使用校准动脉自旋标记磁共振肺灌注显像定量

摘要

一个磁共振成像方法研究各种生理条件下的肺血流量的分配，在这种情况下接触到三个不同吸入氧浓度，缺氧，常氧和氧，是描述。利用此技术在MR扫描环境中的人肺的生理学研究技术。

摘要

这演示了磁共振成像的方法来衡量的肺血流量的空间分布在健康受试者在常氧（启发O ₂的分数_（F的第I O _2）= 0.21），缺氧_（F的第_I O 2 = 0.125），氧_（F的第I O ₂ = 1.00）。此外，主体的生理反应是在MR扫描环境监测。从矢状切片功能残气量在右肺呼吸保持在1.5 T GE核磁共振成像扫描仪在MR图像。动脉自旋标记序列（海拨更公平）是用来测量被用来量化区域的质子（即H ₂ O的空间分布， ^肺血流量1,2和多回波快速梯度回波序列^（mGRE ）3）密度，使每个体素（毫升血液每分钟每克肺组织）的密度标准化灌注量化。

配备2路非再呼吸阀用气动开关阀和口罩，介绍了不同氧气浓度的磁共振扫描仪的主题，通过吸入气管。一个新陈代谢的车收集呼气时气体通过呼气管。混合呼气O ₂和CO ₂的浓度，氧气消耗，二氧化碳生产，呼吸交换率，呼吸频率和潮气量进行测量。使用脉冲血氧饱和度监测心率和血氧饱和度。从一个正常人获得的数据表明，正如所料，心率明显高于缺氧（60次），比在常氧（51）或氧（50）和动脉血氧饱和度_（SPO 2）缺氧时减少到86％ 。平均通风是8.31升/分钟BTPS，在缺氧过程中，7.04升/分在常氧和6.64升/分钟时氧。潮气量为0.76大号在常氧，缺氧时，0.69大号过程中氧和0.67大号。

代表量化的ASL的数据显示，平均密度归灌注8.86毫升/分/克，8.26毫升/分/ G在常氧和8.46毫升/分/ G分别在高氧，缺氧时。在这个问题上，相对分散，全球异质性的^指标 ，4增加了在缺氧（缺氧时为1.07，0.85在常氧，并在高氧0.87），而分形维数（DS），另一种异质性指数，反映血管的分支结构，不变（1.24缺氧时，在常氧1.26和1.26期间氧）。

概述。该协议将展示的数据采集来衡量使用磁共振成像技术被称为动脉自旋标记（ASL），常氧，缺氧，高氧条件下的非侵入性肺灌注的分布。

理由：肺血流量和肺质子密度，采用MR技术的测量提供高空间分辨率的图像，可以量化和执行几个不同的生理条件下重复测量的能力。在人类研究中，PET，SPECT和CT是常用的替代技术。然而，这些技术涉及暴露于电离辐射，因而不适合人类受试者重复测量。

研究方案

1。除招聘

1. 除人口
   1. 受试者招募广告，以满足研究所需的特定人群。
   2. 这项研究的主题是健康，不吸烟 - 45岁至19岁之间的，没有心脏或肺部疾病的历史。
2. 知情同意
   1. 这项研究是由加州大学圣迭戈分校，人类研究保护项目批准。
   2. 主题是通报了这项研究，如磁场曝光（M​​RI）和呼吸的缺氧和高氧的气体的潜在风险。
      如果这个问题是女性生育能力的尿液样本收集的研究开始前，以排除妊娠。虽然磁场的影响是极不可能的，到发育中的胎儿是有害的，确切的潜在风险是未知的。此外，缺氧可能目前对胎儿的风险。基于这些原因，孕妇被排除在研究之外。
3. 安全筛选议员
   我们所有的臣民，必须填写一份问卷，禁忌磁共振检查的项目。如果发现禁忌，主体是从研究中排除。

2。制备

1. 体格检查
   1. 采访主题是关于他们的身体健康和生活习惯，并收到一个简短的体检由持牌医生。
   2. 这个题目的身高和体重也衡量。这些值被用来估计肺功能测试和特定吸收率（SAR）的预测值。特区的估计是很重要的，因为有潜在主体的组织，从无线电频率（RF）能量要产生的MR影像加热。
2. 肺功能测试
   肺容积测量使用直立的姿势肺活量测定。受执行到一个手持式肺活量计（EasyOne肺功能，医疗技术安多弗）吹肺功能测试。一个鼻夹是用来确保所有的空气被驱逐出口。肺功能数据采集一式三份，以确保可靠的数据。肺功能测试的质量必须符合美国胸科学会/欧洲呼吸学会^标准 5 。

