Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Количественное картирование специфической вентиляции легких человека с использованием протонного магнитно-резонансной томографии и кислорода в качестве контрастного агента

Published: June 5, 2019 doi: 10.3791/59579
Automatic Translation
1, 2, 1, 1, 1
1Pulmonary Imaging Laboratory, Department of Medicine, University of California, San Diego, 2Pulmonary Imaging Laboratory, Department of Radiology, University of California, San Diego

Summary

Специфическая вентиляционная томография является функциональной магнитно-резонансной томографией, которая позволяет количественно количественно определить региональную специфическую вентиляцию легких человека, используя вдыхаемый кислород в качестве контрастного средства. Здесь мы представляем протокол для сбора и анализа конкретных данных вентиляционной визуализации.

Abstract

Специфическая вентиляционная томография (SVI) является функциональной магнитно-резонансной томографией, способной количественно определить специфическую вентиляцию - соотношение свежего газа, поступающего в область легких, разделенного на конечный объем региона, в легких человека, используя только вдыхаемый кислород в качестве контрастного агента. Региональная количественная оценка специфической вентиляции имеет потенциал, чтобы помочь определить области патологической функции легких. Кислород в растворе в тканях сокращает время продольного расслабления ткани (Т1),и, таким образом, изменение оксигенации тканей может быть обнаружено как изменение T 1-взвешенного сигнала с восстановлением инверсии приобретенного изображения. После резкого изменения между двумя концентрациями вдохновленного кислорода, скорость, с которой легочная ткань в вокселе приживает к новому устойчивому состоянию, отражает скорость, с которой газ-резидент заменяется вдыхаемым газом. Эта скорость определяется конкретной вентиляцией. Чтобы вызвать это внезапное изменение в оксигенации, субъекты поочередно дышать 20-дышат блоков воздуха (21% кислорода) и 100% кислорода в то время как в МРТ сканера. Поэтапное изменение в вдохновенной фракции кислорода достигается за счет использования пользовательской трехмерной (3D)-печатной системы обхода потока с ручным переключателем во время короткого конца срока эксплуатации дыхания. Для обнаружения соответствующего изменения в T1, глобальный импульс инверсии с последующим одним выстрелом быстрого спина эхо последовательность была использована для приобретения двухмерных T 1-взвешенных изображений в 1,5 T МРТ сканер, используя восьмиэлементную катушки туловища. Возможны как односрезанная, так и многосрезная визуализация с несколько иными параметрами изображения. Количественная оценка специфической вентиляции достигается путем сопоставления временной интервалинтенсивности сигнала для каждого вокселя легких с библиотекой смоделированных реакций на воздушный/кислородный стимул. Оценки SVI специфической неоднородности вентиляции были проверены на фоне многократного вымывания дыхания и доказали, что точно определяют неоднородность специфического распределения вентиляции.

Introduction

Общая цель специфической вентиляционной визуализации (SVI) - протонной магнитно-резонансной томографии (МРТ), использующую кислород в качестве контрастного агента1, состоит в количественном картотеке конкретной вентиляции легких человека. Специфическая вентиляция – это соотношение свежего газа, поставляемого в область легких наодном дыхании, разделенное на конечный объем годности той же области легких 1. В сочетании с измерениями плотности местных легких, специфическая вентиляция может быть использована для вычисления региональной вентиляции2. Измерения местной вентиляции и вентиляции неоднородности, которые предоставляются SVI имеют потенциал, чтобы обогатить понимание того, как функции легких, как обычно, так и аномально3,4.

Специфическая вентиляционная томография является продолжением классического теста физиологии, многократного вымывания дыхания (MBW), метода, впервые введенного в 1950-х годах5,6. Оба метода используют газомой/вымывание для измерения неоднородности специфической вентиляции, но SVI предоставляет пространственно локализованную информацию, в то время как MBW предоставляет только глобальные показатели неоднородности. В MBW масс-спектрометр используется для измерения смешанной концентрации нерастворитого газа (азот, гелий, гексафторид серы и т.д.) во время многих вдохов во время вымывания этого газа, как показано на рисунке 1. Наряду с истекшим объемом на дыхание в период вымывания, эта информация может быть использована для расчета общего распределения конкретной вентиляции легких. В SVI, МРТ сканер используется дляизмерения T 1-взвешенный сигнал , который является суррогатом для количества кислорода в растворе в ткани легких, прямой индикатор местной концентрации кислорода - в каждом вокселе легких в течение многих вдохов в течение нескольких washin / washouts кислорода. Таким образом, что непосредственно аналогично MBW, эта информация позволяет нам вычислить конкретные вентиляции каждого вокселя легких. Другими словами, во время эксперимента SVI метод выполняет тысячи параллельных экспериментов, похожих на MBW, по одному для каждого вокселя. Действительно, пространственные карты конкретной вентиляции, таким образом, могут быть составлены для восстановления специфической вентиляционной неоднородности, выдавленной MBW. Исследование, проведенное в ходе проверки7, показало, что эти две методологии дали сопоставимые результаты при выполнении в серии по тем же предметам.

Существуют и другие методы визуализации, которые, как и SVI, обеспечивают пространственные измерения неоднородности вентиляции. Позитронно-эмиссионнаятомография (ПЭТ) 8,9, однофотонные эмиссионные компьютерная томография (SPECT)10,11,и гиперполяризованного газа МРТ12,13 методов были использованы для создать значительный объем литературы относительно пространственной модели вентиляции у здоровых и ненормальных субъектов. В целом, эти методы имеют по крайней мере одно явное преимущество перед SVI, в том, что их соотношение сигнала к шуму характерно выше. Однако каждый метод также имеет характерный недостаток? ПЭТ и SPECT включают воздействие ионизирующего излучения, а гиперполяризованная МРТ требует использования высокоспециализированного гиперполяризованного газа и МР-сканера с нестандартным многоядерным оборудованием.

