Abstract
Le cerveau est un organe spatialement hétérogène et temporellement dynamique, avec différentes régions nécessitant montant différent de l'approvisionnement en sang à différents moments. Par conséquent, la capacité des vaisseaux sanguins à se dilater ou se contracter, connu sous le nom vasculaires cérébrales Réactivité (CVR), représente un domaine important de la fonction vasculaire. Un marqueur d'imagerie représentant cet établissement dynamique fournira de nouvelles informations des vaisseaux cérébraux dans des conditions normales et pathologiques tels que accidents vasculaires cérébraux, la démence, l'athérosclérose, les maladies des petits vaisseaux, une tumeur cérébrale, une lésion cérébrale traumatique, et la sclérose en plaques. Afin d'effectuer ce type de mesure chez les humains, il est nécessaire de fournir un stimulus vasoactif comme le CO 2 et ou du mélange de gaz / O 2 tandis cerveau quantitative magnétiques images de résonance (IRM) sont recueillies. Dans ce travail, nous avons présenté un système de M. compatible gaz-livraison et le protocole associé qui permettent la livraison de mélanges de gaz spéciaux (par exemple, 2, CO 2, N 2, et leurs combinaisons), tandis que l'objet est étendu à l'intérieur du scanner IRM. Ce système est relativement simple, économique et facile à utiliser, et le protocole expérimental permet une cartographie précise de la CVR dans les deux volontaires sains et des patients atteints de troubles neurologiques. Cette approche a le potentiel d'être utilisé dans de larges applications cliniques et en meilleure compréhension de la physiopathologie vasculaire cérébral. Dans la vidéo, nous démontrons comment configurer le système à l'intérieur d'une salle d'IRM et comment effectuer une expérience complète sur un participant humain.
Introduction
Le cerveau représente environ 2% du poids corporel total, mais consomme environ 20% de l'énergie totale 1. Sans surprise, l'approvisionnement sanguin suffisant et soigneusement réglementé est essentiel pour répondre à cette forte demande d'énergie et pour le cerveau de fonctionner correctement. En outre, le cerveau est un organe spatialement hétérogène et temporellement dynamique, avec différentes régions nécessitant montant différent de l'approvisionnement en sang à différents moments. Par conséquent, la modulation dynamique de l'approvisionnement en sang représente une exigence importante en circulation de cerveau humain. Heureusement, il est connu que les vaisseaux sanguins ne sont pas seulement des tuyaux rigides et qu'une fonction importante du vaisseau sanguin est à se dilater et se contracter en fonction de la demande du cerveau et des conditions physiologiques 2.
Cette propriété fonctionnelle du navire, connu sous le nom vasculaires cérébrales Réactivité (CVR), est considéré comme un indicateur utile de la santé vasculaire et peut trouver des applications dans plusieurs condition neurologiquens telles que la course 3, la démence 4, 5 l'athérosclérose, maladies des vaisseaux petits 6, 7 tumeur cérébrale, maladie de Moya 8, et la toxicomanie 9. En physiologie et la littérature de l'anesthésiologie, il est connu que, en raison de CO 2 gazeux est un vasodilatateur puissant, CVR peut être évaluée en modifiant le niveau de CO 2 artériel (par exemple, l'inhalation d'une petite quantité de CO 2) tout en surveillant les réponses vasculaires 13/10 . Dans le domaine de l'imagerie et de radiologie, la cartographie CVR en utilisant l'IRM émerge rapidement comme un nouveau marqueur d'intérêt pour de nombreux chercheurs et cliniciens 8,14-19. Il est généralement estimé en examinant la quantité de réponse vasculaire est induite par un défi vasoactif. Cependant, il ya un besoin de progrès techniques dans le système de distribution de gaz et de la normalisation du protocole expérimental. Fournir mélange de gaz spécial à un sujet à l'intérieur du scanner IRM ne est pas des considérations triviales et spéciauxsont nécessaires pour un design compatible avec l'IRM. Considérations spéciales sont nécessaires dans la conception de système de distribution de gaz compatible avec l'IRM. Ces considérations spéciales comprennent: 1) tous les composants doivent être non métalliques (métal ne peut pas être utilisé à l'intérieur IRM); 2) le système devrait fonctionner dans un petit espace que le système IRM et sa bobine de la tête permettent; 3) le système devrait fonctionner avec une position couchée (comme scanner IRM nécessite) au lieu de se asseoir, sans l'inconfort; 4) les paramètres physiologiques pertinents, tels que la fin-de-marée CO2 (EtCO2, une approximation de la teneur en CO2 dans le sang artériel) et la saturation artérielle en oxygène, doivent être enregistrées avec précision secondes de précision de la synchronisation et stockés sur un ordinateur pour l'utilisation de l'analyse. Ces questions peuvent limiter la portée des applications de cartographie de CVR.
