Mapeo cuantitativo de ventilación específica en el pulmón humano usando resonancia magnética de protones y oxígeno como agente de contraste

Resumen

La toma de imágenes de ventilación específica es una técnica de resonancia magnética funcional que permite la cuantificación de la ventilación regional específica en el pulmón humano, utilizando oxígeno inhalado como un agente de contraste. Aquí, presentamos un protocolo para recopilar y analizar datos de imágenes de ventilación específicos.

Resumen

La imagen de ventilación específica (SVI) es una técnica funcional de imagen por resonancia magnética capaz de cuantificar la ventilación específica, la proporción del gas fresco que entra en una región pulmonar dividida por el volumen espiratorio final de la región, en el pulmón humano, utilizando sólo oxígeno inhalado como agente de contraste. La cuantificación regional de la ventilación específica tiene el potencial de ayudar a identificar las áreas de la función patológica pulmonar. El oxígeno en solución en el tejido acorta el tiempo de relajación longitudinal del tejido (T₁), y por lo tanto un cambio en la oxigenación de los tejidos puede detectarse como un cambio en la señal ponderada en T₁con una imagen adquirida de recuperación de inversión. Tras un cambio abrupto entre dos concentraciones de oxígeno inspirado, la velocidad a la que el tejido pulmonar dentro de un vóxin se equilibra con un nuevo estado estacionario refleja la velocidad a la que se reemplaza el gas residente por el gas inhalado. Esta tasa se determina por la ventilación específica. Para provocar este cambio repentino en la oxigenación, los sujetos respiran alternativamente 20 bloques de aliento de aire (21% de oxígeno) y 100% de oxígeno en el escáner de RMN. Un cambio gradual en la fracción de oxígeno inspirada se logra mediante el uso de un sistema de derivación de flujo impreso tridimensional (3D) con un interruptor manual durante una retención de respiración espiratoria corta final. Para detectar el cambio correspondiente en T₁, se usó un pulso de inversión global seguido de una secuencia de eco de giro rápido de un solo disparo para adquirir imágenes bidimensionales t₁ponderadas en un escáner MRI de 1,5 t, utilizando una bobina de torso de ocho elementos. Es posible la creación de imágenes de una sola rebanada y de varias rebanada, con parámetros de imagen ligeramente diferentes. La cuantificación de la ventilación específica se logra correlacionando el tiempo-curso de la intensidad de la señal para cada voxel pulmonar con una biblioteca de respuestas simuladas al estímulo del aire/oxígeno. Las estimaciones de SVI de heterogeneidad de ventilación específica han sido validadas contra múltiples lavados respiratorios y demostraron determinar con precisión la heterogeneidad de la distribución de ventilación específica.

Introducción

El objetivo general de la toma de imágenes de ventilación específica (SVI), una técnica de resonancia magnética de protones (RMN) que utiliza oxígeno como agente de contraste¹ , es cuantificar cuantitativamente la ventilación específica en el pulmón humano. La ventilación específica es la proporción de gas fresco entregado a una región pulmonar en una respiración dividida por el volumen espiratorio final de la misma región pulmonar¹. Junto con las mediciones de la densidad pulmonar local, se puede utilizar una ventilación específica para computar la ventilación regional². Las mediciones de la ventilación local y la heterogeneidad de la ventilación proporcionadas por el SVI tienen el potencial de enriquecer la comprensión de cómo funciona el pulmón, tanto normalmente como anormalmente^3,4.

