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).
Hjärnan är ett rumsligt heterogena och tidsmässigt dynamisk orgel, med olika regioner som kräver olika mängd blodtillförsel vid olika tider. Därför förmåga blodkärlen att vidgas eller tygla, känd som Cerebral-Vascular-reaktivitet (CVR), är ett viktigt område av vaskulär funktion. En bildmarkör som representerar denna dynamiska egenskapen kommer att ge ny information om cerebrala fartyg under normala och sjuka tillstånd såsom stroke, demens, åderförkalkning, små kärlsjukdomar, hjärntumör, traumatisk hjärnskada, och multipel skleros. För att utföra denna typ av mätning i människor, är det nödvändigt att leverera en vasoaktiv retning såsom CO2 och / eller O2 gasblandning medan kvantitativ hjärnan magnetresonansbilder (MRI) samlas in. I detta arbete presenterade vi en MR-kompatibel gas-leveranssystem och tillhörande protokoll som gör det möjligt att leverera special gasblandningar (t.ex. </em> O 2, CO 2, N 2, och deras kombinationer) medan motivet är beläget på insidan av MRI-scanner. Detta system är relativt enkel, ekonomisk och lätt att använda, och den experimentella protokollet medger noggrann kartläggning av CVR hos både friska frivilliga och patienter med neurologiska sjukdomar. Detta tillvägagångssätt har potential att användas i breda kliniska tillämpningar och bättre förståelse av hjärnans kärl patofysiologi. I videon visar vi hur du ställer in systemet inuti en MRT-rummet och hur du utför en fullständig experiment på en människa deltagare.
Hjärnan utgör ungefär 2% av den totala kroppsvikten, men med cirka 20% av den totala energi 1. Inte överraskande, är tillräckliga och noggrant reglerad blodtillförsel kritisk för att möta denna höga efterfrågan på energi och för hjärnan att fungera korrekt. Dessutom är hjärnan ett spatialt heterogen och tidsmässigt dynamisk orgel, med olika regioner som kräver olika mängd blodtillförsel vid olika tider. Därför, dynamisk modulering av blodtillförsel utgör ett viktigt krav i human hjärncirkulation. Lyckligtvis är det känt att blodkärlen är inte bara styva rör och att en viktig funktion hos blodkärlet är att vidga och tygla baseras på efterfrågan av hjärnan och fysiologiska förhållanden 2.
Denna funktionella egenskap av fartyget, som kallas Cerebral-Vascular-reaktivitet (CVR), tros vara en användbar indictor av vaskulär hälsa och kan finna tillämpningar i flera neurologiska conditions såsom stroke 3, demens 4, åderförkalkning 5, små kärlsjukdomar 6, hjärntumör 7, Moyamoyasjukdom 8, och narkotikamissbruk 9. I fysiologi och anestesiologi litteratur, är det känt att, eftersom CO2 gas är en potent vasodilaterande, kan CVR bedömas genom att ändra arteriella CO2-nivå (t.ex. inandning av en liten mängd CO2) under övervakning vaskulära reaktioner 10-13 . I bild och radiologi fält är CVR kartläggning med MRT snabbt fram som en ny markör av intresse för många grundforskare och kliniker 8,14-19. Det brukar uppskattas genom att undersöka hur mycket vaskulär respons induceras av en vasoaktiv utmaning. Det finns emellertid ett behov av tekniska framsteg inom gastillförselsystemet och standardisering av försöksprotokollet. Leverera speciell gasblandning till ett ämne inuti magnetkamera är inte triviala och särskilda övervägandenkrävs för en MR-kompatibel design. Särskilda överväganden krävs utforma MRI-kompatibla gas leveranssystem. Dessa särskilda överväganden är: 1) alla komponenter måste vara icke-metalliska (metall kan inte användas inuti MRI); 2) Systemet bör arbeta inom ett litet utrymme att MRI-systemet och dess huvud pole tillåter; 3) Systemet bör arbeta med en liggande ställning (som magnetkamera kräver) istället för att sitta upp, utan obehag; 4) relevanta fysiologiska parametrar, såsom endtidalt CO2 (EtCO2, en approximation av CO2-halten i det arteriella blodet) och arteriell syremättnad, bör registreras noggrant med sekunder av timing noggrannhet och lagras på en dator för analys bruk. Dessa frågor kan begränsa omfattningen av tillämpningar av CVR kartläggning.
