Akciğer Perfüzyon Kalibreli Arter Spin Etiketleme kullanarak Manyetik Rezonans Görüntüleme Niceleme
30 Mayıs 2011
Bir MR, üç farklı solunan oksijen konsantrasyonu bu durumda maruz kalma, çeşitli fizyolojik şartlar altında, pulmoner kan akımı dağılımı çalışma yöntemi: hipoksi, normoxia ve hiperoksi açıklanmıştır. Bu teknik, bir MR tarama ortamda insan akciğer fizyolojisi araştırma teknikleri kullanır.
Aşağıdaki deneyin genel amacı, farklı solunan oksijen koşulları altında pulmoner perfüzyon dağılımını invaziv olmayan bir şekilde ölçmek için manyetik rezonans görüntüleme ile birleştirilmiş fizyolojik teknikler kullanmaktır. Bu, öncelikle deneğin görüntüleme sırasında fonksiyonel rezidüel kapasitede nefesini tutması ve birden fazla görüntü toplanabilmesi için görüntüler arasındaki aralıkta nefes alması konusunda eğitilmesiyle gerçekleştirilir. İkinci adım olarak, deneğe yüz maskesi takılır ve farklı gaz karışımlarının deneğe sağlanması ve metabolik ölçümler yapmak için ekspirasyon gaz örneklerinin toplanması amacıyla inspiratuar ve ekspiratuar tüpler bağlanır.
Ardından MRI tarayıcıda, bir lokalizör görüntüden sonra, pulmoner kan akışı ve proton yoğunluğu görüntüleri elde etmek amacıyla arteriyel spin etiketleme ve çoklu eko hızlı gradyan eko sekansları kullanılır. Elde edilen görüntüler, iki farklı MR görüntüsünden türetilen ve gram başına dakika başına mililitre ile ifade edilen pulmoner kan akışı dağılımını vermek üzere nicelleştirilir. Bu tekniğin temel avantajı, pulmoner perfüzyonun iyonize radyasyona maruz kalmadan in vivo olarak invaziv olmayan bir şekilde ölçülmesini sağlayarak tekrarlanan ölçümlere olanak tanımasıdır.
Bu yöntem, pulmoner perfüzyonun uzaysal dağılımını kontrol eden mekanizmalar hakkında bilgi sağlayabilir ve ayrıca MS tarama ortamındaki diğer fizyolojik mekanizmaları incelemek için de kullanılabilir. Bugünkü prosedürler, laboratuvarımızdan lisansüstü öğrencisi Sebastian Verta ve doktora sonrası araştırmacı RU Carlos SA tarafından gösterilecektir. Deneyi gerçekleştirmeden önce, öncelikle araştırma deneğinden yazılı ve bilgilendirilmiş onam alın ve MRI güvenlik tarama formunu doldurmasını sağlayın.
Ayrıca fiziksel muayene, pulmoner fonksiyon testi ve deneğin fonksiyonel rezidüel kapasitede (FRK) nefesini nasıl tutacağını öğrendiği bir eğitim seansı gerçekleştirin. Ardından, maskeyi deneğin yüzüne yerleştirerek solunum ekipmanının kurulumuna başlayın. Maske, fileli bir aparatla birlikte önceden sterilize edilmiş, yeniden solumayı önleyici bir valf ve tüplerle donatılmıştır.
Maskenin sızdırmazlığını kontrol ettiğinizden emin olun. Gaz torbalarını tarayıcı odasına yerleştirin ve bunları MRI konsol odasındaki bir tanka bağlayın. Bu düzenek, araştırmacının gaz tankını kontrol ederek torbaya gaz ekleyebileceği şekilde kurulmalıdır.
Regülatörün gaz torbasının görüş alanında olduğundan emin olun. Deney sırasında araştırmacı, gaz hacminin yeterli olduğunu doğrulamak için torbayı konsol odası penceresinden izlemelidir. Aksi takdirde, denek hiperoksik ve hipoksik gazların solunan oksijen fraksiyonlarını (sırasıyla 1,0 ve 0,125) soluyamayabilir; normoksik gaz için oda havası kullanılabilir.
