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).
המוח הוא איבר במרחב ובזמן הטרוגנית דינמי, עם אזורים שונים דורשים כמות אספקת דם שונה בזמן שונה. לכן, היכולת של כלי הדם להתרחב או להתכווץ, הידוע בשם מוחין וכלי הדם-Reactivity (CVR), מייצגת תחום חשוב של תפקוד כלי דם. סמן הדמיה המייצג רכוש דינמי זה יספק מידע חדש של כלי מוחי בתנאים בריאים וחולים כגון שבץ מוחי, דמנציה, טרשת עורקים, מחלות כלי שיט קטנות, גידול במוח, פגיעה מוחית טראומטית, וטרשת נפוצה. כדי לבצע סוג זה של מדידה בבני אדם, יש צורך לספק גירוי vasoactive כגון CO 2 ו / או תערובת גז O 2 ואילו מוח כמותי תמונות בתהודה מגנטיות (MRI) הנאספות. בעבודה זו, שהצגנו מערכת MR תואמת גז-אספקה והפרוטוקול קשור המאפשר המשלוח של תערובות גז מיוחד (למשל, </em> O 2, CO 2, N 2, והשילובים שלהם) ואילו הנושא שוכב בתוך סורק MRI. מערכת זו היא יחסית פשוטה, חסכונית, וקלה לשימוש, ופרוטוקול הניסוי מאפשר מיפוי מדויק של CVR בשני מתנדבים בריאים וחולים עם הפרעות נוירולוגיות. גישה זו יש הפוטנציאל לשמש ביישומים קליניים רחבים ובהבנה טובה יותר של כלי דם במוח הפתופיזיולוגיה. בסרטון, אנו מדגימים כיצד להגדיר את המערכת בתוך חבילת MRI וכיצד לבצע ניסוי מלא על משתתף אנושי.
המוח מהווה כ -2% מכלל משקל הגוף, אך צורך כ -20% מכלל האנרגיה 1. שלא במפתיע, אספקת דם מספקת ומוסדרת בזהירות היא קריטית כדי לענות על ביקוש זה אנרגיה גבוהה ולמוח כדי לתפקד כראוי. יתר על כן, המוח הוא איבר במרחב ובזמן הטרוגנית דינמי, עם אזורים שונים דורשים כמות אספקת דם שונה בזמן שונה. לכן, אפנון דינמי של אספקת דם מייצג דרישה חשובה במחזור המוח אנושי. למרבה המזל, זה ידוע כי כלי דם אינם רק צינורות קשיחים ושהתפקיד חשוב של כלי דם הוא להתרחב ולהתכווץ מבוסס על הביקוש של המוח ותנאים פיסיולוגיים 2.
רכוש פונקציונלי זו של כלי השיט, הידוע בשם מוחין וכלי הדם-Reactivity (CVR), נחשב לindictor שימושי של בריאות כלי דם ועלול למצוא את היישומים בכמה conditio נוירולוגיותns כגון שבץ 3, 4 דמנציה, טרשת עורקים 5, מחלות כלי שיט קטנות 6, גידול במוח 7, מויה מויה 8, וסמי התמכרות 9. בפיזיולוגיה ובספרות הרדמה, ידוע כי, משום שגז CO 2 הוא vasodilator חזק, ניתן להעריך CVR על ידי שינוי CO 2 רמת עורקים (למשל, שאיפה של כמות קטנה של CO 2) תוך מעקב תגובות של כלי דם 10-13 . בתחום ההדמיה ורדיולוגיה, מיפוי CVR באמצעות MRI במהירות מתפתח כסמן חדש של עניין עבור רבים מדענים ורופאים 8,14-19 בסיסיים. בדרך כלל זה מוערך על ידי בחינה כמה תגובה של כלי דם נגרמת על ידי אתגר vasoactive. עם זאת, יש צורך בהתקדמות טכנית במערכת אספקת הגז וסטנדרטיזציה של פרוטוקול ניסוי. אספקת תערובת גז מיוחדת לנושא בתוך סורק MRI היא לא שיקולים של מה בכך ומיוחדיםנדרשים לעיצוב MRI תואם. שיקולים מיוחדים נדרשים בעיצוב מערכת אספקת גז MRI תואמת. שיקולים מיוחדים אלה כוללים: 1) כל הרכיבים חייבים להיות לא-מתכתיים (מתכת לא יכולה לשמש בתוך MRI); 2) המערכת צריכה לעבוד בתוך חלל קטן שמערכת MRI וסליל ראשה לאפשר; 3) המערכת צריכה לעבוד עם מצב של שכיבה (כמו סורק MRI דורש) במקום לשבת למעלה, ללא חוסר נוחות; 4) פרמטרים פיסיולוגיים רלוונטיים, כגון CO2 הסוף-גאות ושפל (EtCO2, קירוב של תוכן CO2 בדם העורקים) וריווי חמצן עורקים, יש לרשום בצורה מדויקת עם שניות של דיוק עיתוי ומאוחסנים במחשב לשימוש ניתוח. בעיות אלה עלולות להגביל את היקף היישומים של מיפוי CVR.
