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
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Este trabajo fue apoyado por el Instituto Nacional de corazón, pulmón y sangre (NHLBI) (subvenciones r01 HL-080203, r01 HL-081171, r01 HL-104118 y r01-HL119263) y el Instituto Nacional de investigación biomédica espacial (Administración Nacional de Aeronáutica y el espacio de la concesión NCC 9-58). E.T. Geier recibió el apoyo de NHLBI Grant F30 HL127980.

La Universidad de California, programa de protección de la investigación humana de San Diego ha aprobado este protocolo.
1. seguridad y capacitación del sujeto
<ol><li>Obtener el consentimiento informado por escrito del sujeto. Describa los riesgos potenciales presentados por la exposición a campos magnéticos que cambian rápidamente y la molestia potencial de usar mascarilla facial y gas seco para respirar.</li>
	<li>Asegúrese de que el sujeto pueda someterse de forma segura al escane...

<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>

Las imágenes de ventilación específicas permiten el mapeo cuantitativo de la distribución espacial de la ventilación específica en el pulmón humano. Existen alternativas a la SVI pero son limitadas de alguna manera: el lavado múltiple del aliento proporciona una medida de heterogeneidad pero carece de información espacial23. Los métodos alternativos de diagnóstico por imágenes exponen a los pacientes a la radiación ionizante (p. ej., SPECT, PET, CT, centellografía gamma) o no están ...