La imagen de ventilación específica es una extensión de la prueba de fisiología clásica, el lavado de aliento múltiple (MBW), una técnica introducida por primera vez en la década de 1950^5,6. Ambas técnicas utilizan el Washin/Washout de gas para medir la heterogeneidad de la ventilación específica, pero SVI proporciona información localizada espacialmente, mientras que MBW solo proporciona medidas globales de heterogeneidad. En MBW, un espectrómetro de masas se utiliza para medir la concentración mixta caducada de un gas insoluble (nitrógeno, helio, hexafluoruro de azufre, etc.) durante muchas respiraciones durante un lavado de ese gas, como se muestra en la figura 1. Junto con el volumen caducado por aliento durante el período de lavado, esta información se puede utilizar para calcular la distribución general de la ventilación específica en el pulmón. En SVI, se utiliza un escáner de resonancia magnética para medir la señal ponderada en T₁― que es un sustituto de la cantidad de oxígeno en la solución en el tejido pulmonar, un indicador directo de la concentración de oxígeno local ― en cada voxel pulmonar durante muchas respiraciones durante varios lavados/washouts de oxígeno. De una manera que es directamente análoga a MBW, esta información nos permite calcular la ventilación específica de cada vóxon pulmonar. En otras palabras, la técnica realiza miles de experimentos paralelos tipo MBW, uno para cada vóxes, durante un experimento SVI. De hecho, los mapas espaciales de ventilación específica así producidos pueden ser compilados para recuperar la salida específica de heterogeneidad de ventilación de MBW. Un estudio de validación⁷ demostró que las dos metodologías producían resultados comparables cuando se realizaban en serie sobre los mismos temas.

Existen otras modalidades de imagen que, al igual que la SVI, proporcionan medidas espaciales de heterogeneidad de la ventilación. Tomografía por emisión de positrones (PET)^8,9, tomografía computarizada de emisión de fotón único (SPECT)^10,11, y RM de gas hiperpolarizado^12,se han utilizado¹³ técnicas para crear un cuerpo sustancial de literatura sobre el patrón espacial de ventilación en sujetos sanos y anormales. En general, estas técnicas tienen al menos una clara ventaja sobre el SVI, ya que su relación señal-ruido es característicamente más alta. Sin embargo, cada técnica también tiene una desventaja característica: PET y SPECT implican la exposición a la radiación ionizante, y la RMN hiperpolarizada requiere el uso de gas hiperpolarizado altamente especializado y un escáner MR con hardware multinuclei no estándar.

SVI, una técnica de protón-RMN, típicamente utiliza 1,5 Tesla MR hardware con oxígeno inhalado como un agente de contraste (ambos elementos están disponibles en la salud), por lo que es potencialmente más generalizable para el entorno clínico. El SVI aprovecha el hecho de que el oxígeno acorta el tiempo de relajación longitudinal (T₁) de los tejidos pulmonares¹, que a su vez se traduce en un cambio en la intensidad de la señal en una imagen ponderada en T₁. Por lo tanto, los cambios en la concentración de oxígeno inspirado inducen el cambio en la intensidad de la señal de imágenes de RMN apropiadamente cronometradas. La tasa de este cambio después de un cambio abrupto en la concentración de oxígeno inspirada, típicamente el aire y el 100% de oxígeno, refleja la velocidad a la cual el gas residente es reemplazado por el gas inhalado. Esta tasa de reemplazo se determina por la ventilación específica.

Como SVI no implica radiación ionizante, no tiene contraindicaciones para estudios longitudinales e intervencionistas que sigan a los pacientes con el tiempo. Por lo tanto, es ideal para estudiar la progresión de la enfermedad o evaluar cómo los pacientes individuales responden al tratamiento. Debido a su relativa facilidad y repetibilidad segura, la imagen de ventilación específica es, en general, una técnica ideal para aquellos que desean estudiar grandes efectos y/o un gran número de personas a lo largo del tiempo o en varios lugares clínicos diferentes.

