Quantitative Mapping spezieller Belüftung in der menschlichen Lung mit Proton-Magnetresonanztomographie und Sauerstoff als Kontrastmittel

Zusammenfassung

Die spezifische Lüftungsbildgebung ist eine funktionelle Magnetresonanztomographie, die es ermöglicht, die regionalspezifische Beatmung in der menschlichen Lunge zu quantifizieren, wobei der inhalierte Sauerstoff als Kontrastmittel verwendet wird. Hier stellen wir ein Protokoll zur Erfassung und Analyse von spezifischen Lüftungsdaten vor.

Zusammenfassung

Die spezifische Lüftungsbildgebung (SVI) ist eine funktionelle Magnetresonanztomographen-Technik, die in der Lage ist, eine spezifische Belüftung zu quantifizieren-das Verhältnis des Frischgases, das in eine Lungenregion gelangt, die durch das Endausfallvolumen der Region in der menschlichen Lunge geteilt ist, wobei nur die menschliche Lunge verwendet wird. Sauerstoff als Kontrastmittel eingeatmet Die regionale Quantifizierung spezifischer Belüftung kann helfen, Bereiche der pathologischen Lungenfunktion zu identifizieren. Sauerstoff in der Lösung im Gewebe verkürzt die Längsentspannungszeit des Gewebes (T₁₎, und so kann eine Veränderung der Gewebe-Sauerstoffversorgung als Veränderung desT 1-gewichteten Signals mit einer Inversionsrettungsaufnahme erworbenes Bild festgestellt werden. Nach einem abrupten Wechsel zwischen zwei Konzentrationen von inspiriertem Sauerstoff spiegelt die Geschwindigkeit, mit der Lungengewebe innerhalb eines Voxels in einen neuen Steady-Zustand ausgeglichen wird, die Geschwindigkeit wider, mit der das ansässige Gas durch eingeatmtes Gas ersetzt wird. Dieser Tarif wird durch eine spezielle Belüftung bestimmt. Um diese plötzliche Veränderung der Sauerstoffversorgung zu entlocken, atmen die Probanden im MRT-Scanner abwechselnd 20-Atemblöcke (21% Sauerstoff) und 100% Sauerstoff ein. Eine stufenweise Veränderung der inspirierten Sauerstofffraktion wird durch den Einsatz eines maßgeschneiderten dreidimensionalen (3D-) gedruckten Flow-Bypass-Systems mit manuellem Schalter während eines kurzen Endauslaufs erreicht. Um die entsprechende Änderung in T_{1 zu}erkennen, wurde ein globaler Inversionsimpuls, gefolgt von einer einzigen Dreh-schnellen Spin-Echo-Sequenz, verwendet, um zweidimensionale T_1-gewichteteBilder in einem 1,5 T-MRI-Scanner mit einer Acht-Elemente-Oberkörper-Spule zu erfassen. Sowohl eine Einzel-als auch eine Mehrschneidbildgebung sind möglich, mit leicht unterschiedlichen Bildungsparametern. Die Quantifizierung der spezifischen Belüftung wird erreicht, indem der zeitliche Verlauf der Signalintensität für jeden Lungenvoxeln mit einer Bibliothek simulierter Reaktionen auf den Luft-Sauerstoffreiz korreliert wird. SVI-Einschätzungen der spezifischen Lüftungsheterogenität wurden gegen mehrfache Atemauswaschen validiert und erwiesen sich als genau zu bestimmen, wie die Heterogenität der spezifischen Lüftungsverteilung erfolgt.

Einleitung

Das übergeordnete Ziel der spezifischen Lüftungsbildgebung (SVI)-einer Protonenspinresonanztomographie (MRT), die Sauerstoff^als Kontrastmittel 1 verwendet, ist es, die spezifische Lüftung in der menschlichen Lunge quantitativ zu kartieren. Spezifische Belüftung ist das Verhältnis von frischem Gas, das in einem Atemzug in einer Lungenregion geliefert wird, geteilt durch das Endauslaufvolumen der gleichen Lungenregion¹. In Verbindung mit Messungen der lokalen Lungendichte kann eine spezifische Lüftung zur Berechnung der regionalen Lüftung2 verwendet werden. Messungen der lokalen Belüftung und Lüftungs-Heterogenität, die von SVI erbracht werden, haben das Potenzial, das Verständnis dafür zu bereichern, wie die Lunge funktioniert, sowohl normal als auch ungewöhnlich^3,4.

