Магнитно-резонансная томография Количественное легочной перфузии с использованием калиброванных Артериальная Маркировка спиновой
30 мая 2011 г.
Метод МРТ для изучения распределения легочного кровотока при различных физиологических состояниях, в данном случае воздействия трех различных концентраций кислорода вдохновили: гипоксия, нормоксии и гипероксии, описывается. Эта техника использует человеческие легочной методов исследования физиологии в среду сканирования МР.
Общая цель следующего эксперимента заключается в использовании физиологических методов в сочетании с магнитно-резонансной томографией для неинвазивного измерения распределения легочного кровотока при различных условиях вдыхаемого кислорода. Это достигается путем предварительного обучения испытуемого задержке дыхания на уровне функциональной остаточной емкости во время получения изображений и дыханию в интервалах между снимками для обеспечения сбора серии изображений. На втором этапе испытуемому надевают лицевую маску и подключают вдоховые и выдоховые трубки для подачи различных газовых смесей и сбора проб выдыхаемого газа с целью проведения метаболических измерений.
Затем в МР-сканере, после получения локализационного изображения, используются последовательности магнитно-резонансной артериальной разметки (ASL) и многоэховая быстрая градиентная эхо-последовательность для получения изображений легочного кровотока и плотности протонов. Полученные изображения подвергаются количественному анализу для определения распределения легочного кровотока, выраженного в миллилитрах в минуту на грамм, на основе двух различных МР-изображений. Основным преимуществом данного метода является возможность неинвазивного измерения легочной перфузии in vivo без воздействия ионизирующего излучения, что позволяет проводить повторные измерения.
Этот метод позволяет получить представление о механизмах, контролирующих пространственное распределение легочного кровотока, а также может быть использован для изучения других физиологических механизмов в условиях МС-сканирования. Демонстрацией процедур сегодня займутся аспирант Себастьян Верта и постдокторанты нашей лаборатории TSIA rye и RU Carlos SA. Перед началом эксперимента необходимо получить письменное информированное согласие от испытуемого, а также попросить его заполнить форму опроса по безопасности МРТ.
Также проведите физикальный осмотр, исследование функции внешнего дыхания и обучающую сессию, в ходе которой испытуемый научится задерживать дыхание на уровне функциональной остаточной емкости или FRC. Начните подготовку дыхательного оборудования, сначала закрепив маску на лице испытуемого. Маска с сетчатым креплением оснащена предварительно стерилизованным клапаном, предотвращающим повторный вдох, и трубками.
Обязательно проверьте маску на наличие утечек. Разместите газовые мешки в комнате со сканером и подключите их к баллону в помещении с консолью МРТ. Система должна быть настроена таким образом, чтобы исследователь мог добавлять газ в мешок, управляя газовым баллоном.
Регулятор обеспечивает нахождение газового мешка в поле зрения. В ходе эксперимента исследователь должен контролировать состояние мешка через окно помещения консоли, чтобы убедиться в достаточном объеме газа. В противном случае испытуемый может быть неспособен вдохнуть необходимую фракцию вдыхаемого кислорода; в данном случае фракции для гипероксических и гипоксических газов составляют 1.0 и 0.125 соответственно, а для нормоксического газа может использоваться комнатный воздух.
Убедитесь, что выдыхательная трубка имеет достаточную длину для соединения испытуемого в МР-сканере с метаболическим анализатором в помещении консоли МРТ через волновод. Метаболический анализатор, показанный здесь, измеряет объем выдыхаемого воздуха, а также концентрацию кислорода и углекислого газа в выдыхаемой смеси. На основании этих параметров он также рассчитывает различные показатели дыхательных объемов.
дыхательный объем VO₂ и дыхательный коэффициент. Попросите испытуемого лечь на спину ногами вперед на стол сканера; для максимального комфорта используйте подушки и пенопластовые подкладки. Затем подсоедините трубку для вдоха к соответствующей стороне маски испытуемого.
Трубка будет использоваться для подачи либо гипер- и гипоксических газов, либо нормоксического воздуха из майларовых пакетов через переключающий клапан. Также поместите электрод ЭКГ на грудную клетку испытуемого. Это позволит синхронизировать последовательность МРТ с артериальной разметкой спином (arterial spin labeling) и QRS-комплексом на электрокардиограмме испытуемого.
Обязательно проверьте клапан, чтобы убедиться в его нормальном функционировании. Предоставьте испытуемому беруши для защиты от шума сканера. Также, поскольку на испытуемом надета маска и он не может легко общаться с персоналом исследования, поместите в руку испытуемого сжимаемый мячик (грушу) и зафиксируйте его пластырем.
