MRI رسم خرائط الدماغية التفاعلية عبر استنشاق الغاز التحديات
Summary
Non-invasive imaging of the brain vasculature’s ability to dilate or constrict may allow a better understanding of cerebrovascular pathophysiology in various neurological diseases. The present report describes a reproducible and patient-comfortable protocol to perform vascular reactivity imaging in humans using magnetic resonance imaging (MRI).
Abstract
الدماغ هو الجهاز غير متجانسة مكانيا وزمانيا ديناميكية، مع مناطق مختلفة تتطلب كمية مختلفة من إمدادات الدم في أوقات مختلفة. ولذلك، فإن قدرة الأوعية الدموية للتمدد أو انقباض، والمعروفة باسم الدماغي والأوعية الدموية-التفاعلية (CVR)، ويمثل مجال مهم من وظيفة الأوعية الدموية. سوف علامة التصوير تمثل هذه الخاصية الديناميكية توفر معلومات جديدة من الأوعية الدماغية في ظل ظروف طبيعية والمريضة مثل السكتة الدماغية والخرف، وتصلب الشرايين، وأمراض الأوعية الصغيرة، وورم في المخ، إصابات الدماغ، والتصلب المتعدد. من أجل تنفيذ هذا النوع من القياس في البشر، فمن الضروري لتقديم التحفيز فعال في الأوعية مثل CO 2 و / أو O 2 خليط الغاز في حين يجري جمع الدماغ الكمي صور الرنين المغناطيسي (MRI). في هذا العمل، قدمنا متوافق نظام MR الغاز التسليم والبروتوكول المرتبطة بها والتي تتيح للتسليم مخاليط غاز خاص (على سبيل المثال، </م> O 2، CO 2، N 2، ومجموعاتها) في حين أن الموضوع هو الكذب داخل الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي. هذا النظام هو بسيط نسبيا، واقتصادا، وسهلة الاستخدام، وبروتوكول تجريبي يسمح رسم الخرائط دقة لCVR في كل من متطوعين أصحاء والمرضى الذين يعانون من الاضطرابات العصبية. هذا النهج لديه القدرة على استخدامها في التطبيقات السريرية واسعة وفهم أفضل للالأوعية الدموية في الدماغ الفيزيولوجيا المرضية. في الفيديو، ونحن لشرح كيفية إعداد النظام داخل جناح التصوير بالرنين المغناطيسي وكيفية إجراء تجربة كاملة عن أحد المشاركين البشري.
Introduction
ويمثل المخ حوالي 2٪ من وزن الجسم الكلي، ولكن يستهلك حوالي 20٪ من إجمالي الطاقة 1. ليس من المستغرب، وتوفير كمية كافية من الدم ومنظم بعناية أمر بالغ الأهمية لتلبية هذا الطلب على الطاقة العالية وللدماغ لتعمل بشكل صحيح. وعلاوة على ذلك، والدماغ هو عضو غير متجانسة مكانيا وزمانيا ديناميكية، مع مناطق مختلفة تتطلب كمية مختلفة من إمدادات الدم في أوقات مختلفة. ولذلك، تعديل ديناميكية من إمدادات الدم يمثل مطلبا هاما في الدورة الدموية في الدماغ البشري. لحسن الحظ، أنه من المعروف أن الأوعية الدموية ليست مجرد أنابيب جامدة وأن وظيفة هامة من الأوعية الدموية هي لتمدد وانقباض بناء على طلب من الدماغ والظروف الفسيولوجية 2.
