造影剤としてのプロトン磁気共鳴イメージングと酸素を用いたヒト肺における特定の換気の定量的マッピング

要約

特定の換気イメージングは、ヒトの肺における地域特有の換気の定量化を可能にする機能的な磁気共鳴イメージング技術で、造影剤として吸入酸素を使用する。ここでは、特定の換気画像データを収集・解析するためのプロトコルを紹介します。

要約

特定換気イメージング (SVI) は、特定の換気量を定量化することができる機能的な磁気共鳴画像技術で、肺領域に入る新鮮なガスの割合を、ヒトの肺の中で、地域の最後の呼気体積で割って、造影剤として吸入酸素。特定の換気の地域の定量化は病理学の肺機能の区域を識別するのを助ける潜在性を有する。組織内の溶液中の酸素は、組織の長手方向緩和時間 (t1) を短縮し、ひいては組織の酸素化の変化を、逆転回復取得画像を伴う T₁加重信号の変化として検出することができる。2つの濃度の影響を受けた酸素の急激な変化に続いて、ボクセル equilibrates 内の肺組織が新しい定常状態になる速度は、吸入ガスによって常駐ガスが置換される速度を反映する。この速度は、特定の換気によって決定されます。酸素化におけるこの突然の変化を惹起するために、被験者は、MRI スキャナ中に20個の空気のブロック (酸素 21%) と 100% の酸素を交互に呼吸する。刺激された酸素の一部分の段階的な変更は短い終わりの呼気の息の状態の間に手動スイッチが付いている慣習的な3次元 (3D) 印刷した流れのバイパスシステムの使用によって得られる。T₁の対応する変化を検出するために、グローバルな反転パルスの後に1ショットの高速スピンエコーシーケンスを使用して、8要素の胴コイルを使用して、1.5 t MRI スキャナーで2次元の t₁加重画像を集録しました。わずかに異なるイメージングパラメータで、単一スライスとマルチスライスイメージングが可能です。特定の換気の定量化は、空気/酸素刺激へのシミュレートされた応答のライブラリと各肺ボクセルのための信号強度の時間経過を相関させることによって達成され.特定の換気異質性の SVI 推定は、複数の呼気ウォッシュアウトに対して検証されており、特定の換気分布の不均一性を正確に決定することを証明した。

概要

特定換気イメージング (SVI) の全体的な目標は、酸素を造影剤として使用するプロトン磁気共鳴画像法 ( MRI) 技術であり、ヒト肺における特定の換気を定量的にマッピングすることである。特定の換気は、同じ肺領域¹の最後の呼気体積で割った1回の呼吸で肺領域に送達される新鮮なガスの比率である。局所的な肺密度の測定と共に、特定の換気は地域の換気²を計算するのに使用することができる。局所的な換気および換気の測定 SVI によって提供される不均一性は、肺の機能、正常および異常な^3、4の両方の理解を豊かにする可能性を有する。

特定の換気イメージングは、古典的な生理学テストの延長であります, 複数の呼吸ウォッシュアウト (MBW), 1950 年代に最初に導入された技術^5,6.どちらの技術も、特定の換気の不均一性を測定するためにガス和親/ウォッシュアウトを使用しますが、SVI は空間的に局在化した情報を提供し、MBW は不均一性のグローバルメジャーのみを提供します。MBW では、図 1に示すように、そのガスの洗い出し中に、不溶性ガス (窒素、ヘリウム、硫黄 hexafluoride など) の混合期限切れ濃度を多くの呼吸で測定するために質量分析計が使用されます。ウォッシュアウト期間中の呼気量の有効期限とともに、この情報を使用して肺内の特定の換気の全体的な分布を計算することができます。SVI では、MRI スキャナを使用して、肺組織における溶液中の酸素量に対するサロゲートである T₁加重信号を測定し、いくつかの和親/亀裂の間に、各肺ボクセルにおいて、多くの呼吸に対して、その局所的な酸素濃度を直接指標する。の酸素。MBW に直接類似している方法では、この情報は、我々は、各肺ボクセルの特定の換気を計算することができます。つまり、この技法は、SVI 実験中に、ボクセルごとに1つずつ、数千の並列 MBW のような実験を実行します。確かに、このように生成された特定の換気の空間地図は、MBW の特定の換気異種出力を回復するためにコンパイルすることができます。検証研究⁷は、2つの方法論が同じ被験者に系列で実行されたときに同等の結果を生み出したことを示した。

