Abstract
脳は、異なる領域が異なる時間に血液供給の異なる量を必要とすると、空間的に不均一で時間的に動的な器官である。したがって、拡張または収縮する血管の能力、脳、血管、反応性（CVR）として知られているが、血管機能の重要なドメインを表す。この動的な性質を表す画像化マーカーは、脳卒中、認知症、アテローム性動脈硬化症、小血管疾患、脳腫瘍、外傷性脳損傷、多発性硬化症などの正常および病的条件下では、脳血管の新たな情報を提供する。ヒトにおいて、このタイプの測定を行うためには、定量的な脳の磁気共鳴画像（MRI）を回収している間および/ またはO 2ガス混合物は、CO 2などの血管作動性刺激を送達することが必要である。本研究では、MR互換性のガス送出システムと特殊ガスの混合物（ 例えばの送達を可能に関連するプロトコルを提示し、 2、CO 2、N 2、およびそれらの組み合わせ）被験者は、MRIスキャナの内側に横たわっている。このシステムは、経済的、比較的簡単であり、かつ使いやすく、かつ実験的なプロトコルは、神経疾患との両方の健康なボランティアと患者のCVRの正確なマッピングが可能。このアプローチは、広範な臨床用途および脳血管の病態生理学のより良い理解に使用される可能性がある。ビデオでは、我々はMRIスイート、どのように人間の参加者に完全な実験を行っ内部のシステムを設定する方法を示します。
Introduction
脳は全体重の約2％に相当するが、総エネルギー1の約20％を消費する。驚くことではないが、十分かつ慎重に調整された血液供給は、脳が正常に機能するため、この高エネルギー需要とを満たすために非常に重要です。さらに、脳の異なる領域が異なる時間に血液供給の異なる量を必要とすると、空間的に不均一で時間的に動的な器官である。従って、血液供給の動的調節は、ヒトの脳循環に重要な要件を表す。幸いなことには、血管がちょうどパイプ材ではなく、血管の重要な機能は、脳及び生理的条件2の需要に基づいて拡張及び収縮されることが知られている。
脳 - 血管 - 反応性（CVR）として知られている血管のこの機能的特性は、血管の健康の有用なインジケータであると考えられ、いくつかの神経conditioにおける用途を見出すことができる卒中3、痴呆4、アテローム性動脈硬化症5、小血管疾患6、脳腫瘍7、モヤモヤ病8、および薬物中毒9ナノ秒。生理学および麻酔の文献で は（ 例えば、CO 2の少量の吸入）が血管反応10-13を監視しながら、動脈血CO 2レベルを変化させることにより、CO 2ガスは、強力な血管拡張剤であるため、CVRを評価することができることが知られている。イメージングと放射線医学分野では、MRIを用いCVRマッピングが急速に多くの基本的な科学者や臨床医8,14-19ための関心の新しいマーカーとして浮上している。これは通常、多くの血管応答は血管作動性チャレンジによって誘導されるかを調べることによって推定される。しかし、実験プロトコルのガス送出システムと標準化における技術的な進歩が必要とされている。 MRIスキャナ内部の対象に特別なガス混合物を提供することは些細な、特別な考慮事項はありませんMRI対応設計のために必要とされる。特別な考慮事項は、MRI互換のガス供給システムを設計する際に必要とされる。これらの特別な考慮事項は、1）すべてのコンポーネントは、（金属はMRI内では使用できません）、非金属でなければなりません。 2）システムは、MRIシステムとそのヘッドコイルが許可されていることを小さな空間内で動作するはずです。 MRIスキャナは、必要に応じ3）システムが無い不快感、座っするのではなく）（横たわっダウン位置で動作するはずです。 4）そのような呼気終末CO2（EtCO2の、動脈血中のCO2含有量の近似値）と動脈血酸素飽和度などの関連する生理学的パラメータは、タイミング精度を秒で正確に記録し、分析用にコンピュータに保存されるべきである。これらの問題は、CVRマッピングの適用範囲を制限することができる。
