דימות תהודה מגנטית כימות זלוף ריאתי באמצעות מכויל תיוג ספין העורקים
30 במאי 2011
שיטת הדמיה MR ללמוד את התפלגות זרימת דם ריאתי תחת מגוון רחב של מצבים פיזיולוגיים, בחשיפה במקרה זה שלושה ריכוזים שונים חמצן השראה: היפוקסיה, normoxia ו hyperoxia, הוא תיאר. טכניקה זו מנצלת האדם ריאתי טכניקות מחקר בפיזיולוגיה בסביבה סריקת MRI.
המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא להשתמש בטכניקות פיזיולוגיות בשילוב עם דימות בתהודה מגנטית כדי למדוד באופן לא פולשני את התפלגות הפרפוזיה הריאתית תחת תנאים שונים של חמצן נשאף. דבר זה מושג תחילה על ידי אימון הנבדק להחזיק את הנשימה בקיבולת שאריתית תפקודית במהלך רכישת הדימות, ולנשום במהלך המרווח שבין התמונות כדי לאפשר איסוף של מספר תמונות. כשלב שני, הנבדק מצויד במסכת פנים, וצינורות השאיפה והנשיפה מחוברים על מנת לספק לנבדק את תערובות הגזים השונות ולאסוף דגימות גז נשיפה לביצוע מדידות מטבוליות.
בשלב הבא בסורק ה-MRI, לאחר תמונת לוקליזציה (localizer), נעשה שימוש ברצפי arterial spin labeling ו-multi echo fast gradient echo על מנת לקבל תמונות של זרימת דם ריאתית וצפיפות פרוטונים. התמונות שהתקבלו מכומתות כדי לספק את התפלגות זרימת הדם הריאתית, המבוטאת במיליליטר לדקה לגרם, ונגזרת משתי תמונות ה-MR השונות. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שפרפוזיית הריאות נמדדת באופן לא פולשני in vivo ללא חשיפה לקרינה מייננת, מה שמאפשר מדידות חוזרות.
שיטה זו יכולה לספק תובנות לגבי המנגנונים השולטים בהפצה המרחבית של הפרפוזיה הריאתית, וניתן להשתמש בה גם כדי לחקור מנגנונים פיזיולוגיים אחרים בתוך סביבת סריקת ה-MS. את ההליכים ידגימו כעת TSIA rye, סטודנט לתואר שני Sebastian Verta, ו-RU Carlos SA, עמיתים פוסט-דוקטורט מהמעבדה שלנו. לפני ביצוע הניסוי, יש להשיג ראשית הסכמה בכתב ובאופן מושכל מהנבדק ולבקש ממנו למלא טופס סינון בטיחות ל-MRI.
בצעו בנוסף בדיקה גופנית, בדיקת תפקודי ריאה ומפגש הדרכה שבו הנבדק לומד כיצד להחזיק את נשימתו בקיבולת שיורית תפקודית, או FRC. התחילו בהכנת ציוד הנשימה על ידי התאמת המסכה על פניו של הנבדק. באמצעות אביזר רשת, המסכה מצוידת בשסתום למניעת נשימה חוזרת שעבר סטריליזציה מראש ובצינורות.
יש לוודא שאין דליפות במסיכה. יש להכין את שקי הגז בחדר הסורק ולחברם למכל בחדר קונסולת ה-MRI. הדבר צריך להיות מוגדר כך שהחוקר יוכל להוסיף גז לשק באמצעות מניפולציה של מכל הגז.
וודאו שהשקית של הגז נמצאת בשדה הראייה. במהלך הניסוי, על החוקר לנטר את השקית דרך חלון חדר הבקרה כדי להבטיח שנפח הגז מספיק. אחרת, ייתכן שהנבדק לא יוכל לשאוף את חלק החמצן השאוף; במקרה זה, עבור גזים היפראוקסיים והיפוקסיים, החלקים הם 1.0 ו-0.125 בהתאמה, ועבור גז נורמוקסי ניתן להשתמש באוויר החדר.
