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.

참고 :이 프로토콜은 텍사스 사우스 웨스턴 의료 센터의 임상 시험 심사위원회의 대학에 의해 승인되었다. 실험 전에 가스 전달 시스템 및 준비 단계의 1도 <ol style="margin-left: 40px;"><li> 가스 전달 시스템 (그림 1)의 다이어그램을 검토합니다. 5 % CO 2, 21 % O 2, 및 74 % N 2를 포함하는 의료용 가스 혼합물에 200 L 더글라스 백 (1 번 항목)을 채운다. </li><li> 하나의 방법은 가스 흐름을 보장하기 위해 양방향이 아닌 재 호흡 밸브 (항목 # 3)에서 두 개의 다이어프램 (4 항목 #)를 놓습니다. 자석 방에이 조립 양방향 밸브와 가스 충전 더글러스 가방 (1 항목 #)를 준비한다. </li><li> 양방향 밸브 (아이템 # 3)의 입력단에 가스 공급 튜브 (상품 번호 7)을 연결한다. 중량을지지하는 헤드 코일의 측에 가스 공급 튜브 (상품 번호 7)를 붙여. 가스 충전 더글라스 가스 공급 튜브 (상품 번호 7)의 다른 쪽 끝을 연결가방 (항목 # 1). </li><li> 마우스 피스 (항목 # 5) 팔꿈치 커넥터를 통해 U 자형 튜브 (항목 # 12)에 (가스 샘플링 포트 항목 # 13 밀봉)을 연결합니다. </li><li> 다른 팔꿈치 커넥터 (품목 # 13)를 통해 U 자형 튜브 (항목 # 12)로 가스 샘플링 튜브 (항목 # 9)을 연결합니다. </li><li> 가스 샘플링 튜브 (항목 # 9)의 다른 쪽 끝에 작은 공기 필터 (상품 번호 11)을 연결합니다. CO 2 (항목 # 14)에 공기 필터 (항목 # 11)의 다른 쪽 끝을 연결 모니터링 할 수 있습니다. </li><li> MRI 제품군의 컨트롤 룸에서, CO 2 (상품 번호 14)과 맥박 산소 측정기 (상품 번호 15) 모니터의 전원을 켭니다. CO 2 모니터에 대한 자동 보정을 수행합니다. </li><li> USB 포트를 사용하여 노트북에 모니터를 연결합니다. 모니터와 통신 하이퍼 터미널 소프트웨어를 엽니 다. 배 &#39;모니터 타이머 시간을 작성하고 대응하여 타이머 시간&#39;을 모니터를 동기화 할 수 있습니다. 타이머 시간 및 모니터 &#39;시간의 차이는 데이터 프로에서 설명 될 것입니다cessing (단계 4.4). </li><li> 바의 일단은 마그넷 룸내이고 다른 단부는 제어실에 있도록 도파로 안으로 시그널링 바의 일단을 삽입한다. 주 : 시그널링 바는 삼방 밸브의 전환시 스캔 중에 (상품 번호 2)가 필요하다 자석 실내 연구원 통지하는 데 사용된다. </li></ol> 실험 기간 동안 2. 절차 <ol style="margin-left: 40px;"><li> MRI의 테이블에 놓여달라고 부탁하지만, / 그녀는 아직 자석 구멍에 집어 넣어하지 않습니다. 그들은 스캔하는 동안 불편 함을 느끼는 경우 간호사 호출 버튼을 눌러 피사체를 지시합니다. 모든 그리스를 제거하는 물수건 청소의 조각으로 그 / 그녀의 코를 닦아달라고 부탁합니다. </li><li> 피사체가 입으로 숨을 쉴 수와 호흡 리듬을 설정하고 유지하기 위해 지시합니다. 그런 주제에 코 클립 (항목 # 6)를 적용합니다. </li><li> 엘 통해 양방향 밸브 (항목 # 3)의 중간 포트에 U 자형 튜브 (항목 # 12)의 개방 끝을 연결합니다활 커넥터 (품목 # 13). </li><li> 피사체가 마우스 피스를 통해 숨을 쉴 수 있도록 조심스럽게 환자의 입에 마우스 피스를 배치합니다. 조심스럽게 피사체의 손가락 끝의 맥박 산소 측정기 (상품 번호 15)의 핑거 센서를 부착합니다. </li><li> 피사체의 헤드가 헤드 코일의 중심에 이소 것임을 확실. 자석 구멍 안에 그를 / 그녀를 배치 MRI 테이블을 사용하십시오. </li><li> 자석 실내에 체류 한 연구자가 피사체를 모니터하고 더글라스 백 (1 번 항목)에 삼방 밸브를 스위칭 할 준비를 할 것을 보장한다. 연구원은 귀마개와 MRI 노이즈를 차단하기 위해 헤드셋을 착용되어 있는지 확인합니다. </li><li> ETCO 2 동맥 산소 포화도 분획 CO 2 (상품 번호 14)과 맥박 산소 측정기 (상품 번호 15) 모니터에 표시 (SO 2) 매개 변수를 확인, 컨트롤 룸에, 자석 방 문을 닫고. 노트북에 매개 변수의 기록을 시작합니다. </li><li> 사용하여 스캔을 시작하기 위해 MRI 연산자를 지시혈액 산소화 수준 종속 (BOLD) 순서. 3T MRI 스캐너의 경우, BOLD 영상 매개 변수는 다음과 같습니다 TR / TE는 = 1500 / 30 밀리 초, 플립 각도 =보기 = 220 X 220mm 2, 매트릭스 = X 64 (64), 29 조각의 60 °, 필드, 5 = 두께 MM, 조각, 361 볼륨 사이에 틈 없습니다. 절환 밸브 타이밍이 나열되어있는 미리 준비된 시트를 검토하고 스위치가 필요할 때 부드럽게 시그널링 바 스윙. 