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 perfüzyonun dağılımını non-invaziv olarak ölçmek için manyetik rezonans görüntüleme ile birlikte fizyolojik teknikler kullanmaktır. Bu, ilk olarak bir öznenin görüntü elde etme sırasında işlevsel kalıntı kapasitede nefes tutması ve birden fazla görüntünün toplanmasına izin vermek için görüntüler arasındaki aralıkta nefes alması için eğitilmesiyle elde edilir. İkinci adım olarak, deneğe yüz maskesi takılır ve farklı gaz karışımlarını deneğe sağlamak ve metabolik ölçümler yapmak için ekspiratuar gaz örneklerini toplamak için inspiratuar ve ekspiratuar tüp takılır.
MRG tarayıcısında daha sonra, bir lokalizatör görüntüsü, arteriyel spin etiketleme ve çoklu eko hızlı gradyandan sonra, pulmoner kan akışı ve proton yoğunluğu görüntüleri elde etmek için eko dizileri kullanılır. Elde edilen görüntüler, iki farklı MR görüntüsünden elde edilen gram başına dakikada mililitre olarak ifade edilen pulmoner kan akışının dağılımını verecek şekilde ölçülür. Bu tekniğin temel avantajı, pulmoner perfüzyonun non-invaziv olarak ölçülmesidir in vivo iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalmadan ve tekrarlanan ölçümlere izin verir.
Bu yöntem, pulmoner perfüzyonun mekansal dağılımını kontrol eden mekanizmalar hakkında bilgi sağlayabilir ve ayrıca MS tarama ortamındaki diğer fizyolojik mekanizmaları incelemek için de kullanılabilir. Deneyi çalıştırmadan önce laboratuvarımızdan yüksek lisans öğrencisi Sebastian Verta ve RU Carlos SA doktora sonrası araştırmacılar bugün prosedürleri gösterecek. Öncelikle araştırma konusundan yazılı ve bilgilendirilmiş onam alın ve bir MRI güvenlik tarama formu doldurmasını sağlayın.
Ayrıca bir fizik muayene, solunum fonksiyon testi ve deneğin nefesini fonksiyonel rezidüel kapasitede nasıl tutacağını öğrendiği bir eğitim seansı gerçekleştirin. Veya FRC, önce maskeyi deneğin yüzüne takarak solunum ekipmanını kurmaya başlar. Bir ağ eki ile maske, önceden sterilize edilmiş, yeniden solunmayan bir valf ve tüplerle donatılmıştır.
Maskede sızıntı olup olmadığını kontrol ettiğinizden emin olun. Gaz torbalarını tarayıcı odasına yerleştirin ve bunları MRI konsol odasındaki bir tanka bağlayın. Bu, araştırmacı tarafından gaz tankının manipüle edilmesi yoluyla torbaya gaz eklenebilecek şekilde ayarlanmalıdır.
Regülatör, gaz torbasının görüş alanı içinde olduğundan emin olun. Deney sırasında olduğu gibi, araştırmacı gaz hacminin yeterli olduğundan emin olmak için torbayı konsol odası penceresinden izlemelidir. Aksi takdirde, denek hiperoksik ve hipoksik gazların solunan oksijen fraksiyonunu inspire edemeyebilir, bu durumda sırasıyla 1.0 ve 0.125'tir ve normoksik gaz için oda havası kullanılabilir.
Ekspiratuar solunum tüpünün, MR Tarayıcıdaki konudan bir dalga kılavuzu aracılığıyla ve MR konsol odasındaki metabolik arabaya bağlanmak için yeterince uzun olduğundan emin olun. Burada görülen metabolik araba, solunan havanın hacmini ve karışık ekspiratuar oksijen ve karbondioksit konsantrasyonlarını ölçer. Bu parametrelere dayanarak, çeşitli solunum hacimlerini de hesaplar.
Örneğin, tidal hacim VO iki VC O2 ve solunum bölümü. Deneğin tarayıcı yatağına önce sırtüstü yatmasını sağlayın ve konforu en üst düzeye çıkarmak için yastıklar ve köpük pedler kullanın. Ardından, inspiratuar solunum tüpünü deneğin maskesinin inspiratuar tarafına bağlayın.
Tüp, bir anahtarlama valfi aracılığıyla Mylar torbalarından hiperoksik ve hipoksik gazları veya normoksik havayı uygulamak için kullanılacaktır. Ayrıca deneğin göğsüne bir EKG pedi yerleştirin. Bu, Mr.Sequence etiketleyen arteriyel spinin, deneğin elektrokardiyogramındaki QRS kompleksine bağlanmasına izin verecektir.
Normal çalıştığından emin olmak için valfi kontrol ettiğinizden emin olun. Konuyu tarayıcı gürültüsünden korumak için kulak tıkacı sağlayın. Ayrıca, denek bir maske taktığından ve çalışma personeli ile kolayca iletişim kuramadığından, deneğin eline bir sıkma topu yerleştirin ve bunu yerine bantlayın.
Bu, yardıma ihtiyaç duyulması halinde araştırmacılarla iletişime izin verir. Son olarak, denek hipoksiye maruz kaldığında kritik olan oksijen doygunluğunu izlemek için deneğin parmağına bir nabız oksimetresi yerleştirin. Şimdi, deneğin göğsüne iki Bay Hayalet yerleştirin.
Bu fantomlar, son işlem sırasında MR sinyalini ölçmek için kullanılmalıdır. Ardından gövde bobinini fantomların üzerine yerleştirin. Gövde bobini, alıcı ile özne arasındaki fiziksel mesafeyi azaltarak MR görüntüsünün sinyal-gürültü oranını vücut bobinine kıyasla artırmak için kullanılır.
Son olarak, deneği MR tarayıcı deliğinin merkezine göndermeden önce rahatlık sağlamak için bir battaniyeyle örtün. Denek tarayıcıya girdikten sonra, operatör, rahat olduğundan emin olmak ve yardıma ihtiyaç duyulması halinde deneğe sıkma topunu kullanmasını hatırlatmak için denekle sık sık konuşmalıdır. Ve ilk tarama olan yerelleştirici için kurulum yapacağız.
Yaklaşık 30 saniye sürecek. Tüm patlamalar ve tıklamalar devam ederken rahatlamanızı ve normal bir şekilde nefes almanızı istiyorum. EKG oksijen satürasyonunu, tidal hacmi, VO O2 ve VC O2'yi izlediğinizden emin olun. İzlemenin ilk birkaç dakikası, kaliteli veriler sağlamak için özellikle önemlidir.
Bu değerler beklenen değerlerin dışındaysa, kalibrasyon yeniden yapılmalı ve yüz maskesi ve hortumda sızıntı olup olmadığı kontrol edilmelidir. İlk olarak, deneğin gövdesindeki anatomik görüntüleri elde etmek için bir yerelleştirici dizisi edinin. Bu yaklaşık 20 saniye süren bir yerelleştirici olacak.
Sadece rahatla. Normal nefes al. İşte başlıyoruz.
Şimdi bir arteriyel spin etiketlemesi, yarım Fourier edinimi olan bir SL farer dizisi ayarlayın. Bölgesel pulmoner perfüzyon verilerini elde etmek için acele gibi tek çekimlik bir turbo spin eko görüntüleme şeması kullanın. Ardından, sağ akciğerin ön ve arka mesafenin en büyük olduğu kısmından sagital düzlemi seçin.
15 milimetrelik bir dilim kalınlığı ve 40 santimetreye 40 santimetrelik bir görüş alanı tipiktir. Burada taramalar, 1.5 Tesla GE HDX ex excite ikiz hızlı tarayıcı kullanılarak elde edilir. Denek, çiftler halinde bir dizi yüksek çarpma sesi duyacaktır.
Bu patlamalar arasında, deneğin bir solunum döngüsünü tamamlaması gereken beş saniyelik bir aralık vardır. Nefes alın, ardından fonksiyonel artık kapasiteye kadar nefes verin. Çarpma sesi sırasında, denek nefesini tutmalı ve FRC akciğer hacminde kalmalıdır.
Denekler taramadan önce nefes alma tekniğine aşina olsalar da, görüntü elde etmenin ilk çalışması, deneğin tarayıcıdayken nefes alma ve nefes tutma pratiği yapabilmesi için bir test çalıştırması olmalıdır. MR operatörü, diyaframın hareketine bağlı olarak akciğer görüntülerinin kalitesini değerlendirmelidir. Hareket minimum düzeydeyse, A SL ölçümleri tarama sırasında tidal hacmi izlemeye başlayabilir.
Yaklaşık hedef. 500 mililitrelik tidal hacim normal ventilasyon ile tutarlıdır. A SL dizisinde.
İki farklı kardiyak kapılı görüntü elde edilir. RR aralığının %80'inin görüntü zamanlaması, her denek ve deneysel koşul için ayrı ayrı ayarlanmalıdır ve iki görüntü çıkarıldığında görüntünün bir sistolik ejeksiyon periyodundan kan sinyali içermesini sağlar, böylece sabit sinyali iptal eder. Sonuç, bir sistolik ejeksiyon periyodu içinde görüntü düzlemine verilen kanın kantitatif bir haritasıdır.
A SL görüntülerine ek olarak, çok yankılı hızlı gradyan yankı dizisi kullanarak bir akciğer proton yoğunluğu görüntüsü elde edin. Proton yoğunluğunun ölçümü, perfüzyon ölçümlerinin gram başına dakikada mililitre olarak ifade edilmesini sağlar ve akciğer dokusu deformasyonunu açıklar. Göğüs kafesinin içinde, denek bu tarama sırasında yaklaşık 10 saniye sürecek sürekli bir ses duyacaktır ve gürültü süresince nefesini tutmalı ve FRC'de kalmalıdır.
Rahatlayın, normal nefes alın bu deney için harika görünüyordu. Normoxia veya oda havası, hipoksi ve hiperoksi gazları denekler arasında dengeli bir sırayla sunulur. İstenirse bunlar denekler arasında değişebilse de, MR bolluk ve proton yoğunluğu ölçümleri elde edilmeden önce akciğer dokusu içinde kararlı durum koşulları oluşturmak için bir denek yaklaşık 20 dakika boyunca belirli bir gazı solumalıdır.
Ardından, önceki bölümde açıklanan aynı görüntüleme protokolünü, görüntüleme seçilmeden önceki 20 dakikalık gaza maruz kalma süresini izleyin. Çünkü hipoksik pulmoner vazokonstriksiyon yanıtının başlaması saniyeler içinde gerçekleşse de, alveolar hipoksiye yanıt, bu özel çalışmanın amacı ile tutarlı olarak yaklaşık 20 dakikaya kadar maksimal değildir. MATLAB tabanlı özel geliştirilmiş yazılım kullanılarak, homojen gövde bobininden ve homojen gövde bobininden eşleştirilmiş MGRE görüntüleri kullanılarak son işlem yapılabilir.
Tüm kan akışı ve proton yoğunluğu görüntüleri, konu bazında homojenlikte bobin için düzeltilebilir. Çıkarılan bir SL görüntüsü homojenlikte bobin için düzeltildikten sonra, bölgesel pulmoner kan akışı, voksel başına dakikada mililitre kan olarak ölçülebilir. Daha sonra yoğunluk, normalize perfüzyon görüntüleri oluşturulabilir.
Yoğunluk normalize perfüzyon, bir gram su başına dakikada mililitre kan birimi olarak ifade edilir ve A SL görüntüsünün proton yoğunluğu görüntüsüne bölünmesiyle hesaplanır ve perfüzyon görüntülerini bir gram akciğer başına dakikada mililitre olarak verir, burada fizyolojik veriler görülür. Hipokside kalp hızı arttı ve satürasyon azaldı. Havalandırma dakikada 8.31 litre idi.
Hipoksi sırasında BTPS, normoksi sırasında dakikada 7.04 litre ve dakikada 6.64 litre. Hiperoksi sırasında tidal hacim hipoksi için 0.76 litre, normoksi için 0.69 litre ve hiperoksi için 0.67 litre idi. Hipoksiye maruz kalma hem ventilasyonu hem de tidal hacmi arttırırken, hiperoksi ventilasyonu ve tidal hacmi azaltır.
Üç farklı solunan oksijen konsantrasyonu altında bir denekten toplanan üç yoğunluk normalize perfüzyon görüntüsü burada gösterilmektedir. Perfüzyon heterojenliği veri analizinin sonuçları tablo ikide verilmiştir. Hipoksinin nispi dağılımı arttırdığı görülebilir, ancak diğer indeksler büyük ölçüde değişmedi.
Bir kez ustalaştıktan sonra, bu teknik uygun şekilde uygulanırsa iki saatten daha kısa sürede tamamlanabilir. Bu videoyu izledikten sonra, akciğer yetmezliğini nasıl ölçeceğinizi ve MR içinde diğer fizyolojik çalışmaları nasıl oluşturacağınızı iyi anlamış olmalısınız. Tarayıcı ortamı.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, hipoksi, normoksi ve hiperoksi dahil olmak üzere değişen ilham oksijen koşulları altında pulmoner kan akımı dağılımını invaziv olmayan bir şekilde ölçmek için manyetik rezonans görüntüleme (MRI) yöntemini açıklamaktadır. Teknik, insan pulmoner fizyolojisi araştırmasını MRI teknolojisi ile entegre etmektedir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Fizyoloji
- Tıbbi Görüntüleme
Arka Plan
- Pulmoner perfüzyonu anlamak, solunum fonksiyonunu değerlendirmek için kritiktir.
- Geleneksel kan akımı ölçüm yöntemleri iyonlaştırıcı radyasyon içerebilir.
- Tekrarlı ölçümler için invaziv olmayan teknikler tercih edilir.
- Bu çalışma, mevcut yöntemlerin sınırlarını aşmak için MRI kullanmaktadır.
Çalışmanın Amacı
- Pulmoner perfüzyonu invaziv olmayan bir şekilde ölçmek.
- Farklı oksijen konsantrasyonlarının kan akımı üzerindeki etkilerini değerlendirmek.
- Radyasyon maruziyeti olmadan tekrarlı ölçümlere olanak sağlayan bir yöntem sağlamak.
Kullanılan Yöntemler
- Görüntüleme sırasında fonksiyonel rezidüel kapasitede nefes tutmayı öğrenen denekler.
- İlham oksijen seviyelerini manipüle etmek için yüz maskeleri ve gaz karışımlarının kullanımı.
- Metabolik ölçümler için ekspirator gaz örneklerinin toplanması.
- MRI'da arteriel spin etiketleme ve çok eşli hızlı gradyan ekos eküensi uygulamaları.
Ana Sonuçlar
- Pulmoner kan akışının gram başına dakikalık mililitre olarak kantifikasyonu.
- Değişken ilham oksijen koşullarında başarılı görüntüleme.
- Invaziv olmayan ölçüm yeteneklerinin gösterimi.
- Klinik ortamlarda tekrarlı değerlendirmeler için potansiyel.
Sonuçlar
- MRI tekniği, pulmoner perfüzyonu ölçmek için güvenli bir alternatif sunmaktadır.
- Farklı oksijen seviyelerine fizyolojik tepkileri incelemeye olanak sağlamaktadır.
- Bu yöntem, pulmoner fizyolojiyi anlamamızı geliştirebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This MRI-based pulmonary perfusion method enables non-invasive, repeated measurement of lung blood flow under controlled oxygen conditions, supporting mechanistic studies of vascular response without ionizing radiation exposure. It provides quantitative, voxel-level perfusion data that can inform target validation in pulmonary disease models by linking physiological stimuli to functional hemodynamic outcomes. The technique supports preclinical continuity by allowing longitudinal assessment of vascular function in disease-relevant systems, reducing reliance on terminal endpoints and enhancing predictive confidence in early discovery.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses regarding pulmonary vascular regulation by quantifying perfusion changes in response to hypoxic, normoxic, and hyperoxic stimuli.
- Operational Value: Supports biological de-risking of targets involved in pulmonary vasoconstriction or vascular remodeling through repeatable, radiation-free hemodynamic phenotyping.
- Predictive Value: Density-normalized perfusion (mL/min/g) provides a quantitative, translatable metric for assessing target engagement and pathway modulation in preclinical models.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized, spatially resolved perfusion maps that can be used to validate assay systems designed to probe pulmonary vascular function.
- Quantitative Output: Proton density correction enables density-normalized perfusion metrics, improving comparability across conditions and reducing variability from tissue deformation or positioning.
- Platform Reuse: The ASL and mGRE sequence combination establishes a reproducible MRI workflow for longitudinal perfusion screening in drug discovery programs targeting pulmonary pathways.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Permits evaluation of perfusion heterogeneity indices (e.g., relative dispersion, fractal dimension) as potential translational biomarkers in models of pulmonary hypertension or vascular dysfunction.
- Translational Continuity: Bridges discovery-phase mechanistic insights with preclinical validation by enabling consistent perfusion measurement across oxygen challenge paradigms.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by providing objective, quantitative perfusion data that reflect vascular responsiveness under physiological stress.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum by enabling hemodynamic phenotyping after target modulation but before functional efficacy assessment, particularly in pulmonary vascular research.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing of vascular targets by measuring perfusion responses to controlled oxygen challenges, supporting mechanistic de-risking.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative perfusion readouts that support assay standardization and compound effect evaluation in lung tissue.
- Analytics: Provides density-normalized perfusion and heterogeneity indices (relative dispersion, fractal dimension) as multiparametric outputs for comparing experimental conditions.
- Translational Research: Enables continuity from acute physiological response studies to chronic disease modeling by allowing repeated perfusion measurements over time.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, non-invasive perfusion profiling capability applicable across multiple pulmonary discovery programs without consumable tracers or radiation safety overhead.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by linking oxygen-sensitive physiological stimuli to quantifiable perfusion changes in lung tissue.
- Operational Value: Ensures reproducibility and standardization through physiological gating, proton density correction, and controlled gas delivery, minimizing technical variability.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by enabling early detection of vascular liabilities or therapeutic effects in physiologically relevant contexts.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of pulmonary vascular targets by providing objective hemodynamic data for go/no-go decisions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in pulmonary physiology, MRI physics, and physiological monitoring to ensure subject compliance and data quality during breath-hold and gas challenge protocols.
- Depends on access to MRI scanner capable of arterial spin labeling and multi-echo fast gradient echo sequences with cardiac gating and gas delivery integration.
- Necessitates cross-team standardization between imaging, physiology, and data analysis teams to ensure consistent perfusion quantification and heterogeneity indexing.
- Involves adaptation considerations when translating from healthy human subjects to disease models, particularly regarding breath-hold capacity and gas exchange dynamics.
- Practical limitations include scan time constraints, signal-to-noise challenges in lung tissue, and the need for subject training to maintain functional residual capacity during image acquisition.