SVI, метод протонного МРТ, обычно использует оборудование 1.5 Tesla MR с вдыхаемым кислородом в качестве контрастного агента (оба элемента легко доступны в здравоохранении), что делает его потенциально более обобщенным для клинической среды. SVI использует тот факт, что кислород сокращает продольное время релаксации (T1) тканей легких1, что, в свою очередь, приводит к изменению интенсивности сигнала в T 1-взвешенном изображении. Таким образом, изменения в концентрации вдохновенного кислорода вызывают изменение интенсивности сигнала надлежащим образом приуроченных МРТ изображений. Скорость этого изменения после резкого изменения концентрации кислорода, как правило, воздуха и 100% кислорода, отражает скорость, с которой газ резидентов заменяется вдыхаемым газом. Этот коэффициент замены определяется конкретной вентиляцией.

Поскольку SVI не предполагает ионизирующего излучения, он не имеет противопоказаний для продольных и интервенционных исследований, которые следуют за пациентами с течением времени. Таким образом, он идеально подходит для изучения прогрессирования заболевания или оценки того, как отдельные пациенты реагируют на лечение. Благодаря своей относительной легкости и безопасной повторяемости, специфическая вентиляционная томография, в целом, является идеальным методом для тех, кто желает изучать большие эффекты и/или большое количество людей с течением времени или в нескольких различных клинических местах.

После оригинальной публикации, описывающей технику1, конкретные вентиляционной визуализации (SVI) был использован в исследованиях, ориентированных на влияние быстрого вливания сольника, осанка, физические упражнения, и бронхсугивии2,3 , 4 , 14 Год , 15. Способность техники оценить всю неоднородность легких специфической вентиляции была проверена с помощью устоявшихся многократных тест овсяных промывок7 и в последнее время, региональная перекрестная проверка была выполнена, по сравнение SVI и гиперполяризованного газа многодневки дыхание конкретных вентиляционной визуализации16. Этот надежный и легко развертываемый метод, способный количественно составить отображение специфической вентиляции легких человека, может внести существенный вклад в раннее выявление и диагностику респираторных заболеваний. Он также предоставляет новые возможности для количественной оценки региональных аномалий легких и следовать изменениям, вызванным терапией. Эти изменения в специфической для региона функции легких, которые SVI позволяет нам измерить в первый раз, имеют потенциал, чтобы стать биомаркерами для оценки воздействия лекарств и ингаляционных методов лечения, и может быть чрезвычайно полезным инструментом в клинических испытаниях.

Целью данной статьи является представление методологии конкретных вентиляционных изображений в деталях и в визуальной форме, тем самым способствуя распространению техники в большем количестве центров.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Калифорнийский университет, Сан-Диего Программа защиты человеческих исследований одобрил этот протокол.

1. Безопасность и обучение по предметам

  1. Получить письменное, информированное согласие субъекта. Опишите потенциальные риски, связанные с воздействием быстро меняющихся магнитных полей, а также потенциальный дискомфорт от использования маски для лица и дыхания сухого газа.
  2. Убедитесь, что субъект может безопасно пройти МР-сканирование, используя утвержденный на местном уровне мРТ вопросник безопасности.
  3. Если субъект является женщиной детородного возраста, и не уверены в ее статусе беременности, попросите ее самостоятельно управлять внебиржевой тест на беременность. Если субъект беременна, исключить предмет из оставшейся части исследования.
  4. Измерьте вес субъекта. Параметры безопасности сканера, ограничивающие количество радиочастотной (РЧ) энергии, поставляемой объекту, требуют ввода этой характеристики. Убедитесь, что вес субъекта ниже максимального предела веса таблицы МРТ (в данном случае 136 кг).
  5. Поезд предмет дышать во времени с последовательности Сканирование МС. Предпочтительно воспроизвести аудиозапись предыдущего сканирования и поручить субъекту нормально дышать и завершать дыхание каждые 5 с, используя звуковые сигналы от сканера в качестве руководства; дышать вместе с предметом для целей обучения.
  6. Определите размер маски для лица (размеры варьируются от миниатюрных до сверхбольших «XL»), которая наилучшим образом подходит предмету, измеряя размеры носа и подбородка субъекта. Маска соответствующего размера будет удобно помещаться, но предотвратит утечку воздуха между маской и кожей субъекта в любой момент. При необходимости примеряйтесь на другие размеры.
  7. Убедитесь, что карманы и одежда субъекта свободны от магнитных кредитных карт и железосодержащих металлических деталей. При необходимости, ите предмет изменения в медицинское платье, предоставляемые МРТ объекта.
    ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ Металл может быть опасным в среде МРТ, и металлические предметы, такие как клипы (как правило, в бюстгальтеры), металлические кольца (бюстгальтеры и толстовки), металлические кнопки или молнии (рубашки, свитера), наращивание волос и парики имеют потенциал для создания изображений артефактов.