هذه الخاصية الوظيفية للسفينة، والمعروفة باسم الدماغي والأوعية الدموية-التفاعلية (CVR)، ويعتقد أن يكون مفيدا للصحة و Indictor الأوعية الدموية ويمكن أن تجد تطبيقات في عدة شرطا العصبيةنانوثانية مثل السكتة الدماغية 3، 4 الخرف، تصلب الشرايين 5، وأمراض الأوعية الصغيرة 6، 7 ورم في المخ، وأمراض مويامويا 8، والمخدرات إدمان 9. في علم وظائف الأعضاء والأدب التخدير، فمن المعروف أن، لأن CO 2 الغاز وموسعة وقوية، CVR يمكن تقييمها عن طريق تغيير الشرايين مستوى CO 2 (على سبيل المثال، واستنشاق كمية صغيرة من CO 2)، في حين رصد ردود الأوعية الدموية 10-13 . في مجال التصوير والأشعة ورسم الخرائط CVR باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي في الظهور بسرعة كعلامة جديدة من الاهتمام لكثير من العلماء والأطباء 8،14-19 الأساسي. وعادة ما يقدر من خلال دراسة كيفية يسببها الكثير من استجابة الأوعية الدموية التي تحد فعال في الأوعية. ومع ذلك، هناك حاجة لالتطورات التقنية في نظام توصيل الغاز وتوحيد بروتوكول تجريبي. تقديم خليط الغاز خاصا لموضوع داخل الماسح الضوئي MRI ليس الاعتبارات التافهة والخاصةمطلوبة من أجل تصميم MRI متوافق مع. مطلوبة اعتبارات خاصة في تصميم نظام تسليم الغاز MRI متوافق مع. وتشمل هذه الاعتبارات الخاصة: 1) يجب أن تكون جميع مكونات غير المعدنية (المعادن لا يمكن استخدامها داخل MRI). 2) يجب أن النظام يعمل ضمن مساحة صغيرة أن نظام التصوير بالرنين المغناطيسي وفائف رأسه تسمح. 3) يجب أن النظام يعمل مع موقف الكذب إلى أسفل (كما يتطلب التصوير بالرنين المغناطيسي الماسح الضوئي) بدلا من الجلوس، مع عدم الانزعاج. 4)، وينبغي تسجيل المعلمات الفسيولوجية ذات الصلة، مثل نهاية المد والجزر CO2 (ETCO2، تقريبي من المحتوى CO2 في الدم الشرياني) والشرايين تشبع الأكسجين بدقة مع ثوان من دقة توقيت وتخزينها على جهاز كمبيوتر للاستخدام التحليل. هذه القضايا قد تحد من نطاق تطبيقات رسم الخرائط CVR.
في هذا التقرير، قدمنا بروتوكول تجريبي يستخدم نظام شامل تسليم الغاز لتعديل المحتوى من الغاز وحي في حين أن الموضوع هو الكذب داخل الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي. لناجي هذا النهج، يمكن للباحث تنطبق غير جراحية حافز فعال في الأوعية إلى المشارك مع الحد الأدنى من الراحة أو الحركة السائبة. تم تسجيل المعلمات الفسيولوجية وصور الرنين المغناطيسي خلال كامل فترة حوالي 9 دقائق، والتي تتألف من كتل بالتناوب (1 دقيقة لكل كتلة) من غرفة الهواء والتنفس بفرط ثنائي أكسيد الكربون الغاز. يتم عرض النتائج التمثيلية. وتناقش التطبيقات المحتملة والقيود.
Protocol
Representative Results
Discussion
قدم هذا التقرير نظام تسليم الغاز-MR متوافق وبروتوكول تجريبي شامل يسمح للرسم خرائط لتفاعل الأوعية الدموية في الدماغ البشري. ويوضح شكل توضيحي لنظام تسليم الغاز في الشكل 1. جميع الأجزاء داخل الغرفة الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي هي البلاستيكية لضمان التوافق MRI بهم. النظام يمكن تقسيم المفهوم إلى ثلاثة أنظمة فرعية، بما في ذلك النظام الفرعي كمية الغاز (كيس، أنبوب التسليم، صمام ثنائي الاتجاه)، وهو النظام الفرعي واجهة التنفس (مشبك الأنف، الناطقة بلسان، U-شكل أنبوب)، و رصد النظام الفرعي (CO 2 التركيز، وتشبع الأكسجين ومعدل ضربات القلب ومعدل التنفس). يسمح النظام الفرعي كمية الغاز الغاز إلى أن استنشاق للوصول إلى اتجاهين صمام. فقط استنشق الهواء، ولكن لا هواء الزفير، سوف تتدفق من خلال هذا النظام الفرعي. النظام الفرعي واجهة التنفس يسمح هذا الموضوع للتنفس داخل وخارج الغاز المقصود. وكلا الغاز استنشاق والزفير تتدفق من خلال هذا النظام الفرعي. والرصولذلك ينبغي ز النظام الفرعي عينة الغاز عند نقطة على طول النظام الفرعي واجهة التنفس.
