JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

التصوير التهوية المحددة هي تقنيه التصوير بالرنين المغناطيسي وظيفية التي تسمح للقياس الكمي من التهوية الاقليميه المحددة في الرئة البشرية ، وذلك باستخدام استنشاق الأكسجين كعامل النقيض. هنا ، نقدم بروتوكولا لجمع وتحليل بيانات التصوير التهوية محدده.

Abstract

تصوير التهوية المحددة (SVI) هو تقنيه التصوير بالرنين المغناطيسي وظيفية قادره علي تحديد كميه التهوية المحددة-نسبه الغاز الطازج الذي يدخل منطقه الرئة مقسوما علي الحجم النهائي للمنطقة-في الرئة البشرية ، وذلك باستخدام فقط استنشاق الأكسجين كعامل تباين. القياس الكمي الإقليمي للتهوية محدده لديه القدرة علي المساعدة في تحديد مجالات وظيفة الرئة المرضية. الأكسجين في المحلول في الانسجه يقصر وقت الاسترخاء الطولي للانسجه (T1) ، التالي يمكن الكشف عن تغيير في الأوكسجين في الانسجه كتغيير في اشاره T1المرجحة مع استعاده انعكاس المكتسبة الصورة. بعد التغير المفاجئ بين تركيزين من الأكسجين الملهم ، يعكس المعدل الذي فيه انسجه الرئة داخل يتوازن فوكسل إلى حاله ثابته جديده المعدل الذي يتم فيه استبدال الغاز المقيم بالغاز المستنشق. يتم تحديد هذا المعدل بواسطة تهويه محدده. للحصول علي هذا التغيير المفاجئ في الأوكسجين ، والموضوعات تتنفس بالتناوب كتل 20 التنفس من الهواء (21 ٪ الأكسجين) و 100 ٪ الأكسجين في حين في الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي. يتم تحقيق تغيير تدريجي في جزء الأكسجين المستوحي من خلال استخدام نظام تجاوز التدفق المطبوع ثلاثي الابعاد (3D) مع مفتاح يدوي اثناء عقد التنفس القصير النهاية. للكشف عن التغيير المطابق في T1, نبض انعكاس العالمي تليها طلقه واحده سريعة تدور صدي تسلسل تم استخدامها للحصول علي ثنائي الابعاد t1-الصور المرجحة في الماسح الضوئي 1.5 t التصوير بالرنين المغناطيسي, باستخدام لفائف الجذع ثمانيه عناصر. كل من شريحة واحده والتصوير متعدد الشرائح ممكن ، مع معلمات التصوير مختلفه قليلا. ويتحقق القياس الكمي للتهوية محدده عن طريق الربط الزمني لكثافة الاشاره لكل فوكسل الرئة مع مكتبه من الاستجابات محاكاة لتحفيز الهواء/الأكسجين. وقد تم التحقق من تقديرات SVI من تغاير التهوية محدده ضد غسل النفس متعددة وثبت لتحديد بدقه عدم تجانس توزيع التهوية محدده.

Introduction

الهدف العام للتصوير التهوية المحددة (SVI)-تقنيه التصوير بالرنين المغناطيسي البروتون (MRI) التي تستخدم الأكسجين كعامل النقيض1 -هو لتحديد كميه التهوية محدده في الرئة البشرية. التهوية المحددة هي نسبه الغاز الطازج الذي يتم تسليمه إلى منطقه الرئة في نفس واحد مقسوما علي الحجم النهائي لنفس منطقه الرئة1. بالتزامن مع قياسات كثافة الرئة المحلية ، يمكن استخدام تهويه محدده لحساب التهوية الاقليميه2. قياسات التهوية المحلية والتهوية التغاير التي تقدمها svi لديها القدرة علي إثراء فهم كيفيه وظائف الرئة ، سواء بشكل طبيعي أو غير طبيعي3،4.