Die spezifische Lüftungsbildgebung ist eine Erweiterung des klassischen Physiologie-Tests, einer mehrfachen Atemauswaschung (MBW), einer Technik, die erstmals in den 1950er Jahren mit 5,6^eingeführtwurde. Beide Techniken verwenden Gaswäsche-Auswaschung, um die Heterogenität der spezifischen Lüftung zu messen, aber SVI liefert räumlich lokalisierte Informationen, während MBW nur globale Maßnahmen der Heterogenität liefert. In MBW wird ein Massenspektrometer verwendet, um die gemischte abgelaufene Konzentration eines unlöslichen Gases (Stickstoff, Helium, Schwefelhexafluorid, etc.) über viele Atemzüge während eines Auswaschens des Gases zu messen , wie in Abbildung 1 dargestellt. Zusammen mit dem abgelaufenen Volumen pro Atemzug während der Auswaschzeit können diese Informationen verwendet werden, um die Gesamtverteilung der spezifischen Belüftung in der Lunge zu berechnen. In SVI wird ein MRT-Scanner verwendet, um das T₁-gewichtete Signal zu messen, das eine Überschussmenge für die Menge an Sauerstoff in der Lösung im Lungengewebe ist, ein direkter Indikator für die lokale Sauerstoffkonzentration-in jedem Lungenvoxeln über viele Atemzüge während mehrerer Wasch-und Auswaschungen Sauerstoff. In einer Art und Weise, die direkt mit MBW vergleichbar ist, können wir mit diesen Informationen die spezifische Belüftung jedes Lungenvoxels berechnen. Mit anderen Worten: Die Technik führt während eines SVI-Experiments Tausende paralleler MBW-ähnlicher Experimente durch, eines für jedes Voxier. Die so erstellten Raumkarten der spezifischen Lüftung können tatsächlich zusammengestellt werden, um die spezifische Lüftungs-Heterogenität von MBW wiederherzustellen. Eine Validierungsstudie⁷ zeigte, dass die beiden Methoden vergleichbare Ergebnisse hervorbrachten, wenn sie in Serien zu den gleichen Probanden durchgeführt wurden.

Es gibt noch andere bildgebende Modalitäten, die, wie die SVI, räumliche Messgrößen der Lüftungs-Heterogenität bieten. Positronen-Emissionstomographie (PET^{) 8,9,}Single-Photonen-Emission Computertomographie (SPECT)^{10, 11,und}hyperpolarisiertes Gas MRT^12,13 Techniken wurden verwendet, um Erstellen Sie eine umfangreiche Literatur über das räumliche Muster der Belüftung in gesunden und abnormalen Fächern. Im Allgemeinen haben diese Techniken mindestens einen deutlichen Vorteil gegenüber SVI, da ihr Signal-Rauschen-Verhältnis charakteristisch höher ist. Jede Technik hat jedoch auch einen charakteristischen Nachteil: PET und SPECT beinhalten die Exposition gegenüber ionisierender Strahlung, und hyperpolarisiertes MRT erfordert den Einsatz von hochspezialisiertem hyperpolarisiertem Gas und einem MR-Scanner mit nicht-normaler Multi-Nucly-Hardware.

SVI, eine Proton-MRT-Technik, verwendet in der Regel 1,5 Tesla-MR-Hardware mit eingeatmtem Sauerstoff als Kontrastmittel (beide Elemente sind leicht im Gesundheitswesen verfügbar), was sie potenziell verallgemeinerbarer für die klinische Umgebung macht. SVI nutzt die Tatsache, dass Sauerstoff die Längsentspannungszeit (T₁) des Lungengewebes 1 verkürzt, was wiederum zu einer Veränderung der Signalintensität in einem T_{1-gewichteten}Bild führt. So führen Veränderungen in der Konzentration von inspiriertem Sauerstoff zu Veränderungen in der Signalintensität von entsprechend zeitgemächten MRT-Bildern. Die Geschwindigkeit dieser Veränderung nach einer abrupten Veränderung der inspirierten Sauerstoffkonzentration, typischerweise Luft und 100% Sauerstoff, spiegelt die Geschwindigkeit wider, mit der das ansässige Gas durch das eingeatmete Gas ersetzt wird. Diese Ersatzrate wird durch eine spezielle Belüftung bestimmt.