심장 박동, SO 2, ETCO 2를 포함하여, 피사체의 생리에주의를 기울이십시오. </li><li> 이제, 자석 룸내, 더글라스 가방 피사체 고무 가스의 종류를 제어하는​​ 시그널링 바의 이동에 기초하여 (1 번 항목)을 전환. </li><li> 연구의 길이에 대해이 절차를 계속합니다. 구 분 영상주기 동안, 밸브 절환 약 매분마다 발생하도록 보장한다. 스위치 타이밍만큼 EtCO2 타임 코스가 기록 될 때, 정확하게 정확하지 않습니다. &lt;BR /&gt; 주 : 피사체가 스캔 중에 간호사 호출 버튼을 누르면, 스캔이 중단되고 즉시 피사체 자석 보어로부터 이동한다. 연구원은 피사체로부터 마우스 피스와 코 클립을 제거합니다. </li><li> 스캔이 완료 주제를 알리기 위해 인터콤을 사용합니다. MRI 테이블을 잡아 당깁니다. 어떤 침을 닦아 주제에 조직을 청소 제공하면서 부드럽게 주체에서 코 클립 및 마우스 피스를 제거합니다. 조심스럽게 대상에서 맥박 산소 측정기의 핑거 센서를 제거합니다. 주제는 다음 앉아서 MRI 테이블을 얻을 수 있습니다. </li></ol> 실험 후 3. 정리 절차 <ol style="margin-left: 40px;"><li> 가스 샘플링 튜브 (9 항목 #), 에어 필터 (항목 # 11), 마우스 피스 (5 항목 #)과 코 클립 (6 항목 #)를 폐기하십시오. </li><li> 재사용 가능한 구성 요소를 청소합니다. 다른 구성 요소에서 양방향 밸브 (품목 # 3)를 분리하고 (4 항목 #) 밸브의 다이아 프램을 제거합니다. 두 방법을 적시등의 20 분의 컨테이너에서 Bacdown 세제 살균제와 같은 계면 활성제를 포함하는 밸브 (항목 # 3), 다이아 프램 (항목 # 4), 농축 인산염이없는 소독제에 U 자형 튜브 (항목 # 12). 세제 살균 증류수 희석 비는 1:64이다. </li><li> 충분히 증류수로 3.2에 기재된 항목을 씻어. </li><li> 압축 공기와 U 자형 튜브 (항목 # 12)를 건조. 맑은 수조에 두 방향 밸브 (항목 # 3)과 다이아 프램 (4 항목 #)를 배치하고 건조 자연스럽고 완벽하게 할 수 있습니다. </li><li> 더글러스 가방을 비 웁니다. 신호 바, 회색 튜브를 치워. </li></ol> 4. 데이터 분석 CVR지도를 계산합니다 <ol style="margin-left: 40px;"><li> DICOM 파일 형식 또는 다른 벤더 고유의 형식으로 MRI 데이터를 저장합니다. 실험실 데이터를 컴퓨터로 전송하고, 각 파일이 하나의 시점에 대응하는 3 차원 볼륨 (예를 들어, BOLD 이미지)를 함유하는 체적 별 부피 시리즈 파일로 데이터를 변환한다. </li><li> 전처리 된 이미지 데이터를 포함한다. 재정렬, 정규화를 포함하고 소프트웨어 통계적 매개 변수 사상 (SPM)에 의해 제공된 라이브러리 함수를 호출하는 스크립트를 이용하여 평활화 된 이미지 전처리 단계를 수행한다. 매트랩 스크립트의 예를 들어 추가 코드 파일 1을 참조하십시오. </li><li> CO 2 기록을 판독하도록 스크립트를 사용하여 미리 보정 된 양만큼의 시간 코스를 이동시킴으로써 샘플링 튜브 지연을 보정 (예를 들면, 마우스 피스 상기 한 호흡의 시간차로 판단이 설정에서 12 초 CO2 기록에 그 숨)의 모양 및 원시 시계열의 봉투 (양의 피크를)입니다 EtCO2의 압축을 풉니 다. 매트랩 스크립트 추가 코드 파일 2를 참조하십시오. </li><li> 동기 타이머에 기초하여, 세그먼트 ETCO이 데이터는 25 초에서 종래 최종 이미지 획득 후 100 초에 제 1 화상 취득에만 기록을 유지한다. ETCO 2 시간 코스입니다입력 맥관계에 기능은 후술하는 선형 회귀 분석의 독립 변수로서 사용된다. </li><li> 시간 시프트를 변화에 시간이 두 과정 사이의 상호 상관 계수 (CC)를 계산하여 (폐에서 측정) (2) 및 ETCO (뇌 측정) MRI 신호 간의 생리 지연을 식별한다. 높은 CC를 산출 시프트 값은 최적의 시간으로 간주된다. </li><li> ETCO 2 시간 코스는 최적 지연만큼 시프트되고, MRI 신호의 특징과 일치하는 유일한 시점은 MRI 신호와 동일한 길이로되어 시계열 결과, 보존된다. </li><li> 시프트 EtCO2 시간 코스는 종속 변수 인 독립 변수와 MRI 신호 타임 코스 인 복셀 별 복셀 선형 회귀를 실시하여 SPM. </li><li> CVR의 복셀 별 복셀지도를 계산 <img alt="식 (1)" fo:content-width="2in" src="/files/ftp_upload/52306/52306eq1.jpg" /> 여기서, (나는, J, K)은 t이다그 인덱스를 복셀, β1은 EtCO2 및 β0와 연관된 회귀 계수는 상수항과 연관된 회귀 계수이다. 분 (ETCO 2)는 시간 경과에 ETCO 2 최소값. </li></ol>

