценки дыхательной функции.
- Традиционные методы измерения кровотока могут включать ионизирующее излучение.
- Неинвазивные методы предпочитаются для многократных измерений.
- Это исследование использует МРТ для преодоления ограничений существующих методов.
Цель исследования
- Измерить легочную перфузию неинвазивно.
- Оценить влияние различных концентраций кислорода на кровоток.
- Предоставить метод, который позволяет проводить многократные измерения без облучения.
Используемые методы
- Испытуемые тренировались задерживать дыхание на уровне функциональной резервной емкости во время исследования.
- Использование маски для лица и газовых смесей для манипулирования уровнями вдыхаемого кислорода.
- Сбор проб выдыхаемого газа для метаболических измерений.
- Применение артериального спин-лейблера и многоканальных быстрых градиентно-эхо последовательностей в МРТ.
Основные результаты
- Количественное измерение легочного кровотока в миллилитрах в минуту на грамм.
- Успешное исследование при различных условиях вдыхаемого кислорода.
- Демонстрация возможности неинвазивных измерений.
- Потенциал для многократных оценок в клинических условиях.
Выводы
- Техника МРТ предоставляет безопасную альтернативу для измерения легочной перфузии.
- Она позволяет изучать физиологические реакции на различные уровни кислорода.
- Этот метод может улучшить наше понимание легочной физиологии.
Часто задаваемые вопросы
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.
