キャリブレーション動脈スピンラベリングを用いた肺血流の磁気共鳴イメージングの定量化

要約

生理的条件の様々な環境下で肺血流の分布を調べるためにMRイメージング法、この場合、3つの異なる吸入酸素濃度への暴露：低酸素、酸素正常状態、および高濃度酸素は、説明されています。この手法は、MRスキャンの環境で、人間の肺生理学の研究技術を利用しています。

要約

これは正常酸素状態時の健常低酸素症（F _I O ₂ = 0.125）、および高酸素（（O _2、分数（F _I O _2）= 0.21をインスピレーション）で肺血流の空間分布を測定するためにMRイメージング法を示し、F _I O ₂ = 1.00）。さらに、被験者の生理的反応は、MRスキャンの環境で監視されます。 MR画像は、機能的残気量で右肺の矢状スライスから息止めの間に1.5 T GE MRIスキャナで得られた。動脈スピンラベリングのシーケンスは、（ASL -公平）肺血流の^1,2とマルチエコー高速グラジエントエコー（のmGRE）シーケンス³の空間分布を測定するために使用された地域のプロトン（すなわちH ₂ O）を定量化するために使用されていました各ボクセルの密度で正規化した血流（グラムの肺組織1分あたりミリリットルの血液）の定量化を可能に密度、。

2ウェイ、非再呼吸弁を装備したバルブとフェイスマスクを切り替える空気圧で、異なる酸素濃度は、吸入ガス配管を通じてMRスキャナで対象に導入されました。代謝カートは呼気チューブを経由して呼気ガスを採取。混合呼気O ₂とCO ₂濃度は、酸素消費量、二酸化炭素産生量、呼吸交換比、呼吸頻度と一回換気量を測定した。心拍数と酸素飽和度は、パルスオキシメトリを用いてモニターした。健常者から得られたデータは予想通り、心拍数が正常酸素（51）または高酸素（50）時よりも低酸素症（60 BPM）に高値であったと動脈血酸素飽和度（SPO _2）86％に低酸素時に低下した、ことを示した。換気が8.31 L /分のBTPS低酸素時に、正常酸素状態の間に7.04 L /分、および高濃度酸素中6.64 L /分であったことを意味。一回換気量は正常酸素中の酸素、0.69 Lの間に0.76 L、および高濃度酸素の間に0.67 Lであった。

ASLデータを定量化担当者は、平均密度正規灌流はそれぞれ、低酸素時の8.86ミリリットル/分/ gを、正常​​酸素状態の間に8.26ミリリットル/分/ gと高酸素の間に8.46ミリリットル/分/ gであったことを示した。このテーマでは、相対的な分散^4、グローバルな不均質性のインデックスは、（正常酸素状態時に低酸素時の1.07、0.85、および高濃度酸素中0.87）低酸素症で増加したフラクタル次元（DS）、血管分岐構造を反映して異質の別のインデックス、一方、 （正常酸素状態時の低酸素時の1.24、1.26、および高濃度酸素中1.26）変化はなかった。

概要。このプロトコルは、動脈スピンラベリング（ASL）として知られている磁気共鳴画像法を用いて正常酸素、低酸素症、および高酸素の条件の下で非侵襲的に肺血流の分布を測定するためにデータの収集のデモンストレーションを行います。

理由：MR技術を用いた肺血流と肺のプロトン密度の測定は、高空間分解能の定量化できるイメージやいくつかの異なる生理的条件下で繰り返し測定を実行する機能を提供しています。ヒトの研究では、PET、SPECT、およびCTは一般的に代替技術として使用されます。しかし、これらの技術は、電離放射線への曝露を伴うため、人間の被験者で繰り返し測定には適していません。

プロトコル

1。被験者募集

1. 対象人口
   1. 被験者は、研究に必要な特定の人口統計に合うように広告で募集しています。
   2. 心臓や肺疾患の既往のない、45 - この特定の研究の被験者は19歳までの健康な、非喫煙者です。
2. インフォームドコンセント
   1. この研究は、カリフォルニア大学、サンディエゴ、ヒューマン研究保護プログラムによって承認されています。
   2. 被験者は本研究、例えば、磁界の曝露（MRI）のと低酸素および高酸素ガスを呼吸の潜在的なリスクが通知されます。
      被写体が女性と出産が可能な場合、尿サンプルは、妊娠を排除するために、研究の開始前に収集されます。磁界への曝露は胎児に有害であることが非常に低いですが、正確な潜在的なリスクは不明である。さらに、低酸素症は、胎児へのリスクを与えるかもしれない。これらの理由から妊娠中の女性は研究から除外されています。
3. MRの安全審査
   すべての私たちの課題は、磁気共鳴検査を禁忌という項目に関するアンケートを完了する必要があります。禁忌が見つかった場合、被験者は研究から除外される。

