Количественное картирование специфической вентиляции легких человека с использованием протонного магнитно-резонансной томографии и кислорода в качестве контрастного агента

Резюме

Специфическая вентиляционная томография является функциональной магнитно-резонансной томографией, которая позволяет количественно количественно определить региональную специфическую вентиляцию легких человека, используя вдыхаемый кислород в качестве контрастного средства. Здесь мы представляем протокол для сбора и анализа конкретных данных вентиляционной визуализации.

Аннотация

Специфическая вентиляционная томография (SVI) является функциональной магнитно-резонансной томографией, способной количественно определить специфическую вентиляцию - соотношение свежего газа, поступающего в область легких, разделенного на конечный объем региона, в легких человека, используя только вдыхаемый кислород в качестве контрастного агента. Региональная количественная оценка специфической вентиляции имеет потенциал, чтобы помочь определить области патологической функции легких. Кислород в растворе в тканях сокращает время продольного расслабления ткани (Т_1),и, таким образом, изменение оксигенации тканей может быть обнаружено как изменение T 1-взвешенного сигнала с восстановлением инверсии приобретенного изображения. После резкого изменения между двумя концентрациями вдохновленного кислорода, скорость, с которой легочная ткань в вокселе приживает к новому устойчивому состоянию, отражает скорость, с которой газ-резидент заменяется вдыхаемым газом. Эта скорость определяется конкретной вентиляцией. Чтобы вызвать это внезапное изменение в оксигенации, субъекты поочередно дышать 20-дышат блоков воздуха (21% кислорода) и 100% кислорода в то время как в МРТ сканера. Поэтапное изменение в вдохновенной фракции кислорода достигается за счет использования пользовательской трехмерной (3D)-печатной системы обхода потока с ручным переключателем во время короткого конца срока эксплуатации дыхания. Для обнаружения соответствующего изменения в T₁, глобальный импульс инверсии с последующим одним выстрелом быстрого спина эхо последовательность была использована для приобретения двухмерных T 1-взвешенных изображений в 1,5 T МРТ сканер, используя восьмиэлементную катушки туловища. Возможны как односрезанная, так и многосрезная визуализация с несколько иными параметрами изображения. Количественная оценка специфической вентиляции достигается путем сопоставления временной интервалинтенсивности сигнала для каждого вокселя легких с библиотекой смоделированных реакций на воздушный/кислородный стимул. Оценки SVI специфической неоднородности вентиляции были проверены на фоне многократного вымывания дыхания и доказали, что точно определяют неоднородность специфического распределения вентиляции.

Введение

Общая цель специфической вентиляционной визуализации (SVI) - протонной магнитно-резонансной томографии (МРТ), использующую кислород в качестве контрастного агента^1, состоит в количественном картотеке конкретной вентиляции легких человека. Специфическая вентиляция – это соотношение свежего газа, поставляемого в область легких наодном дыхании, разделенное на конечный объем годности той же области легких 1. В сочетании с измерениями плотности местных легких, специфическая вентиляция может быть использована для вычисления региональной вентиляции². Измерения местной вентиляции и вентиляции неоднородности, которые предоставляются SVI имеют потенциал, чтобы обогатить понимание того, как функции легких, как обычно, так и аномально^3,4.

Специфическая вентиляционная томография является продолжением классического теста физиологии, многократного вымывания дыхания (MBW), метода, впервые введенного в 1950-х годах^5,6. Оба метода используют газомой/вымывание для измерения неоднородности специфической вентиляции, но SVI предоставляет пространственно локализованную информацию, в то время как MBW предоставляет только глобальные показатели неоднородности. В MBW масс-спектрометр используется для измерения смешанной концентрации нерастворитого газа (азот, гелий, гексафторид серы и т.д.) во время многих вдохов во время вымывания этого газа, как показано на рисунке 1. Наряду с истекшим объемом на дыхание в период вымывания, эта информация может быть использована для расчета общего распределения конкретной вентиляции легких. В SVI, МРТ сканер используется дляизмерения T 1-взвешенный сигнал , который является суррогатом для количества кислорода в растворе в ткани легких, прямой индикатор местной концентрации кислорода - в каждом вокселе легких в течение многих вдохов в течение нескольких washin / washouts кислорода. Таким образом, что непосредственно аналогично MBW, эта информация позволяет нам вычислить конкретные вентиляции каждого вокселя легких. Другими словами, во время эксперимента SVI метод выполняет тысячи параллельных экспериментов, похожих на MBW, по одному для каждого вокселя. Действительно, пространственные карты конкретной вентиляции, таким образом, могут быть составлены для восстановления специфической вентиляционной неоднородности, выдавленной MBW. Исследование, проведенное в ходе проверки^7, показало, что эти две методологии дали сопоставимые результаты при выполнении в серии по тем же предметам.

