Name: mri mapping of cerebrovascular reactivity via gas inhalation challenges
Uploaded: 2014-12-17T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 33 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about MRI Mapping of Cerebrovascular Reactivity via Gas Inhalation Challenges at JoVE.com

This work was partly supported by grants from the National Institutes of Health (NIH), under grant numbers R01 MH084021, R01 NS067015, R01 AG042753, NS076588, NS029029-20S1, R21 NS078656; and from National Multiple Sclerosis Society, under grant number of RG4707A2.

HINWEIS: Das Protokoll wurde von der University of Texas Southwestern Medical Center der Institutional Review Board genehmigt. 1. Schematische Darstellung der Gasliefersystem und Vorbereitende Arbeiten vor dem Experiment <ol style="margin-left: 40px;"><li> Überprüfen Sie das Diagramm des Gaszufuhrsystem (Abbildung 1). Füllen Sie einen 200 L Douglas Beutel (Artikel # 1) mit einem medizinischem Gasmischung, die 5% CO 2, 21% O 2 und 74% N 2. </li><li> Legen Sie zwei Membranen (Artikel # 4) in der Zwei-Wege-Nichtrückatemventil (Artikel # 3), um einen Weg Gasstrom zu gewährleisten. Bringen Sie diese montiert Zweiwegeventil und die gasgefüllten Douglas Beutel (Artikel # 1) in den Magnetraum. </li><li> Schließen Sie das Gaszuführungsrohr (Artikel # 7) mit dem Eingangsende des Zweiwegeventil (Artikel # 3). Befestigen Sie die Gaszufuhrröhre (Artikel # 7) auf der Seite der Kopfspule für Gewichtsentlastung. Schließen Sie das andere Ende des Gaszufuhrrohr (Artikel # 7) mit dem gasgefüllten DouglasBeutel (Artikel # 1). </li><li> Verbinden Sie das Mundstück (Artikel # 5) mit dem U-förmigen Rohr (Artikel # 12) über einen Ellbogen-Anschluss (Artikel # 13 mit Gasprobenentnahmeöffnung verschlossen). </li><li> Schließen Sie das Gasprobenahmeschlauch (Artikel # 9) mit dem U-förmigen Rohr (Artikel # 12) über eine weitere Ellenbogen-Anschluss (Artikel # 13). </li><li> Schließen Sie eine kleine Luftfilter (Artikel # 11) auf das andere Ende des Gas-Probenahmeschlauch (Artikel # 9). Schließen Sie das andere Ende der Luftfilter (Artikel # 11) mit der CO 2 (Artikel # 14) zu überwachen. </li><li> Im Kontrollraum des MRT-Raum, aktivieren Sie die CO 2 (Artikel # 14) und der Pulsoximetrie (Artikel # 15) überwacht. Ausführen eines Auto-Kalibrierung für die CO 2 -Monitor. </li><li> Schließen Sie die Monitore an einem Laptop mit USB-Ports. Öffnen Sie das Hyperterminal-Software, die mit den Monitoren kommuniziert. Der Monitore mal mit einem Timer durch Aufschreiben der Timer-Zeit und die entsprechenden Monitore &quot;Synchronisieren Zeiten. Die Unterschiede der Timerzeit und überwacht &quot;Zeiten für Daten pro bilanzierenVerarbeitung (Schritt 4.4). </li><li> Ein Ende einer Signalisierungs bar in einen Wellenleiter, so dass ein Ende der Stange befindet sich innerhalb des Magnetraumes und das andere Ende ist in dem Steuerraum. HINWEIS: Die Signalisierung Leiste zur Benachrichtigung des Forschers im Magneten Raum während des Scans beim Umschalten des Drei-Wege-Ventil (Teil # 2) benötigt wird. </li></ol> 2. Verfahren im Experiment <ol style="margin-left: 40px;"><li> Bitten Sie das Motiv auf dem MRI Tisch liegen, aber nicht ihn / sie in der Magnetbohrung noch. Weisen Sie den Gegenstand, den Krankenschwester-Anruf-Taste drücken, wenn sie während der Untersuchung unangenehm wird. Ersucht den Patienten, seine / ihre Nase mit einem Stück Reinigungstuch, jede Fett zu entfernen wischen. </li><li> Weisen Sie das Thema durch den Mund atmen und zur Schaffung und Aufrechterhaltung einer Atemrhythmus. Dann bewerben Sie sich eine Nasenklammer (Artikel # 6) zu diesem Thema. </li><li> Schließen Sie das offene Ende des U-förmigen Rohr (Artikel # 12) in die Mitte-Port des Zweiwegeventil (Artikel # 3) über den elBogen-Anschluss (Artikel # 13). </li><li> Legen Sie vorsichtig das Mundstück in den Mund des Patienten, so dass das Subjekt durch das Mundstück zu atmen. Befestigen Sie vorsichtig die Fingersensor der Pulsoximetrie (Artikel # 15) mit der Fingerspitze des Themas. </li><li> Versichern, dass der Kopf des Motivs ist in der Iso-Zentrum der Kopfspule. Betreiben Sie das MRI-Tabelle, ihn / sie in der Magnetbohrung setzen. </li><li> Sicherzustellen, dass ein Forscher Aufenthalte im Magneten Raum das Subjekt zu überwachen und bereit sein, die Dreiwegeventil an der Douglas Beutel (Artikel # 1) zu schalten. Stellen Sie sicher, dass der Forscher trägt Ohrstöpsel und ein Headset an MRI Geräusche zu blockieren. </li><li> Schließen Sie das Magnetzimmertür und in den Kontrollraum, überprüfen Sie die EtCO 2 und arterielle Sauerstoffsättigung Fraktion (SO 2) auf dem CO 2 (Artikel # 14) und der Pulsoximetrie (Artikel # 15) Monitoren angezeigten Parameter. Starten der Aufnahme der Parameter auf dem Laptop. </li><li> Weisen Sie den MRT-Betreiber, um das Scannen mit beginnenBlut-Sauerstoffversorgung Ebene Abhängige (BOLD) Folge. Für 3T-MRT sind die BOLD-Bildgebung Parameter: TR / TE = 1500/30 ms, Flipwinkel = 60 °, Sichtfeld = 220 x 220 mm 2, Matrix = 64 x 64, 29 Scheiben, Dicke = 5 mm, kein Spalt zwischen Scheiben, 361 Bände. Neue Beiträge zu diesem vorbereiteten Blatt, auf dem der Zeitpunkt