Siguiendo la publicación original que describe la técnica¹, se ha utilizado la imagen de ventilación específica (SVI) en estudios centrados en el efecto de la infusión salina rápida, la postura, el ejercicio y la broncoconstricción de^{2,3 , 4 , 14 , 15}. la capacidad de la técnica para estimar la heterogeneidad de los pulmones enteros de ventilación específica ha sido validada utilizando la prueba de lavado de aliento múltiple bien establecida⁷ y más recientemente, una validación cruzada regional fue realizada, por comparando el SVI y el gas hiperpolarizado múltiples imágenes de ventilación específicas de respiración¹⁶. Esta técnica fiable y fácilmente implementable, capaz de mapear cuantitativamente la ventilación específica en el pulmón humano, tiene el potencial de contribuir significativamente a la detección precoz y el diagnóstico de enfermedades respiratorias. También presenta nuevas oportunidades para cuantificar las anomalías pulmonares regionales y seguir los cambios inducidos por la terapia. Estos cambios en la función pulmonar específica de la región, que SVI nos permite medir por primera vez, tienen el potencial de convertirse en biomarcadores para evaluar el impacto de los fármacos y las terapias inhaladas, y podría ser una herramienta extremadamente útil en los ensayos clínicos.

El propósito de este artículo es presentar la metodología de la imagen de ventilación específica en detalle y en forma visual, contribuyendo así a la difusión de la técnica a más centros.

Protocolo

La Universidad de California, programa de protección de la investigación humana de San Diego ha aprobado este protocolo.

1. seguridad y capacitación del sujeto

1. Obtener el consentimiento informado por escrito del sujeto. Describa los riesgos potenciales presentados por la exposición a campos magnéticos que cambian rápidamente y la molestia potencial de usar mascarilla facial y gas seco para respirar.
2. Asegúrese de que el sujeto pueda someterse de forma segura al escaneo MR, utilizando el cuestionario de detección de seguridad MRI aprobado localmente.
3. Si el sujeto es una hembra en edad fértil, y no está seguro de su estado de embarazo, pídale que se autoadministre una prueba de embarazo de venta libre. Si el sujeto está embarazada, excluya al sujeto del resto del estudio.
4. Mida el peso del sujeto. Los parámetros de seguridad del escáner que limitan la cantidad de energía de radiofrecuencia (RF) entregada al sujeto requieren la entrada de esta característica. Verifique que el peso del sujeto esté por debajo del límite de peso máximo de la mesa de resonancia magnética (en este caso, 136 kg).
5. Entrena al sujeto para que respire en el tiempo con la secuencia de escaneo MR. Preferiblemente, reproducir una grabación de audio de un escaneo anterior e instruir al sujeto a respirar normalmente y completar una respiración cada 5 s, usando las señales de audio del escáner como guía; respirar junto con el sujeto con el propósito de entrenar.
6. Determine el tamaño de la máscara facial (los tamaños van desde Petite a extra grande [XL]) que mejor se adapte al sujeto midiendo las dimensiones de la nariz a la barbilla del sujeto. Una máscara de tamaño adecuado encajará cómodamente sin embargo evitará que el aire se filtre entre la máscara y la piel del sujeto en cualquier punto. Pruebe con otros tamaños si es necesario.
7. Verifique que los bolsillos y la ropa del sujeto estén libres de tarjetas de crédito magnéticas y piezas metálicas que contengan hierro. Si es necesario, tenga el sujeto cambiar en la bata médica proporcionada por la instalación de RMN.
   Nota: El metal puede ser peligroso en el entorno de RMN, y los objetos metálicos tales como clips (típicamente en sujetadores), anillos metálicos (sostenes y sudaderas), botón de metal o cremalleras (camisas, suéteres), extensión del cabello y pelucas tienen el potencial de crear artefactos de imagen.