Существуют и другие методы визуализации, которые, как и SVI, обеспечивают пространственные измерения неоднородности вентиляции. Позитронно-эмиссионнаятомография (ПЭТ) 8,⁹, однофотонные эмиссионные компьютерная томография (SPECT)^10,11,и гиперполяризованного газа МРТ^12,13 методов были использованы для создать значительный объем литературы относительно пространственной модели вентиляции у здоровых и ненормальных субъектов. В целом, эти методы имеют по крайней мере одно явное преимущество перед SVI, в том, что их соотношение сигнала к шуму характерно выше. Однако каждый метод также имеет характерный недостаток? ПЭТ и SPECT включают воздействие ионизирующего излучения, а гиперполяризованная МРТ требует использования высокоспециализированного гиперполяризованного газа и МР-сканера с нестандартным многоядерным оборудованием.

SVI, метод протонного МРТ, обычно использует оборудование 1.5 Tesla MR с вдыхаемым кислородом в качестве контрастного агента (оба элемента легко доступны в здравоохранении), что делает его потенциально более обобщенным для клинической среды. SVI использует тот факт, что кислород сокращает продольное время релаксации (T₁) тканей легких¹, что, в свою очередь, приводит к изменению интенсивности сигнала в T 1-взвешенном изображении. Таким образом, изменения в концентрации вдохновенного кислорода вызывают изменение интенсивности сигнала надлежащим образом приуроченных МРТ изображений. Скорость этого изменения после резкого изменения концентрации кислорода, как правило, воздуха и 100% кислорода, отражает скорость, с которой газ резидентов заменяется вдыхаемым газом. Этот коэффициент замены определяется конкретной вентиляцией.

Поскольку SVI не предполагает ионизирующего излучения, он не имеет противопоказаний для продольных и интервенционных исследований, которые следуют за пациентами с течением времени. Таким образом, он идеально подходит для изучения прогрессирования заболевания или оценки того, как отдельные пациенты реагируют на лечение. Благодаря своей относительной легкости и безопасной повторяемости, специфическая вентиляционная томография, в целом, является идеальным методом для тех, кто желает изучать большие эффекты и/или большое количество людей с течением времени или в нескольких различных клинических местах.

После оригинальной публикации, описывающей технику¹, конкретные вентиляционной визуализации (SVI) был использован в исследованиях, ориентированных на влияние быстрого вливания сольника, осанка, физические упражнения, и бронхсугивии^{2,3 , 4 , 14 Год , 15}. Способность техники оценить всю неоднородность легких специфической вентиляции была проверена с помощью устоявшихся многократных тест овсяных промывок⁷ и в последнее время, региональная перекрестная проверка была выполнена, по сравнение SVI и гиперполяризованного газа многодневки дыхание конкретных вентиляционной визуализации¹⁶. Этот надежный и легко развертываемый метод, способный количественно составить отображение специфической вентиляции легких человека, может внести существенный вклад в раннее выявление и диагностику респираторных заболеваний. Он также предоставляет новые возможности для количественной оценки региональных аномалий легких и следовать изменениям, вызванным терапией. Эти изменения в специфической для региона функции легких, которые SVI позволяет нам измерить в первый раз, имеют потенциал, чтобы стать биомаркерами для оценки воздействия лекарств и ингаляционных методов лечения, и может быть чрезвычайно полезным инструментом в клинических испытаниях.

Целью данной статьи является представление методологии конкретных вентиляционных изображений в деталях и в визуальной форме, тем самым способствуя распространению техники в большем количестве центров.

протокол

Калифорнийский университет, Сан-Диего Программа защиты человеческих исследований одобрил этот протокол.

