Proton manyetik rezonans görüntüleme ve oksijen kontrast ajan olarak kullanarak ınsan akciğerinde spesifik havalandırma niceliksel haritalama

Spesifik havalandırma görüntüleme, insan akciğerinde bölgesel spesifik ventilasyonun ölçülmesine olanak sağlayan fonksiyonel bir manyetik rezonans görüntüleme tekniğidir ve bir kontrast maddesi olarak inhalasyonlu oksijen kullanıyor. Burada, özel havalandırma görüntüleme verilerini toplamak ve analiz etmek için bir protokol sunuyoruz.

Spesifik havalandırma görüntüleme (SVı), spesifik ventilasyonu ölçebilen fonksiyonel bir manyetik rezonans görüntüleme tekniğidir-akciğer bölgesine giren taze gaz oranı, insan akciğerinde sadece bir kontrast aracı olarak inhale oksijen. Belirli havalandırma bölgesel kantifikasyon patolojik Akciğer fonksiyonunun alanlarını belirlemeye yardımcı olma potansiyeline sahiptir. Doku çözeltisi oksijen doku uzunlamasına rahatlama süresini kısaltır (t₁), ve böylece doku oksijenasyon bir değişiklik T₁ağırlıklı sinyal bir değişiklik olarak tespit edilebilir bir inversiyon kurtarma elde görüntü. İki ilham oksijen konsantrasyonu arasında ani bir değişiklik sonrasında, bir Voksel içindeki akciğer dokusunun yeni bir sabit duruma dengelendiği oran, yerleşik gazın solumalı gaz ile değiştirilmesi oranını yansıtır. Bu oran belirli havalandırma ile belirlenir. Oxygenation bu ani değişikliği almak için, konular dönüşümlü hava 20-nefes blokları nefes (21% oksijen) ve 100% oksijen iken MRG tarayıcı. İlham oksijen fraksiyonunda bir step değişiklik özel bir üç boyutlu kullanımı ile elde edilir (3D)-kısa bir uç sırasında manuel bir switch ile baskılı akış bypass sistemi-süresi dolan nefes tutun. T₁' deki karşılık gelen değişikliği algılamak için, sekiz elemanlık bir gövde bobini kullanarak, 1,5 t MRG tarayıcıdaki iki boyutlu t₁ağırlıklı görüntüleri elde etmek için tek çekim hızlı spin Echo dizisinin ardından bir küresel inversiyon nabzı kullanılmıştır. Hem tek dilim hem de çok dilimli görüntüleme, biraz farklı görüntüleme parametreleriyle mümkündür. Hava/oksijen uyarıcı simüle tepkiler bir kütüphane ile her bir akciğer Voksel için sinyal yoğunluğu zaman-ders ilişkilendirerek belirli havalandırma miktarının elde edilir. Özel havalandırma heterojenitesi SVı tahminlerini birden fazla nefes yıkıma karşı doğrulanır ve doğru özel havalandırma dağılımı heterojenliği belirlemek için kanıtlanmıştır.

Spesifik havalandırma görüntülemenin (SVı) genel hedefi, kontrast maddesi olarak oksijen kullanan bir proton manyetik rezonans görüntüleme (MRG) tekniği¹ ― insan akciğerinde spesifik ventilasyonu niceli olarak eşleştirmeyi amaçluyor. Spesifik havalandırma, aynı akciğer bölgesinin son süresi dolması hacmine bölünmüş bir nefes içinde bir akciğer bölgesine teslim taze gaz oranıdır¹. Lokal akciğer yoğunluğu ölçümleri ile birlikte, bölgesel havalandırma²hesaplamak için özel havalandırma kullanılabilir. SVI tarafından sağlanan yerel havalandırma ve havalandırma heterojenliği ölçümleri, hem normal hem de anormal olarak^3,4akciğer fonksiyonları nasıl anlaşılması zenginleştirmek potansiyeli vardır.

Spesifik havalandırma görüntüleme, klasik Fizyoloji testinin bir uzantısıdır, birden fazla nefes yıkamayı (MBW), ilk olarak 1950 ' lerde tanıtıldı bir teknik,^5,6. Her iki teknikte de özel havalandırma heterojenliğini ölçmek için gaz washin/Washout kullanın, ancak MBW heterojenite sadece küresel önlemler sağlarken SVı, dağınık lokalize bilgi sağlar. MBW 'de bir kütle spektrometresi, Şekil 1' de tasvir edilen, bu gazın bir yıkanması sırasında birçok nefes üzerinde çözünmeyen bir gazın (azot, helyum, sülfür hekafluorid vb.) karışık süresi dolmuş konsantrasyonunu ölçmek için kullanılır. Yıkanabilir dönemde nefes başına süresi dolmuş hacmi ile birlikte, bu bilgiler akciğer belirli havalandırma genel dağılımı hesaplamak için kullanılabilir. SVı 'da, bir MRI tarayıcısı, çeşitli washin/washouts sırasında birçok nefes üzerinde her akciğer Vokalinde, akciğer dokusunda çözeltinin oksijen miktarı için bir vekil olan T₁ağırlıklı sinyalini ölçmek için kullanılır. oksijen. MBW 'ye doğrudan benzer bir şekilde, bu bilgiler her bir akciğer vokonerinin özel havalandırmasını hesaplamamıza olanak tanır. Diğer bir deyişle, teknik, bir SVı deneyi sırasında, her bir Voxel için bir tane paralel MBW benzeri deneyleri binlerce gerçekleştirir. Nitekim, böylece üretilen özel havalandırma uzamsal haritaları MBW özel havalandırma heterojenlik çıkışını kurtarmak için derlenebilir. Bir doğrulama çalışması⁷ iki metodolojilerin aynı konularda seri olarak gerçekleştirilen karşılaştırılabilir sonuçlar üretilen gösterdi.