本稿では、被験者がMRIスキャナの内側に横たわっている間インスピレーションガスの含有を変調するために総合的なガス供給システムを使用して実験プロトコルを提示した。私達このアプローチをる、研究者は、非侵襲的に最小限の不快感やバルク運動に参加者に血管作動性刺激を適用することができます。生理的パラメータおよびMRI画像は、室内空気と高炭酸ガス呼吸の交互ブロック（ブロックあたり1分）から構成されていた約9分の全期間、中に記録された。代表的な結果を提示されている。潜在的な用途と制限事項が説明されています。
Protocol
注：プロトコルは、テキサス大学サウスウエストメディカルセンターの施設内倫理委員会によって承認された。
実験前にガス供給システムと準備手順の1.ダイアグラム
- ガス送達システム（ 図1）の図を確認します。 5％のCO 2、21％O 2、および74％のN 2を含む医療グレードのガス混合物で200 Lダグラスバッグ（項目＃1）を入力します。
- 一方通行のガスの流れを確保するために、2つのダイヤフラム（項目＃4）双方向の非再呼吸弁（項目＃3）で開催。これは磁石の部屋に二方弁とガス充填ダグラスバッグ（項目＃1）を組み立て持参。
- 二方弁（項目＃3）の入力端にガス供給チューブ（項目＃7）を接続します。重量サポートのためのヘッドコイルの側にガス供給チューブ（項目＃7）を取り付けます。ガス充填ダグラスにガス供給チューブ（商品番号7）のもう一方の端を接続バッグ（項目＃1）。
- マウスピース（項目＃5）肘コネクタを介してU字管（商品番号12）に（ガスサンプリングポート付き商品番号13密封された）を接続します。
- 別のエルボーコネクタ（項目＃13）を介してU字管（商品番号12）にガスサンプリングチューブ（項目＃9）を接続します。
- ガスサンプリングチューブ（項目＃9）のもう一方の端にある小さなエアフィルター（商品番号11）を接続します。 CO 2（項目＃14）へのエアフィルター（商品番号11）のもう一方の端を接続し監視する。
- MRIスイートの制御室では、CO 2（商品番号14）と、パルス酸素濃度計（商品番号15）モニターの電源をオンにします。 CO 2モニターの自動キャリブレーションを実行します。
- USBポートを使用してラップトップにモニターを接続します。モニターと通信し、ハイパーターミナルソフトウェアを開きます。回「タイマ時間を書き留めやモニター対応するタイマーで時間」をモニターを同期させます。タイマー時間とモニターの時間の違いは、データのプロで会計処理されますcessing（ステップ4.4）。
- バーの一端が磁石室内にあり、他方端が制御室にあるように導波路に信号伝達棒の一端を挿入する。
注：シグナルバーが三方弁（項目＃2）の切り替えが必要なスキャン中にマグネットルーム内研究者に通知するために使用される。
実験中の2.手順
- MRIのテーブルの上に横に件名を掲載したが、まだ磁石ボアに彼/彼女を入れないでください。彼らはスキャン中に不快感を感じる場合はナースコールボタンを押して、被写体を指示します。すべてのグリースを除去するためのウェットティッシュのクリーニングピースと彼/彼女の鼻を拭くために件名を依頼。
- 対象は、口で息をすると呼吸リズムを確立し、維持するように指示。その後、被写体にノーズクリップ（項目＃6）を適用する。
- エル経由二方弁（項目＃3）の中間ポートにU字管（商品番号12）の開放端を接続します弓コネクタ（商品番号13）。
- 対象は、マウスピースを介して呼吸することができるように、静かに被験者の口にマウスピースを置く。静かに、被験者の指の先端にパルス酸素濃度計（商品番号15）の指センサーを取り付ける。
- 被検者の頭部が頭部コイルのアイソセンタにあることを確認してください。磁石ボアの内側に、彼/彼女を配置するためにMRIテーブルを操作します。
- 1研究者が被写体を監視します（Item＃1）ダグラスバッグに三方弁を切り替えるために準備することマグネットルーム内に留まることを確認してください。研究者は耳栓やMRIのノイズを遮断するためにヘッドセットを装着していることを確認します。