ويمكن أن تشمل التطبيقات السريرية لهذه التقنية التقييمات من الدماغ الاحتياطي الأوعية الدموية في الأمراض العصبية مثل السكتة الدماغية وتصلب الشرايين، وأمراض مويامويا، والخرف الوعائي، والتصلب المتعدد، وورم في المخ. ويمكن أيضا أن تستخدم هذه التقنية في الدراسات MRI وظيفية لتطبيع أو معايرة إشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي لتحسين عملية حصر النشاط العصبي 23،24.
سمة هامة من سمات النظام المقترح والبروتوكول التجريبي هو أن خليط الغاز يمكن أن يتم تسليمها لهذا الموضوع بينما تسبب الحد الأدنى من الحركة أو عدم الراحة. لذا، فمن الأهمية بمكان لوضع أنبوب U-الشكل (بند رقم 12) من النوع الذي (والمعبرة متصلة نهاية لها) يقع بطبيعة الحال إلى أسفل إلى الفم في هذا الموضوع. بهذه الطريقة، لا يحتاج هذا الموضوع إلى استخدام له عضلات الوجه لعقد أو دعم لسان حال. بل هو أيضا استيرادالنملة أن يدرك أن هذا الموضوع لن يكون قادرا على التحدث في حين لسان حال هو في فمه. ولذلك، يجب على الباحث تجنب الحديث إلى موضوع مع لهجة السؤال. بدلا من ذلك، ينبغي إيلاء اضحة فقط، تعليمات نهائية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن الباحث إيلاء اهتمام وثيق لمعلمات الفسيولوجية (على سبيل المثال، اتكو 2، لذلك 2، معدل ضربات القلب ومعدل التنفس) خلال كامل من التجربة والاستجابة فورا عند واحد أو أكثر من المعلمات الفسيولوجية تنحرف خارج نطاق نموذجي .
في حين مسح شامل لأنظمة أخرى تسليم الغاز المستخدمة في الأدب هو خارج نطاق هذا المقال، فمن المفيد أن نقارن بين النظام الحالي لعدد قليل منها التي يشيع استخدامها 17،18. والفرق الرئيسي هو أن نظامنا يستخدم لسان حال لتوصيل الغاز المقصود في حين أن معظم الأنظمة الأخرى استخدمت قناع في التصميم. المضاعفات المحتملة لاستخدام قناع هما طيات. الأول، قناع سccupies كمية كبيرة من الفضاء، وأنه قد لا يكون دائما مجديا لتتناسب مع قناع في مساحة ضيقة داخل لفائف الرأس، بالنظر إلى أن، على العديد من المواضيع، أنوفهم سيتطرق تقريبا لفائف الرأس حتى من دون قناع. هذا هو الحال بالنسبة لفائف الرأس تهدف إلى تحقيق حساسية عالية، والتي عادة ما تكون مصممة لتناسب بإحكام على رأس الشخص المعني على وجه الخصوص. ومن المضاعفات الثانية المرتبطة مع تصميم قناع هي أن هناك مساحة كبيرة داخل القناع مما يؤدي إلى خلط كبير من الغاز المستنشق والزفير. وبناء على ذلك، فإنه يمكن أن يؤثر على دقة قياس ETCO 2، من الناحية المثالية التي ينبغي أن تقوم على الغاز الزفير فقط. دقيقة اتكو 2 هو بالطبع مهم للموثوقية خريطة CVR. آخر الفرق الرئيسي من نظامنا بالمقارنة مع العديد من الأنظمة الأخرى هو أن نظامنا يسلم الغاز من حقيبة بدلا من خزان الغاز. لذلك، ليست هناك حاجة الدبابات في منطقة الماسح الضوئي، وتوفير مساحة ثمينة في تابع غرفة رول من جناح التصوير بالرنين المغناطيسي. في التصميم لدينا، ونحن نقدم الحقيبة قبل بدء عملية الفحص، وبعد الفحص، يتم إفراغ الكيس، مطوية، ووضع بعيدا. وأخيرا، بالمقارنة مع عدة أنظمة أخرى 18،21، ونظام تسليم الغاز الحالي هو أبسط، وتتطلب أقل وقت التدريب، والمواد الاستهلاكية منه هي أقل تكلفة.