他の画像化モダリティが存在することは、SVI のように、異質の換気の空間的測定を提供する。陽電子放射断層撮影法 (PET)^8,9, 単一光子放射断層撮影 (SPECT)^10,11, 過分極ガス MRI^12,13技術が使用されています。健康で異常な被験者の換気の空間的なパターンに関する文献のかなりの体を作成します。一般に、これらの技術は、SVI に対して少なくとも1つの明確な利点があり、その信号対雑音比が特徴的に高いことがあります。しかし、それぞれの技術にも特徴的な欠点があります: PET と SPECT は電離放射線への曝露を伴い、過分極 MRI は、高度に特殊化された過分極ガスと、非標準の多核ハードウェアを備えた MR スキャナの使用を必要とします。

通常、プロトン MRI 技術である SVI は、造影剤として吸入酸素を含む1.5 テスラ MR ハードウェアを使用しています (どちらの要素もヘルスケアにおいて容易に入手可能であるため、臨床環境に汎用性可能性があります。SVI は、酸素が肺組織¹の長手方向緩和時間(t1) を短縮するという事実を活用し、これは、T₁加重画像におけるシグナル強度の変化に変換される。このように、刺激された酸素の濃度の変化は、適切に時限 MRI 画像の信号強度の変化を誘発する。この変化の速度は、刺激を受けた酸素濃度の急激な変化、典型的には空気および 100% の酸素に続く、吸入ガスによって常駐ガスが置換される速度を反映する。この交換速度は、特定の換気によって決定されます。

SVI は電離放射線を必要としないので、時間をかけて患者を追跡する縦方向およびインターベンション研究のための禁忌を持っていません。従って、それは病気の進行を研究するか、または個々の患者が処置にどのように反応するか評価するために理想的に適する。相対的な容易さおよび安全な反復性が原因で、特定の換気のイメージ投射は、一般に、大きい効果をおよび/または時間によってまたは複数の異なった臨床場所で調査したいと思う人のための理想的な技術である。

技術¹を説明した元の出版物に続いて、特定の換気イメージング (SVI) は、急速な食塩水注入、姿勢、運動、および気管支収縮の影響に焦点を当てた研究で使用されています^{2、3,4,14,15.}特定の換気の全肺異質性を推定する技術の能力は、十分に確立された複数の呼気ウォッシュアウト試験⁷を使用して検証したが、最近では、地域的なクロス検証が実施された。SVI と過分極ガス多重呼気特異的換気イメージング¹⁶を比較する。この信頼性の高い、容易に展開可能な技術は、ヒト肺内の特定の換気を定量的にマッピングすることができ、呼吸器疾患の早期発見および診断に有意に寄与する可能性を有する。また、地域の肺の異常を定量化し、治療によって誘発される変化に従う新しい機会を提示します。これらの領域特異的な肺機能の変化は、SVI が初めて測定することを可能にし、薬物や吸入治療の影響を評価するためのバイオマーカーになる可能性があり、臨床試験において非常に有用なツールとなり得る。