Diğer Görüntüleme modaliteleri var, SVı gibi, havalandırma heterojenlik uzamsal önlemler sağlamak. Pozitron emisyon tomografi (PET)^8,9, tek foton emisyon bilgisayarlı tomografi (SPECT)^10,11, ve hiperpolarize gaz MRI^12,13 teknikleri kullanılmıştır sağlıklı ve anormal konularda havalandırma mekansal deseni ile ilgili literatür önemli bir vücut oluşturmak. Genel olarak, bu teknikler SVı üzerinde en az bir farklı avantaj vardır, sinyal-gürültü oranı karakteristik olarak daha yüksektir. Ancak, her teknik aynı zamanda karakteristik bir dezavantajı vardır: PET ve SPECT iyonlaştırıcı radyasyon pozlama içerir, ve hyperpolarize MRI yüksek uzmanlaşmış hiperpolarize gaz ve standart dışı Multi-çekirdekli donanım ile MR tarayıcı kullanımı gerektirir.

SVI, bir proton-MRI tekniği, genellikle bir kontrast aracı olarak inhale oksijen ile Tesla MR donanım 1,5 kullanır (her iki eleman sağlık alanında kolayca mevcuttur), klinik çevreye potansiyel olarak daha genelleştirilebilir hale. SVı oksijen uzunlamasına rahatlama süresini kısaltır gerçeği yararlanır (T₁) akciğer dokularının¹, hangi sırayla bir T₁ağırlıklı görüntü sinyal yoğunluğunda bir değişiklik çevirir. Böylece, ilham oksijen konsantrasyonunda değişiklikler uygun zamanlı MRG görüntüleri sinyal yoğunluğunda değişim neden. Bu değişikliğin ilham verici oksijen konsantrasyonu, genellikle hava ve% 100 oksijen ile ani bir değişimini takiben oranı, yerleşik gazın solunan gazla değiştirilmesi oranını yansıtır. Bu değişim oranı belirli havalandırma ile belirlenir.

SVı hiçbir iyonlaştırıcı radyasyon içerdiğinden, zaman içinde hastalar takip boyuna ve girişimsel çalışmalar için hiçbir kontrendikasyonları vardır. Böylece, hastalığın ilerlemesini incelemek veya bireysel hastaların tedaviye nasıl yanıt verdiğini değerlendirmek için idealdir. Göreli kolaylığı ve güvenli tekrarlanabilirlik nedeniyle, spesifik havalandırma görüntüleme, genel olarak, büyük efektler ve/veya zaman içinde veya birkaç farklı klinik yerlerde insan çok sayıda çalışmak isteyenler için ideal bir tekniktir.

Teknik¹, spesifik havalandırma görüntüleme (SVI) açıklayan orijinal yayın takiben hızlı tuzlu infüzyon etkisi odaklı çalışmalarda kullanılmıştır, duruş, egzersiz, ve bronkokonstriksiyon^{2,3 , 4 , 14 , 15}. özel havalandırma tüm akciğer heterojenitesi tahmin tekniği yeteneğini iyi kurulan birden fazla nefes yıkanma testi kullanılarak doğrulanmıştır⁷ ve daha son zamanlarda, bir bölgesel bir çapraz doğrulama yapıldı, tarafından SVı ve hiperpolarize gaz çoklu nefes spesifik havalandırma görüntüleme karşılaştırmak¹⁶. Bu güvenilir ve kolayca dağıtılabilir tekniği, niceliksel olarak insan akciğerinde spesifik havalandırma haritalama yeteneğine sahip, önemli ölçüde erken algılama ve solunum hastalığı tanısı katkıda bulunmak için potansiyele sahiptir. Ayrıca, bölgesel akciğer anomalilerini ölçmek ve terapiyle indüklenen değişiklikleri takip etmek için yeni fırsatlar sunar. SVI 'nın ilk kez ölçmemizi sağlayan bölgeye özgü akciğer fonksiyonunda yapılan bu değişiklikler, ilaçların ve inhale tedavilerin etkisini değerlendirmek için biyomarker olma potansiyeline sahiptir ve klinik çalışmalarda son derece yararlı bir araç olabilir.

Bu makalenin amacı, spesifik havalandırma görüntüleme metodolojisini ayrıntılı olarak ve görsel bir formda sunmaktır, böylece tekniğin daha fazla merkezlere yaygınlaştırılmasına katkıda bulunur.

California Üniversitesi, San Diego ınsan araştırma koruma programı bu protokolü onayladı.