der Ventilumschaltung aufgeführt ist und sanft schwingen die Signalisierung bar, wenn ein Schalter erforderlich ist. Achten Sie genau auf der Person Physiologie, einschließlich Herzfrequenz, SO 2 und EtCO 2. </li><li> Jetzt, im Magneten Raum, schalten Sie die Douglas Tasche auf der Basis der Bewegung der Signalleiste, die die Art des Gases, die Gegenstand inspiriert kontrolliert (Artikel # 1). </li><li> Setzen Sie dieses Verfahren für die Dauer der Studie. Während der 9 min Bildperiode, sicherzustellen, dass die Ventilschaltung erfolgt etwa einmal pro Minute. Man beachte, dass die Zeitsteuerung des Schalters nicht, genau gesagt, werden, solange die EtCO2- Zeitverlauf aufgezeichnet. &lt;br /&gt; Hinweis: Wenn sich das Motiv drückt die Krankenschwester-Call-Taste während des Scans wird der Suchlauf abgebrochen, und das Thema wird von der Magnetbohrung sofort bewegt werden. Der Forscher wird das Mundstück und Nasenklemme vom Thema zu entfernen. </li><li> Verwenden Sie die Sprechanlage, um das Thema, das der Scan abgeschlossen informieren. Ziehen Sie die MRT-Tabelle aus. Entfernen Sie vorsichtig die Nasenklammer und Mundstück aus dem Thema und bietet Reinigungstuch auf das Thema, jede Speichel abzuwischen. Die Fingersensor der Pulsoximetrie vom Motiv vorsichtig entfernen. Das Thema kann dann sitzen und um aus dem MRT-Tabelle. </li></ol> 3. Säuberungsverfahren nach dem Experiment <ol style="margin-left: 40px;"><li> Entsorgen Sie die Gasentnahmeschlauch (Artikel # 9), Luftfilter (Artikel # 11), Mundstück (Artikel # 5) und Nasenklammer (Artikel # 6). </li><li> Reinigen Sie die wiederverwendbaren Komponenten. Trennen Sie das Zweiwegeventil (Artikel # 3) von den anderen Komponenten und entfernen Sie die Membranen (Artikel # 4) von dem Ventil. Weichen Sie die Zwei-Wege-Ventil (Artikel # 3), Membran (Artikel # 4) und U-Form Rohr (Artikel # 12) in konzentrierter Phosphatfreie Desinfektionsmittel, die Tenside enthalten, wie Bacdown spülmittel in einem Behälter für 20 min. Das Verdünnungsverhältnis des Waschmitteldesinfektionsmittel und destilliertem Wasser 1:64. </li><li> Spülen Sie die in 3.2 gründlich mit destilliertem Wasser beschriebenen Produkte. </li><li> Trocknen Sie die U-Form Rohr (Artikel # 12) mit Druckluft. Setzen Sie den Zweiwegeventil (Artikel # 3) und Membranen (Artikel # 4) an einem klaren Arbeitsplatte und ermöglichen ihnen natürlich trocknen und vollständig. </li><li> Leeren Sie den Douglas-Tasche. Tut von euch die Signalisierung Bar und grauen Röhre. </li></ol> 4. Datenanalyse zu Berechnen CVR Karte <ol style="margin-left: 40px;"><li> Sparen MRT-Daten im DICOM-Format oder einem anderen herstellerspezifischen Format. Übertragen der Daten zu einem Testcomputer und die Daten in das Volumen-zu-Volumen-Dateireihen, wobei jede Datei eine 3D-Volumen (zB BOLD Bild) entsprechend einem Zeitpunkt umzuwandeln. </li><li> Vorprozess die Bilddaten. Führen Bildvorverarbeitung Schritte einschließlich der Verlegung, Normalisierung, und Glättung mit einem Skript, das Bibliotheksfunktionen von der Software Statistische Parametric Mapping (SPM) vorgesehen nennt. Siehe zusätzliche Code-Datei 1 für ein Beispiel der Matlab-Skript. </li><li> Verwenden Sie ein Skript, um die CO 2 Aufnahme lesen, korrigieren Sie die Sampling-Schlauch Verzögerung durch Verschieben des Zeitverlaufs von einem vorkalibrierten Menge (zB 12 Sekunden in dieser Einstellung, die als die Zeitdifferenz zwischen einem Atemzug mit dem Mundstück und der bestimmt wird Aussehen dieser Atem auf die CO2-Aufnahme), und extrahieren EtCO2, der die Hülle (positive Spitzen) des Ausgangszeitreihe. Siehe zusätzliche Code-Datei 2 für die Matlab-Skript. </li><li> Basierend auf dem Synchronisationszeitgeber, um die Segment EtCO 2 Daten nur die Aufnahme von 25 Sekunden vor der ersten Bildaufnahme bis 100 s nach der letzten Bildaufnahme zu halten. Die EtCO 2 Zeitverlauf istder Eingangsfunktion, die das Gefäßsystem und wird als unabhängige Variable in der später beschriebenen linearen Regressionsanalyse verwendet. </li><li> Identifizieren Sie die physiologische Verzögerung zwischen EtCO 2 (in der Lunge gemessen) und MRT-Signal (im Gehirn gemessen) durch Berechnung Kreuzkorrelationskoeffizient (CC) zwischen diesen beiden Zeitverläufe bei unterschiedlichen Zeitverschiebungen. Der Verschiebungswert, der höher CC ergibt gilt als die optimale Zeit. </li><li> Die EtCO 2 Zeitverlauf ist durch die optimale Verzögerung verschoben und nur die Zeitpunkte enthalten wie der MRI-Signal werden konserviert, was sich in einer Zeitreihe, die von der gleichen Länge wie die MRI-Signal sind. </li><li> Führen Sie eine Voxel-für-Voxel-lineare Regression unter Verwendung SPM, in dem die verschoben EtCO2 Zeitverlauf ist die unabhängige Variable und die MRT-Signalzeitverlauf ist die abhängige Variable. </li><li> Berechne Voxel für Voxel Karte von CVR <img alt="Gleichung 1" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/52306/52306eq1.jpg" /> wobei (i, j, k) ter Voxel-Index ist β1 der Regressionskoeffizient mit EtCO2- und β0 zugeordnet ist der Regressionskoeffizient mit dem konstanten Term zugeordnet. min (EtCO 2) wird der Minimalwert EtCO 2 im Zeitverlauf. </li></ol>