本稿の目的は、特定の換気イメージングの方法論を詳細に、そして視覚的な形で提示することによって、より多くのセンターへの技術の普及に貢献することである。

プロトコル

カリフォルニア大学サンディエゴ人間研究保護プログラムは、このプロトコルを承認しました。

1. 対象者の安全と訓練

1. 被験者から書面でインフォームドコンセントを得る。急速に変化する磁界への暴露によって提示される潜在的なリスク、およびフェイシャルマスクおよび呼吸乾燥ガスを使用する潜在的な不快感について説明する。
2. 局所的に承認された MRI 安全スクリーニングのアンケートを利用して、被験者が安全に MR スキャンを受けることができることを確認します。
3. 被験者が出産年齢の女性であり、彼女の妊娠状態が不確かな場合は、店頭妊娠検査を自己管理するように彼女に頼みます。被検者が妊娠している場合、その被験者を研究の残りの部分から除外する。
4. 被検者の体重を測定します。サブジェクトに配信される無線周波数 (RF) エネルギーの量を制限するスキャナの安全パラメータは、この特性の入力を必要とします。被験者の体重が MRI 表の最大重量制限 (この場合は 136 kg) を下回っていることを確認します。
5. MR スキャンシーケンスで時間をかけて呼吸するように対象を訓練します。好ましくは、前のスキャンのオーディオ録音を再生し、通常呼吸するように被験者に指示し、5秒ごとに呼吸を完了し、ガイドとしてスキャナからのオーディオキューを使用します。訓練を目的として被験体と共に呼吸する。
6. 顔のマスクのサイズを決定します (サイズは小柄から特大 [XL] まで)、被写体の鼻からあごまでの寸法を測定することで被写体に最も適しています。適切なサイズのマスクは、まだ快適にフィットしますが、マスクと被検者の皮膚の間にはいつでも空気が漏れるのを防ぎます。必要に応じて他のサイズを試してください。
7. 被検者のポケットや衣服に、磁気ベースのクレジットカードや鉄を含む金属片が含まれていないことを確認します。必要に応じて、MRI 設備によって提供される医療ガウンに被験者の変更を持っています。
   注:金属は、MRI 環境で危険であることができ、そのようなクリップ (典型的にはブラジャーで)、金属リング (ブラジャーとパーカー)、金属製のボタンやジッパー (シャツ、セーター)、髪の拡張やかつらなどの金属オブジェクトは、イメージングアーティファクトを作成する可能性を秘めています。

2. MRI 環境の整備

1. MRI の安全性に関する訓練を受けた人員のみが、スキャナールームに入るか、この実験の実施を支援するために、イメージング施設の基準に準拠することができます。
2. スキャナーテーブル内の適切なコネクタにコイルを接続することで、胴コイルで使用する MR スキャナーを構成します。
3. スキャナーテーブルにシート、パッド、枕を用意し、被写体が撮像中に少なくとも30分間快適になるようにします。
4. 酸素供給システムを組み立てる。
   注:チューブの概略図を図 2に示します。
   1. この SVI 実験を実行するスキャナオペレータまたはユーザの手の届くところに、2/3 ウェイスイッチングバルブを配置します。
   2. 医療用酸素タンク (スキャナールーム外) または酸素ウォールサプライ (ある場合) を 1/4 インチプラスチックチューブを使用してスイッチングバルブの1つの入口に接続します。
   3. コントロールルームにあるスイッチバルブのコンセントを 8 m (スキャナーには十分な長さ) 1/4 インチのプラスチックチューブに接続します。コントロールルームからスキャナールームに、パススルーを介してチューブを供給し、それがスキャナーボアの中央に到達することを確認してください。
      注:フローバイパスマスクにスイッチングバルブ出口を接続するプラスチック製のチューブは、フローバイパスシステムに流入する空気によって生成されるノイズを減少させるために、3/8 1/4 インチから1/2 インチに、最後の 2 m の直径のステップを含んでいた。
   4. チューブの1/2 インチの端をフローバイパスマスクアタッチメントに接続します。
   5. フローバイパスアタッチメントを、被写体に合ったフェイスマスクに固定します。
   6. ガスタンクまたは壁面コンセントの圧力を、予想されるピーク吸気流量よりも大きい酸素の流れを生成する値に設定します。必要とされる圧力は、研究の性質 (休息、運動など) およびガス供給システムの全体的な抵抗 (安静時の研究のためにステップ2.4.3 に記載された送達システムの通常〜 70 psi) に依存する。
   7. 酸素の流れを活性化させてスイッチバルブをテストし、フローバイパスアタッチメントの出口に十分な流量が存在し、プラスチックチューブに漏れがないことを確認します。

3. イメージングのためのサブジェクトのインストルメント化と準備

1. その問題は MRI のテーブルの上に置かれている。下部コイルの要素の上部が被験者の肩よりも高いことを確認することによって肺の apices の十分なカバレッジを提供していることを確認してください。
2. 件名に耳栓を挿入し、サウンドがブロックされていることを確認します。
3. 絞りボール (または代替安全機構) を被写体の手首にテープで収め、簡単にアクセスできるようにします。
4. マスクとフローバイパスシステムを被検者の顔に取り付けます。フローバイパスアタッチメントの呼気側を簡単に塞ぐことで、通常のインスピレーションと有効期限を試して、漏れをチェックするように被検者に依頼します。
5. 被写体をスキャナーに配置し、ライトセンタリングツールを使用して、胴体のコイルがボアの中心を占めていることを確認します。
6. 流バイパスラインを3D プリントされたフローバイパスマスクアタッチメントに、密着型の真鍮ナットを使用してインレットに接続します。