2. preparación del entorno de RMN

1. Sólo permita que el personal capacitado en seguridad de RMN a los estándares de la instalación de imágenes para entrar en la sala de escáner o ayudar en la realización de este experimento.
2. Configure el escáner MR para utilizarlo con una bobina de torso conectando la bobina al conector apropiado en la mesa del escáner.
3. Prepare la mesa del escáner con láminas, almohadillas y almohadas para que el sujeto se sienta cómodo durante al menos 30 minutos durante la toma de imágenes.
4. Ensamble el sistema de suministro de oxígeno.
   Nota: en la figura 2se presenta un diagrama esquemático de la tubería.
   1. Coloque una válvula de conmutación de dos/tres vías al alcance del operador del escáner o de la persona que realiza el experimento SVI.
   2. Conecte el tanque de oxígeno medicinal (fuera de la sala del escáner) o el suministro de la pared de oxígeno (si está disponible) a una entrada de la válvula de conmutación utilizando tubos de plástico de 1/4 pulgadas.
   3. Conecte la salida de la válvula del interruptor situada en la sala de control a la 8 m (longitud suficiente para el escáner) tubo de plástico de 1/4 pulgadas. Alimente el tubo a través del paso, desde la sala de control hasta la sala del escáner, y asegúrese de que llegará a la mitad del orificio del escáner.
      Nota: El tubo de plástico que conecta la salida de la válvula de conmutación a la máscara de derivación de flujo incluyó un paso hacia arriba en el diámetro en los últimos 2 m, de 1/4 pulgadas a 3/8 pulgadas a 1/2 pulgadas, con el fin de disminuir el ruido producido por el aire que fluye en el sistema de derivación de flujo.
   4. Conecte el extremo de 1/2 pulgadas del tubo al accesorio de la máscara de derivación de flujo.
   5. Asegure el accesorio de derivación de flujo a la máscara facial que se ajusta al sujeto.
   6. Ajuste la presión en el tanque de gas o en el regulador de la toma de pared a un valor que produzca un flujo de oxígeno mayor que el flujo inspiratorio máximo esperado. La presión necesaria depende de la naturaleza del estudio (reposo, ejercicio, etc.) y de la resistencia general del sistema de suministro de gas (típicamente ~ 70 psi para el sistema de entrega descrito en el paso 2.4.3 para estudios en reposo).
   7. Pruebe la válvula del interruptor activando el flujo de oxígeno, asegurándose de que el flujo adecuado esté presente en la salida del accesorio de derivación de flujo y que no haya fugas en el tubo de plástico.

3. instrumentar y preparar el sujeto para la creación de imágenes

1. Que el sujeto esté acostado en la mesa de resonancia magnética. Asegúrese de que la parte superior del elemento de la bobina inferior proporciona una cobertura adecuada de los ápices pulmonares, asegurándose de que la parte superior del elemento de la bobina inferior es más alta que los hombros del sujeto.
2. Hacer que el sujeto Inserte tapones para los oídos y verifique que el sonido esté bloqueado.
3. Tape la bola de apriete (o un mecanismo de seguridad alternativo) a la muñeca del sujeto para que pueda accederse fácilmente.
4. Fije la máscara y el sistema de derivación de caudal a la cara del sujeto. Ocluir brevemente el lado espiratorio del accesorio de derivación de flujo y pedir al sujeto que intente una inspiración y expiración normales para comprobar si hay fugas.
5. Coloque el sujeto en el escáner, utilizando la herramienta de centrado de luz para asegurarse de que la bobina del torso ocupe el centro del orificio.
6. Conecte la línea de derivación de caudal al accesorio de la máscara de derivación de flujo impreso en 3D utilizando la tuerca de latón ajustada a la entrada.