Это позволяет поддерживать связь с исследователями в случае необходимости оказания помощи. Наконец, закрепите пульсоксиметр на пальце испытуемого для мониторинга насыщения крови кислородом, что крайне важно при воздействии гипоксии. Теперь поместите два Mr Phantom на грудную клетку испытуемого.
Эти фантомы следует использовать для количественной оценки МР-сигнала во время постобработки. Затем поместите катушку для торса поверх фантомов. Катушка для торса используется для повышения отношения сигнал-шум МР-изображения по сравнению с катушкой всего тела за счет сокращения физического расстояния между приемником и объектом исследования.
Наконец, укройте испытуемого одеялом для обеспечения комфорта, прежде чем переместить его в центр апертуры МР-сканера. После того как испытуемый окажется в сканере, оператор должен часто разговаривать с ним, чтобы убедиться в его комфорте и напомнить о необходимости использовать сигнальную грушу в случае возникновения потребности в помощи. Далее мы настроим локализатор, который будет первым сканированием.
Это займет около 30 секунд. Просто расслабьтесь и дышите normally, пока слышны все эти щелчки и звуковые сигналы. Обязательно контролируйте ЭКГ, сатурацию кислорода, дыхательный объем, VO2 и VC O2. Первые несколько минут мониторинга особенно важны для обеспечения высокого качества данных.
Если эти значения выходят за пределы ожидаемых, необходимо повторно провести калибровку, а также проверить лицевую маску и трубки на наличие утечек. Сначала выполните локализационную последовательность для получения анатомических изображений торса испытуемого. Данная локализация занимает около 20 секунд.
Просто расслабьтесь. Дышите обычно на протяжении всей процедуры. Начинаем.
Теперь настройте артериальное спиновое маркирование — последовательность SL farer с полу-фурье преобразованием. Используйте схему однокадрового турбо-спинового эхо-визуализации, такую как haste, для получения данных о регионарной перфузии легких. Затем выберите сагиттальную плоскость в той части правого легкого, где расстояние от передней к задней стенке максимально.
Типичными значениями являются толщина среза 15 мм и поле обзора 40 см на 40 см. В данном случае сканирование выполняется с использованием сканера 1.5 Tesla GE HDX ex excite twin speed. Испытуемый будет слышать серию громких повторяющихся стучащих звуков, идущих парами.
Между этими звуковыми сигналами предусмотрен пятисекундный интервал, в течение которого испытуемый должен выполнить один дыхательный цикл. Сделайте вдох, затем выдох до уровня функциональной остаточной емкости (ФОЕ). Во время звучания сигнала испытуемый должен задержать дыхание, сохраняя объем легких на уровне ФОЕ.
Хотя испытуемые проходят ознакомление с техникой дыхания перед сканированием, первый запуск сбора изображений должен быть тестовым, чтобы испытуемый мог попрактиковаться в дыхании и задержке дыхания непосредственно в сканере. Оператор МРТ должен оценить качество изображений легких на основании движения диафрагмы. Если движение минимально, можно приступать к измерениям ASL, контролируя дыхательный объем во время сканирования.
Приблизительная цель. Дыхательный объем 500 миллилитров соответствует нормальной вентиляции. В последовательности A SL.
Получают два различных изображения с кардиологической синхронизацией. Время сканирования, соответствующее 80% RR-интервала, должно быть индивидуально установлено для каждого субъекта и каждого экспериментального условия; это гарантирует, что при вычитании двух изображений одно из них будет содержать сигнал крови за один период систолического выброса, что позволит исключить стационарный сигнал. В результате получается количественная карта объема крови, поступившей в плоскость изображения за один период систолического выброса.
В дополнение к изображениям A SL, получите изображение протонной плотности легких, используя многоэховую последовательность быстрого градиентного эха. Измерение протонной плотности позволяет выразить показатели перфузии в миллилитрах в минуту на грамм и учитывает деформацию легочной ткани. Внутри торакса субъект будет слышать непрерывный шум продолжительностью примерно 10 секунд во время этого сканирования; в течение этого времени он должен задерживать дыхание и находиться в состоянии FRC.
Расслабьтесь, дышите normally, всё прошло отлично. В данном эксперименте газы нормоксии или комнатного воздуха, гипоксии и гиперксии подаются испытуемым в сбалансированном порядке. Хотя при необходимости последовательность может варьироваться между испытуемыми, каждому испытуемому следует вдыхать определенный газ в течение примерно 20 минут для установления стационарного состояния в легочной ткани перед проведением МР-измерений перфузии и протонной плотности.