1. konu güvenliği ve eğitimi

1. Konuyla ilgili yazılı ve bilgilendirilmiş onay alın. Hızla değişen manyetik alanlara maruz kalarak sunulan potansiyel riskleri ve yüz maskesinin ve solunum kuru gazı kullanmanın olası rahatsızlığını tanımlayın.
2. Yerel olarak onaylanmış MRG güvenlik taraması anketini kullanarak, konunun MR taramasını güvenle geçirebildiğinden emin olun.
3. Eğer konu, doğurganlık yaşı olan bir kadınsa ve gebelik durumunun belirsiz olması durumunda, ona bir aşırı gebelik testini kendi kendine yönetmesini isteyin. Konu hamileyse, konuyu çalışmanın geri kalanından dışlayın.
4. Konunun ağırlığını ölçün. Konuya teslim edilen radyo frekansı (RF) enerjisinin miktarını sınırlayan tarayıcı güvenliği parametreleri bu özelliğin girişini gerektirir. Konunun ağırlığı MRG tablosunun maksimal Ağırlık sınırının altında olduğunu doğrulayın (Bu durumda, 136 kg).
5. Bay tarama sırası ile zamanla nefes almak için konu tren. Tercihen, bir önceki tarama bir ses kaydı oynamak ve normalde nefes ve bir nefes tamamlamak için konu talimat her 5 s, kılavuz olarak tarayıcıdan ses ipuçlarını kullanarak; eğitim amacıyla konu ile birlikte nefes.
6. Konu burun-çene boyutlarını ölçerek konuya en uygun olan yüz maskesinin (Boyutlar, minyon 'dan ekstra büyük [XL] boyutuna kadar) boyutunu belirleyin. Uygun boyutta bir maske rahatça uyacaktır, ancak herhangi bir noktada maske ve konu derisi arasında hava sızıntısını önleyecek. Gerekirse diğer boyutlarda deneyin.
7. Konu cepleri ve giysiler manyetik tabanlı kredi kartları ve demir içeren metal parçaları ücretsiz olduğunu doğrulayın. Gerekirse, Mr tesisi tarafından sağlanan tıbbi elbisesi içine konu değişikliği var.
   Not: Metal MRI ortamında tehlikeli olabilir, ve klip gibi metalik nesneler (genellikle sütyen), metal halkalar (sütyen ve hoodies), metal düğme veya fermuarlar (gömlek, kazak), saç uzatma ve peruk görüntüleme eserler oluşturmak için potansiyele sahip.

2. MRG ortamının hazırlanması

1. Yalnızca MRG güvenliği konusunda eğitimli personelden tarayıcı odasına girmek veya bu deneyi gerçekleştirmenize yardımcı olmak için görüntüleme tesisi standartlarına izin verin.
2. Bobini tarayıcı tablosundaki uygun konektöre bağlayarak, MR tarayıcısını bir gövde bobini ile kullanmak üzere yapılandırın.
3. Tarayıcı tablosunu levhalar, pedler ve yastıklar ile hazırlayın, böylece konu görüntüleme sırasında en az 30 dakika rahat olacaktır.
4. Oksijen teslim sistemini birleştirin.
   Not: tüp şematik bir diyagram Şekil 2' de sunulur.
   1. Tarayıcı operatörünün veya SVı deneyi gerçekleştiren kişinin ulaşabileceği iki/üç yönlü anahtarlama valfi yerleştirin.
   2. Tıbbi oksijen tankını (tarayıcı odasının dışında) veya oksijen duvarı kaynağını (varsa) 1/4-inç plastik boru kullanarak anahtarlama vanasının bir girişine bağlayın.
   3. Kontrol odasında bulunan anahtar valfi çıkışına 8 m (tarayıcı için yeterli uzunlukta) 1/4-inç plastik boru bağlayın. Boruyu geçiş yoluyla, kontrol odasından tarayıcı odasına kadar besleyin ve tarayıcının delik ortasına ulaşdığından emin olun.
      Not: Akış bypass maskesi anahtarlama valfi çıkışı bağlayan plastik boru son 2 m çapı bir adım dahil, 1/4 inç 3/8 inç için 1/2 inç, akış bypass sistemine akan hava ile üretilen gürültü azaltmak için.
   4. Boru 1/2 inç ucunu akış bypass maskesi ekini bağlayın.
   5. Akış bypass ekini konuya uyan yüz maskesine sabitleyin.
   6. Gaz tankı veya duvar çıkış regülatörü üzerindeki basıncı, beklenen zirve inspiratuar akışından daha büyük bir oksijen akışı üreten bir değere ayarlayın. Gerekli basınç çalışma doğası (dinlenme, egzersiz, vb) ve gaz teslimat sisteminin genel direnç bağlıdır (genellikle ~ 70 psi adım açıklanan teslim sistemi için geri kalanı çalışmaları için 2.4.3).
   7. Oksijen akışını etkinleştirerek geçiş valfi test, emin yeterli akış akış bypass eki çıkışında mevcut ve hiçbir sızıntı plastik boru mevcut hale.

3. gösterge ve görüntüleme için konu hazırlama

1. Konu MRI masasında yatıyor. Alt-bobin elemanının üst alt-bobin eleman üst konu omuzlarından daha yüksek olduğundan emin yaparak, akciğer apices yeterli kapsama sağlar emin olun.
2. Konu kesici uç kulak fişlerini ve sesin engellendiğini doğrulayın.
3. Kolayca erişilebilir böylece sıkmak topu (veya alternatif bir emniyet mekanizması) konunun bilek teyp.
4. Maskeyi ve akış bypass sistemini konunun yüzüne takın. Kısa bir süre içinde akış bypass Ataşmanın sona erdirme tarafını okclude ve kaçak kontrol etmek için normal bir ilham ve son kullanma girişimi için konu isteyin.
5. Gövde bobinin delik merkezini kaplar olduğundan emin olmak için ışık merkezleme aracını kullanarak bu konuyu tarayıcıya yerleştirin.
6. Akış bypass hattını, giriş hattına sıkı sığdırılmış pirinç somunu kullanarak 3B baskılı akış bypass maskesi ekini bağlayın.