I denna rapport presenterade vi ett experimentellt protokoll som använder en heltäckande gas leveranssystem för att modulera innehåll inspirerade gasen medan motivet ligger inne i magnetkamera. Ossing detta tillvägagångssätt, kan forskaren icke-invasivt tillämpa en vasoaktivt stimulans till deltagaren med minsta möjliga obehag eller bulk rörelse. Fysiologiska parametrar och MRI-bilder registrerades under hela perioden på cirka 9 minuter, som bestod av alternerande block (1 min per block) av rumsluft och hypercapnic gas andning. Representativa resultat presenteras. Potentiella tillämpningar och begränsningar diskuteras.
Rapporten presenteras en MR-kompatibel gas leveranssystem och en omfattande försöksprotokoll som möjliggör kartläggning av vaskulär reaktivitet i den mänskliga hjärnan. Ett diagram av gastillförselsystemet illustreras i figur 1. Alla delar inuti magnetkamera rummet är plast för att säkerställa deras MR-kompatibilitet. Systemet kan begreppsmässigt delas in i tre delsystem, inklusive ett gasintaget subsystem (påse, tillförselrör, tvåvägsventil), en andningsgränssnitts subsystem (näsklämma, munstycke, U-form rör), och en övervakningsundersystem (CO 2 koncentration, syremättnad, hjärtfrekvens, andningshastighet). Vid gasintaget undersystemet gör att gasen som skall inhaleras för att nå tvåvägsventil. Endast inandningsluften, men inte utandningsluft, kommer att strömma genom detta delsystem. Andnings gränssnittet undersystemet gör att motivet att andas in och ut den avsedda gasen. Både inandad och utandad gas kommer att strömma genom denna undersystemet. Den monitoring delsystem bör därför ta prov på gasen vid en punkt längs andnings gränssnittet delsystem.
Kliniska tillämpningar av denna teknik kan innefatta utvärderingar av hjärnans vaskulära reserv i neurologiska sjukdomar såsom stroke, ateroskleros, Moyamoyasjukdom, vaskulär demens, multipel skleros, och hjärntumör. Tekniken kan också användas i funktionella MRI-studier för att normalisera eller kalibrera fMRI signalen för en bättre kvantifiering av neural aktivitet 23,24.
Ett viktigt inslag i det föreslagna systemet och försöksprotokollet är att gasblandningen kan levereras till ämnet samtidigt som de orsakar minsta rörelse eller obehag. Därför är det viktigt att placera U-form röret (Post # 12) så att den (och munstycket är ansluten till slutet av det) faller naturligt nedåt i ämnet mun. På så sätt behöver ämnet inte behöver använda sin ansiktsmuskel att hålla eller stödja munstycket. Det är också importeraant att vara medveten om att ämnet inte kommer att kunna prata medan munstycket är i deras mun. Därför bör forskaren undvika att prata med motivet med en fråga ston. I stället bör endast tydliga, definitiva instruktioner ges. Dessutom bör en forskare ägna stor uppmärksamhet åt de fysiologiska parametrar (t.ex. EtCO 2, SO2, hjärtfrekvens, andningsfrekvens) under hela loppet av experimentet och svara snabbt när en eller flera av de fysiologiska parametrar avviker utanför det typiska området .