4. MRI 画像

1. イメージングスライスの解剖学的位置を選択します。
   1. 試験の残りの部分を処方するために使用される解剖学的マップを得るためにローカライザのシーケンスを取得します。
   2. スキャナーグラフィカルユーザーインターフェイスを使用して、イメージングスライスをクリックして目的の場所にドラッグすることにより、最大4つの矢状肺スライスを選択できます。通常、視野は 40 x 40 cm とスライスの厚さを 1.5 cm に設定します。研究のための対象となる領域を標的とする肺場を中心としたスライスを選択し、典型的には、大きな肺血管の内側および横方向への胸壁の侵入を最小にするサンプルされた肺の容積を最大にする。
      注:スライスの選択は、任意の平面で行うことができます。最大4つのスライスを選択できます。デモの目的のために、1つのスライスが取得されます。
   3. 縦断スタディのために同じボリュームを再イメージできるように、脊椎列の位置を基準にしてイメージングスライスの位置をメモしておきます。
2. 特定の換気のイメージ投射
   注:典型的な MRI パラメータのリストは表 1に示されています。
   1. 空気-酸素コントラストを最大にするために、MR コンピュータで最も内側のスライスを 1100 ms に反転時間を設定します。
   2. 撮像集録のための集録パラメータ (表 1) を設定します。マルチスライス集録では、各追加スライスが最初の後、235 ms (1335 ms、1570 ms、1805 ms) の間隔で取得されます。
      注:反転回復パルスと時間間隔 (反転時間によって記述される) に続いて、各スライス画像は、ハーフフーリエシングルショットターボスピンエコー (速攻)、128 x 128 解像度 (70-k-空間サンプリング) を使用して取得されます。イメージは 256 x 256 解像度に再構築されます。
   3. 繰り返し回数を220に、繰り返し時間 (TR) を5秒に設定します。これによって、4.2.1 と4.2.2 が繰り返され、合計で220の連続した呼吸 (5 秒間隔) が発生します。被写体に対して、画像取得時に自分の呼吸を自発的にゲートするように依頼します。
      注:画像は、機能的残留能力 (FRC) で短い自発的な呼吸中断で、通常の満了の終わりに取得されます。これらの連続した取得のそれぞれの間に同じような肺ボリュームが一貫して達することが重要です。
   4. 後続の取得中に被験者の肺容量の一貫性を監視し、必要に応じて品質を向上させるためのフィードバックを提供します。被験者が5秒ごとに一貫した肺の体積に到達することが困難である場合、TR (連続取得の間の時間間隔) を増加させます。
   5. 被験者の刺激を受けたガス混合物を20回の呼吸 (捕捉の間、被験者の快適さのための呼吸保持) に切り替え、室内の空気と医療用酸素とを交互に交換する。スイッチがいつ発生したか、および被験者が各ガスを呼吸していた間隔を書き留めておきます。実験のある時点 (通常は呼吸20-60 または 180-220) で40の連続した呼吸で 100% の酸素を呼吸するようにし、低換気肺領域に対する感受性を高めます。
   6. 定期的に心拍数 (通常の安静時は40− 80) と酸素飽和度 (通常98− 100%) を確認します。パルス酸素濃度計を見て (図 2)。規範からの逸脱は、苦痛や不安を合図することができます。
   7. スキャナキーボードの「プッシュトーク」ボタンを押して、定期的に時間を更新して、この話題に頻繁に話しかけます。
   8. 呼気220後、撮像が完了する。被検者を部屋の空気に戻し、スキャナから取り出します。