Ekspirasyon solunum tüpünün, MR Tarayıcıdaki denekten bir dalga kılavuzu aracılığıyla MR konsol odasındaki metabolik karta bağlanacak kadar yeterince uzun olduğundan emin olun. Burada görülen metabolik kart, ekspirasyonla verilen havanın hacminin yanı sıra karışık ekspiratuar oksijen ve karbondioksit konsantrasyonlarını ölçer. Bu parametrelere dayanarak, çeşitli solunum hacimlerini de hesaplar.
EG, tidal hacim VO two VC O2 ve solunumsal katsayı. Denek, ayakları önce gelecek şekilde tarayıcı yatağına sırtüstü yatırılmalı, konforu en üst düzeye çıkarmak için yastıklar ve köpük pedler kullanılmalıdır. Ardından, inspiratuar solunum tüpü deneğin maskesinin inspiratuar tarafına bağlanmalıdır.
Tüp, bir değiştirme valfi aracılığıyla Mylar torbalardan hiperoksik ve hipoksik gazların veya normoksik havanın verilmesi için kullanılacaktır. Ayrıca deneğin göğsüne bir EKG pedi yerleştirin. Bu işlem, arteriyel spin etiketleme Mr.Sequence'inin deneğin elektrokardiyogramındaki QRS kompleksine göre tetiklenmesini sağlayacaktır.
Valfin normal şekilde çalıştığından emin olmak için kontrol edin. Denekleri tarayıcı gürültüsünden korumak için kulak tıkacı sağlayın. Ayrıca, denek maske taktığı ve çalışma personeliyle kolayca iletişim kuramadığı için, deneğin eline bir sıkma topu yerleştirin ve bunu bantla sabitleyin.
Bu, yardım gerektiğinde araştırmacılarla iletişim kurulmasına olanak tanır. Son olarak, denek hipoksiye maruz kaldığında kritik önem taşıyan oksijen saturasyonunu izlemek için deneğin parmağına bir puls oksimetre yerleştirin. Şimdi, deneğin göğsüne iki adet Mr Phantom yerleştirin.
Bu fantomlar, son işlemleme sırasında MR sinyalini nicelleştirmek için kullanılmalıdır. Ardından, torso bobinini fantomların üzerine yerleştirin. Torso bobini, alıcı ile denek arasındaki fiziksel mesafeyi azaltarak, vücut bobinine kıyasla MR görüntüsünün sinyal-gürültü oranını artırmak için kullanılır.
Son olarak, deneyi MR tarayıcı tünelinin merkezine göndermeden önce konforunu sağlamak için üzerini bir battaniye ile örtün. Denek tarayıcıya girdikten sonra, operatör, deneğin rahat olduğundan emin olmak ve yardıma ihtiyaç duyduğunda sıkma topunu kullanmasını hatırlatmak için onunla sık sık konuşmalıdır. Ve ilk tarama olan lokalizör için kurulumu gerçekleştireceğiz.
Bu işlem yaklaşık 30 saniye sürecek. Tüm gürültüler ve tıklama sesleri devam ederken sadece rahatlamanızı ve normal şekilde nefes almanızı istiyorum. EKG, oksijen satürasyonu, tidal volüm, VO₂ ve VC O₂ değerlerini izlediğinizden emin olun. Yüksek kaliteli veri elde etmek için izlemenin ilk birkaç dakikası özellikle önemlidir.
Bu değerler beklenen değerlerin dışındaysa, kalibrasyon yeniden yapılmalı ve yüz maskesi ile tüpler sızıntı açısından kontrol edilmelidir. İlk olarak, deneğin gövdesindeki anatomik görüntüleri elde etmek için bir lokalizasyon sekansı alın. Bu lokalizasyon işlemi yaklaşık 20 saniye sürer.
Sadece rahatlayın. Bu süreç boyunca normal şekilde nefes alın. Başlıyoruz.