وتجدر الإشارة إلى أنه، على الرغم من أن بروتوكول الواردة في هذا التقرير قد ركز في المقام الأول على CO 2 الاستنشاق، ونظام تسليم الغاز قدمت يسمح للتسليم مخاليط الغاز الأخرى (على سبيل المثال، أي جزء من O 2، أي جزء من CO 2، أي جزء من N 2، والجمع بينهما) إلى الإنسان بالنسبة لهم للتنفس في حين ق / انه يكذب داخل الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي. يمكن للمرء أيضا استخدام نظام تسليم الغاز خارج سياق MRI، على سبيل المثال بالتزامن مع الكهربائي (EEG)، magnetoencephalogram (MEG)، التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، أو التصوير الأمثل.
_content "> وعند تقديم توصية من المعلمات التصوير، فقد ركزنا بشكل أساسي على تسلسل بولد. تسلسل آخر يمكن أن يكون يحتمل استخدامها في رسم الخرائط CVR هو الشرياني سبين وصفها (ASL) MRI، والتي توفر مقياس كمي من تدفق الدم إلى المخ (البرازيلي) في وحدات الفسيولوجية (ملليتر دم لكل 100 غرام الأنسجة لكل دقيقة). لذلك، والاستفادة من الخرائط CVR القائم على ASL هو أن النتائج هي أسهل لتفسير، على عكس إشارة جريئة مما يعكس التأثير المشترك لتدفق الدم، حجم الدم وكذلك المساهمات المحتملة للتغيرات التمثيل الغذائي الدماغ أثناء CO 2 التحدي 25-27. ومع ذلك، وجود قيود على تقنية ASL هو أن حساسيتها أقل عدة مرات من تلك التي من BOLD 28. ونتيجة لذلك، تجربتنا هي أنه في الوقت الحاضر، فمن تحديا للغاية للحصول على المستوى الفردي، والتركيز فوكسل تلو فوكسل خريطة CVR باستخدام ASL. لذلك، للدراسات تطبيق CVR، ونحن نستخدم بشكل رئيسي تسلسل BOLD، وبالتالي أيضا على هذه التقنية في أووتوصيات ص.واحد الحد من هذا الأسلوب هو أن التنفس عن طريق لسان حال مع انسداد الأنف (عن طريق مقطع الأنف) ليس من الطبيعي تماما وبعض المواضيع (خصوصا المرضى) قد تعتبر هذه كمصدر للإزعاج. قد التنفس مع الناطقة بلسان والأنف كليب أيضا تفاقم شعور الخوف من الأماكن المغلقة. بالإضافة إلى ذلك، هذا الموضوع قد تواجه جفاف الفم بسبب التنفس عن طريق الفم فقط. ولذلك، فمن المستحسن أن الباحث حاول قصارى جهده لاستكمال التجربة بسرعة. وأخيرا، من المهم أن نلاحظ أنه بناء على خبرة المؤلفين، والانزعاج المحتمل المذكورة أعلاه هو عابر وسوف تختفي بمجرد الانتهاء من التجربة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was partly supported by grants from the National Institutes of Health (NIH), under grant numbers R01 MH084021, R01 NS067015, R01 AG042753, NS076588, NS029029-20S1, R21 NS078656; and from National Multiple Sclerosis Society, under grant number of RG4707A2.