1. Безопасность и обучение по предметам

1. Получить письменное, информированное согласие субъекта. Опишите потенциальные риски, связанные с воздействием быстро меняющихся магнитных полей, а также потенциальный дискомфорт от использования маски для лица и дыхания сухого газа.
2. Убедитесь, что субъект может безопасно пройти МР-сканирование, используя утвержденный на местном уровне мРТ вопросник безопасности.
3. Если субъект является женщиной детородного возраста, и не уверены в ее статусе беременности, попросите ее самостоятельно управлять внебиржевой тест на беременность. Если субъект беременна, исключить предмет из оставшейся части исследования.
4. Измерьте вес субъекта. Параметры безопасности сканера, ограничивающие количество радиочастотной (РЧ) энергии, поставляемой объекту, требуют ввода этой характеристики. Убедитесь, что вес субъекта ниже максимального предела веса таблицы МРТ (в данном случае 136 кг).
5. Поезд предмет дышать во времени с последовательности Сканирование МС. Предпочтительно воспроизвести аудиозапись предыдущего сканирования и поручить субъекту нормально дышать и завершать дыхание каждые 5 с, используя звуковые сигналы от сканера в качестве руководства; дышать вместе с предметом для целей обучения.
6. Определите размер маски для лица (размеры варьируются от миниатюрных до сверхбольших «XL»), которая наилучшим образом подходит предмету, измеряя размеры носа и подбородка субъекта. Маска соответствующего размера будет удобно помещаться, но предотвратит утечку воздуха между маской и кожей субъекта в любой момент. При необходимости примеряйтесь на другие размеры.
7. Убедитесь, что карманы и одежда субъекта свободны от магнитных кредитных карт и железосодержащих металлических деталей. При необходимости, ите предмет изменения в медицинское платье, предоставляемые МРТ объекта.
   ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ Металл может быть опасным в среде МРТ, и металлические предметы, такие как клипы (как правило, в бюстгальтеры), металлические кольца (бюстгальтеры и толстовки), металлические кнопки или молнии (рубашки, свитера), наращивание волос и парики имеют потенциал для создания изображений артефактов.

2. Подготовка МРТ окружающей среды

1. Только позволить персоналу, обученному безопасности МРТ, стандартам объекта визуализации войти в комнату сканера или помочь в проведении этого эксперимента.
2. Назначь сканер MR для использования с катушки туловища, соединив катушки с соответствующим разъемом в таблице сканера.
3. Подготовьте стол сканера с листами, прокладками и подушками, чтобы объект был удобен в течение не менее 30 минут во время визуализации.
4. Соберите систему доставки кислорода.
   ПРИМЕЧАНИЕ ПРИМЕЧАНИЕ ПРИМЕЧАНИЕ ПРИМЕЧАНИЕ, схематическая диаграмма труб представлена на рисунке 2.
   1. Поместите двух-трехсторонний коммутационный клапан в пределах досягаемости оператора сканера или лица, выполняющего эксперимент SVI.
   2. Подключите либо бак медицинского кислорода (вне комнаты сканера) или подачи кислородной стены (если таковой имеется) к одному впуску коммутационного клапана с помощью 1/4-дюймовых пластиковых труб.
   3. Подключите розетку коммутатора клапана, расположенного в диспетчерской, к 8 м (достаточная длина для сканера) 1/4-дюймовые пластиковые трубки. Кормите трубку через проход, из диспетчерской в комнату сканера, и убедитесь, что она достигнет середины сканера скважины.
      ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ Пластиковые трубки подключения коммутационного клапана розетки с потоком-обход маски включены шаг в диаметре в последние 2 м, от 1/4 дюйма до 3/8 дюйма до 1/2 дюйма, для того, чтобы уменьшить шум, производимый воздухом, впадающим в систему обхода потока.
   4. Подключите 1/2 дюйма конца трубки к пучок маски.
   5. Закрепите вложение в маску для лица, которое подходит для объекта.
   6. Установите давление на бензобак или регулятор розетки стены к значению, которое производит поток кислорода больше, чем ожидаемый пик inspiratory потока. Необходимое давление зависит от характера исследования (отдых, физические упражнения и т.д.) и общей устойчивости системы доставки газа (обычно 70 пси для системы доставки, описанной в шаге 2.4.3 для исследований в состоянии покоя).
   7. Проверьте клапан коммутатора, активируя поток кислорода, убедившись, что адекватный поток присутствует на выходе струйного путепровода крепления и что никаких утечек не присутствует в пластиковых труб.