- 磁石の部屋のドアを閉じ、、制御室に、ETCO 2と動脈血酸素飽和画分（SO 2）CO 2（商品番号14）に表示されるパラメータおよびパルス酸素濃度計（商品番号15）モニターをチェックしてください。ラップトップ上のパラメータの記録を開始します。
- 使用してスキャンを開始するためのMRIオペレータに指示血液酸素化レベル依存（BOLD）シーケンス。 3T MRIスキャナの場合は、BOLD撮像パラメータは、以下のとおりです。TR / TE = 1500/30ミリ秒、フリップ角= 60°、視野= 220 X 220ミリメートル2のフィールド、行列= 64×64、29スライス、= 5ミリメートルの厚さ、スライス、361ボリュームの間に隙間はありません。バルブの切り替えのタイミングが上場している事前準備されたシートを確認し、スイッチが必要なときに優しく、シグナリングバーをスイング。心拍数、SO 2、及びETCO 2を含む、被験者の生理機能に細心の注意を払ってください。
- さて、磁石ルーム内に、被写体が鼓舞ガスの種類を制御シグナリングバーの動きに基づいて（項目＃1）ダグラスバッグに切り替える。
- 研究の長さのために、この手順を続行します。 9分撮像期間中は、バルブの切り替えが毎分約1回行われることを確保する。スイッチのタイミングは限りEtCO2の時間経過が記録されるように、正確に精密である必要はないことに注意してください。<BR />注：対象は、スキャン時にナースコールボタンを押すと、スキャンは中止され、被験者はすぐに磁石ボアの外に移動されます。研究者は、被験者からマウスピースとノーズクリップを削除します。
- スキャンが完了すると、被写体を通知するためにインターホンを使用してください。 MRIテーブルを引き出します。すべての唾液を拭くために対象にクリーニングティッシュを提供しながら、ゆっくりと、被写体からのノーズクリップとマウスピースを取り外します。静かに、被写体からのパルス酸素濃度計の指センサーを取り外します。対象は、その後座るとMRIテーブルをオフに取得することができます。
実験後の3のクリーンアップ手順
- ガスサンプリングチューブ（項目＃9）、エアフィルター（商品番号11）、マウスピース（項目＃5）と、ノーズクリップ（項目＃6）を破棄します。
- 再利用可能なコンポーネントを清掃してください。他の成分から二方弁（項目＃3）を外し、バルブからダイヤフラム（項目＃4）を削除。双方向ソークそのような20分間のコンテナ内Bacdown用洗剤消毒剤などの界面活性剤を含むバルブ（項目＃3）、ダイアフラム（項目＃4）、濃縮無リン消毒剤でU字管（商品番号12）、。洗剤、消毒剤及び蒸留水の希釈率が1:64である。
- 蒸留水で完全に3.2で説明した項目をすすぐ。
- 圧縮空気でU字管（商品番号12）を乾燥させます。明確なカウンターに二方弁（項目＃3）、ダイアフラム（4項目＃）を配置し、それらを乾燥、自然と完全に許可する。
- ダグラスバッグを空にします。シグナリングバーとグレーチューブを離れて置きます。
計算CVR地図へ4.データ解析
- DICOMファイルフォーマットまたは他のベンダー固有の形式でMRIデータを保存します。各ファイルは一つの時間点に対応する3Dボリューム（ 例えば、BOLD画像）を含有する、ラボコンピュータにデータを転送し、ボリュームごとのボリュームのファイル系列にデータを変換する。
- 前処理された画像データ。再編、正規化、およびソフトウェアの統計的パラメトリックマッピング（SPM）が提供するライブラリ関数を呼び出すスクリプトを使用して平滑化を含む画像前処理の手順を実行します。 MATLABスクリプトの例については、補足コードファイル1を参照してください。
- CO 2記録を読み取るために、スクリプトを使用して予め較正量だけ時間的経過をずらしてサンプリングチューブの遅れを補正する（ 例えば、マウスピースと1つの呼吸の間の時間差として決定され、この設定で12秒CO2の記録上のその息）の外観、および生の時系列のエンベロープ（正のピーク）であるEtCO2のを抽出。 MATLABスクリプトのために補足コードファイル2を参照してください。