2。準備

1. 身体検査
   1. 被験者は、彼らの身体の健康と食生活についてインタビューを行い、ライセンスを受けた医師による簡単な健康診断を受ける。
   2. 被験者の身長と体重も測定されています。これらの値は、肺機能検査および比吸収率（SAR）の予測値を推定するために使用されています。 MR画像を生成するために必要な無線周波数（RF）エネルギーからサブジェクトの組織の加熱の可能性があるため、SARの推定は重要である。
2. 肺機能検査
   肺気量は、直立姿勢での肺活量測定を用いて測定している。被験者はハンドヘルド肺活量計（EasyOneスパイロメーター、メディカルテクノロジーズアンドーバー）に吹き込んで肺機能検査を行います。ノーズクリップは、すべての空気が口から出て追放されることを保証するために使用されます。スパイロメトリーのデータは信頼性の高いデータを確保するために三重に取得されています。肺機能検査の質は、米国胸部学会/欧州呼吸器学会の基準^5を満たしている必要があります。

3。磁気共鳴の研究を受けて

1. 息の保持中に、信頼性の高い機能的残気量（FRC）肺のボリュームを生成するためにトレーニングセッション。
   肺は、FRCのときに私たちの肺の画像が取得されています。これは容易に達成可能な肺の容積であり、プロトンの密度を増加させることによって、画像にノイズに信号を高めます。私たちの課題は、快適にこの肺のボリュームを再現する訓練を受けています。被写体が私たちの研究の一つで初めて参加者の場合は被写体がMRスキャナーに入る前に、このトレーニングセッションは完了です。スキャナは、買収時に音が作られることになるので、画像取得の録音は、被験者のために再生され、そして彼らが録音した自分の呼吸を同期させる練習をしながら主題はコーチされる。
2. 呼吸のセットアップ
   1. 吸気セットアップ
      吸気管を高酸素と低酸素ガス、または酸素正常状態の空気のどちらかを保持するマイラーガスバッグに接続され、スイッチングバルブ（シングルピストンスライディングタイプ™バルブとコントローラ4285A、ハンスルドルフ）を介して投与されています。バルブが正常に機能するためにチェックされます。
      サブジェクトにインスピレーションガスを管理するガスバッグは、スキャナの部屋にあり、MRコンソールに別の部屋に酸素濃度のガスのタンクに接続されています。ガスは、ガソリンタンクのレギュレータの操作を通じて、研究者によって袋に追加されます。
      研究者は被験者が正常に刺激するのに十分なガスを持っていることを保証するために、ガスの量が十分であることを確認するコンソールの部屋の窓から袋を監視する必要があります。高酸素と低酸素ガスのF _I O _2は、それぞれ1.0および0.125、です。室内の空気は、正常酸素ガスに使用されます。
   2. 呼気セットアップ
      呼気呼吸管は、MRのコンソールルームで代謝カート（TrueOne 2400、ParvoMedics）にパススルーを通じてMRスキャナの対象から接続するための十分に長いです。
      代謝カートは呼気の量だけでなく、混合呼気O ₂とCO ₂濃度を測定します。これらのパラメータに基づいて、それはまた、換気量などの様々な呼吸量、酸素消費量（V. O _2）、二酸化炭素の生産（V. CO _2）、および呼吸商を計算します。
      それはすべての試験の前にO ₂とCO ₂センサーと流量計を校正する必要があります。調査官は、代謝カートオペレーティングsoftwarに従って、組み込みの指示に従って、代謝カートシステムをキャリブレーションE. O ₂とCO ₂センサは、二点のキャリブレーションガスとの間のキャリブレーション_（2 = 0.16とFCO ₂ = 0.04）と室内空気_（2 = 0.2098とFCO ₂ = 0.00）によって調整されます。流量計は、標準化された3リットルのシリンジを用いて校正されています。ハンスルドルフ被験者のために接続されているものと同一である2ウェイ非再呼吸弁を装備した呼気呼吸管を介して代謝カートに空気の調査官ポンプは、3リットルのボリューム（室温及び大気圧で）マスク。呼吸の様々な流量を可能にするために、このキャリブレーションは50 L /分ATPSから休息の測定では80 L /分の範囲のピークフローで少なくとも5回実行されます。これは呼気チューブの長さに起因する遅延時間の補正を可能にする被験者の呼吸器のデータと組み合わせることでチューブとマウスピースの体積を計算しています。
   3. マスク
      大型、中型、小型の、小柄：冷滅菌シリコンマスク（7400シリーズドーロ - 鼻マスク、ハンスルドルフは）（サイズイメージングセッション全体の異なるガスの混合物の配信と代謝や呼吸データの取得を可能にするために被験者に装着されと特大）。成人被験者の大半は、小規模、中規模または大規模なマスクが取り付けられています。
      あらかじめ滅菌非再呼吸弁（双方向非再呼吸弁T形™の構成、2600ミディアム、2700大、ハンスルドルフ）を装備したマスクは、メッシュの添付ファイル付きの被写体の顔に固定して漏れをチェックされます。その後、吸気と呼気チューブが接続されている。
3. MRセットアップ
   1. 被験者は、スキャナに向かって足は磁気共鳴断層撮影装置に移動するスライドテーブルの上に穴で、仰臥位にあります。
   2. 枕、フォームパッドは、対象者の快適性を最大化するために使用されています。パルスオキシメータ（非反転、7500）は被験者が低酸素にさらされているときに特に重要である酸素飽和度と心拍数を監視するために対象者の指、上に配置されます。
   3. 心電図の電極パッ​​ドは、被験者の胸部に配置されます。これは、動脈スピンラベリング（ASL）MRシーケンスはQRS波のゲートにすることができます。
   4. 被験者がマスクを着用されると、彼らは容易に研究担当者と通信できません。スクイーズボールは、被験者の手に位置し、場所で録音されている。これは、彼らが援助を必要とする任意の時点で研究者に警告するために主題が可能になります。
   5. 耳栓は、スキャナによっ​​て生成されるノイズから保護するために被験者に与えられている。
   6. 三MRのファントムは、被験者の胸部に配置されます。ファントムは、ポスト処理中にMR信号を定量化するために使用され、以前に特徴付けられている。
   7. 胴体のコイルは、被験者の胸部にファントム上に配置される。胴体のコイルは、受信機と被写体との間の物理的な距離を減らすことによって、ボディコイルと比較してMR画像の信号対雑音比を向上させるために使用されます。最後に、被験者は自分の快適性を確保するための毛布で覆われています。