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HL and PL are inventors of a provisional patent, owned by UT Southwestern Medical Center, that describes part of the gas delivery system.

Dieser Bericht präsentiert einen MR-kompatiblen Gaszuführsystem und ein umfassendes Versuchsprotokoll, das die Zuordnung der vaskulären Reaktivität im menschlichen Gehirn ermöglicht. Ein Diagramm des Gaszuführungssystems ist in Figur 1 veranschaulicht. Alle Teile im Inneren des MRI-Scanner-Raum sind aus Kunststoff ihre MRI Kompatibilität sicherzustellen. Das System kann konzeptionell in drei Untersysteme, einschließlich einer Gaszufuhr-Untersystem (Beutel, Lieferrohr, Zweiwegeventil), einem Atem Schnittstelle Subsystem (Nasenclip, Mundstück, U-förmigen Röhrchen) aufgeteilt werden, und ein Überwachungsuntersystem (CO 2 -Konzentration, Sauerstoffsättigung, Herzfrequenz, Atemfrequenz). Die Gaszufuhr-Untersystem kann das Gas inhaliert werden kann, um das Zweiwegeventil zu erreichen. Nur Atemluft, aber nicht ausgeatmete Luft wird durch diese Untersystem fließen. Die Atem Schnittstelle Sub-System kann der Gegenstand in atmen und aus den vorgesehenen Gas. Sowohl ein- und ausgeatmeten Gas durch dieses Teilsystem fließen. Die Kontrollausrüsg Subsystem sollte daher Probe des Gases bei einem Punkt entlang des Atmungszwischen Subsystem. Klinische Anwendungen dieser Technik können Auswertungen von Hirngefäßreserve bei neurologischen Erkrankungen wie Schlaganfall, Arteriosklerose, Moyamoya-Krankheit, Vaskuläre Demenz, Multipler Sklerose und Gehirntumoren sind. Die Technik kann auch in der funktionellen MRT-Studien verwendet werden, um zu normalisieren oder kalibrieren fMRI-Signal für eine bessere Quantifizierung der neuronalen Aktivität 23,24 werden. Ein wesentliches Merkmal des vorgeschlagenen Systems und experimentelle Protokoll ist, dass die Gasmischung auf den Gegenstand abgegeben werden, während wodurch minimale Bewegung oder Beschwerden. Daher ist es entscheidend, die U-förmig Rohr (Teil # 12), so dass es (und das Mundstück mit dem Ende der es verbunden ist) auf natürliche Weise in den Mund des Subjekts fällt nach unten zu setzen. Auf diese Weise, das Thema muss nicht seine Gesichtsmuskeln zu halten oder zu unterstützen, das Mundstück zu verwenden. Es ist auch ImportAmeise, um sich bewusst, dass das Thema nicht in der Lage zu sprechen, während das Mundstück in den Mund zu sein. Daher sollte die Forscher vermeiden, sprechen auf das Thema mit einem Fragezeichen. Stattdessen sollten Sie nur klare und definitive Anweisungen gegeben werden. Darüber hinaus, ein Forscher sollten daher genau auf die physiologischen Parameter (zB EtCO 2, SO 2, Herzfrequenz, Atemfrequenz) während des gesamten Verlaufs des Experiments zu bezahlen und reagieren umgehend, wenn eine oder mehrere der physiologischen Parameter abweichen außerhalb der typischen Bereich . Während eine vollständige Übersicht über weitere Gasförderanlagen in der Literatur verwendet, würde den Rahmen dieses Artikels, ist es sinnvoll, das derzeitige System auf wenige häufigsten verwendeten 17,18 vergleichen. Ein Hauptunterschied ist, dass unser System verwendet ein Mundstück, um die beabsichtigte Gas zu liefern, während die meisten anderen Systeme haben eine Maske in Design verwendet. Die möglichen Komplikationen der Verwendung einer Maske sind zwei Falten. Zuerst wird eine Maske occupies eine erhebliche Menge an Speicherplatz, und es nicht immer möglich sein könnte, um die Maske in den engen Raum innerhalb der Kopfspule passen, wenn man bedenkt, dass für viele Themen, die Nase würde fast die Kopfspule berühren auch ohne Maske. Dies ist insbesondere der Fall für Kopfspulen soll eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen, die in der Regel entworfen, um fest an den Kopf der Person passen. Eine zweite Komplikation mit einem Maskendesign zugeordnet ist, dass es großen Raum innerhalb der Maske, die im wesentliche Vermischung des eingeatmeten und ausgeatmeten Gases führt. Folglich konnte die Genauigkeit der Messung der EtCO 2, die im Idealfall nur auf ausgeatmete Gas basieren beeinflussen. Genaue EtCO 2 ist natürlich wichtig für die Zuverlässigkeit des CVR Karte. Ein weiterer wichtiger Unterschied unseres Systems im Vergleich zu vielen anderen Systemen ist, dass unser System liefert das Gas aus einer Tasche anstelle eines Gasbehälters. Daher sind Tanks nicht in den Scanner-Bereich benötigt, spart wertvollen Platz in der Fortsetzung<html> rol Raum eines MRI-Suite. In unserem Design, die Tasche bringen wir vor dem Start des Scans und nach dem Scan wird der Beutel geleert, gefaltet, und weggeräumt. Schließlich, im Vergleich zu einigen anderen Systemen 18,21, der aktuelle Gaszufuhrsystem ist einfacher, erfordert weniger Trainingszeit, und seine Verbrauchsmaterialien sind weniger teuer. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass, obwohl die in diesem Bericht dargestellten Protokoll hauptsächlich auf CO 2 Inhalation konzentriert, ermöglicht die vorgestellte Gaszuführungssystem auch die Lieferung anderer Gasmischungen (zB jede Fraktion von O 2 ist für jede Fraktion des CO 2, jedes Bruchteil von N 2, und deren Kombination) an einen Menschen für sie zu atmen, während er / sie innerhalb des MRI-Scanners liegt. Man kann auch die Gaszuführungssystem verwenden außerhalb des Zusammenhangs mit MRI, beispielsweise in Verbindung mit Elektroenzephalogramm (EEG), Magnetoenzephalogramm (MEG), Positronenemissionstomographie (PET), oder optimale Bildgebung. _content &quot;&gt; Beim Bereitstellen einer Empfehlung von Abbildungsparametern, haben wir vor allem auf BOLD Sequenz konzentriert. Eine weitere Sequenz, die möglicherweise in CVR Zuordnung verwendet werden kann, ist Arterial Spin Labeling (ASL) MRI, die eine quantitative Messung des zerebralen Blutflusses bereitstellt (CBF) in physiologischen Einheiten (ml Blut pro 100 g Gewebe pro min). Daher ist der Vorteil der ASL-basierten CVR Mapping, dass die Ergebnisse leichter interpretierbar, anders BOLD-Signal, das eine kombinierte Wirkung des Blutflusses, des Blutvolumens reflektiert sowie mögliche Beiträge der Hirnstoffwechselveränderungen während der CO 2 Herausforderung 25-27. Allerdings ist eine Beschränkung der ASL-Technik, dass seine Empfindlichkeit ist mehrere Falten geringer als die der BOLD 28. Dadurch ist unsere Erfahrung, dass derzeit ist es sehr anspruchsvoll, eine individuelle Ebene zu erhalten, Voxel für Voxel CVR Karte mit ASL. Daher ist für Anwendungsstudien der CVR, verwenden wir hauptsächlich die BOLD-Sequenz und somit auch auf dieser Technik in ou konzentrierenr Empfehlungen. Eine Einschränkung des vorliegenden Verfahrens ist, dass die Atmung durch ein Mundstück mit der Nase blockiert (durch eine Nasenklammer) ist nicht ganz natürlich und in einigen Fächern (insbesondere Patienten) kann dies als eine Quelle von Unbehagen empfinden. Atmung mit dem Mundstück und Nasenklemme kann auch verschärfen das Gefühl von Klaustrophobie. Darüber hinaus kann das Thema Mundtrockenheit aufgrund von Atem nur von Mund zu erleben. Daher ist es empfehlenswert, dass der Forscher versuchen sein Bestes, um das Experiment zu schnell zu beenden. Schließlich ist es wichtig zu beachten, dass, bezogen auf die Erfahrungen der Autoren ist die Potential Unannehmlichkeit oben erwähnt vorübergehend und sobald das Experiment beendet ist, verschwindet.