2. Подготовка МРТ окружающей среды

  1. Только позволить персоналу, обученному безопасности МРТ, стандартам объекта визуализации войти в комнату сканера или помочь в проведении этого эксперимента.
  2. Назначь сканер MR для использования с катушки туловища, соединив катушки с соответствующим разъемом в таблице сканера.
  3. Подготовьте стол сканера с листами, прокладками и подушками, чтобы объект был удобен в течение не менее 30 минут во время визуализации.
  4. Соберите систему доставки кислорода.
    ПРИМЕЧАНИЕ ПРИМЕЧАНИЕ ПРИМЕЧАНИЕ ПРИМЕЧАНИЕ,     схематическая диаграмма труб представлена на рисунке 2.
    1. Поместите двух-трехсторонний коммутационный клапан в пределах досягаемости оператора сканера или лица, выполняющего эксперимент SVI.
    2. Подключите либо бак медицинского кислорода (вне комнаты сканера) или подачи кислородной стены (если таковой имеется) к одному впуску коммутационного клапана с помощью 1/4-дюймовых пластиковых труб.
    3. Подключите розетку коммутатора клапана, расположенного в диспетчерской, к 8 м (достаточная длина для сканера) 1/4-дюймовые пластиковые трубки. Кормите трубку через проход, из диспетчерской в комнату сканера, и убедитесь, что она достигнет середины сканера скважины.
      ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ Пластиковые трубки подключения коммутационного клапана розетки с потоком-обход маски включены шаг в диаметре в последние 2 м, от 1/4 дюйма до 3/8 дюйма до 1/2 дюйма, для того, чтобы уменьшить шум, производимый воздухом, впадающим в систему обхода потока.
    4. Подключите 1/2 дюйма конца трубки к пучок маски.
    5. Закрепите вложение в маску для лица, которое подходит для объекта.
    6. Установите давление на бензобак или регулятор розетки стены к значению, которое производит поток кислорода больше, чем ожидаемый пик inspiratory потока. Необходимое давление зависит от характера исследования (отдых, физические упражнения и т.д.) и общей устойчивости системы доставки газа (обычно 70 пси для системы доставки, описанной в шаге 2.4.3 для исследований в состоянии покоя).
    7. Проверьте клапан коммутатора, активируя поток кислорода, убедившись, что адекватный поток присутствует на выходе струйного путепровода крепления и что никаких утечек не присутствует в пластиковых труб.

3. Инструментирование и подготовка предмета для визуализации

  1. Попроси тематик на столе МРТ. Убедитесь, что верхняя часть элемента нижней катушки обеспечивает адекватное покрытие легких apices, убедившись, что верхняя часть нижнего элемента катушки выше, чем плечи субъекта.
  2. Попросите объект вставки затычек для ушей и проверьте, что звук блокируется.
  3. Лента сжать мяч (или альтернативный механизм безопасности) на запястье субъекта, так что он может быть легко доступны.
  4. Прикрепите маску и систему обхода потока к лицу объекта. Кратко окклюзия истечения срока действия приложения обхода потока и попросите субъекта попытаться нормального вдохновения и истечения срока действия, чтобы проверить на наличие утечек.
  5. Поместите объект в сканер, используя инструмент центрирования света, чтобы убедиться, что катушки туловища занимает центр скважины.
  6. Подключите линию обхода потока к 3D печатной маске потока, используя облегающий медный орех к входе.

4. МРТ-изображение

  1. Выберите анатомическое место для срезов изображений.
    1. Приобретите последовательность локализатора для получения анатомической карты, которая будет использоваться для назначения остальной части экзамена.
    2. Выберите до 4 сагитальных ломтиков легких, которые будут изучены, нажав и перетащив срез изображения в нужное место с помощью графического пользовательского интерфейса сканера. Как правило, поле зрения установлено на 40 х 40 см и срез толщина до 1,5 см. Выберите ломтики, сосредоточенные в поле легких ориентации области интереса для исследования, как правило, минимизируя вторжение крупных сосудов легких медиально и грудной стенки боковой максимизировать пробы объем легких.
      ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ Выбор фрагментов может быть выполнен в любой плоскости; до 4 ломтиков могут быть выбраны. Для демонстрации будет приобретен один кусочек.
    3. Обратите внимание на расположение срезов изображений в отношении расположения позвоночника, так что тот же объем может быть reimaged для продольных исследований.
  2. Специфическая вентиляционная томография
    ПРИМЕЧАНИЕ ПРИМЕЧАНИЕ ПРИМЕЧАНИЕ,     список типичных параметров МРТ представлен в таблице 1.
    1. Установите время инверсии в компьютере MR для наиболее медианных ломтик до 1100 мс, чтобы максимизировать контраст воздуха кислорода17.
    2. Установите параметры приобретения(таблица 1) для приобретения изображений. Для приобретения нескольких срезов каждый дополнительный срез приобретается после первого, с интервалом 235 мс (1 335 мс, 1570 мс, 1805 мс).
      ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ После импульса восстановления инверсии и интервала времени (описанного временем инверсии), каждое изображение среза приобретается с помощью получетырех с одного выстрела турбо спин-эхо (HASTE), при разрешении 128 x 128 (70 линий пробы k-пространства); изображения реконструированы с разрешением 256 x 256.
    3. Установите количество повторений до 220, а время повторения (TR) до 5 с. Это приведет к повторению 4.2.1 и 4.2.2 в общей сложности 220 последовательных вдохов, 5 с друг от друга. Попросите субъекта добровольно придя вовремя дышать с приобретением изображения.
      ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ Изображения приобретаются в конце нормального истечения срока кратковременного добровольного прерывания дыхания при функциональной остаточной способности (FRC). Важно, чтобы подобный объем легких достигался последовательно во время каждого из этих последовательных приобретений.
    4. Мониторинг согласованности объема легких субъекта (конечный срок действия) во время последующих приобретений и обеспечить обратную связь для улучшения качества, если это необходимо. Увеличьте TR (временной интервал между последовательными приобретениями), если субъекту трудно достичь согласованного объема легких каждые 5 с.
    5. Переключите вдохновенную газовую смесь предмета каждые 20 вдохов (во время удержания дыхания для комфорта субъекта), чередуя воздух комнаты и медицинский кислород. Обратите внимание, когда выключатели произошли, и интервалы, в течение которых субъект дышал каждый газ. Разрешить субъекту дыхание 100% кислорода в течение 40 последовательных вдохов в какой-то момент в эксперименте (обычно вдохает 20-60 или 180-220) для повышения чувствительности к низкой вентиляции легких регионов.
    6. Регулярно проверяйте частоту сердечных приступов (40–80 для обычных испытуемых в состоянии покоя) и насыщение кислородом (обычно 98–100%) глядя на оксиметр пульса(рисунок2); отклонения от нормы могут сигнализировать о бедствии или тревоге.
    7. Поговорите с предметом часто, нажав на клавиатуру сканера кнопку push-to-talk, давая регулярные обновления оставшегося времени.
    8. После дыхания 220, изображение завершено. Верните предмет в комнатный воздух и удалите его из сканера.