Затем следуйте тому же протоколу визуализации, который был описан в предыдущем разделе; перед началом визуализации выбирается 20-минутный период воздействия газа. Это обусловлено тем, что, хотя инициация реакции гипоксической легочной вазоконстрикции происходит в течение нескольких секунд, ответ на альвеолярную гипоксию не достигает максимума примерно до 20 минут, что соответствует цели данного конкретного исследования. Пост-обработка может быть выполнена с помощью специально разработанного программного обеспечения на базе MATLAB с использованием парных MGRE-изображений, полученных с помощью гомогенной катушки для всего тела и неоднородной катушки для торса.
Все изображения кровотока и плотности протонов могут быть скорректированы с учетом неоднородности катушки индивидуально для каждого субъекта. После коррекции вычитаемого изображения SL на неоднородность катушки можно количественно определить регионарный легочный кровоток в миллилитрах крови в минуту на воксель. Затем могут быть созданы нормализованные по плотности изображения перфузии.
Перфузия, нормированная по плотности, выражается в единицах миллилитров крови в минуту на грамм воды и рассчитывается путем деления изображения A SL на изображение протонной плотности для получения карт перфузии в миллилитрах в минуту на грамм легкого; здесь представлены примеры физиологических данных. Частота сердечных сокращений при гипоксии увеличилась, а сатурация снизилась. Ventilation составляла 8.31 литров в минуту.
BTPS при гипоксии составили 7,04 литра в минуту, при нормоксии — 6,64 литра в минуту. При гипер-оксии дыхательный объем составил 0,76 литра для гипоксии, 0,69 литра для нормоксии и 0,67 литра для гипер-оксии. Воздействие гипоксии увеличивает как вентиляцию, так и дыхательный объем, тогда как гипер-оксия снижает вентиляцию и дыхательный объем.
Здесь представлены три изображения перфузии с нормализацией плотности, полученные от одного испытуемого при трех различных концентрациях кислорода вдыхаемого воздуха. Результаты анализа данных о неоднородности перфузии приведены в таблице 2. Видно, что гипоксия привела к увеличению относительной дисперсии, в то время как остальные показатели остались практически без изменений.
При должном навыке эта процедура занимает менее двух часов при условии правильного выполнения. После просмотра данного видео вы получите четкое представление о том, как измерять легочную перфузию и проводить другие физиологические исследования в среде MR.Scanner.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании описывается метод магнитно-резонансной томографии (МРТ) для неинвазивного измерения распределения легочного кровотока при различных условиях вдыхаемого кислорода, включая гипоксию, нормоксию и гиперксию. Данный метод объединяет исследования физиологии легких человека с технологией МРТ.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Физиология
- Медицинская визуализация
Теоретическая часть
- Понимание легочной перфузии имеет решающее значение для оценки функции дыхания.
- Традиционные методы измерения кровотока могут быть связаны с воздействием ионизирующего излучения.
- Для повторных измерений предпочтительны неинвазивные методы.
- В данном исследовании используется МРТ, чтобы преодолеть ограничения существующих методов.
Цель исследования
- Для неинвазивного измерения легочной перфузии.
- Для оценки влияния различных концентраций кислорода на кровоток.
- Для обеспечения метода, позволяющего проводить повторные измерения без радиационного облучения.
Используемые методы
- Обучение испытуемых задержке дыхания на уровне функциональной остаточной емкости во время визуализации.
- Использование лицевых масок и газовых смесей для регулирования уровня вдыхаемого кислорода.
- Сбор проб выдыхаемого газа для метаболических измерений.
- Применение методов артериального спинового маркирования и последовательностей быстрого градиентного эха с несколькими эхо-сигналами при МРТ.
Основные результаты
- Количественное определение легочного кровотока в миллилитрах в минуту на грамм.
- Успешная визуализация при различных условиях подачи кислорода.
- Демонстрация возможностей неинвазивного измерения.
- Потенциал для повторных обследований в клинических условиях.
Выводы
- Метод МРТ представляет собой безопасную альтернативу для измерения легочной перфузии.
- Он позволяет изучать физиологические реакции на различные уровни содержания кислорода.
- Данный метод может расширить наше понимание физиологии легких.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Данный метод оценки легочной перфузии на основе МРТ позволяет проводить неинвазивное многократное измерение кровотока в легких в контролируемых условиях подачи кислорода, что способствует проведению механистических исследований сосудистого ответа без воздействия ионизирующего излучения. Он предоставляет количественные данные о перфузии на уровне вокселей, которые могут быть использованы для валидации мишеней в моделях легочных заболеваний путем установления связи между физиологическими стимулами и функциональными гемодинамическими результатами. Этот метод обеспечивает непрерывность доклинических исследований, позволяя проводить лонгитюдную оценку функции сосудов в релевантных системах заболеваний, что снижает зависимость от терминальных конечных точек и повышает прогностическую достоверность на ранних этапах поиска новых терапевтических средств.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверять терапевтические гипотезы относительно регуляции легочного кровотока путем количественной оценки изменений перфузии в ответ на гипоксические, нормоксические и гипероксические стимулы.