4. resonancia magnética

1. Seleccione la ubicación anatómica para las rebanadas de imágenes.
   1. Adquiera una secuencia de localizador para obtener un mapa anatómico que se utilizará para prescribir el resto del examen.
   2. Seleccione hasta 4 rodajas de pulmón sagital para estudiarlas haciendo clic y arrastrando el trozo de imagen a la ubicación deseada utilizando la interfaz gráfica de usuario del escáner. Por lo general, el campo de visión se establece en 40 x 40 cm y el espesor de la rebanada a 1,5 cm. Seleccione cortes centrados en el campo pulmonar dirigidos a la región de interés para el estudio, minimizando típicamente la intrusión de grandes vasos pulmonares medialmente y la pared torácica lateralmente a maximizar el volumen pulmonar muestreado.
      Nota: La selección de sectores se puede realizar en cualquier plano; se pueden seleccionar hasta 4 rebanadas. Con el propósito de la demostración, se adquirirán una porción.
   3. Anote la ubicación de las rebanadas de imágenes con respecto a la ubicación de la columna vertebral para que el mismo volumen pueda ser reimaged para estudios longitudinales.
2. Las imágenes de ventilación específicas
   Nota: en la tabla 1se presenta una lista de los parámetros típicos de resonancia magnética.
   1. Fije el tiempo de inversión en la computadora MR para la porción más medial a 1.100 ms para maximizar el contraste aire-oxígeno¹⁷.
   2. Establezca los parámetros de adquisición (tabla 1) para la adquisición de imágenes. Para la adquisición de múltiples sectores, cada porción adicional se adquiere después de la primera, a intervalos de 235 MS (1.335 MS, 1.570 MS, 1.805 MS).
      Nota: Siguiendo el pulso de recuperación de inversión y un intervalo de tiempo (descrito por el tiempo de inversión), cada imagen de la rebanada se adquiere usando un turbo spin-echo de un solo disparo de media Fourier (celeridad), con una resolución de 128 x 128 (70 líneas de k-Space muestreadas); imágenes se reconstruyen a 256 x 256 resolución.
   3. Establezca el número de repeticiones en 220 y el tiempo de repetición (TR) en 5 s. Esto resultará en la repetición de 4.2.1 y 4.2.2 para un total de 220 respiraciones consecutivas, 5 s aparte. Pídale al sujeto que se embarque voluntariamente a su respiración a tiempo con la adquisición de la imagen.
      Nota: Las imágenes se adquieren al final de una expiración normal en una breve interrupción voluntaria de la respiración con capacidad residual funcional (FRC). Es importante que un volumen pulmonar similar se alcance consistentemente durante cada una de estas adquisiciones consecutivas.
   4. Supervise la consistencia del volumen pulmonar del sujeto (expiración final) durante las adquisiciones posteriores y proporcione retroalimentación para mejorar la calidad si es necesario. Aumentar TR (el intervalo de tiempo entre adquisiciones sucesivas) si el sujeto encuentra difícil alcanzar un volumen pulmonar consistente cada 5 s.
   5. Cambie la mezcla de gas inspirada del sujeto cada 20 respiraciones (durante la adquisición del aliento para la comodidad del sujeto), alternando entre el aire de la habitación y el oxígeno médico. Anote cuando se produjeron los interruptores y los intervalos durante los cuales el sujeto respiraba cada gas. Permita que el sujeto respire 100% de oxígeno durante 40 respiraciones consecutivas en algún momento del experimento (normalmente respiraciones 20-60 o 180-220) para aumentar la sensibilidad a las regiones pulmonares de baja ventilación.
   6. Verificar regularmente la frecuencia cardíaca (40 − 80 para los sujetos normales en reposo) y la saturación de oxígeno (típicamente 98 − 100%) mirando el oxímetro de pulso (figura 2); desviaciones de la norma pueden indicar angustia o ansiedad.
   7. Hable con el tema con frecuencia presionando el botón Push-to-Talk del teclado del escáner, dando actualizaciones periódicas del tiempo restante.
   8. Después de la respiración 220, la imagen está completa. Devuelva el sujeto al aire de la habitación y retírelo del escáner.

5. creación de un mapa de ventilación específico de una serie temporal de imágenes