5. Создание специальной карты вентиляции из временной серии изображений

  1. Убедитесь, что стек из 220 последовательных изображений MR для каждого ломтика легких были приобретены.
  2. Импортируйте изображения для регистрации в программное обеспечение для анализа изображений (например, MATLAB).
  3. Из 220 изображений выберите, визуально просачивая весь стек изображения, для каждого среза, который наилучшим образом представляет функциональную остаточную емкость. Функциональная остаточная емкость определяется как «режим» объемов легких в стеке.
  4. Использование изображения "режим" в качестве эталона, используйте проектную или аффектную регистрацию для регистрации всех изображений в функциональной ссылке на остаточную емкость.
    ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ Регистрация, как правило, осуществляется с использованием алгоритма, разработанного в доме18 или общедоступных генерализованных двойной bootstrap итеративный алгоритм ближайшей точки (GDB-ICP19).
  5. Используйте вывод алгоритма регистрации для вычисления изменения области каждого изображения. Откажитесь от изображений, шаг регистрации которых требуется, чтобы область была издана из стека изображений, и относитесь к ним как к недостающим данным20.
  6. Количественная вентиляция легких в легких из зарегистрированногостека с помощью алгоритма, разработанного в доме 1,7. Выполните количественную оценку, сравнивая реакцию каждого вокселя с последовательной серией кислородной стирки и вымывания, с библиотекой из 50 смоделированных, без шумовых, реакций, соответствующих конкретным вентиляциям от 0,01 до 10, с шагом 15%. Каждому вокселю присваивается значение специфической вентиляции, соответствующее специфической вентиляции моделируемого идеального представления максимальной корреляции с временной серией каждого вокселя, как первоначально представлено в1.
  7. Выход предыдущего шага представляет собой карту конкретной вентиляции. Создайте гистограмму дистрибутива и вычислите ширину специфического распределения вентиляции, что является мерой специфической неоднородности вентиляции, независимой от приливного объема.

6. Объединение конкретных вентиляционных и плотности карты для вычисления региональных альвеолярной вентиляции

  1. В дополнение к SVI, приобрести протонные изображения плотности легких21, как описано в предыдущем исследовании22 (разделы 4.4 и 5.1 в ссылке22). Получение изображений плотности протона в том же ломтике легких (ы), при том же объеме легких (FRC, конец нормального истечения); установить разрешение до 64 x 64, что соответствует размеру вокселя 6,3 мм х 6,3 мм х 15 мм (0,6 см3).
  2. Выравнивание конкретных изображений вентиляции и протона плотности.
    1. Гладкая как специфическая вентиляция и протон плотность изображения с помощью гауссианского фильтра с размером ядра 1 см3.
    2. Выполняйте жесткую регистрацию (перевод и вращение) между картой конкретной вентиляции и картой плотности с помощью взаимного информационного алгоритма.
  3. Вычислите альвеолярную вентиляцию из совместно зарегистрированных данных о вентиляции и протонной плотности.
    1. Вычислите карту (1-Density), которая представляет собой фракцию воздуха в отобранном объеме в конце нормального истечения, предполагая, что легкое состоит из воздуха и ткани, и что плотность тканей составляет 1 г/см3.
    2. Вычислите региональную карту вентиляции как продукт (1-Плотность) x SV (естественные единицы). Умножьте этот продукт на объем вокселя (или другой области интереса) и частоту дыхания (навязанные, как правило, 12 вдохов/мин), чтобы получить карту вентиляции в более знакомых единицах мл/мин.
      ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ Для каждой области легких, SV qV /V0 и (1 - Плотность) Таким образом, продукт (1-Плотность) х СВ - региональная вентиляция, выраженная в естественных блоках.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Один ломтик SVI в здоровом предмете
Специфическая вентиляционная томография производит количественные карты специфической вентиляции, как показано на рисунке 3A,на котором изображен один ломтик в правом легком 39-летней здоровой самки. Обратите внимание на наличие ожидаемого вертикального градиента в специфической вентиляции; зависимая часть легкого представляет более высокую специфическую вентиляцию, чем независимая часть легкого. Представлена гистограмма отображенных конкретных значений вентиляции(рисунок 3B,заполненные круги) наряду с наиболее подходящей функцией распределения вероятности входа в систему (пунктирная линия). Ширина наилучшего распределения может быть использована в качестве метрики специфической неоднородности вентиляции7,23. На рисунке 1 показана многократная вымывание дыхания, приобретенное в одном и том же предмете, в той же позе. На рисунке 1A показана височная запись концентрации азота, измеренная во рту после перехода от вдохновенного воздуха к вдохновленному 100% кислороду. На рисунке 1B представлено распределение специфической вентиляции, как это было подсчитано из смыва. Для SVI и MBW соответствующей переменной является ширина дистрибутива, измеряемая здесь шириной нормального распределения журнала, установленного на данных (пунктирная линия), было установлено, что 0,41, используя SVI и 0.42 с использованием MBW в пределах здорового нормального диапазона. Проверка сметной оценочной неоднородностью вентиляции по сравнению с MBW была проведена в 10 субъектах, ибыло установлено, что разница между методами меньше, чем вариабельность межтестовой mbW 7. Пространственное сравнение с гиперполяризованным газом многодневки специфической вентиляционной визуализации16 также показало надежные групповые оценки специфической неоднородности вентиляции (ширина специфического распределения вентиляции по 8 изученным предметам были 0,28 и 0,08 и 0,27 0,10 для гиперполяризованных 3Он и конкретные вентиляционные изображения, соответственно), несмотря на более высокую, чем ожидалось, внутрипредметной изменчивости (стандартное отклонение индивидуальных различий в ширине было 0,13)16.