3. Инструментирование и подготовка предмета для визуализации

1. Попроси тематик на столе МРТ. Убедитесь, что верхняя часть элемента нижней катушки обеспечивает адекватное покрытие легких apices, убедившись, что верхняя часть нижнего элемента катушки выше, чем плечи субъекта.
2. Попросите объект вставки затычек для ушей и проверьте, что звук блокируется.
3. Лента сжать мяч (или альтернативный механизм безопасности) на запястье субъекта, так что он может быть легко доступны.
4. Прикрепите маску и систему обхода потока к лицу объекта. Кратко окклюзия истечения срока действия приложения обхода потока и попросите субъекта попытаться нормального вдохновения и истечения срока действия, чтобы проверить на наличие утечек.
5. Поместите объект в сканер, используя инструмент центрирования света, чтобы убедиться, что катушки туловища занимает центр скважины.
6. Подключите линию обхода потока к 3D печатной маске потока, используя облегающий медный орех к входе.

4. МРТ-изображение

1. Выберите анатомическое место для срезов изображений.
   1. Приобретите последовательность локализатора для получения анатомической карты, которая будет использоваться для назначения остальной части экзамена.
   2. Выберите до 4 сагитальных ломтиков легких, которые будут изучены, нажав и перетащив срез изображения в нужное место с помощью графического пользовательского интерфейса сканера. Как правило, поле зрения установлено на 40 х 40 см и срез толщина до 1,5 см. Выберите ломтики, сосредоточенные в поле легких ориентации области интереса для исследования, как правило, минимизируя вторжение крупных сосудов легких медиально и грудной стенки боковой максимизировать пробы объем легких.
      ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ Выбор фрагментов может быть выполнен в любой плоскости; до 4 ломтиков могут быть выбраны. Для демонстрации будет приобретен один кусочек.
   3. Обратите внимание на расположение срезов изображений в отношении расположения позвоночника, так что тот же объем может быть reimaged для продольных исследований.
2. Специфическая вентиляционная томография
   ПРИМЕЧАНИЕ ПРИМЕЧАНИЕ ПРИМЕЧАНИЕ, список типичных параметров МРТ представлен в таблице 1.
   1. Установите время инверсии в компьютере MR для наиболее медианных ломтик до 1100 мс, чтобы максимизировать контраст воздуха кислорода¹⁷.
   2. Установите параметры приобретения(таблица 1) для приобретения изображений. Для приобретения нескольких срезов каждый дополнительный срез приобретается после первого, с интервалом 235 мс (1 335 мс, 1570 мс, 1805 мс).
      ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ После импульса восстановления инверсии и интервала времени (описанного временем инверсии), каждое изображение среза приобретается с помощью получетырех с одного выстрела турбо спин-эхо (HASTE), при разрешении 128 x 128 (70 линий пробы k-пространства); изображения реконструированы с разрешением 256 x 256.
   3. Установите количество повторений до 220, а время повторения (TR) до 5 с. Это приведет к повторению 4.2.1 и 4.2.2 в общей сложности 220 последовательных вдохов, 5 с друг от друга. Попросите субъекта добровольно придя вовремя дышать с приобретением изображения.
      ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ Изображения приобретаются в конце нормального истечения срока кратковременного добровольного прерывания дыхания при функциональной остаточной способности (FRC). Важно, чтобы подобный объем легких достигался последовательно во время каждого из этих последовательных приобретений.
   4. Мониторинг согласованности объема легких субъекта (конечный срок действия) во время последующих приобретений и обеспечить обратную связь для улучшения качества, если это необходимо. Увеличьте TR (временной интервал между последовательными приобретениями), если субъекту трудно достичь согласованного объема легких каждые 5 с.
   5. Переключите вдохновенную газовую смесь предмета каждые 20 вдохов (во время удержания дыхания для комфорта субъекта), чередуя воздух комнаты и медицинский кислород. Обратите внимание, когда выключатели произошли, и интервалы, в течение которых субъект дышал каждый газ. Разрешить субъекту дыхание 100% кислорода в течение 40 последовательных вдохов в какой-то момент в эксперименте (обычно вдохает 20-60 или 180-220) для повышения чувствительности к низкой вентиляции легких регионов.
   6. Регулярно проверяйте частоту сердечных приступов (40–80 для обычных испытуемых в состоянии покоя) и насыщение кислородом (обычно 98–100%) глядя на оксиметр пульса(рисунок2); отклонения от нормы могут сигнализировать о бедствии или тревоге.
   7. Поговорите с предметом часто, нажав на клавиатуру сканера кнопку push-to-talk, давая регулярные обновления оставшегося времени.
   8. После дыхания 220, изображение завершено. Верните предмет в комнатный воздух и удалите его из сканера.