- 同期タイマーに基づいて、セグメントETCO 2のデータは、25秒からの事前の最後の画像取得後100秒に最初の画像取得にのみ記録を維持する。 ETCO 2時間のコースです血管系への入力機能と、後述する線形回帰分析における独立変数として使用される。
- 時間シフトを変化させて、これら二つのタイムコースの間の相互相関係数（CC）を算出し（肺で測定）のEtCO 2および（脳で測定）MRI信号との間の生理学的な遅延を識別する。より高いCCを与えるシフト値は、最適な時間とみなされる。
- のEtCO 2時間経過が最適な遅延によってシフトされ、MRI信号のそれと一致する唯一の時点は、MRI信号と同じ長さで時系列的に得られ、保存される。
- シフトEtCO2のタイムコースは独立変数であり、MRI信号の時間経過が従属変数であるSPMを用いたボクセルの線形回帰を行う。
- CVRのボクセルマップを計算します
ここで、（i、j、k）をtとする彼はβ1はEtCO2のとβ0に関連した回帰係数は定数項に関連した回帰係数である、インデックスボクセル。 分（ETCO 2）は時間経過でETCO 2の最小値です。
Representative Results
2つのタイプのデータが、提案されたプロトコル、生理学的記録およびMR画像を収集される。代表的な被験者からの生理的パラメータの2及び図3の記録を示す。図2のブラックトレースは、マウスピースの近くにサンプリングされた空気中のCO 2含有量を表し、CO 2モニターによって記録されたCO 2時間経過を表示します。このトレースは、時間の関数として急激に変動することに注意してください。呼吸サイクルの吸入相の間に、この記録が吸入空気中のCO 2含有量を反映し、呼気相の間、この記録は呼気中のCO 2含有量を反映しているからである。このように、各呼吸サイクルの上限ピークは、呼吸終期CO 2またはのEtCO 2は 、約動脈血中のCO 2濃度として使用することができ、肺、中のCO 2含有量を表すと呼ばれる。目に注意してください動脈血中のCO 2濃度で血管拡張反応の駆動力、 すなわち、入力された関数である。 CO 2のトレース（ 図2の赤い曲線）のピークは、手動検査および訂正と組み合わせて、各呼吸の間にピークを検索する検出アルゴリズムを描写した。これは、部分的な呼吸の急激なピークを除去するために、脳血管への肺血管からの流れの過程で血液の混合を説明するためにメディアンフィルタ処理を行った。最終のEtCO 2時間経過は図2の緑色の曲線で示され、それはCVRの計算に使用される。
図3は、呼吸数、動脈血酸素飽和率（SO 2）、および心拍数の推移を示している。 SO 2及び心拍数は、パルス酸素濃度計から得ている間、呼吸速度は、CO 2モニタから得られる。 sであることができるようなEEN、これらのパラメータは高炭酸ガスの挑戦との体系的な変化を示していない。したがって、肺中のO 2分圧が緩やかに増加し、対象における過換気を引き起こすないよう高炭酸ガスに注意してください。しかし、血中ヘモグロビンが既に大部分が室内空気の呼吸で飽和するように2への影響は軽微であり、酸素解離曲線は、その範囲内ではなく平坦である。
図4は 、実験の異なる時点での代表的なBOLD MR画像を示す。 （任意のMR単位）の平均信号強度も示す。これは、脳内のBOLD信号はCO 2吸入との増加を示すことがわかる。室内空気とCO 2の期間との間の信号の差の振幅が1〜3％程度であることに留意されたい。
生理学的記録とMR画像からのデータを組み合わせる、ボクセルCVRマップを計算することができる。 図5に示す代表結果の優れた再現性を実証する5異なる日にスキャンされた健常者の、（mmHgのCO 2変化当たり％の信号変化の単位）CVRマップ。提案された技術は、これまで、アルツハイマー病4、多発性硬化症21、運動トレーニング20,22老化の研究に適用されている。
図1.ガス送出システムの図。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