Dans ce rapport, nous avons présenté un protocole expérimental qui utilise un système de distribution de gaz globale de moduler la teneur en gaz inspirée alors que le sujet est couché à l'intérieur du scanner IRM. Nousment cette approche, le chercheur peut non invasive appliquer un stimulus vasoactif au participant avec un minimum d'inconfort ou de mouvement en vrac. Les paramètres physiologiques et des images IRM ont été enregistrées pendant toute la période d'environ 9 min, qui se composait de blocs en alternance (1 min) par bloc d'espace-air et hypercapnique respirer du gaz. Les résultats représentatifs sont présentés. Applications et les limites potentiels sont discutés.
Protocol
NOTE: Le protocole a été approuvé par l'Université de l'Institutional Review Board du Texas Southwestern Medical Center.
1. Schéma du système de gaz de livraison et Étapes de préparation avant l'expérience
- Revoir le schéma du système de distribution de gaz (figure 1). Remplissez un sac 200 L Douglas (Point n ° 1) avec un mélange de gaz de qualité médicale contenant 5% de CO 2, 21% O 2, et 74% de N 2.
- Placez deux diaphragmes (Point n ° 4) dans les deux sens non-valve unidirectionnelle (Point 3 #) pour assurer l'écoulement de gaz à sens unique. Apportez cette assemblée vanne à deux voies et rempli de gaz Douglas sac (Item # 1) dans la salle de l'aimant.
- Connecter le tube d'amenée de gaz (point n ° 7) à l'extrémité d'entrée de la soupape à deux voies (3 Item #). Fixez le tube de distribution de gaz (Item # 7) sur le côté de la bobine de la tête pour le soutien de poids. Connectez l'autre extrémité du tube de distribution de gaz (Item # 7) à l'rempli de gaz Douglassac (Point n ° 1).
- Connectez l'embout buccal (Point n ° 5) sur le tube en forme de U (Point n ° 12) par un coude-connecteur (Point n ° 13 avec le port d'échantillonnage de gaz scellé).
- Connectez le tuyau d'échantillonnage de gaz (Point n ° 9) sur le tube en forme de U (Point n ° 12) via un autre coude-connecteur (Point n ° 13).
- Connectez un petit filtre à air (article n ° 11) à l'autre extrémité du tuyau d'échantillonnage de gaz (Point n ° 9). Connectez l'autre extrémité du filtre à air (article n ° 11) sur le CO 2 (Point n ° 14) surveiller.
- Dans la salle de contrôle de la salle d'IRM, tourner sur le CO 2 (Point n ° 14) et l'oxymétrie de pouls (Item # 15) des moniteurs. Effectuez un calibrage automatique pour le moniteur de CO 2.
- Connectez les moniteurs à un ordinateur portable en utilisant les ports USB. Ouvrir le logiciel HyperTerminal qui communique avec les moniteurs. Synchroniser de les fois avec une minuterie en écrivant le temps de minuterie et correspondant moniteurs des moniteurs les temps. Les différences de temps de minuterie et les temps de moniteurs seront prises en compte dans les données protransformation (étape 4.4).
- Insérer une extrémité d'une barre de signalisation dans un guide d'onde de sorte qu'une extrémité de la barre est à l'intérieur de la salle de l'aimant et l'autre extrémité se trouve dans la salle de contrôle.
NOTE: La barre de signalisation est utilisé pour avertir le chercheur dans la salle de l'aimant lors de l'analyse lors de la commutation de la vanne à trois voies (Point n ° 2) est nécessaire.
2. Procédures pendant l'expérience
- Demandez au sujet de se allonger sur la table IRM mais ne le met pas / elle dans l'alésage de l'aimant encore. Demandez l'objet d'appuyer sur le bouton d'appel infirmier se ils se sentent un inconfort pendant l'analyse. Demandez au sujet de essuyer son / son nez avec un morceau de nettoyage serviette pour enlever toute trace de graisse.