- Практическая ценность: способствует биологической проверке мишеней, участвующих в легочной вазоконстрикции или ремоделировании сосудов, с помощью воспроизводимого, нелучевого гемодинамического фенотипирования.
- Прогностическая ценность: нормированная по плотности перфузия (mL/min/g) представляет собой количественный, транслируемый показатель для оценки взаимодействия с мишенью и модуляции путей в доклинических моделях.
Скрининг и разработка анализа
- Готовность анализа: позволяет создавать стандартизированные карты перфузии с пространственным разрешением, которые могут быть использованы для валидации систем анализа, предназначенных для изучения функции легочных сосудов.
- Количественные показатели: коррекция плотности протонов обеспечивает расчет метрик перфузии, нормализованных по плотности, что улучшает сопоставимость данных при различных условиях и снижает вариабельность, вызванную деформацией или позиционированием тканей.
- Повторное использование платформы: комбинация последовательностей ASL и mGRE создает воспроизводимый рабочий процесс МРТ для лонгитюдного скрининга перфузии в программах разработки лекарственных средств, нацеленных на легочные пути.
Трансляционные и доклинические исследования
- Клиническая значимость: Позволяет оценивать показатели гетерогенности перфузии (например, относительную дисперсию, фрактальную размерность) в качестве потенциальных трансляционных биомаркеров в моделях легочной гипертензии или сосудистой дисфункции.
- Трансляционная преемственность: Связывает механизмы, выявленные на этапе фундаментальных исследований, с доклинической валидацией, обеспечивая согласованное измерение перфузии при различных парадигмах подачи кислорода.
- Прогресс с учетом рисков: Обосновывает принятие решений о продолжении или прекращении исследований (go/no-go), предоставляя объективные количественные данные о перфузии, отражающие реактивность сосудов при физиологическом стрессе.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод вписывается в континуум от поиска мишени до доклинических исследований, позволяя проводить гемодинамическое фенотипирование после модуляции мишени, но до оценки функциональной эффективности, что особенно актуально для исследований легочных сосудов.
- Поиск биологических мишеней: способствует проверке гипотез о сосудистых мишенях путем измерения перфузионных ответов на контролируемое воздействие кислородом, что помогает снизить риски при изучении механизмов.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные показатели перфузии, которые служат основой для стандартизации анализа и оценки эффекта соединений в легочной ткани.
- Аналитика: предоставляет нормализованную по плотности перфузию и индексы гетерогенности (относительная дисперсия, фрактальная размерность) в качестве многопараметрических выходных данных для сравнения экспериментальных условий.
- Трансляционные исследования: обеспечивает преемственность от исследований острых физиологических реакций к моделированию хронических заболеваний за счет возможности повторных измерений перфузии с течением времени.
- Корпоративное использование: создает стандартизированную возможность неинвазивного профилирования перфузии, применимую в различных программах по поиску мишеней в легких, без использования расходных индикаторов или затрат на обеспечение радиационной безопасности.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозов при валидации мишеней, связывая чувствительные к кислороду физиологические стимулы с количественными изменениями перфузии в легочной ткани.
- Практическая ценность: обеспечивает воспроизводимость и стандартизацию за счет физиологического гейтинга, коррекции по плотности протонов и контролируемой подачи газа, что минимизирует техническую вариабельность.
- Стратегическая ценность: снижает биологические риски на поздних стадиях разработки, позволяя на ранних этапах выявлять сосудистые осложнения или терапевтические эффекты в физиологически релевантных условиях.
- Влияние на портфель: способствует приоритизации мишеней легочного кровотока с учетом рисков, предоставляя объективные гемодинамические данные для принятия решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go).
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области физиологии легких, физики МРТ и физиологического мониторинга для обеспечения соблюдения испытуемым инструкций и качества данных во время протоколов задержки дыхания и газовых проб.
- Зависит от наличия МРТ-сканера с возможностью проведения артериального спинового маркирования и многоэховых последовательностей быстрого градиентного эха с кардиосинхронизацией и интеграцией системы подачи газа.
- Необходима межкомандная стандартизация между специалистами по визуализации, физиологами и аналитиками данных для обеспечения согласованного количественного определения перфузии и индексации гетерогенности.
- При переходе от здоровых людей к моделям заболеваний следует учитывать необходимость адаптации, особенно в отношении способности к задержке дыхания и динамики газообмена.
- Практические ограничения включают временные рамки сканирования, проблемы с соотношением сигнал/шум в легочной ткани, а также необходимость обучения испытуемого поддержанию функциональной остаточной емкости легких во время сбора изображений.