Специальные карты вентиляции могут также использоваться в сочетании с картами плотности легких для расчета региональной альвеолярной вентиляции. Для создания карт альвеолярной вентиляции, конкретные вентиляционные и плотности изображения должны быть пространственно сглажены, чтобы свести к минимуму потенциальные незначительные несоответствия между двумя модальностями.

Ответ на метахолин вызов в астматической теме
SVI может быть использован для измерения как легких в целом и региональных ответов на мероприятия, такие как осуществление4, поза2, или лекарства3. В качестве примера, Рисунок 4 изображает односрезные карты из легких мягкой астматической женской субъекта на базовом уровне (рисунок4A), после бронхсукнации с метахолином (Рисунок 4B), и после альбутерола при содействии восстановления ( Рисунок 4C). Обратите внимание на повышенную специфическую неоднородность вентиляции во время индуцированной астмы, а также наличие больших пятен практически без конкретной вентиляции (темно-синие области в зависимой части легких). Также отметим, что в некоторых регионах во время бронхосуктозии (зелено-красные области) в некоторых регионах заметно увеличилась вентиляция.

Многослойный SVI
До шести (обычно четыре), смежных, 15 мм ломтиками легких могут быть одновременно изображены с SVI. На рисунке 5 изображены четыре смежных ломтика правого легкого, покрывающие 70% правого легкого, у умеренного астматического мужского субъекта, который был выведен из своих лекарств от астмы в течение 24 часов.

Карта вентиляции
При условии, что информация о плотности легких была получена в том же ломтике, и частота дыхания известна, полностью количественная карта вентиляции может быть вычислена в единицах мЛ/мин/мл. Пример карты вентиляции показан на рисунке 6.

