Mappatura quantitativa della ventilazione specifica nel polmone umano utilizzando l'imaging a risonanza magnetica protonica e l'ossigeno come agente di contrasto

Riepilogo

L'imaging di ventilazione specifica è una tecnica di risonanza magnetica funzionale che consente la quantificazione della ventilazione specifica regionale nel polmone umano, utilizzando l'ossigeno inalato come agente di contrasto. Qui presentiamo un protocollo per raccogliere e analizzare specifici dati di imaging di ventilazione.

Abstract

L'imaging di ventilazione specifica (SVI) è una tecnica di risonanza magnetica funzionale in grado di quantificare la ventilazione specifica ― il rapporto tra il gas fresco che entra in una regione polmonare divisa per il volume finale espiratorio della regione ― nel polmone umano, utilizzando solo ossigeno inalato come agente di contrasto. La quantificazione regionale di ventilazione specifica ha il potenziale per aiutare a identificare le aree di funzione polmonare patologica. L'ossigeno in soluzione nel tessuto riduce il tempo di rilassamento longitudinale del tessuto (T₁), e quindi un cambiamento nell'ossigenazione tissutale può essere rilevato come un cambiamento nel segnale ponderato di T₁con un'immagine acquisita recupero di inversione. A seguito di un brusco cambiamento tra due concentrazioni di ossigeno ispirato, il tasso al quale il tessuto polmonare all'interno di un voxel equilibra un nuovo stato stazionario riflette la velocità con cui il gas residente viene sostituito da gas inalato. Questo tasso è determinato da ventilazione specifica. Per suscitare questo improvviso cambiamento nell'ossigenazione, i soggetti respirano alternativamente 20-respiro blocchi di aria (21% di ossigeno) e 100% di ossigeno mentre nello scanner MRI. Un cambiamento graduale nella frazione di ossigeno ispirato si ottiene attraverso l'uso di un sistema di bypass di flusso a stampa tridimensionale (3D) personalizzato con un interruttore manuale durante una breve attesa espiratoria finale. Per rilevare la variazione corrispondente in T₁, è stato utilizzato un impulso di inversione globale seguito da una sequenza di Eco Spin veloce a scatto singolo per acquisire immagini bidimensionali t₁ponderate in uno scanner MRI 1,5 t, utilizzando una bobina di torso a otto elementi. Sono possibili sia l'imaging a sezione singola che la multi-slice, con parametri di imaging leggermente diversi. La quantificazione della ventilazione specifica è ottenuta correlando il tempo-corso di intensità del segnale per ogni voxel polmonare con una libreria di risposte simulate allo stimolo aria/ossigeno. Le stime SVI di specifica eterogeneità di ventilazione sono state convalidate contro il lavaggio multiplo del respiro e hanno dimostrato di determinare accuratamente l'eterogeneità della distribuzione specifica della ventilazione.

Introduzione

L'obiettivo generale dell'imaging di ventilazione specifico (SVI) ― una tecnica di risonanza magnetica protonica (MRI) che utilizza l'ossigeno come agente di contrasto¹ ― è quello di mappare quantitativamente la ventilazione specifica nel polmone umano. La ventilazione specifica è il rapporto tra il gas fresco consegnato in una regione polmonare in un respiro diviso per il volume espiratorio finale della stessa regione polmonare¹. In combinazione con le misurazioni della densità polmonare locale, la ventilazione specifica può essere utilizzata per calcolare la ventilazione regionale². Le misurazioni della ventilazione locale e l'eterogeneità di ventilazione che sono fornite da svi hanno il potenziale per arricchire la comprensione di come le funzioni polmonari, sia normalmente che anormalmente^3,4.