El objetivo general de la toma de imágenes de ventilación específica (SVI), una técnica de resonancia magnética de protones (RMN) que utiliza oxígeno como agente de contraste1 , es cuantificar cuantitativamente la ventilación específica en el pulmón humano. La ventilación específica es la proporción de gas fresco entregado a una región pulmonar en una respiración dividida por el volumen espiratorio final de la misma región pulmonar1. Junto con las mediciones de la densidad pulmonar local, se puede utilizar una ventilación específica para computar la ventilación regional2. Las mediciones de la ventilación local y la heterogeneidad de la ventilación proporcionadas por el SVI tienen el potencial de enriquecer la comprensión de cómo funciona el pulmón, tanto normalmente como anormalmente3,4.
La imagen de ventilación específica es una extensión de la prueba de fisiología clásica, el lavado de aliento múltiple (MBW), una técnica introducida por primera vez en la década de 19505,6. Ambas técnicas utilizan el Washin/Washout de gas para medir la heterogeneidad de la ventilación específica, pero SVI proporciona información localizada espacialmente, mientras que MBW solo proporciona medidas globales de heterogeneidad. En MBW, un espectrómetro de masas se utiliza para medir la concentración mixta caducada de un gas insoluble (nitrógeno, helio, hexafluoruro de azufre, etc.) durante muchas respiraciones durante un lavado de ese gas, como se muestra en la figura 1. Junto con el volumen caducado por aliento durante el período de lavado, esta información se puede utilizar para calcular la distribución general de la ventilación específica en el pulmón. En SVI, se utiliza un escáner de resonancia magnética para medir la señal ponderada en T1― que es un sustituto de la cantidad de oxígeno en la solución en el tejido pulmonar, un indicador directo de la concentración de oxígeno local ― en cada voxel pulmonar durante muchas respiraciones durante varios lavados/washouts de oxígeno. De una manera que es directamente análoga a MBW, esta información nos permite calcular la ventilación específica de cada vóxon pulmonar. En otras palabras, la técnica realiza miles de experimentos paralelos tipo MBW, uno para cada vóxes, durante un experimento SVI. De hecho, los mapas espaciales de ventilación específica así producidos pueden ser compilados para recuperar la salida específica de heterogeneidad de ventilación de MBW. Un estudio de validación7 demostró que las dos metodologías producían resultados comparables cuando se realizaban en serie sobre los mismos temas.
Existen otras modalidades de imagen que, al igual que la SVI, proporcionan medidas espaciales de heterogeneidad de la ventilación. Tomografía por emisión de positrones (PET)8,9, tomografía computarizada de emisión de fotón único (SPECT)10,11, y RM de gas hiperpolarizado12,se han utilizado13 técnicas para crear un cuerpo sustancial de literatura sobre el patrón espacial de ventilación en sujetos sanos y anormales. En general, estas técnicas tienen al menos una clara ventaja sobre el SVI, ya que su relación señal-ruido es característicamente más alta. Sin embargo, cada técnica también tiene una desventaja característica: PET y SPECT implican la exposición a la radiación ionizante, y la RMN hiperpolarizada requiere el uso de gas hiperpolarizado altamente especializado y un escáner MR con hardware multinuclei no estándar.
SVI, una técnica de protón-RMN, típicamente utiliza 1,5 Tesla MR hardware con oxígeno inhalado como un agente de contraste (ambos elementos están disponibles en la salud), por lo que es potencialmente más generalizable para el entorno clínico. El SVI aprovecha el hecho de que el oxígeno acorta el tiempo de relajación longitudinal (T1) de los tejidos pulmonares1, que a su vez se traduce en un cambio en la intensidad de la señal en una imagen ponderada en T1. Por lo tanto, los cambios en la concentración de oxígeno inspirado inducen el cambio en la intensidad de la señal de imágenes de RMN apropiadamente cronometradas. La tasa de este cambio después de un cambio abrupto en la concentración de oxígeno inspirada, típicamente el aire y el 100% de oxígeno, refleja la velocidad a la cual el gas residente es reemplazado por el gas inhalado. Esta tasa de reemplazo se determina por la ventilación específica.
Como SVI no implica radiación ionizante, no tiene contraindicaciones para estudios longitudinales e intervencionistas que sigan a los pacientes con el tiempo. Por lo tanto, es ideal para estudiar la progresión de la enfermedad o evaluar cómo los pacientes individuales responden al tratamiento. Debido a su relativa facilidad y repetibilidad segura, la imagen de ventilación específica es, en general, una técnica ideal para aquellos que desean estudiar grandes efectos y/o un gran número de personas a lo largo del tiempo o en varios lugares clínicos diferentes.
Siguiendo la publicación original que describe la técnica1, se ha utilizado la imagen de ventilación específica (SVI) en estudios centrados en el efecto de la infusión salina rápida, la postura, el ejercicio y la broncoconstricción de2,3 , 4 , 14 , 15. la capacidad de la técnica para estimar la heterogeneidad de los pulmones enteros de ventilación específica ha sido validada utilizando la prueba de lavado de aliento múltiple bien establecida7 y más recientemente, una validación cruzada regional fue realizada, por comparando el SVI y el gas hiperpolarizado múltiples imágenes de ventilación específicas de respiración16. Esta técnica fiable y fácilmente implementable, capaz de mapear cuantitativamente la ventilación específica en el pulmón humano, tiene el potencial de contribuir significativamente a la detección precoz y el diagnóstico de enfermedades respiratorias. También presenta nuevas oportunidades para cuantificar las anomalías pulmonares regionales y seguir los cambios inducidos por la terapia. Estos cambios en la función pulmonar específica de la región, que SVI nos permite medir por primera vez, tienen el potencial de convertirse en biomarcadores para evaluar el impacto de los fármacos y las terapias inhaladas, y podría ser una herramienta extremadamente útil en los ensayos clínicos.
El propósito de este artículo es presentar la metodología de la imagen de ventilación específica en detalle y en forma visual, contribuyendo así a la difusión de la técnica a más centros.

