以质子磁共振成像和氧为造影剂对人肺特异性通气进行定量定位

摘要

特定通气成像是一种功能磁共振成像技术, 允许使用吸入氧作为造影剂, 对人肺中的区域特异性通气进行量化。在这里, 我们提出了一个收集和分析特定通风成像数据的协议。

摘要

特定通气成像 (SVI) 是一种功能性磁共振成像技术, 能够量化特定通气--进入肺区域的新鲜气体除以该区域的呼气末量的比率--在人的肺中只使用吸入氧气作为造影剂。特定通气的区域定量有可能有助于确定病理肺功能的区域。组织中溶液中的氧缩短了组织的纵向松弛时间 (_t1), 因此可以检测到组织氧合的变化是 t1 加权信号的变化,并获得了反转恢复图像。在两种浓度的激发氧之间发生突然变化后, 体素平衡内的肺组织达到新的稳定状态的速度反映了常驻气体被吸入气体取代的速度。此速率由特定通风口决定。为了引起氧合的突然变化, 受试者在 MRI 扫描仪中交替呼吸20个呼吸块的空气 (21% 氧气) 和100% 的氧气。通过在短端呼气呼吸保持过程中使用带有手动开关的自定义三维 (3D) 打印的流动旁路系统, 实现了激励氧分数的逐步变化。为了检测 T1 中的相应变化, 采用全局反演脉冲, 然后是单次快速自旋回波序列, 利用八元躯干线圈, 在 1.5 t mri 扫描仪中获取二维 t1 加权图像.单片和多层成像都是可能的, 成像参数略有不同。通过将每个肺体素的信号强度时间过程与对空气/氧刺激的模拟反应库联系起来, 实现了特定通气的量化。针对多次呼吸冲洗, 验证了 SVI 对特定通风异质性的估计, 并证明了该估计可以准确地确定特定通风分布的异质性。

引言

特定通气成像 (SVI)--一种利用氧作为造影剂¹的质子磁共振成像 (mri) 技术--的总体目标是定量绘制人肺中的特异性通气图。具体通气是将新鲜气体输送到肺区的比例, 在一次呼吸中除以同一肺区¹的末端呼气量。结合局部肺密度的测量, 可使用特定通气来计算区域通气²。Svi 提供的局部通气和通气异质性测量有可能丰富对肺正常和异常^{3、4 功能}的理解。

特定通气成像是经典生理试验的延伸, 多呼吸冲洗 (mbw), 这是 20世纪50年代⁵,⁶首次引入的技术。这两种技术都使用气体洗涤清洗来测量特定通风的异质性, 但 SVI 提供空间局部信息, 而 MBW 只提供全球异质性的度量。在 MBW 中, 质谱仪用于测量在许多呼吸过程中, 不溶于气体 (氮、氦、六氟化硫等) 在该气体排出过程中混合过期的浓度, 如图 1所示。在冲洗期间, 随着每次呼吸体积的过期, 这些信息可用于计算肺中特定通气的总体分布。在 SVI 中, MRI 扫描仪用于测量 T1 加权信号--它是肺组织溶液中氧气含量的替代品, 是局部氧浓度的直接指标--在几次洗脱过程中, 每个肺体素中的氧量都是非常高的。的氧气。以直接类似于 MBW 的方式, 这些信息允许我们计算每个肺体素的特定通气。换句话说, 在 SVI 实验期间, 该技术执行了数千个类似 mbw 的平行实验, 每个体素一个。事实上, 由此产生的特定通风的空间图可以被编译, 以恢复 MBW 的特定通风异质性输出。一项验证研究⁷表明, 这两种方法在同一主题上连续执行时产生了可比结果。

其他成像方式, 如 SVI, 提供了通风异质性的空间测量。正电子发射断层扫描 (pet)^8,9, 单光子发射计算机断层扫描 (spect)^10,11, 和超极化气体 mri¹²,¹³技术已被用于创建大量关于健康和异常受试者通风空间模式的文献。一般来说, 与 SVI 相比, 这些技术至少有一个明显的优势, 因为它们的信噪比具有较高的特点。然而, 每种技术也有一个典型的缺点: PET 和 SPECT 涉及电离辐射照射, 而超极化 MRI 需要使用高度专业化的超极化气体和具有非标准多核硬件的 MR 扫描仪。

