Summary
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.
Protocol
1. Тема вербовки
- Тема населения
- Субъекты вербуются рекламы с учетом конкретных демографических, необходимые для исследования.
- Предметом данного исследования является здоровый, некурящий в возрасте от 19 - 45, без истории болезни сердца или легких.
- Информированное согласие
- Это исследование является утвержденным Университета Калифорнии, Сан-Диего, правам исследований Ограждения программы.
- Субъект получает информацию о потенциальных рисках данного исследования, например, воздействием магнитных полей (МРТ) и дыхания гипоксически и hyperoxic газа.
Если объект находится женщина и способны деторождения, мочу собирают до начала исследования, с тем чтобы исключить беременность. Хотя воздействие магнитных полей крайне маловероятно, чтобы нанести вред развивающемуся плоду, точное потенциальный риск, неизвестно. Кроме того гипоксии могут представлять риск для плода. По этой причине беременные женщины исключены из исследования.
- MR безопасности скрининга
Все наши испытуемые должны заполнить анкету об элементах, которые противопоказанием-магнитного резонанса. Если противопоказаний не найдено, тема исключены из исследования.
2. Подготовка
- Медицинский осмотр
- Тема интервью об их физическом здоровье и привычки, и получает краткий медицинский осмотр лицензию врача.
- Высота объекта и вес также измеряются. Эти значения используются для оценки прогнозных значений легких тест функции и удельный коэффициент поглощения (SAR). Оценка SAR имеет важное значение, потому что есть потенциал для нагрева тканей субъекта от радиочастотных (РЧ) энергией, необходимой для производства МР изображений.
- Легочная тестовую функцию
Легкого объемы измеряются с помощью спирометрии в вертикальном положении. Субъект выполняет легочной функции путем продувки в карманный спирометр (EasyOne Спирометр, медицинских технологий Андовер). Зажим для носа используется для обеспечения всех воздух выбрасывается изо рта. Спирометрия данных, приобретенных в трех экземплярах для обеспечения надежных данных. Качество легочных тестов функции должны отвечать Американского торакального общества / Европейского респираторного общества критериям 5.
3. Проходят исследования магнитного резонанса
- Тренинг для создания надежной функциональной остаточной емкости (FRC) объема легких во время дыхания.
Наши изображения легких приобретаются при легких в FRC. Это легко достижимый объем легких и улучшает сигнал-шум в изображении, за счет увеличения плотности протонов. Наши субъектов обучаются комфортно воспроизвести эту объема легких. Если объект, впервые участником одного из наших исследований, эта тренировка заканчивается до предмета входит сканер MR. Так как сканер делает звуки во время приобретения, звуковую запись получения изображений ведется на эту тему, и тема тренировал в то время как они практикуют синхронизировать дыхание с записи звука. - Дыхание установки
- Вдоха установки
Вдоха трубка подключена к майлара газовых баллонов, которые будет проводить либо hyperoxic и гипоксической газы или гипоксическим воздухом, и вводятся через переключающий клапан (Single-поршневые Раздвижные-Type ™ клапан и контроллер 4285A, Ганс Рудольф). Клапана проверяется на нормальное функционирование.
Газовых баллонов, которые управляют вдохновил газов к предмету, находятся в сканер комнаты и подключены к газовые баллоны различной концентрации кислорода в помещении MR консоли. Газ будет добавлен в сумке следователем с помощью манипулирования регуляторами бензобак.
Следователь должен контролировать сумку через окно комнаты консоли для обеспечения объема газа достаточно для того, чтобы гарантировать, что субъект имеет достаточно газа, чтобы вдохновить нормально. F I O 2 из hyperoxic и гипоксической газы 1,0 и 0,125, соответственно. Воздуха в помещении используется для гипоксическим газом. - Выдоха установки
Выдоха трубку дыхания достаточно долго, чтобы соединиться с предметом в сканер MR через проход к метаболическим корзину (TrueOne 2400, ParvoMedics) в комнате консоль MR.