Da es sich bei der SVI nicht um eine ionisierende Strahlung handelt, gibt es keine Kontraindikationen für Längs-und Interventionsstudien, die den Patienten im Laufe der Zeit folgen. So eignet es sich ideal für das Studium des Krankheitsverlaufs oder für die Bewertung, wie einzelne Patienten auf die Behandlung reagieren. Aufgrund ihrer relativen Leichtigkeit und sicheren Wiederholbarkeit ist die spezifische Beatmungsbildgebung in der Regel eine ideale Technik für diejenigen, die große Effekte and/oder eine große Anzahl von Menschen im Laufe der Zeit oder an verschiedenen klinischen Standorten untersuchen möchten.

Nach der ursprünglichen Publikation, die die Technik¹beschreibt, wurde die spezifische Lüftungsbildgebung (SVI) in Studien verwendet, die sich mit der Wirkung von schneller Salzinfusion, Haltung, Bewegung und Bronchokonstriktion^{2,3beschäftigen} . ^{, 4 , 14 , 15}. Die Fähigkeit der Technik, die gesamte Lungen-Heterogenität der spezifischen Belüftung zu schätzen, wurde mit dem etablierten Mehrfachauswaschtest^{7 validiert} und in jüngerer Zeit wurde eine regionale Quervalidierung durchgeführt, die durch Vergleich SVI und hyperpolarisiertes Gas mehrere Atem-spezifische Lüftungsdarstellung¹⁶. Diese zuverlässige und leicht einsetzbare Technik, die in der Lage ist, eine spezifische Beatmung in der menschlichen Lunge quantitativ abzubilden, hat das Potenzial, einen wesentlichen Beitrag zur Früherkennung und Diagnose von Atemwegserkrankungen zu leisten. Es bietet auch neue Möglichkeiten, regionale Lungenanomalien zu quantifizieren und Veränderungen zu verfolgen, die durch die Therapie hervorgerufen werden. Diese Veränderungen in der regionsspezifischen Lungenfunktion, die uns SVI erstmals messen kann, haben das Potenzial, Biomarker zu werden, um die Wirkung von Medikamenten und inhalierten Therapien zu beurteilen, und könnten ein äußerst nützliches Instrument in klinischen Studien sein.

Der Zweck dieses Artikels ist es, die Methodik der spezifischen Lüftungsbildgebung detailliert und in visueller Form zu präsentieren und so zur Verbreitung der Technik in weitere Zentren beizutragen.

Protokoll

Das Human Research Protection Program der University of California, San Diego, hat dieses Protokoll genehmigt.

