Name: quantitative mapping of specific ventilation in the human lung using proton magnetic resonance imaging and oxygen as a contrast agent
Uploaded: 2019-06-05T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Quantitative Mapping of Specific Ventilation in the Human Lung using Proton Magnetic Resonance Imaging and Oxygen as a Contrast Agent at JoVE.com

Diese Arbeit wurde vom Nationalherz unterstützt, Lungen-und Blutinstitut (NHLBI) (Zuschüsse R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 und R01-HL119263) und das National Space Biomedical Research Institute (National Aeronautics and Space Administration gewähren NCC E.T. Geier wurde von der NHLBI-Zuwendung F30 HL127980 unterstützt.

Das Human Research Protection Program der University of California, San Diego, hat dieses Protokoll genehmigt.
1. Thema Sicherheit und Ausbildung
<ol><li>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.</li>
	<li>Stellen Sie sicher, dass das...

<ol>
	<li>S&#225;, R. C., 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=Vertical+distribution+of+specific+ventilation+in+normal+supine+humans+measured+by+oxygen-enhanced+proton+MRI.">Vertical distribution of specific ventilation in normal supine humans measured by oxygen-enhanced proton MRI.</a> Journal of Applied Physiology. 109 (6), 1950-1959 (2010).</li><li>Henderson, A. C., 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+gravitational+distribution+of+ventilation-perfusion+ratio+is+more+uniform+in+prone+than+supine+posture+in+the+normal+human+lung.">The gravitational distribution of ventilation-perfusion ratio is more uniform in prone than supine posture in the normal human lung.</a> Journal of Applied Physiology. 115 (3), 313-324 (2013).</li><li>Geier, E. T., Neuhart, I., Theilmann, R. J., Prisk, G. K., S&#225;, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+persistence+of+reduced+specific+ventilation+following+methacholine+challenge+in+the+healthy+human+lung.">Spatial persistence of reduced specific ventilation following methacholine challenge in the healthy human lung.</a> Journal of Applied Physiology. 124 (5), 1222-1232 (2018).</li><li>Tedjasaputra, V., 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+heterogeneity+of+regional+specific+ventilation+is+unchanged+following+heavy+exercise+in+athletes.">The heterogeneity of regional specific ventilation is unchanged following heavy exercise in athletes.</a> Journal of Applied Physiology. 115 (1), 126-135 (2013).</li><li>Fowler, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lung+Function+Studies.+III.+Uneven+Pulmonary+Ventilation+in+Normal+Subjects+and+in+Patients+with+Pulmonary+Disease.">Lung Function Studies. III. Uneven Pulmonary Ventilation in Normal Subjects and in Patients with Pulmonary Disease.</a> Journal of Applied Physiology. 2 (6), 283-299 (1949).</li><li>Robertson, J. S., Siri, W. E., Jones, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lung+ventilation+patterns+determined+by+analysis+of+nitrogen+elimination+rates;+use+of+mass+spectrometer+as+a+continuous+gas+analyzer.">Lung ventilation patterns determined by analysis of nitrogen elimination rates; use of mass spectrometer as a continuous gas analyzer.</a> Journal of Clinical Investigation. 29 (5), 577-590 (1950).</li><li>S&#225;, R. C., Asadi, A. K., Theilmann, R. J., Hopkins, S. R., Prisk, G. K., Darquenne, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Validating+the+distribution+of+specific+ventilation+in+healthy+humans+measured+using+proton+MR+imaging.">Validating the distribution of specific ventilation in healthy humans measured using proton MR imaging.</a> Journal of Applied Physiology. 116 (8), 1048-1056 (2014).</li><li>Musch, 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=Topographical+distribution+of+pulmonary+perfusion+and+ventilation,+assessed+by+PET+in+supine+and+prone+humans.">Topographical distribution of pulmonary perfusion and ventilation, assessed by PET in supine and prone humans.</a> Journal of Applied Physiology. 93 (5), 1841-1851 (2002).</li><li>Venegas, J. G., Schroeder, T., Harris, R. S., Winkler, R. T., Melo, M. F. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+distribution+of+ventilation+during+bronchoconstriction+is+patchy+and+bimodal:+a+PET+imaging+study.">The distribution of ventilation during bronchoconstriction is patchy and bimodal: a PET imaging study.</a> Respiratory Physiology &amp; Neurobiology. 148 (1-2), 57-64 (2005).</li><li>Orphanidou, D., Hughes, J. M., Myers, M. J., Al-Suhali, A. R., Henderson, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tomography+of+regional+ventilation+and+perfusion+using+krypton+81m+in+normal+subjects+and+asthmatic+patients.">Tomography of regional ventilation and perfusion using krypton 81m in normal subjects and asthmatic patients.</a> Thorax. 41 (7), 542-551 (1986).</li><li>King, G. G., Eberl, S., Salome, C. M., Meikle, S. R., Woolcock, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Airway+closure+measured+by+a+technegas+bolus+and+SPECT.">Airway closure measured by a technegas bolus and SPECT.</a> American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 155 (2), 682-688 (1997).