ודאו שצינור הנשימה של הנשיפה ארוך מספיק כדי להתחבר מהנבדק בסורק ה-MR, דרך מוליך גלים, אל עגלת המטבוליזם בחדר הבקרה של ה-MR. עגלת המטבוליזם המוצגת כאן מודדת את נפח האוויר שננשף וכן את ריכוזי החמצן והפחמן הדו-חמצני בתערובת הנשיפה. בהתבסס על פרמטרים אלו, היא מחשבת גם נפחי נשימה שונים.
EG, נפח הגאות VO two VC O2, וכן מנת הנשימה. הנח את הנבדק בשכיבה על הגב, כאשר הרגליים פונות קדימה על מיטת הסורק, והשתמש בכריות ובמגשי ספוג כדי למקסם את הנוחות. לאחר מכן, חבר את צינור הנשימה של השאיפה לצד השאיפה של מסכת הנבדק.
הצינור ישמש להגשת גזים היפראוקסיים והיפוקסיים או אוויר נורמוקסי משקי מיילר באמצעות שסתום מיתוג. כמו כן, יש להניח מדבקת EKG על חזה הנבדק. פעולה זו תאפשר לסנכרן את רצף ה-Mr.Sequence של סימון ספין עורקי (arterial spin labeling) למתחם ה-QRS באלקטרוקרדיוגרם של הנבדק.
יש לוודא שהשסתום תקין ופועל כסדרו. ספקו אטמי אוזניים כדי להגן על הנבדק מרעש הסורק. כמו כן, מכיוון שהנבדק עוטה מסכה ואינו יכול לתקשר בקלות עם צוות המחקר, מקמו כדור לחיצה בידו של הנבדק והדביקו אותו במקומו.
דבר זה מאפשר תקשורת עם החוקרים במקרה של צורך בסיוע. לבסוף, הצמד מד סטורציה (pulse oximeter) על אצבע הנבדק כדי לנטר את רמת רוויית החמצן, דבר הקריטי כאשר הנבדק נחשף להיפוקסיה. כעת, הנח שני Mr Phantoms על חזה הנבדק.
יש להשתמש בפנטומים אלו כדי לכמת את אות ה-MR במהלך עיבוד הנתונים (post-processing). לאחר מכן, הנח את סליל הגוף (torso coil) מעל הפנטומים. סליל הגוף משמש להגברת יחס אות לרעש של תמונת ה-MR בהשוואה לסליל הגוף הכללי (body coil), וזאת על ידי צמצום המרחק הפיזי בין המקלט לנבדק.
לבסוף, כסו את הנבדק בשמיכה כדי להבטיח את נוחותו לפני השחלתו למרכז פתח הסורק של ה-MR. לאחר שהנבדק נמצא בתוך הסורק, על המפעיל לשוחח עמו בתדירות גבוהה כדי לוודא שהוא מרגיש בנוח ולהזכיר לו להשתמש בכדור הלחיצה במידה ונדרש סיוע. כעת נבצע הגדרה לסריקת ה-localizer, שהיא הסריקה הראשונה.
זה יארך כ-30 שניות. אני מבקש ממך פשוט להירגע ולנשום באופן רגיל בזמן שכל הרעשים והנקישות נשמעים. הקפד לנטר את ה-EKG, רוויית החמצן, נפח הגאות, VO O2 ו-VC O2. הדקות הראשונות של הניטור חשובות במיוחד כדי להבטיח נתונים באיכות טובה.
אם ערכים אלו חורגים מהערכים הצפויים, יש לבצע את הכיול מחדש ולבדוק את מסכת הפנים ואת הצינורות לאיתור דליפות. ראשית, רכשו רצף לוקלייזר (localizer sequence) כדי לקבל את התמונות האנטומיות של פלג הגוף העליון של הנבדק. רצף לוקלייזר זה נמשך כ-20 שניות.
פשוט תירגע. נשום באופן רגיל לאורך כל התהליך. אנחנו מתחילים.