3。接受磁共振研究

1. 培训会议过程中产生屏气的一个可靠的功能残气量（FRC）肺容积。
   收购时肺FRC是我们的肺部图像。这是很容易达到的肺容积，并提高信​​噪比图像中的质子密度的增加，。我们的科目训练，舒适重现此肺容积。如果这个问题在我们的研究之一是首次参展，本次培训会议之前完成主体进入MR扫描仪。由于扫描仪采集过程中的声音，图像采集的录音播放的问题，和主题是执教，而他们的实践自己的呼吸同步录音。
2. 呼吸设置
   1. 吸气的设置
      吸气管连接的聚酯薄膜气体包装袋，将举行任高氧和缺氧的气体，或常氧的空气，并通过切换阀（单活塞滑动式™阀和控制器4285A，汉斯鲁道夫）管理。阀检查正常运转。
      管理主体的启发气体，气体包装袋，在扫描仪室，并连接到不同氧气浓度在致辞控制台室的煤气罐。气体被添加到包通过操纵煤气罐监管研究员。
      研究者必须通过控制台房窗口监视袋，以确保供气量是足够的，以确保主体有足够的气体正常，激发。 _F的第I O _2的高氧和缺氧气体，分别为1.0和0.125 。用于室内空气常氧气。
   2. 呼气时的设置
      呼气的呼吸管是足够长的连接通过直通代谢车在致辞控制台室（TrueOne 2400，ParvoMedics）在磁共振扫描仪的主题。
      代谢车措施过期的空气量，以及混合呼气O ₂和CO ₂浓度。根据这些参数，还可以计算各种呼吸系统分册，如潮气量，耗氧量（五O _2），二氧化碳生产（五CO _2），和呼吸商。
      这是必要的O ₂和CO ₂传感器和流量计校准之前，每一个研究。一名调查员校准与代谢车经营softwar按照内置的指示的代谢车系统E. O ₂和CO ₂传感器调整两点校准_（2 = 0.16和英国外交及联邦事务部₂ = 0.04）之间的校准气体和室内空气_（2 = 0.2098和英国外交及联邦事务部₂ = 0.00）。通过使用一个标准化的的3升注射器流量计校准。的调查泵3公升卷的空气在室温和大气压到了通过的呼气呼吸配备一个汉斯鲁道夫2路非，再呼吸阀，是连接主体的的相同管代谢车面具。为了让各种呼吸流速，这种标定进行至少五次洪峰流量从50升/分钟ATPS 80升/分钟休息测量不等。在油管和喉舌量的计算和科目呼吸这样呼气管长度所造成的延迟时间校正数据相结合。
   3. 面膜
      冷消毒硅胶面具（7400系列Oro的鼻罩，汉斯鲁道夫）安装的主题，让提供不同的气体混合物和整个成像会议的代谢和通气数据的采集（大小：娇小，小型，中型，大型和特大型）。大多数成人科目都配有小型，中型或大型的口罩。
      掩码配备一个预消毒非，再呼吸阀（双向非，再呼吸阀T -形状™配置，2600中期，2700大，汉斯鲁道夫）是固定在主体的脸上一个网状的附件，并检查有无泄漏。然后，吸气和呼气管连接。
3. 议员设置
   1. 主体仰卧扫描仪对足，孔上滑台移动到磁共振扫描仪。
   2. 枕头和泡沫垫是用来最大限度地提高主体的舒适性。脉搏血氧仪（7500，燕牌）是放在主体的手指，监测血氧饱和度，心率，这是特别重要的主题是低氧时。
   3. 一个心电图电极片放在主体的胸部。这使得动脉自旋标记（ASL）的MR序列被选通的QRS波群。
   4. 一旦题目是戴着面具，他们不能轻易与研究人员沟通。挤压球是定位在主体的手，并在地方录音。这使得为​​主体，以提醒办案人员在任何时候，他们需要援助。
   5. 耳塞主体，以保护他们从扫描仪所产生的噪音。
   6. 三名议员的幽灵放在主体的胸部。的幽灵是用来量化在后处理过程中的MR信号特点。
   7. 躯干线圈放置在主体的胸部上的幽灵。躯干线圈是用来增加信号相比，降低了接收器和主体之间的物理距离的体​​线圈MR图像的信噪比。最后，主体是用毯子覆盖，以确保他们的舒适。

