キャリブレーション動脈スピンラベリングを用いた肺血流の磁気共鳴イメージングの定量化

本実験の目的は、生理学的手法と磁気共鳴画像法（MRI）を組み合わせて、吸入酸素条件の違いによる肺血流分布を非侵襲的に測定することである。まず、画像取得中の機能的残気量での息止めと、複数画像の収集を可能にするための画像間の呼吸について被験者にトレーニングを行う。次に、被験者にフェイスマスクを装着し、吸気および呼気チューブを接続することで、異なる混合ガスを被験者に供給し、代謝測定のための呼気ガスサンプルを採取する。

次にMRIスキャナーにて、slicing image（ローカライザー画像）の後、肺血流およびプロトン密度画像を得るために、動脈スピンラベル法（arterial spin labeling）およびマルチエコー高速グラジエントエコー法（multi echo fast gradient, echo sequences）を用います。得られた画像から定量化を行い、2種類の異なるMR画像から導出された、1分間あたり1グラムあたりのミリリットル（milliliters per minute per gram）で表される肺血流分布を算出します。この手法の主な利点は、電離放射線にさらされることなく、in vivoで非侵襲的に肺灌流を測定できるため、繰り返し測定が可能であることです。

この手法は、肺血流の空間分布を制御するメカニズムに関する洞察を提供し、またMSスキャン環境下での他の生理学的メカニズムの研究にも利用できます。本日の手順のデモンストレーションを行うのは、当研究室の大学院生であるSebastian Vertaと、博士研究員のCarlos SAです。実験を開始する前に、まず被験者から書面によるインフォームドコンセントを得て、MRI安全スクリーニングフォームに記入してもらってください。

また、身体診察、肺機能検査、および被験者が機能的残気量（FRC）で息を止める方法を習得するためのトレーニングセッションを実施します。次に、被験者の顔にマスクを装着し、呼吸装置のセットアップを開始します。メッシュアタッチメント付きのマスクには、滅菌済みの非再呼吸弁とチューブが備わっています。

マスクに漏れがないか必ず確認してください。ガスバッグをスキャナー室に設置し、MRIコンソール室にあるタンクに接続します。これは、研究者がガスタンクを操作することで、バッグにガスを追加できるように設定する必要があります。

レギュレーターを用いてガスバッグが視界に入っていることを確認します。実験中、被験者が十分なガス量を吸入できるよう、調査者はコンソールルームの窓越しにバッグを監視しなければなりません。そうしないと、被験者が指定の吸入酸素分率を吸入できない可能性があります。本ケースにおける高酸素ガスおよび低酸素ガスの吸入酸素分率は、それぞれ1.0および0.125であり、正常酸素ガスには室空気が使用可能です。

呼気呼吸チューブが、MRスキャナー内の被験者から導波管を経てMRコンソール室内の代謝カートまで十分に届く長さであることを確認してください。ここに示されている代謝カートは、呼気量および呼気中の酸素と二酸化炭素の混合濃度を測定します。これらのパラメータに基づき、さまざまな呼吸量も算出されます。

1回換気量 VO₂ および呼吸商を測定します。被験者をスキャナーベッドに足側から仰向けに寝かせ、枕やフォームパッドを使用して快適さを最大限に高めます。次に、吸気チューブを被験者のマスクの吸気側に接続します。

このチューブは、切替バルブを介してマイラーバッグから高酸素ガス、低酸素ガス、または常酸素空気のいずれかを投与するために使用します。また、被験者の胸部にEKGパッドを装着します。これにより、動脈スピン標識Mr.Sequenceを、被験者の心電図のQRS複合波に同期させることが可能になります。

バルブが正常に機能しているか必ず確認してください。スキャナーの騒音から被験者を保護するため、耳栓を着用させます。また、被験者はマスクを着用しており、研究スタッフとの円滑なコミュニケーションが困難であるため、被験者の手にスクイーズボールを配置し、テープで固定してください。

これにより、介助が必要な場合に研究者と連絡を取ることが可能になります。最後に、パルスオキシメーターを被験者の指に装着して酸素飽和度をモニタリングします。これは、被験者が低酸素状態にさらされる際に極めて重要です。次に、2つのMr Phantomを被験者の胸の上に配置します。

これらのファントムは、後処理におけるMR信号を定量化するために使用します。次に、ファントムの上にトルソーコイルを配置します。トルソーコイルは、受信機と被験者の間の物理的距離を短縮することで、ボディコイルと比較してMR画像の信号対雑音比（SNR）を向上させるために使用されます。

最後に、被験者を毛布で覆い、快適さを確保してからMRスキャナーのボア中央へ送り込みます。被験者がスキャナー内に入ったら、オペレーターは被験者が快適であるかを確認し、介助が必要な場合はスクイーズボールを使用するように促すため、頻繁に被験者に声をかける必要があります。そして、最初のスキャンであるローカライザーの準備を行います。

30秒ほどかかります。音が鳴ったりクリック音がしたりしますが、リラックスして通常通りに呼吸してください。EKG、酸素飽和度、1回換気量、VO O2、およびVC O2を必ずモニターしてください。高品質なデータを確保するため、モニタリングの最初の数分間が特に重要です。