Materials
| Name of the Material/Equipment | Company | Catalog number | Description | Website |
| Douglas bag | Harvard Apparatus | 500942 | 200-liter capacity | http://www.harvardapparatus.com/webapp/wcs/stores/servlet/catalog_11051_10001_-1_HAI?gclid=CN_woMnCwboCFWpk7AodL1YA8g |
| Three-way valve | Hans Rudolph | CR1207 | 100% plastic | www.rudolphkc.com |
| Two-way non-rebreathing valve | Hans Rudolph | CR1480 | 22mm/ 15mm ID | www.rudolphkc.com |
| Diaphragm | Hans Rudolph | 602021-2608 | Size: medium, Type: spiral | www.rudolphkc.com |
| Mouth piece | Hans Rudolph | 602076 | Silicone, Model # 9061 | www.rudolphkc.com |
| Nose clip | Hans Rudolph | 201413 | Plastic foam, Model #9014 | www.rudolphkc.com |
| Gas delivery tube | Vacumed | 1011-108 | http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&prodid=7665 | |
| Blue cuff | Vacumed | 22254 | http://www.vacumed.com/zcom/product/Product.do?compid=27&prodid=343 | |
| Gas sampling tube | QoSINA | T4305 | Thin | http://www.qosina.com/catalog/part.asp?partno=T4305 |
| Male luer | QoSINA | 11547 | http://www.qosina.com/catalog/part.asp?partno=11547 | |
| Hydrophobic filter | Philips Medical Systems | 9906-00 | Disposable | http://www.healthcare.philips.com/us_en/products/index.wpd?Int_origin=3_HC_landing_main_us_en_top-nav_products |
| U-shape tube | Made in-house | |||
| Elbow connector | QoSINA | 51033 | www.qosina.com | |
| EtCO2monitor | Philips Medical Systems | Model 1265 | http://www.healthcare.philips.com/us_en/products/index.wpd?Int_origin=3_HC_landing_main_us_en_top-nav_products | |
| Pulse oximetry | Invivo | Expression | MRI Monitoring Systems | http://www.invivocorp.com/monitors/monitorinfo.php?id=7 |
| MRI scanner | Philips | Achieva 3.0T TX | http://www.healthcare.philips.com/main/products/mri/systems/achievaTX/?Int_origin=2_HC_mri_main_global_en_systems_achieva30ttx | |
| Disinfectant | Fisher Scientific | 04-355-13 | Decon™ BDD™ Bacdown™ Detergent Disinfectant | http://www.fishersci.com/ecomm/servlet/itemdetail?storeId=10652&langId=-1&catalogId=29104&productId=3426739&distype=0&highlightProductsItemsFlag=Y&fromSearch=1&searchType=PROD&hasPromo=0 |
References
- Attwell, D., Laughlin, S. B. An energy budget for signaling in the grey matter of the brain. J Cereb Blood Flow Metab. 21 (10), 1133-1145 (2001).
- Kety, S. S., Schmidt, C. F. The Effects of Altered Arterial Tensions of Carbon Dioxide and Oxygen on Cerebral Blood Flow and Cerebral Oxygen Consumption of Normal Young Men. J Clin Invest. 27 (4), 484-492 (1948).
- Krainik, A., Hund-Georgiadis, M., Zysset, S., von Cramon, D. Y. Regional impairment of cerebrovascular reactivity and BOLD signal in adults after stroke. Stroke. 36 (6), 1146-1152 (2005).
- Yezhuvath, U. S., et al. Forebrain-dominant deficit in cerebrovascular reactivity in Alzheimer’s disease. Neurobiol Aging. 33 (1), 75-82 (2012).
- Mandell, D. M., et al. Mapping cerebrovascular reactivity using blood oxygen level-dependent MRI in Patients with arterial steno-occlusive disease: comparison with arterial spin labeling MRI. Stroke. 39 (7), 2021-2028 (2008).
- Greenberg, S. M. Small vessels, big problems. N Engl J Med. 354 (14), 1451-1453 (2006).
- Hsu, Y. Y., et al. Blood oxygenation level-dependent MRI of cerebral gliomas during breath holding. J Magn Reson Imaging. 19 (2), 160-167 (2004).
- Mikulis, D. J., et al. Preoperative and postoperative mapping of cerebrovascular reactivity in moyamoya disease by using blood oxygen level-dependent magnetic resonance imaging. J Neurosurg. 103 (2), 347-355 (2005).