- Demandez à l'objet de respirer par la bouche et à établir et maintenir un rythme de respiration. Ensuite, appliquez un pince-nez (Point n ° 6) sur le sujet.
- Connectez l'extrémité ouverte du tube en forme de U (Point n ° 12) sur le port milieu de la vanne à deux voies (Point 3 #) via le elconnecteur d'arc (Item # 13).
- Placez délicatement l'embout buccal dans la bouche du sujet afin que le sujet peut respirer par le porte-parole. Fixez doucement le capteur de doigt de la oxymétrie de pouls (Item # 15) au bout du doigt du sujet.
- Se assurer que la tête du sujet est dans l'iso-centre de la bobine de la tête. Utilisez la table IRM de le placer / son intérieur de l'alésage de l'aimant.
- Veiller à ce que les séjours d'une chercheur intérieur de la salle de l'aimant de surveiller le sujet et de se préparer à passer la vanne à trois voies sur le sac de Douglas (Item # 1). Assurez-vous que le chercheur porte des bouchons d'oreilles et un casque pour bloquer le bruit de l'IRM.
- Fermez la porte de la salle de l'aimant et, dans la salle de commande, vérifiez la fraction EtCO 2 et saturation artérielle en oxygène (SO 2) paramètres affichés sur le CO 2 (Point n ° 14) et l'oxymétrie de pouls (Item # 15) des moniteurs. Lancer l'enregistrement des paramètres sur l'ordinateur portable.
- Demander à l'opérateur de l'IRM pour lancer la numérisation à l'aideSang-oxygénation niveau-Dependent séquence (BOLD). Pour scanner IRM 3T, les paramètres d'imagerie BOLD sont: TR / TE = 1500/30 ms, angle de bascule = 60 °, champ de vision = 220 x 220 mm 2, matrice = 64 x 64, 29 tranches, épaisseur = 5 mm, pas d'écart entre les tranches, 361 volumes. Revoir une feuille pré-préparés sur laquelle le calendrier de la commutation de la vanne est répertorié et balancer doucement la barre de signalisation lorsqu'un commutateur est nécessaire. Portez une attention particulière à la physiologie du sujet, y compris la fréquence cardiaque, SO 2, et EtCO 2.
- Maintenant, l'intérieur de la salle de l'aimant, basculer sur le sac de Douglas (Point n ° 1) sur la base du mouvement de la barre de signalisation qui contrôle le type de gaz que le sujet inspire.
- Continuez cette procédure pour la durée de l'étude. Pendant la période d'imagerie 9 min, veiller à ce que la commutation de la vanne a lieu environ une fois par minute. Notez que le calendrier de l'interrupteur n'a pas à être exactement précis, tant que le cours du temps EtCO2 est enregistrée. <br /> NOTE: Si le sujet appuie sur le bouton d'appel infirmier pendant le balayage, la numérisation sera interrompue et le sujet sera déplacé hors de l'alésage de l'aimant immédiatement. Le chercheur va supprimer la pièce de bouche et pince-nez du sujet.
- Utilisez l'interphone pour informer le sujet que l'analyse est terminée. Tirez sur la table IRM. Retirez délicatement le pince-nez et l'embout buccal du sujet tout en fournissant un tissu de nettoyage sur le sujet pour essuyer toute la salive. Retirez délicatement le capteur de doigt de l'oxymétrie de pouls du sujet. Le sujet peut alors se asseoir et descendre de la table IRM.
3. Procédures de nettoyage après l'expérience
- Jeter le tube de prélèvement de gaz (Item # 9), filtre à air (article n ° 11), l'embout buccal (Point n ° 5) et pince-nez (Item # 6).
- Nettoyez les composants réutilisables. Débranchez le vanne à deux voies (Point n ° 3) des autres composants et retirez les diaphragmes (Point n ° 4) de la vanne. Faire tremper les deux senssoupape (Point 3 #), le diaphragme (Point n ° 4) et le tube en forme de U (Point n ° 12) dans un désinfectant sans phosphate concentré, contenant des tensioactifs tels que détergent désinfectant Bacdown dans un récipient pendant 20 min. Le taux de dilution du détergent et désinfectant de l'eau distillée est de 1:64.
- Rincez les éléments décrits au paragraphe 3.2 avec de l'eau distillée.