L'imaging specifico per la ventilazione è un'estensione del test di fisiologia classica, il washout multiplo di respiro (MBW), una tecnica introdotta per la prima volta nel 1950^5,6. Entrambe le tecniche utilizzano il lavaggio/washout a gas per misurare l'eterogeneità della ventilazione specifica, ma SVI fornisce informazioni spazialmente localizzate mentre MBW fornisce solo misure globali di eterogeneità. In MBW, uno spettrometro di massa viene utilizzato per misurare la concentrazione mista scaduta di un gas insolubile (azoto, Elio, esafluoruro di zolfo, ecc.) su molti responi durante un washout di quel gas, come illustrato nella Figura 1. Insieme al volume scaduto per respiro durante il periodo di washout, queste informazioni possono essere utilizzate per calcolare la distribuzione complessiva di ventilazione specifica nel polmone. In SVI, uno scanner MRI viene utilizzato per misurare il segnale ponderato di T₁― che è un surrogato per la quantità di ossigeno in soluzione nel tessuto polmonare, un indicatore diretto della concentrazione locale di ossigeno ― in ogni voxel polmonare su molti respodi durante diversi Washin/washouts di ossigeno. In un modo che è direttamente analogo a MBW, queste informazioni ci permettono di calcolare la ventilazione specifica di ogni voxel polmonare. In altre parole, la tecnica esegue migliaia di esperimenti di tipo MBW paralleli, uno per ogni voxel, durante un esperimento SVI. Infatti, le mappe spaziali di ventilazione specifica così prodotte possono essere compilate per recuperare l'eterogeneità di ventilazione specifica uscita di MBW. Uno studio di convalida⁷ ha mostrato che le due metodologie hanno prodotto risultati comparabili se eseguite in serie sugli stessi soggetti.

Esistono altre modalità di imaging che, come SVI, forniscono misure spaziali di eterogeneità di ventilazione. Tomografia a emissione di positroni (PET)^8,9, tomografia computerizzata con emissione a singolo fotone (SPECT)^10,11e MRI a gas iperpolarizzato^12,13 tecniche sono state utilizzate per creare un corpus sostanziale di letteratura per quanto riguarda il modello spaziale di ventilazione in soggetti sani e anormali. In generale, queste tecniche hanno almeno un vantaggio distinto rispetto a SVI, in quanto il loro rapporto segnale-rumore è caratteristicamente superiore. Tuttavia, ogni tecnica ha anche uno svantaggio caratteristico: PET e SPECT comportano l'esposizione a radiazioni ionizzanti, e la risonanza magnetica iperpolarizzata richiede l'uso di gas iperpolarizzato altamente specializzato e uno scanner MR con hardware multi-nucleo non standard.

SVI, una tecnica Proton-MRI, utilizza tipicamente 1,5 Tesla MR hardware con ossigeno inalato come un agente di contrasto (entrambi gli elementi sono prontamente disponibili nel settore sanitario), rendendolo potenzialmente più generalizzabile all'ambiente clinico. SVI sfrutta il fatto che l'ossigeno accorcia il tempo di rilassamento longitudinale (T₁) dei tessuti polmonari¹, che a sua volta si traduce in un cambiamento di intensità del segnale in un'immagine ponderata T₁. Pertanto, i cambiamenti nella concentrazione di ossigeno ispirato inducono cambiamento nell'intensità del segnale di immagini MRI opportunamente temporizzate. Il tasso di questa variazione a seguito di un brusco cambiamento nella concentrazione di ossigeno ispirato, tipicamente aria e 100% di ossigeno, riflette la velocità con cui il gas residente viene sostituito dal gas inalato. Questo tasso di sostituzione è determinato da ventilazione specifica.

Poiché SVI non comporta radiazioni ionizzanti, non ha controindicazioni per gli studi longitudinali e interventistici che seguono i pazienti nel corso del tempo. Pertanto, è ideale per studiare la progressione della malattia o valutare come i singoli pazienti rispondono al trattamento. Grazie alla sua relativa facilità e ripetibilità di sicurezza, l'imaging di ventilazione specifica è, in generale, una tecnica ideale per coloro che desiderano studiare grandi effetti e/o un gran numero di persone nel tempo o in diversi luoghi clinici diversi.

A seguito della pubblicazione originale che descrive la tecnica¹, l'imaging specifico per ventilazione (SVI) è stato utilizzato in studi incentrati sull'effetto di infusione salina rapida, postura, esercizio e broncocostrizione^{2,3 , 4 , 14} anni di ^{, 15}. la capacità della tecnica di stimare l'eterogeneità polmonare intera di ventilazione specifica è stata convalidata utilizzando il test di washout multiplo ben consolidato⁷ e più di recente, una regionale una convalida incrociata è stata eseguita, da confrontando il SVI e l'imaging di ventilazione specifica per respiro multiplo a gas iperpolarizzato¹⁶. Questa tecnica affidabile e prontamente distribuibile, in grado di mappare quantitativamente la ventilazione specifica nel polmone umano, ha il potenziale per contribuire significativamente alla diagnosi precoce e alla diagnostica delle malattie respiratorie. Presenta inoltre nuove opportunità per quantificare le anomalie polmonari regionali e seguire i cambiamenti indotti dalla terapia. Questi cambiamenti nella funzione polmonare specifica della regione, che il SVI ci permette di misurare per la prima volta, hanno il potenziale per diventare biomarcatori per valutare l'impatto dei farmaci e delle terapie inalate, e potrebbe essere uno strumento estremamente utile negli studi clinici.

Lo scopo di questo articolo è quello di presentare la metodologia di imaging specifico di ventilazione in dettaglio e in forma visiva, contribuendo così alla diffusione della tecnica a più centri.

Protocollo

L'Università della California, il programma di protezione della ricerca umana di San Diego ha approvato questo protocollo.

1. sicurezza e formazione dei soggetti

1. Ottenere il consenso scritto e informato dal soggetto. Descrivere i potenziali rischi presentati dall'esposizione a campi magnetici in rapida evoluzione, e il potenziale disagio di utilizzare la maschera facciale e respirare il gas secco.
2. Assicurarsi che il soggetto possa sottoporsi in sicurezza alla scansione MR, utilizzando il questionario di screening di sicurezza MRI approvato localmente.
3. Se il soggetto è una femmina in età fertile, e incerto del suo stato di gravidanza, Chiedili di autoamministrare un test di gravidanza non quotato in porta. Se il soggetto è in stato di gravidanza, escludere il soggetto dal resto dello studio.
4. Misurare il peso del soggetto. I parametri di sicurezza dello scanner che limitano la quantità di energia di radiofrequenza (RF) erogata al soggetto richiedono l'immissione di questa caratteristica. Verificare che il peso del soggetto sia inferiore al limite massimo di peso della tabella MRI (in questo caso, 136 kg).
5. Addestrare il soggetto a respirare nel tempo con la sequenza di scansione MR. Preferibilmente, riprodurre una registrazione audio di una scansione precedente e istruire il soggetto a respirare normalmente e completare un respiro ogni 5 s, utilizzando i segnali audio dallo scanner come guida; respirare insieme al soggetto ai fini della formazione.
6. Determinare le dimensioni della maschera del viso (dimensioni variano da Petite a extra-large [XL]) che meglio si adatta al soggetto misurando le dimensioni naso-mento del soggetto. Una maschera opportunamente dimensionata si adatta comodamente ma impedirà all'aria di fuoriuscire tra la maschera e la pelle del soggetto in qualsiasi punto. Se necessario, provare altre misure.
7. Verificare che le tasche e gli indumenti del soggetto siano privi di carte di credito a base magnetica e di pezzi metallici contenenti ferro. Se necessario, il soggetto cambia nell'abito medico fornito dalla struttura MRI.
   Nota: Il metallo può essere pericoloso nell'ambiente MRI, e oggetti metallici come clip (tipicamente in reggiseni), anelli metallici (reggiseni e Felpe), bottoni metallici o cerniere (camicie, maglioni), estensione dei capelli e parrucche hanno il potenziale per creare artefatti di imaging.

2. preparazione dell'ambiente MRI

1. Consentire al personale addestrato in sicurezza MRI agli standard della struttura di imaging di entrare nella stanza dello scanner o assistere nell'esecuzione di questo esperimento.
2. Configurare lo scanner MR per l'uso con una bobina del torso collegando la bobina al connettore appropriato nella tabella dello scanner.
3. Preparare il tavolo dello scanner con fogli, pastiglie e cuscini in modo che il soggetto sarà comodo per almeno 30 minuti durante l'imaging.
4. Assemblare il sistema di erogazione dell'ossigeno.
   Nota: un diagramma schematico del tubo è presentato in Figura 2.
   1. Posizionare una valvola di commutazione a due/tre vie alla portata dell'operatore dello scanner o della persona che esegue l'esperimento SVI.
   2. Collegare il serbatoio di ossigeno medicale (al di fuori della stanza dello scanner) o l'alimentazione a parete di ossigeno (se disponibile) ad una presa della valvola di commutazione utilizzando tubi di plastica da 1/4 di pollice.
   3. Collegare l'uscita della valvola di commutazione situata nella sala di controllo a 8 m (lunghezza sufficiente per lo scanner) tubi di plastica da 1/4 di pollice. Alimentare il tubo attraverso il pass-through, dalla sala di controllo alla stanza dello scanner, e assicurarsi che raggiunga il centro del foro dello scanner.
      Nota: Il tubo di plastica che collega l'uscita della valvola di commutazione alla maschera di bypass di flusso includeva un gradino in diametro negli ultimi 2 m, da 1/4 pollici a 3/8 pollici a 1/2 pollici, al fine di diminuire il rumore prodotto dall'aria che scorre nel sistema di bypass di flusso.
   4. Collegare l'estremità di 1/2 pollici del tubo all'attacco della maschera di bypass di flusso.
   5. Fissare l'attacco di bypass di flusso alla maschera facciale che si adatta al soggetto.
   6. Impostare la pressione sul regolatore del serbatoio del gas o della presa a muro su un valore che produca un flusso di ossigeno maggiore del flusso inspiratorio di picco atteso. La pressione necessaria dipende dalla natura dello studio (riposo, esercizio fisico, ecc.) e dalla resistenza complessiva del sistema di erogazione del gas (tipicamente ~ 70 PSI per il sistema di consegna descritto al punto 2.4.3 per gli studi a riposo).
   7. Testare la valvola di commutazione attivando il flusso di ossigeno, assicurandosi che sia presente un flusso adeguato all'uscita dell'attacco di bypass di flusso e che non siano presenti perdite nel tubo di plastica.

3. instrumentare e preparare l'oggetto per l'imaging

1. Il soggetto si trova sul tavolo MRI. Assicurarsi che la parte superiore dell'elemento della bobina inferiore fornisca una copertura adeguata degli apici polmonari, assicurandosi che la parte superiore dell'elemento della bobina inferiore sia superiore alle spalle del soggetto.
2. Avere il soggetto inserire tappi per le orecchie e verificare che il suono è in fase di blocco.
3. Nastro la palla stretta (o un meccanismo di sicurezza alternativo) al polso del soggetto in modo che possa essere facilmente accessibile.
4. Attaccare la maschera e il sistema di bypass di flusso al volto del soggetto. Occludere brevemente il lato espiratorio dell'attacco di bypass di flusso e chiedere al soggetto di tentare una normale ispirazione e scadenza per controllare le perdite.
5. Collocare il soggetto nello scanner, utilizzando lo strumento di centraggio della luce per assicurarsi che la bobina del busto occupa il centro del foro.
6. Collegare la linea di bypass di flusso all'attacco della maschera di bypass di flusso stampato in 3D utilizzando il dado in ottone aderente all'ingresso.