- Han, J. S., et al. BOLD-MRI cerebrovascular reactivity findings in cocaine-induced cerebral vasculitis. Nat Clin Pract Neurol. 4 (11), 628-632 (2008).
- Ellingsen, I., Hauge, A., Nicolaysen, G., Thoresen, M., Walloe, L. Changes in human cerebral blood flow due to step changes in PAO2 and PACO2. Acta Physiol Scand. 129 (2), 157-163 (1987).
- Ide, K., Eliasziw, M., Poulin, M. J. Relationship between middle cerebral artery blood velocity and end-tidal PCO2 in the hypocapnic-hypercapnic range in humans. J Appl Physiol (1985). 95 (1), 129-137 (2003).
- Xie, A., et al. Cerebrovascular response to carbon dioxide in patients with congestive heart failure. Am J Respir Crit Care Med. 172 (3), 371-378 (2005).
- Rostrup, E., et al. Regional differences in the CBF and BOLD responses to hypercapnia: a combined PET and fMRI study. Neuroimage. 11 (2), 87-97 (2000).
- Zande, F. H., Hofman, P. A., Backes, W. H. Mapping hypercapnia-induced cerebrovascular reactivity using BOLD MRI. Neuroradiology. 47 (2), 114-120 (2005).
- Kastrup, A., Kruger, G., Neumann-Haefelin, T., Moseley, M. E. Assessment of cerebrovascular reactivity with functional magnetic resonance imaging comparison of CO(2) and breath holding. Magn Reson Imaging. 19 (1), 13-20 (2001).
- Bright, M. G., Donahue, M. J., Duyn, J. H., Jezzard, P., Bulte, D. P. The effect of basal vasodilation on hypercapnic and hypocapnic reactivity measured using magnetic resonance imaging. J Cereb Blood Flow Metab. 31 (2), 426-438 (2011).
- Slessarev, M., et al. Prospective targeting and control of end-tidal CO2 and O2 concentrations. J Physiol. 581 (3), 1207-1219 (2007).
- Wise, R. G., et al. Dynamic forcing of end-tidal carbon dioxide and oxygen applied to functional magnetic resonance imaging). J Cereb Blood Flow Metab. 27 (8), 1521-1532 (2007).
- Yezhuvath, U. S., Lewis-Amezcua, K., Varghese, R., Xiao, G., Lu, H. On the assessment of cerebrovascular reactivity using hypercapnia. BOLD MRI. NMR Biomed. 22 (7), 779-786 (2009).
- Lu, H., et al. Alterations in cerebral metabolic rate and blood supply across the adult lifespan. Cereb Cortex. 21 (6), 1426-1434 (2011).
- Marshall, O., et al. Impaired cerebral vascular reactivity in multiple sclerosis measured with hypercapnia perfusion MRI. JAMA Neurology. In press, .
- Thomas, B. P., et al. Life-long aerobic exercise preserved baseline cerebral blood flow but reduced vascular reactivity to CO2. J Magn Reson Imaging. 38 (5), 1177-1183 (2013).
- Liu, P., et al. Age-related differences in memory-encoding fMRI responses after accounting for decline in vascular reactivity. Neuroimage. 78, 415-425 (2013).
- Liu, P., et al. A comparison of physiologic modulators of fMRI signals. Hum Brain Mapp. 34 (9), 2078-2088 (2013).
- Zappe, A. C., Uludag, K., Oeltermann, A., Ugurbil, K., Logothetis, N. K. The influence of moderate hypercapnia on neural activity in the anesthetized nonhuman primate. Cereb Cortex. 18 (11), 2666-2673 (2008).
- Xu, F., et al. The influence of carbon dioxide on brain activity and metabolism in conscious humans. J Cereb Blood Flow Metab. 31 (1), 58-67 (2011).
- Thesen, T., et al. Depression of cortical activity in humans by mild hypercapnia. Hum Brain Mapp. 33 (3), 715-726 (2012).
- Lu, H., Golay, X., Pekar, J. J., Van Zijl, P. C. Functional magnetic resonance imaging based on changes in vascular space occupancy. Magn Reson Med. 50 (2), 263-274 (2003).