</li><li>Horn, F. C., Deppe, M. H., Marshall, H., Parra-Robles, J., Wild, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+regional+fractional+ventilation+in+human+subjects+by+measurement+of+hyperpolarized+3He+washout+with+2D+and+3D+MRI.">Quantification of regional fractional ventilation in human subjects by measurement of hyperpolarized 3He washout with 2D and 3D MRI.</a> Journal of Applied Physiology. 116 (2), 129-139 (2014).</li><li>Hamedani, 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=A+hybrid+multibreath+wash-in+wash-out+lung+function+quantification+scheme+in+human+subjects+using+hyperpolarized+3+He+MRI+for+simultaneous+assessment+of+specific+ventilation,+alveolar+oxygen+tension,+oxygen+uptake,+and+air+trapping.">A hybrid multibreath wash-in wash-out lung function quantification scheme in human subjects using hyperpolarized 3 He MRI for simultaneous assessment of specific ventilation, alveolar oxygen tension, oxygen uptake, and air trapping.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 78 (2), 611-624 (2017).</li><li>Hall, E. 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=The+effect+of+supine+exercise+on+the+distribution+of+regional+pulmonary+blood+flow+measured+using+proton+MRI.">The effect of supine exercise on the distribution of regional pulmonary blood flow measured using proton MRI.</a> Journal of Applied Physiology. 116 (4), 451-461 (2014).</li><li>Henderson, A. C., S&#225;, R. C., Barash, I. A., Holverda, S., Buxton, R. B., Prisk, G. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+intravenous+infusion+of+20mL/kg+saline+alters+the+distribution+of+perfusion+in+healthy+supine+humans.">Rapid intravenous infusion of 20mL/kg saline alters the distribution of perfusion in healthy supine humans.</a> Respiratory Physiology &amp; Neurobiology. 180 (2-3), 331-341 (2012).</li><li>Arai, T. 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=Comparison+of+quantitative+multiple-breath+specific+ventilation+imaging+using+colocalized+2D+oxygen-enhanced+MRI+and+hyperpolarized+3He+MRI.">Comparison of quantitative multiple-breath specific ventilation imaging using colocalized 2D oxygen-enhanced MRI and hyperpolarized 3He MRI.</a> Journal of Applied Physiology. 125 (5), 1526-1535 (2018).</li><li>Chen, Q., Jakob, P. M., Griswold, M. A., Levin, D. L., Hatabu, H., Edelman, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxygen+enhanced+MR+ventilation+imaging+of+the+lung.">Oxygen enhanced MR ventilation imaging of the lung.</a> Magma: Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology, and Medicine. 7 (3), 153-161 (1998).</li><li>. Deforminator: Projective transformation to register small scale Lung deformation Available from: <a target="_blank" href="https://github.com/UCSDPulmonaryImaging/Deforminator">https://github.com/UCSDPulmonaryImaging/Deforminator</a> (2019)</li><li>Yang, G., Stewart, C. V., Sofka, M., Tsai, C. -. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Registration+of+Challenging+Image+Pairs:+Initialization,+Estimation,+and+Decision.">Registration of Challenging Image Pairs: Initialization, Estimation, and Decision.</a> IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 29 (11), 1973-1989 (2007).</li><li>Arai, T. J., Villongco, C. T., Villongco, M. T., Hopkins, S. R., Theilmann, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Affine+transformation+registers+small+scale+lung+deformation.">Affine transformation registers small scale lung deformation.</a> Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2012, 5298-5301 (2012).</li><li>Theilmann, R. 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=Quantitative+MRI+measurement+of+lung+density+must+account+for+the+change+in+T(2)+(*)+with+lung+inflation.">Quantitative MRI measurement of lung density must account for the change in T(2) (*) with lung inflation.</a> Journal of Magnetic Resonance Imaging. 30 (2), 527-534 (2009).</li><li>Arai, T. 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=Magnetic+Resonance+Imaging+Quantification+of+Pulmonary+Perfusion+using+Calibrated+Arterial+Spin+Labeling.">Magnetic Resonance Imaging Quantification of Pulmonary Perfusion using Calibrated Arterial Spin Labeling.</a> Journal of Visualized Experiments. 51 (51), e2712 (2011).</li><li>Lewis, S. M., Evans, J. W., Jalowayski, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+Distributions+of+Specific+Ventilation+Recovered+From+Inert-Gas+Washout.">Continuous Distributions of Specific Ventilation Recovered From Inert-Gas Washout.</a> Journal of Applied Physiology. 44 (3), 416-423 (1978).</li><li>Cook, F. R., Geier, E. T., Asadi, A. K., S&#225;, R. C., Prisk, G. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+Prototyping+of+Inspired+Gas+Delivery+System+for+Pulmonary+MRI+Research.">Rapid Prototyping of Inspired Gas Delivery System for Pulmonary MRI Research.</a> 3D Printing and Additive Manufacturing. 2 (4), 196-203 (2015).</li><li>Zapol, W. 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=Pulmonary+Delivery+of+Therapeutic+and+Diagnostic+Gases.">Pulmonary Delivery of Therapeutic and Diagnostic Gases.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 78-87 (2018).</li><li>Kang, W., 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=In+silico+modeling+of+oxygen-enhanced+MRI+of+specific+ventilation.">In silico modeling of oxygen-enhanced MRI of specific ventilation.</a> Physiological Reports. 6 (7), e13659 (2018).</li></ol>