Medan en uttömmande undersökning av andra gas leveranssystem som används i litteraturen är utanför ramen för denna artikel, är det bra att jämföra det nuvarande systemet till ett fåtal som vanligen används och kära 17,18. En stor skillnad är att vårt system använder ett munstycke för att leverera den avsedda gasen medan de flesta andra system har använt en mask i design. De potentiella komplikationer med att använda en mask är två veck. Först, en mask occupies en betydande mängd utrymme, och det kanske inte alltid är möjligt att passa masken in i snäva utrymmet inuti huvudspole, med tanke på att, för många individer, skulle deras näsor nästan röra huvudet polen även utan en mask. Detta gäller särskilt för huvud spolar avsedda att uppnå hög känslighet, som vanligtvis är utformade för att passa tätt till ämnet huvud. En andra komplikation associerad med en maskdesign är att det finns stort utrymme inuti masken vilket resulterar i avsevärd blandning av inandad och utandad gas. Följaktligen kunde det påverka noggrannheten i mätningen av EtCO 2, som i idealfallet bör baseras på enbart utandad gas. Exakt EtCO 2 är naturligtvis viktigt för tillförlitligheten i CVR kartan. En annan stor skillnad i vårt system i jämförelse med många andra system är att vårt system levererar gasen från en påse i stället för en gastank. Därför tankar inte behövs i scannern området, vilket sparar värdefullt utrymme i forts rol rum i en MR svit. I vår design, föra vi säcken innan skann och efter skann är påsen töms, vikas och lägga undan. Slutligen, jämfört med flera andra system 18,21, den nuvarande gastillförselsystem är enklare, kräver mindre utbildning tid, och dess förbruknings är billigare.
Det bör påpekas att även om det protokoll som presenteras i denna rapport har främst fokuserat på CO2 inhalation, tillåter presenterade gastillförselsystemet leverans av andra gasblandningar (t.ex. någon fraktion av O 2, varje fraktion av CO2, något fraktion av N 2, och deras kombination) till en människa för dem att andas medan han / hon ligger inne i MR scanner. Man kan också använda gastillförselsystemet utanför ramen för MRI, exempelvis i samband med elektroencefalogram (EEG), magnetoencephalogram (MEG), positronemissionstomografi (PET) eller optimal avbildning.
_content "> När ger en rekommendation av avbildningsparametrar, vi har främst fokuserat på BOLD sekvens. En annan sekvens som kan potentiellt användas i CVR kartläggning är Arteriell Spin Labeling (ASL) MRT, vilket ger ett kvantitativt mått på cerebralt blodflöde (CBF) i fysiologiska enheter (ml blod per 100 g vävnad per minut). Därför är fördelen med ASL baserade CVR kartläggning att resultaten är lättare att tolka, till skillnad BOLD signal som återspeglar en kombinerad effekt av blodflöde, blodvolym samt eventuella bidrag av hjärnans metaboliska förändringar under CO2 utmaning 25-27. Dock är en begränsning av ASL teknik som dess känslighet är flera veck lägre än för BOLD 28. Som ett resultat, är vår erfarenhet att det för närvarande är det mycket utmanande att få en individuell nivå, voxel-för-voxel CVR kartan med hjälp ASL. Därför, för applikationsstudier av CVR, använder vi främst BOLD sekvens och därmed också att fokusera på denna teknik i our rekommendationer.En begränsning av den nuvarande metoden är att andas genom ett munstycke med näsan blockeras (med en näsklämma) är inte helt naturligt och vissa ämnen (särskilt patienter) kan uppfatta detta som en källa till obehag. Andas med munstycket och näsklämma kan också förvärra känslan av klaustrofobi. Dessutom kan ämnet uppleva muntorrhet pga andas med bara munnen. Därför rekommenderas det att forskaren försöker sitt bästa för att slutföra experimentet snabbt. Slutligen är det viktigt att notera att, baserat på författarnas erfarenhet, är övergående den potentiellt obehag nämnts ovan och kommer att försvinna så fort experimentet är slut.
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 |