代表主題デュから図2. CO 2時間経過実験を鳴らす。室内空気呼吸期間（左下）および5％CO 2吸入期間（右下）のために示されているCO 2モニターによって記録されたように呼吸ごとのCO 2含有量トレースのセグメント。抽出されたETCO 2時間のコースが着色曲線に示されています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3は、実験中の代表的な被験体からの生理パラメータを録画（A）、呼吸速度（拍毎分呼吸）被験者の時間経過。（B）は 、被写体の2（％）の時間経過。（C）ハート率（BPM、分あたりのビート）被験者の時間経過。被写体がある 図1と同様の1。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図実験の異なる時間に4。代表的なBOLD MR画像。表示された脳切片の平均シグナル強度（MNI空間での軸方向のスライス＃54）は、一番下の行に示されたされている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図代表被験者から5。代表的なCVRマップ。.jove.com /ファイル/ ftp_upload / 52306 / 52306fig5large.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
Discussion
このレポートでは、MR-互換性のあるガス供給システムと、人間の脳内の血管反応性のマッピングを可能にする総合的な実験プロトコルを発表した。ガス送出システムの概略図を図1に示されている。MRIスキャナ室内のすべての部品は、プラスチック、それらのMRI適合性を確保するためである。システムは、概念的に、ガス吸気サブシステム（袋、送達チューブ、二方弁）、呼吸インターフェイスサブシステム（ノーズクリップ、マウスピース、U字管）を含む三つのサブシステムに分割することができ、かつ監視サブシステム（CO 2濃度、酸素飽和度、心拍数、呼吸数）。ガス吸気サブシステムは、ガスは二方弁に到達するために吸入することを可能にする。空気を吸入するが、呼気だけでなく、このサブシステムを通って流れることになる。呼吸インターフェイスサブシステムは、被験者が意図したガスにして息を吐き出すことができます。両方の吸入及び呼気ガスは、このサブシステムを通って流れることになる。 monitoringのサブシステムは、したがって、呼吸インターフェイスサブシステムに沿った点でガスをサンプリングする必要がある。
この技術の臨床応用は、脳卒中、アテローム性動脈硬化症、モヤモヤ病、血管性認知症、多発性硬化症、脳腫瘍などの神経疾患、脳血管予備の評価を含むことができる。技術はまた、神経活動23,24をよりよく定量化するためのfMRI信号を正規化または較正するための機能的MRI研究に使用することができる。
提案されたシステムおよび実験プロトコルの重要な特徴は、最小限の動きまたは不快感を引き起こしながら、ガス混合物は、被験体に送達することができることである。したがって、U字管（商品番号12）は（それの端部に接続口金）が自然に被験者の口の中に下向きに収まるように配置することが重要である。この方法は、被験体は、保持またはマウスピースを支持するために彼の顔の筋肉を使用する必要がない。また、インポートされ対象は、マウスピースが自分の口の中にある間に話をすることができなくなりますので注意してくださいするにはアリ。そのため、研究者は質問のトーンを有する対象に話を避けるべきである。その代わりに、唯一の明確な、決定的な命令が与えられるべきである。さらに、研究者は、実験の全過程の間、生理的パラメータ（ 例えば、ETCO 2、SO 2、心拍数、呼吸数）に細心の注意を払う必要がありますし、1または生理的パラメータの複数が典型的な範囲外に逸脱したときに迅速に対応。