Метаболическим корзину меры объема выдыхаемого воздуха, а также смешанные выдоха O 2 и концентрации СО 2. Исходя из этих параметров, он также рассчитывает различных дыхательных объемов, например, дыхательный объем, потребление кислорода (В. O 2), двуокись углерода производства (В. CO 2), и дыхательный коэффициент.
Необходимо откалибровать O 2 и CO 2 датчиков и расходомера перед каждым исследования. Следователь калибрует метаболической системы корзину, следуя встроенных инструкций в соответствии с метаболическими корзину операционной software. O 2 и CO 2, датчики регулируются двумя точками калибровки между калибровочного газа (для 2 = 0,16 и FCO 2 = 0,04) и воздуха в помещении (на 2 = 0,2098 и FCO 2 = 0.00). Расходомер калибруется с помощью стандартизированных 3-литровый шприц. Следователь насосов 3-литровый объемы воздуха (при комнатной температуре и атмосферном давлении) в метаболических корзину через выдоха трубку дыхания оснащен Ханс Рудольф 2-полосная без возвратного дыхания клапан, который идентичен тому, который прилагается к субъекта маски. Для того, чтобы учесть различные скорости потока дыхания, это калибровка выполняется по крайней мере пять раз с пиковых потоков от 50 л / мин АТПС до 80 л / мин для отдыха измерений. Объем в мундштук трубки и рассчитывается и в сочетании с дыхательной субъектов данных, что позволяет для коррекции времени задержки вызваны длина выдоха трубку. - Маска
Холодной стерилизовать силиконовые маски (серии 7400-Оро-носовой маски, Ганс Рудольф) устанавливается на тему, чтобы доставка различных смесей газов и приобретение метаболических и вентиляционной данных на протяжении сессии изображений (размер: маленький, маленький, средний, большой и очень большой). Большинство взрослых пациентов оснащены малых, средних или больших масках.
Маску с предварительно стерилизованные без возвратного дыхания клапан (Двусторонняя без возвратного дыхания клапан Т-образный ™ конфигурация, 2600 средних, 2700 Большие, Ганс Рудольф) фиксируется на лице субъекта с сеткой вложений и проверены на предмет утечек. Затем, вдоха и выдоха трубы присоединены.
- Вдоха установки
- MR установки
- Предмет лежит на спине, ногами к сканеру нес на подвижный стол, который движется в магнитном резонансе сканер.
- Подушки и коврики используются для максимального комфорта субъекта. Пульсоксиметр (7500 FO, невзаимодействующих) помещается на палец субъекта контролировать насыщение кислородом и частоту сердечных сокращений, что особенно важно, когда объект подвергается воздействию гипоксии.
- Площадку ЭКГ электрод помещается на груди испытуемого. Это позволяет артериальной спина маркировки (ASL) MR последовательности должны быть закрытого к комплексу QRS.
- Как только объект находится в маске они не могут легко общаться с изучением персонала. Сжать мяч находится в руке субъекта, и в записи на месте. Это позволяет при условии оповещения следователей в любое время, что они нуждаются в помощи.
- Беруши предоставляются при условии защиты их от шума, производимого сканера.
- Три MR фантомы размещены на груди испытуемого. Фантомы используются для количественной оценки сигнала MR во время постобработки и ранее были охарактеризованы.
- Торс катушки будет также размещена на призраков на груди испытуемого. Торс катушку используется для увеличения отношения сигнал-шум изображения MR по сравнению с телом катушку за счет уменьшения физического расстояния между приемником и темы. Наконец, тема под одеялом, чтобы обеспечить их комфорт.
4. MR сканирования
- Перед сканированием
- Испытуемому предлагается лечь ногами на МРТ сканирование таблицы. Затем сканирование таблицы движения субъекта в центре МРТ сканера отверстие.
- Сканер оператора часто разговаривает с предметной области, чтобы убедиться, что объект находится удобная и напомнить им выжать сжать мяч, если они нуждаются в помощи.