4. MRI görüntüleme

1. Görüntüleme dilimleri için anatomik konumu seçin.
   1. Sınavın geri kalanını reçete etmek için kullanılacak anatomik bir harita elde etmek için bir yerelleştirici dizisi edinin.
   2. Tarayıcı grafik kullanıcı arabirimini kullanarak görüntüleme dilimini istediğiniz konuma tıklayarak ve sürükleyerek incelenecek en fazla 4 sagittal akciğer dilimi seçin. Tipik olarak, görünüm alanı 40 x 40 cm ve dilim kalınlığı için 1,5 cm olarak ayarlanır. çalışma için faiz bölgesini hedefleyen akciğer alanında ortalanmış dilimler seçin, genellikle büyük pulmoner damarların medial ve göğüs duvarının sızmasını en aza indirir örneklenen akciğer hacmi maksimize.
      Not: Dilim seçimi herhangi bir düzlemde yapılabilir; 4 dilime kadar seçilebilir. Gösteri amacıyla, bir dilim elde edilecektir.
   3. Aynı hacim uzunlamasına çalışmalar için reimaged böylece spinal sütun konumuna göre görüntüleme dilimleri konumunu not edin.
2. Spesifik havalandırma görüntüleme
   Not: tıpık MRI parametrelerinin listesi Tablo 1' de sunulur.
   1. Hava-oksijen kontrast¹⁷maksimize etmek için 1.100 ms en medial dılım için Mr bilgisayarda inversiyon süresini ayarlayın.
   2. Görüntüleme edinme için alım parametrelerini (Tablo 1) ayarlayın. Çok dilim edinme için, her ek dilim, 235 MS (1.335 MS, 1.570 MS, 1.805 MS) aralıklarla ilk sonra elde edilir.
      Not: İnversiyon kurtarma nabız ve zaman aralığı (inversiyon süresi ile açıklanan) takiben, her dilim görüntü bir Half-Fourier tek atış Turbo spin-Echo (HASTE), 128 x 128 çözünürlükte (70-çizgiler k-Space örneklenen) kullanılarak elde edilir; görüntüler 256 x 256 çözünürlüğe yeniden oluşturulur.
   3. 220 için tekrarlama sayısını ve yineleme süresini (TR) 5 sn olarak ayarlayın. Bu, 4.2.1 ve 4.2.2 Toplam 220 ardışık nefes, 5 s ayrı yinelenen neden olur. Resmi satın alma ile zaman içinde onun nefes kendi gönüllü Gate konu isteyin.
      Not: Görüntü, fonksiyonel kalıntı kapasitesinde (FRC) kısa bir gönüllü solunum kesintisi sırasında normal bir süre sonunda elde edilir. Bu ardışık alımlar her biri sırasında benzer bir akciğer hacmi tutarlı bir şekilde ulaşılır önemlidir.
   4. Sonraki satın almalar sırasında konunun akciğer hacminin (bitiş sona erme) tutarlılığı izleyin ve gerekirse kalitesini artırmak için geribildirim sağlar. Eğer konu her 5 s tutarlı bir akciğer hacmi ulaşmak zor bulursa TR (Art arda satın alma arasındaki zaman aralığı) artırın.
   5. Konu esintili gaz karışımı her 20 nefes (satın alma nefesi sırasında konunun konforu için), oda hava ve tıbbi oksijen arasında alternatif geçiş. Anahtarların ne zaman oluştuğunu ve konunun her bir gazı nefes aldığı aralıkları not edin. Düşük ventilasyon akciğer bölgelerine duyarlılık artırmak için deneme (genellikle nefes 20-60 veya 180-220) bir noktada 40 ardışık nefes için% 100 oksijen konu nefes izin verin.
   6. Kalp hızını düzenli olarak doğrulayın (normal konular için 40 − 80) ve oksijen doygunluğu (genellikle 98 −% 100) Nabız oksimetre bakarak (Şekil 2); Normdan sapmalar sıkıntı veya anksiyete sinyal olabilir.
   7. Tarayıcı klavyesine Push-to-Talk düğmesine basarak sıkça konu ile konuşun, kalan zaman düzenli güncellemeleri vererek.
   8. Nefes 220 sonra, görüntüleme tamamlandı. Konuyu Oda havasına geri götürün ve tarayıcıdan onu çıkarın.