التصوير التهوية المحددة هو امتداد للاختبار فسيولوجيا الكلاسيكية ، وغسل النفس متعددة (mbw) ، وهي تقنيه قدمت لأول مره في 1950s5،6. وتستخدم كلتا التقنيتين غسل الغاز/التبييض لقياس التباين في التهوية المحددة ، ولكن SVI توفر معلومات مكانيه مترجمه بينما يوفر MBW مقاييس عالميه فقط من التغاير. في MBW ، يستخدم مطياف الكتلي لقياس التركيز المختلط منتهي الصلاحية لغاز غير قابل للذوبان (النيتروجين ، الهيليوم ، سادس فلوريد الكبريت ، الخ) علي العديد من الأنفاس اثناء غسل الغاز ، كما هو مبين في الشكل 1. بالاضافه إلى الحجم المنتهي في التنفس خلال فتره الغسيل ، يمكن استخدام هذه المعلومات لحساب التوزيع الكلي للتهوية المحددة في الرئة. في svi ، يتم استخدام ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي لقياس الاشاره T1-المرجحة-وهو بديل لكميه الأكسجين في الحل في انسجه الرئة ، وهو مؤشر مباشر لتركيز الأكسجين المحلي-في كل الرئة فوكسل علي العديد من الأنفاس خلال عده الغسيل/washouts من الأكسجين. بطريقه مشابهه مباشره ل MBW ، هذه المعلومات تسمح لنا لحساب التهوية محدده من كل voxel الرئة. وبعبارة أخرى ، فان هذه التقنية تنفذ آلاف من التجارب الموازية MBW مثل ، واحده لكل voxel ، اثناء تجربه SVI. في الواقع ، يمكن تجميع الخرائط المكانية للتهوية محدده التالي المنتجة لاسترداد الناتج تغاير التهوية محدده من MBW. وأظهرت دراسة التصديق7 ان المنهجيتين أسفرت عن نتائج قابله للمقارنة عندما أجريت في سلسله بشان نفس المواضيع.

وتوجد طرائق تصوير أخرى ، مثل SVI ، توفر مقاييس مكانيه لعدم تجانس التهوية. بوزيترون التصوير المقطعي الانبعاثات (PET)8،9، أحاديه الفوتون انبعاثات التصوير المقطعي (spect)10،11، والتصوير بالرنين المغناطيسي الغاز الاستقطاب12،13 وقد استخدمت تقنيات إنشاء مجموعه كبيره من الأدبيات المتعلقة بالنمط المكاني للتهوية في المواد الصحية وغير الطبيعية. بشكل عام ، هذه التقنيات لديها علي الأقل ميزه واحده متميزة علي SVI ، في ان نسبه الاشاره إلى الضوضاء هي اعلي بشكل مميز. ومع ذلك ، كل تقنيه لديها أيضا عيب مميز: PET و SPECT تنطوي علي التعرض للإشعاع المؤين ، والتصوير بالرنين المغناطيسي الاستقطاب يتطلب استخدام الغاز عاليه الاستقطاب المتخصصة للغاية والماسح الضوئي MR مع غير القياسية الاجهزه متعددة النوى.

SVI ، وهي تقنيه التصوير بالرنين المغناطيسي البروتون ، ويستخدم عاده 1.5 تسلا الاجهزه السيد مع استنشاق الأكسجين كعامل النقيض (كلا العنصرين متاحه بسهوله في الرعاية الصحية) ، مما يجعل من المحتمل أكثر تعميما للبيئة السريرية. SVI روافع حقيقة ان الأكسجين يقصر وقت الاسترخاء الطولي (T1) من انسجه الرئة1، والذي يترجم بدوره إلى تغيير في كثافة الاشاره في صوره T1المرجحة. وهكذا ، فان التغيرات في تركيز الأكسجين الملهم تحفز التغير في كثافة الاشاره من صور التصوير بالرنين المغناطيسي الموقوتة بشكل مناسب. معدل هذا التغيير بعد التغير المفاجئ في تركيز الأكسجين الملهم ، وعاده الهواء والأكسجين 100 ٪ ، يعكس المعدل الذي يتم استبدال الغاز المقيم بالغاز المستنشق. يتم تحديد معدل الاستبدال هذا بواسطة تهويه محدده.

كما لا يتضمن SVI الإشعاع المؤين ، فانه لا يوجد لديه موانع للدراسات الطولية والتداخلية التي تتبع المرضي مع مرور الوقت. التالي ، فهي مناسبه بشكل مثالي لدراسة تطور المرض أو تقييم كيفيه استجابه المرضي الافراد للعلاج. نظرا لسهوله النسبية والتكرار أمنه ، والتصوير التهوية محدده ، بشكل عام ، وهي تقنيه مثاليه لأولئك الذين يرغبون في دراسة الآثار الكبيرة و/أو عدد كبير من الناس مع مرور الوقت أو في العديد من المواقع السريرية المختلفة.

بعد المنشور الأصلي الذي يصف التقنية1، وقد استخدمت التصوير التهوية المحددة (svi) في الدراسات التي تركز علي تاثير التسريب الملحي السريع ، والموقف ، وممارسه ، وتضيق القصبات2،3 , 4 , 14 , 15. وقد تم التحقق من قدره التقنية علي تقدير تغاير الرئة كله من التهوية محدده باستخدام اختبار التنفس متعددة مستقره جيدا7 وأكثر مؤخرا ، تم تنفيذ الاقليميه التحقق من الصحة عبر ، من قبل مقارنه SVI وفرط الاستقطاب الغاز التنفس متعددة محدده التصوير التهوية16. وهذه التقنية الموثوقه والقابلة للنشر بسهوله ، والقادرة علي التخطيط الكمي للتهوية المحددة في الرئة البشرية ، لديها القدرة علي المساهمة بشكل كبير في الكشف المبكر عن امراض الجهاز التنفسي وتشخيصها. كما انها تتيح فرصا جديده لقياس تشوات الرئة الاقليميه وتتبع التغيرات التي يسببها العلاج. هذه التغييرات في وظيفة الرئة الخاصة بالمنطقة ، والتي SVI تمكننا من قياس للمرة الاولي ، لديها القدرة علي ان تصبح المؤشرات الحيوية لتقييم تاثير المخدرات والعلاجات المستنشقة ، ويمكن ان تكون أداه مفيده للغاية في التجارب السريرية.

والغرض من هذه المادة هو تقديم منهجيه التصوير التهوية محدده بالتفصيل وفي شكل مرئي ، التالي المساهمة في نشر هذه التقنية إلى المزيد من المراكز.

Protocol

وقد وافقت جامعه كاليفورنيا ، سان دييغو برنامج حماية البحوث البشرية هذا البروتوكول.

1. موضوع السلامة والتدريب

  1. الحصول علي موافقه خطيه ومستنيرة من الموضوع. وصف المخاطر المحتملة التي ينطوي عليها التعرض للمجالات المغناطيسية المتغيرة بسرعة ، والانزعاج المحتمل من استخدام قناع الوجه والتنفس الغاز الجاف.
  2. تاكد من ان الموضوع يمكن ان يخضع لفحص MR بأمان ، وذلك باستخدام استبيان فحص سلامه التصوير بالرنين المغناطيسي المعتمد محليا.
  3. إذا كان الموضوع انثي في سن الإنجاب ، وغير مؤكده من حاله الحمل لها ، اطلب منها ان تدير نفسها اختبار الحمل دون وصفه طبية. إذا كان الموضوع حاملا ، فقم باستبعاد الموضوع من باقي الدراسة.
  4. قياس وزن الموضوع. تتطلب معلمات سلامه الماسح الضوئي التي تحد من كميه الطاقة الراديويه (RF) التي يتم تسليمها للموضوع إدخال هذه الخاصية. تحقق من ان وزن الموضوع اقل من الحد الأقصى للوزن في جدول التصوير بالرنين المغناطيسي (في هذه الحالة ، 136 كجم).
  5. تدريب الموضوع علي التنفس في الوقت المناسب مع تسلسل المسح الضوئي MR. ويفضل ان تلعب تسجيل الصوت من المسح السابق وإرشاد الموضوع للتنفس بشكل طبيعي واستكمال التنفس كل 5 ليالي ، وذلك باستخدام العظة الصوتية من الماسح الضوئي كدليل ؛ التنفس مع هذا الموضوع لغرض التدريب.
  6. تحديد حجم قناع الوجه (تتراوح الاحجام من الصغيرة إلى الكبيرة جدا [XL]) التي تناسب هذا الموضوع بشكل أفضل عن طريق قياس ابعاد الأنف إلى الذقن الموضوع. قناع مناسب الحجم سوف تناسب بشكل مريح حتى الآن سوف تمنع تسرب الهواء بين القناع والجلد الموضوع في اي نقطه. حاول علي الاحجام الأخرى إذا لزم الأمر.
  7. تحقق من خلو جيوب وملابس الموضوع من بطاقات الائتمان الممغنطة والقطع المعدنية التي تحتوي علي الحديد. إذا لزم الأمر ، قم بتغيير الموضوع إلى الثوب الطبي الذي يقدمه مرفق التصوير بالرنين المغناطيسي.
    ملاحظه:

2. اعداد بيئة التصوير بالرنين المغناطيسي

  1. فقط السماح للموظفين المدربين علي سلامه التصوير بالرنين المغناطيسي لمعايير مرفق التقاط الصور لدخول غرفه الماسح الضوئي أو المساعدة في أداء هذه التجربة.
  2. تكوين الماسح الضوئي MR للاستخدام مع لفائف الجذع عن طريق ربط لفائف إلى موصل المناسبة في جدول الماسح الضوئي.
  3. اعداد جدول الماسح الضوئي مع صحائف ، منصات ، والوسائد بحيث الموضوع سوف تكون مريحه لمده 30 دقيقه علي الأقل اثناء التصوير.
  4. تجميع نظام تسليم الأوكسجين.
    ملاحظه:     يتم عرض الرسم التخطيطي للأنابيب في الشكل 2.
    1. ضع صمام تبديل ثنائي/ثلاثي الاتجاات في متناول مشغل الماسح الضوئي أو الشخص الذي يقوم بتجربة SVI.
    2. ربط اما خزان الأكسجين الطبي (خارج غرفه الماسح الضوئي) أو إمدادات جدار الأكسجين (إذا كان متوفرا) إلى مدخل واحد من صمام التبديل باستخدام 1/4-بوصه أنابيب بلاستيكية.
    3. قم بتوصيل مخرج صمام التبديل الموجود في غرفه التحكم إلى 8 م (طول كاف لماسحه الماسح الضوئي) 1/4 بوصه أنابيب بلاستيكية. تغذيه الأنابيب من خلال تمرير من خلال ، من غرفه التحكم إلى غرفه الماسح الضوئي ، والتاكد من انها سوف تصل إلى منتصف تجويف الماسح الضوئي.
      ملاحظه: وشملت الأنابيب البلاستيكية التي تربط مخرج صمام التحويل إلى قناع تجاوز التدفق خطوه تصل في القطر في الماضي 2 م ، من 1/4 بوصه إلى 3/8 بوصه إلى 1/2 بوصه ، من أجل تقليل الضوضاء التي تنتجها الهواء تتدفق في نظام تجاوز التدفق.
    4. قم بتوصيل نهاية الأنبوب ب1/2 بوصه إلى ملحق قناع التدفق التفافي.
    5. تامين مرفق تجاوز التدفق إلى قناع الوجه الذي يناسب الموضوع.
    6. تعيين الضغط علي خزان الغاز أو الجدار منفذ المنظم إلى القيمة التي تنتج تدفق الأكسجين أكبر من المتوقع شهيق تدفق الذروة. الضغط اللازم يعتمد علي طبيعة الدراسة (الراحة ، وممارسه ، وما إلى ذلك) والمقاومة الشاملة لنظام تسليم الغاز (عاده ~ 70 psi لنظام التسليم الموصوفة في الخطوة 2-4 للدراسات في بقية).
    7. اختبار صمام التبديل عن طريق تفعيل تدفق الأكسجين ، والتاكد من تدفق كافيه موجودة في مخرج المرفق تدفق التفافيه والتي لا توجد تسريبات موجودة في الأنابيب البلاستيكية.

3. تجهيز واعداد الموضوع للتصوير

  1. يكون الموضوع علي طاوله التصوير بالرنين المغناطيسي. تاكد من ان الجزء العلوي من العنصر السفلي لفائف يوفر تغطيه كافيه من الدوالي الرئة ، من خلال التاكد من اعلي العنصر السفلي لفائف اعلي من الكتفين الموضوع.
  2. قم بادراج سدادات الاذن للموضوع وتحقق من حظر الصوت.
  3. الشريط الكره الضغط (أو اليه سلامه بديله) لمعصم الموضوع بحيث يمكن الوصول اليه بسهوله.
  4. قم بتوصيل القناع ونظام تجاوز التدفق إلى وجه الهدف. اوككلودي بإيجاز الجانب المطرود من مرفق تجاوز التدفق واطلب من الموضوع محاولة الهام الطبيعي وانتهاء الصلاحية للتحقق من وجود تسريبات.
  5. ضع الموضوع في الماسح الضوئي ، وذلك باستخدام أداه توسيط الضوء للتاكد من ان لفائف الجذع تحتل مركز التجويف.
  6. قم بتوصيل خط تجاوز التدفق بمرفق قناع التدفق المطبوع ثلاثي الابعاد باستخدام الجوز النحاسي الضيق المناسب للمدخل.

4. تصوير بالرنين المغناطيسي

  1. حدد الموقع التشريحي لشرائح التصوير.
    1. الحصول علي تسلسل لتحديد المواقع للحصول علي خريطة تشريحيه التي سيتم استخدامها لوصف بقية الامتحان.
    2. حدد ما يصل إلى 4 شرائح السهمي رئة للدراسة عن طريق النقر وسحب شريحة التصوير إلى الموقع المطلوب باستخدام واجهه المستخدم الرسوميه لماسحه الماسح الضوئي. عاده ، يتم تعيين مجال العرض إلى 40 × 40 سم وسمك الشريحة إلى 1.5 سم. حدد الشرائح المتمركزة في حقل الرئة التي تستهدف المنطقة التي تهم الدراسة ، والتي عاده ما تقلل من اقتحام الاوعيه الرئوية الكبيرة وجدار الصدر أفقيا تعظيم حجم الرئة عينات.
      ملاحظه: ويمكن ان يتم اختيار شريحة في اي طائره. يمكن اختيار ما يصل إلى 4 شرائح. لغرض التظاهر ، سيتم الحصول علي شريحة واحده.
    3. قم بتدوين موقع شرائح التصوير فيما يتعلق بموقع العمود الفقري بحيث يمكن أعاده تحديد نفس الحجم للدراسات الطولية.
  2. تصوير التهوية المحددة
    ملاحظه:     يتم تقديم قائمه بمعلمات التصوير بالرنين المغناطيسي النموذجية في الجدول 1.
    1. تعيين وقت الانقلاب في الكمبيوتر MR لشريحة معظم الإنسي إلى 1,100 ms لتعظيم الهواء والأكسجين النقيض17.
    2. تعيين معلمات الاكتساب (الجدول 1) للحصول علي التصوير. للحصول علي شريحة متعددة ، يتم الحصول علي كل شريحة اضافيه بعد الأول ، علي فترات من 235 مللي ثانيه (1,335 مللي ثانيه ، 1,570 مللي ثانيه ، 1,805 مللي ثانيه).
      ملاحظه: بعد نبض الانتعاش انقلاب والفاصل الزمني (الموصوفة من قبل وقت الانقلاب) ، يتم الحصول علي كل صوره شريحة باستخدام نصف Fourier واحده طلقه توربو تدور-صدي (التسرع) ، في 128 x 128 القرار (70-خطوط k-الفضاء عينات) ؛ يتم أعاده بناء الصور إلى 256 x القرار 256.
    3. تعيين عدد التكرار إلى 220 ووقت التكرار (TR) إلى 5 ثانيه. وهذا سيؤدي إلى تكرار 4-2-1 و 4.2.2 لما مجموعه 220 الأنفاس علي التوالي ، 5 ليالي بعيدا. أسال الموضوع لبوابه طوعا له أو لها التنفس في الوقت المناسب مع اكتساب الصورة.
      ملاحظه: يتم الحصول علي الصور في نهاية انتهاء الصلاحية العادية في انقطاع التنفس الطوعي قصيرة في القدرة الوظيفية المتبقية (FRC). من المهم ان يتم التوصل إلى حجم الرئة مماثله باستمرار خلال كل من هذه المقتنيات علي التوالي.
    4. مراقبه اتساق حجم الرئة للموضوع (انتهاء الصلاحية) اثناء عمليات الاستحواذ اللاحقة وتوفير التغذية المرتدة لتحسين الجودة إذا لزم الأمر. زيادة TR (الفاصل الزمني بين عمليات الاستحواذ المتعاقبة) إذا كان الموضوع يجد صعوبة في الوصول إلى حجم الرئة متناسقة كل 5 s.
    5. قم بتبديل خليط الغاز المستوحي من الموضوع كل 20 أنفاس (اثناء الإمساك بالنفس لراحة الموضوع) ، بالتناوب بين هواء الغرفة والأكسجين الطبي. لاحظ عند حدوث رموز التبديل ، والفواصل الزمنيه التي كان الموضوع يتنفس كل الغاز. السماح للموضوع للتنفس 100 ٪ الأكسجين ل 40 الأنفاس علي التوالي في بعض نقطه في التجربة (عاده الأنفاس 20-60 أو 180-220) لزيادة الحساسية للمناطق الرئة التهوية منخفضه.
    6. التحقق بانتظام من معدل ضربات القلب (40 − 80 للمواضيع العادية في الراحة) وتشبع الأكسجين (عاده 98 − 100%) بالنظر إلى مقياس التاكسج النبض (الشكل 2) ؛ يمكن ان الانحرافات عن القاعدة اشاره استغاثه أو القلق.
    7. التحدث مع الموضوع في كثير من الأحيان عن طريق الضغط علي زر الضغط علي لوحه المفاتيح الماسح الضوئي ، وإعطاء تحديثات منتظمة من الوقت المتبقي.
    8. بعد التنفس 220 ، يكتمل التصوير. أعاده الموضوع إلى الهواء الغرفة وأزاله أو لها من الماسح الضوئي.

5. إنشاء خريطة تهويه محدده من سلسله زمنيه من الصور

  1. تحقق من ان كومه من 220 الصورة المتتالية MR لكل شريحة الرئة تم الحصول عليها.
  2. استيراد الصور للتسجيل في برنامج تحليل الصور (علي سبيل المثال ، MATLAB).
  3. من الصور 220 ، اختر ، عن طريق الفحص البصري لكومه الصورة بأكملها ، لكل شريحة واحده التي تمثل أفضل القدرة الوظيفية المتبقية. وتعرف القدرة الوظيفية المتبقية بأنها "طريقه" احجام الرئة في الكومة.
  4. استخدام صوره "وضع" كمرجع ، استخدم التسجيل المعدي أو افيني لتسجيل جميع الصور إلى مرجع القدرة المتبقية الوظيفية.
    ملاحظه: يتم اجراء التسجيل عاده باستخدام خوارزميه وضعت في المنزل18 أو التعميم المتاحة عامه-مزدوجة التمهيد التكراري خوارزميه أقرب نقطه (gdb-برنامج المقارنات الثنائية19).
  5. استخدم إخراج خوارزميه التسجيل لحساب تغيير المساحة لكل صوره. تجاهل الصور التي تتطلب خطوه تسجيلها > تغيير مساحة 10% من مكدس الصور ، ومعالجتها كبيانات مفقوده20.
  6. قياس التهوية المحددة في الرئة من المكدس المسجل باستخدام خوارزميه وضعت في المنزل1,7. اجراء القياس الكمي عن طريق مقارنه استجابه الوقت لكل فوكسل إلى الأكسجين علي التوالي والغسيل سلسله ، إلى مكتبه من 50 محاكاة ، الضوضاء الحرة ، والاستجابات ، المقابلة لتهويه محدده تتراوح بين 0.01 إلى 10 ، في 15 ٪ زيادات. يتم تعيين كل فوكسل قيمه التهوية المحددة المقابلة للتهوية محدده من محاكاة مثاليه تقديم الارتباط الأقصى مع كل سلسله الوقت فوكسل ، كما قدمت أصلا في1.
  7. إخراج الخطوة السابقة هو خريطة للتهوية محدده. إنشاء الرسم البياني للتوزيع ، وحساب عرض توزيع التهوية محدده ، وهو مقياس لتغاير التهوية محدده ، مستقله عن حجم المد والجزر.

6. الجمع بين التهوية المحددة وخرائط الكثافة لحساب التهوية السنخيه الاقليميه

  1. بالاضافه إلى SVI ، والحصول علي صور كثافة الرئة البروتون21، كما هو موضح في دراسة سابقه22 (الأقسام 4.4 و 5.1 في المرجع22). الحصول علي صور كثافة البروتون في نفس شريحة (ق) الرئة ، في نفس حجم الرئة (FRC ، نهاية انتهاء الصلاحية العادية) ؛ تعيين القرار إلى 64 x 64 ، المقابلة لحجم فوكسل من ~ 6.3 مم × 6.3 مم × 15 ملم (~ 0.6 سم3).
  2. محاذاة صور التهوية وكثافة البروتون المحددة.
    1. السلس علي حد سواء التهوية محدده والصور كثافة البروتون باستخدام فلتر غاوسي مع حجم نواه من ~ 1 سم3.
    2. أداء التسجيل الجامد (الترجمة والتدوير) بين خريطة التهوية المحددة وخريطة الكثافة باستخدام خوارزميه قائمه علي المعلومات المتبادلة.
  3. حساب التهوية السنخيه من بيانات التهوية الخاصة وكثافة البروتون المسجلة بالاشتراك.
    1. حساب خريطة (1-الكثافة) ، وهو جزء من الهواء في حجم عينات في نهاية انتهاء الصلاحية العادية ، علي افتراض ان الرئة تتكون من الهواء والانسجه وان كثافة الانسجه هو ~ 1 غرام/سم3.
    2. حساب خريطة التهوية الاقليميه كمنتج (1-الكثافة) x SV (الوحدات الطبيعية). ضرب هذا المنتج من قبل حجم فوكسل (أو منطقه أخرى من الفائدة) وتردد التنفس (فرضت ، عاده 12 الأنفاس/دقيقه) ، للحصول علي خريطة التهوية في وحدات أكثر دراية من مل/دقيقه.
      ملاحظه: لكل منطقه الرئة ، SV = ΔV/V0 و (1-الكثافة) ≈ V0. وهكذا ، فان المنتج (1-الكثافة) x SV = التهوية الاقليميه ، وأعرب في الوحدات الطبيعية.

النتائج

شريحة واحده SVI في موضوع صحي
وتنتج صور التهوية المحددة خرائط كميه للتهوية المحددة كما هو مبين في الشكل 3A، الذي يصور شريحة واحده في الرئة اليمني لانثي صحية تبلغ من العمر 39 سنه. لاحظ وجود الانحدار العمودي المتوقع في تهويه معينه; يقدم الجزء متدلية من الرئة ...

Discussion

وتسمح الصور المحددة للتهوية برسم خرائط كميه للتوزيع المكاني للتهوية المحددة في الرئة البشرية. بدائل لل SVI موجودة ولكنها محدوده بطريقه ما: يوفر غسل النفس المتعدد مقياسا للتغزيه ولكنه يفتقر إلى المعلومات المكانية23. طرق التصوير البديلة تعرض المرضي للإشعاع المؤين (علي سبيل المث?...

Disclosures

وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.

Acknowledgements

وكان هذا العمل مدعوما من المعهد الوطني للقلب والرئة والدم (NHLBI) (منح R01 HL-080203 ، R01 HL-081171 ، R01 HL-104118 و R01-HL119263) والمعهد الوطني لبحوث الطب الإحيائي الفضائي (الاداره الوطنية للملاحة الفضائية والفضاء منحه NCC 9-58). تم دعم اي تي غايير من قبل NHLBI غرانت F30 HL127980.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
3D-printed flow bypass system
Face maskHans Rudolph7400 series Oro-nasal mask, different sizes
Gas/oxygen regulator
Mask head setHans Rudolph7400 compatible head set
MatlabMathworksanalysis software developed locally
Medical oxygenAir Liquide/LindeOxygen to be delivered to the subject
MRIGE healthcare1.5 T GE HDx Excite twin-speed scanner
Plastic tubing¼”, 3/8” and 1/2” tubing and connectors
Pulse oximeterNonin7500 FO (MR compatible)
Switch valve
Torso coilGE healthcareHigh gain torso coil for GE scanner

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. . 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

148

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved