Non-invasive imaging of the brain vasculature’s ability to dilate or constrict may allow a better understanding of cerebrovascular pathophysiology in various neurological diseases. The present report describes a reproducible and patient-comfortable protocol to perform vascular reactivity imaging in humans using magnetic resonance imaging (MRI).
Hjernen er et rumligt heterogen og tidsmæssigt dynamisk organ, med forskellige regioner kræver forskellige mængder af blodforsyningen på forskellige tidspunkter. Derfor evne blodkarrene til at udvide eller indsnævre, kendt som cerebral-vaskulær-reaktivitet (CVR), udgør en vigtig domæne af vaskulær funktion. En imaging markør, der repræsenterer denne dynamiske ejendom vil give nye oplysninger af cerebrale fartøjer under normale og syge tilstande såsom slagtilfælde, demens, åreforkalkning, små karsygdomme, hjernetumor, traumatisk hjerneskade, og multipel sklerose. For at udføre denne type af måling i mennesker, er det nødvendigt at levere en vasoaktiv stimulus som CO 2 og / eller O 2 gasblanding mens kvantitativ hjernen magnetisk resonans-billeder (MRI) bliver opsamlet. I dette arbejde, vi præsenteret en MR kompatibel gas-leveringssystem og den tilhørende protokol, der tillader levering af særlige gasblandinger (f.eks </em> O 2, CO 2, N 2, og deres kombinationer), mens motivet ligger inde i MR-scanneren. Dette system er relativt enkel, økonomisk og let at bruge, og forsøgsprotokollen muliggør nøjagtig kortlægning af CVR i både raske frivillige og patienter med neurologiske lidelser. Denne fremgangsmåde har potentialet til at blive anvendt i brede kliniske anvendelser og i bedre forståelse af hjernen vaskulær patofysiologi. I videoen viser vi, hvordan du opsætter systemet inde i en MRI suite og hvordan du udfører en komplet eksperiment på en menneskelig deltager.
Hjernen udgør ca. 2% af den samlede kropsvægt, men bruger omkring 20% af den samlede energi 1. Ikke overraskende blodforsyning tilstrækkelig og omhyggeligt reguleret er afgørende for at opfylde dette høje energibehov og for hjernen at fungere ordentligt. Endvidere hjerne er et rumligt heterogen og tidsmæssigt dynamisk organ, med forskellige regioner kræver forskellige mængder af blodforsyningen på forskellige tidspunkter. Derfor dynamisk modulation af blodforsyningen udgør et vigtigt krav i menneskelige hjerne omløb. Heldigvis er det kendt, at blodkarrene er ikke bare stive rør, og at en vigtig funktion af blodkar er at spile og snøre baseret på efterspørgslen af hjernen og fysiologiske forhold 2.
Denne funktionelle egenskab af fartøjet, der er kendt som cerebral-vaskulær-reaktivitet (CVR), menes at være en nyttig Indikatoren af vaskulær sundhed og kan finde anvendelse i flere neurologiske conditions såsom slagtilfælde 3, demens 4, åreforkalkning 5, små karsygdomme 6, hjernesvulst 7, moyamoya sygdom 8, og narkotikamisbrug 9. I fysiologi og anæstesiologi litteraturen er det kendt, at fordi CO 2 gas er en potent vasodilator, kan CVR vurderes ved at ændre arteriel CO 2-niveau (fx inhalation af en lille mængde CO 2) under overvågning vaskulære reaktioner 10-13 . I billedbehandling og radiologi felt, er CVR kortlægning ved hjælp af MRI hurtigt frem som en ny markør af interesse for mange basale forskere og klinikere 8,14-19. Det er normalt estimeres ved at undersøge, hvor meget vaskulær respons induceret af en vasoaktiv udfordring. Der er imidlertid et behov for tekniske fremskridt i gassen leveringssystem og standardisering af forsøgsprotokol. Foranstalte særlige blanding gas til et emne inden for MR-scanneren er ikke trivielt og særlige hensyner nødvendige for en MRI-kompatibelt design. Særlige overvejelser er nødvendige i at designe MRI-kompatibelt gas levering system. Disse særlige overvejelser omfatter: 1) alle komponenter skal være ikke-metallisk (metal kan ikke bruges inde MRI); 2) Systemet bør arbejde inden for et lille rum, at MRI-systemet og dets hoved spole tillader; 3) Systemet bør arbejde med liggende-down position (som MR scanner kræver) i stedet for at sidde op, med ingen ubehag; 4) relevante fysiologiske parametre, såsom ultimo tidal CO2 (EtCO2, en tilnærmelse af CO2-indholdet i arterielt blod) og arteriel iltmætning, skal registreres nøjagtigt med sekunder af timing nøjagtighed og gemt på en computer til analyse brug. Disse spørgsmål kan begrænse omfanget af anvendelser af CVR kortlægning.