SVI 是一种质子磁共振成像技术, 通常使用 1.5 Tesla MR 硬件, 吸入氧气作为造影剂 (这两种元素在医疗保健中都很容易获得), 使其有可能更易于推广到临床环境中。SVI 利用氧气缩短肺组织¹的纵向松弛时间 (t1)的事实, 这反过来又转化为 t1 加权图像中信号强度的变化.因此, 激发氧浓度的变化会引起适当定时 MRI 图像信号强度的变化。在激发的氧气浓度 (通常是空气和100% 氧气) 突然变化后, 这种变化的速度反映了居民气体被吸入气体取代的速度。这种更换率是由特定的通风决定的。

由于 SVI 不涉及电离辐射, 因此它对随着时间的推移跟踪患者的纵向和介入研究没有禁忌症。因此, 它是理想的研究疾病进展或评估个别患者如何反应的治疗。由于其相对容易和安全的重复性, 具体的通气成像, 在一般情况下, 是一个理想的技术, 为那些谁希望研究大的影响和/或大量的人随着时间的推移或在几个不同的临床地点。

继描述技术1的原始出版物^之后, 具体的通气成像 (svi) 被用于研究快速盐水输注、姿势、运动和支气管收缩^2,3的影响^{,4 个,14,15}. 该技术估计特定通气全肺异质性的能力已通过成熟的多次呼吸冲洗试验⁷进行了验证, 最近, 通过以下方式进行了区域交叉验证:比较 SVI 和超极化气体多呼吸特异性通气成像¹⁶。这种可靠且易于部署的技术能够定量地绘制人体肺中的特定通气图, 有可能为呼吸道疾病的早期发现和诊断做出重大贡献。它还为量化区域肺异常和跟踪治疗引起的变化提供了新的机会。SVI 使我们能够首次测量的特定区域肺功能的这些变化有可能成为评估药物和吸入疗法影响的生物标志物, 并可能成为临床试验中非常有用的工具。

本文的目的是以一种直观的形式详细介绍具体的通气成像方法, 从而促进该技术向更多的中心的传播。

研究方案

加州大学圣地亚哥分校人类研究保护计划批准了这一协议。

1. 学科安全和培训

1. 获得主体的书面知情同意。描述暴露在迅速变化的磁场中带来的潜在风险, 以及使用面膜和呼吸干气的潜在不适。
2. 使用当地批准的 MRI 安全检查问卷, 确保受试者能够安全地接受 MR 扫描。
3. 如果对象是育龄妇女, 且怀孕状况不确定, 请她自行进行非处方药检。如果研究对象怀孕, 将该对象排除在研究的剩余部分之外。
4. 测量被试的体重。限制传递给主体的射频 (RF) 能量量的扫描仪安全参数需要输入此特性。验证受试者的体重是否低于 MRI 表的最大重量限制 (在本例中为136公斤)。
5. 用 MR 扫描序列训练拍摄对象及时呼吸。优选地播放以前扫描的录音, 并指示主体正常呼吸, 每5秒完成一次呼吸, 使用扫描仪中的音频提示作为指导;为了训练的目的, 与主题一起呼吸。
6. 通过测量主体的鼻到下巴尺寸, 确定最适合主体的面膜尺寸 (尺寸从娇小到超大不等)。一个适当大小的面膜将适合舒适, 但将防止空气泄漏在面具和对象的皮肤之间在任何时候。如有必要, 请尝试使用其他尺寸。
7. 验证主体的口袋和衣服是否没有基于磁性的信用卡和含铁金属件。如有需要, 请将主题更换为 MRI 设施提供的医疗服。
   请注意:金属在 MRI 环境中可能是危险的, 金属物体, 如夹子 (通常在胸罩), 金属环 (胸罩和连帽), 金属按钮或拉链 (衬衫, 毛衣), 头发延伸和假发有可能产生成像伪影。

2. MRI 环境的准备

1. 只允许接受过 MRI 安全培训的人员按照成像设施的标准进入扫描仪室或协助进行此实验。
2. 通过将线圈连接到扫描仪表中的相应连接器, 将 MR 扫描仪配置为与躯干线圈一起使用。
3. 准备扫描仪表, 包括床单、垫子和枕头, 以便拍摄对象在成像过程中至少舒适30分钟。
4. 组装氧气输送系统。
   注:管的示意图如图 2所示。
   1. 将两个三通的开关阀放在扫描仪操作员或进行 SVI 实验的人员能够到达的地方。
   2. 使用半英寸塑料管将医用氧气罐 (扫描仪室外) 或氧气壁供应 (如果有) 连接到开关阀的一个入口。
   3. 将位于控制室中的开关阀的出口连接到8米 (扫描仪的足够长度) 1 英寸塑料管。通过通道将管道从控制室送到扫描仪室, 并确保其到达扫描仪孔的中间。
      请注意:连接开关阀出口到流动旁路面罩的塑料管在最后2米的直径上增加了一个台阶, 从-英寸到8英寸到半英寸, 以减少流入流动旁路系统的空气所产生的噪音。
   4. 将油管的半英寸端连接到流动旁路面罩附件。
   5. 将流动旁路附件固定在适合主题的面罩上。
   6. 将油箱或墙体出口调节器上的压力设置为产生大于预期峰值吸气流量的氧气流动的值。所需的压力取决于研究的性质 (休息、锻炼等) 和气体输送系统的整体阻力 (通常是步骤中描述的输送系统的 ~ 70 psi 2.4.3 休息研究)。
   7. 通过激活氧气的流动来测试开关阀, 确保流动旁路附件的出口有足够的流量, 塑料管中不存在泄漏。

3. 为影像学检测和准备拍摄对象

1. 让当事人躺在核磁共振台上。通过确保低线圈元件的顶部高于主体的肩膀, 确保低线圈元件的顶部提供足够的肺尖覆盖。
2. 让主体插入耳塞, 并验证声音是否被阻塞。
3. 将挤压球 (或备用安全机构) 绑在主体的手腕上, 以便于访问。
4. 将面罩和流动旁路系统安装到主体的脸上。简要排除流旁路附件的呼气侧, 并要求主体尝试正常的灵感和过期, 以检查是否有泄漏。
5. 将主体放入扫描仪中, 使用光线居中工具, 以确保躯干线圈占据孔的中心。
6. 使用紧固的黄铜螺母将流动旁路线连接到三维打印的流动旁路面罩附件。

4. MRI 成像

1. 选择成像切片的解剖位置。
   1. 获取定位器序列, 以获取将用于开例考试其余部分的解剖地图。
   2. 通过使用扫描仪图形用户界面单击成像切片并将其拖动到所需位置, 选择最多4个矢状肺切片进行研究。通常情况下, 视野设置为 40 x 40 厘米, 切片厚度设置为1.5 厘米. 选择以肺场为中心的切片, 以研究感兴趣的区域为目标, 通常最大限度地减少中侧和胸壁的侵入。最大限度地增加采样肺体积。
      请注意:切片选择可以在任何平面上进行;最多可选择4个切片。为了演示的目的, 将获得一个切片。
   3. 记下成像切片相对于脊柱位置的位置, 以便可以重新评估相同的体积进行纵向研究。
2. 特定通气成像
   注:典型 MRI 参数列表见表 1。
   1. 将 mr 计算机中最内侧切片的反转时间设置为 1, 100 毫秒, 以最大限度地提高空气-氧对比^度17。
   2. 设置用于成像采集的采集参数 (表 1)。对于多片采集, 每个额外的切片在第一个之后获得, 间隔为235毫秒 (1, 335 毫秒, 1, 570 毫秒, 1 805 毫秒)。
      请注意:在反转恢复脉冲和时间间隔 (由反转时间描述) 之后, 使用半傅立叶单拍摄涡轮旋转回波 (HASTE) 以 128 x 128 分辨率 (采样的70行 k 空间) 获得每个切片图像;图像重构为 256 x 256 分辨率。
   3. 将重复次数设置为 220, 将重复时间 (TR) 设置为5秒。这将导致重复4.2.1 和4.2.2 共220次连续呼吸, 间隔5秒。要求主体自愿进入他或她的呼吸的时间与图像的获取。
      请注意:图像在正常过期结束时在功能剩余容量 (FRC) 的短的自愿呼吸中断中获得。重要的是, 在每一次连续的收购中, 都要一致地达到类似的肺体积。
   4. 在随后的收购过程中, 监测受试者肺体积 (结束过期) 的一致性, 并在必要时提供反馈以提高质量。如果被试发现很难每5秒达到一致的肺体积, 则增加 TR (连续采集之间的时间间隔)。
   5. 每20次呼吸 (在采集呼吸期间保持治疗, 以保持受试者的舒适性), 在室内空气和医用氧气之间交替使用受试者的启发气体混合物。记下开关发生的时间, 以及被试呼吸每一种气体的时间间隔。允许受试者在实验的某个时候连续呼吸 40次, 呼吸100% 的氧气 (通常为20-60 或 180-220), 以提高对低通气肺区的敏感性。
   6. 定期验证心率 (休息时正常受试者为 40-80) 和氧饱和度 (通常为 98-100%)通过查看脉搏血氧仪 (图 2);偏离标准可以发出痛苦或焦虑的信号。
   7. 通过按扫描仪键盘按钮, 定期与主题对话, 定期更新剩余时间。
   8. 呼吸220后, 成像完成。将主体返回到室内空气中, 并将其从扫描仪中取出。

5. 从图像的时间序列创建特定的通风图

1. 验证每个肺切片是否获得了220张连续 mr 图像。
2. 将图像导入到图像分析软件 (例如, MATLAB) 中进行注册。
3. 在220张图像中, 通过对整个图像堆栈的目视检查, 为每个最能代表功能剩余容量的切片选择一个。功能剩余容量被确定为堆栈中肺体积的 "模式"。
4. 以 "模式" 图像为参考, 使用投影或仿射配准器将所有图像注册为功能剩余容量参考。
   请注意:注册通常使用在 18^内部开发的算法或公开可用的通用双引导迭代最接近点算法 (gdb-icp¹⁹) 进行。
5. 使用注册算法的输出计算每个图像的面积变化。丢弃其注册步骤需要 & gt;10% 区域从图像堆栈中更改的图像, 并将其视为缺失数据²⁰。
6. 使用在第1^{、7 屋}开发的算法, 从注册堆栈对肺中的特定通气进行量化。通过将每个体素的时间响应与连续的氧气洗涤和冲洗系列进行比较, 以15% 的增量对50个模拟的、无噪声的响应进行量化, 这些响应对应于从0.01 到10不等的特定通风。每个体素被分配一个特定通风值对应于模拟理想的特定通风, 显示最大的相关性与每个体素的时间序列, 最初在¹中介绍。
7. 上一步的输出是特定通风的地图。建立一个分布直方图, 并计算出特定通风分布的宽度, 测量特定通风的异质性, 独立于潮汐体积。

6. 将特定通风和密度图结合起来计算区域肺泡通风

1. 除 SVI 外, 获取肺质子密度图像²¹, 如先前的研究²² (第4.4 节和5.1 节, 参见^{参考 22})。在相同的肺切片中, 在相同的肺体积 (FRC, 正常过期结束) 中获得质子密度图像;将分辨率设置为 64 x 64, 对应于约 6.3 mm x 6.3 mm x 15 mm (~ 0.6 cm 3) 的体素大小。
2. 对齐特定的通风和质子密度图像。
   1. 使用内核大小为 ~ 1 cm 3 的高斯滤光片平滑特定的通风和质子密度图像.
   2. 使用基于互信息的算法, 在特定通风图和密度图之间执行刚性配准 (平移和旋转)。
3. 计算共注册的特定通风和质子密度数据的肺泡通气。
   1. 计算 (1-密度) 图, 即正常过期结束时采样体积中空气的比例, 假设肺由空气和组织组成, 组织密度为 ~ 1 gcm3.
   2. 计算区域通风图作为产品 (1 密度) x SV (自然单位)。将本产品乘以体素 (或其他感兴趣的区域) 的体积和呼吸频率 (施加, 通常为12个呼吸), 以获得在更熟悉的 ml/min 单位的通风图。
      请注意:对于每个肺区域, SV = vsv₀和 (1–密度) v₀。因此, 产品 (1 密度) x SV = 区域通风, 以自然单位表示。

结果

单片 SVI 在一个健康的主题
具体的通气成像产生特定通气的定量地图, 如图 3 a所示, 它描绘了一个39岁健康女性右肺的单片。注意特定通风过程中存在预期的垂直梯度;肺的依赖部分比肺的非依赖部分表现出更高的具体通气。显示映射的特定通风值的直方图 (图 3B, 填充圆) 以及最适合的对数正态分布函数 (虚线)。最佳配合分布的宽度?...

讨论

特定的通气成像可以定量地绘制人肺特定通气的空间分布图。SVI 的替代方法存在, 但在某种程度上是有限的: 多次呼吸冲洗提供了一个异质性的度量, 但缺乏空间信息²³。替代成像方法使患者暴露在电离辐射 (例如, SPECT、PET、CT、伽玛显像) 或不广泛使用 (使用 MRI 的超极化气体成像)。特定的通气成像提供空间信息, 可以使用标准的临床扫描仪和吸入氧气作为对比源进行, 因此可以转...

材料

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