<ol>
	<li>Attwell, D., Laughlin, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+energy+budget+for+signaling+in+the+grey+matter+of+the+brain.">An energy budget for signaling in the grey matter of the brain.</a> J Cereb Blood Flow Metab. 21 (10), 1133-1145 (2001).</li><li>Kety, S. S., Schmidt, C. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Effects+of+Altered+Arterial+Tensions+of+Carbon+Dioxide+and+Oxygen+on+Cerebral+Blood+Flow+and+Cerebral+Oxygen+Consumption+of+Normal+Young+Men.">The Effects of Altered Arterial Tensions of Carbon Dioxide and Oxygen on Cerebral Blood Flow and Cerebral Oxygen Consumption of Normal Young Men.</a> J Clin Invest. 27 (4), 484-492 (1948).</li><li>Krainik, A., Hund-Georgiadis, M., Zysset, S., von Cramon, D. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regional+impairment+of+cerebrovascular+reactivity+and+BOLD+signal+in+adults+after+stroke.">Regional impairment of cerebrovascular reactivity and BOLD signal in adults after stroke.</a> Stroke. 36 (6), 1146-1152 (2005).</li><li>Yezhuvath, U. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Forebrain-dominant+deficit+in+cerebrovascular+reactivity+in+Alzheimer's+disease.">Forebrain-dominant deficit in cerebrovascular reactivity in Alzheimer's disease.</a> Neurobiol Aging. 33 (1), 75-82 (2012).</li><li>Mandell, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+cerebrovascular+reactivity+using+blood+oxygen+level-dependent+MRI+in+Patients+with+arterial+steno-occlusive+disease:+comparison+with+arterial+spin+labeling+MRI.">Mapping cerebrovascular reactivity using blood oxygen level-dependent MRI in Patients with arterial steno-occlusive disease: comparison with arterial spin labeling MRI.</a> Stroke. 39 (7), 2021-2028 (2008).</li><li>Greenberg, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Small+vessels,+big+problems.">Small vessels, big problems.</a> N Engl J Med. 354 (14), 1451-1453 (2006).</li><li>Hsu, Y. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blood+oxygenation+level-dependent+MRI+of+cerebral+gliomas+during+breath+holding.">Blood oxygenation level-dependent MRI of cerebral gliomas during breath holding.</a> J Magn Reson Imaging. 19 (2), 160-167 (2004).</li><li>Mikulis, D. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preoperative+and+postoperative+mapping+of+cerebrovascular+reactivity+in+moyamoya+disease+by+using+blood+oxygen+level-dependent+magnetic+resonance+imaging.">Preoperative and postoperative mapping of cerebrovascular reactivity in moyamoya disease by using blood oxygen level-dependent magnetic resonance imaging.</a> J Neurosurg. 103 (2), 347-355 (2005).</li><li>Han, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=BOLD-MRI+cerebrovascular+reactivity+findings+in+cocaine-induced+cerebral+vasculitis.">BOLD-MRI cerebrovascular reactivity findings in cocaine-induced cerebral vasculitis.</a> Nat Clin Pract Neurol. 4 (11), 628-632 (2008).</li><li>Ellingsen, I., Hauge, A., Nicolaysen, G., Thoresen, M., Walloe, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Changes+in+human+cerebral+blood+flow+due+to+step+changes+in+PAO2+and+PACO2.">Changes in human cerebral blood flow due to step changes in PAO2 and PACO2.</a> Acta Physiol Scand. 129 (2), 157-163 (1987).</li><li>Ide, K., Eliasziw, M., Poulin, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relationship+between+middle+cerebral+artery+blood+velocity+and+end-tidal+PCO2+in+the+hypocapnic-hypercapnic+range+in+humans.">Relationship between middle cerebral artery blood velocity and end-tidal PCO2 in the hypocapnic-hypercapnic range in humans.</a> J Appl Physiol (1985). 95 (1), 129-137 (2003).</li><li>Xie, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cerebrovascular+response+to+carbon+dioxide+in+patients+with+congestive+heart+failure.">Cerebrovascular response to carbon dioxide in patients with congestive heart failure.</a> Am J Respir Crit Care Med. 172 (3), 371-378 (2005).</li><li>Rostrup, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regional+differences+in+the+CBF+and+BOLD+responses+to+hypercapnia:+a+combined+PET+and+fMRI+study.">Regional differences in the CBF and BOLD responses to hypercapnia: a combined PET and fMRI study.</a> Neuroimage. 11 (2), 87-97 (2000).</li><li>Zande, F. H., Hofman, P. A., Backes, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+hypercapnia-induced+cerebrovascular+reactivity+using+BOLD+MRI.">Mapping hypercapnia-induced cerebrovascular reactivity using BOLD MRI.</a> Neuroradiology. 47 (2), 114-120 (2005).</li><li>Kastrup, A., Kruger, G., Neumann-Haefelin, T., Moseley, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+cerebrovascular+reactivity+with+functional+magnetic+resonance+imaging+comparison+of+CO(2)+and+breath+holding.">Assessment of cerebrovascular reactivity with functional magnetic resonance imaging comparison of CO(2) and breath holding.</a> Magn Reson Imaging. 19 (1), 13-20 (2001).</li><li>Bright, M. G., Donahue, M. J., Duyn, J. H., Jezzard, P., Bulte, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+basal+vasodilation+on+hypercapnic+and+hypocapnic+reactivity+measured+using+magnetic+resonance+imaging.">The effect of basal vasodilation on hypercapnic and hypocapnic reactivity measured using magnetic resonance imaging.</a> J Cereb Blood Flow Metab. 31 (2), 426-438 (2011).</li><li>Slessarev, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prospective+targeting+and+control+of+end-tidal+CO2+and+O2+concentrations.">Prospective targeting and control of end-tidal CO2 and O2 concentrations.</a> J Physiol. 581 (3), 1207-1219 (2007).</li><li>Wise, R. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+forcing+of+end-tidal+carbon+dioxide+and+oxygen+applied+to+functional+magnetic+resonance+imaging).">Dynamic forcing of end-tidal carbon dioxide and oxygen applied to functional magnetic resonance imaging).</a> J Cereb Blood Flow Metab. 27 (8), 1521-1532 (2007).</li><li>Yezhuvath, U. S., Lewis-Amezcua, K., Varghese, R., Xiao, G., Lu, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+assessment+of+cerebrovascular+reactivity+using+hypercapnia.">On the assessment of cerebrovascular reactivity using hypercapnia.</a> BOLD MRI. NMR Biomed. 22 (7), 779-786 (2009).</li><li>Lu, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alterations+in+cerebral+metabolic+rate+and+blood+supply+across+the+adult+lifespan.">Alterations in cerebral metabolic rate and blood supply across the adult lifespan.</a> Cereb Cortex. 21 (6), 1426-1434 (2011).</li><li>Marshall, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impaired+cerebral+vascular+reactivity+in+multiple+sclerosis+measured+with+hypercapnia+perfusion+MRI.">Impaired cerebral vascular reactivity in multiple sclerosis measured with hypercapnia perfusion MRI.</a> JAMA Neurology. In press, .</li><li>Thomas, B. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Life-long+aerobic+exercise+preserved+baseline+cerebral+blood+flow+but+reduced+vascular+reactivity+to+CO2.">Life-long aerobic exercise preserved baseline cerebral blood flow but reduced vascular reactivity to CO2.</a> J Magn Reson Imaging. 38 (5), 1177-1183 (2013).</li><li>Liu, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Age-related+differences+in+memory-encoding+fMRI+responses+after+accounting+for+decline+in+vascular+reactivity.">Age-related differences in memory-encoding fMRI responses after accounting for decline in vascular reactivity.</a> Neuroimage. 78, 415-425 (2013).</li><li>Liu, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparison+of+physiologic+modulators+of+fMRI+signals.">A comparison of physiologic modulators of fMRI signals.</a> Hum Brain Mapp. 34 (9), 2078-2088 (2013).</li><li>Zappe, A. C., Uludag, K., Oeltermann, A., Ugurbil, K., Logothetis, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+influence+of+moderate+hypercapnia+on+neural+activity+in+the+anesthetized+nonhuman+primate.">The influence of moderate hypercapnia on neural activity in the anesthetized nonhuman primate.</a> Cereb Cortex. 18 (11), 2666-2673 (2008).</li><li>Xu, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+influence+of+carbon+dioxide+on+brain+activity+and+metabolism+in+conscious+humans.">The influence of carbon dioxide on brain activity and metabolism in conscious humans.</a> J Cereb Blood Flow Metab. 31 (1), 58-67 (2011).</li><li>Thesen, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Depression+of+cortical+activity+in+humans+by+mild+hypercapnia.">Depression of cortical activity in humans by mild hypercapnia.</a> Hum Brain Mapp. 33 (3), 715-726 (2012).</li><li>Lu, H., Golay, X., Pekar, J. J., Van Zijl, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+magnetic+resonance+imaging+based+on+changes+in+vascular+space+occupancy.">Functional magnetic resonance imaging based on changes in vascular space occupancy.</a> Magn Reson Med. 50 (2), 263-274 (2003).</li></ol>

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

이 보고서는 MR 호환 가스 전달 시스템 및 인간의 뇌 혈관 반응성의 맵핑을 허용 광범위한 실험 프로토콜을 제시 하였다. 가스 전달 시스템의 다이어그램은도 1에 도시된다. MRI 스캐너 실내의 모든 부품들이 플라스틱 MRI 호환성을 보장한다. 시스템은 개념적으로 가스 흡입 서브 시스템 (봉투, 공급 튜브, 양방향 밸브), 호흡 인터페이스 서브 시스템 (코 클립, 마우스 피스, U 자형 튜브)를 포함하여 세 개의 서브 시스템으로 분할 될 수 있고, 모니터링 서브 시스템 (2 CO 농도, 산소 포화도, 심장 박동, 호흡 속도). 가스 흡입 서브 시스템은 가스가 양방향 밸브에 도달하도록 흡입되도록한다. 만이 서브 시스템을 통해 흘러, 공기를 흡입하지만, 공기를 뿜어 없습니다. 호흡 인터페이스 서브 시스템은 피사체가 호흡과 의도 가스에서 할 수 있습니다. 모두 흡입과 호기 가스는이 하위 시스템을 통해 흐를 것이다. monitoring 서브 시스템은 호흡 따라서 인터페이스 서브 시스템을 따라 지점에서 가스를 샘플링한다. 이 기술의 임상 응용 프로그램은 뇌졸중, 동맥 경화, 모야 모야 병, 혈관성 치매, 다발성 경화증, 뇌 종양과 같은 신경 질환 뇌 혈관 예약의 평가를 포함 할 수있다. 기술은 또한 정상화 또는 신경 활동의보다 나은 23,24 정량의 fMRI 신호를 보정하는 기능 MRI 연구에 사용될 수있다. 제안 된 시스템 및 실험 프로토콜의 중요한 특징은 최소한의 움직임이나 불편 함을 야기하는 동안 가스 혼합물을 환자에게 전달 될 수 있다는 것이다. 따라서, U 자형 튜브 (상품 번호 12)이를 (및 그것의 단부에 연결된 마우스 피스)가 자연적으로 피사체의 입으로 아래쪽으로 하강되도록 배치하는 것이 중요하다. 이 방법은, 피사체가 길게 또는 마우스 피스를 지원하기위한 자신의 얼굴 근육을 사용할 필요가 없다. 또한 수입입니다개미는 피사체가 마우스 피스를 입에있는 동안 이야기 할 수 없다는 것을 알고 있어야합니다. 따라서 연구자는 질문 톤 주제로 얘기를 피해야한다. 대신에, 단지 명확하고 확실한 지침이 주어져야한다. 또한, 연구자는 실험의 전체 과정에서 생리 학적 매개 변수 (예를 들어, ETCO 2, SO 2, 심장 박동, 호흡 속도)에주의해야하며, 하나 또는 생리 학적 파라미터의 이상이 일반적인 범위 밖에 차이가 생기면 즉시 응답 . 문헌에 사용되는 다른 가스 전달 시스템의 철저한 조사는이 문서의 범위를 벗어나지 만, 몇가지 일반적으로 사용하는 것 (17, 18)에 현재의 시스템을 비교하는 데 유용합니다. 큰 차이는 우리의 시스템은 대부분의 다른 시스템 디자인의 마스크를 사용하는 반면 의도 가스를 제공하는 마우스 피스를 사용한다는 것입니다. 마스크를 이용하여 잠재적 인 합병증의 두 폴드이다. 우선, 마스크 O공간 상당량 ccupies, 그것은 항상 많은 피사체에 자신의 코가 거의에도 마스크없이 헤드 코일을 터치 할 것을 고려하면, 헤드 코일 내부에 꽉 공간으로 마스크 맞게 적합하지 않을 수도있다. 이것은 특히 보통 피사체의 머리로 단단히 맞춰 설계되어 고감도를 달성하기위한 헤드 코일에 대한 경우이다. 마스크 디자인과 관련된 합병증 초 호기 흡입 및 혼합 가스의 실질적인 결과 마스크 내부에 큰 공간이 존재한다는 것이다. 따라서, 이상적으로 호기 가스만을 기반으로해야 ETCO (2)의 측정의 정확도에 영향을 미칠 수있다. 정확한 ETCO 2 CVR 맵의 신뢰성도 물론 중요하다. 많은 다른 시스템에 비해 시스템의 우리의 또 다른 중요한 차이점은 우리의 시스템은 백 대신 가스 탱크로부터 가스를 전달한다는 것이다. 따라서, 탱크는 계속 귀중한 공간을 절약 스캐너 영역에 필요하지 않다<html> MRI 제품군의 ROL 룸. 우리의 설계에있어서, 우리는 주사가 시작되기 전에 백을 가져오고, 다음 주사, 가방 비워 절첩되고, 치워. 마지막으로, 몇 가지 다른 시스템에 비해 18,21, 현재 가스 전달 시스템은 간단하고, 적은 훈련 시간을 필요로하고, 그 소모품 덜 비싸다. 이는 본 조사 프로토콜 주로 CO 2 흡입에 집중되었지만, 제시된 가스 전달 시스템은 다른 가스 혼합물 (의 전달을 허용하는 것이 지적되어야 예, O (2)의 임의 부분, CO (2)의 임의 부분, 어떤 s는 / 그는 MRI 스캐너 내부 거짓말을하는 동안 그들에게 인간에 대한 N 2, 그들의 조합)의 비율은 숨을 쉴 수 있습니다. 하나는 뇌전도 (EEG), magnetoencephalogram (MEG), 양전자 방출 단층 촬영 (PET), 또는 최적의 촬상과 함께, 예를 들면, MRI의 컨텍스트 외부의 가스 전달 시스템을 사용할 수있다. 촬상 파라미터의 추천을 제공 할 때 _content는 &quot;&gt;, 우리는 주로 BOLD 시퀀스에 초점을 맞추고있다. 잠재적 CVR 매핑에 사용될 수있는 또 다른 시퀀스는 뇌 혈류의 정량적 측정 값을 제공 동맥 스핀 라벨 (ASL) MRI (CBF)는 생리적 유닛 (ML 혈액 분당 100g 조직 당)이다. 따라서, ASL 기반 CVR 매핑의 장점은, 결과뿐만 아니라 혈류, 혈액량의 결합 된 효과를 반영 BOLD 신호 달리 쉽게 해석 할 수 있다는 것이다 CO 2 도전 25-27 동안 뇌 대사 변형 가능 기여. 그러나 ASL 기술의 한계는 그 감도 BOLD 28보다 여러 겹 낮다는 것이다. 결과적으로, 우리의 경험은 현재, 그것이 있다는 것이다 각각의 레벨을 획득하는 것이 매우 도전, 따라서 ASL은. 따라서, CVR의 응용 연구에, 우리는 주로 BOLD 시퀀스를 사용하여 CVR지도 복셀-복셀-에 의해 또한 OU에서이 기술에 초점을R 권고. 본 발명의 방법의 한 가지 제한은 (코 클립에 의해)의 슈팅이 코와 마우스 피스를 통해 호흡하는 것은 전적으로 자연하지 않고 일부 과목 (특히 환자) 불편의 근원으로이 인식 할 수 있다는 것이다. 마우스 피스와 코 클립 호흡도 밀실 공포증의 느낌을 악화시킬 수 있습니다. 또한, 주제는 의해서만 입으로 호흡에 구강 건조가 발생할 수 있습니다. 따라서, 연구자가 신속하게 실험을 완료하기 위해 최선을 시도하는 것이 좋습니다. 마지막으로, 저자의 경험에 기초하여, 상술 한 불편이 일시적인 마자 실험이 완료되면 사라지고, 유의하는 것이 중요하다.

뇌는 총 ​​체중의 약 2 %를 차지하지만, 전체 에너지 (1)의 약 20 %를 소비한다. 당연히 충분한주의 깊게 조절 혈액 공급은 뇌가 제대로 기능을 수행하기 위해서는이 높은 에너지 수요를 충족하는 것이 중요합니다. 또한, 뇌는 다른 지역이 다른 시간에 혈액 공급의 다른 양을 필요로, 공간적으로 이기종 시간적 역동적 인 기관이다. 따라서, 혈액 공급의 동적 변조는 인간의 뇌 순환의 중요한 요구 사항을 나타냅니다. 다행히도, 이것은 혈관의 중요한 기능은 팽창하고 뇌의 수요 및 생리적 상태에 기초하여이 수축하는 것이라고 혈관 막 강성 파이프가없는 것으로 공지되어있다. 뇌 - 혈관 반응성 (CVR)로 알려진 선박,이 기능 속성은 혈관 건강의 유용한 지시약으로 생각하고 여러 가지 신경 학적 공조에 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다뇌졸중 3, 4 치매, 동맥 경화 5, 작은 혈관 질환 (6), 뇌종양 (7), 모야 모야 병 (8), 및 약물 중독 9 ns의. 생리 마취 문헌에서, (예를 들어, CO (2)의 소량의 흡입) 혈관 반응 (10-13)을 모니터링하면서 동맥 CO 2 레벨을 변경함으로써 CO 2 가스 강력한 혈관 확장제이므로, CVR은 평가 될 수 있다고 알려져 . 이미징 및 방사선 분야에서 MRI를 사용하여 CVR 매핑은 빠르게 많은 기초 과학자와 임상의 8,14-19에 대한 관심의 새로운 마커로 부상하고있다. 이것은 보통 많은 혈관 응답이 혈관에 작용하는 도전에 의해 유도되는 방법을 검사하여 추정된다. 그러나, 기술적 인 가스 전달 시스템의 발전 및 실험 프로토콜의 표준화에 대한 필요성이 존재한다. MRI 스캐너 내부 환자에게 특수 가스 혼합물을 제공하는 것은 사소한 특별 고려 아니다MRI 호환 설계가 필요합니다. 특별 고려 MRI 호환 가스 전달 시스템을 설계해야한다. 이러한 특별한 고려 사항은 다음과 같습니다 : 1) 모든 구성 요소 (금속 MRI 내에서 사용할 수 없습니다) 비금속해야합니다; 2) 시스템은 MRI 시스템과 머리 코일 허용하는지 작은 공간 내에서 작동한다; MRI 스캐너가 필요로 3) 시스템이 더 불편, 앉아 대신) (거짓말 다운 위치와 함께 작동한다; 4) 기말 CO2 (EtCO2, 동맥혈 CO2 함량) 및 산소 포화도의 근사치로서 중요한 생리적 파라미터는, 타이밍 정확도 초 정확하게 기록 및 분석에 사용할 컴퓨터에 저장한다. 이러한 문제는 CVR 매핑 애플리케이션의 범위를 제한 할 수있다. 이보고에서는, 피사체가 MRI 스캐너 내부 거짓말하면서 영감 가스의 함유량을 조절하는 광범위한 가스 전달 시스템을 사용하여 실험 프로토콜을 제시 하였다. 우리이 방법을 보내고, 연​​구원은 비 침습적 최소한의 불편 또는 대량 이동으로 참가자에게 혈관에 작용하는 자극을 적용 할 수 있습니다. 생리 학적 매개 변수 및 MRI 이미지는 실내 공기 및 hypercapnic 가스 호흡의 교류 블록 (블록 당 1 분)로 구성되어 약 9 분의 전체 기간 동안 기록되었다. 대표 결과가 제시된다. 잠재적 인 응용 프로그램 및 제한 사항이 논의된다.

<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

뇌는 상이한 영역들이 서로 다른 시간에 혈액 공급을 필요로하는 다른 양으로, 공간적 및 시간적으로 이종 동적 기관이다. 따라서, 팽창하거나 수축하는 혈관의 능력, 대뇌 혈관 반응성 (CVR)로 알려진, 혈관 기능의 중요한 영역을 나타낸다. 이 동적 속성을 나타내는 묘화 마커 뇌졸중, 치매, 죽상 경화증, 혈관 질환 작은, 뇌종양, 외상성 뇌 손상, 다발성 경화증과 같은 정상 및 질병 상태에서 뇌 혈관의 새로운 정보를 제공 할 것이다. 인간에서 이러한 유형의 측정을 수행하기 위해, 정량적 뇌 자기 공명 영상 (MRI)가 수집되는 동안 및 / 또는 O 2 가스 혼합물 등 CO 2로 혈관에 작용하는 자극을 제공하는 것이 필요하다. 이 작품에서 우리는, 예를 들어 특수 가스 혼합물의 배달을 허용 MR 호환 가스 전달 시스템 및 관련 프로토콜 (제시 </EM&gt; O 2, CO 2, N 2, 그들의 조합) 피사체가 MRI 스캐너 내부 거짓말된다. 이 시스템은 상대적으로 간단하고 경제적이며 사용하기 쉬운, 그리고 실험 프로토콜은 신경 장애와 건강한 지원자와 환자 모두에서 CVR의 정확한 매핑을 할 수 있습니다. 이러한 접근법은 광범위한 임상 적용에서 뇌 혈관 병태 생리에 대한 이해에 사용될 수있는 잠재력을 가지고있다. 비디오에서 우리는 MRI 스위트 룸 내부의 시스템을 설정하는 방법과 인간의 참가자에 완벽한 실험을 수행하는 방법을 보여줍니다.

데이터의 두 가지 유형. 제안 된 프로토콜, 생리 학적 기록 및 자기 공명 영상으로 수집 대표적인 대상에서 생리 학적 매개 변수의 2와 3은 녹음도된다. 그림에서 검은 색 추적이 표시 마우스 피스 근처에 샘플링 된 공기 중의 CO 2 함량을 나타내는 CO 2 모니터에 의해 기록 된 CO 2 시간 코스. 이 추적은 시간의 함수로 빠르게 변동합니다. 호흡주기의 흡입 단계 중에,이 기록은 흡입 공기 중의 CO 2 콘텐츠를 반영하고, 호기 단계 동안,이 기록은 호기 공기 중의 CO 2 함량을 반영하기 때문이다. 이와 같이, 각각의 호흡주기의 상부 피크는, 호 기말 CO 2 ETCO 2, 약 동맥혈 CO 2 농도로 사용될 수 폐에서 CO 2 콘텐츠를 나타내는이라. 참고 일CO에서 동맥혈이 농도는 혈관 확장 반응의 구동력, 즉, 입력 기능이다. CO 2 트레이스 (도 2의 적색 곡선)의 피크를 수동 검사 및 정정과 함께, 호기 중에 피크를 검색하는 검출 알고리즘으로 서술 하였다. 이 때문에 부분적인 호흡에 급격한 피크를 제거하고 뇌 혈관에 폐 혈관의 흐름의 과정에서 혈액 혼합을 고려하여 중간 필터링으로 이어졌습니다. 최종 ETCO 2 시간 과정은도 2에서 녹색 곡선으로 나타내어지고, 그것은 CVR의 계산에서 사용된다. 도 3은 호흡률, 동맥혈 산소 포화도 분획 (SO 2), 및 심박수의 타임 코스를 나타낸다. SO 2 및 심박수가 맥박 산소로부터 획득되는 동안 호흡률은 CO 2 모니터로부터 얻어진다. 들 수 있듯이EEN, 이러한 매개 변수는 탄산 혈증 도전과 체계적인 변화를 표시하지 않습니다. 따라서 폐의 O 2 분압이 소폭 증가, 주제에 호흡을 일으킬 않는 탄산 혈증을합니다. 혈액 헤모글로빈이 이미 크게 실내 공기 호흡 포화 산소 해리 곡선은 그 범위 내에서 오히려 평면이다 그러나, SO 2에 미치는 영향이 최소화됩니다. 그림 4는 실험의 서로 다른 시간에 대표 BOLD MR 이미지를 보여줍니다. (MR 임의 단위)의 평균 신호 강도는 또한 도시된다. 이는 뇌의 BOLD 신호 CO 2 흡입 또는 증가를 보여주고 있음을 알 수있다. 실내 공기와 CO 2 기간 사이의 신호 진폭 차가 1-3 % 정도에 유의. 생리 녹음 및 MR 영상 데이터를 결합, 복셀 별 복셀 CVR 맵이 계산 될 수있다. 그림 5 담당자결과의 재현성을 보여주는 다섯 가지 일에 스캔 건강한 피사체의 (mmHg로 CO 2 변화 당 %의 신호 변화의 단위) CVR지도. 제안 된 기술은 지금까지 20, 알츠하이머 병 (4), 다발성 경화증 (21), 및 운동 훈련 (22) 노화 연구에 적용되었습니다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig1highres.jpg" /> 그림 1. 가스 전달 시스템의 다이어그램입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig2highres.jpg" /> 대표적인 대상 뒤의 그림 2. CO 2 시간 코스실험에 전화. 실내 공기 호흡 기간 (왼쪽 아래), 5 % CO 2 흡입 기간 (오른쪽 아래)에 대해 표시되는 CO 2 모니터에 의해 기록 된대로 숨 별 호흡 CO 2 콘텐츠 추적의 세그먼트. 추출 ETCO 2 시간 코스가 색 곡선에 표시됩니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig3highres.jpg" /> 그림 3. 녹음 된 실험 중 대표적인 대상에서 생리 매개 변수를 설정합니다. (A) 호흡 속도 (BPM, 분당 호흡) 피사체의 시간 코스. (B)하여 피사체 2 (%) 시간 코스. (C) 심장 속도 (분당 박자 BPM) 피사체의 시간 코스. 주제는<html> 그림 1과 같은 하나. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig4highres.jpg" /> 그림 실험의 서로 다른 시간에 4. 대표 BOLD 자기 공명 영상. 표시 뇌 조각의 평균 신호 강도 (MNI 공간에서 축 슬라이스 # 54) 아랫 줄에 보여 주었다됩니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52306/52306fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/52306/52306fig5highres.jpg" /> 그림 대표 피사체 5. 대표 CVR지도..jove.com / 파일 / ftp_upload / 52306 / 52306fig5large.jpg &quot;대상 =&quot;_ 빈 &quot;&gt;이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Watch this Scientific Journal Video about MRI Mapping of Cerebrovascular Reactivity via Gas Inhalation Challenges at JoVE.com

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).

가스 흡입 도전을 통해 뇌 혈관 반응성의 MRI 매핑

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

Research

JoVE Journal

Medicine

13.9K 조회수.  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).

비디오: 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.

조정 아티 스핀 라벨을 사용하여 폐 관류의 자기 공명 이미징 부량

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

연구

의학

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.

사전 임상 연구에서 Pharmacological - 도전 fMRI의 사용 : 5-HT 시스템 신청

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.

강화, Eyetracking 및 생리 감시 기능 이미징

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

생물학

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.

마우스 대뇌 저산소증 - 허혈 동안 동시 PET / MRI 영상

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.

광학 일관성 단층 조영술 혈관 조영술에 의해 평가된 망막 혈관 반응성

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

신경과학

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.

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.

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.

양성자 자기 공명 영상 및 조 영제로 산소를 사용 하 여 인간의 폐에 특정 통풍의 정량 매핑

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.

관상 동맥 미세혈관 기능 장애의 비침습적 평가를 위한 혈관 활성 호흡 기동을 사용한 산소 민감성 심장 MRI

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

PET-CT Scanning for Multi-Tracer Study of Cerebral Oxygen and Glucose Metabolism

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.

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.

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

MRI-동맥 스핀 라벨링 통합으로 대뇌 혈류 감지 및 모니터링 

Construction and Application of Cerebral Functional Region-Based Cerebral Blood Flow Atlas Using Magnetic Resonance Imaging-Arterial Spin Labeling

Cerebral conditions often require precise diagnosis and monitoring, necessitating advanced imaging techniques. Current modalities may not adequately detect early signs of reversible tissue damage, underlining the need for innovative diagnostic tools that can quantify changes in cerebral blood flow (CBF) with high specificity and sensitivity.&#160;This study integrates three-dimensional arterial spin labeling (3D-ASL) with structural MRI to develop comprehensive CBF atlases that cover all main functional regions of the brain. This innovative magnetic resonance imaging- arterial spin labeling (MRI-ASL) methodology provides a rapid and noninvasive means of quantifying region-specific CBF, offering a detailed view of CBF levels across different functional regions.The comparison between chronic cerebral ischemia (CCI) patients and healthy subjects revealed significantly diminished CBF across the cerebral functional regions in the constructed CBF atlases for the former. This approach not only allows for the efficient identification of CCI by analyzing concurrent decreases in CBF across critical areas relative to healthy distributions but also enables the tracking of treatment responses and rehabilitation progress through longitudinal CBF atlases.The CBF atlas developed using the MRI-ASL technique represents a novel advancement in the field of cerebral diagnostics and patient care. By comparing regional CBF levels against normative standards, this method enhances diagnostic capabilities, enabling clinicians to provide personalized care to patients with cerebral conditions.

저자 스포트라이트: 신경 장애 진단을 위한 인간 기능적 뇌 영역의 비침습적 대뇌 혈류 측정

This study integrated magnetic resonance imaging- arterial spin labeling images to derive cerebral blood flow (CBF) atlas for cerebral functional regions. Comparing typical healthy and chronic cerebral ischemia CBF atlases revealed significant differences in regional CBF distributions, enabling rapid, noninvasive assessments of functional CBF to assist in diagnosis and evaluate therapeutics.

Cerebral conditions often require precise diagnosis and monitoring, necessitating advanced imaging techniques. Current modalities may not adequately ...