I denne rapport har vi fremlagt en forsøgsprotokol, der bruger en omfattende gas levering system til at modulere indholdet af inspireret gas, mens motivet ligger inde i MR-scanneren. Osing denne tilgang, kan forskeren ikke-invasivt anvende en vasoaktiv stimulus til deltageren med minimal ubehag eller bulk-bevægelse. Fysiologiske parametre og MRI-billeder blev optaget under hele på ca. 9 min, som bestod af skiftende blokke (1 min pr blok) af rum-luft og hypercapnic gas vejrtrækning. Repræsentative resultater præsenteres. Potentielle anvendelser og begrænsninger diskuteres.
Denne rapport en MR-kompatibel gastilførsel og en omfattende eksperimentel protokol, der tillader kortlægning af vaskulær reaktivitet i den menneskelige hjerne. Et diagram af gas delivery system er illustreret i figur 1. Alle dele inde i MRI scanner rum er plast for at sikre deres MR-kompatibilitet. Systemet kan begrebsmæssigt opdeles i tre delsystemer, herunder en gas indtag undersystem (taske, levering rør, to-vejs ventil), en vejrtrækning grænseflade undersystem (næseklemme, mundstykke, U-form tube), og en overvågning undersystem (CO 2 koncentration, iltmætning, hjertefrekvens, vejrtrækning). Gassen indtagelse sub-system tillader gassen, der skal inhaleres for at nå to-vejs ventil. Kun inhaleret luft, men ikke udåndingsluft, vil strømme gennem denne sub-system. Åndedrættet grænseflade sub-system gør det muligt motivet at ånde ind og ud den påtænkte gas. Både inhaleres og udåndet gas vil strømme gennem denne sub-system. Den monitoring sub-ordning bør derfor prøve gas ved et punkt langs vejrtrækning grænseflade undersystem.
Kliniske anvendelser af denne teknik kan omfatte evalueringer af hjernen vaskulær reserve i neurologiske sygdomme, såsom slagtilfælde, aterosklerose, moyamoya sygdom, vaskulær demens, multipel sklerose, og hjernetumor. Teknikken kan også anvendes i funktionelle MRI undersøgelser for at normalisere eller kalibrere fMRI signal for en bedre kvantificering af neural aktivitet 23,24.
Et vigtigt træk ved det foreslåede system og forsøgsprotokol er, at gasblandingen kan leveres til emnet, mens der forårsager minimal bevægelse eller ubehag. Derfor er det vigtigt at placere U-form rør (Medie # 12), således at det (og mundstykket er forbundet med enden af det) naturligt falder nedad i individets mund. På denne måde, er emnet ikke behøver at bruge sin facial muskler til at holde eller støtte mundstykket. Det er også important til at være opmærksom på, at emnet ikke vil være i stand til at tale, mens mundstykket er i deres mund. Derfor bør forskeren undgå at tale til emnet med et spørgsmål tone. I stedet bør kun klare, definitive der gives instrukser. Derudover bør en forsker være meget opmærksom på de fysiologiske parametre (f.eks EtCO 2, SO 2, puls, vejrtrækning) under hele løbet af forsøget og reagere hurtigt, når en eller flere af de fysiologiske parametre afviger uden det typiske .
Mens en udtømmende undersøgelse af andre gas leveringssystemer anvendes i litteraturen er uden for rammerne af denne artikel, er det nyttigt at sammenligne det nuværende system til et par almindeligt brugte dem 17,18. En væsentlig forskel er, at systemet anvender et mundstykke til at levere den tilsigtede gas, medens de fleste andre systemer har anvendt en maske i design. De potentielle komplikationer ved anvendelse af en maske er to folder. Først en maske occupies en betydelig mængde plads, og det kan ikke altid være muligt at tilpasse masken i den stramme plads inde i hovedet spole, i betragtning, at for mange emner, ville deres næser næsten rører hovedet spolen selv uden en maske. Dette er især tilfældet for hoved spoler beregnet til at opnå høj følsomhed, som er normalt konstrueret til at passe tæt til individets hoved. En anden komplikation forbundet med en maske design er, at der er stor plads inde i masken, hvilket resulterer i væsentlig blanding af inhaleret og udåndet gas. Derfor kan det påvirke nøjagtigheden af målingen af EtCO 2, som ideelt set bør baseres på kun udåndede gas. Nøjagtig EtCO 2 er naturligvis vigtigt for pålideligheden af CVR kortet. En anden væsentlig forskel i vores system i forhold til mange andre systemer er, at vores system leverer gassen fra en pose i stedet for en gas tank. Derfor er tanke, der ikke er nødvendig i scanneren området, hvilket sparer værdifuld plads i cont rol værelse af en MR suite. I vores design, vi bringe posen før starten af scanningen, og efter scanningen er posen tømmes, foldet og lagt væk. Endelig, sammenlignet med flere andre systemer 18,21, den aktuelle gas delivery system er enklere, kræver mindre træning tid, og dens hjælpematerialer er billigere.
Det skal bemærkes, at selv om den protokol præsenteres i denne rapport primært har fokuseret på CO 2 indånding, den præsenterede gas levering system tillader levering af andre gasblandinger (f.eks enhver brøkdel af O 2, enhver brøkdel af CO 2, enhver fraktion af N2, og deres kombination) til et menneske for dem at trække vejret, mens han / hun ligger inde i MRI scanner. Man kan også bruge gas delivery system uden forbindelse med MRI, for eksempel i forbindelse med elektroencefalografi (EEG), magnetoencephalogram (MEG), positronemissionstomografi (PET) eller optimal billeddannelse.
_content "> Når give en anbefaling af imaging parametre, vi har primært fokuseret på BOLD sekvens. En anden sekvens, der kan potentielt anvendes i CVR mapping er Arteriel Spin Mærkning (ASL) MRI, som giver et kvantitativt mål for cerebral blodgennemstrømning (CBF) i fysiologiske enheder (ml blod pr 100 g væv pr min). Derfor fordel af ASL-baserede CVR kortlægning er, at resultaterne er lettere at fortolke modsætning BOLD signal, som afspejler en kombineret virkning af blodgennemstrømningen, blodvolumen samt eventuelle bidrag fra hjernen metaboliske ændringer i løbet af CO2 udfordring 25-27., en begrænsning af ASL teknik er, at dens følsomhed er flere folder lavere end for BOLD 28. Som følge heraf er vores erfaring er, at der på nuværende tidspunkt er det meget udfordrende at få en individuel plan, voxel-by-voxel CVR kort ved hjælp af ASL. Derfor for anvendelse studier af CVR, vi primært bruger den BOLD sekvens og dermed også fokus på denne teknik i our anbefalinger.En begrænsning af den foreliggende fremgangsmåde er, at trække vejret gennem et mundstykke med næsen blokeret (ved en næseklemme) er ikke helt naturlige og nogle fag (især patienter) kan opfatte dette som en kilde til ubehag. Vejrtrækning med mundstykket og næse klip kan også forværre følelsen af klaustrofobi. Derudover kan emnet opleve mundtørhed grund vejrtrækning ved kun munden. Derfor anbefales det, at forskeren forsøger sit bedste for at fuldføre eksperimentet hurtigt. Endelig er det vigtigt at bemærke, at på grundlag af forfatternes erfaring, den potentielle ubehag ovennævnte er forbigående og forsvinder så snart forsøget er afsluttet.
The authors have nothing to disclose.
This work was partly supported by grants from the National Institutes of Health (NIH), under grant numbers R01 MH084021, R01 NS067015, R01 AG042753, NS076588, NS029029-20S1, R21 NS078656; and from National Multiple Sclerosis Society, under grant number of RG4707A2.
Name of the Material/Equipment | Company | Catalog number | Description | Website |
Douglas bag | Harvard Apparatus | 500942 | 200-liter capacity | http://www.harvardapparatus.com/webapp/wcs/stores/servlet/catalog_11051_10001_-1_HAI?gclid=CN_woMnCwboCFWpk7AodL1YA8g |
Three-way valve | Hans Rudolph | CR1207 | 100% plastic | www.rudolphkc.com |
Two-way non-rebreathing valve | Hans Rudolph | CR1480 | 22mm/ 15mm ID | www.rudolphkc.com |
Diaphragm | Hans Rudolph | 602021-2608 | Size: medium, Type: spiral | www.rudolphkc.com |
Mouth piece | Hans Rudolph | 602076 | Silicone, Model # 9061 | www.rudolphkc.com |
Nose clip | Hans Rudolph | 201413 | Plastic foam, Model #9014 | www.rudolphkc.com |
Gas delivery tube | Vacumed | 1011-108 | http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&prodid=7665 | |
Blue cuff | Vacumed | 22254 | http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&prodid=343 | |
Gas sampling tube | QoSINA | T4305 | Thin | http://www.qosina.com/catalog/part.asp?partno=T4305 |
Male luer | QoSINA | 11547 | http://www.qosina.com/catalog/part.asp?partno=11547 | |
Hydrophobic filter | Philips Medical Systems | 9906-00 | Disposable | http://www.healthcare.philips.com/us_en/products/index.wpd?Int_origin=3_HC_landing_main_us_en_top-nav_products |
U-shape tube | Made in-house | |||
Elbow connector | QoSINA | 51033 | www.qosina.com | |
EtCO2monitor | Philips Medical Systems | Model 1265 | http://www.healthcare.philips.com/us_en/products/index.wpd?Int_origin=3_HC_landing_main_us_en_top-nav_products | |
Pulse oximetry | Invivo | Expression | MRI Monitoring Systems | http://www.invivocorp.com/monitors/monitorinfo.php?id=7 |
MRI scanner | Philips | Achieva 3.0T TX | http://www.healthcare.philips.com/main/products/mri/systems/achievaTX/?Int_origin=2_HC_mri_main_global_en_systems_achieva30ttx | |
Disinfectant | Fisher Scientific | 04-355-13 | Decon™ BDD™ Bacdown™ Detergent Disinfectant | http://www.fishersci.com/ecomm/servlet/itemdetail?storeId=10652&langId=-1&catalogId=29104&productId=3426739&distype=0&highlightProductsItemsFlag=Y&fromSearch=1&searchType=PROD&hasPromo=0 |