5. Создание специальной карты вентиляции из временной серии изображений

1. Убедитесь, что стек из 220 последовательных изображений MR для каждого ломтика легких были приобретены.
2. Импортируйте изображения для регистрации в программное обеспечение для анализа изображений (например, MATLAB).
3. Из 220 изображений выберите, визуально просачивая весь стек изображения, для каждого среза, который наилучшим образом представляет функциональную остаточную емкость. Функциональная остаточная емкость определяется как «режим» объемов легких в стеке.
4. Использование изображения "режим" в качестве эталона, используйте проектную или аффектную регистрацию для регистрации всех изображений в функциональной ссылке на остаточную емкость.
   ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ Регистрация, как правило, осуществляется с использованием алгоритма, разработанного в доме¹⁸ или общедоступных генерализованных двойной bootstrap итеративный алгоритм ближайшей точки (GDB-ICP¹⁹).
5. Используйте вывод алгоритма регистрации для вычисления изменения области каждого изображения. Откажитесь от изображений, шаг регистрации которых требуется, чтобы область была издана из стека изображений, и относитесь к ним как к недостающим данным^20.
6. Количественная вентиляция легких в легких из зарегистрированногостека с помощью алгоритма, разработанного в доме 1,⁷. Выполните количественную оценку, сравнивая реакцию каждого вокселя с последовательной серией кислородной стирки и вымывания, с библиотекой из 50 смоделированных, без шумовых, реакций, соответствующих конкретным вентиляциям от 0,01 до 10, с шагом 15%. Каждому вокселю присваивается значение специфической вентиляции, соответствующее специфической вентиляции моделируемого идеального представления максимальной корреляции с временной серией каждого вокселя, как первоначально представлено в¹.
7. Выход предыдущего шага представляет собой карту конкретной вентиляции. Создайте гистограмму дистрибутива и вычислите ширину специфического распределения вентиляции, что является мерой специфической неоднородности вентиляции, независимой от приливного объема.

6. Объединение конкретных вентиляционных и плотности карты для вычисления региональных альвеолярной вентиляции

1. В дополнение к SVI, приобрести протонные изображения плотности легких²¹, как описано в предыдущем исследовании²² (разделы 4.4 и 5.1 в ссылке²²). Получение изображений плотности протона в том же ломтике легких (ы), при том же объеме легких (FRC, конец нормального истечения); установить разрешение до 64 x 64, что соответствует размеру вокселя 6,3 мм х 6,3 мм х 15 мм (0,6 см^3).
2. Выравнивание конкретных изображений вентиляции и протона плотности.
   1. Гладкая как специфическая вентиляция и протон плотность изображения с помощью гауссианского фильтра с размером ядра 1 см³.
   2. Выполняйте жесткую регистрацию (перевод и вращение) между картой конкретной вентиляции и картой плотности с помощью взаимного информационного алгоритма.
3. Вычислите альвеолярную вентиляцию из совместно зарегистрированных данных о вентиляции и протонной плотности.
   1. Вычислите карту (1-Density), которая представляет собой фракцию воздуха в отобранном объеме в конце нормального истечения, предполагая, что легкое состоит из воздуха и ткани, и что плотность тканей составляет 1 г/см³.
   2. Вычислите региональную карту вентиляции как продукт (1-Плотность) x SV (естественные единицы). Умножьте этот продукт на объем вокселя (или другой области интереса) и частоту дыхания (навязанные, как правило, 12 вдохов/мин), чтобы получить карту вентиляции в более знакомых единицах мл/мин.
      ПРИМЕЧАНИЕ ОТНОсяСЬ к СВЕДЕНИ Для каждой области легких, SV qV /V₀ и (1 - Плотность) Таким образом, продукт (1-Плотность) х СВ - региональная вентиляция, выраженная в естественных блоках.

Результаты

Один ломтик SVI в здоровом предмете
Специфическая вентиляционная томография производит количественные карты специфической вентиляции, как показано на рисунке 3A,на котором изображен один ломтик в правом легком 39-летней здоровой самки. Обратите вни?...

Обсуждение

Специфическая вентиляционная томография позволяет количественно отображение пространственного распределения специфической вентиляции легких человека. Альтернативы SVI существуют, но ограничены в некотором роде, Многократное вымывание дыхания обеспечивает меру неоднородности, но н...

Материалы

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