1. Thema Sicherheit und Ausbildung

1. Erhalten Sie eine schriftliche, informierte Einwilligung des Betroffenen. Beschreiben Sie die potenziellen Risiken, die durch die Exposition bei sich schnell verändernden Magnetfeldern entstehen, und die potenziellen Beschwerden, die durch die Verwendung von Gesichtsmaske und Atemtrockengas entstehen.
2. Stellen Sie sicher, dass das Thema sicher dem MR-Scannen unterzogen werden kann, indem Sie den lokal zugelassenen MRD-Sicherheitsscreeny-Fragebogen verwenden.
3. Wenn es sich um ein weibliches Kind im gebärfähigen Alter handelt und sich über seinen Schwangerschaftsstatus unsicher ist, bitten Sie sie, einen rezeptfreien Schwangerschaftstest selbst zu verabreichen. Wenn das Fach schwanger ist, schließen Sie das Fach aus dem Rest der Studie aus.
4. Messen Sie das Gewicht des Subjekts. Die Sicherheitsparameter der Scanner-Sicherheit, die die Menge der Radiofrequenz (RF)-Energie, die an den Gegenstand geliefert wird, begrenzen, benötigen die Eingabe dieser Eigenschaft. Überprüfen Sie, ob das Gewicht des Probanden unter der maximalen Gewichtsgrenze der MRT-Tabelle liegt (in diesem Fall 136 kg).
5. Trainieren Sie das Motiv, um rechtzeitig mit der MR-Scan-Sequenz zu atmen. Vorzugsweise spielen Sie eine Audioaufzeichnung eines früheren Scans ab und weisen das Motiv an, normal zu atmen und alle 5 s einen Atemzug zu vervollständigen, wobei die Audiowürste des Scanners als Anleitung verwendet werden; Zum Zweck der Ausbildung mit dem Thema durchatmen.
6. Bestimmen Sie die Größe der Gesichtsmaske (Größen reichen von zierlich bis extra-groß [XL]), die am besten zu dem Motiv passt, indem Sie die Nase-zu-Kinn-Abmessungen des Motivs messen. Eine wohlform-große Maske passt bequem, verhindert aber, dass die Luft an jedem Punkt zwischen Maske und Haut des Motivs hineinsickert. Versuchen Sie es bei Bedarf auch in anderen Größen.
7. Überprüfen Sie, ob die Taschen und die Kleidung des Betreffes frei von magnetischen Kreditkarten und eisenhaltigen Metallstücken sind. Bei Bedarf soll das Thema in das von der MRT-Anlage zur Verfügung gestellte medizinische Kleid wechseln.
   NOTE: Metall kann in der MRT-Umgebung gefährlich sein, und metallische Objekte wie Clips (typischerweise in BHs), Metallringe (BHs und Hoodies), Metallknopf oder Reißverschlüsse (Hemden, Pullover), Haarverlängerung und Perücken haben das Potenzial, bildgebende Artefakte zu schaffen.

2. Vorbereitung der MRT-Umgebung

1. Nur das in der MRT-Sicherheit ausgebildete Personal nach den Standards der Bildgebung lassen, um in den Scannerraum zu gelangen oder bei der Durchführung dieses Experiments zu helfen.
2. Konfigurieren Sie den MR-Scanner für den Einsatz mit einer Oberkörper-Spule, indem Sie die Spule an den entsprechenden Stecker in der Scanner-Tabelle anschließen.
3. Bereiten Sie den Scanner-Tisch mit Blechen, Pads und Kissen vor, damit das Motiv während der Bildgebung mindestens 30 Minuten lang bequem ist.
4. Montieren Sie das Sauerstoffliefersystem.
   Hinweis: In Abbildung 2 wird ein schematisches Diagramm der Schläuche dargestellt.
   1. Platzieren Sie ein Zwei-und Drei-Wege-Schalventil in Reichweite des Scanner-Bedieners oder der Person, die das SVI-Experiment durchführt.
   2. Verbinden Sie entweder den Tank mit medizinischem Sauerstoff (außerhalb des Scannerraums) oder die Sauerstoffwandversorgung (falls vorhanden) mit einem Einlass des Schaltventils mit einem 4-Zoll-Kunststoffschläuchen.
   3. Schaltung des Schalterventils im Kontrollraum an die 8 m (ausreichend lange Länge für den Scanner) 4-Zoll-Kunststoffschläuche. Füttern Sie die Schläuche durch den Durchgang, vom Kontrollraum in den Scannerraum und sorgen Sie dafür, dass sie in der Mitte der Scannerbohrung ankommen.
      NOTE: Die Kunststoffrohre, die den Schalklappausgang mit der Flow-Bypass-Maske verbinden, beinhalteten einen Sprung in den Durchmesser der letzten 2 m von 1/4 Zoll auf 3/8 Zoll bis 1/2 Zoll, um den Lärm zu verringern, der durch Luft entsteht, die in das Fließbypass-System fließt.
   4. Schläuche mit dem Flow-bypass-Maskenaufsatz verbinden.
   5. Sichern Sie die Flow-Umypass-Anhängung an die Gesichtsmaske, die zum Thema passt.
   6. Stellen Sie den Druck auf den Tank oder den Wandauslaufregler auf einen Wert, der einen Sauerstofffluss erzeugt, der größer ist als der erwartete Peak-Inspirationsfluss. Der Druck, der benötigt wird, hängt von der Art der Studie (Ruhe, Bewegung, etc.) und der Gesamterwiderständigkeit des Gasliefersystems ab (typischerweise ~ 70 psi für das Liefersystem, das im Schritt 2.4.3 für Studien in Ruhe beschrieben wird).
   7. Testen Sie das Schalterventil, indem Sie den Sauerstofffluss aktivieren, um sicherzustellen, dass ein ausreichender Durchfluss am Auslauf des Flow-Bypass-Anbauers vorhanden ist und keine Lecks in den Kunststoffrohren vorhanden sind.