4。 MR扫描

1. 扫描之前
   1. 这个题目是问躺在MRI扫描表的第一脚。然后扫描工作台移动到核磁共振成像扫描仪的中心课题孔。
   2. 扫描仪操作员经常会谈到这个问题，以确保舒适的主体，并提醒他们挤挤球，如果他们需要帮助。
   3. 调查监测心电图， _氧饱和度，潮气量，五O ₂和V的CO _2。最初几分钟的监测尤为重要，以确保高质量的数据;如果这些数字是在预期范围内，必须反复校正和口罩和管路泄漏检查。
2. 成像考试序列
   1. 本地化顺序是先收购获得的解剖图像，以确定躯干内安置成像片。
   2. 在矢状面 - 后距离是最大的部分右肺前选择一个切片。切片厚度通常为15毫米，视野为40厘米× 40厘米。
3. 动脉自旋标记
   动脉自旋标记-流动敏感交替反转恢复与一个额外的射频脉冲序列，半傅立叶采集单次快速自旋回波（HASTE）成像计划（海拨更公平）是用来获取区域灌注数据^1,2 。
   1. 主题将听到的声音对的，“砰，砰”，说明磁标记和图像采集。第一次撞击的声音是肖尔比第二。这种声音的差异是明显的。在这些声音对之间，主体必须完成一个呼吸循环：呼吸和呼吸，事先到下一对。在对声音的，这个问题必须在财务汇报局屏气。
   2. 主体是一个形象收购的试运行，在此期间，受试者做法呼吸，他们熟悉之前，他们把扫描仪（如上所述）。
   3. 议员运营商评估基础上的隔膜运动的肺部图像质量。如果运动是最小的ASL测量开始。研究人员监测潮气量。近似​​目标潮气量是500-700毫升的正常通风与阀门的额外死亡空间一致。
   4. 量化肺灌注的基本原则是参考1和2中所述的细节。在此MR序列，两个不同的心脏门控图像获得一个5秒的时间间隔，在它们之间。形象标记和图像采集（即第一次爆炸声和第二次爆炸声之间）之间的时间设置为80％的RR间隔，以便收集的血液收缩压弹射。从血液中的信号是两种不同的方式准备。在一个图像的血液和组织内和外的图像切片的纵向磁化反转，导致血液和组织非常低的信号。在第二幅图像，反转是只适用于成像片，结果从外成片的图像切片，血液流入，具有很强的MR信号。当两个图像中减去，从而抵消了平稳信号，结果是一个收缩期射血时间内交付的图像切片血液定量地图。分辨率为256 × 128像素，因此，体素大小〜1.5 ×〜3.1x的15毫米（〜0.07厘米^3）。
4. 龙质子密度
   此外翔升图像，我们还可以使用多回波快速梯度回波序列（mGRE）来衡量肺癌质子密度^3。这允许灌注测量毫升/分钟/ g和⁶胸廓内肺组织变形的帐户表示。这个顺序是运行两次，躯干线圈和体线圈。
   1. 在此质子密度图像采集，问题会听到连续的噪音，将持续约10秒钟。在此期间，受试者必须屏住呼吸，并留在财务汇报局。
      量化肺癌质子密度的基本原则是在参考文献3。该决议是64 × 64像素;因此，体素大小为6.3〜X〜6.3 × 15毫米（约0.59厘米^3）。
5. 切换吸气气体
   1. 在这项研究气体与F _{I O 2} = 0.21（常氧/间空气_），F的第I O ₂ = 0.125（缺氧），和F _{I O 2} = 1.00（高氧）在主体之间的平衡顺序，虽然这些都可以多种多样，需要的话，与研究目标相一致
   2. 一个主题后达到稳态指定的条件为特定气体（约20分钟^）7，灌注和质子密度，测量获得的。在这种情况下，暴露前成像气体的20分钟内选择，因为虽然发生在几秒钟内开始缺氧性肺血管收缩反应，肺泡缺氧的反应是不是最大的，直到^〜20分钟8，与这一目标相一致特别研究。