- Séchez le tube en forme de U (Point n ° 12) avec de l'air comprimé. Placez la vanne à deux voies (Point n ° 3) et diaphragmes (Point n ° 4) sur un comptoir claire et leur permettent sécher naturellement et complètement.
- Videz le sac de Douglas. Rangez la barre de signalisation et le tube gris.
4. Analyse des données pour calculer CVR Carte
- Enregistrer les données IRM au format de fichier Dicom ou tout autre format spécifique au fournisseur. Transférer les données à un ordinateur de laboratoire et convertir les données en série en volume par volume fichier, dans lequel chaque fichier contient un volume 3D (par exemple, l'image GRAS) correspondant à un point de temps.
- Pré-traiter les données d'image. Effectuer images étapes de pré-traitement y compris l'alignement, la normalisation et de lissage en utilisant un script qui appelle des fonctions de bibliothèque fournis par le logiciel de cartographie statistique paramétrique (SPM). Voir fichier de code supplémentaire 1 pour un exemple du script Matlab.
- Utiliser un script pour lire l'enregistrement du CO 2, de corriger le retard de tube d'échantillonnage en décalant l'évolution dans le temps d'une quantité pré-étalonné (par exemple, 12 secondes dans cette configuration qui est déterminée comme étant la différence de temps entre une respiration à la pièce et la bouche apparition de ce souffle dans l'enregistrement de CO2), et extraire EtCO2 qui est l'enveloppe (des crêtes positives) de la première série chronologique. Voir fichier de code supplémentaire 2 pour le script Matlab.
- Basé sur la minuterie de synchronisation, segmenter les données EtCO 2 pour ne garder que l'enregistrement de 25 secondes avant la première acquisition d'image à 100 secondes après la dernière acquisition de l'image. Le cours de temps EtCO 2 estla fonction d'entrée pour le système vasculaire et est utilisé en tant que variable indépendante dans l'analyse décrite plus tard linéaire régression.
- Identifier le retard entre physiologique EtCO 2 (mesuré dans le poumon) et le signal d'IRM (mesurée dans le cerveau) en calculant le coefficient de corrélation croisée (CC) entre ces deux plages de temps à des décalages temporels variables. La valeur de décalage qui donne CC plus est considéré comme le meilleur moment.
- L'évolution dans le temps EtCO 2 est décalé par le retard optimal et que les points de temps correspondant à celles du signal de l'IRM sont conservées, d'où une série temporelle qui sont de la même longueur que le signal IRM.
- Effectuer un voxel par voxel-régression linéaire utilisant SPM dans laquelle le cours de temps EtCO2 décalé est la variable indépendante et l'évolution dans le temps du signal IRM est la variable dépendante.
- Calculer la carte voxel par voxel de la CVR
où (i, j, k) est le til voxel index, β1 est le coefficient de régression associé à EtCO2 et β0 est le coefficient de régression associé avec le terme constant. min (EtCO 2) est la valeur minimale de EtCO 2 au cours du temps.
Representative Results
Deux types de données sont recueillies avec le protocole proposé, enregistrements physiologiques et images IRM. Les figures 2 et 3 montrent des enregistrements de paramètres physiologiques d'un sujet représentatif. Trace noire sur la figure 2 affiche l'évolution dans le temps de CO 2 enregistrée par le moniteur de CO 2, qui représente la teneur en CO 2 dans l'air échantillonné à proximité de l'embout buccal. Notez que cette trace varie rapidement en fonction du temps. Ce est parce que, pendant la phase d'inhalation du cycle de respiration, cet enregistrement reflète la teneur en CO 2 dans l'air et l'inhalation, au cours de la phase d'expiration, ce disque reflète la teneur en CO 2 dans l'air expiré. En tant que tel, le pic supérieur de chaque cycle de respiration, appelée fin d'expiration CO 2 ou EtCO 2, représente la teneur en CO 2 dans les poumons, qui peut être utilisé comme approximativement la concentration de CO 2 dans le sang artériel. Remarque èmeà concentration de CO 2 dans le sang artériel est la force motrice, ce est à dire, la fonction d'entrée, de la réponse vasodilatatrice. Les sommets de la CO 2 trace (courbe rouge dans la figure 2) ont été délimitées avec un algorithme de détection qui recherche pour le pic au cours de chaque souffle, en combinaison avec une inspection manuelle et de correction. Cela a été suivi par un filtrage médian pour supprimer les pics abrupts raison de souffle partielle et pour tenir compte de mélange de sang au cours du flux de vaisseaux pulmonaires à vaisseaux cérébraux. Le cours de la dernière fois EtCO 2 est représenté par la courbe verte sur la figure 2 et il est utilisé dans le calcul du CVR.
La figure 3 montre les cours à temps de la respiration, la fraction de saturation artérielle en oxygène (SO 2), et la fréquence cardiaque. Le rythme respiratoire est obtenu à partir du moniteur de CO 2 tout en SO 2 et le rythme cardiaque sont obtenus à partir de la oxymétrie de pouls. Comme on peut seen, ces paramètres ne montrent pas un changement systématique avec le défi de l'hypercapnie. Notez que l'hypercapnie ne causer de l'hyperventilation dans le sujet, donc la pression partielle de O 2 dans les poumons augmentera modestement. Cependant, son impact sur le SO 2 est minime, car l'hémoglobine du sang est déjà largement saturé à respirer de l'air ambiant et la courbe de dissociation de l'oxygène est plutôt plat dans cette fourchette.
La figure 4 montre représentatives images IRM BOLD à différents moments de l'expérience. L'intensité de signal moyen (en unités arbitraires MR) est également indiquée. On peut voir que le signal BOLD dans le cerveau montre une augmentation par inhalation de CO 2. Notez que la différence de signal entre la chambre d'air et de CO 2 périodes est de l'ordre de 1-3% de l'amplitude.
La combinaison des données à partir d'enregistrements physiologiques et images IRM, une carte voxel par voxel-CVR peut être calculée. Figure 5 spectacles représentantCartes CVR (en unités de changement de signal% par mmHg CO 2 choisir) d'un sujet sain numérisée sur cinq jours différents, démontrant une excellente reproductibilité des résultats. La technique proposée a jusqu'ici été appliqué dans les études de vieillissement 20, 4 maladies d'Alzheimer, la sclérose en plaques 21, et la formation d'exercice 22.
Figure 1. Schéma du système de distribution de gaz. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2. CO 2 cours du temps à partir d'un objet représentant dusonner l'expérience. Segments de la teneur en CO 2 trace souffle par souffle enregistrés par le moniteur de CO 2 sont présentés pour la période l'air ambiant de la respiration (en bas à gauche) et 5% de CO 2 période d'inhalation (en bas à droite). Extraits EtCO deux cours à temps sont indiqués dans les courbes colorées. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3. Enregistré physiologie paramètres d'un objet représentant lors de l'expérience. (A) de taux de respiration (bpm, la respiration par minute) évolution dans le temps du sujet. (B) SO 2 (%) évolution dans le temps du sujet. (C) Coeur taux (bpm, battre par minute) évolution dans le temps du sujet. Le sujet est la même que celui de la figure 1. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4. Représentant des images IRM BOLD à différents moments de l'expérience. Intensités de signal moyen de la tranche de cerveau affiché (coupe axiale N ° 54 dans l'espace INM) sont montré dans la rangée du bas. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 5. carte représentant CVR d'un sujet représentatif..jove.com / files / ftp_upload / 52306 / 52306fig5large.jpg "target =" _ blank "> Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Discussion
Ce rapport a présenté un système de distribution de gaz MR-compatible et un protocole expérimental complet qui permet le mappage de la réactivité vasculaire dans le cerveau humain. Un schéma du système de distribution de gaz est représentée sur la figure 1. Tous les composants internes de l'appareil d'IRM de la chambre sont en plastique pour assurer leur compatibilité IRM. Le système peut être conceptuellement divisé en trois sous-systèmes, y compris un sous-système d'admission de gaz (sac, d'un tube de refoulement, soupape à deux voies), un sous-système d'interface de respiration (pince-nez, l'embout buccal, d'un tube en forme de U), et un sous-système de surveillance (CO 2 de concentration, la saturation en oxygène, la fréquence cardiaque, rythme respiratoire). Le sous-système d'admission de gaz permet au gaz d'être inhalées pour atteindre la valve à deux voies. Seulement inhalé l'air, mais pas l'air expiré, se écoule à travers ce sous-système. Le sous-système d'interface de respiration permet au sujet de respirer et sortir le gaz prévu. Les deux gaz inhalée et exhalée se écoule à travers ce sous-système. Le monitorinsous-système g devrait donc déguster le gaz à un point le long de la sous-système d'interface de respiration.