4。 MRスキャン

1. スキャンする前に
   1. 被験者は、MRIスキャンのテーブルに最初に足をうそを求めています。その後、スキャンテーブルには、MRIスキャナの穴の中央に被写体を移動します。
   2. スキャナオペレータは、頻繁に主題が快適であることを確認するために、彼らが援助を必要とする場合は、スクイーズボールを絞るためにそれらを思い出させるために被験者に話しています。
   3. 調べでは、EKG、O ₂飽和度、一回換気量、V. O ₂とV. CO _2を監視します。監視の最初の数分間は、良質のデータを確保するには特に重要であり、これらの数値が予想される範囲内にない場合は、キャリブレーションを繰り返し、フェイスマスクとチューブは、漏れをチェックする必要があります。
2. イメージングの試験シーケンス
   1. ローカライザーのシーケンスは、胴体内の画像スライスの配置を決定するために解剖学的画像を得るために最初に取得されています。
   2. スライスは、前方右側の肺の部分から矢状面で選択されている - 後方距離は最大です。スライス厚は、通常は15 mmであり、ビューのフィールドは、× 40 CM 40 cmです。
3. 動脈スピンラベリング
   動脈スピンラベリング-ハーフフーリエ買収シングルショットターボスピンエコー（ヘイスト）イメージング方式が地域の潅流データの^1,2を取得するために使用されると余分なRFパルスシーケンス（ASL -公平）とフローセンシティブ交互に反転回復。
   1. 被験者は、磁気タグと画像の取り込みを示す"バンバン"、音の組み合わせを順に再生されます。第一ギングサウンドはショアです。秒以上TER。音の違いは顕著です。これらの音のペアの間では、被験者一呼吸のサイクルを完了する必要があります。ブレスインと息アウト、前に次のペアに。音のペアの間に、被験者はFRCでbreathhold必要があります。
   2. 被験者は、被験者は、それらがスキャナ（上記）に入れられた前に慣れていたこと、呼吸を練習している時に画像取得のテストランを与えられます。
   3. MRの演算子は、横隔膜の動きに基づいて、肺の画像の品質を評価します。動きが最小限の場合はASL測定が開始します。調査官は一回換気量を監視します。おおよその目標一回換気量は、バルブからの追加のデッドスペースを持つ通常の換気と一致して500〜700ミリリットルです。
   4. 肺血流を定量化するための基本原理を詳細に文献1及び2に記載されている。このMRのシーケンスでは、二つの異なる心臓のゲート画像は、それらの間で5秒間隔で取得されています。タグと画像取得（最初のビッグバンの音と第二強打の音の間）の間で画像のタイミングは、血液の一つ収縮期駆出の収集を可能にするためにRR間隔の80％に設定されています。血液からの信号は、2つの異なる方法で調製される。つのイメージでは、画像のスライスの血液および組織内外の縦磁化は、血液と組織の両方から非常に低い信号、その結果、反転されます。 2番目のイメージでは、反転は、スライスへの画像のスライスの外側からの血液の流入が強いMR信号を持っている結果と、撮像されたスライスにのみ適用されます。 2つのイメージが、それによって定常信号を打ち消す、減算されると、結果は1収縮期駆出期間内に画像のスライスに配信血の定量的なマップです。解像度は256 × 128ピクセルであるため、ボクセルサイズは〜1.5 ×〜3.1 15ミリメートル（〜0.07センチメートル^3）です。
4. 肺のプロトン密度
   ASL画像に加えて、我々はまた、肺のプロトン密度^3を測定するためのマルチエコー高速グラジエントエコー（のmGRE）シーケンスを使用してください。これは血流の測定はmL /分/ gと胸部⁶内の肺組織の変形のためのアカウントで表現することができます。このシーケンスは、回胴のコイル用とボディコイルに1つずつ実行されます。
   1. このプロトン密度画像取得中に、被験者は約10秒間続く連続的なノイズが聞こえます。この中に、被験者は自分の息を保持する必要がありますし、FRCに滞在。
      肺のプロトンの密度を定量化するための基本的な原理は参考文献3に記載されています。解像度は64 × 64ピクセルであるため、ボクセルサイズは〜6.3 ×〜6.3 × 15ミリメートル（〜0.59センチメートル^3）です。
5. 吸気ガスの切り替え
   1. これらはできるものの、F _I O ₂ = 0.21（正常酸素/室内空気）と本研究のガスでは、F _I O ₂ = 0.125（低酸素）、およびF _I O ₂ = 1.00（高酸素）、被験者の間でバランスの取れた順番で表示されます研究の目標と一致して、必要に応じて変化
   2. 被写体が指定された条件（特定のガスのため〜20分^）7の定常状態に達した後、灌流およびプロトン密度のMR測定が取得されています。低酸素性肺血管収縮反応の開始が数秒以内に起こりますが、肺胞の低酸素に対する応答は、〜20分^8日までこのことを目標と整合最大ではないので、このケースでは、画像処理前のガスへの曝露の20分の期間が選択されています特定の研究。

5。ポスト処理

後処理は、MATLABのプログラミング環境内でカスタム開発されたソフトウェアを使用して完了します。

1. コイルの不均一性の補正
   均質体のコイルと不均一な胴のコイル（4.1節）からペアのmGRE画像を使用して、すべての血流とプロトン密度画像は、主題ごとのテーマに基づい⁶のコイルの不均一性のために修正されます。このメソッドは、参照6および9で説明されています。
2. 密度正規灌流
   1. 減算ASL画像がコイルの不均一性を補正した後は、地域の肺血流量は、立方センチメートル当たり毎分ミリリットル（血液）（ボクセル）で定量化されます。
   2. 水のグラムあたりの分あたりミリリットル（血液）の単位で表される密度正規化された血流は肺のグラムあたりの分あたりミリリットル（組織+血液）で灌流を与えるためにプロトン密度画像でASL画像を割って算出されます。
   3. 平行移動および回転を含む相互情報量に基づく手法は、ASLとプロトン密度画像を登録するために利用されている、とASL灌流画像はボクセルによってボクセル上胴コイルで得られたプロトン密度画像で割って根拠^6,9。このメソッドは、参照6および9で説明されています。
3. データの分析
   （肺のプロトンの密度と密度正規灌流）上述のように各画像について、取得、データは次のように分析されます。
   1. 各画像について、密度正規灌流が計算されることを意味。
   2. 潅流不均一性の3つの異なるインデックスが計算されます。これらは）また、変動係数として知られている相対的な分散^{4,10,11、、}大規模な相対的な分散、異機種の血流の平均流の標準偏差の比として定義される不均一性の地球規模1です分布、また、3）幾何標準偏差、地球規模の、2）値は1.0（均質）と1.5（空間的にランダム）の間で変化するフラクタル次元^（DS）7、スケールは独立した空間的不均一性のインデックス、不均一性が対数正規モデルの分布の²に基づく。

6。代表的な結果

生理学的データを表1に示す。心拍数が低酸素状態で増加し、彩度が​​減少した。換気が低酸素時の8.31 L /分のBTPS、正常酸素中7.04 L /分、および高濃度酸素中6.64 L /分であった。一回換気量は正常酸素中の酸素、0.69 Lの間に0.72 L、および高濃度酸素の間に0.67 Lであった。高酸素の換気と換気量を減少する低酸素への曝露は、換気と換気量の両方を向上させます。

つの異なる吸入酸素濃度（：0.125、正常酸素：0.21、および高酸素：酸素症1.00）中に収集した三密度正規化された灌流画像を一つの主題（男性、30歳）から得られた、図1に示します。潅流不均一性のデータ解析の結果を表2に示す。それは、低酸素症は他のインデックスはほぼ横ばいだったしかし相対的な分散を増加させることを見ることができます。

図2は密度が正規化された血流の鉛直分布に吸入酸素濃度の効果を示す、肺の最も依存部分から、10 cm以上10 cm高さ以下のすべての1cmを平均した。 10センチメートル上記のすべてのデータポイントを平均して一つのデータポイントとして表示されます。

	低酸素症	正常酸素状態	酸素過剰
心拍数（BPM）	60	51	50
SPO 2	86	99	100
V E BTPS（L /分）	8.31	7.04	6.64
V tはBTPS（L）	0.76	0.69	0.67
F E O 2（％）	8.85	17.27	-
F E CO 2（％）	3.41	3.60	3.20
VO 2 STPD（L /分）	0.25	0.22	-*
VCO 2 STPD（L /分）	0.23	0.21	0.18

表1。スキャンセッション中の生理的データを。

*被写体が100％の酸素を呼吸しているときは、VO _2が容易に（詳細は、表^12を参照）を測定することができます。

	低酸素症	正常酸素状態	酸素過剰
相対分散	1.07	0.85	0.87
フラクタル次元	1.24	1.26	1.26
幾何標準偏差	2.41	2.11	2.38

表2。肺血流の不均一性の3つのインデックス。

図1。密度正規化された血流の3つの異なる吸入酸素濃度の影響。 1.1：低酸素（0.125）、1.2：正常酸素状態（0.21）、1.3：高酸素（1.00）。規模は、3 cm（白実線）である。 ：前、P：後、私：劣る、とS：優れた方向性、それぞれ。

図2。密度正規化された血流の鉛直分布の3つの異なる吸入酸素濃度の影響。密度正規化された血流は肺の最も依存する部分では0 cmから開始し、ほとんどの非依存部分に続けて、同じ重力平面上に1 cmの容器内で平均化されます。 10センチメートル上記のすべてのデータポイントを平均して一つのデータポイントとして表示されます。

エラーバーは、その平面内の密度正規化された血流の値の標準偏差を表しています。低酸素データが赤色になって、酸素正常状態のデータが青にあり、酸素過剰のデータは緑で。

ディスカッション

このメソッドは、MRスキャン環境の基本的な生理学的手法を用いて肺血流の空間分布に関する吸入酸素濃度の効果を測定することができます。肺の定量的なプロトンのイメージングとの組み合わせの生理学的手法の使用が比較的容易に実装されています。

良好な品質テストを確保するために、最も重要なステップは、正しい肺気量で息止めの対象を訓練し、撮像シーケン...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
機器	会社	モデルは
MRI	GE	1.5 T GE半二重（HDx）EXICITE twinspeedスキャナ
代謝カート	ParvoMedics	TrueOne 2400
パルスオキシメータ	非反転	7500
肺活量計	医療技術アンドーバー	EasyOneのdiagonosticのスパイロメーター
マスク	ハンス＆ルドルフ	7400シリーズロ - 鼻マスク、小規模、中規模、および大規模
バルブ	ハンス＆ルドルフ	双方向の非再呼吸弁T形™の構成、2600ミディアム。 2700年大
ヘッドセット	ハンス＆ルドルフ	ヘッドキャップ（大人サイズ）、ストラップ＆ロッククリップ。
空気圧方向制御弁とコントローラ	ハンス＆ルドルフ	シングルピストンスライディングタイプ™バルブとコントローラ4285A
非拡散ガスの収集袋	ハンス＆ルドルフ	6100（100リットル）。
チューブ	VacuMed	クリーンボルチューブ108"、1-3/8"ODのフィッティング
ファントム	メンター	ブレストインプラントラウンド、250ccクラス
MathWorks社のMATLAB	サイバネットシステム