Figure 1
Рисунок 1. Многократное вымывание дыхания. (A) Типичный mW трассировки показаны истек азот (N2) концентрация (вверху) и приливный объем (внизу) с течением времени (секунды, с). Данные были получены в позе на спине; предметом была здоровая 39-летняя женщина. (B) гистограмма, изображающая распределение конкретной вентиляции (SV), вычисленных в ходе эксперимента MBW с использованием метода, предложенного Льюисом и др.23 (твердая линия). Линия, разбитая, представляет бревно (gaussian), наиболее подходящий для конкретного распределения вентиляции. Неоднородность специфической вентиляции, ключевой результат, измеряется как ширина наилучшего распределения, в данном случае 0,42. Эта цифра была перепечатана с разрешения ссылки7. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2. Диаграмма сантехнической системы и приборов. Специфическая вентиляционная томография требует 100% медицинского кислорода, либо из сжатого бензобака (в рисованном) или розетки стены. Источник кислорода подключен к коммутатору клапана (комната управления), который, в свою очередь, подключается, через Сквозную МРТ, к 3D печатной системе обхода потока24,прикрепленной к маске для лица (комната сканера). Левая сторона рисунка соответствует комнате управления МРТ, правая сторона - к комнате сканера. Пластиковая трубка, соединяющая бак с выключателем, имеет диаметр 1/4 дюйма. Трубка от розетки клапана переключателя к системе объездной потока также 1/4 дюйма Последние 2 м включают в себя шаг вверх в диаметре, от 1/4 дюйма до 3/8 дюйма, а затем до 1/2 дюйма, с тем чтобы уменьшить шум, производимый потоком воздуха24. Оксиметр пульса используется для мониторинга частоты сердечных приступов (HR) и насыщения кислородом (сп) уровнями. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3. Специфическая вентиляционная томография. (A) Типичная карта специфической вентиляции (цвет), наложенная на анатомические МРТ изображение того же предмета на спине (серая шкала). Специфическая вентиляция варьируется от очень низких значений (синий) до SV 1.0 (красный). Тема, 39-летний здоровый доброволец (тот же предмет, как на рисунке 1) был изображен в позе на спине. Обратите внимание на вертикальный градиент в специфической вентиляции. В передней грудной стенке был помещен фантом известной характеристики MR, используемой для калибровки абсолютной плотности. Фантомы не требуются для количественной оценки SVI. (B) Гистограмма распределения специфической вентиляции (заполненных кругов), составленной из конкретной карты вентиляции. Ширина распределения представляет собой неоднородность специфической вентиляции в изученном срезе легких. В этом примере распределение является немодальным, а ширина регистра Гауссианского установленного распределения (пунктирная линия) составляет 0,41; это сопоставимо с MBW всего легкого специфического распределения вентиляции, представленной на рисунке 1B, для того же предмета и позы, где ширина распределения) составила 0,42. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 4
Рисунок 4 Фото 4. Карты бронхонстрикции и бронхолидации в легком астматике. Специфическая вентиляция измеряется в мягком астматическомсубъекте (женщина, возраст 24 года) на базовом уровне (A), после вдыхания 1 мг/мл метахолина (B ) и после вдыхания альбутерола (C ). Обратите внимание на значительные изменения в распределении конкретной вентиляции после индукции астмы, как событие с использованием метахолина (панель B), с большими областями зависимого легкого показаны очень низкой специфической вентиляции. Также обратите внимание на восстановление после введения бронхолитика (панель C). Как и на рисунке 3, конкретные карты вентиляции были наложены на анатомическую МРТ. Ширина специфического распределения вентиляции составила 0,31 на базовом уровне, 0,94 поста метахолина и 0,28 пост альбутерола. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 5
Рисунок 5. Мульти ломтик конкретной вентиляционной карты в умеренной астматик после 24-h лекарства вывода. Специфическая карта вентиляции из 4 смежных ломтиков легких в правом легком, приобретенных у 25-летнего мужчины умеренной астматики после 24 ч снятия ежедневных лекарств от астмы. 4 ломтика, показанные крышкой, 70% правого легкого субъекта. Области низкой специфической вентиляции (темно-синий) присутствуют во всех ломтиках. На базовом уровне, FEV1 было 84% прогнозируется. После 24 ч вывод ежедневных лекарств, ВРЭ 1 этого субъекта был 69% от прогнозируемых; после изображения, испытуемый использовал свой спасательный ингалятор и ВРЭ1 восстановился до 83% от прогнозируемых. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 6
Рисунок 6. Пример вентиляционной карты, показывающей вентиляцию (мЛ/мин/мл), приобретенную у здорового 27-летнего мужчины. Карты вентиляции были сформированы, как описано в разделе 6, с использованием карты SV вместе с картой плотности протона легких в том же срезе. В этом примере карты SV и плотности были сглажены с помощью логового ядра гауссиана с полной шириной не более 5 вокселей, в результате чего пространственная шкала составила 0,64 см2 в плоскости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Параметры МРТ SVI Заметки
Время эхо (TE) 21,6 мс (один ломтик)
18.2 ms (многослойный срез)
Время повторения (TR) 5 с Любое значение
Отрегулируйте для комфорта пациента
Время инверсии (TI) 1.100 s (один ломтик) Для нескольких ломтик, TI ломтик n
1.100, 1.335, 1.570, 1.805 s (4 ломтика) TI (n) 1.100 s - 0,235 евро (n-1)
Матрица 256 x 128 (один ломтик)
128 x 128 (многослойный срез)
Поле зрения 40 см 32-44 см
Пропускная способность 125 кГц

Таблица 1. Перечень типичных параметров МРТ, используемых для приобретения специфической вентиляционной томографии.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Специфическая вентиляционная томография позволяет количественно отображение пространственного распределения специфической вентиляции легких человека. Альтернативы SVI существуют, но ограничены в некотором роде, Многократное вымывание дыхания обеспечивает меру неоднородности, но не хватает пространственной информации23. Альтернативные методы визуализации подвергают пациентов ионизирующему излучению (например, SPECT, PET, CT, гамма-сцинтиграфия) или не доступны широко (гиперполяризованная газовая визуализация с использованием МРТ). Специфическая вентиляционная томография обеспечивает пространственную информацию и может быть выполнена с помощью стандартного клинического сканера и вдыхаемого кислорода в качестве источника контраста, и, таким образом, может быть переведена практически на любую клиническую исследовательскую обстановку. Тот факт, что SVI не требует использования радиационных или контрастных агентов, делает его хорошо пригодным для повторных или продольных исследований, которые количественно оценивают региональные реакции на медикаментозное лечение, терапию или вмешательства. Этот тип региональной количественной информации о воздействии терапии может быть особенно полезен в контексте ингаляционной доставки лекарств.

Недостатки SVI в том, что он имеет относительно низкое соотношение сигнала к шуму (обычно 4-7), он требует 18 минут, чтобы приобрести и что это несколько трудоемким для субъекта и аналитика данных. Предметная подготовка имеет важное значение для получения надежных конкретных данных вентиляции. Предмет, как правило, обучены, используя записанный саундтрек шумов сканера, до сеанса изображения, так что он или она может достичь воспроизводимого объема (FRC) для каждого из 220 изображений удержания дыхания. В идеале, это достигается при дыхании при нормальном, удобном приливном томе без гипервентиляции. Неточные удержания дыхания должны учитываться в пост-обработке аналитиком данных, который должен использовать программное обеспечение для регистрации изображений для учета различий в объеме легких (раздел 5.3 выше).

С момента первоначальной публикации метода1, SVI претерпела изменения, чтобы упорядочить его реализацию. 3D-печатная система MR-обхода24 позволила почти мгновеннопере переключаться между доставкой комнатного воздуха и кислорода к объекту. Эта система значительно уменьшает сложность оригинальной установки, которая напоминала установку доставки газа, ранее описанную в документе JoVE, касающемся перфузионной визуализации22. Это, вместе с продолжающимся развитием методов приобретения свободного дыхания, сделает двигаться техника ближе к клинической применимости исследований.

Как представлено здесь, SVI имеет 2 основных ограничения, 1) четыре ломтика (как правило) правого легкого, которые приобретаются представляют только 70% правого легкого - в его текущей реализации, не более шести ломтиков могут быть приобретены на 1,5T из-за осаждения РС, что приводит к ткани он ating; отопление тканей увеличивается при более высоких сильных полевых условиях, что еще больше ограничивает приобретение нескольких срезов при 3T; и 2) SVI занимает 18 минут, чтобы приобрести, и, таким образом, карта конкретной вентиляции отражает время каждого voxel в среднем конкретные вентиляции в течение этого интервала.

Тем не менее, полное покрытие легких может быть достигнуто путем повторения процедуры или путем унизительного пространственного разрешения, и время сканирования может быть сокращено за счет точности в конкретной количественной вентиляции. Техника, в общем, универсальный и различные компромиссы приобретения возможны, каждый оптимальный для различных приложений. Например, в исследовании динамического восстановления после события астмы25, данные SVI были проанализированы с более высоким временным разрешением (7 мин против 18 мин) и тем же пространственным разрешением, за счет увеличения неопределенности конкретной вентиляции на 30% (оценивается от моделирования Монте-Карло). Недавнее исследование моделирования26 стремилось количественно охватить влияние нескольких незначительных ограничений техники SVI, а именно 1), что изображение громкости не охватывает все правое легкое, 2), что небольшие несоответствия между последовательными изображениями могут существовать даже после регистрации, и 3), что легочные вены, путем транспортировки крови из других мест в легких в изображенный регион, может добавить смешанный сигнал, который отражает вентиляцию в регионе, где эта кровь была первоначально насыщена кислородом, а не в регионе, в котором она находится изображением. Исследование26 показало, что 1) в здоровых субъектов, односеченное изображение (которое охватывает только 8% от общего легкого) оценивает вертикальный градиент конкретной вентиляции в пределах 10% от его истинной стоимости, 2) SVI анализ, выполненный на смоделированных данных целенаправленно несогласованные, в среднем, на 9% (наихудший сценарий, усугубляется, не отбрасывая изображения с несогласованности привело к недооценке в 20% средней специфической вентиляции, недооценке, вероятно, обусловленной тем фактом, что быстрое и медленное уравновешивают агрегаты, скорее всего, приведет к смещению в сторону более медленных, низких специфических вентиляционных и 3) легочной венозной сигнал приводит к систематическому завышению конкретной вентиляции менее чем на 10%.

Способность производить функциональные изображения легких человека - в отличие от выведения функции от анатомических изменений - имеет потенциал, чтобы способствовать ранней диагностике и увеличить понимание легких в области здоровья и болезней. В частности, возможность создания повторяемых и количественных региональных карт вентиляции позволяет продольным исследованиям прогрессирования заболевания и позволяет количественно определить эффект вмешательства, такие как ингаляционные препараты от астмы. Объединив специфическую вентиляционную визуализацию с двумя методами МРТ для измерения плотности легких21 и перфузии легких (ранее представленные в этом журнале22), могут быть созданы карты соотношения вентиляции и перфузии в состоянии здоровья и болезней 2. Поскольку несоответствие между вентиляцией и перфузией является основной причиной гипоксии и гиперкапнии, региональная информация о соотношении перфузии вентиляции в здоровье и болезни может обеспечить дальнейшее понимание последствий заболевания легких.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана Национальным институтом сердца, легких и крови (NHLBI) (гранты R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 и R01-HL119263) и Национальный институт космических биомедицинских исследований (Национальный авиационный и космический администрация грант NCC 9-58). E.T. Geier был поддержан грантом NHLBI F30 HL127980.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D-printed flow bypass system
Face mask Hans Rudolph 7400 series Oro-nasal mask, different sizes
Gas/oxygen regulator
Mask head set Hans Rudolph 7400 compatible head set
Matlab Mathworks analysis software developed locally
Medical oxygen Air Liquide/Linde Oxygen to be delivered to the subject
MRI GE healthcare 1.5 T GE HDx Excite twin-speed scanner
Plastic tubing ¼”, 3/8” and 1/2” tubing and connectors
Pulse oximeter Nonin 7500 FO (MR compatible)
Switch valve
Torso coil GE healthcare High gain torso coil for GE scanner