これらの値が期待値から外れている場合は、キャリブレーションをやり直し、フェイスマスクとチューブに漏れがないか確認する必要があります。まず、被験者の体幹の解剖学的画像を取得するために、ローカライザーシーケンスを取得します。このローカライザーの所要時間は約20秒です。

リラックスしてください。そのまま自然に呼吸を続けてください。それでは始めます。

次に、ハーフフーリエ収集を用いた動脈血スピンラベル（ASL）法、SL法シーケンスを設定します。局所的な肺血流データを取得するために、HASTEなどのシングルショット高速スピンエコー法を用います。その後、右肺のうち、前後径が最大となる領域から矢状面を選択してください。

スライス厚は15 millimeters、視野（FOV）は40 centimeters × 40 centimetersとするのが一般的です。ここでは、1.5 Tesla GE HDX ex excite twin speedスキャナーを用いてスキャンを取得します。被験者には、大きな打撃音が2回一組の連続した音として聞こえます。

これらの打撃音の間には5秒間の間隔があり、被験者はその間に1回の呼吸サイクルを完了させる必要があります。息を吸い込み、その後、機能的残気量（FRC）まで息を吐き出します。打撃音が鳴っている間、被験者は息を止め、肺容量をFRCに維持しなければなりません。

被験者はスキャン前に呼吸法に習熟しますが、画像取得の最初のランは、被験者がスキャナー内で呼吸と息止めを練習できるようにテストランとする必要があります。MRオペレーターは、横隔膜の動きに基づいて肺画像の品質を評価してください。動きが最小限であれば、スキャン中の潮気量をモニタリングしながらASL測定を開始できます。

おおよその目標値です。500 millilitersの1回換気量は、正常な換気と一致します。A SLシーケンスにおいて。

2種類の心臓ゲート画像を取得します。RR間隔の80%という画像タイミングは、被験者および実験条件ごとに個別に設定する必要があります。これにより、2つの画像を減算した際に、画像に1回の収縮期駆出期の血液信号が含まれることが保証され、静止信号が相殺されます。その結果、1回の収縮期駆出期に画像平面に供給された血液の定量マップが得られます。

A SL画像に加えて、マルチエコー高速グラジエントエコー法を用いて肺のプロトン密度画像を取得します。プロトン密度を測定することで、灌流測定値を1gあたり1分間あたりのミリリットル（mL/min/g）で表記することができ、また肺組織の変形を補正することが可能になります。胸部において、被験者はこのスキャン中に約10秒間持続する連続音を聞くことになります。被験者はその音が鳴っている間、息を止め、FRC（機能的残気量）を維持しなければなりません。

リラックスして、通常通りに呼吸してください。今の状態で大丈夫です。本実験では、正常酸素（室気）、低酸素、および高酸素のガスを、被験者間でバランスよく順番に提示します。必要に応じて被験者ごとに順序を変更することも可能ですが、灌流とプロトン密度のMR測定を行う前に、肺組織内で定常状態を確立させるため、被験者は特定のガスを約20分間吸入する必要があります。

その後、前節で説明したものと同じ撮像プロトコルに従い、撮像前に20分間のガス曝露時間を設定します。これは、低酸素性肺血管収縮反応の開始は数秒以内に起こるものの、肺胞低酸素に対する反応は約20分経たないと最大にならないためであり、これは本研究の目的に合致しています。後処理は、均一なボディコイルと不均一なトルソコイルから得られたペアのMGRE画像を用い、MATLABベースのカスタム開発ソフトウェアを使用して行うことができます。

すべての血流およびプロトン密度画像について、被験者ごとにコイルの不均一性を補正することが可能です。減算後のSL画像をコイル不均一性に対して補正すると、局所肺血流量を1ボクセルあたり毎分の血液量（mL/min/voxel）で定量化できます。その後、密度で正規化した灌流画像を作成できます。

密度正規化灌流は、水1gあたりの1分間あたりの血液量（mL/min/g）として表され、ASL画像をプロトン密度画像で除することで、肺の灌流を1gあたり1分間あたりのミリリットルで示す画像として算出します。ここに生理学的データを示します。低酸素状態で心拍数が増加し、飽和度が低下しました。換気量は8.31 liters per minuteでした。

低酸素状態では BTPS で 7.04 liters per minute、正常酸素状態では 6.64 liters per minute でした。高酸素状態における 1 回換気量は、低酸素状態で 0.76 liters、正常酸素状態で 0.69 liters、高酸素状態で 0.67 liters でした。低酸素への曝露は換気量と 1 回換気量の両方を増加させ、一方で高酸素は換気量と 1 回換気量を減少させます。

1名の被験者から、3つの異なる吸入酸素濃度条件下で収集された、密度正規化済みの灌流画像3枚をここに示します。灌流不均一性のデータ解析結果を表2に示します。低酸素状態によって相対分散が増加しましたが、その他の指標はほとんど変化しなかったことがわかります。

この手法を習得し、適切に実施すれば、2時間以内に完了させることができます。このビデオを視聴することで、MR.Scanner環境において肺灌流を測定する方法や、その他の生理学的研究を行う方法について十分に理解することができるはずです。