Das Gehirn stellt etwa 2% des gesamten Körpergewichts, verbraucht jedoch etwa 20% der Gesamtenergie 1. Es überrascht nicht, ist ausreichend und sorgfältig regulierten Blutversorgung wichtig, diese hohen Energiebedarf und für das Gehirn, um richtig funktionieren zu erfüllen. Darüber hinaus ist Gehirn ein räumlich und zeitlich heterogen dynamisches Organ, mit den verschiedenen Regionen, die unterschiedliche Höhe der Blutversorgung zu unterschiedlichen Zeit. Daher dynamische Modulation der Blutversorgung ist eine wichtige Voraussetzung im menschlichen Gehirn Durchblutung. Glücklicherweise ist es bekannt, dass die Blutgefäße sind nicht nur starre Rohre und dass eine wichtige Funktion des Blutgefäßes zu erweitern und zu verengen, basierend auf der Nachfrage des Gehirns und physiologischen Bedingungen 2. Diese funktionelle Eigenschaft des Schiffes, wie Cerebral-Vascular-Reaktivität (CVR) bekannt ist, wird angenommen, dass eine sinnvolle indictor von Kreislauf-Gesundheit und kann Anwendungen in verschiedenen neurologischen conditio findenns wie Schlaganfall 3, 4 Demenz, Arteriosklerose 5, kleine Gefäßkrankheiten 6, Gehirntumor 7, Moyamoya-Krankheit 8 und Drogenabhängigkeit 9. In der Physiologie und der Anästhesiologie Literatur ist es bekannt, durch Änderung des arteriellen CO 2 Pegel (beispielsweise Inhalation einer kleinen Menge an CO 2) während der Überwachung vaskuläre Reaktionen 10-13, denn CO 2 -Gas ist ein potenter Vasodilatator, kann CVR beurteilen . In der Bildgebung und Radiologie Feld wird CVR Mapping mittels MRT rasch zu einer neuen Marker von Interesse für viele Grundlagenforscher und Kliniker 8,14-19. Es wird üblicherweise durch Untersuchen wieviel vaskuläre Reaktion wird durch eine vasoaktive Herausforderung induzierten geschätzt. Es besteht jedoch ein Bedarf an technischen Verbesserungen in der Gasabgabesystem und Standardisierung der Versuchsprotokoll. Liefern spezieller Gasgemisches an ein Subjekt innerhalb des MRI-Scanner, ist nicht trivial und besondere Überlegungensind für ein MRI-kompatibles Design erforderlich. Besondere Überlegungen sind bei der Gestaltung MRI-kompatiblen Gaszuführungssystem erforderlich. Diese Besonderheiten sind: 1) Alle Komponenten müssen nicht-metallisch sein (Metall kann nicht in MRI verwendet werden); 2) das System auf kleinem Raum, dass die MRI-System und seine Kopfspule erlauben zu arbeiten; 3) sollte das System mit einer Liegeposition statt sitzen, ohne Beschwerden zu arbeiten (wie MRI-Scanner benötigt); 4) relevanten physiologischen Parametern wie endexspiratorischen CO2 (EtCO2-, eine Annäherung der CO2-Gehalt im arteriellen Blut) und der arteriellen Sauerstoffsättigung, sollte genau mit Sekunden Zeitgenauigkeit aufgenommen und auf einem Computer zur Analyse gelagert werden. Diese Probleme können die Anwendungsspektrum der CVR-Mapping zu begrenzen. In diesem Bericht haben wir ein experimentelles Protokoll, das eine umfassende Gaszufuhrsystem verwendet, um den Inhalt des eingeatmeten Gases zu modulieren, während sich das Motiv innerhalb des MRI-Scanners liegt. Unsing dieses Ansatzes kann der Forscher nicht-invasiv eine vasoaktive Stimulus gelten für den Teilnehmer mit minimalem Unbehagen oder Massebewegung. Physiologischen Parameter und MRI-Bilder wurden während der gesamten Zeitdauer von etwa 9 min, die aus alternierenden Blöcken (1 min pro Block) der Raumluft und Hyperkapnie Gasatem bestand aufgezeichnet. Repräsentative Ergebnisse sind dargestellt. Potentielle Anwendungen und Beschränkungen werden diskutiert.

<table><tbody><tr><td>Douglas bag&amp;nbsp;</td><td>Harvard Apparatus</td><td>500942</td><td>200 L capacity</td></tr><tr><td>Three-way valve</td><td>Hans Rudolph</td><td>CR1207</td><td>100% plastic</td></tr><tr><td>Two-way non-rebreathing valve</td><td>Hans Rudolph</td><td>CR1480</td><td>22 mm/15 mm ID</td></tr><tr><td>Diaphragm</td><td>Hans Rudolph</td><td>602021-2608</td><td>Size: medium, Type: spiral</td></tr><tr><td>Mouth piece</td><td>Hans Rudolph</td><td>602076</td><td>Silicone, Model #&amp;nbsp;9061</td></tr><tr><td>Nose clip</td><td>Hans Rudolph</td><td>201413</td><td>Plastic foam, Model #9014</td></tr><tr><td>Gas delivery tube</td><td>Vacumed</td><td>1011-108</td><td></td></tr><tr><td>Blue cuff</td><td>Vacumed</td><td>22254</td><td></td></tr><tr><td>Gas sampling tube</td><td>QoSINA</td><td>T4305</td><td>Thin</td></tr><tr><td>Male luer</td><td>QoSINA</td><td>11547</td><td></td></tr><tr><td>Hydrophobic filter</td><td>Philips Medical Systems</td><td>9906-00</td><td>Disposable</td></tr><tr><td>U-shape tube</td><td>Made in-house</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Elbow connector</td><td>QoSINA</td><td>51033</td><td></td></tr><tr><td>EtCO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; monitor</td><td>Philips Medical Systems</td><td>Model 1265</td><td></td></tr><tr><td>Pulse oximetry&amp;nbsp;</td><td>Invivo</td><td>Expression</td><td>MRI Monitoring Systems</td></tr><tr><td>MRI scanner&amp;nbsp;</td><td>Philips</td><td>Achieva 3.0T TX</td><td></td></tr><tr><td>Disinfectant</td><td>Fisher Scientific</td><td>04-355-13</td><td>Decon BDD Bacdown Detergent Disinfectant</td></tr></tbody></table>

mri mapping of cerebrovascular reactivity via gas inhalation challenges

Das Gehirn ist ein räumlich und zeitlich heterogenen dynamisches Organ mit unterschiedlichen Regionen, die unterschiedliche Menge an Blutzufuhr zu verschiedenen Zeit. Daher ist die Fähigkeit der Blutgefäße zu erweitern oder verengen, wie Cerebral-Vascular-Reaktivität (CVR) bekannt, ist ein wichtiger Bereich der Gefäßfunktion. Ein bildgebendes Marker, die diese dynamische Eigenschaft wird neue Informationen der Hirngefäße unter normalen und krankhaften Zuständen, wie Schlaganfall, Demenz, Arteriosklerose, kleine Gefäßkrankheiten, Gehirntumor, traumatische Hirnverletzung, und Multiple Sklerose ist. Um diese Art der Messung bei Menschen durchzuführen, ist es notwendig, eine vasoaktive Stimulus wie CO 2 zu liefern und / oder O 2 -Gasgemisch während quantitative Gehirn Magnetresonanzbilder (MRI) werden gesammelt. In dieser Arbeit haben wir eine MR-kompatible Gasliefersystem und die zugehörige Protokoll, das die Lieferung von speziellen Gasgemischen zu ermöglichen (zB </em&gt; O 2, CO 2, N 2, und deren Kombinationen), während der Gegenstand im Inneren des MRI-Scanners liegt. Dieses System ist relativ einfach, wirtschaftlich und einfach zu bedienen, und das experimentelle Protokoll ermöglicht die genaue Zuordnung der CVR sowohl bei gesunden Probanden und Patienten mit neurologischen Störungen. Dieser Ansatz hat das Potential, in eine breite klinische Anwendung und in besseren Verständnis der Gehirngefäß Pathophysiologie verwendet werden. Im Video zeigen wir, wie man innerhalb einer MRT-Einrichtung des Systems und wie man ein komplettes Experiment auf einem menschlichen Teilnehmer durchzuführen.