5. bir zaman serisi görüntülerin belirli bir havalandırma haritası oluşturma

1. Bir yığın 220 her akciğer dilimi için ardışık MR görüntülerinin elde edildiğini doğrulayın.
2. Görüntüleri kayıt için görüntü analiz yazılımına (örn. MATLAB) alın.
3. 220 görüntüleri, tüm görüntü yığını görsel muayene tarafından, en iyi fonksiyonel kalıntı kapasitesini temsil eden her dilim için seçin. Fonksiyonel kalıntı kapasitesi, yığında akciğer hacimlerinin "modu" olarak tanımlanır.
4. "Mod" görüntüsünü referans olarak kullanarak, tüm görüntüleri fonksiyonel kalan kapasite referansına kaydetmek için projektif veya afin kaydını kullanın.
   Not: Kayıt genellikle ev¹⁸ veya genel olarak kullanılabilir Genelleştirilmiş-çift Bootstrap yinelemeli en yakın nokta algoritması (gdb-ICP¹⁹) geliştirilen bir algoritma kullanılarak gerçekleştirilir.
5. Her görüntünün alan değişikliği hesaplamak için kayıt algoritması çıktısını kullanın. Kayıt adımını gereken görüntüleri atın >% 10 alan görüntü yığınından değiştirin ve bunları eksik veri²⁰olarak kabul edin.
6. Ev^1,7geliştirilen bir algoritma kullanarak kayıtlı yığınından akciğerde spesifik havalandırma ölçmek. Her bir Voksel 'in zaman yanıtını ardışık oksijen yıkama ve yıkama serilerine, 50 simulasyon, gürültüsüz, yanıtlara, 0,01 ile 10 arasında değişen spesifik ventilasyonlara karşılık gelen bir kütüphaneye% 15 artışlarla karşılaştırarak ölçmek yapın. Her Voksel, ilk olarak¹' de sunuldukları gibi, her bir vokalin zaman serisiyle maksimal korelasyon sunan, simüle edilen ideal özel ventilasyona karşılık gelen özel havalandırma değerine atanır.
7. Önceki adımın çıkışı özel havalandırma haritasına sahiptir. Dağıtım bir histogram oluşturmak ve belirli havalandırma dağılımı, özel havalandırma heterojenlik bir ölçü, gelgit hacminin bağımsız bir ölçüsü hesaplamak.

6. spesifik havalandırma ve yoğunluk haritalarını bölgesel alveolar havalandırma hesaplamak için birleştirerek

1. SVı ek olarak, akciğer proton yoğunluğu görüntüleri²¹elde, önceki bir çalışmada açıklandığı gibi²² (Bölüm 4,4 ve 5,1 referans²²). Aynı akciğer hacmi (FRC, normal bir sona erme sonu) aynı akciğer dilim (ler), proton yoğunluğu görüntüleri elde; Çözünürlük ayarlamak 64 x 64, bir Voksel boyutuna karşılık gelen ~ 6,3 mm x 6,3 mm x 15 mm (~ 0,6 cm³).
2. Özel havalandırma ve proton yoğunluğu görüntülerini hizalayın.
   1. ~ 1 cm³çekirdek boyutuna sahip bir Gauss filtresi kullanarak özel havalandırma ve proton yoğunluğu görüntülerini pürüzsüz.
   2. Belirli havalandırma Haritası ve karşılıklı bilgi tabanlı algoritma kullanarak Yoğunluk Haritası arasında sert kayıt (çeviri ve dönme) gerçekleştirin.
3. Ortak kayıtlı özel havalandırma ve proton yoğunluğu verilerinden alveoler ventilasyonu hesaplayın.
   1. Normal bir süre sonunda örneklenen hacimde hava kesir olan (1-yoğunluklu) bir harita hesaplamak, akciğer hava ve doku oluşur ve doku yoğunluğu ~ 1 g/cm³olduğunu varsayarak.
   2. Bölgesel Havalandırma haritasını ürün (1 yoğunluklu) x SV (doğal birimler) olarak hesaplayın. Bir Voksel (veya ilgi diğer bölge) hacmi ve solunum frekansı (empoze, genellikle 12 nefes/dak), ml/dak daha tanıdık birimler havalandırma bir harita elde etmek için bu ürünü çarpın.
      Not: Her bir akciğer bölgesi için, SV = ΔV/V₀ ve (1 – yoğunluk) ≈ V₀. Böylece, ürün (1-yoğunluk) x SV = bölgesel havalandırma, doğal birimler halinde ifade.

Sağlıklı bir konuda tek dilim SVı
Özel havalandırma görüntüleme Şekil 3Agösterildiği gibi spesifik havalandırma nicel haritalar üretir, hangi bir 39 yaşındaki sağlıklı kadın sağ akciğerinde tek bir dilim tasvir. Belirli havalandırma beklenen dikey gradyan varlığını not edin; akciğer bağımlı kısmı akciğerin bağımlı olmayan kısmı daha yüksek spesifik havalandırma sunar. Eşlenen özel havalandırma değerlerinin histogram (Şekil 3B, doldurulmuş daireler) ile birlikte en uygun günlük normal olasılık dağılım işlevi (noktalı çizgi) sunulur. En uygun dağılımın genişliği, özel havalandırma heterojenitesi^{7, 23}metrik olarak kullanılabilir. Şekil 1 aynı duruşa aynı konuda elde edilen birden fazla nefes yıka gösterir. Şekil 1a , esinlenen havanın% 100 oksijene esinlenen bir vardiyadan sonra ağız üzerinde ölçülen azot konsantrasyonunun temporal kaydını gösterir. Şekil 1B , özel havalandırmanın dağılımı, yıkanmadan tahmin edilen şekilde sunulur. Hem SVı hem de MBW için, ilgili değişken, burada veri (noktalı çizgi) ile donatılmış bir günlük normal dağıtım genişliğine göre ölçülen dağıtım genişliğidir, 0,41 olarak bulundu, SVı ve 0,42 MBW kullanarak sağlıklı normal Aralık içinde kullanılarak. MBW ile karşılaştırıldığında SVı-tahmini özel havalandırma heterojenliği doğrulama 10 konularda gerçekleştirilen ve teknikler arasındaki fark MBW inter-test değişkenlik⁷daha küçük olduğu bulunmuştur. Hiperpolarize gaz çoklu nefes spesifik havalandırma görüntüleme ile uzamsal karşılaştırma¹⁶ Ayrıca özel havalandırma heterojenitesi güvenilir grup tahminleri gösterdi (üzerinde özel havalandırma dağılımı genişliği 8 konular okudu vardı 0,28 ± 0,08 ve 0,27 ± 0,10 hyperpolarized için ³o ve spesifik havalandırma görüntüleme, sırasıyla), beklenen daha yüksek rağmen-konu değişkenlik (genişlikte bireysel farklılıkların standart sapması olduğunu 0,13)¹⁶.