כעת הגדירו רצף arterial spin labeling, רצף SL farer עם רכישה של half Fourier. השתמשו בשיטת דימות single shot turbo spin echo, כגון haste, כדי לרכוש נתוני פרפוזיה ריאתית אזורית. לאחר מכן, בחרו את המישור הסגיטלי מהחלק של הריאה הימנית שבו המרחק מקדמה לאחור הוא הגדול ביותר.
עובי פרוסה של 15 millimeters ושדה ראייה של 40 centimeters על 40 centimeters הם טיפוסיים. כאן הסריקות מבוצעות באמצעות סורק 1.5 Tesla GE HDX ex excite twin speed. הנבדק ישמע סדרה של קולות דפיקה חזקים בזוגות.
קיים מרווח של חמש שניות בין הנקישות הללו, שבמהלכו על הנבדק להשלים מחזור נשימה אחד. יש לשאוף אוויר, ולאחר מכן לנשוף עד לתפליס השיורי התפקודי (functional residual capacity). במהלך צליל הנקישה, על הנבדק להחזיק את נשימתו ולהישאר בנפח ריאה של FRC.
למרות שהנבדקים עוברים הדרכה על טכניקת הנשימה לפני הסריקה, הרצה הראשונה של רכישת התמונות צריכה להיות הרצת ניסיון, כדי שהנבדק יוכל לתרגל את הנשימה ואת עיכוב הנשימה בעודו בתוך הסורק. על מפעיל ה-MR להעריך את איכות תמונות הריאות בהתבסס על תנועת הסרעפת. אם התנועה מינימלית, ניתן להתחיל במדידות ה-ASL תוך ניטור הנפח השוטף (tidal volume) במהלך הסריקה.
המטרה המקורבת. נפח זרירה של 500 milliliters תואם לאוורור נורמלי. ברצף ה-A SL.
נרכשות שתי תמונות שונות בסינכרון למחזור הלב (cardiac gated). תזמון התמונה של 80% ממרווח ה-RR צריך להיקבע באופן אינדיבידואלי עבור כל נבדק ותנאי ניסוי, וזאת כדי להבטיח שהתמונה תכיל אות דם מתקופת פליטה סיסטולית אחת כאשר שתי התמונות מופחתו זו מזו, ובכך לבטל את האות הסטטי. התוצאה היא מפה כמותית של הדם שהגיע למישור התמונה במהלך תקופת פליטה סיסטולית אחת.
בנוסף לתמונות ה-A SL, רכשו תמונת צפיפות פרוטונים של הריאות באמצעות רצף echo fast gradient echo רב-הד. מדידת צפיפות הפרוטונים מאפשרת לבטא את מדידות הפרפוזיה במיליליטר לדקה לגרם, ומתחשבת בעיוות של רקמת הריאה. בתוך בית החזה, הנבדק ישמע רעש רציף שיימשך כ-10 שניות במהלך סריקה זו, ועליו להחזיק את נשימתו ולהישאר ב-FRC למשך משך הרעש.
הרגע, נשום כרגיל, זה נראה מצוין. עבור ניסוי זה, גזים של נורמוקסיה (אוויר חדר), היפוקסיה והיפרוקסיה מוצגים בסדר מאוזן בין הנבדקים. למרות שניתן לשנות זאת בין נבדקים במידת הצורך, נבדק צריך לנשום גז מסוים במשך כ-20 דקות כדי להגיע לתנאי מצב יציב (steady state) ברקמת הריאה לפני ביצוע מדידות MR של פרפוזיה וצפיפות פרוטונים.
לאחר מכן, יש לפעול לפי אותו פרוטוקול דימות שתואר בסעיף הקודם, כאשר נבחרה תקופה של 20 דקות של חשיפה לגז לפני הדימות. זאת מכיוון שבעוד שהתחלת התגובה של כיווץ כלי דם ריאתיים היפוקסיים (hypoxic pulmonary vasoconstriction) מתרחשת בתוך שניות, התגובה להיפוקסיה אלבולרית אינה מגיעה לשיאה עד לאחר כ-20 דקות, בהתאמה למטרתו של מחקר זה. ניתן לבצע עיבוד נתונים לאחר הצילום באמצעות תוכנה מותאמת שפותחה ב-MATLAB, תוך שימוש בתמונות MGRE זוגיות מהסליל הגופני ההומוגני ומהסליל הטורסו הבלתי הומוגני.
ניתן לתקן את כל תמונות זרימת הדם וצפיפות הפרוטונים עבור אי-הומוגניות של הסליל באופן פרטני לכל נבדק. לאחר שביצוע תיקון לאי-הומוגניות של הסליל בתמונה של a SL מחוסרת, ניתן לכמת את זרימת הדם הריאתית האזורית במיליליטרים של דם לדקה ל-voxel. לאחר מכן, ניתן ליצור תמונות פרפוזיה מנורמלות לפי צפיפות.
פרפוזיה מנורמלת לצפיפות מבוטאת ביחידות של מיליליטרים של דם לדקה לגרם מים, ומחושבת על ידי חלוקת תמונת ה-A SL בתמונת צפיפות הפרוטונים כדי לקבל תמונות של פרפוזיה במיליליטרים לדקה לגרם ריאה; לדוגמה, נתונים פיזיולוגיים מוצגים כאן. קצב הלב עלה במצב של היפוקסיה והרוויה ירדה. האוורור היה 8.31 ליטר לדקה.
BTPS במהלך היפוקסיה, 7.04 ליטר לדקה במהלך נורמוקסיה ו-6.64 ליטר לדקה. במהלך היפרוקסיה, נפח הגאות היה 0.76 ליטר עבור היפוקסיה, 0.69 ליטר עבור נורמוקסיה ו-0.67 ליטר עבור היפרוקסיה. חשיפה להיפוקסיה מגבירה הן את האוורור והן את נפח הגאות, בעוד שהיפרוקסיה מפחיתה את האוורור ואת נפח הגאות.
שלוש תמונות פרפוזיה מנורמלות לצפיפות שנאספו מנבדק אחד תחת שלוש ריכוזי חמצן שונים בשאיפה מוצגות כאן. תוצאות ניתוח הנתונים של הטרוגניות הפרפוזיה מופיעות בטבלה 2. ניתן לראות כי היפוקסיה הגבירה את הפיזור היחסי, אולם שאר המדדים נותרו ללא שינוי משמעותי.
לאחר השליטה בטכניקה זו, ניתן להשלימה בפחות משעתיים אם היא מבוצעת כראוי. לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי אופן המדידה של פרפוזיה ריאתית וביצוע מחקרים פיזיולוגיים אחרים בסביבת ה-MR.Scanner.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מתאר שיטת דימות תהודה מגנטית (MRI) למדידה לא פולשנית של התפלגות זרימת הדם הריאתית תחת תנאים משתנים של חמצן בשאיפה, כולל היפוקסיה, נורמוקסיה והיפרוקסיה. הטכניקה משלבת מחקר בפיזיולוגיה ריאתית אנושית עם טכנולוגיית MRI.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- פיזיולוגיה
- דימות רפואי
רקע
- הבנת הפרפוזיה הריאתית חיונית להערכת התפקוד הנשימתי.
- שיטות מסורתיות למדידת זרימת דם עשויות לכלול קרינה מייננת.
- טכניקות לא פולשניות מועדפות עבור מדידות חוזרות.
- מחקר זה עושה שימוש ב-MRI כדי להתגבר על מגבלותיהן של שיטות קיימות.
מטרת המחקר
- למדידה לא-פולשנית של פרפוזיה ריאתית.
- להערכת ההשפעות של ריכוזי חמצן שונים על זרימת הדם.
- לספק שיטה המאפשרת מדידות חוזרות ללא חשיפה לקרינה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- נבדקים שהוכשרו להחזיק את הנשימה בקיבולת שארית תפקודית (FRC) במהלך ההדמיה.
- שימוש במסכות פנים ובתערובות גזים כדי לשלוט ברמות החמצן השאף.
- איסוף דגימות גז נשיפה למדידות מטבוליות.
- יישום רצפי arterial spin labeling ו-multi-echo fast gradient echo ב-MRI.
תוצאות עיקריות
- כימות של זרימת דם ריאתית במיליליטרים לדקה לגרם.
- דימות מוצלח תחת תנאים משתנים של חמצן שאיפה.
- הדגמה של יכולות מדידה לא פולשניות.
- פוטנציאל להערכות חוזרות במסגרות קליניות.
מסקנות
- טכניקת ה-MRI מספקת חלופה בטוחה למדידת הפרפוזיה הריאתית.
- היא מאפשרת לחקור תגובות פיזיולוגיות לרמות חמצן שונות.
- שיטה זו יכולה להעמיק את הבנתנו את הפיזיולוגיה הריאתית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסגרת ניהולית
שיטת פרפוזיה ריאתית זו, המבוססת על MRI, מאפשרת מדידה חוזרת ולא פולשנית של זרימת הדם בריאות תחת תנאי חמצן מבוקרים, ובכך היא תומכת במחקרים מכניסטיים של תגובה כלי-דם ללא חשיפה לקרינה מייננת. היא מספקת נתונים כמותיים של פרפוזיה ברמת הווקסל (voxel), שיכולים לסייע בתיקוף מטרות במודלים של מחלות ריאה על ידי קישור גירויים פיזיולוגיים לתוצאות המודינמיות תפקודיות. הטכניקה תומכת ברציפות פרה-קלינית על ידי מתן אפשרות להערכה אורכית של תפקוד כלי-דם במערכות רלוונטיות למחלה, מה שמפחית את ההסתמכות על נקודות סיום סופיות (terminal endpoints) ומגביר את הביטחון החזוי בשלבי הגילוי המוקדמים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות הנוגעות לוויסות כלי הדם בריאות באמצעות כימות שינויים בפרפוזיה בתגובה לגירויים היפוקסיים, נורמוקסיים והיפראוקסיים.
- ערך תפעולי: תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים של מטרות המעורבות בכיווץ כלי דם ריאתי או במידול מחדש של כלי דם, באמצעות פנוטיפ hemodynamic הניתן לשחזור וללא קרינה.
- ערך ניבוי: פרפוזיה מנורמלת לדנסיות (mL/min/g) מספקת מדד כמותי וניתן להסבה להערכת מעורבות המטרה (target engagement) ומודולציה של מסלולים במודלים פרה-קליניים.
סריקה ופיתוח בדיקות
- מוכנות הבדיקה: מייצר מפות פרפוזיה סטנדרטיות בעלות רזולוציה מרחבית, שניתן להשתמש בהן כדי לתקף מערכות בדיקה שנועדו לבחון תפקוד של כלי הדם בריאות.
- פלט כמותי: תיקון צפיפות פרוטונים מאפשר מדדי פרפוזיה מנורמלים לצפיפות, דבר המשפר את היכולת להשוות בין תנאים שונים ומפחית שונות הנובעת מעיוות רקמה או ממיקום.
- שימוש חוזר בפלטפורמה: השילוב של רצפי ASL ו-mGRE מבסס תהליך עבודה שחזר MRI לסריקות פרפוזיה אורכיות בתוכניות לגילוי תרופות המכוונות למסלולים ריאתיים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- רלוונטיות למחלה: מאפשר הערכה של מדדי הטרוגניות של פרפוזיה (למשל, פיזור יחסי, ממד פרקטלי) כסמנים ביולוגיים תרגומיים פוטנציאליים במודלים של יתר לחץ דם ריאתי או תפקוד לקוי של כלי דם.