Zwei Arten von Daten werden mit der vorgeschlagenen Protokoll, physiologische Aufnahmen und MR-Bilder gesammelt. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen Aufnahmen von physiologischen Parametern aus einer repräsentativen Thema. Schwarze Kurve in Abbildung 2 zeigt die CO 2 Zeitverlauf durch die CO 2-Monitor, der den CO 2 -Gehalt in der Luft in der Nähe des Mundstücks abgetastet stellt aufgezeichnet. Man beachte, daß diese Spur schwankt stark in Abhängigkeit von der Zeit. Dies deshalb, weil während der Einatemphase des Atemzyklus, diese Aufnahme spiegelt den CO 2 -Gehalt in der Luft einatmet, und während der Exspirationsphase diese Aufnahme spiegelt den CO 2 -Gehalt in der Atemluft. Als solche ist die obere Spitze jedes Atemzyklus, bezeichnet als endexspiratorischen CO 2 oder EtCO 2 stellt die CO 2 -Gehalts in der Lunge, die etwa wie die CO 2 -Konzentration in dem arteriellen Blut verwendet werden kann. Hinweis thauf CO 2 -Konzentration in dem arteriellen Blut ist die Antriebskraft, dh Eingangsfunktion, der Durchblutungsförderung. Die Spitzen des CO 2 trace (rote Kurve in Figur 2) wurden mit einem Erkennungsalgorithmus, der für den Peak bei jedem Atemzug durchsucht, in Kombination mit manuellen Inspektion und Korrektur abgegrenzt. Dies wurde durch eine Medianfilterung gefolgt, um abrupte Spitzen durch Teil Atem zu entfernen und für den Blutdurchmischung im Verlauf der Strömung von Lungengefäße zur Hirngefäße ausmachen. Die endgültige EtCO 2 Zeitverlauf wird durch die grüne Kurve in Abbildung 2 dargestellt, und es bei der Berechnung der CVR eingesetzt wird. Abbildung 3 zeigt die Zeitverläufe der Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung Fraktion (SO 2), und die Herzfrequenz. Die Atemfrequenz wird aus dem CO 2 -Monitor erhalten, wobei SO 2 und Herzfrequenz werden aus der Pulsoxymetrie erhalten. Wie kann seen, diese Parameter nicht eine systematische Veränderung der Hyperkapnie Herausforderung zu zeigen. Beachten Sie, dass Hyperkapnie ist Hyperventilation verursachen in der Betreffzeile, damit der O 2 Partialdruck in der Lunge wird moderat erhöhen. Allerdings ist ihr Einfluss auf die SO2 gering wie Hämoglobin bereits weitgehend bei Raumluft-Atem gesättigt und die Sauerstoffdissoziationskurve ist eher flach in diesem Bereich. 4 zeigt repräsentativ BOLD MR-Bilder zu verschiedenen Zeitpunkten des Experiments. Die mittlere Signalintensität (in willkürlichen Einheiten MR) ist ebenfalls gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Signaländerung im Gehirn zeigt eine Zunahme mit CO 2 Inhalation. Man beachte, dass die Signaldifferenz zwischen Raumluft und CO 2 Perioden in der Größenordnung von 1-3% in der Amplitude. Kombinieren von Daten physiologische Aufzeichnungen und MR-Bilder kann ein Voxel für Voxel CVR Karte berechnet werden. 5 zeigt repräsentativeCVR Karten (in Einheiten von% Signaländerung pro mm Hg CO 2 ändern) eines gesunden Probanden an fünf verschiedenen Tagen gescannt und zeigt eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Die vorgeschlagene Technik hat bisher in Studien der Alterung 20, Alzheimer-Krankheit 4, Multiple Sklerose 21 und Bewegungstraining 22 angewendet. <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig1highres.jpg" /> Abbildung 1. Schematische Darstellung der Gaszuführungssystem. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.</a> <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig2highres.jpg" /> Abbildung 2: CO 2 Zeitverlauf von einem Vertreter unterliegen duklingelt das Experiment. Segmente des Breath-by-breath CO 2 -Gehalt Spur wie von der CO 2-Monitor erfasst werden für Raumluftatemperiode (unten links) und 5% CO 2 Inhalationszeit (unten rechts) gezeigt. Heraus EtCO 2 Zeit Kurse werden in farbigen Kurven. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig3highres.jpg" /> Abbildung 3: Aufgenommen Physiologie Parameter von einem Vertreter unterliegen während des Experiments. (A) Atemfrequenz (bpm, Atem pro Minute) Zeitverlauf von dem Thema. (B) SO 2 (%) Zeitverlauf von dem Thema. (C) Herz Frequenz (bpm, schlagen pro Minute) Zeitverlauf von dem Thema. Das Thema ist die<html> gleiche wie die in 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.</a> <img alt="4" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig4highres.jpg" /> Abbildung 4. Repräsentative BOLD MRT-Bilder zu verschiedenen Zeit des Experiments. Durchschnittliche Signalintensitäten des angezeigten Hirnschnitt (axial Scheibe # 54 in MNI Raum) in der unteren Reihe gezeigt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.</a> <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig5highres.jpg" /> Abbildung 5. Vertreter CVR Karte aus einer repräsentativen Thema..jove.com / files / ftp_upload / 52.306 / 52306fig5large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

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MRI Mapping of Cerebrovascular Reactivity via Gas Inhalation Challenges

Non-invasive imaging of the brain vasculature&#8217;s ability to dilate or constrict may allow a better understanding of cerebrovascular pathophysiology in various neurological diseases. The present report describes a reproducible and patient-comfortable protocol to perform vascular reactivity imaging in humans using magnetic resonance imaging (MRI).

MRI-Abbildung von zerebrovaskuläre Reaktivität über Gas Einatmen Herausforderungen

The brain is a spatially heterogeneous and temporally dynamic organ, with different regions requiring different amount of blood supply at different time. ...

mri-mapping-cerebrovascular-reactivity-via-gas-inhalation

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Medicine

13.9K Aufrufe.  University of Texas Southwestern Medical Center. Non-invasive imaging of the brain vasculature’s ability to dilate or constrict may allow a better understanding of cerebrovascular pathophysiology in various neurological diseases. The present report describes a reproducible and patient-comfortable protocol to perform vascular reactivity imaging in humans using magnetic resonance imaging (MRI).

Serie: MRI Mapping of Cerebrovascular Reactivity via Gas Inhalation Challenges

Magnetic Resonance Imaging Quantification of Pulmonary Perfusion using Calibrated Arterial Spin Labeling

This demonstrates a MR imaging method to measure the spatial distribution of pulmonary blood flow in healthy subjects 
during normoxia (inspired O2, fraction (FIO2) = 0.21) hypoxia (FIO2 = 0.125), and hyperoxia 
(FIO2 = 1.00). In addition, the physiological responses of the subject are monitored in the MR scan environment. MR images 
were obtained on a 1.5 T GE MRI scanner during a breath hold from a sagittal slice in the right lung at functional residual capacity. An arterial 
spin labeling sequence (ASL-FAIRER) was used to measure the spatial distribution of pulmonary blood flow 1,2 and a multi-echo fast 
gradient echo (mGRE) sequence 3 was used to quantify the regional proton (i.e. H2O) density, allowing the quantification 
of density-normalized perfusion for each voxel (milliliters blood per minute per gram lung tissue). 
With a pneumatic switching valve and facemask equipped with a 2-way non-rebreathing valve, different oxygen concentrations 
were introduced to the subject in the MR scanner through the inspired gas tubing. A metabolic cart collected expiratory gas via expiratory tubing. Mixed expiratory O2 and CO2 concentrations, oxygen consumption, carbon dioxide production, respiratory exchange ratio, 
respiratory frequency and tidal volume were measured. Heart rate and oxygen saturation were monitored using pulse-oximetry. 
Data obtained from a normal subject showed that, as expected, heart rate was higher in hypoxia (60 bpm) than during normoxia (51) or hyperoxia (50) and the arterial oxygen saturation (SpO2) was reduced during hypoxia to 86%. Mean ventilation was 8.31 L/min BTPS during hypoxia, 7.04 L/min during normoxia, and 6.64 L/min during hyperoxia. Tidal volume was 0.76 L during hypoxia, 0.69 L during normoxia, and 0.67 L during hyperoxia. 
Representative quantified ASL data showed that the mean density normalized perfusion was 8.86 ml/min/g during hypoxia, 8.26 ml/min/g during normoxia and 8.46 ml/min/g during hyperoxia, respectively. In this subject, the relative dispersion4, an index of global heterogeneity, was increased in hypoxia (1.07 during hypoxia, 0.85 during normoxia, and 0.87 during hyperoxia) while the fractal dimension (Ds), another index of heterogeneity reflecting vascular branching structure, was unchanged (1.24 during hypoxia, 1.26 during normoxia, and 1.26 during hyperoxia). 
Overview. This protocol will demonstrate the acquisition of data to measure the distribution of pulmonary perfusion noninvasively under conditions of normoxia, hypoxia, and hyperoxia using a magnetic resonance imaging technique known as arterial spin labeling (ASL). 
Rationale: Measurement of pulmonary blood flow and lung proton density using MR technique offers high spatial resolution images which can be quantified and the ability to perform repeated measurements under several different physiological conditions. In human studies, PET, SPECT, and CT are commonly used as the alternative techniques. However, these techniques involve exposure to ionizing radiation, and thus are not suitable for repeated measurements in human subjects.

A MR imaging method to study the distribution of pulmonary blood flow under a variety of physiological conditions, in this case exposure to three different inspired oxygen concentrations: hypoxia, normoxia, and hyperoxia, is described. This technique utilizes human pulmonary physiology research techniques in an MR scanning environment.

Magnetic Resonance Imaging Quantifizierung der pulmonalen Perfusion mittels geeichter Arterial Spin Labeling

This demonstrates a MR imaging method to measure the spatial distribution of pulmonary blood flow in healthy subjects 
during normoxia (inspired O2, ...

Forschung

Medizin

The Use of Pharmacological-challenge fMRI in Pre-clinical Research: Application to the 5-HT System

Pharmacological MRI (phMRI) is a new and promising method to study the effects of substances on brain function that can ultimately be used to unravel underlying neurobiological mechanisms behind drug action and neurotransmitter-related disorders, such as depression and ADHD. Like most of the imaging methods (PET, SPECT, CT) it represents a progress in the investigation of brain disorders and the related function of neurotransmitter pathways in a non-invasive way with respect of the overall neuronal connectivity. Moreover it also provides the ideal tool for translation to clinical investigations. MRI, while still behind in molecular imaging strategies compared to PET and SPECT, has the great advantage to have a high spatial resolution and no need for the injection of a contrast-agent or radio-labeled molecules, thereby avoiding the repetitive exposure to ionizing radiations. Functional MRI (fMRI) is extensively used in research and clinical setting, where it is generally combined with a psycho-motor task. phMRI is an adaptation of fMRI enabling the investigation of a specific neurotransmitter system, such as serotonin (5-HT), under physiological or pathological conditions following activation via administration of a specific challenging drug.
The aim of the method described here is to assess brain 5-HT function in free-breathing animals. By challenging the 5-HT system while simultaneously acquiring functional MR images over time, the response of the brain to this challenge can be visualized. Several studies in animals have already demonstrated that drug-induced increases in extracellular levels of e.g. 5-HT (releasing agents, selective re-uptake blockers, etc) evoke region-specific changes in blood oxygenation level dependent (BOLD) MRI signals (signal due to a change of the oxygenated/deoxygenated hemoglobin levels occurring during brain activation through an increase of the blood supply to supply the oxygen and glucose to the demanding neurons) providing an index of neurotransmitter function. It has also been shown that these effects can be reversed by treatments that decrease 5-HT availability16,13,18,7. In adult rats, BOLD signal changes following acute SSRI administration have been described in several 5-HT related brain regions, i.e. cortical areas, hippocampus, hypothalamus and thalamus9,16,15. Stimulation of the 5-HT system and its response to this challenge can be thus used as a measure of its function in both animals and humans2,11.

The goal of this technique is to assess serotonin (5-HT) neurotransmitter function in the live and free-breathing animal with pharmacological magnetic resonance imaging (phMRI) and an intravenous challenge with a selective serotonin reuptake inhibitor (SSRI), fluoxetine.

Die Verwendung von pharmakologischen fMRT-Herausforderung in der präklinischen Forschung: Anwendung auf die 5-HT-System

Pharmacological MRI (phMRI) is a new and promising method to study the effects of substances on brain function that can ultimately be used to unravel ...

Functional Imaging with Reinforcement, Eyetracking, and Physiological Monitoring

We use functional brain imaging (fMRI) to study neural circuits that underlie decision-making.  To understand how outcomes affect decision processes, simple perceptual tasks are combined with appetitive and aversive reinforcement.  However, the use of reinforcers such as juice and airpuffs can create challenges for fMRI.  Reinforcer delivery can cause head movement, which creates artifacts in the fMRI signal.  Reinforcement can also lead to changes in heart rate and respiration that are mediated by autonomic pathways.  Changes in heart rate and respiration can directly affect the fMRI (BOLD) signal in the brain and can be confounded with signal changes that are due to neural activity.  In this presentation, we demonstrate methods for administering reinforcers in a controlled manner, for stabilizing the head, and for measuring pulse and respiration.