- Следователи монитор ЭКГ, O 2 насыщения, дыхательный объем, В. O 2 и В. CO 2. Первые несколько минут мониторинга особенно важны для обеспечения хорошего качества данных, если эти цифры не в ожидаемом диапазоне, калибровку необходимо повторить и маски и трубки проверены на предмет утечек.
- Последовательности изображений экзамен
- Локализатор последовательность приобретается впервые получил анатомические изображения, чтобы определить размещение изображений ломтик в туловище.
- Срез, выбранный в сагиттальной плоскости от части правого легкого, где передняя - задняя расстояния большие. Толщина среза, как правило, 15 мм и полем зрения 40 см х 40 см.
- Артериальная маркировки спина
Артериальная маркировки спин - поток чувствительных к переменным инверсии восстановления с дополнительным импульсом РФ последовательности (ASL-справедливее) с полу-Фурье приобретение однократного турбо спин-эхо (HASTE) изображений схема используется для получения региональных данных перфузии 1,2 .- Этот вопрос будет услышать серии звуковых пар ", релейных" указывает магнитная теги и получения изображений. Первый звук стучать является шортер, чем второй. Эта разница в звуке заметна. В промежутке между этими парами звук, испытуемый должен завершить один цикл дыхания: дыхание в дыхание и выход, до следующей паре. Во время пары звуков, субъект должен breathhold на FRC.
- Тема данного теста изображения приобретений в течение которых субъекты практики дыхания, что они были ознакомлены с прежде, чем они были помещены в сканер (описано выше).
- Оператор MR оценивает качество легкого изображений на основе движения диафрагмы. Если движение минимально ASL измерений начала. Следователи монитор дыхательный объем. Примерный целевой дыхательный объем 500-700 мл в соответствии с нормальной вентиляции с дополнительными мертвое пространство от клапана.
- Основной принцип количественной легочной перфузии описан в ссылку 1 и 2 в деталях. В этой последовательности MR, два различных сердечных закрытого изображения, полученные с 5-секундным интервалом между ними. Изображение времени между тегов и получения изображений (т.е. между первым звуком взрыва и второй звук взрыва) установлен в 80% интервал RR, чтобы обеспечить набор из одного систолического выброса крови. Сигнал от крови составляется в двух по-разному. В одном изображении, продольная намагниченность крови и ткани внутри и снаружи изображение среза перевернутой, в результате очень низкого сигнала от крови и тканей. Во второй изображения, инверсии применяется только к отображаемого срез, в результате чего приток крови из-за пределов изображения нарежьте срез имеет сильный сигнал MR. Когда два изображения вычитаются, тем самым перечеркнул стационарный сигнал, в результате количественного карту крови доставлен в изображении среза в пределах одного периода выброса систолическое. Разрешение 256 х 128 пикселей, поэтому воксела размером ~ 1,5 х ~ 3.1x 15 мм (~ 0,07 см 3).
- Легкого плотности протонов
В дополнение к ASL изображений, мы также используем мульти-эхо быстро градиент эхо (mGRE) последовательности для измерения плотности протонов легких 3. Это позволяет перфузии измерений должна быть выражена в мл / мин / г и составляет легочной ткани деформации внутри грудной клетки 6. Эта последовательность запускается дважды, по одному на туловище катушки и один для тела катушку.- Во время этого захвата изображений плотности протонов, предметом услышите непрерывный шум, который будет продолжаться в течение примерно 10 секунд. Во время этого, субъект должен задержать дыхание и оставаться в FRC.
Основной принцип количественной плотности легких протонов описан в ссылку 3. Разрешение 64 х 64 пикселей, поэтому воксела размером ~ 6,3 х ~ 6,3 х 15 мм (~ 0,59 см 3).
- Во время этого захвата изображений плотности протонов, предметом услышите непрерывный шум, который будет продолжаться в течение примерно 10 секунд. Во время этого, субъект должен задержать дыхание и оставаться в FRC.