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...

Das übergeordnete Ziel der spezifischen Lüftungsbildgebung (SVI)-einer Protonenspinresonanztomographie (MRT), die Sauerstoffals 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 ungewöhnlich3,4.
Die spezifische Lüftungsbildgebung ist eine Erweiterung des klassischen Physiologie-Tests, einer mehrfachen Atemauswaschung (MBW), einer Technik, die erstmals in den 1950er Jahren mit 5,6eingeführtwurde. 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,undhyperpolarisiertes Gas MRT12,13 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 T1-gewichtetenBild 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 Bronchokonstriktion2,3beschäftigen . , 4 , 14 , 15. Die Fähigkeit der Technik, die gesamte Lungen-Heterogenität der spezifischen Belüftung zu schätzen, wurde mit dem etablierten Mehrfachauswaschtest7 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.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D-printed flow bypass system</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Face mask</td>
			<td>Hans Rudolph</td>
			<td></td>
			<td>7400 series Oro-nasal mask, different sizes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gas/oxygen regulator</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mask head set</td>
			<td>Hans Rudolph</td>
			<td></td>
			<td>7400 compatible head set</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td></td>
			<td>analysis software developed locally</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medical oxygen</td>
			<td>Air Liquide/Linde</td>
			<td></td>
			<td>Oxygen to be delivered to the subject</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MRI</td>
			<td>GE healthcare</td>
			<td></td>
			<td>1.5 T GE HDx Excite twin-speed scanner</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic tubing</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>&#188;&#8221;, 3/8&#8221; and 1/2&#8221; tubing and connectors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulse oximeter</td>
			<td>Nonin</td>
			<td></td>
			<td>7500 FO (MR compatible)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Switch valve</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Torso coil</td>
			<td>GE healthcare</td>
			<td></td>
			<td>High gain torso coil for GE scanner</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