This presentation demonstrates the use of fMRI to study neural circuits that underlie decision-making. Simple perceptual tasks are combined with appetitive and aversive reinforcements to investigate how outcomes affect decision processes.

Funktionelle Bildgebung mit Verstärkung, Eyetracking und Physiologische Überwachung

We use functional brain imaging (fMRI) to study neural circuits that underlie decision-making.  To understand how outcomes affect decision processes, ...

Biologie

Simultaneous PET/MRI Imaging During Mouse Cerebral Hypoxia-ischemia

Dynamic changes in tissue water diffusion and glucose metabolism occur during and after hypoxia in cerebral hypoxia-ischemia reflecting a bioenergetics disturbance in affected cells. Diffusion weighted magnetic resonance imaging (MRI) identifies regions that are damaged, potentially irreversibly, by hypoxia-ischemia. Alterations in glucose utilization in the affected tissue may be detectable by positron emission tomography (PET) imaging of 2-deoxy-2-(18F)fluoro-&#7429;-glucose ([18F]FDG) uptake. Due to the rapid and variable nature of injury in this animal model, acquisition of both modes of data must be performed simultaneously in order to meaningfully correlate PET and MRI data. In addition, inter-animal variability in the hypoxic-ischemic injury due to vascular differences limits the ability to analyze multi-modal data and observe changes to a group-wise approach if data is not acquired simultaneously in individual subjects. The method presented here allows one to acquire both diffusion-weighted MRI and [18F]FDG uptake data in the same animal before, during, and after the hypoxic challenge in order to interrogate immediate physiological changes.

The method presented here uses simultaneous positron emission tomography and magnetic resonance imaging. In the cerebral hypoxia-ischemia model, dynamic changes in diffusion and glucose metabolism occur during and after injury. The evolving and irreproducible damage in this model necessitates simultaneous acquisition if meaningful multi-modal imaging data are to be acquired.

Gleichzeitige PET / MRT-Bildgebung während Maus zerebrale Hypoxie-Ischämie

Dynamic changes in tissue water diffusion and glucose metabolism occur during and after hypoxia in cerebral hypoxia-ischemia reflecting a bioenergetics ...

Retinal Vascular Reactivity as Assessed by Optical Coherence Tomography Angiography

The vascular supply to the retina has been shown to dynamically adapt through vasoconstriction and vasodilation to accommodate the metabolic demands of the retina. This process, referred to as retinal vascular reactivity (RVR), is mediated by neurovascular coupling, which is impaired very early in retinal vascular diseases such as diabetic retinopathy. Therefore, a clinically feasible method of assessing vascular function may be of significant interest in both research and clinical settings. Recently, in vivo imaging of the retinal vasculature at the capillary level has been made possible by the FDA approval of optical coherence tomography angiography (OCTA), a noninvasive, minimal risk and dyeless angiography method with capillary level resolution. Concurrently, physiological and pathological changes in RVR have been shown by several investigators. The method shown in this manuscript is designed to investigate RVR using OCTA with no need for alterations to the clinical imaging procedures or device. It demonstrates real time imaging of the retina and retinal vasculature during exposure to hypercapnic or hyperoxic conditions. The exam is easily performed with two personnel in under 30 min with minimal subject discomfort or risk. This method is adaptable to other ophthalmic imaging devices and the applications may vary based on the composition of the gas mixture and patient population. A strength of this method is that it allows for an investigation of retinal vascular function at the capillary level in human subjects in vivo. Limitations of this method are largely those of OCTA and other retinal imaging methods including imaging artifacts and a restricted dynamic range. The results obtained from the method are OCT and OCTA images of the retina. These images are amenable to any analysis that is possible on commercially available OCT or OCTA devices. The general method, however, can be adapted to any form of ophthalmic imaging.

This article describes a method for measuring retinal vasculature reactivity in vivo with human subjects using a gas breathing provocation technique to deliver vasoactive stimuli while acquiring retinal images.

Retinale Vaskuläre Reaktivität nach der optischen Kohärenztomographie Angiographie

The vascular supply to the retina has been shown to dynamically adapt through vasoconstriction and vasodilation to accommodate the metabolic demands of ...

Neurowissenschaften

Cerebrovascular Reactivity Measurement with Functional Near Infrared Spectroscopy

Cerebrovascular reactivity (CVR) is the capacity of blood vessels in the brain to alter cerebral blood flow (either with dilation or constriction) in response to chemical or physical stimuli. The amount of reactivity in the cerebral microvasculature depends on the integrity of the capacitance vasculature and is the primary function of endothelial cells. CVR is, therefore, an indicator of the microvasculature&#8217;s physiology and overall health. Imaging methods that can measure CVR are available but can be costly, and require magnetic resonance imaging centers and technical expertise. In this study, we used fNIRS technology to monitor changes of oxyhemoglobin (HbO) and deoxyhemoglobin (HbR) in the cerebral microvasculature to assess the CVR of 15 healthy controls (HC) in response to a vasoactive stimulus (inhaled 5% carbon dioxide or CO2). Our results suggest that this is a promising imaging technology that offers a non-invasive, accurate, portable, and cost-effective method of mapping cortical CVR and associated microvasculature function, resulting from a traumatic brain injury or other conditions associated with cerebral microvasculopathy.

<meta charset="utf8"></head><body>Zerebrovaskuläre Reaktivitätsmessung mit funktioneller Nahinfrarotspektroskopie

Presented here is a protocol for imaging and measurement of cerebrovascular reactivity in humans with functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS). fNIRS is a novel imaging modality that captures the concentration changes of hemoglobin species in the brain&#8217;s outermost cortex under specific stimuli.

Zerebrovaskuläre Reaktivitätsmessung mit funktioneller Nahinfrarotspektroskopie

Cerebrovascular reactivity (CVR) is the capacity of blood vessels in the brain to alter cerebral blood flow (either with dilation or constriction) in ...

Quantitative Mapping of Specific Ventilation in the Human Lung using Proton Magnetic Resonance Imaging and Oxygen as a Contrast Agent

Specific ventilation imaging (SVI) is a functional magnetic resonance imaging technique capable of quantifying specific ventilation &#8213; the ratio of the fresh gas entering a lung region divided by the region&#8217;s end-expiratory volume &#8213; in the human lung, using only inhaled oxygen as a contrast agent. Regional quantification of specific ventilation has the potential to help identify areas of pathologic lung function. Oxygen in solution in tissue shortens the tissue&#8217;s longitudinal relaxation time (T1), and thus a change in tissue oxygenation can be detected as a change in T1-weighted signal with an inversion recovery acquired image. Following an abrupt change between two concentrations of inspired oxygen, the rate at which lung tissue within a voxel equilibrates to a new steady-state reflects the rate at which resident gas is being replaced by inhaled gas. This rate is determined by specific ventilation. To elicit this sudden change in oxygenation, subjects alternately breathe 20-breath blocks of air (21% oxygen) and 100% oxygen while in the MRI scanner. A stepwise change in inspired oxygen fraction is achieved through use of a custom three-dimensional (3D)-printed flow bypass system with a manual switch during a short end-expiratory breath hold. To detect the corresponding change in T1, a global inversion pulse followed by a single shot fast spin echo sequence was used to acquire two-dimensional T1-weighted images in a 1.5&#160;T MRI scanner, using an eight-element torso coil. Both single slice and multi-slice imaging are possible, with slightly different imaging parameters. Quantification of specific ventilation is achieved by correlating the time-course of signal intensity for each lung voxel with a library of simulated responses to the air/oxygen stimulus. SVI estimations of specific ventilation heterogeneity have been validated against multiple breath washout and proved to accurately determine the heterogeneity of the specific ventilation distribution.