Özel havalandırma haritaları da bölgesel alveolar havalandırma hesaplamak için akciğer yoğunluğu haritaları ile birlikte kullanılabilir. Alveolar havalandırma haritaları oluşturmak için, özel havalandırma ve yoğunluk görüntüleri iki modaliteler arasında potansiyel küçük misalignments en aza indirmek için dağınık şekilde düzleştirilmesi gerekir.

Astımlı bir konuda metacholine meydan yanıt
SVı, egzersiz⁴, duruş²veya ilaç³gibi müdahalelere hem akciğer çapındaki hem de bölgesel yanıtların ölçülmesi için kullanılabilir. Örnek olarak, Şekil 4 , temel olarak hafif bir astım dişi konunun akciğerinden tek dilim haritaları gösterir (Şekil 4A), metakolin ile bronkokonstriksiyon aşağıdaki (Şekil 4b), ve sonra albül destekli kurtarma ( Şekil 4C). İndüklenen astım olayı sırasında artan özel havalandırma heterojenliği ve spesifik havalandırma için küçük büyük yamaların varlığı (akciğerin bağımlı kısmında koyu mavi bölgeler) dikkat edin. Ayrıca, solunum bronkokonstriksiyon sırasında bazı bölgelerde paradoklu artmış olduğunu unutmayın (yeşil-kırmızı bölgeler).

Çok dilim SVı
Altı (genellikle dört), bitişik, 15 mm akciğer dilimleri aynı anda SVı ile görüntülenmiş olabilir. Şekil 5 , 24 saat boyunca astım ilaçlardan çekilmişti ılımlı bir astım erkek konuda, sağ akciğer ~ 70% kapsayan dört bitişik sağ akciğer dilimleri tasvir.

Havalandırma Haritası
Sağlanan akciğer yoğunluğu bilgileri aynı dilim elde edildi, ve solunum frekansı bilinmektedir, tam nicel havalandırma Haritası mL/dk/mL birimlerinde hesaplanabilir. Şekil 6' da bir havalandırma Haritası örneği gösterilir.