5。后处理

在MATLAB编程环境中使用自定义开发的软件完成后期处理。

1. 线圈的不均匀性校正
   通过均质体线圈和不均匀躯干线圈（4.1节）中使用配对mGRE图像，所有的血流量和质子密度图像校正线圈的不均匀性为主题的主题^的基础上6。这种方法是参考6和9。
2. 密度归灌注
   1. 一旦减去ASL的形象是线圈不均匀纠正，量化区域的肺血流量是每分钟每立方厘米（体素）毫升（血）。
   2. 密度归灌注毫升每分钟每克水（血）为单位表示的计算方法是除以质子密度图像灌注毫升每分钟（每克肺组织+血）翔升形象。
   3. 一个基于互信息技术，包括平移和旋转，利用注册的ASL和质子密度图像，并翔升灌注图像是由质子密度由体素的形象上获得一个体素与躯干线圈基础^6,9。这种方法也参考6和9。
3. 数据分析
   上文所述（肺癌质子密度和密度归灌注）收购对于每一个图像，数据分析以下列方式。
   1. 对于每一个图像，平均计算密度规范化灌注。
   2. 灌注异质性的三个不同指标的计算方法。这些是：1）相对分散^4,10,11，也称变异系数，全球范围内的异质性定义为标准差的比率平均灌注在其中较大的相对分散，异质的灌注分布; 2）分形维数^（DS）7，独立的空间异质性，是规模指数，其中的值各不相同（同质化）1.0和1.5（空间随机）; 3）几何标准偏差，也对全球尺度之间异质性，但基于日志正常模式^分布 2 。

6。代表性的成果

生理数据列于表1。在缺氧心率增加和饱和度下降。通气缺氧时的8.31升/分钟BTPS，7.04升/分在常氧和6.64升/分钟时氧。潮气量为0.72大号在常氧，缺氧时，0.69大号过程中氧和0.67大号。缺氧增加通风和潮气量的风险，而氧减少通风和潮气量。

三密度归灌注在三个不同吸入氧浓度（：0.125，常氧：0.21，而高氧：缺氧1.00）收集到的图像从一个主题（男，30岁）获得如图1所示。灌注异质性的数据分析结果列于表2。由此可以看出，缺氧加重相对分散，但其他指数大致维持不变。

图2显示，吸入氧浓度的垂直分布密度归灌注的影响，平均高度低于10厘米肺癌的最依赖的部分和10厘米以上的每1厘米。 10厘米以上的所有数据点的平均值，并显示为一个数据点。

	缺氧	常氧	高氧
心率（BPM）	60	51	50
SPO 2	86	99	100
V E BTPS（L / min的）	8.31	7.04	6.64
V T BTPS（L）	0.76	0.69	0.67
F E O 2（％）	8.85	17.27	-
F E CO 2（％）	3.41	3.60	3.20
VO 2 STPD（L / min的）	0.25	0.22	-*
VCO的2 STPD（L / min的）	0.23	0.21	0.18

表1，在生理数据扫描会话。

* VO ₂时的主体是100％的氧气呼吸，不能很容易地测量（详情请参阅^12）。

	缺氧	常氧	高氧
相对分散	1.07	0.85	0.87
分形维数	1.24	1.26	1.26
几何标准偏差	2.41	2.11	2.38

表2。肺灌注异质性三个指标。

图1三种不同密度归灌注吸入氧浓度的影响。 1.1：缺氧（0.125），1.2：常氧（0.21），1.3：高氧（1.00）。规模是3厘米（白色实线）。答：前，P：后，我：自卑，和S：上级指示，分别。

图2三种不同吸入氧浓度的垂直分布的密度归灌注的影响。平均密度归灌注引力在同一平面内1厘米的箱，在肺最依赖的一部分，从0厘米，继续最nondependent部分。 10厘米以上的所有数据点的平均值，并显示为一个数据点。

误差线表示在这架飞机的密度归灌注值的标准偏差。缺氧数据以红色，常氧数据为蓝色，和绿色的高氧数据。

讨论

这种方法使测量吸入氧浓度的空间分布上的肺血流量，在MR扫描环境中使用基本的生理技术的影响。定量质子成像肺的生理技术结合使用是相对容易实现。

为了确保良好的质量测试，最重要的一步是培训的主体，屏气，在正确的肺容积和成像序列同步。由于ASL和质子密度图像上的FRC肺容积的可重复性依赖，任何膈肌或胸壁运动，会导致这些图像的位置不正。训练有素的科目是...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
设备	公司	模型
磁共振成像	通用电气公司	1.5 T GE HDX EXICITE twinspeed扫描器
代谢车	ParvoMedics	TrueOne 2400
脉搏血氧仪	燕牌	7500
肺活量计	医疗技术安多弗	EasyOne diagonostic肺活量计
面膜	汉斯和鲁道夫	7400系列口腔鼻面具，小型，中型，和大型
阀门	汉斯和鲁道夫	双向非再呼吸阀T形™配置，2600中等。 2700大
头紧定	汉斯和鲁道夫	头帽（成人的大小），带锁定夹。
气动方向控制阀和控制器	汉斯和鲁道夫	单活塞滑动式™阀和控制器4285A
非扩散的气体收集袋	汉斯和鲁道夫	6100（100升）。
管	VacuMed	清洁博尔油管108“，1-3/8”外径配件
幻影	导师	布雷斯特植入回合，250cc组
MATLAB	The MathWorks公司