Les applications cliniques de cette technique peuvent inclure des évaluations de cerveau réserve vasculaire dans les maladies neurologiques telles que la course, l'athérosclérose, la maladie de Moya, la démence vasculaire, la sclérose en plaques, et la tumeur cérébrale. La technique peut également être utilisée dans les études d'IRM fonctionnelle pour normaliser ou calibrer le signal IRMf pour une meilleure quantification de l'activité neuronale 23,24.
Une caractéristique importante du système proposé et protocole expérimental est que le mélange de gaz peut être livré à l'objet tout en provoquant un mouvement ou un minimum d'inconfort. Par conséquent, il est essentiel de placer le tube en forme de U (Article N ° 12) de telle sorte qu'il (et l'embout buccal relié à l'extrémité de celui-ci) tombe naturellement vers le bas dans la bouche du sujet. De cette façon, le sujet n'a pas besoin d'utiliser son muscle du visage de tenir ou de soutenir l'embout buccal. Il est également l'importationant d'être conscient que le sujet ne sera pas capable de parler pendant que l'embout est dans leur bouche. Par conséquent, le chercheur doit éviter de parler du sujet avec un ton de question. Au lieu de cela, des instructions claires définitifs ne devraient être donnés. En outre, les chercheurs devraient porter une attention particulière aux paramètres physiologiques (par exemple, EtCO 2, SO 2, la fréquence cardiaque, le rythme respiratoire) pendant toute la durée de l'expérience et de réagir rapidement lorsque l'un ou plusieurs des paramètres physiologiques écartent dehors de la plage typique .
Bien qu'une enquête exhaustive d'autres systèmes de distribution de gaz utilisé dans la littérature est au-delà de la portée de cet article, il est utile de comparer le système actuel à quelques celles couramment utilisées 17,18. Une différence majeure est que notre système utilise un embout de livrer le gaz destiné la plupart des autres systèmes ont utilisé un masque dans la conception. Les complications possibles de l'utilisation d'un masque sont deux plis. Tout d'abord, un masque occupies une quantité substantielle de l'espace, et il ne est pas toujours possible d'adapter le masque dans l'espace étanche à l'intérieur de la bobine de la tête, étant donné que, pour de nombreux sujets, leur nez seraient presque toucher la bobine de la tête même sans un masque. Ce est particulièrement le cas pour les bobines de tête visant à atteindre une sensibilité élevée, qui sont généralement conçus pour se adapter étroitement à la tête de l'objet. Une deuxième complication associé à une conception de masque est qu'il existe un grand espace à l'intérieur du masque qui se traduit par un mélange substantiel de gaz inhalé et exhalé. Par conséquent, il pourrait affecter la précision de la mesure de EtCO 2, qui devrait idéalement être basé sur le gaz expiré seulement. Précise EtCO 2 est bien sûr important pour la fiabilité de la carte de CVR. Une autre différence importante de notre système par rapport à de nombreux autres systèmes est que le système fournit le gaz à partir d'un sac au lieu d'un réservoir de gaz. Par conséquent, les réservoirs ne sont pas nécessaires dans le domaine du scanner, économiser de l'espace précieux dans la suite rol chambre d'une suite de l'IRM. Dans notre conception, nous apportons le sac avant le début de l'analyse et, après l'analyse, le sac est vidé, plié et rangé. Enfin, par rapport à plusieurs autres systèmes 18,21, le système de distribution de gaz actuelle est plus simple, nécessite moins de temps de formation, et ses consommables sont moins chers.
Il convient de souligner que, bien que le protocole présenté dans le présent rapport a principalement axé sur inhalation de CO 2, le système de distribution de gaz présenté permet la prestation d'autres mélanges de gaz (par exemple, toute fraction d'O 2, la fraction de CO 2, tout fraction de N 2, et leur combinaison) à un humain pour eux de respirer tout il / elle est située à l'intérieur du scanner IRM. On peut également utiliser le système de distribution de gaz en dehors du contexte de l'IRM, par exemple en conjonction avec électroencéphalogramme (EEG), magnétoencéphalogramme (MEG), la tomographie par émission de positons (PET) ou imagerie optimale.