בדוח זה, שהצגנו פרוטוקול ניסוי שמשתמש במערכת אספקת הגז מקיפה לווסת את התוכן של גז השראה בעוד הנושא שוכב בתוך סורק MRI. שלנוing גישה זו, החוקר יכול הלא פולשני להחיל גירוי vasoactive למשתתף עם אי נוחות מינימאלית או תנועה בתפזורת. פרמטרים פיסיולוגיים ותמונות MRI נרשמו במהלך כל התקופה של כ -9 דקות, שהייתה מורכבות מלוקים לסירוגין (1 דקות לכל בלוק) של חדר-אוויר ונשימה גז hypercapnic. נציגי תוצאות מוצגות. יישומים ומגבלות פוטנציאליים הם דנו.
דוח זה מוצג מערכת אספקת גז MR-תואם ופרוטוקול ניסוי מקיף המאפשר המיפוי של תגובתיות כלי דם במוח האנושי. תרשים של מערכת אספקת הגז מתואר באיור 1. כל החלקים בתוך חדר סורק MRI הם פלסטיק כדי להבטיח תאימות MRI שלהם. המערכת יכולה להיות מחולקת מבחינה רעיונית לשלוש תת-מערכות, הכולל תת-מערכת צריכת גז (תיק, צינור אספקה, שסתום דו-כיווני), תת-מערכת ממשק נשימה (קליפ האף, שופר, צינור בצורת U), ו תת-מערכת ניטור (CO 2 ריכוז, ריווי חמצן, קצב לב, קצב נשימה). תת-מערכת צריכת הגז מאפשרת הגז על מנת שינשום להגיע הסתום דו-כיווני. בשאיפה רק אוויר, אבל לא נשפו אוויר, יזרום דרך תת-מערכת זו. תת-מערכת ממשק הנשימה מאפשרת את הנושא לנשום פנימה והחוצה הגז המיועד. שני הגז נשם ונשף יזרום דרך תת-מערכת זו. Monitorinתת-מערכת g ולכן צריכה לטעום את הגז בנקודה לאורך תת-מערכת ממשק נשימה.
יישומים קליניים של טכניקה זו עשויים לכלול הערכות של כלי דם במוח במילואי מחלות נוירולוגיות כגון שבץ מוחי, טרשת עורקים, מויה מויה, דמנציה וסקולרית, טרשת נפוצה, וגידול במוח. גם הטכניקה יכולה לשמש במחקרי MRI תפקודיים לנרמל או לכייל אות fMRI לכימות טוב יותר של פעילות העצבית 23,24.
תכונה חשובה של המערכת המוצעת ופרוטוקול ניסוי היא שתערובת הגז יכולה להיות מועברת לנושא, תוך גרימת תנועה או אי נוחות מינימאלית. לכן, זה קריטי למקום צינור U-צורה (פריט # 12) באופן שבו (והשופר מחובר לקצה שלו) באופן טבעי נופלים כלפי מטה לתוך פיו של הנושא. בדרך זו, הנושא לא צריך להשתמש בשרירי הפנים שלו להחזיק או לתמוך בשופר. זה גם יבואנמלה להיות מודע לכך שהנושא לא תוכל לדבר בזמן שהשופר הוא בפה שלהם. לכן, החוקר צריך להימנע מלדבר על הנושא עם צליל שאלה. במקום זאת, יש לתת הוראות ברורות רק, סופיות. בנוסף, חוקר צריך לשים לב לפרמטרים הפיסיולוגיים (למשל, EtCO 2, אז 2, קצב לב, קצב נשימה) בכל המהלך של הניסוי ויגיב מייד כאשר אחד או יותר מהפרמטרים הפיסיולוגיים לסטות מחוץ לטווח האופייני .