4. Imaging MRI

1. Selezionare la posizione anatomica per le sezioni di imaging.
   1. Acquisisci una sequenza di localizzatori per ottenere una mappa anatomica che verrà utilizzata per prescrivere il resto dell'esame.
   2. Selezionare fino a 4 fette polmonari sagittali da studiare facendo clic e trascinando la sezione di imaging nella posizione desiderata utilizzando l'interfaccia utente grafica dello scanner. Tipicamente, il campo visivo è impostato su 40 x 40 cm e lo spessore della fetta a 1,5 cm. Selezionare le sezioni centrate nel campo polmonare che mirano alla regione di interesse per lo studio, in genere minimizzando l'intrusione di grandi vasi polmonari medialmente e la parete toracica lateralmente per massimizzare il volume polmonare campionato.
      Nota: La selezione delle porzioni può essere eseguita in qualsiasi piano; è possibile selezionare fino a 4 fette. Ai fini della dimostrazione, verrà acquisita una fetta.
   3. Prendere nota della posizione delle fette di imaging rispetto alla posizione della colonna vertebrale in modo che lo stesso volume possa essere ricreato per gli studi longitudinali.
2. Imaging di ventilazione specifico
   Nota: nella tabella 1è presentato un elenco dei parametri tipici della risonanza magnetica.
   1. Impostare il tempo di inversione nel computer MR per la fetta più mediale a 1.100 ms per massimizzare il contrasto aria-ossigeno¹⁷.
   2. Impostare i parametri di acquisizione (tabella 1) per l'acquisizione di immagini. Per l'acquisizione di più sezioni, ogni fetta aggiuntiva viene acquisita dopo la prima, ad intervalli di 235 MS (1.335 MS, 1.570 MS, 1.805 MS).
      Nota: Dopo l'inversione di impulso di recupero e un intervallo di tempo (descritto dal tempo di inversione), ogni fetta immagine viene acquisita utilizzando un Half-Fourier turbo spin-echo (HASTE), a 128 x 128 risoluzione (70-linee di k-spazio campionato); le immagini vengono ricostruite a 256 x 256 risoluzione.
   3. Impostare il numero di ripetizioni su 220 e il tempo di ripetizione (TR) a 5 s. Ciò comporterà la ripetizione di 4.2.1 e 4.2.2 per un totale di 220 respon consecutivi, 5 s di distanza. Chiedere al soggetto di cancello volontariamente il suo respiro nel tempo con l'acquisizione di immagini.
      Nota: Le immagini vengono acquisite al termine di una normale scadenza in una breve interruzione volontaria della respirazione a capacità residua funzionale (FRC). È importante che un volume polmonare simile venga raggiunto coerentemente durante ognuna di queste acquisizioni consecutive.
   4. Monitorare la consistenza del volume polmonare del soggetto (scadenza finale) durante le successive acquisizioni e fornire feedback per migliorare la qualità, se necessario. Aumentare TR (l'intervallo di tempo tra le acquisizioni successive) se il soggetto trova difficile raggiungere un volume polmonare costante ogni 5 s.
   5. Cambia la miscela di gas ispirata del soggetto ogni 20 respiri (durante l'acquisizione del respiro per il comfort del soggetto), alternando aria ambiente e ossigeno medicale. Prendere nota di quando gli interruttori si sono verificati, e gli intervalli durante i quali il soggetto respirava ogni gas. Permettere al soggetto di respirare 100% di ossigeno per 40 respiri consecutivi a un certo punto dell'esperimento (tipicamente respira 20-60 o 180-220) per aumentare la sensibilità alle regioni polmonari a bassa ventilazione.
   6. Verificare regolarmente la frequenza cardiaca (40 − 80 per i soggetti normali a riposo) e la saturazione di ossigeno (tipicamente 98 − 100%) guardando il pulsossimetro (Figura 2); deviazioni dalla norma possono segnalare angoscia o ansia.
   7. Parlate frequentemente con il soggetto premendo il pulsante di invio della tastiera dello scanner, fornendo aggiornamenti periodici del tempo rimanente.
   8. Dopo il respiro 220, l'imaging è completo. Riportare l'oggetto all'aria dell'ambiente e rimuoverlo dallo scanner.

5. creazione di una mappa di ventilazione specifica da una serie temporale di immagini