Şekil 1: birden fazla nefes yıka. (A) zaman içinde süresi dolmuş azot (N₂) konsantrasyon (üst) ve gelgit hacmi (saniye, s) gösteren tipik MBW izleme. Veri, sırtüstü duruşunda elde edildi; Konu sağlıklı bir 39 yaşında bir kadın oldu. (B), Lewis ve al.²³ (Solid Line) tarafından önerilen yöntemi kullanarak MBW denemesinden hesaplanan spesifik havalandırma (SV) dağılımı gösteren histogram. Kesikli çizgi, özel havalandırma dağılımına en uygun günlüğü (Gauss) temsil eder. Özel havalandırma heterojenitesi, anahtar sonucu, bu durumda 0,42, en uygun dağıtım genişliği olarak ölçülür. Bu rakam, referans⁷' den izin ile yeniden basılmıştır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 2: sıhhi tesisat sistemi ve enstrümantasyon şeması. Spesifik havalandırma görüntüleme, sıkıştırılmış gaz tankından (çizilmiş olarak) ya da bir duvar prizinden% 100 Tıbbi oksijen gerektirir. Oksijen kaynağı bir switch vana (kontrol odası), sırayla bağlı, MRI pass-through, 3D baskılı akış bypass sistemi²⁴, bir yüz maskesi (tarayıcı odası) bağlı bağlı. Resmin sol tarafı MRI kontrol odasına, tarayıcı odasına sağ tarafına karşılık gelir. Tankı Switch 'e bağlayan plastik boru çapı 1/4 inç 'dir. Geçiş valfi çıkışından akış bypass sistemine kadar olan boru da 1/4. Son 2m çapı bir adım kadar dahil, 1/4 inç 3/8 inç için, ve sonra 1/2 inç, hava akışı tarafından üretilen gürültü azaltmak için²⁴. Bir nabız oksimetresi, konunun kalp hızı (HR) ve oksijen doygunluğu (Cts) düzeylerini izlemek için kullanılır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 3: spesifik havalandırma görüntüleme. (A) belirli havalandırma (renk) tipik Haritası, aynı sırtüstü konu (gri ölçek) bir anatomik MRI görüntü üzerine kaplanmış. Özel havalandırma aralıkları çok düşük değerlerden (mavi) SV = 1,0 (kırmızı). Konu, 39 yaşındaki sağlıklı gönüllü ( Şekil 1' deki gibi aynı konu), süpürme duruşunda görüntülenmiş. Belirli Havalandırma dikey gradyan unutmayın. Mutlak yoğunluk kalibrasyonu için kullanılan bilinen MR karakteristik bir Phantom ön göğüs duvarına yerleştirilir. Phantoms SVı quantification için gerekli değildir. (B) özel havalandırma haritasındaki özel havalandırma (dolgulu daireler) dağıtımının histogram. Dağılım genişliği okudu akciğer dilim özel havalandırma heterojenliği temsil eder. Bu örnekte, dağıtım unimodal ve günlük Gaussian takılı dağılımı (noktalı çizgi) genişliği 0,41 oldu; Bu MBW tüm akciğer spesifik havalandırma dağılımı Şekil 1Bsunulan karşılaştırılabilir, aynı konu ve duruş, burada dağıtım genişliği) oldu 0,42. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 4: hafif astımlı bronkokonstriksiyon ve bronkodilasyon haritaları. Özel havalandırma hafif astımlı bir konu (kadın, Yaş 24) temel (a), 1 mg/ml metakolin (B) inhalasyon ve sonra albüs (C) inhalasyon aşağıdaki ölçülür. Metakolin (panel B) kullanarak astım benzeri bir olayın indüksiyonu aşağıdaki özel havalandırma dağılımı önemli değişiklikleri unutmayın, çok düşük spesifik havalandırma gösteren bağımlı akciğer büyük bölgeleri ile. Ayrıca bronkodilatör yönetimi aşağıdaki kurtarma Not (panel C). Şekil 3' te olduğu gibi, özel havalandırma haritaları anatomik MRI içine taşmıştır. Özel havalandırma dağılımı genişliği 0,31 oldu temel, 0,94 Post methacholine, ve 0,28 sonrası albül. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 5:24-h ilaç çekilmesinin ardından orta astımlı çok dilim spesifik havalandırma haritası. Sağ akciğerde 4 bitişik akciğer dilimlerinin spesifik havalandırma Haritası, 25 yaşındaki erkek ılımlı astım sonra günlük astım ilaçların 24 h çekilme elde. 4 dilim gösterilen kapak ~ 70% konu sağ akciğer. Düşük spesifik ventilasyonun (koyu mavi) bölgeleri tüm dilimler içinde bulunur. Temel olarak, FEV₁ % 84 tahmin edildi. Günlük ilaçların 24 saat çekilmesi sonrasında, bu konunun FEV₁ ' i öngörülen% 69 idi; Post-Imaging, konu onun kurtarma inhaler kullanılan ve FEV₁ % 83 için kurtarıldı tahmin. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Şekil 6: sağlıklı 27 yaşındaki erkek konuda elde edilen havalandırma (ml/dk/ml) gösteren örnek havalandırma haritası. Havalandırma haritaları, aynı dilim akciğer proton yoğunluğu bir harita ile birlikte bir SV Haritası kullanarak, Bölüm 6 ' da açıklandığı gibi oluşturuldu. Bu örnekte, hem ZF hem de yoğunluk haritaları, 5 voxels 'in yarısında tam genişlikte bir günlük Gauss çekirdeği kullanılarak düzeltilmiş, düzlemde ~ 0,64 cm² uzamsal bir ölçekte sonuçlanır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Tablo 1: spesifik havalandırma görüntülemenin satın alınması için kullanılan tipik MRG parametrelerinin listesi.

Spesifik havalandırma görüntüleme, insan akciğerinde özel havalandırma uzamsal dağılımı niceliksel haritalama sağlar. SVı alternatifleri var, ancak bazı şekilde sınırlıdır: birden fazla nefes yıkama heterojenite bir ölçmek sağlar ama uzamsal bilgi²³yoksun. Alternatif görüntüleme yöntemleri hastaların iyonize radyasyon (örneğin, SPECT, PET, CT, gama sintigrafi) veya yaygın olarak mevcut değildir (MRI kullanarak hiperpolarize gaz görüntüleme) ortaya çıkarır. Özel havalandırma görüntüleme mekansal bilgi sağlar ve kontrast kaynağı olarak standart bir klinik tarayıcı ve inhale oksijen kullanılarak yapılabilir, ve böylece neredeyse her türlü klinik araştırma ayarına tercüme edilebilir. SVı 'nın radyasyonun veya kontrast ajanların kullanılmasını gerektirmiyor olması, tedavi, terapi veya müdahalelere ilişkin bölgesel yanıtları nicel olarak değerlendiren tekrar veya uzunlamasına çalışmalar için uygun hale getirmektedir. Tedavinin etkisi hakkında bölgesel nicel bilgi bu tür özellikle inhale ilaç teslim bağlamında yararlı olabilir.

SVı dezavantajları nispeten düşük sinyal-to-gürültü oranı (genellikle 4-7) vardır, bu ~ 18 dakika elde etmek ve bu konu ve veri analisti için biraz zahmetli olduğunu gerektirir. Konu eğitimi, güvenilir özel havalandırma verilerinin alınması için esastır. Konu genellikle, görüntüleme seansından önce tarayıcı gürültülerinin kaydedilmiş bir soundtrack 'i kullanarak, 220 nefes tutma görüntülerinin her biri için tekrarlanabilir bir hacmine (FRC) ulaşabilmesi için eğitilmiştir. İdeal olarak, hiperventilasyon olmadan normal, rahat bir gelgit hacmine nefes alırken bu elde edilir. Imprecise nefes tutan veri analisti tarafından post-processing için, kim akciğer hacmi farklılıkları (Bölüm 5,3 yukarıda) hesap için görüntü kayıt yazılımı kullanmanız gerekir muhasebeleştirilmelidir.