3. Instrumentierung und Vorbereitung des Themas für die Bildgebung

1. Das Thema auf dem MRT-Tisch liegen lassen. Achten Sie darauf, dass die Oberseite des unteren Spulen-Elements eine ausreichende Abdeckung der Lungenapices bietet, indem Sie sicherstellen, dass die Oberseite des unteren Spulen-Elements höher ist als die Schultern des Subjekts.
2. Haben Sie das Betreff Ohrstöpsel einfügen und überprüfen, ob der Ton blockiert wird.
3. Die Squeeze-Kugel (oder ein alternativer Sicherheitsmechanismus) an das Handgelenk des Motivs kleben lassen, so dass sie leicht zugänglich ist.
4. Befestigen Sie das Masken-und Flow-bypass-System an das Gesicht des Motivs. Kurz verdeckt die Expiration-Seite der Flow-bypass-Anlage und bittet den Betreffenden, eine normale Inspiration und Ablauf zu versuchen, um nach Lecks zu überprüfen.
5. Legen Sie das Motiv in den Scanner, mit dem Lichtzentrierwerkzeug, um sicherzustellen, dass die Oberdach-Spule die Mitte der Bohrung belegt.
6. Verbinden Sie die Flow-Bypass-Linie mit dem 3D-gedruckten Flow-bypass-Maskenaufsatz mit der eng sitzenden Messingmutter an den Einlass.

4. MRI Imaging

1. Wählen Sie den anatomischen Ort für die Bildgebung von Scheiben.
   1. Erwerben Sie eine Lokalausschreiheersequenz, um eine anatomische Karte zu erhalten, die verwendet wird, um den Rest der Prüfung zu verordnen.
   2. Wählen Sie bis zu 4 Sagittal-Lungscheiben aus, die untersucht werden sollen, indem Sie die Bildscheibe mit Hilfe der grafischen Benutzeroberfläche des Scanners an den gewünschten Ort klicken und ziehen. Typischerweise ist das Sichtfeld auf 40 x 40 cm und die Scheibendicke auf 1,5 cm eingestellt. Wählen Sie Scheiben, die im Lungenfeld zentriert sind und auf den für die Studie interessanten Bereich abzielen, und minimieren in der Regel das Eindringen von großen Lungengefäßen im Mittelal-und Brustwand seitlich bis seitlich, um Maximieren Sie das gesampelte Lungenvolumen.
      NOTE: Die Auswahl der Scheiben kann in jeder Ebene erfolgen; Man kann bis zu 4 Scheiben auswählen. Zur Demonstration wird eine Scheibe erworben.
   3. Notieren Sie sich die Lage der bildgebenden Scheiben in Bezug auf den Standort der Wirbelsäule, so dass das gleiche Volumen für Längsschnittstudien reimiert werden kann.
2. Spezifische Lüftungsbildgebung
   Hinweis: Eine Liste der typischen MRT-Parameter ist in Tabelle 1dargestellt.
   1. Stellen Sie die Inversionszeit im MR-Computer für die medialste Scheibe auf 1.100 ms ein, um den Luft-Sauerstoff-Kontrast¹⁷zu maximieren.
   2. Setzen Sie die Akquisitionsparameter (Tabelle 1) für die Bildaufzeichnung. Für die Mehrspeiserwerbung wird jede weitere Scheibe nach der ersten, in Abständen von 235 ms (1.335 ms, 1.570 ms, 1.805 ms) erworben.
      NOTE: Nach dem Inversionsrückgewinnungsimpuls und einem Zeitintervall (beschrieben durch die Inversionszeit) wird jedes Scheibenbild mit einem halb-Fourier-Einschuss-Turbo-Spin-Echo (HASTE) mit 128 x 128 Auflösung (70 Zeilen k-Space gesampelt) aufgenommen; Die Bilder werden auf 256 x 256 Auflösung rekonstruiert.
   3. Setzen Sie die Anzahl der Wiederholungen auf 220 und die Wiederholungszeit (TR) auf 5 s. Dies führt dazu, dass sich 4.2.1 und 4.2.2 für insgesamt 220 aufeinanderfolgende Atemzüge wiederholen, die 5 s voneinander entfernt sind. Bitten Sie das Subjekt, seine Atmung mit der Bildaufnahme freiwillig zu Gate zu nehmen.
      NOTE: Die Bilder werden am Ende eines normalen Auslaufs in einer kurzen freiwilligen Atemunterbrechung bei funktioneller Restkapazität (FRC) erworben. Es ist wichtig, dass bei jeder dieser aufeinanderfolgenden Akquisitionen ein ähnliches Lungenvolumen konsequent erreicht wird.
   4. Überwachen Sie die Konsistenz des Lungenvolumens des Subjekts (Endablauf) bei späteren Akquisitionen und geben Sie Feedback, um die Qualität bei Bedarf zu verbessern. Erhöhen Sie TR (das Zeitintervall zwischen den aufeinanderfolgenden Übernahmen), wenn es dem Subjekt schwer fällt, alle 5 s ein konsistentes Lungenvolumen zu erreichen.
   5. Wechseln Sie das inspirierte Gasgemisch des Probanden alle 20 Atemzüge (während der Anschaffung atmen Sie den Komfort des Probanden), abwechselnd zwischen Raumluft und medizinischem Sauerstoff. Notieren Sie sich, wann die Schalter auftraten, und die Intervalle, in denen das Subjekt jedes Gas atmete. Lassen Sie das Subjekt 100% Sauerstoff für 40 aufeinanderfolgende Atemzüge zu einem bestimmten Zeitpunkt im Experiment (typischerweise Atemzüge 20-60 oder 180-220), um die Empfindlichkeit gegenüber niedrig belüfteten Lungenregionen zu erhöhen.
   6. Regelmäßig überprüfen Herzfrequenz (40 − 80 für normale Probanden in Ruhe) und Sauerstoffsättigung (typischerweise 98 − 100%) Beim Blick auf den Pulsoximeter (Abbildung 2); Abweichungen von der Norm können Not oder Angst signalisieren.
   7. Sprechen Sie häufig mit dem Thema, indem Sie auf die Scanner-Tastatur drücken, die noch zu sprechen ist, und geben Sie regelmäßig die verbleibende Zeit.
   8. Nach dem Atem 220 ist die Bildgebung abgeschlossen. Bringe das Betreffende in die Raumluft zurück und entferne ihn oder sie aus dem Scanner.

5. Erstellung einer speziellen Ventilationskarte aus einer Zeitreihe von Bildern

1. Überprüfen Sie, ob für jede Lungenscheibe ein Stapel von 220 aufeinanderfolgenden MR-Bildern aufgenommen wurden.
2. Importieren Sie die Bilder zur Registrierung in die Bildanalyse-Software (z.B. MATLAB).
3. Wählen Sie von den 220 Bildern, durch visuelle Inspektion des gesamten Bildstacks, für jede Scheibe, die am besten die funktionale Restkapazität darstellt. Die funktionale Restkapazität wird als "Modus" der Lungenvolumina im Stapel identifiziert.
4. Verwenden Sie das "Modus"-Bild als Referenz, verwenden Sie projektive oder affine Registrierung, um alle Bilder auf die funktionale Restkapazität Referenz zu registrieren.
   NOTE: Die Registrierung erfolgt in der Regel mit einem Algorithmus, der in Haus¹⁸ entwickelt wurde, oder einem öffentlich erhältlichen, verallgemeinerten Dual-Bootstrap iterativen nächstpunktgleichen Algorithmus (GDB-ICP¹⁹).
5. Verwenden Sie die Ausgabe des Registrierungsalgorithmus, um die Flächenänderung jedes Bildes zu berechnen. Verwerfen Sie Bilder, deren Registrierungsschritt erforderte und gt;10%-Bereich vom Bildstapel wechseln, undbehandeln Sie sie als fehlende Daten 20.
6. Quantifizieren Sie die spezifische Belüftung in der Lunge aus dem registrierten Stapel mit einem Algorithmus^,derin Haus 1,7 entwickelt wurde. Führen Sie Quantifizierung durch, indem Sie die Zeitenumaktion jedes Voxels mit der aufeinanderfolgenden Sauerstoffwashin-und-auswasch-Serie vergleichen, mit einer Bibliothek von 50 simulierten, geräuschfreien Antworten, die spezifischen Belüftungen von 0,01 bis 10 in 15% Zuwächsen entsprechen. Jedem Voxeln wird ein Wert der spezifischen Belüftung zugeordnet, der der spezifischen Belüftung des simulierten Ideals entspricht, der eine maximale Korrelation zu den Zeitreihen jedes Voxels darstellt, wie sie ursprünglich in 1 dargestellt wurde.
7. Die Ausgabe des vorherigen Schrittes ist eine Karte der spezifischen Lüftung. Erstellen Sie ein Histogramm der Verteilung und berechnen Sie die Breite der spezifischen Lüftungsverteilung, ein Maß für die spezifische Lüftungs-Heterogenität, unabhängig von Gezeitenvolumen.

6. Kombination von spezieller Ventilungs-und Dichte Karten zur Kompute der regionalen Alveolar-Lüftung

1. Neben SVI, erwerben Lungenprotonendichte Bilder²¹, wie in einer früheren Studie²² (Abschnitte 4.4 und 5.1 in Bezug auf 22) beschrieben. Erhalten Sie die Protonendichtebilder in der gleichen Lungenscheibe (n), am gleichen Lungenvolumen (FRC, Ende eines normalen Ablaufs); Setzen Sie die Auflösung auf 64 x 64, was einer Voxelgröße von ~ 6,3 mm x 6,3 mm x 15 mm entspricht.
2. Richten Sie spezifische Lüftungs-und Protonendichte-Bilder ein.
   1. Glätten Sie sowohl die spezifischen Lüftungs-als auch die Protonendichte-Bilder mit einem Gaussisch-Filter mit einer Kerngröße von ~ 1 cm 3.
   2. Führen Sie eine starre Registrierung (Übersetzung und Rotation) zwischen der Karte der spezifischen Lüftung und der Karte der Dichte mit einem gegenseitigen informationsbasierten Algorithmus durch.
3. Berechnen Sie die alveolare Belüftung aus der mitregistrierten spezifischen Lüftungs-und Protonendichtedaten.
   1. Berechnen Sie eine Karte von (1-Dichte), die der Bruchteil der Luft in der gesampelten Lautstärke am Ende eines normalen Auslaufs ist, vorausgesetzt, dass die Lunge aus Luft und Gewebe besteht und dass die Gewebedichte ~ 1 g/cm 3 ist.
   2. Berechnen Sie eine regionale Lüftungskarte als Produkt (1-Dichte) x SV (natürliche Einheiten). Multiplizieren Sie dieses Produkt mit dem Volumen eines Voxels (oder einer anderen Region von Interesse) und der Atemfrequenz (verhängt, in der Regel 12 Atem-/min), um eine Karte der Belüftung in den bekannteren Einheiten von ml/min zu erhalten.
      NOTE: Für jede Lungenregion ist der SV = "V/V 0" und (1 – Dichte)-V 0. So ist das Produkt (1-Dichte) x SV = regionale Belüftung, ausgedrückt in natürlichen Einheiten.

Ergebnisse

Einzelne Scheibe SVI in einem gesunden Thema
Die spezifische Lüftungsbildgebung erzeugt quantitative Karten spezifischer Belüftung, wie sie in Abbildung 3Agezeigt werden, die eine einzelne Scheibe in der rechten Lunge eines 39-jährigen gesunden Weibchens darstellt. Beachten Sie das Vorhandensein des erwarteten vertikalen Gefälles in der spezifischen Belüftung; Der abhängige Teil der Lunge stellt eine höhere spezifische Belüftung dar als der nic...

Diskussion

Die spezifische Lüftungsbildgebung ermöglicht die quantitative Kartierung der räumlichen Verteilung der spezifischen Belüftung in der menschlichen Lunge. Alternativen zu SVI gibt es, sind aber in gewisser Weise begrenzt: Mehrfache Atemauswaschen bietet ein Maß an Heterogenität, aber es fehlt an räumlichen Informationen²³. Alternative bildgebende Methoden setzen Patienten der ionisierenden Strahlung aus (z.B. SPECT, PET, CT, Gammascintigraphie) oder sind nicht weit verbreitet (hyperpolarisie...

Materialien

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