- המשכיות תרגומית: מגשר בין תובנות מכניסטיות משלב הגילוי לבין תיקוף פרה-קליני, על ידי מתן אפשרות למדידה עקבית של פרפוזיה לאורך פאראדיגמות של אתגרי חמצן.
- קידום מותאם סיכון: תומך בקבלת החלטות של go/no-go באמצעות אספקת נתונים כמותיים ואובייקטיביים של פרפוזיה המשקפים את התגובתיות של כלי הדם תחת עקה פיזיולוגית.
שילוב תהליכי עבודה ומסלולי עיבוד
השיטה משתלבת ברצף שבין שלב הגילוי לשלב הפרה-קליני על ידי מתן אפשרות לאפיון המודינמי לאחר מודולציה של המטרה אך לפני הערכת יעילות תפקודית, במיוחד במחקר של כלי הדם הריאתיים.
- ביולוגיה של גילוי: מקלה על בדיקת השערות לגבי מטרות כלי דם על ידי מדידת תגובות פרפוזיה לאתגרי חמצן מבוקרים, ובכך תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטיים.
- סריקה: מספקת קריאות פרפוזיה כמותיות הניתנות לשחזור, התומכות בסטנדרטיזציה של בדיקות ובהערכת השפעת תרכובות ברקאות.
- אנליטיקה: מספקת נתוני פרפוזיה מנורמלים לצפיפות ומדדי הטרוגניות (פיזור יחסי, ממד פרקטלי) כפלטים רב-פרמטריים להשוואה בין תנאים ניסיוניים.
- מחקר תרגומי: מאפשרת רציפות ממחקרי תגובה פיזיולוגית חריפה למודלים של מחלות כרוניות, על ידי מתן אפשרות למדידות פרפוזיה חוזרות לאורך זמן.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת יכולת סטנדרטית ולא פולשנית של פרופיל פרפוזיה, שניתן ליישמה במגוון תוכניות גילוי ריאתיות ללא צורך בסומנים מתכלים או בניהול בטיחות קרינה.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי בתיקוף המטרה על ידי קישור גרייתים פיזיולוגיים הרגישים לחמצן לשינויי פרפוזיה מדידים ברקאת הריאה.
- ערך תפעולי: מבטיח שחזוריות וסטנדרטיזציה באמצעות gating פיזיולוגי, תיקון צפיפות פרוטונים והגשה מבוקרת של גז, ובכך ממזער שונות טכנית.
- ערך אסטרטגי: מפחית סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים על ידי מתן אפשרות לגילוי מוקדם של פגיעות וסקולריות או השפעות טיפוליות בהקשרים רלוונטיים פיזיולוגית.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף של מטרות וסקולריות ריאתיות מותאם סיכון, על ידי אספקת נתונים המודינמיים אובייקטיביים לקבלת החלטות go/no-go.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בפיזיולוגיה של הריאות, פיזיקה של MRI וניטור פיזיולוגי כדי להבטיח את שיתוף הפעולה של הנבדק ואת איכות הנתונים במהלך פרוטוקולים של עיכוב נשימה ואתגרי גז.
- תלוי בגישה לסורק MRI המסוגל לבצע סימון ספין עורקי (arterial spin labeling) ורצפי echo מהיר במדרג רב-הד (multi-echo fast gradient echo) עם סנכרון לבבי (cardiac gating) ואינטגרציה של אספקת גז.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין צוותי הדימות, הפיזיולוגיה וניתוח הנתונים כדי להבטיח כימות פרפוזיה ומדד הומוגניות עקביים.
- כולל שיקולי התאמה בעת המעבר מנבדקים אנושיים בריאים למודלים של מחלות, במיוחד בנוגע ליכולת עיכוב הנשימה ולדינמיקה של חילופי גזים.
- מגבלות מעשיות כוללות אילוצי זמן סריקה, אתגרי יחס אות לרעש ברקמת הריאה, והצורך באימון הנבדק לשמירה על קיבולת שארית תפקודית (functional residual capacity) במהלך רכישת הדימות.