Şimdi, yarım Fourier kazanımı olan bir SL farer sekansıyla arteriyel spin etiketlemesi kurun. Bölgesel pulmoner perfüzyon verilerini elde etmek için haste gibi tek çekimli turbo spin eko görüntüleme şeması kullanın. Ardından, sağ akciğerin ön-arka mesafesinin en geniş olduğu kısımdan sagital düzlemi seçin.
15 milimetre kesit kalınlığı ve 40 santimetre x 40 santimetrelik bir görüş alanı tipiktir. Burada taramalar, 1.5 Tesla GE HDX ex excite twin speed tarayıcı kullanılarak gerçekleştirilir. Denek, çiftler halinde bir dizi yüksek sesli vurma sesi duyacaktır.
Bu gürültüler arasında, deneğin bir solunum döngüsünü tamamlaması gereken beş saniyelik bir aralık vardır. Nefes alın, ardından fonksiyonel rezidüel kapasiteye kadar nefes verin. Gürültü sesi sırasında denek nefesini tutmalı ve FRC akciğer hacminde kalmalıdır.
Denekler tarama öncesinde solunum tekniğine aşina hale getirilse de, görüntüleme sürecinin ilk aşaması, deneğin tarayıcı içerisindeyken solunum ve nefes tutma pratiği yapabilmesi için bir test çalışması olmalıdır. MR operatörü, diyaframın hareketine dayanarak akciğer görüntülerinin kalitesini değerlendirmelidir. Hareket minimum seviyedeyse, tarama sırasında tidal volüm izlenerek ASL ölçümlerine başlanabilir.
Yaklaşık hedef. 500 mililitrelik tidal hacim, normal ventilasyon ile tutarlıdır. A SL sekansında.
İki farklı kardiyak kapılı görüntü elde edilir. RR aralığının %80'i olan görüntü zamanlaması, her denek ve deneysel koşul için ayrı ayrı ayarlanmalıdır; bu, iki görüntü birbirinden çıkarıldığında görüntünün tek bir sistolik ejeksiyon döneminden gelen kan sinyalini içermesini sağlayarak durağan sinyali ortadan kaldırır. Sonuç, tek bir sistolik ejeksiyon dönemi içinde görüntü düzlemine iletilen kanın kantitatif bir haritasıdır.
ASL görüntülerine ek olarak, çoklu ekolu hızlı gradyan eko sekansı kullanarak bir akciğer proton yoğunluğu görüntüsü edinin. Proton yoğunluğunun ölçülmesi, perfüzyon ölçümlerinin gram başına dakika başına mililitre cinsinden ifade edilmesini sağlar ve akciğer dokusu deformasyonunu hesaba katar. Toraks içerisindeyken, denek bu tarama sırasında yaklaşık 10 saniye sürecek sürekli bir gürültü duyacaktır; gürültü süresince nefesini tutmalı ve FRC seviyesinde kalmalıdır.
Rahatlayın, normal şekilde nefes alın; gayet iyi görünüyordu. Bu deney için normoksia veya oda havası, hipoksia ve hiperoksia gazları denekler arasında dengeli bir sırayla sunulur. Bunlar istenirse denekler arasında değiştirilebilir; ancak perfüzyon ve proton yoğunluğunun MR ölçümleri alınmadan önce, akciğer dokusunda kararlı durum koşullarının oluşturulması için deneğin yaklaşık 20 dakika boyunca belirli bir gazı soluması gerekir.
Ardından, önceki bölümde açıklanan görüntüleme protokolünü takip edin; görüntüleme öncesinde 20 dakikalık gaz maruziyeti süresi seçilmiştir. Bunun nedeni, hipoksik pulmoner vazokonstriksiyon yanıtının başlangıcı saniyeler içinde gerçekleşse de, alveolar hipoksiye verilen yanıtın, bu çalışmanın özel hedefiyle tutarlı olarak yaklaşık 20 dakikaya kadar maksimum seviyeye ulaşmamasıdır. Son işlemeler, homojen vücut bobini ve homojen olmayan torso bobininden elde edilen eşleştirilmiş MGRE görüntüleri kullanılarak, MATLAB tabanlı özel geliştirilmiş bir yazılım aracılığıyla yapılabilir.