<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

La imagen de ventilación específica (SVI) es una técnica funcional de imagen por resonancia magnética capaz de cuantificar la ventilación específica, la proporción del gas fresco que entra en una región pulmonar dividida por el volumen espiratorio final de la región, en el pulmón humano, utilizando sólo oxígeno inhalado como agente de contraste. La cuantificación regional de la ventilación específica tiene el potencial de ayudar a identificar las áreas de la función patológica pulmonar. El oxígeno en solución en el tejido acorta el tiempo de relajación longitudinal del tejido (T1), y por lo tanto un cambio en la oxigenación de los tejidos puede detectarse como un cambio en la señal ponderada en T1con una imagen adquirida de recuperación de inversión. Tras un cambio abrupto entre dos concentraciones de oxígeno inspirado, la velocidad a la que el tejido pulmonar dentro de un vóxin se equilibra con un nuevo estado estacionario refleja la velocidad a la que se reemplaza el gas residente por el gas inhalado. Esta tasa se determina por la ventilación específica. Para provocar este cambio repentino en la oxigenación, los sujetos respiran alternativamente 20 bloques de aliento de aire (21% de oxígeno) y 100% de oxígeno en el escáner de RMN. Un cambio gradual en la fracción de oxígeno inspirada se logra mediante el uso de un sistema de derivación de flujo impreso tridimensional (3D) con un interruptor manual durante una retención de respiración espiratoria corta final. Para detectar el cambio correspondiente en T1, se usó un pulso de inversión global seguido de una secuencia de eco de giro rápido de un solo disparo para adquirir imágenes bidimensionales t1ponderadas en un escáner MRI de 1,5 t, utilizando una bobina de torso de ocho elementos. Es posible la creación de imágenes de una sola rebanada y de varias rebanada, con parámetros de imagen ligeramente diferentes. La cuantificación de la ventilación específica se logra correlacionando el tiempo-curso de la intensidad de la señal para cada voxel pulmonar con una biblioteca de respuestas simuladas al estímulo del aire/oxígeno. Las estimaciones de SVI de heterogeneidad de ventilación específica han sido validadas contra múltiples lavados respiratorios y demostraron determinar con precisión la heterogeneidad de la distribución de ventilación específica.

SVI de una sola rebanada en un sujeto saludable Las imágenes de ventilación específicas producen mapas cuantitativos de ventilación específica, como se muestra en la figura 3a, que representa una sola rebanada en el pulmón derecho de una hembra sana de 39 años de edad. Observe la presencia del gradiente vertical esperado en la ventilación específica; la porción dependiente del pulmón presenta una ventilación específica más alta que la por...

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

La toma de imágenes de ventilación específica es una técnica de resonancia magnética funcional que permite la cuantificación de la ventilación regional específica en el pulmón humano, utilizando oxígeno inhalado como un agente de contraste. Aquí, presentamos un protocolo para recopilar y analizar datos de imágenes de ventilación específicos.

Mapeo cuantitativo de ventilación específica en el pulmón humano usando resonancia magnética de protones y oxígeno como agente de contraste

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

Imágenes específicas de ventilación, o SVI, es una técnica cualitativa de imágenes pulmonares que nos ayudará a profundizar en nuestra comprensión fundamental de la fisiología y el manejo de enfermedades respiratorias. El SVI no requiere radiación y solo requiere equipo comúnmente disponible, un escáner de RESONANCIA magnética y oxígeno médico. Esto hace que sea seguro para los niños e ideal para estudios repetidos en adultos.La traducción de SVI a la práctica clínica puede mejorar el manejo del asma porque nos permitirá identificar las zonas más afectadas por la enfermedad. La capacidad de mapear los cambios dentro del pulmón en respuesta a la terapia puede ayudar a optimizar la terapia de inhalación e informar las opciones terapéuticas individualizadas. Ayudando a demostrar este procedimiento está Vincent Tedjasaputra, un becario postdoctoral del Departamento de Medicina.Comience el procedimiento, obtenga el consentimiento informado por escrito del sujeto y describa los riesgos potenciales que presenta la exposición a campos magnéticos que cambian rápidamente y la posible incomodidad del uso de una máscara facial y el gas seco respirable. Confirme que el sujeto puede someterse de forma segura a una resonancia magnética utilizando el cuestionario de detección de seguridad de resonancia magnética o RMN aprobado localmente. Entrena al sujeto para que respire a tiempo con la secuencia de exploración de RM y mide las dimensiones de la nariz a la barbilla del sujeto para determinar el tamaño de la máscara facial que mejor se adapte al sujeto.A continuación, verifique que los bolsillos y la ropa del sujeto estén libres de tarjetas de crédito magnéticas y piezas metálicas que contengan hierro. Para preparar el escáner MR, conecte una bobina de torso al conector adecuado en la mesa del escáner para configurar el escáner para su uso y coloque hojas, almohadillas y almohadas en la mesa del escáner para que el sujeto se sienta cómodo durante al menos 30 minutos de imágenes. Para montar el sistema de suministro de oxígeno, coloque una válvula de conmutación bidireccional al alcance del operador del escáner y utilice una pieza de tubo de plástico de ocho metros de longitud de un cuarto de pulgada de diámetro para conectar el suministro de oxígeno a una entrada de la válvula de conmutación.Conecte la salida de la válvula de conmutación en la sala de control a la tubería de plástico de un cuarto y alimente el tubo a través del paso a través de la sala de control a la sala del escáner, teniendo cuidado de que el tubo llegue al centro del orificio del escáner. Asegure la fijación de derivación de flujo a la máscara facial para el sujeto. Conecte el extremo de latón de media pulgada del tubo al accesorio de la máscara de derivación de flujo.Establezca la presión sobre el regulador de salida de suministro de oxígeno en un valor que produzca un flujo de oxígeno mayor que el flujo inspiratorio pico esperado de acuerdo con la naturaleza del estudio y la resistencia general del sistema de suministro de gas. A continuación, active el flujo de oxígeno para probar la válvula del interruptor, asegurándose de que haya un flujo adecuado en la salida del accesorio de derivación de flujo y de que no haya fugas en el tubo de plástico. Para preparar el sujeto para la toma de imágenes, haga que el sujeto se encuentre en la mesa del escáner asegurándose de que la parte superior del elemento de bobina inferior es más alta que los hombros del sujeto para asegurarse de que la parte superior del elemento de bobina inferior proporciona una cobertura adecuada de los ápices pulmonares.Haga que el sujeto inserte los tapones para los oídos y verifique que el sonido se está bloqueando. Tape un mecanismo de seguridad a la muñeca del sujeto para que pueda ser fácilmente accedido y conecte la máscara y el sistema de derivación de flujo a la cara del sujeto. Ocluya brevemente el lado espiratorio del accesorio de derivación de flujo y pida al sujeto que intente una inspiración y una expiración normales para comprobar si hay fugas.Ahora cargue el sujeto en el escáner utilizando la herramienta de centrado de luz para asegurarse de que la bobina de torso ocupa el centro del agujero y guíe la línea de derivación de flujo para asegurar la comodidad del sujeto mientras mueve el sujeto hacia el centro del escáner. Después de seleccionar la ubicación pulmonar para las rebanadas de imágenes, adquiera una secuencia localizadora para obtener un mapa anatómico que se utilizará para prescribir el resto del examen. Utilice la interfaz gráfica de usuario del escáner para hacer clic y arrastrar el sector de imágenes centrado en el campo pulmonar dirigido a la región de interés a la ubicación deseada para seleccionar hasta cuatro sectores pulmonares sagitales que se van a estudiar.A continuación, tome nota de la ubicación de las rebanadas de imágenes con respecto a la ubicación de la columna vertebral para que se pueda volver a crear una imagen del mismo volumen para estudios longitudinales. Para imágenes de ventilación específicas, establezca el tiempo de inversión en el equipo MR para la rebanada más medial en 1100 milisegundos para obtener el máximo contraste de oxígeno del aire, el número de repeticiones en 220 y el tiempo de repetición a cinco segundos. Supervise la consistencia del volumen pulmonar y la expiración del sujeto durante las adquisiciones posteriores y proporcione retroalimentación para mejorar la calidad si es necesario.Cambie la mezcla de gas inspirada en el sujeto cada 20 respiraciones durante la retención de la adquisición de la respiración para la comodidad del sujeto, alternando entre el aire de la habitación y el oxígeno médico. Compruebe el oxímetro de pulso regularmente para verificar la frecuencia cardíaca y la saturación de oxígeno y consulte con el sujeto con frecuencia para dar actualizaciones periódicas del tiempo restante. Después de la respiración 220, la imagen está completa.Devuelva el sujeto al aire de la habitación y retírelo del escáner. Para crear un mapa de ventilación específico, importe las imágenes para el registro en el software de análisis de imágenes e inspeccione visualmente toda la pila de 220 imágenes para seleccionar la imagen para cada sector que mejor represente la capacidad residual funcional. Utilizando la imagen de modo como referencia, utilice un registro proyectivo o fino para registrar todas las imágenes en la referencia de capacidad residual funcional y cuantificar la ventilación específica en el pulmón desde la pila registrada utilizando un algoritmo adecuado.Se creará un mapa de la ventilación específica. SVI produce mapas cuantitativos de ventilación específica, por ejemplo, como se muestra en esta imagen de una sola rebanada en el pulmón derecho de una mujer sana de 39 años. Observe la presencia del gradiente vertical esperado en la ventilación específica con la porción dependiente del pulmón presentando una ventilación específica más alta que la porción no dependiente del pulmón.Un histograma de los valores de ventilación específicos del mapa con una función de distribución de probabilidad normal del registro de mejor ajuste permite utilizar el ancho de la distribución de mejor ajuste como una métrica de heterogeneidad de ventilación específica. Aquí, se muestra un lavado de aliento múltiple adquirido en el mismo sujeto en la misma postura. El registro temporal de la concentración de nitrógeno se midió en la boca después de un cambio de aire inspirado a 100% de oxígeno inspirado.En esta distribución de ventilación específica según lo estimado a partir del lavado tanto para imágenes de ventilación específicas como para el lavado de múltiples respiraciones, se encontró que la anchura de la distribución estaba dentro de un rango normal saludable. Entrenar a los sujetos a respirar a tiempo con el escáner y darles retroalimentación durante la adquisición puede ayudar a garantizar datos de buena calidad. En combinación con las mediciones de densidad y perfusión, SVI se puede utilizar para mapear la relación local de ventilación con perfusión y medida de la eficiencia de intercambio de gas.Esta técnica se ha utilizado para entender la distribución de la ventilación después del ejercicio extenuante y un panel especial de restricción bronquial repetida en el asma. El entorno de RMN requiere atención a la seguridad, ya que un campo magnético fuerte está siempre activado y los objetos ferromagnéticos pueden convertirse en proyectiles, lo que resulta en lesiones.

Research

JoVE Journal

Medicine

Magnetic Resonance Derived Myocardial Strain Assessment Using Feature Tracking

Evaluación de Resonancia Magnética Derivado deformación miocárdica mediante función de seguimiento

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 ...

Investigación

Medicina

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

La cuantificación de resonancia magnética de imagen de perfusión pulmonar con etiquetado calibrado arterial spin

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

Multimodal de imágenes de la angiogénesis en un modelo de rata desnuda de las metástasis óseas del cáncer de pecho utilizando imágenes de resonancia magnética, tomografía computarizada y la ecografía volumétrica

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

En vivo los macrófagos de imágenes utilizando MR Agente de contraste dirigida para la Evaluación Longitudinal de Artritis séptica

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

Imágenes por resonancia magnética cuantitativa de la enfermedad del músculo esquelético

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 mejorada de imagen de resonancia magnética de un modelo ortotópico de cáncer pancreático del ratón

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

El fósforo-31 espectroscopía de resonancia magnética: una herramienta para medir<em&gt; En Vivo</em&gt; Capacidad de la fosforilación oxidativa mitocondrial en el músculo esquelético humano

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

Resonancia magnética cardiaca en 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

En Vivo Análisis morfométrico de los nervios craneales de humanos usando resonancia magnética en la enfermedad orejas y oídos de la audiencia Normal de Menière

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

Fase contraste resonancia magnética en la arteria carótida común de rata

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