- Переключение вдоха газов
- В этом исследовании газов с F I O 2 = 0,21 (нормоксии / воздуха в помещении), F I O 2 = 0,125 (гипоксия), и F I O 2 = 1,00 (гипероксии) представлены в сбалансированном порядке между субъектами, хотя они могут быть разнообразны по своему желанию, в соответствии с целями исследования
- После предмет достигает стационарного состояния в течение определенного условия (~ 20 минут для конкретного газа) 7, М. Р. измерения перфузии и плотности протонов приобретения. В этом случае 20-минутного периода воздействия газа перед изображениями выбрано потому, что хотя начало гипоксической легочной вазоконстрикции ответа происходит в течение нескольких секунд, ответ на альвеолярную гипоксию не максимально до ~ 20 минут 8, в соответствии с целью этой конкретного исследования.
5. Пост-обработки
Сообщение завершения обработки с помощью пользовательских разработанное программное обеспечение в среде программирования MATLAB.
- Катушка коррекции неоднородности
Используя парные изображения mGRE из однородного катушки и катушки неоднородных туловища (раздел 4.1), все кровотока и изображений плотности протонов корректируются для катушки неоднородности на предмет по теме основе 6. Этот метод описан в работе 6 и 9. - Плотность нормированного перфузии
- После вычитается ASL изображение корректируется для катушки неоднородности, регионального легочного кровотока количественно в миллилитрах (кровь) в минуту на кубический сантиметр (воксела).
- Плотность нормированного перфузии выраженный в единицах миллилитров (кровь) в минуту на грамм воды, рассчитывается путем деления ASL изображение, изображение протонной плотности, чтобы дать перфузии в миллилитрах в минуту на грамм легкого (кровоснабжения тканей +).
- Взаимной информации на основе техники, которая включает перемещения и поворота используется для регистрации ASL и протона изображений плотности и ASL изображения перфузии делится на изображение протонной плотности, полученные с туловищем катушки на воксела по вокселаоснове 6,9. Этот метод также описан в работе 6 и 9.
- Анализ данных
К каждому изображению приобрел, как описано выше (легких плотности протонов и плотность нормированного перфузии), данные анализируются в следующем порядке.- Для каждого изображения, средней плотности нормированной перфузия рассчитывается.
- Три различных показателей перфузии неоднородности рассчитываются. Это 1) относительная дисперсия 4,10,11, также известный как коэффициент вариации, глобальный масштаб неоднородности определяется как отношение стандартного отклонения к среднему перфузии, в котором больше относительная дисперсия, более разнородным перфузии распределение, 2) фрактальной размерности (Ds) 7, индекс пространственной неоднородности, которые масштаба независимой, где стоимость колеблется от 1,0 (однородные) и 1,5 (пространственно случайных), и 3) геометрические стандартного отклонения, а также глобальные масштабы неоднородности, но на основе журналов нормальной 2 модели распределения.
6. Представитель результаты
Физиологические данные приведены в таблице 1. Частота сердечных сокращений увеличилась в условиях гипоксии и насыщенность уменьшается. Вентиляция была 8,31 л / мин BTPS при гипоксии, 7,04 л / мин в течение нормоксии и 6,64 л / мин при гипероксии. Приливные объем 0,72 л при гипоксии, 0,69 л в течение нормоксии, и 0,67 л при гипероксии. Экспозиции к гипоксии повышает как вентиляции и дыхательного объема, в то время гипероксии уменьшается вентиляции и дыхательного объема.
Три плотность нормированного изображений перфузии, собранные в ходе трех различных концентрациях вдохновил кислорода (гипоксия: 0,125, нормоксии: 0,21, а Гипероксия: 1.00), полученным от одного субъекта (мужчина, 30 лет), представлены на рисунке 1. Результаты анализа данных перфузии неоднородность приведены в таблице 2. Видно, что гипоксия увеличилась относительная дисперсия однако другие показатели были в основном неизменным.