_content "> En fournissant une recommandation des paramètres d'imagerie, nous avons surtout mis l'accent sur la séquence BOLD. Une autre séquence qui peut être potentiellement utilisé dans la cartographie de CVR est Arterial Spin Labeling (ASL) IRM, qui fournit une mesure quantitative du débit sanguin cérébral (CBF) en unités physiologiques (ml de sang par 100 g de tissu par minute). Par conséquent, l'avantage de la cartographie des CVR base ASL-est que les résultats sont plus faciles à interpréter, contrairement signaux BOLD qui reflète l'effet combiné de la circulation sanguine, le volume sanguin ainsi que contributions possibles d'altérations métaboliques du cerveau au cours de CO 2 défi 25-27. Cependant, une limitation de la technique de l'ASL est que sa sensibilité est plusieurs plis inférieur à celui de BOLD 28. En conséquence, notre expérience est que, à l'heure actuelle, il est très difficile d'obtenir un niveau individuel, voxel par voxel-CVR carte en utilisant l'ASL. Par conséquent, pour les études d'application de CVR, nous utilisons principalement la séquence BOLD et donc se concentrer également sur cette technique dans l'OUrecommandations r.Une limitation de la présente méthode est que la respiration par une embouchure avec le nez bouché (par un pince-nez) ne est pas tout à fait naturel et certains sujets (en particulier les patients) peut percevoir cela comme une source d'inconfort. Respirer avec le clip de l'embout buccal et le nez peut aussi exacerber le sentiment de claustrophobie. En outre, le sujet peut éprouver la bouche sèche en raison de la respiration par la bouche seulement. Par conséquent, il est recommandé que le chercheur essaie de son mieux pour compléter l'expérience rapidement. Enfin, il est important de noter que, sur la base de l'expérience des auteurs, l'inconfort potentiel mentionné ci-dessus est transitoire et disparaît dès que l'expérience est terminée.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Douglas bag | Harvard Apparatus | 500942 | 200 L capacity |
| Three-way valve | Hans Rudolph | CR1207 | 100% plastic |
| Two-way non-rebreathing valve | Hans Rudolph | CR1480 | 22 mm/15 mm ID |
| Diaphragm | Hans Rudolph | 602021-2608 | Size: medium, Type: spiral |
| Mouth piece | Hans Rudolph | 602076 | Silicone, Model # 9061 |
| Nose clip | Hans Rudolph | 201413 | Plastic foam, Model #9014 |
| Gas delivery tube | Vacumed | 1011-108 | |
| Blue cuff | Vacumed | 22254 | |
| Gas sampling tube | QoSINA | T4305 | Thin |
| Male luer | QoSINA | 11547 | |
| Hydrophobic filter | Philips Medical Systems | 9906-00 | Disposable |
| U-shape tube | Made in-house | ||
| Elbow connector | QoSINA | 51033 | |
| EtCO2 monitor | Philips Medical Systems | Model 1265 | |
| Pulse oximetry | Invivo | Expression | MRI Monitoring Systems |
| MRI scanner | Philips | Achieva 3.0T TX | |
| Disinfectant | Fisher Scientific | 04-355-13 | Decon BDD Bacdown Detergent Disinfectant |
References
- Attwell, D., Laughlin, S. B. An energy budget for signaling in the grey matter of the brain. J Cereb Blood Flow Metab. 21 (10), 1133-1145 (2001).
- Kety, S. S., Schmidt, C. F. The Effects of Altered Arterial Tensions of Carbon Dioxide and Oxygen on Cerebral Blood Flow and Cerebral Oxygen Consumption of Normal Young Men. J Clin Invest. 27 (4), 484-492 (1948).
- Krainik, A., Hund-Georgiadis, M., Zysset, S., von Cramon, D. Y. Regional impairment of cerebrovascular reactivity and BOLD signal in adults after stroke. Stroke. 36 (6), 1146-1152 (2005).
- Yezhuvath, U. S., et al. Forebrain-dominant deficit in cerebrovascular reactivity in Alzheimer's disease. Neurobiol Aging. 33 (1), 75-82 (2012).
- Mandell, D. M., et al. Mapping cerebrovascular reactivity using blood oxygen level-dependent MRI in Patients with arterial steno-occlusive disease: comparison with arterial spin labeling MRI. Stroke. 39 (7), 2021-2028 (2008).
- Greenberg, S. M. Small vessels, big problems. N Engl J Med. 354 (14), 1451-1453 (2006).
- Hsu, Y. Y., et al. Blood oxygenation level-dependent MRI of cerebral gliomas during breath holding. J Magn Reson Imaging. 19 (2), 160-167 (2004).
- Mikulis, D. J., et al. Preoperative and postoperative mapping of cerebrovascular reactivity in moyamoya disease by using blood oxygen level-dependent magnetic resonance imaging. J Neurosurg. 103 (2), 347-355 (2005).
- Han, J. S., et al. BOLD-MRI cerebrovascular reactivity findings in cocaine-induced cerebral vasculitis. Nat Clin Pract Neurol. 4 (11), 628-632 (2008).
- Ellingsen, I., Hauge, A., Nicolaysen, G., Thoresen, M., Walloe, L. Changes in human cerebral blood flow due to step changes in PAO2 and PACO2. Acta Physiol Scand. 129 (2), 157-163 (1987).
- Ide, K., Eliasziw, M., Poulin, M. J. Relationship between middle cerebral artery blood velocity and end-tidal PCO2 in the hypocapnic-hypercapnic range in humans. J Appl Physiol (1985). 95 (1), 129-137 (2003).
- Xie, A., et al. Cerebrovascular response to carbon dioxide in patients with congestive heart failure. Am J Respir Crit Care Med. 172 (3), 371-378 (2005).
- Rostrup, E., et al. Regional differences in the CBF and BOLD responses to hypercapnia: a combined PET and fMRI study. Neuroimage. 11 (2), 87-97 (2000).
- Zande, F. H., Hofman, P. A., Backes, W. H. Mapping hypercapnia-induced cerebrovascular reactivity using BOLD MRI. Neuroradiology. 47 (2), 114-120 (2005).
- Kastrup, A., Kruger, G., Neumann-Haefelin, T., Moseley, M. E. Assessment of cerebrovascular reactivity with functional magnetic resonance imaging comparison of CO(2) and breath holding. Magn Reson Imaging. 19 (1), 13-20 (2001).
- Bright, M. G., Donahue, M. J., Duyn, J. H., Jezzard, P., Bulte, D. P. The effect of basal vasodilation on hypercapnic and hypocapnic reactivity measured using magnetic resonance imaging. J Cereb Blood Flow Metab. 31 (2), 426-438 (2011).
- Slessarev, M., et al. Prospective targeting and control of end-tidal CO2 and O2 concentrations. J Physiol. 581 (3), 1207-1219 (2007).
- Wise, R. G., et al. Dynamic forcing of end-tidal carbon dioxide and oxygen applied to functional magnetic resonance imaging). J Cereb Blood Flow Metab. 27 (8), 1521-1532 (2007).
- Yezhuvath, U. S., Lewis-Amezcua, K., Varghese, R., Xiao, G., Lu, H. On the assessment of cerebrovascular reactivity using hypercapnia. BOLD MRI. NMR Biomed. 22 (7), 779-786 (2009).
- Lu, H., et al. Alterations in cerebral metabolic rate and blood supply across the adult lifespan. Cereb Cortex. 21 (6), 1426-1434 (2011).
- Marshall, O., et al. Impaired cerebral vascular reactivity in multiple sclerosis measured with hypercapnia perfusion MRI. JAMA Neurology. In press, Forthcoming.
- Thomas, B. P., et al. Life-long aerobic exercise preserved baseline cerebral blood flow but reduced vascular reactivity to CO2. J Magn Reson Imaging. 38 (5), 1177-1183 (2013).
- Liu, P., et al. Age-related differences in memory-encoding fMRI responses after accounting for decline in vascular reactivity. Neuroimage. 78, 415-425 (2013).
- Liu, P., et al. A comparison of physiologic modulators of fMRI signals. Hum Brain Mapp. 34 (9), 2078-2088 (2013).
- Zappe, A. C., Uludag, K., Oeltermann, A., Ugurbil, K., Logothetis, N. K. The influence of moderate hypercapnia on neural activity in the anesthetized nonhuman primate. Cereb Cortex. 18 (11), 2666-2673 (2008).
- Xu, F., et al. The influence of carbon dioxide on brain activity and metabolism in conscious humans. J Cereb Blood Flow Metab. 31 (1), 58-67 (2011).
- Thesen, T., et al. Depression of cortical activity in humans by mild hypercapnia. Hum Brain Mapp. 33 (3), 715-726 (2012).
- Lu, H., Golay, X., Pekar, J. J., Van Zijl, P. C. Functional magnetic resonance imaging based on changes in vascular space occupancy. Magn Reson Med. 50 (2), 263-274 (2003).