1. Compruebe que se adquirió una pila de 220 imágenes de MR consecutivas para cada rebanada de pulmón.
2. Importe las imágenes para su registro en el software de análisis de imagen (p. ej., MATLAB).
3. De las imágenes 220, elija, por inspección visual de toda la pila de imagen, para cada sector uno que represente mejor la capacidad residual funcional. La capacidad residual funcional se identifica como el "modo" de los volúmenes pulmonares en la pila.
4. Utilizando la imagen "MODE" como referencia, utilice el registro proyectivo o afín para registrar todas las imágenes en la referencia de capacidad residual funcional.
   Nota: El registro se realiza normalmente mediante un algoritmo desarrollado en la casa¹⁸ o un algoritmo de punto más cercano iterativo de arranque dual generalizado y disponible públicamente (GDB-ICP¹⁹).
5. Utilice la salida del algoritmo de registro para calcular el cambio de área de cada imagen. Descarte las imágenes cuyo paso de registro requerido > un 10% de cambio de área de la pila de imagen y tratarlos como datos faltantes²⁰.
6. Cuantificar la ventilación específica en el pulmón de la pila registrada utilizando un algoritmo desarrollado en la casa^1,7. Realice la cuantificación comparando la respuesta de tiempo de cada vóxeles con la serie consecutiva de Washin y lavado de oxígeno, a una biblioteca de 50 simuladas, sin ruido, respuestas, correspondientes a las ventilaciones específicas que van desde 0,01 a 10, en incrementos de 15%. A cada vóxeles se le asigna un valor de ventilación específica correspondiente a la ventilación específica del ideal simulado que presenta la correlación máxima con cada serie temporal de vóxeles, como se presentó originalmente en¹.
7. La salida del paso anterior es un mapa de ventilación específica. Crear un histograma de la distribución, y calcular el ancho de la distribución de ventilación específica, una medida de la heterogeneidad de ventilación específica, independiente del volumen tidal.

6. combinando la ventilación específica y los mapas de densidad para computar la ventilación alveolar regional

1. Además de SVI, adquirir imágenes de densidad de protones pulmonares²¹, como se describe en un estudio anterior²² (secciones 4,4 y 5,1 en la referencia²²). Obtener las imágenes de densidad de protones en el mismo trozo (s) de pulmón, en el mismo volumen pulmonar (FRC, fin de una expiración normal); ajustar la resolución a 64 x 64, correspondiente a un tamaño de vóxeles de ~ 6,3 mm x 6,3 mm x 15 mm (~ 0,6 cm³).
2. Alinee la ventilación específica y las imágenes de densidad de protones.
   1. Suaviza las imágenes específicas de la densidad de protones y la ventilación utilizando un filtro Gaussiano con un tamaño de kernel de ~ 1 cm³.
   2. Realizar el registro rígido (traducción y rotación) entre el mapa de ventilación específica y el mapa de densidad utilizando un algoritmo mutuo basado en la información.
3. Calcule la ventilación alveolar a partir de datos de densidad de protones y ventilación específicos coregistrados.
   1. Calcular un mapa de (1-densidad), que es la fracción de aire en el volumen muestreado al final de una expiración normal, suponiendo que el pulmón se compone de aire y tejido y que la densidad del tejido es ~ 1 g/cm³.
   2. Calcule un mapa de ventilación regional como el producto (1-densidad) x SV (unidades naturales). Multiplique este producto por el volumen de un vóxeles (u otra región de interés) y la frecuencia respiratoria (impuesta, típicamente 12 respiraciones/min), para obtener un mapa de ventilación en las unidades más familiares de ml/min.
      Nota: Para cada región pulmonar, SV = ΔV/V₀ y (1 – densidad) ≈ v₀. Por lo tanto, el producto (1-densidad) x SV = ventilación regional, expresado en unidades naturales.

Resultados

SVI de una sola rebanada en un sujeto saludable
Las imágenes de ventilación específicas producen mapas cuantitativos de ventilación específica, como se muestra en la figura 3a, que representa una sola rebanada en el pulmón derecho de una hembra sana de 39 años de edad. Observe la presencia del gradiente vertical esperado en la ventilación específica; la porción dependiente del pulmón presenta una ventilación específica más alta que la por...

Discusión

Las imágenes de ventilación específicas permiten el mapeo cuantitativo de la distribución espacial de la ventilación específica en el pulmón humano. Existen alternativas a la SVI pero son limitadas de alguna manera: el lavado múltiple del aliento proporciona una medida de heterogeneidad pero carece de información espacial²³. Los métodos alternativos de diagnóstico por imágenes exponen a los pacientes a la radiación ionizante (p. ej., SPECT, PET, CT, centellografía gamma) o no están ...

Materiales

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