5. 画像の時系列から特定の換気マップを作成する

1. 各肺スライスの220連続した MR 画像のスタックが取得されたことを確認します。
2. 画像解析ソフトウェア (例: MATLAB) に登録用画像をインポートします。
3. 220の画像のうち、画像スタック全体の目視検査によって、機能残存能力を最もよく表す1つの各スライスについて選択する。機能的残留能力は、スタック内の肺容積の「モード」として識別される。
4. "Mode" イメージを参照として使用し、射影またはアフィン登録を使用して、すべてのイメージを機能残余能力参照に登録します。
   注:登録は、通常、ハウス¹⁸で開発されたアルゴリズム、または一般に利用可能な一般化-デュアルブートストラップ反復的に最も近いポイントアルゴリズム (GDB ICP¹⁹) を使用して実行します。
5. 登録アルゴリズムの出力を使用して、各画像の面積の変化を計算します。登録ステップが必要なイメージをイメージスタックから 10% のエリア変更 > 破棄し、欠損データ²⁰として処理します。
6. ハウス^1,7で開発されたアルゴリズムを使用して、登録されたスタックから肺の特定の換気を定量化します。各ボクセルの時間応答を連続酸素和親およびウォッシュアウト系列に比較して定量化を行い、50シミュレーションのライブラリに、ノイズフリーの応答を、0.01 から10の範囲の特定の換気に対応する、15% 刻みで行う。各ボクセルは、最初に提示されたように、各ボクセルの時系列との最大相関性を提示するシミュレーション理想の特定の換気に対応する特定の換気の値が割り当てられる。
7. 前のステップの出力は、特定の換気のマップです。分布のヒストグラムを作成し、特定の換気分布の幅を計算し、潮の量に依存しない特定の換気の不均一性を測定する。

6. 特定の換気と密度マップを組み合わせて地域の肺胞換気を計算する

1. SVI に加えて、前の研究²²で説明したように肺陽子密度画像²¹を取得する (参照²²のセクション4.4 および 5.1)。同じ肺容量 (FRC、通常の有効期限の終了) で、同じ肺のスライス内の陽子密度画像を取得します。解像度を 64 x 64 に設定し、ボクセルサイズ ~ 6.3 mm x 6.3 mm x 15 mm (~ 0.6 cm³) に対応します。
2. 特定の換気およびプロトン密度のイメージを合わせる。
   1. カーネルサイズが約 1 cm³のガウスフィルタを使用して、特定の換気とプロトン密度画像の両方をスムーズにします。
   2. 特定の換気のマップと、相互情報ベースのアルゴリズムを使用して密度のマップとの間の剛体登録 (移動と回転) を実行します。
3. 共に登録された特定の換気とプロトン密度データから肺胞換気を計算します。
   1. 肺が空気と組織で構成されていて、組織密度が ~ 1g/cm3 であると仮定して、サンプリングした体積の空気の割合である (1 密度) のマップを計算します。
   2. 地域の換気マップを製品 (1 密度) x SV (自然単位) として計算します。この製品にボクセル (または関心のある他の領域) と呼吸周波数 (課された、典型的には12呼吸/分) の体積を掛けると、より身近な単位の ml/min で換気のマップを得ることができます。
      注:各肺領域について、SV = Δ V/V₀および (1-密度) ≈ V₀です。したがって、製品 (1-密度) x SV = 地域の換気、自然単位で表されます。

結果

健常者の単一スライス SVI
特定の換気画像は、図 3aに示すように特定の換気の定量的な地図を生成し、39歳の健康な女性の右肺に1つのスライスを描写する。特定の換気で予想される垂直方向の勾配の存在に注意してください。肺の従属部分は、肺の非依存性部分よりも高い特定の換気を提示する。マッピングされた特定の換気値のヒストグ?...

ディスカッション

特定の換気のイメージ投射は人間の肺の特定の換気の空間分布の量的なマッピングを可能にする。SVI に代わるものは存在しますが、いくつかの方法で制限されています。複数の呼気ウォッシュアウトは不均一性の尺度を提供するが、空間情報²³を欠いている。代替画像化方法は、患者を電離放射線 (例えば、SPECT、PET、CT、γシンチグラフィー) に暴露するか、または広く利用...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D-printed flow bypass system
Face mask	Hans Rudolph		7400 series Oro-nasal mask, different sizes
Gas/oxygen regulator
Mask head set	Hans Rudolph		7400 compatible head set
Matlab	Mathworks		analysis software developed locally
Medical oxygen	Air Liquide/Linde		Oxygen to be delivered to the subject
MRI	GE healthcare		1.5 T GE HDx Excite twin-speed scanner
Plastic tubing			¼”, 3/8” and 1/2” tubing and connectors
Pulse oximeter	Nonin		7500 FO (MR compatible)
Switch valve
Torso coil	GE healthcare		High gain torso coil for GE scanner