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Sá, R. C., et al. Vertical distribution of specific ventilation in normal supine humans measured by oxygen-enhanced proton MRI. Journal of Applied Physiology. 109 (6), 1950-1959 (2010).
  2. Henderson, A. C., et al. The gravitational distribution of ventilation-perfusion ratio is more uniform in prone than supine posture in the normal human lung. Journal of Applied Physiology. 115 (3), 313-324 (2013).
  3. Geier, E. T., Neuhart, I., Theilmann, R. J., Prisk, G. K., Sá, R. C. Spatial persistence of reduced specific ventilation following methacholine challenge in the healthy human lung. Journal of Applied Physiology. 124 (5), 1222-1232 (2018).
  4. Tedjasaputra, V., et al. The heterogeneity of regional specific ventilation is unchanged following heavy exercise in athletes. Journal of Applied Physiology. 115 (1), 126-135 (2013).
  5. Fowler, W. S. Lung Function Studies. III. Uneven Pulmonary Ventilation in Normal Subjects and in Patients with Pulmonary Disease. Journal of Applied Physiology. 2 (6), 283-299 (1949).
  6. Robertson, J. S., Siri, W. E., Jones, H. B. Lung ventilation patterns determined by analysis of nitrogen elimination rates; use of mass spectrometer as a continuous gas analyzer. Journal of Clinical Investigation. 29 (5), 577-590 (1950).
  7. Sá, R. C., Asadi, A. K., Theilmann, R. J., Hopkins, S. R., Prisk, G. K., Darquenne, C. Validating the distribution of specific ventilation in healthy humans measured using proton MR imaging. Journal of Applied Physiology. 116 (8), 1048-1056 (2014).
  8. Musch, G., et al. Topographical distribution of pulmonary perfusion and ventilation, assessed by PET in supine and prone humans. Journal of Applied Physiology. 93 (5), 1841-1851 (2002).
  9. Venegas, J. G., Schroeder, T., Harris, R. S., Winkler, R. T., Melo, M. F. V. The distribution of ventilation during bronchoconstriction is patchy and bimodal: a PET imaging study. Respiratory Physiology & Neurobiology. 148 (1-2), 57-64 (2005).
  10. Orphanidou, D., Hughes, J. M., Myers, M. J., Al-Suhali, A. R., Henderson, B. Tomography of regional ventilation and perfusion using krypton 81m in normal subjects and asthmatic patients. Thorax. 41 (7), 542-551 (1986).
  11. King, G. G., Eberl, S., Salome, C. M., Meikle, S. R., Woolcock, A. J. Airway closure measured by a technegas bolus and SPECT. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 155 (2), 682-688 (1997).
  12. Horn, F. C., Deppe, M. H., Marshall, H., Parra-Robles, J., Wild, J. M. Quantification of regional fractional ventilation in human subjects by measurement of hyperpolarized 3He washout with 2D and 3D MRI. Journal of Applied Physiology. 116 (2), 129-139 (2014).
  13. Hamedani, H., et al. A hybrid multibreath wash-in wash-out lung function quantification scheme in human subjects using hyperpolarized 3 He MRI for simultaneous assessment of specific ventilation, alveolar oxygen tension, oxygen uptake, and air trapping. Magnetic Resonance in Medicine. 78 (2), 611-624 (2017).
  14. Hall, E. T., et al. The effect of supine exercise on the distribution of regional pulmonary blood flow measured using proton MRI. Journal of Applied Physiology. 116 (4), 451-461 (2014).
  15. Henderson, A. C., Sá, R. C., Barash, I. A., Holverda, S., Buxton, R. B., Prisk, G. K. Rapid intravenous infusion of 20mL/kg saline alters the distribution of perfusion in healthy supine humans. Respiratory Physiology & Neurobiology. 180 (2-3), 331-341 (2012).
  16. Arai, T. J., et al. Comparison of quantitative multiple-breath specific ventilation imaging using colocalized 2D oxygen-enhanced MRI and hyperpolarized 3He MRI. Journal of Applied Physiology. 125 (5), 1526-1535 (2018).
  17. Chen, Q., Jakob, P. M., Griswold, M. A., Levin, D. L., Hatabu, H., Edelman, R. R. Oxygen enhanced MR ventilation imaging of the lung. Magma: Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology, and Medicine. 7 (3), 153-161 (1998).
  18. Arai, T. J., Asadi, A. K., Sá, R. C. Deforminator: Projective transformation to register small scale Lung deformation. , Available from: https://github.com/UCSDPulmonaryImaging/Deforminator (2019).
  19. Yang, G., Stewart, C. V., Sofka, M., Tsai, C. -L. Registration of Challenging Image Pairs: Initialization, Estimation, and Decision. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 29 (11), 1973-1989 (2007).
  20. Arai, T. J., Villongco, C. T., Villongco, M. T., Hopkins, S. R., Theilmann, R. J. Affine transformation registers small scale lung deformation. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2012, 5298-5301 (2012).
  21. Theilmann, R. J., et al. Quantitative MRI measurement of lung density must account for the change in T(2) (*) with lung inflation. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 30 (2), 527-534 (2009).
  22. Arai, T. J., et al. Magnetic Resonance Imaging Quantification of Pulmonary Perfusion using Calibrated Arterial Spin Labeling. Journal of Visualized Experiments. 51 (51), e2712 (2011).
  23. Lewis, S. M., Evans, J. W., Jalowayski, A. A. Continuous Distributions of Specific Ventilation Recovered From Inert-Gas Washout. Journal of Applied Physiology. 44 (3), 416-423 (1978).
  24. Cook, F. R., Geier, E. T., Asadi, A. K., Sá, R. C., Prisk, G. K. Rapid Prototyping of Inspired Gas Delivery System for Pulmonary MRI Research. 3D Printing and Additive Manufacturing. 2 (4), 196-203 (2015).
  25. Zapol, W. M., et al. Pulmonary Delivery of Therapeutic and Diagnostic Gases. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 78-87 (2018).
  26. Kang, W., et al. In silico modeling of oxygen-enhanced MRI of specific ventilation. Physiological Reports. 6 (7), e13659 (2018).

Tags

Медицина Выпуск 148 дыхание легкие специфическая вентиляция функциональная магнитно-резонансная томография кислородно-усиленная магнитно-резонансная томография вентиляция
Количественное картирование специфической вентиляции легких человека с использованием протонного магнитно-резонансной томографии и кислорода в качестве контрастного агента
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Geier, E. T., Theilmann, R. J.,… More

Geier, E. T., Theilmann, R. J., Darquenne, C., Prisk, G. K., Sá, R. C. Quantitative Mapping of Specific Ventilation in the Human Lung using Proton Magnetic Resonance Imaging and Oxygen as a Contrast Agent. J. Vis. Exp. (148), e59579, doi:10.3791/59579 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter