Quantificação Imagem por Ressonância Magnética de perfusão pulmonar usando Labeling rotação Calibrado Arterial

Resumo

A MR método de imagem para estudar a distribuição do fluxo sanguíneo pulmonar, sob uma variedade de condições fisiológicas, neste caso a exposição a três diferentes concentrações de oxigênio inspirado: hipóxia, normóxia e hiperoxia, é descrito. Esta técnica utiliza técnicas de pesquisa humana pulmonares fisiologia em um ambiente de digitalização MR.

Resumo

Isso demonstra uma MR método de imagem para medir a distribuição espacial do fluxo sanguíneo pulmonar em indivíduos saudáveis ​​durante a normóxia (O ₂ inspirado, fração (F _I O ₂₎ = 0,21) hipóxia (F _I O ₂ = 0,125), e hiperoxia (F _I O ₂ = 1,00). Além disso, as respostas fisiológicas do sujeito são monitorados no ambiente de ressonância magnética. As imagens de RM foram obtidas em um GE 1,5 T scanner de ressonância magnética durante a prender a respiração de uma fatia sagital no pulmão direito com a capacidade residual funcional. Uma seqüência de rotulagem arterial spin (ASL-justa) foi usado para medir a distribuição espacial de ^1,2 pulmonar do fluxo sanguíneo e um multi-echo rápido gradiente echo seqüência (mGRE) ³ foi utilizado para quantificar o próton regional (ou seja, H ₂ O) densidade, permitindo a quantificação da densidade normalizada de perfusão para cada voxel (mililitros de sangue por minuto por grama do tecido pulmonar).

Com um pneumático de comutação da válvula e máscara equipada com um 2-way válvula anti-reinalação, diferentes concentrações de oxigênio foram introduzidas para o sujeito no scanner MR através do tubo de gás inspirado. Um carrinho de metabólicos coletados via tubulação de gás expiratório expiratório. Mixed expiratório O ₂ e concentrações de CO _2, consumo de oxigênio, a produção de dióxido de carbono, a razão de troca respiratória, freqüência respiratória e volume corrente foram medidos. Freqüência cardíaca e saturação de oxigênio foram monitorados através de oximetria de pulso. Dados obtidos a partir de um indivíduo normal mostrou que, como esperado, a freqüência cardíaca foi maior em hipóxia (60 bpm) do que durante normóxia (51) ou hiperóxia (50) e da saturação de oxigênio arterial (SpO ₂₎ foi reduzido durante a hipóxia a 86%. A média de ventilação foi 8,31 L / min BTPS durante a hipóxia, 7,04 L / min durante normóxia e 6,64 L / min durante a hiperóxia. Volume corrente foi de 0,76 L durante a hipóxia, 0,69 L durante normóxia, e 0,67 L durante a hiperóxia.

Representante de dados quantificados ASL mostrou que a perfusão densidade média normalizada foi 8,86 ml / min / g durante a hipóxia, 8,26 ml / min / g, durante normóxia e 8,46 ml / min / g durante a hiperóxia, respectivamente. Neste assunto, a dispersão relativa ^4, um índice de heterogeneidade global, foi aumentada em hipóxia (1,07 durante a hipóxia, 0,85 durante a normóxia, e 0,87 durante a hiperóxia), enquanto a dimensão fractal (Ds), outro índice de heterogeneidade refletindo estrutura de ramificação vascular, manteve-se inalterada (1,24 durante a hipóxia, 1,26 durante a normóxia, e 1,26 durante a hiperóxia).

Visão geral. Este protocolo irá demonstrar a aquisição de dados para medir a distribuição da perfusão pulmonar não invasiva em condições de normóxia, hipóxia e hiperóxia usando uma técnica de ressonância magnética conhecida como rotulagem de spin arterial (ASL).

Justificativa: A medição do fluxo sanguíneo pulmonar e densidade de prótons de pulmão utilizando a técnica de MR oferece imagens de alta resolução espacial que pode ser quantificada e a capacidade de executar medidas repetidas em diversas condições fisiológicas. Em estudos humanos, PET, SPECT e CT são comumente usados ​​como técnicas alternativas. No entanto, estas técnicas envolvem a exposição à radiação ionizante, e, portanto, não são adequados para medidas repetidas em seres humanos.

Protocolo

1. O recrutamento de pacientes

1. População sujeita
   1. Os assuntos são recrutados por anúncio para caber os dados demográficos específicos necessários para o estudo.
   2. O tema para este estudo em particular é um não-fumante, saudáveis ​​entre as idades de 19-45, sem histórico de doença cardíaca ou pulmonar.
2. Consentimento informado
   1. Este estudo foi aprovado pela University of California, San Diego, Programa de Pesquisa em Seres Humanos Proteções.
   2. O assunto é informado sobre os riscos potenciais de exposição deste estudo de campo, por exemplo magnética (RM) e da respiração hipóxica e hiperóxico.
      Se o assunto é mulher e é capaz de engravidar, uma amostra de urina é coletada antes do início do estudo, a fim de excluir a gravidez. Embora a exposição a campos magnéticos é extremamente improvável que seja nocivo para o feto em desenvolvimento, o risco potencial exata é desconhecida. Além disso hipóxia pode representar um risco para o feto. Por estas razões as mulheres grávidas são excluídos do estudo.
3. MR triagem de segurança
   Todos os nossos sujeitos devem preencher um questionário sobre os itens que contra-indique a um exame de ressonância magnética. Se uma contra-indicação é encontrada, o sujeito é excluído do estudo.

2. Preparação

1. Exame físico
   1. O assunto é entrevistado sobre sua saúde física e hábitos, e recebe um breve exame físico por um médico licenciado.
   2. Altura do sujeito e de peso também são medidos. Estes valores são usados ​​para estimar os valores previstos de teste de função pulmonar ea taxa de absorção específica (SAR). A estimativa da SAR é importante porque existe o potencial para o aquecimento dos tecidos do sujeito a partir da freqüência de rádio (RF) da energia necessária para produzir as imagens MR.
2. Teste de função pulmonar
   Volumes pulmonares são medidos através de espirometria na postura ereta. O sujeito realiza testes de função pulmonar, soprando em um espirômetro portátil (EasyOne Spirometer, Medical Technologies Andover). Um clipe de nariz é usado para garantir todo o ar é expelido para fora da boca. Espirometria dados são adquiridos em triplicado para garantir dados confiáveis. A qualidade do teste de função pulmonar deve atender aos American Thoracic Society / European Respiratory Society critérios ^5.

3. Submetidos a estudo de ressonância magnética

1. Sessão de formação para produzir uma capacidade funcional residual de confiança (CRF) do volume pulmonar durante a prender a respiração.
   Nossas imagens de pulmão são adquiridos quando o pulmão está no FRC. Este é um volume pulmonar facilmente atingível, e melhora a relação sinal-ruído na imagem, pelo aumento da densidade de prótons. Nossos sujeitos são treinados para confortavelmente reproduzir este volume pulmonar. Se o assunto é um participante pela primeira vez em um de nossos estudos, esta sessão de formação é concluída antes de o assunto entrar na scanner MR. Desde o scanner emite sons durante a aquisição, uma gravação de som da aquisição da imagem é jogado para o sujeito, eo sujeito é treinado enquanto praticam sincronizando sua respiração com a gravação de som.
2. Respiração configuração
   1. A configuração inspiratória
      O tubo inspiratória está ligado ao Mylar sacos de gás, que irá realizar ou gases hiperóxico e hipóxia, ou ar normóxica, e são administradas através de uma válvula de comutação (Single-pistão deslizante-Type ™ da válvula e controlador 4285A, Hans Rudolph). A válvula está marcada para o funcionamento normal.
      Os sacos de gás, que administram os gases inspirados para o assunto, estão na sala de scanner e estão ligados a tanques de gás de diferentes concentrações de oxigênio na sala consola MR. De gás é adicionada ao saco pelo investigador através da manipulação dos reguladores tanque de gás.
      O investigador deve monitorar o saco pela janela da sala do console para garantir o volume de gás é suficiente, a fim de garantir que o sujeito tem gás suficiente para inspirar normalmente. O F _I O ₂ de gases hiperóxico e hipóxico são de 1,0 e 0,125, respectivamente. Ar da sala é usada para o gás normóxica.
   2. A configuração de expiração
      O tubo de respiração expiratória é suficientemente longo para se conectar a partir do sujeito no scanner MR através de uma passagem para o carrinho metabólica (TrueOne 2400, ParvoMedics) na sala de console MR.
      O carrinho metabólica mede o volume de ar expirado, bem como mista expiratório O ₂ e concentrações de CO _2. Com base nesses parâmetros, ele também calcula vários volumes respiratórios, tais como volume corrente, consumo de oxigênio (V. O _2), a produção de dióxido de carbono (CO V. _2), e quociente respiratório.
      É necessário calibrar a O ₂ e CO ₂ sensores e medidor de vazão antes de cada estudo. Um investigador calibra o sistema de carrinho metabólica, seguindo as instruções built-in, em conformidade com o carrinho metabólica operacional software. O ₂ e CO ₂ sensores são ajustados por dois pontos de calibração entre o gás de calibração (PARA ₂ = 0,16 e FCO ₂ = 0,04) e ar ambiente (FOR ₂ = 0,2098 e FCO ₂ = 0,00). O medidor de vazão é calibrada usando uma seringa de 3 litros padronizados. As bombas de investigador de 3 litros volumes de ar (à temperatura ambiente e pressão barométrica) no carrinho metabólica através do tubo de respiração expiratória equipado com um Rudolph Hans 2 vias válvula anti-reinalação que é idêntico ao que está ligado ao do sujeito máscara. , A fim de permitir a várias taxas de fluxo de respiração, esta calibração é realizada pelo menos cinco vezes com picos de fluxo variando de 50 L / min a ATPS 80 L / min para medições de repouso. O volume na tubulação e bocal é calculado e, quando combinados com os dados assuntos respiratórias este permite a correção do tempo de atraso causado pelo comprimento do tubo expiratório.
   3. Máscara
      A máscara de silicone frio esterilizado (série 7400 Oro-Nasal Mask, Hans Rudolph) é montado no assunto para permitir a entrega de diferentes misturas de gases e aquisição de dados metabólicos e ventilatórios durante toda a sessão de imagens (tamanho: pequeno, pequeno, médio, grande e extra grande). A maioria dos indivíduos adultos estão equipados com pequenos, médios ou grandes máscaras.
      A máscara equipada com um pré-esterilizados válvula anti-reinalação (Two-way não-reinalação válvula T-Shape configuração ™, 2600 Medium, 2700 Grande, Hans Rudolph) é fixo no rosto do sujeito com um anexo de malha e verificado se há vazamentos. Então, tubos de inspiração e expiração são anexados.
3. MR configuração
   1. O assunto encontra-se em decúbito dorsal, com os pés para o scanner furo em uma mesa deslizante que se move para o scanner de ressonância magnética.
   2. Travesseiros e almofadas de espuma são usadas para maximizar o conforto do sujeito. Um oxímetro de pulso (7500 FOR, Nonin) é colocada no dedo da pessoa para monitorar saturação de oxigênio e freqüência cardíaca, que é especialmente importante quando o assunto é exposto à hipóxia.
   3. Uma almofada de eletrodo de ECG é colocada no peito do sujeito. Isso permite que o spin-arterial rotulagem (ASL) seqüência de MR a ser fechado ao complexo QRS.
   4. Uma vez que o assunto está usando uma máscara que não podem se comunicar facilmente com o pessoal do estudo. Uma bola de aperto é posicionado na mão do sujeito, e gravado no local. Isso permite que o assunto para alertar os pesquisadores a qualquer momento que eles precisam de assistência.
   5. Tampões são dadas ao assunto para protegê-los do barulho produzido pelo scanner.
   6. Três fantasmas MR são colocados no peito do sujeito. Os fantasmas são usados ​​para quantificar o sinal de MR durante o pós-processamento e foram previamente caracterizados.
   7. A bobina de torso também é colocado sobre os fantasmas no peito do sujeito. A bobina de torso é usado para aumentar a relação sinal-ruído da imagem MR comparada com a bobina de corpo, reduzindo a distância física entre o receptor eo sujeito. Finalmente, o tema é coberto com uma manta para garantir o seu conforto.

4. MR digitalização

1. Antes da digitalização
   1. O sujeito é convidado a deitar primeiro os pés sobre a mesa exame de ressonância magnética. Então a varredura da tabela move o sujeito no centro do scanner de ressonância magnética furo.
   2. O operador de scanner freqüentemente fala com o assunto, a fim de se certificar de que o assunto é confortável e para lembrá-los para espremer a bola squeeze se eles precisam de assistência.
   3. Investigadores monitorizar o ECG, saturação de O _2, o volume corrente, V. O ₂ e V. CO _2. Os primeiros minutos de monitoramento são especialmente importantes para garantir dados de boa qualidade, se estes números não estão no intervalo esperado, a calibração deve ser repetida ea máscara eo tubo verificados quanto a vazamentos.
2. Exame de seqüências de imagens
   1. A seqüência localizer é adquirido primeiro a obter as imagens anatômicas para determinar a colocação da fatia de imagem dentro do tronco.
   2. Uma fatia é selecionada no plano sagital da porção do pulmão direito, onde o anterior - posterior à distância é o maior. A espessura da fatia é tipicamente 15 mm e um campo de visão é de 40 cm x 40 cm.
3. Rotulagem de spin Arterial
   Rotulagem de spin Arterial - fluxo sensível recuperação inversão alternada com uma seqüência de pulsos extras RF (ASL-justa) com uma meia-Fourier esquema de aquisição de imagem de um único tiro turbo spin-eco (HASTE) é usado para obter os dados de perfusão regional ^1,2 .
   1. O assunto vai ouvir uma série de pares de som, "bang-bang", indicando a marca magnético ea aquisição de imagem. O som batendo primeiro é shorter do que o segundo. Essa diferença no som é perceptível. Entre estes pares de som, o sujeito deve completar um ciclo de respiração: inspiração e expiração, antes do próximo par. Durante os pares de sons, o assunto deve apnéia na FRC.
   2. O assunto é dado um teste de aquisições de imagem durante os quais os temas práticas a respiração que eles estavam familiarizados com antes de serem colocados no scanner (descrito acima).
   3. O operador MR avalia a qualidade das imagens de pulmão com base no movimento do diafragma. Se o movimento é mínimo as medidas ASL começar. Os investigadores monitorar o volume corrente. O volume de destino aproximada de maré é 500-700 ml consistente com ventilação normal, com espaço-morto adicional da válvula.
   4. O princípio básico para quantificar a perfusão pulmonar é descrita na referência 1 e 2 em detalhe. Nesta seqüência MR, duas diferentes cardíaca-gated imagens são adquiridas com um intervalo de 5 segundos entre eles. O momento de imagem entre o tag ea aquisição de imagem (ou seja, entre o som bater primeiro e segundo de som da Bang) é definido como 80% do intervalo RR para permitir a cobrança de uma ejeção sistólica do sangue. O sinal do sangue é preparado de duas maneiras diferentes. Em uma imagem, a magnetização longitudinal de dentro de sangue e tecido e fora da fatia de imagem é invertida, resultando em sinal muito baixo de sangue e tecido. Na segunda imagem, a inversão é aplicada apenas para a fatia fotografada, com o resultado que o fluxo de sangue de fora da fatia de imagem na fatia tem um sinal forte MR. Quando as duas imagens são subtraídos, cancelando assim o sinal estacionário, o resultado é um mapa quantitativo de sangue entregue à fatia de imagem dentro de um período de ejeção sistólica. A resolução é 256 x 128 pixels e, portanto, o tamanho do voxel é de aproximadamente 1,5 x 3.1x ~ 15 mm (0,07 centímetros ~ ^3).
4. Pulmão densidade de prótons
   Além das imagens ASL, também usamos um eco multi-rápido gradiente echo seqüência (mGRE) para medir a densidade de prótons de pulmão ^3. Isto permite que as medições de perfusão devem ser expressos em mL / min / g, sendo responsável por deformação tecido pulmonar no interior do tórax ^6. Esta seqüência é executado duas vezes, uma para a bobina de torso e um para a bobina de corpo.
   1. Durante esta aquisição de imagens de prótons densidade, o assunto vai ouvir um ruído contínuo que vai durar aproximadamente 10 segundos. Durante este, o assunto deve prender a respiração e ficar em FRC.
      O princípio básico para quantificar a densidade de prótons de pulmão é descrita na referência 3. A resolução é de 64 x 64 pixels, por isso, o tamanho do voxel é de aproximadamente 6,3 x ~ 6,3 x 15 mm (0,59 centímetros ~ ^3).
5. Comutação gases inspiratórios
   1. Neste estudo com gases F _I O ₂ = 0,21 (normoxia / quarto com ar), F _I O ₂ = 0,125 (hipóxia), e F _I O ₂ = 1,00 (hiperoxia) são apresentados por ordem equilibrada entre os sujeitos, embora estes possam ser variados como desejado, de acordo com os objetivos da pesquisa
   2. Depois de um assunto alcança estado estacionário para uma condição especificada (~ 20 minutos para um gás particular) ^7, medições MR da perfusão e densidade de prótons são adquiridos. Neste caso, o período de 20 minutos de exposição ao gás antes de imagem é escolhido porque, embora o início da resposta vasoconstrição hipóxica pulmonar ocorre em poucos segundos, a resposta à hipóxia alveolar não é máxima até ⁸ ~ 20 minutos, compatível com a meta deste estudo particular.

5. Pós-processamento

Pós-processamento é concluída utilizando software desenvolvido sob encomenda dentro do ambiente de programação MATLAB.

1. Correção de heterogeneidade da bobina
   Usando as imagens mGRE emparelhado da bobina de corpo homogênea e não homogênea da bobina torso (seção 4.1), todo o fluxo de sangue e imagens densidade de prótons são corrigidas para heterogeneidade de bobina em uma base assunto por assunto ^6. Este método é descrito na referência 6 e 9.
2. Perfusão densidade normalizada
   1. Depois que a imagem ASL subtraído é corrigido para heterogeneidade da bobina, o fluxo sangüíneo pulmonar regional é quantificada em mililitros (sangue) por minuto por centímetro cúbico (voxel).
   2. Perfusão densidade normalizada, expressa em unidades de mililitros (sangue) por minuto por grama de água é calculado dividindo-se a imagem pela imagem ASL densidade de prótons para dar perfusão em mililitros por minuto por grama de pulmão (sangue tecido +).
   3. Uma técnica de informação mútua baseada que inclui translação e rotação é utilizado para registrar as imagens de densidade ASL e próton, ea imagem de perfusão ASL é dividido por densidade de prótons a imagem obtida com a bobina em um voxel torso por voxelbase ^6,9. Este método também está descrito na referência 6 e 9.
3. Análise de dados
   Para cada imagem adquirida como descrito acima (densidade de prótons e perfusão pulmonar densidade normalizada), os dados são analisados ​​da seguinte maneira.
   1. Para cada imagem, a densidade média normalizada perfusão é calculada.
   2. Três diferentes índices de heterogeneidade de perfusão são calculados. Estes são: 1) a dispersão relativa ^4,10,11, também conhecido como o coeficiente de variação, uma escala global de heterogeneidade definida como a razão do desvio padrão para o médio de perfusão em que a maior dispersão relativa, o mais heterogêneo de perfusão do distribuição; 2) dimensão fractal (Ds) ^7, um índice da heterogeneidade espacial, que é independente de escala, onde o valor varia entre 1,0 (homogênea) e 1.5 (espacialmente aleatórios), e 3) um desvio padrão geométrico, também escala global de heterogeneidade, mas com base em log ² distribuição normal do modelo.

6. Resultados representativos

Dados fisiológicos são apresentados na Tabela 1. Freqüência cardíaca foi aumentada em hipóxia ea saturação foi diminuída. A ventilação foi 8,31 L / min BTPS durante a hipóxia, 7,04 L / min durante normóxia e 6,64 L / min durante a hiperóxia. Volume corrente foi de 0,72 L durante a hipóxia, 0,69 L durante normóxia, e 0,67 L durante a hiperóxia. A exposição à hipóxia aumenta a ventilação e volume corrente, enquanto a hiperoxia diminui a ventilação eo volume corrente.

Três densidade de imagens de perfusão normalizado coletadas durante os três diferentes concentrações de oxigênio inspirado (Hipóxia: 0,125, normóxia: 0,21 e hiperóxia: 1,00) obtidos a partir de um sujeito (masculino, 30 anos de idade) são mostrados na Figura 1. Os resultados da análise dos dados da heterogeneidade de perfusão são apresentados na Tabela 2. Pode ser visto que a hipóxia aumentou a dispersão relativa no entanto os outros índices foram em grande parte inalterada.

A Figura 2 mostra o efeito das concentrações de oxigênio inspirado na distribuição vertical de perfusão densidade normalizada, em média, a cada 1 centímetro abaixo de 10 cm de altura da parte mais dependentes do pulmão e, acima de 10 cm. Todos os pontos de dados acima de 10 cm são em média e exibido como um ponto de dados.

	Hipóxia	Normóxia	Hiperoxia
Freqüência Cardíaca (bpm)	60	51	50
SpO 2	86	99	100
V E BTPS (L / min)	8,31	7,04	6,64
V t 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 / min)	0,25	0,22	-*
VCO 2 STPD (L / min)	0,23	0,21	0,18

Tabela 1. Os dados fisiológicos durante a digitalização sessão.

* Quando o assunto é respirar oxigênio a 100%, VO ₂ não podem ser facilmente medidos (ver ¹² para detalhes).

	Hipóxia	Normóxia	Hiperoxia
Dispersão relativa	1,07	0,85	0,87
Dimensão Fractal	1,24	1,26	1,26
Desvio padrão geométrico	2,41	2,11	2,38

Tabela 2. Os três índices de heterogeneidade de perfusão pulmonar.

Figura 1. Efeito de três diferentes concentrações de oxigênio inspirado na perfusão densidade normalizada. 1.1: Hipóxia(0,125), 1.2: normóxia (0,21), 1,3: A hiperóxia (1,00). A escala é de 3 cm (linha branca contínua). A: anterior, P: posterior, I: inferior, e S: direções superior, respectivamente.

Figura 2. Efeito de três diferentes concentrações de oxigênio inspirado na distribuição vertical de perfusão densidade normalizada. A perfusão densidade média é normalizado no prazo de 1 centímetro caixas no mesmo plano gravitacional, a partir de 0 cm na parte mais dependentes do pulmão e continuando para a parte mais não dependentes. Todos os pontos de dados acima de 10 cm são em média e exibido como um ponto de dados.

As barras de erro representam o desvio padrão dos valores da perfusão densidade normalizada dentro daquele avião. Hipóxico dados estão em vermelho, os dados normóxica estão em azul, e os dados hiperóxico estão em verde.

Discussão

Este método permite a medição dos efeitos da concentração de oxigênio inspirado na distribuição espacial do fluxo sanguíneo pulmonar utilizando técnicas básicas fisiológicas no ambiente de ressonância magnética. O uso de técnicas fisiológicas em combinação com as imagens de prótons quantitativa do pulmão é relativamente fácil implementação.

Para garantir um teste de boa qualidade, o passo mais importante é a formação do sujeito a apneia do volume pulmonar correta e...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipamento	Companhia	modelo
MRI	GE	GE 1,5 T HDX EXICITE twinspeed scanner
Carrinho metabólica	ParvoMedics	TrueOne 2400
Oxímetro de Pulso	Nonin	PARA 7500
Espirômetro	Medical Technologies Andover	EasyOne Spirometer diagonostic
Máscara	Hans Rudolph &	Série 7400 Máscara Oro-Nasal, Médio, Pequeno e Grande
Válvula	Hans Rudolph &	Duas vias não-reinalação válvulas T-Shape ™ configuração, 2600 Medium. 2700 Grande
Definir cabeça	Hans Rudolph &	Cabeça tampa (tamanho adulto) correia, e clipes de travamento.
Válvula pneumática de controle direcional e controlador	Hans Rudolph &	Piston única Sliding-Tipo válvula ™ e controlador 4285A
Não Difusão saco de coleta de gás	Hans Rudolph &	6100 (100 litros).
Tubo	Vacumed	Clean-Bor Tubing 108 ", 1-3/8" OD acessórios
Phantoms	Mentor	Brest Implant Redonda, 250cc
matlab	The MathWorks