Tüm kan akışı ve proton yoğunluğu görüntüleri, denek bazında bobin homojensizliği için düzeltilebilir. Çıkarılmış bir SL görüntüsü bobin homojensizliği için düzeltildiğinde, bölgesel pulmoner kan akışı, voxel başına dakika başına mililitre kan cinsinden nicelleştirilebilir. Ardından, yoğunluk olarak normalize edilmiş perfüzyon görüntüleri oluşturulabilir.
Yoğunluk normalize edilmiş perfüzyon, dakika başına gram su başına mililitre kan birimleriyle ifade edilir ve akciğerin gram başına dakika başına mililitre cinsinden perfüzyon görüntülerini elde etmek için ASL görüntüsünün proton yoğunluğu görüntüsüne bölünmesiyle hesaplanır; fizyolojik verilere buradan bakılabilir. Hipokside kalp atış hızı artmış ve saturasyon azalmıştır. Ventilasyon dakika başına 8,31 litre idi.
Hipoksi sırasında BTPS, normoksi sırasında dakikada 7,04 litre ve hiperoksi sırasında dakikada 6,64 litredir. Tidal volüm hipoksi için 0,76 litre, normoksi için 0,69 litre ve hiperoksi için 0,67 litredir. Hipoksiye maruz kalma hem ventilasyonu hem de tidal volümü artırırken, hiperoksi ventilasyonu ve tidal volümü azaltır.
Burada, tek bir denekten üç farklı inspire oksijen konsantrasyonu altında toplanan üç yoğunluk normalize edilmiş perfüzyon görüntüsü gösterilmektedir. Perfüzyon heterojenliğinin veri analizi sonuçları tablo iki'de verilmiştir. Hipoksinin bağıl dağılımı artırdığı, ancak diğer indekslerin büyük ölçüde değişmediği görülmektedir.
Bu teknikte uzmanlaşıldığında, doğru şekilde uygulandığı takdirde iki saatten kısa sürede tamamlanabilir. Bu videoyu izledikten sonra, MR.Scanner ortamında pulmoner perfüzyonun nasıl ölçüleceği ve diğer fizyolojik çalışmaların nasıl yürütüleceği konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, hipoksi, normoksi ve hiperoksi dahil olmak üzere farklı solunan oksijen koşulları altında pulmoner kan akımı dağılımını non-invaziv olarak ölçmek için kullanılan bir manyetik rezonans görüntüleme (MRI) yöntemini tanımlamaktadır. Teknik, insan pulmoner fizyolojisi araştırmalarını MRI teknolojisi ile entegre etmektedir.
Temel Çalışma Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Fizyoloji
- Tıbbi Görüntüleme
Arka Plan
- Pulmoner perfüzyonu anlamak, solunum fonksiyonlarını değerlendirmek için kritik öneme sahiptir.
- Kan akımını ölçmeye yönelik geleneksel yöntemler, iyonize radyasyon içerebilir.
- Tekrarlanan ölçümler için non-invaziv teknikler tercih edilir.
- Bu çalışma, mevcut yöntemlerin kısıtlamalarını aşmak için MRI kullanmaktadır.
Çalışmanın Amacı
- Pulmoner perfüzyonu non-invaziv olarak ölçmek.
- Farklı oksijen konsantrasyonlarının kan akışı üzerindeki etkilerini değerlendirmek.
- Radyasyon maruziyeti olmadan tekrarlanan ölçümlere imkan tanıyan bir yöntem sağlamak.
Kullanılan Yöntemler
- Deneklerin, görüntüleme sırasında fonksiyonel rezidüel kapasitede nefes tutma konusunda eğitilmesi.
- İnhale edilen oksijen seviyelerini manipüle etmek için yüz maskeleri ve gaz karışımlarının kullanılması.
- Metabolik ölçümler için ekspiryum gaz örneklerinin toplanması.
- MRI'da arteriyel spin etiketleme ve çoklu eko hızlı gradyan eko sekanslarının uygulanması.
Ana Sonuçlar
- Pulmoner kan akımının gram başına dakika başına mililitre cinsinden nicelleştirilmesi.
- Değişen solunan oksijen koşulları altında başarılı görüntüleme.
- İnvaziv olmayan ölçüm yeteneklerinin gösterimi.
- Klinik ortamlarda tekrarlanan değerlendirmeler için potansiyel.
Sonuçlar
- MRI tekniği, pulmoner perfüzyonun ölçümü için güvenli bir alternatif sunar.
- Farklı oksijen seviyelerine karşı verilen fizyolojik yanıtların incelenmesine olanak tanır.
- Bu yöntem, pulmoner fizyolojiye dair anlayışımızı geliştirebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Yönetici Endüstriyel Uygunluk
MRI tabanlı bu pulmoner perfüzyon yöntemi, kontrollü oksijen koşulları altında akciğer kan akışının non-invaziv ve tekrarlanabilir ölçümüne olanak tanıyarak, iyonize radyasyon maruziyeti olmaksızın vasküler yanıtın mekanistik çalışmalarını destekler. Fizyolojik stimülasyonları fonksiyonel hemodinamik sonuçlarla ilişkilendirerek, pulmoner hastalık modellerinde hedef doğrulama süreçlerine bilgi sağlayabilecek kantitatif, voksel düzeyinde perfüzyon verileri sunar. Bu teknik, hastalıkla ilişkili sistemlerde vasküler fonksiyonun boylamsal değerlendirmesine izin vererek preklinik sürekliliği destekler, terminal son noktalara olan bağımlılığı azaltır ve erken keşif aşamalarındaki öngörü güvenilirliğini artırır.
Biyofarma Ar-Ge'de Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: Hipoksik, normoksik ve hiperoksik uyarılara yanıt olarak perfüzyon değişikliklerini nicelendirerek, pulmoner vasküler regülasyona ilişkin terapötik hipotezlerin sorgulanmasına olanak tanır.
- Operasyonel Değer: Tekrarlanabilir ve radyasyonsuz hemodinamik fenotiplendirme yoluyla, pulmoner vazokonstriksiyon veya vasküler yeniden şekillenme ile ilişkili hedeflerin biyolojik risklerinin azaltılmasını destekler.
- Öngörücü Değer: Yoğunlukle normalize edilmiş perfüzyon (mL/min/g), preklinik modellerde hedef etkileşimini ve yolak modülasyonunu değerlendirmek için nicel ve aktarılabilir bir metrik sağlar.
Tarama ve Analiz Geliştirme
- Analiz Hazırlığı: Pulmoner vasküler fonksiyonları incelemek için tasarlanmış analiz sistemlerini doğrulamak amacıyla kullanılabilecek, standartlaştırılmış ve mekansal olarak çözünür perfüzyon haritaları oluşturur.
- Kantitatif Çıktı: Proton yoğunluğu düzeltmesi, yoğunlukle normalize edilmiş perfüzyon metriklerine olanak tanıyarak farklı durumlar arasındaki karşılaştırılabilirliği artırır ve doku deformasyonu veya konumlandırmadan kaynaklanan değişkenliği azaltır.
- Platformun Yeniden Kullanımı: ASL ve mGRE sekans kombinasyonu, pulmoner yolları hedefleyen ilaç keşif programlarında boylamsal perfüzyon taraması için tekrarlanabilir bir MRI iş akışı oluşturur.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Hastalıkla İlgililik: Pulmoner hipertansiyon veya vasküler disfonksiyon modellerinde, potansiyel translasyonel biyobelirteçler olarak perfüzyon heterojenite indekslerinin (örneğin, bağıl dağılım, fraktal boyut) değerlendirilmesine olanak tanır.
- Translasyonel Süreklilik: Oksijen challenge paradigmaları boyunca tutarlı perfüzyon ölçümüne imkan vererek, keşif aşamasındaki mekanistik içgörüler ile preklinik doğrulama arasında köprü kurar.
- Risk Ayarlı İlerleme: Fizyolojik stres altında vasküler yanıtı yansıtan objektif ve kantitatif perfüzyon verileri sağlayarak, devam/durdurma (go/no-go) kararlarını destekler.
Boru Hattı ve İş Akışı Entegrasyonu
Bu yöntem, özellikle pulmoner vasküler araştırmalarda, hedef modülasyonundan sonra ancak fonksiyonel etkinlik değerlendirmesinden önce hemodinamik fenotiplemeye olanak tanıyarak, keşiften preklinik aşamaya kadar olan sürece uyum sağlar.
- Keşif Biyolojisi: Kontrollü oksijen zorlamalarına karşı perfüzyon yanıtlarını ölçerek vasküler hedeflerin hipotez testlerini kolaylaştırır ve mekanistik risk azaltımını destekler.
- Tarama: Akciğer dokusunda analiz standardizasyonunu ve bileşik etkilerinin değerlendirilmesini destekleyenyletebilir, tekrarlanabilir ve kantitatif perfüzyon okumaları sağlar.
- Analizler: Deneysel koşulları karşılaştırmak için çok parametreli çıktılar olarak yoğunlukle normalleştirilmiş perfüzyon ve heterojenlik indeksleri (bağıl dağılım, fraktal boyut) sunar.
- Translasyonel Araştırma: Zaman içinde tekrarlanan perfüzyon ölçümlerine izin vererek, akut fizyolojik yanıt çalışmalarından kronik hastalık modellemesine geçişte süreklilik sağlar.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Sarf malzemesi izleyiciler veya radyasyon güvenliği yükümlülükleri gerektirmeden, birden fazla pulmoner keşif programı genelinde uygulanabilir, standardize ve non-invaziv bir perfüzyon profilleme kapasitesi oluşturur.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: Oksijene duyarlı fizyolojik uyaranları akciğer dokusundaki ölçülebilir perfüzyon değişiklikleriyle ilişkilendirerek hedef doğrulamadaki öngörü güvenini artırır.
- Operasyonel Değer: Fizyolojik gating, proton yoğunluğu düzeltmesi ve kontrollü gaz iletimi aracılığıyla tekrarlanabilirliği ve standardizasyonu sağlayarak teknik değişkenliği minimize eder.
- Stratejik Değer: Fizyolojik olarak ilgili bağlamlarda vasküler risklerin veya terapötik etkilerin erken tespitini sağlayarak geç aşama biyolojik risklerini azaltır.
- Portföy Etkisi: Karar verme süreçleri (go/no-go) için objektif hemodinamik veriler sunarak pulmoner vasküler hedeflerin risk ayarlı önceliklendirmesini destekler.
Uygulama Hususları
- Nefes tutma ve gaz stimülasyon protokolleri sırasında denek uyumunu ve veri kalitesini sağlamak için pulmoner fizyoloji, MRI fiziği ve fizyolojik izleme konularında uzmanlık gerektirir.
- Arteriyel spin etiketleme ve kardiyak gating ile gaz iletim entegrasyonuna sahip çoklu eko hızlı gradyan eko sekanslarını destekleyen bir MRI tarayıcıya erişime bağlıdır.
- Tutarlı perfüzyon kantifikasyonu ve heterojenite indekslemesi sağlamak için görüntüleme, fizyoloji ve veri analizi ekipleri arasında ekip içi standardizasyon gerektirir.
- Sağlıklı insan deneklerden hastalık modellerine geçişte, özellikle nefes tutma kapasitesi ve gaz değişim dinamikleriyle ilgili adaptasyon değerlendirmelerini içerir.
- Pratik sınırlamalar arasında tarama süresi kısıtlamaları, akciğer dokusundaki sinyal-gürültü zorlukları ve görüntüleme sırasında fonksiyonel rezidüel kapasitenin korunması için denek eğitimine duyulan ihtiyaç yer alır.