1. Verificare che sia stata acquisita una pila di 220 immagini RM consecutive per ogni porzione polmonare.
2. Importare le immagini per la registrazione nel software di analisi delle immagini (ad esempio, MATLAB).
3. Delle immagini 220, scegliere, mediante ispezione visiva dell'intera pila di immagini, per ogni slice uno che meglio rappresenta la capacità residua funzionale. La capacità residua funzionale è identificata come la "modalità" dei volumi polmonari nello stack.
4. Utilizzando l'immagine "Mode" come riferimento, utilizzare la registrazione proiettiva o affine per registrare tutte le immagini al riferimento di capacità residua funzionale.
   Nota: La registrazione viene in genere eseguita utilizzando un algoritmo sviluppato in House¹⁸ o un algoritmo di punto più vicino iterativo di bootstrap (gdb-ICP¹⁹) pubblicamente disponibile.
5. Utilizzare l'output dell'algoritmo di registrazione per calcolare la modifica dell'area di ogni immagine. Eliminare le immagini il cui passaggio di registrazione richiesto > il 10% dell'area di variazione dalla pila di immagini e trattarli come dati mancanti²⁰.
6. Quantificare la ventilazione specifica nel polmone dalla pila registrata utilizzando un algoritmo sviluppato in House^1,7. Eseguire la quantificazione confrontando la risposta temporale di ogni voxel alla serie di Washin e washout dell'ossigeno consecutiva, a una libreria di 50 simulazioni simulate, prive di rumore, corrispondenti a ventilazioni specifiche che vanno da 0,01 a 10, con incrementi del 15%. Ad ogni voxel viene assegnato un valore di ventilazione specifica corrispondente alla ventilazione specifica dell'ideale simulato che presenta la massima correlazione con le serie temporali di ogni voxel, come originariamente presentato in¹.
7. L'output del passaggio precedente è una mappa di ventilazione specifica. Creare un istogramma della distribuzione e calcolare la larghezza della distribuzione di ventilazione specifica, una misura della specifica eterogeneità di ventilazione, indipendente dal volume di marea.

6. combinando specifiche mappe di ventilazione e densità per calcolare la ventilazione alveolare regionale

1. Oltre a SVI, acquisire immagini di densità protonica polmonare²¹, come descritto in uno studio precedente²² (sezioni 4,4 e 5,1 in riferimento²²). Ottenere le immagini di densità protonica nella stessa fetta polmonare (s), allo stesso volume polmonare (FRC, fine di una scadenza normale); impostare la risoluzione su 64 x 64, corrispondente a una dimensione di voxel di ~ 6,3 mm x 6,3 mm x 15 mm (~ 0,6 cm³).
2. Allinea specifiche immagini di ventilazione e densità protonica.
   1. Liscia sia le immagini specifiche di ventilazione e di densità protonica utilizzando un filtro gaussiano con una dimensione del kernel di ~ 1 cm³.
   2. Eseguire la registrazione rigida (traslazione e rotazione) tra la mappa di ventilazione specifica e la mappa di densità utilizzando un algoritmo basato su informazioni reciproche.
3. Calcola la ventilazione alveolare da dati di ventilazione specifici co-registrati e densità protonica.
   1. Calcolare una mappa di (1-densità), che è la frazione di aria nel volume campionato alla fine di una normale scadenza, supponendo che il polmone è composto di aria e tessuto e che la densità del tessuto è ~ 1 g/cm³.
   2. Calcola una mappa di ventilazione regionale come prodotto (1-densità) x SV (unità naturali). Moltiplicare questo prodotto per il volume di un voxel (o di un'altra regione di interesse) e la frequenza respiratoria (imposta, tipicamente 12 respiri/min), per ottenere una mappa di ventilazione nelle unità più familiari di ml/min.
      Nota: Per ogni regione polmonare, SV = ΔV/V₀ e (1 – densità) ≈ v₀. Così, il prodotto (1-densità) x SV = ventilazione regionale, espressa in unità naturali.

Risultati

SVI a fetta singola in un soggetto sano
L'imaging di ventilazione specifica produce mappe quantitative di ventilazione specifica, come mostrato nella Figura 3A, che raffigura una singola fetta nel polmone destro di una femmina sana di 39 anni. Si noti la presenza del gradiente verticale previsto in ventilazione specifica; la porzione dipendente del polmone presenta una ventilazione specifica più elevata rispetto alla porzione non dipendente del polmon...

Discussione

L'imaging di ventilazione specifica consente la mappatura quantitativa della distribuzione spaziale di ventilazione specifica nel polmone umano. Le alternative al SVI esistono ma sono limitate in qualche modo: il lavaggio multiplo del respiro fornisce una misura di eterogeneità ma manca di informazioni spaziali²³. I metodi di imaging alternativi espongono i pazienti a radiazioni ionizzanti (ad es., SPECT, PET, CT, scintigrafia gamma) o non sono ampiamente disponibili (imaging a gas iperpolarizzat...

Materiali

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