בעוד סקר מקיף של מערכות אספקת גז אחרות המשמש בספרות הוא מעבר להיקף של מאמר זה, הוא שימושי כדי להשוות את המערכת הנוכחית לכמה אלה נפוצים 17,18. הבדל עיקרי הוא שהמערכת שלנו משתמשת בשופר כדי לספק את הגז המיועד בעוד שרוב המערכות אחרות השתמשו מסכה בעיצוב. הסיבוכים האפשריים של שימוש במסכה שני קפלים. , O מסכה ראשונהccupies כמות משמעותית של מרחב, וזה אולי לא תמיד להיות ריאלי כדי להתאים את המסכה אל תוך החלל ההדוק בתוך סליל הראש, בהתחשב בכך ש, לנושאים רבים, אפם היה כמעט לגעת בסליל הראש גם ללא מסכה. הדבר נכון במיוחד במקרה של סלילי הראש נועדו להשיג רגישות גבוהה, אשר בדרך כלל מתוכננים להתאים היטב לראשו של הנושא. סיבוך שני קשורים לעיצוב מסכה הוא שיש חלל גדול בתוך המסכה שתוצאת הערבוב משמעותי של גז נשם ונשף. כתוצאה מכך, זה יכול להשפיע על הדיוק של מדידת EtCO 2, אשר באופן אידיאלי צריך להיות מבוססת על גז ננשף בלבד. מדויקים EtCO 2 הוא כמובן חשוב לאמינות של מפת CVR. הבדל חשוב נוסף של המערכת שלנו בהשוואה למערכות רבות אחרות הוא שהמערכת שלנו מספקת את הגז משקית במקום מיכל דלק. לכן, אין צורך בטנקים באזור הסורק, כדי לחסוך מקום יקר בהמשך רול חדר של חבילת ה- MRI. בעיצוב שלנו, אנחנו מביאים את התיק לפני תחילת הסריקה ו, בעקבות הסריקה, השקית מתרוקנת, מקופלת, ולשים בצד. לבסוף, בהשוואה למספר מערכות אחרות 18,21, מערכת אספקת הגז הנוכחית היא פשוט יותר, דורש זמן הכשרה פחות, וחומרים שלה הם פחות יקרים.
יש לציין, כי על אף הפרוטוקול המובא בדוח זה מתמקד בעיקר בCO 2 שאיפה, מערכת אספקת הגז שהוצגה מאפשרת המשלוח של תערובות גז אחרות (למשל, כל חלק של O 2, חלק כלשהו של CO 2, כל שבריר של N 2, והשילוב שלהם) לאדם עבורם לנשום בזמן הוא / היא שוכב בתוך סורק MRI. אפשר גם להשתמש במערכת אספקת הגז מחוץ להקשר של MRI, למשל בשיתוף עם אלקטרואנצפלוגרם (EEG), magnetoencephalogram (MEG), טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET), או הדמיה אופטימלית.
_content "> כאשר מתן המלצת הפרמטרים הדמיה, יש לנו התמקדתי בעיקר ברצף BOLD. רצף נוסף שיכול להיות פוטנציאל בשימוש במיפוי CVR הוא תיוג ספין עורקים (ASL) MRI, המספק מדד כמותי לזרימת דם במוח (CBF) ביחידות פיזיולוגיות (מיליליטר דם לכל 100 גרם רקמה לדקה). לכן, יש את היתרון של מיפוי CVR מבוסס ASL הוא שהתוצאות הן קלים יותר לפרש, שלא כמו אות BOLD המשקפת השפעה משולבת של זרימת דם, נפח דם, כמו גם תרומות אפשריות של שינויים מטבוליים במוח במהלך CO 2 האתגר 25-27. עם זאת, הגבלה של טכניקת ASL היא שהרגישות שלה היא כמה קפלים נמוך מזה של 28 BOLD. כתוצאה מכך, הניסיון שלנו הוא ש, בהווה, זה הוא המאתגר ביותר להשגה ברמת פרט, voxel-by-voxel מפת CVR באמצעות ASL. לכן, ללימודי יישום של CVR, אנחנו בעיקר להשתמש ברצף BOLD וכך גם להתמקד בטכניקה זו בouהמלצות r.מגבלה אחת של השיטה הנוכחית היא שהנשימה דרך שופר עם האף החסום (על ידי קליפ האף) היא לא טבעית לחלוטין וכמה נושאים (במיוחד חולים) עלולים לתפוס את זה כמקור של אי נוחות. נשימה עם קליפ השופר והאף יכולה גם להחמיר את התחושה של קלסטרופוביה. בנוסף, הנושא עלול להיתקל יובש בפה בשל נשימה דרך פה בלבד. לכן, מומלץ שהחוקר ינסה כמיטב יכולתו כדי להשלים את הניסוי במהירות. לבסוף, חשוב לציין כי, על סמך הניסיון של המחברים, אי הנוחות הפוטנציאלית שהוזכר לעיל היא חולפת ותיעלם ברגע שהניסוי יסתיים.
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 |