quantitative mapping of specific ventilation in the human lung using proton magnetic resonance imaging and oxygen as a contrast agent

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 T1 zuerkennen, wurde ein globaler Inversionsimpuls, gefolgt von einer einzigen Dreh-schnellen Spin-Echo-Sequenz, verwendet, um zweidimensionale T1-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.

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...

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Quantitative Mapping of Specific Ventilation in the Human Lung using Proton Magnetic Resonance Imaging and Oxygen as a Contrast Agent

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.

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

Specific ventilation imaging (SVI) is a functional magnetic resonance imaging technique capable of quantifying specific ventilation &#8213; the ratio of ...

Specific Ventilation Imaging,(SVI) ist eine qualitative Lungenbildgebungstechnik, die uns helfen wird, unser grundlegendes Verständnis der Physiologie und des Managements von Atemwegserkrankungen zu fördern. SVI ist strahlungsfrei und benötigt nur allgemein verfügbare Geräte, einen MRT-Scanner und medizinischen Sauerstoff. Dies macht es sicher für Kinder und ideal für Wiederholungsstudien bei Erwachsenen.Die Übersetzung von SVI in die klinische Praxis kann das Management von Asthma verbessern, da sie es uns ermöglichen wird, Bereiche zu identifizieren, die am stärksten von der Krankheit betroffen sind. Die Fähigkeit, Veränderungen innerhalb der Lunge als Reaktion auf die Therapie abzubilden, kann dazu beitragen, die Inhalationstherapie zu optimieren und individuelle therapeutische Entscheidungen zu beeinflussen. Vincent Tedjasaputra, Postdoktorand am Institut für Medizin, hilft bei der Demonstration dieses Verfahrens.Beginnen Sie mit dem Verfahren, erhalten Sie eine schriftliche Informierteeinerkennung des Fachs und beschreiben Sie die potenziellen Risiken, die sich aus der Exposition gegenüber sich schnell verändernden Magnetfeldern und den potenziellen Beschwerden bei der Verwendung einer Gesichtsmaske und atembringendem Trockengas mit sich bringen. Vergewissern Sie sich, dass das Motiv sicher einem Magnetresonanzscan unterzogen werden kann, indem Sie den lokal zugelassenen Fragebogen zur Magnetresonanztomographie oder mrT-Sicherheitsuntersuchung verwenden. Trainieren Sie das Subjekt mit der MR-Scansequenz rechtzeitig atmen und messen Sie die Nase-zu-Kinn-Maße des Motivs, um die Größe der Gesichtsmaske zu bestimmen, die am besten zum Motiv passt.Überprüfen Sie dann, ob die Taschen und Die Kleidung des Motivs frei von magnetisch-basierten Kreditkarten und eisenhaltigen Metallstücken sind. Schließen Sie zur Vorbereitung des MR-Scanners eine Torsospule an den entsprechenden Stecker in der Scannertabelle an, um den Scanner für die Verwendung und das Platzieren von Blättern, Pads und Kissen auf dem Scannertisch zu konfigurieren, sodass sich das Motiv für mindestens 30 Minuten der Bildgebung angenehm eignet. Um das Sauerstoffzufuhrsystem zu montieren, legen Sie ein Zwei-Wege-Schalterventil in Reichweite des Scanner-Betreibers und verwenden Sie ein Stück von acht Meter Länge ein Viertel Zoll Durchmesser Kunststoffrohre, um die Sauerstoffversorgung an einen Einlass des Schaltventils anzuschließen.Schließen Sie den Auslass des Schaltventils im Kontrollraum an die einviertel Kunststoffschläuche an und speisen Sie die Schläuche durch den Durchgang des Kontrollraums in den Scannerraum, um darauf zu achten, dass der Schlauch die Mitte der Scannerbohrung erreicht. Sichern Sie die Flow Bypass-Befestigung an der Gesichtsmaske für das Motiv. Schließen Sie das halb zollgroße Messingende des Schlauches an den Flow Bypass Maskenaufsatz an.Stellen Sie den Druck auf den Sauerstoffzufuhrregler auf einen Wert, der je nach Art der Studie und dem Gesamtwiderstand des Gaszufuhrsystems einen Sauerstoffstrom erzeugt, der größer ist als der erwartete Spitzeninspiratoriumsstrom. Aktivieren Sie dann den Sauerstofffluss, um das Schaltventil zu testen, um sicherzustellen, dass am Auslass des Durchfluss-Bypass-Aufsatzes ein ausreichender Durchfluss vorhanden ist und keine Leckagen in den Kunststoffschläuchen vorhanden sind. Um das Motiv für die Bildgebung vorzubereiten, lassen Sie das Motiv auf dem Scannertisch liegen und stellen Sie sicher, dass die Oberseite des unteren Spulenelements höher ist als die Schultern des Motivs, um sicherzustellen, dass die Oberseite des unteren Spulenelements eine ausreichende Abdeckung der Lungenapices bietet.Lassen Sie das Motiv Ohrstöpsel einsetzen und überprüfen Sie, ob der Ton blockiert wird. Befestigen Sie einen Sicherheitsmechanismus am Handgelenk des Motivs, so dass er leicht zugänglich ist, und befestigen Sie das Masken- und Durchfluss-Bypass-System am Gesicht des Motivs. Kurz die expiratorische Seite des Flussumgehungsaufsatzes zu verschließen und das Subjekt zu bitten, eine normale Inspiration und Ablauf zu versuchen, um auf Lecks zu überprüfen.Laden Sie nun das Motiv mit dem Lichtzentrierungswerkzeug in den Scanner, um sicherzustellen, dass die Rumpfspule die Mitte der Bohrung einnimmt, und führen Sie die Durchflussumgehungslinie, um den Komfort des Motivs zu gewährleisten, während das Motiv in Die Mitte des Scanners bewegt wird. Nachdem Sie die Lungenposition für bildgebende Slices ausgewählt haben, erwerben Sie eine Lokalisierersequenz, um eine anatomische Karte zu erhalten, die verwendet wird, um den Rest der Prüfung zu verschreiben. Verwenden Sie die grafische Benutzeroberfläche des Scanners, um auf das bildgebende Slice zu klicken und zu ziehen, das im Lungenfeld zentriert ist und auf den betreffenden Bereich abzielt, um bis zu vier sagittale Lungenscheiben auszuwählen, die untersucht werden sollen.Notieren Sie sich dann die Position der bildgebenden Scheiben in Bezug auf die Position der Wirbelsäule, so dass das gleiche Volumen für Längsschnittstudien neu abgebildet werden kann. Legen Sie für eine spezifische Belüftungsbildgebung die Inversionszeit im MR-Computer für die medialste Scheibe auf 1100 Millisekunden fest, um den Luftsauerstoffkontrast, die Anzahl der Wiederholungen auf 220 und die Wiederholungszeit auf fünf Sekunden zu maximal zu erlegen. Überwachen Sie die Konsistenz des Lungenvolumens und des Ablaufs des Motivs bei nachfolgenden Erfassungen und geben Sie Feedback, um die Qualität bei Bedarf zu verbessern.Schalten Sie das inspirierte Gasgemisch des Motivs alle 20 Atemzüge während des Anschaffungsatemhaltens für den Komfort des Motivs, abwechselnd zwischen Raumluft und medizinischem Sauerstoff. Überprüfen Sie das Pulsoximeter regelmäßig, um die Herzfrequenz und Sauerstoffsättigung zu überprüfen, und checken Sie häufig mit dem Betreffenden ein, um die verbleibende Zeit regelmäßig zu aktualisieren. Nach Dem Atem 220 ist die Bildgebung abgeschlossen.Geben Sie das Motiv an raumluft zurück und entfernen Sie es aus dem Scanner. Um eine bestimmte Belüftungskarte zu erstellen, importieren Sie die Bilder für die Registrierung in die Bildanalysesoftware, und überprüfen Sie visuell den gesamten 220-Bildstapel, um das Bild für jedes Slice auszuwählen, das die funktionale Restkapazität am besten darstellt. Verwenden Sie das Modusbild als Referenz, verwenden Sie projektive oder eine feine Registrierung, um alle Bilder auf die funktionelle Restkapazitätsreferenz zu registrieren und die spezifische Belüftung in der Lunge aus dem registrierten Stapel mit einem geeigneten Algorithmus zu quantifizieren.Es wird eine Karte der jeweiligen Belüftung erstellt. SVI erstellt quantitative Karten der spezifischen Beatmung, z.B. wie in diesem Einzelscheibenbild in der rechten Lunge eines 39-jährigen gesunden Weibchens dargestellt. Beachten Sie das Vorhandensein des erwarteten vertikalen Gradienten in der spezifischen Belüftung mit dem abhängigen Teil der Lunge, der eine höhere spezifische Belüftung aufweist als der nicht abhängige Teil der Lunge.Ein Histogramm der kartenspezifischen Belüftungswerte mit einer optimalen Anpassungsprotokoll-Normalwahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion ermöglicht die Verwendung der Breite der am besten passenden Verteilung als Metrik der spezifischen Lüftungsheterogenität. Hier wird eine mehrfache Atemwäsche gezeigt, die im selben Motiv in der gleichen Haltung erworben wurde. Die zeitliche Erfassung der Stickstoffkonzentration wurde an der Mündung gemessen, nachdem sich die Luft von inspirierter Luft zu 100% Sauerstoff verlagert hatte.Bei dieser Verteilung der spezifischen Belüftung, wie sie aus dem Auswaschen sowohl für die spezifische Belüftungsbildgebung als auch für das mehrfache Atemauswaschen geschätzt wird, wurde festgestellt, dass die Breite der Verteilung innerhalb eines gesunden Normalbereichs liegt. Die Schulung der Probanden, um rechtzeitig mit dem Scanner zu atmen und ihnen Feedback während der Erfassung zu geben, kann dazu beitragen, qualitativ hochwertige Daten zu gewährleisten. In Kombination mit Messungen der Dichte und Perfusion kann SVI verwendet werden, um das lokale Verhältnis von Belüftung zu Perfusion und Messung der Gasaustauscheffizienz abzubilden.Diese Technik wurde verwendet, um die Verteilung der Beatmung nach anstrengender Übung und einem speziellen Panel der wiederholten Bronchialeinschränkung bei Asthma zu verstehen. Die MRT-Umgebung erfordert Aufmerksamkeit für die Sicherheit, da ein starkes Magnetfeld immer eingeschaltet ist und ferromagnetische Objekte zu Projektil werden können, was zu Verletzungen führt.

Research

JoVE Journal

Medicine

Magnetic Resonance Derived Myocardial Strain Assessment Using Feature Tracking

Magnetic Resonance Derived Myocardial Dehnungs-Beurteilung anhand von Feature-Tracking-

Purpose: An accurate and practical method to measure parameters like strain in myocardial tissue is of great clinical value, since it has been shown, that ...

Forschung

Medizin

Magnetic Resonance Imaging Quantification of Pulmonary Perfusion using Calibrated Arterial Spin Labeling

Magnetic Resonance Imaging Quantifizierung der pulmonalen Perfusion mittels geeichter 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, ...

Multi-modal Imaging of Angiogenesis in a Nude Rat Model of Breast Cancer Bone Metastasis Using Magnetic Resonance Imaging, Volumetric Computed Tomography and Ultrasound

Multimodale Bildgebung von Angiogenese in einem Nude Rattenmodell der Brustkrebs Knochenmetastasen mittels Magnetresonanztomographie, volumetrische Computertomographie und Ultraschall

Angiogenesis is an essential feature of cancer growth and metastasis formation. In bone metastasis, angiogenic factors are pivotal for tumor cell ...

In vivo Macrophage Imaging Using MR Targeted Contrast Agent for Longitudinal Evaluation of Septic Arthritis

In vivo Macrophage Imaging Using MR Targeted Contrast Agent for Longitudinal Evaluation of Septic Arthritis

In-vivo-Bildgebung mit MR Makrophagen gezielte Kontrastmittel für die Längs-Auswertung der septische Arthritis

Macrophages are key-cells in the initiation, the development and the regulation of the inflammatory response to bacterial infection. Macrophages are ...

Quantitative Magnetic Resonance Imaging of Skeletal Muscle Disease

Quantitative Magnetresonanztomographie von Skelettmuskelerkrankung

Quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) describes the development and use of MRI to quantify physical, chemical, and/or biological properties of ...

Dynamic Contrast Enhanced Magnetic Resonance Imaging of an Orthotopic Pancreatic Cancer Mouse Model

Dynamic Contrast Verbesserte Spintomographie von einem orthotopen Mausmodell Bauchspeicheldrüsenkrebs

Dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging (DCE-MRI) has been limitedly used for orthotopic pancreatic tumor xenografts due to severe ...

Phosphorus-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: A Tool for Measuring In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle

Phosphorus-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: A Tool for Measuring In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle

Phosphor-31 Magnet-Resonanz-Spektroskopie: Ein Werkzeug zur Messung<em&gt; In Vivo</em&gt; Mitochondrial Oxidative Phosphorylierung Kapazität im menschlichen Skelettmuskel

Skeletal muscle mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) capacity, which is critically important in health and disease, can be measured in vivo ...

Cardiac Magnetic Resonance Imaging at 7 Tesla

Kardiale Magnetresonanztomographie bei 7 Tesla

CMR at an ultra-high field (magnetic field strength B0&#160;&#8805; 7 Tesla) benefits from the signal-to-noise ratio (SNR) advantage inherent at higher ...

In Vivo Morphometric Analysis of Human Cranial Nerves Using Magnetic Resonance Imaging in Meni&#232;re's Disease Ears and Normal Hearing Ears

In Vivo Morphometric Analysis of Human Cranial Nerves Using Magnetic Resonance Imaging in MeniÃƒÆ’Ã†'Ãƒâ€šÃ‚Â¨re's Disease Ears and Normal Hearing Ears

In Vivo Morphometrische Analyse der menschlichen Hirnnerven mittels Kernspintomographie in der Menière Krankheit Ohren und Normal hörende Ohren

Analysis of neural structures in Meni&#232;re's Disease (MD) is of importance, since a loss of such structures has previously been proposed for this ...

Phase Contrast Magnetic Resonance Imaging in the Rat Common Carotid Artery

Phase Kontrast Magnetresonanz-Bildgebung in der Ratte gemeinsame Halsschlagader

Phase contrast magnetic resonance imaging (PC-MRI) is a noninvasive approach that can quantify flow-related parameters such as blood flow. Previous ...