文献で 使用される他のガス送達システムの徹底的な調査は、この記事の範囲を超えているが、それは少数の一般的に使用されるもの17,18に現在のシステムを比較することが有用です。主な違いは、私たちのシステムは他のほとんどのシステムがデザインのマスクを使用しているが意図されたガスを提供するためにマウスピースを使用していることです。マスクを使用することの潜在的な合併症は、2つの折り目である。まず、マスクoをスペースのかなりの量をccupies、それは常に多くの科目のために、彼らの鼻がほとんどであってもマスクなしヘッドコイルに触れるだろう、ことを考えると、ヘッドコイルの内側にタイトな空間にマスクをフィットすることが実現可能ではないかもしれません。これは、特に、通常、被検者の頭部にしっかりとフィットするように設計された高感度を達成するために意図された頭部コイルの場合である。マスク設計に関連する第合併症は、吸入及び吐き出されたガスの実質的な混合をもたらすマスク内部に大きなスペースがあることである。したがって、理想的に吐き出されたガスのみに基づくべきであるのEtCO 2の測定の精度に影響を及ぼす可能性がある。正確のEtCO 2は CVRマップの信頼性にとって重要なことは勿論である。他の多くのシステムと比較して我々のシステムのもう一つの大きな違いは、私たちのシステムは、バッグの代わりに、ガソリンタンクからガスを提供することである。したがって、タンクが続きで貴重なスペースを節約し、スキャナ領域に必要とされない MRIスイートのROL室。我々の設計では、スキャン開始前にバッグを持参し、スキャン後に、バッグは、空に折り畳まれ、そして片付ける。最後に、いくつかの他のシステム18,21に比べて、現在のガス送達システムは単純であり、より少ないトレーニング時間を必要とし、その消耗品が安価である。
なお、このレポートに記載のプロトコルは、主に、CO 2吸入に焦点を当ててきた提示ガス送達システムは他のガス混合物（ 例えば、O 2、CO 2の任意の画分のいずれかの画分の送達を可能にする、任意のが、ことを指摘すべきであるsは/彼はMRIスキャナーの中に横たわっている間に彼らが呼吸するためにヒトにN 2、およびそれらの組み合わせ）の割合。一つには、脳波図（EEG）、磁図（MEG）、ポジトロン放出断層撮影（PET）、または最適なイメージングに関連して、例えば、MRIのコンテキストの外部ガス送出システムを使用することができる。
撮像パラメータの推奨を提供する場合_content ">は、主にBOLDシーケンスに焦点を当てている。潜在的にCVRのマッピングに使用することができる他の配列は、動脈スピンラベリング脳血流（CBF）の定量的尺度を提供する（ASL）MRI、ある生理学的な単位（毎分100gの組織当たりミリリットルの血液）であるため、ASLベースCVRマッピングの利点は、血流の組み合わせ効果を反映BOLD信号とは異なり、結果は解釈が容易であることで、血液量、ならびにCO 2のチャレンジ25-27中の脳代謝の変化の可能性の寄与であるが、ASL法の制限は、その感度がBOLD 28のそれよりも数倍低いことである。その結果、我々の経験は、現時点では、それがあることであるASLを使用して、個々のレベル、ボクセルCVRマップを得るために非常に挑戦的であるため、CVRの応用研究のために、我々は、主にBOLDシーケンスを使用し、ひいてはのouこの技術に焦点を当てるR勧告。本発明の方法の1つの制限は、（ノーズクリップによって）ブロックされた鼻とマウスピースを介して呼吸が完全に自然ではなく、一部の被験者（特に、患者が）不快感の源としてこれを認識することができることである。マウスピースと鼻クリップで呼吸することも閉所恐怖症感を悪化させる可能性がある。さらに、対象は、原因だけ口で呼吸に口渇が発生する可能性があります。したがって、研究者が迅速に実験を完了するために彼のベストを尽くすことをお勧めします。最後に、著者の経験に基づいて、上記の潜在的な不快感が一時的であるとすぐ実験が終了すると消えます、ことに注意することが重要です。
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 |
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