Specific ventilation imaging is a functional magnetic resonance imaging technique that allows for quantification of regional specific ventilation in the human lung, using inhaled oxygen as a contrast agent. Here, we present a protocol to collect and analyze specific ventilation imaging data.

Quantitative Mapping spezieller Belüftung in der menschlichen Lung mit Proton-Magnetresonanztomographie und Sauerstoff als Kontrastmittel

Specific ventilation imaging (SVI) is a functional magnetic resonance imaging technique capable of quantifying specific ventilation &#8213; the ratio of ...

Oxygenation-sensitive Cardiac MRI with Vasoactive Breathing Maneuvers for the Non-invasive Assessment of Coronary Microvascular Dysfunction

Oxygenation-sensitive cardiac magnetic resonance imaging (OS-CMR) is a diagnostic technique that uses the inherent paramagnetic properties of deoxyhemoglobin as an endogenous source of tissue contrast. Used in combination with standardized vasoactive breathing maneuvers (hyperventilation and apnea) as a potent non-pharmacologic vasomotor stimulus, OS-CMR can monitor changes in myocardial oxygenation. Quantifying such changes during the cardiac cycle and throughout vasoactive maneuvers can provide markers for coronary macro- and microvascular function and thereby circumvent the need for any extrinsic, intravenous contrast or pharmacologic stress agents.
OS-CMR uses the well-known sensitivity of T2*-weighted images to blood oxygenation. Oxygenation-sensitive images can be acquired on any cardiac MRI scanner using a modified standard clinical steady-state free precession (SSFP) cine sequence, making this technique vendor-agnostic and easily implemented. As a vasoactive breathing maneuver, we apply a 4-min breathing protocol of 120 s of free breathing, 60 s of paced hyperventilation, followed by an expiratory breath-hold of at least 30 s. The regional and global response of myocardial tissue oxygenation to this maneuver can be assessed by tracking the signal intensity change. The change over the initial 30 s of the post-hyperventilation breath-hold, referred to as the breathing-induced myocardial oxygenation reserve (B-MORE) has been studied in healthy people and various pathologies. A detailed protocol for performing oxygen-sensitive CMR scans with vasoactive maneuvers is provided.
As demonstrated in patients with microvascular dysfunction in yet incompletely understood conditions, such as inducible ischemia with no obstructive coronary artery stenosis (INOCA), heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF), or microvascular dysfunction after heart transplantation, this approach provides unique, clinically important, and complementary information on coronary vascular function.

The assessment of microvascular function by oxygenation-sensitive cardiac magnetic resonance imaging in combination with vasoactive breathing maneuvers is unique in its ability to assess rapid dynamic changes in myocardial oxygenation in vivo and, thus, may serve as a critically important diagnostic technique for coronary vascular function.

Oxygenierungssensitive Herz-MRT mit vasoaktiven Atemmanövern zur nicht-invasiven Beurteilung der koronaren mikrovaskulären Dysfunktion

Oxygenation-sensitive cardiac magnetic resonance imaging (OS-CMR) is a diagnostic technique that uses the inherent paramagnetic properties of ...

<meta charset="utf8"></head><body>PET-CT-Scans für Multi-Tracer-Studien des zerebralen Sauerstoff- und Glukosestoffwechsels

Multi-Tracer Studies of Brain Oxygen and Glucose Metabolism Using a Time-of-Flight Positron Emission Tomography-Computed Tomography Scanner

The authors have developed a paradigm using positron emission tomography (PET) with multiple radiopharmaceutical tracers that combines measurements of cerebral metabolic rate of glucose (CMRGlc), cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2), cerebral blood flow (CBF), and cerebral blood volume (CBV), culminating in estimates of brain aerobic glycolysis (AG). These in vivo estimates of oxidative and non-oxidative glucose metabolism are pertinent to the study of the human brain in health and disease. The latest positron emission tomography-computed tomography (PET-CT) scanners provide time-of-flight (TOF) imaging and critical improvements in spatial resolution and reduction of artifacts. This has led to significantly improved imaging with lower radiotracer doses.
Optimized methods for the latest PET-CT scanners involve administering a sequence of inhaled 15O-labeled carbon monoxide (CO) and oxygen (O2), intravenous 15O-labeled water (H2O), and 18F-deoxyglucose (FDG)-all within 2-h or 3-h scan sessions that yield high-resolution, quantitative measurements of CMRGlc, CMRO2, CBF, CBV, and AG. This methods paper describes practical aspects of scanning designed for quantifying brain metabolism with tracer kinetic models and arterial blood samples and provides examples of imaging measurements of human brain metabolism.

<meta charset="utf8"></head><body>Multi-Tracer-Studien des Sauerstoff- und Glukosestoffwechsels im Gehirn mit einem Flugzeit-Positronen-Emissions-Tomographie-Computertomographen

Quantitative measurements of oxygen and glucose metabolism by PET are established technologies, but details of practical protocols are sparsely described in the literature. This paper presents a practical protocol successfully implemented on a state-of-the-art positron emission tomography-computed tomography scanner.

Multi-Tracer-Studien des Sauerstoff- und Glukosestoffwechsels im Gehirn mit einem Flugzeit-Positronen-Emissions-Tomographie-Computertomographen

The authors have developed a paradigm using positron emission tomography (PET) with multiple radiopharmaceutical tracers that combines measurements of ...

MRI-Abbildung von zerebrovaskuläre Reaktivität über Gas Einatmen Herausforderungen

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Magnetic Resonance Imaging Quantifizierung der pulmonalen Perfusion mittels geeichter Arterial Spin Labeling

Die Verwendung von pharmakologischen fMRT-Herausforderung in der präklinischen Forschung: Anwendung auf die 5-HT-System

Funktionelle Bildgebung mit Verstärkung, Eyetracking und Physiologische Überwachung

Gleichzeitige PET / MRT-Bildgebung während Maus zerebrale Hypoxie-Ischämie

Retinale Vaskuläre Reaktivität nach der optischen Kohärenztomographie Angiographie

Zerebrovaskuläre Reaktivitätsmessung mit funktioneller Nahinfrarotspektroskopie

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Quantitative Mapping spezieller Belüftung in der menschlichen Lung mit Proton-Magnetresonanztomographie und Sauerstoff als Kontrastmittel

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