Tekniğin orijinal yayın¹beri, SVI uygulanması düzene bir değişiklik geçirmiş. 3 boyutlu baskılı MR uyumlu akış bypass sistemi, Oda havası ve oksijeni konuya teslim arasında yakın anında geçiş yapan²⁴ etkin. Bu sistem, daha önce perfüzyon görüntüleme²²ile Ilgili bir Jove kağıt içinde açıklanan gaz teslimat kurulumu benzeyen orijinal kurulum karmaşıklığını önemli ölçüde düşürür. Bu, birlikte serbest nefes alma teknikleri devam eden gelişimi ile, klinik araştırma uygulanabilirlik için daha yakın tekniği taşımak yapacaktır.

Burada sunulan gibi, SVı 2 ana sınırlamaları vardır: 1) dört dilim (genellikle) sağ akciğer sadece ~ 70% temsil elde edilir sağ akciğerin-mevcut uygulamada, daha fazla altı dilim elde edilebilir 1.5 T nedeniyle RF biriktirme doku için lider o ranlarınız doku ısıtma yüksek alan güçlerine artar, daha fazla 3T çok dilim edinme sınırlama; ve 2) SVı elde etmek için ~ 18 dakika sürer ve böylece özel havalandırma haritası her vokalin zaman-bu Aralık üzerinde ortalama özel havalandırma yansıtır.

Ancak, tam akciğer kapsama prosedürü tekrarlayarak ya da uzaysal çözünürlüğü aşağılayıcı tarafından elde edilebilir, ve Tarama süresi belirli havalandırma ölçüminde doğruluk pahasına azaltılabilir. Teknik, genel olarak, çok yönlü ve farklı satın alma uzlaşmalar, her biri farklı uygulamalar için optimum mümkündür. Örneğin, bir astım olayı²⁵dinamik kurtarma bir çalışmada, SVI veri (~ 7 dk vs ~ 18 dk) ve aynı uzamsal çözünürlüğü, yüksek temporal çözünürlükte analiz edildi bir maliyeti ~ 30% spesifik havalandırma belirsizliğinde artış (tahmini Monte Carlo simülasyonlarında). Yeni bir modelleme çalışması²⁶ SVI tekniğinin birkaç küçük sınırlamalarının etkisini ölçmek için aranan, yani 1) görüntülenmiş hacmi tüm sağ akciğer kapsayacak değil, 2) ardışık görüntüler arasında küçük misalignments sonra bile mevcut olabilir kayıt ve 3) bu pulmoner damarlar, akciğerde başka bir yerde görüntülenmiş bir bölgeye kan taşıyarak, kan ilk oksijenlenmiş ve olduğu bölgede değil bölgede havalandırma yansıtan şok sinyali ekleyebilir olabilir Yansıması. Çalışma²⁶ bulundu 1) sağlıklı konularda, tek dilim görüntü (hangi kapsar sadece 8% Toplam akciğer) gerçek değerinin% 10 içinde özel Havalandırma dikey gradyan tahminleri, 2) SVI Analizi modellenmiş veriler üzerinde gerçekleştirilen kasıtlı olarak yanlış hizalanan, ortalama olarak,% 9 (en kötü durum senaryosu, yanlış hizalamalar ile görüntüleri atmadan daha kötü hale >% 10) bir ~ 20% Ortalama spesifik havalandırma, bir hafife büyük olasılıkla karıştırma hızlı ve yavaş dengeleyici birimleri büyük olasılıkla daha yavaş, düşük spesifik havalandırma olanlar, ve 3 doğru bir önyargı sonucu olacak tahrik ile sonuçlanan under, ve üç) pulmoner venöz % 10 ' dan az olan özel ventilasyonun sistematik olarak aşırı tahminine yol açar.

Anatomik değişikliklerden gösterilirken işlevine karşı-insan akciğerinin fonksiyonel görüntüleri üretmek için yeteneği-erken tanı katkıda bulunmak ve sağlık ve hastalık akciğer anlayışını artırmak potansiyeli vardır. Özellikle, havalandırma tekrarlanabilir ve nicel bölgesel haritaları üretmek için yeteneği hastalık ilerlemesi boyuna çalışmalar izin verir ve müdahalelerin etkisini ölçülmesine olanak sağlar, inhale astım ilaçlar gibi. Akciğer yoğunluğu²¹ ve pulmoner perfüzyon ölçmek için iki MRG teknikleri ile özel havalandırma görüntüleme birleştirerek (daha önce bu dergisinde sunulan²²), havalandırma haritaları-sağlık ve hastalık perfüzyon oranı oluşturulabilir ². havalandırma ve perfüzyon arasında uyuşmazlık olarak hipoksi ve hiperkapni önemli bir nedenidir, sağlık ve hastalık havalandırma perfüzyon oranı hakkında bölgesel bilgiler akciğer hastalığının etkisi daha fazla fikir sağlayabilir.

Yazarların ifşa etmesi gereken hiçbir şey yok.

Bu çalışma Ulusal Kalp tarafından desteklenmektedir, akciğer ve kan Enstitüsü (NHLBı) (hibe R01 HL-080203, R01 HL-081171, R01 HL-104118 ve R01-HL119263) ve Ulusal Uzay Biyomedikal Araştırma Enstitüsü (Ulusal Havacılık ve uzay Idaresi hibe NCC 9-58). E.T. Geier, NHLBı Grant F30 HL127980 tarafından destekleniyordu.