На рисунке 2 показано влияние концентрации кислорода вдохновил на вертикальное распределение плотности нормированы перфузии, в среднем каждый 1 см ниже 10 см, высота от наиболее зависимая часть легких и выше 10 см. Все данные пункта выше 10 см, усредняются и отображаются в виде одной точки данных.
| Гипоксия | Нормоксии | Гипероксия | |
| Частота сердечных сокращений (уд) | 60 | 51 | 50 |
| SpO 2 | 86 | 99 | 100 |
| В Е BTPS (л / мин) | 8,31 | 7,04 | 6,64 |
| V т BTPS (L) | 0,76 | 0,69 | 0,67 |
| F E O 2 (%) | 8,85 | 17,27 | - |
| F E CO 2 (%) | 3,41 | 3,60 | 3,20 |
| VO 2 STPD (л / мин) | 0,25 | 0,22 | -* |
| VCO 2 STPD (л / мин) | 0,23 | 0,21 | 0,18 |
Таблица 1. Физиологических данных во время сканирования сессии.
* Если объект дыхании 100% кислородом, В. О. 2 не может быть легко измерить (см. 12 для подробностей).
| Гипоксия | Нормоксии | Гипероксия | |
| Относительная дисперсия | 1,07 | 0,85 | 0,87 |
| Фрактальной размерности | 1,24 | 1,26 | 1,26 |
| Геометрические Стандартное отклонение | 2,41 | 2,11 | 2,38 |
Таблица 2. Трех индексов легких гетерогенность перфузии.
Рисунок 1. Влияние трех разных вдохновил концентрации кислорода от плотности нормированы перфузии. 1.1: Гипоксия(0,125), 1,2: нормоксии (0,21), 1,3: Гипероксия (1,00). Масштаб 3 см (белая сплошная линия). : Передняя, P: задний, I: низший, и S: превосходная направлениях соответственно.
Рисунок 2. Влияние трех различных концентраций кислорода вдохновил на вертикальное распределение плотности нормированы перфузии. Плотность нормированного перфузии усредняется в пределах 1 см в бункерах же гравитационные плоскости, начиная с 0 см в наибольшей степени зависят часть легких и продолжает наиболее nondependent части. Все данные пункта выше 10 см, усредняются и отображаются в виде одной точки данных.
Погрешности представляют стандартное отклонение значений плотности нормированы перфузии в этой плоскости. Гипоксическая данные в красном, гипоксическим данные находятся в синий, и hyperoxic данные в зеленый цвет.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Этот метод позволяет измерение эффектов вдыхаемой концентрации кислорода на пространственное распределение легочного кровотока с использованием основных физиологических методов в среде MR сканирования. Использование физиологических методов в сочетании с количественными изображений протона легких сравнительно легко реализовать.
Для обеспечения хорошей проверкой качества, наиболее важным шагом является обучение подлежат задержке дыхания в правильный объем легких и синхронно с отображающей последовательности. Так как оба ASL и протона изображений плотность рассчитывать на воспроизводимость FRC легочные объемы, любые диафрагмальное или грудной стенки движение привело бы к misregistration из этих изображений. Хорошо подготовленные предметы в состоянии воспроизвести FRC объема легких неоднократно в сканер MR Некоторые предметы гипервентиляцию в сканер и, таким образом следователь должен также контролировать дыхательный объем измеряется метаболических корзину и предлагают обратную связь с предметом для обеспечения нормального дыхания. Наконец насыщение кислородом, особенно во время гипоксического воздействия должны контролироваться на предмет безопасности.
Некоторые из ограничений этих методов являются следующие: 1. мы можем только приобрести перфузии данные из одного ломтика в breathhold. Однако наша последовательность позволяет непрерывный сбор в между вдохами, и таким образом с помощью повторяющихся breathholds всего легкого могут быть отображены менее чем за 3 минуты. 2. Количественное зависит от точную характеристику ведения фантомы, и любая ошибка в этом будет непосредственно отражается в данных. 3. С физиологической оборудования для мониторинга, которые мы используем находится за пределами сканер комнату, мы не в состоянии сделать вдох-вдох путем измерения VO 2 и VCO 2. 4. Некоторые предметы, особенно маленьких детей или пожилых пациентов с заболеванием легких, могут испытывать трудности в воспроизведении дыхания необходимые для работы с изображениями, хотя это был наш опыт, что подавляющее большинство субъектов, включая пациентов, быстро приобрести эти навыки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нет конфликта интересов объявлены.
Acknowledgments
Поддержка NIH HL081171, NIH HL080203
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MRI | GE Healthcare | 1.5 T GE HDx EXICITE twinspeed scanner | |
| Metabolic cart | ParvoMedics | TrueOne 2400 | |
| Pulse Oximeter | Nonin | 7500 FO | |
| Spirometer | Medical Technologies Andover | EasyOne diagonostic Spirometer | |
| Mask | Hans Rudolph | 7400 series Oro-Nasal Mask, Small, Medium, and Large | |
| Valve | Hans Rudolph | Two-way non-rebreathing valves T-Shape configuration, 2600 Medium. 2700 Large | |
| Head Set | Hans Rudolph | Head cap (Adult size), strap & Locking Clips. | |
| Pneumatic directional control valve and controller | Hans Rudolph | Single Piston Sliding-Type valve and controller 4285A | |
| Non-Diffusing gas collection bag | Hans Rudolph | 6100 (100 liters). | |
| Tube | VacuMed | Clean-Bor Tubing 108”, 1-3/8” OD fittings | |
| Phantoms | Mentor | Brest Implant Round, 250cc | |
| matlab | Mathworks |
References
- Bolar, D. S. Quantification of regional pulmonary blood flow using ASL-FAIRER. Magn Reson Med. 55, 1308-1317 (2006).
- Henderson, A. C., Prisk, G. K., Levin, D. L., Hopkins, S. R., Buxton, R. B. Characterizing pulmonary blood flow distribution measured using arterial spin labeling. NMR Biomed. 22, 1025-1035 (2009).
- Theilmann, R. J. Quantitative MRI measurement of lung density must account for the change in T(2) (*) with lung inflation. J Magn Reson Imaging. 30, 527-534 (2009).
- Hopkins, S. R., Garg, J., Bolar, D. S., Balouch, J., Levin, D. L. Pulmonary blood flow heterogeneity during hypoxia and high-altitude pulmonary edema. Am J Respir Crit Care Med. 171, 83-87 (2005).
- Miller, M. R. Standardisation of spirometry. Eur Respir J. 26, 319-338 (2005).
- Hopkins, S. R. Vertical gradients in regional lung density and perfusion in the supine human lung: the Slinky effect. J Appl Physiol. 103, 240-248 (2007).
- Arai, T. J. Hypoxic pulmonary vasoconstriction does not contribute to pulmonary blood flow heterogeneity in normoxia in normal supine humans. J Appl Physiol. 106, 1057-1064 (2009).
- Dawson, C. A. Role of pulmonary vasomotion in physiology of the lung. Physiol Rev. 64, 544-616 (1984).
- Prisk, G. K. Pulmonary perfusion in the prone and supine postures in the normal human lung. J Appl Physiol. 103, 883-894 (2007).
- Henderson, A. C. Steep head-down tilt has persisting effects on the distribution of pulmonary blood flow. J Appl Physiol. 101, 583-589 (2006).
- Levin, D. L. Effects of age on pulmonary perfusion heterogeneity measured by magnetic resonance imaging. J Appl Physiol. 102, 2064-2070 (2007).
- Wasserman, K. H., Sue, D., Casaburi, R., Whipp, B. Calculations, Fomulae, and Examples (Appendix C). Principles of Exercise Testing and Interpretation. , Lippincott Williams & Wilkins. Baltimore. (1999).
