Veranderingen in deoxyhemoglobineconcentratie en beeldvorming van cerebrale perfusie

Perfusie van hersenweefsel kan worden onderzocht door een tracer door de cerebrale vasculatuur te volgen. Momenteel vereist dit een infusie van het contrastmiddel. Er zijn echter vorderingen gemaakt bij de ontwikkeling van niet-invasieve beeldvormingstechnieken om weefselperfusie te evalueren. Magnetic resonance imaging (MRI) is een zeer aantrekkelijke beeldvormingsbenadering omdat het niet afhankelijk is van ioniserende straling en een hoge ruimtelijke resolutie heeft. Het gebruikelijke contrastmiddel dat wordt gebruikt om hersenweefselperfusie in MRI te bestuderen, is op gadolinium gebaseerde contrastmiddelen. Deze contrastmiddelen hebben echter vaak verschillende nadelen, waaronder invasiviteit, niertoxiciteit, weefselophoping en allergische reacties. Omdat ze intraveneus worden geïnjecteerd, raken ze sterk verspreid in de slagaders, wat een complexe berekening van de arteriële invoerfunctie vereist. Bovendien, hoewel ze voornamelijk intravasculair blijven, hebben ze de neiging om extravasculair te diffunderen bij neurovasculaire aandoeningen die een afbraak van de bloed-hersenbarrière hebben, wat leidt tot meetonnauwkeurigheden.

Onlangs hebben we een manier gevonden om een ​​abrupte verandering in de deoxyhemoglobineconcentratie [dHb] te genereren terwijl het bloed de longen passeert, wat resulteert in een nauwkeurige en snelle gerichte verandering van [dHb] in het arteriële bloed. We veronderstellen dat dergelijke veranderingen in [dHb] kunnen worden gebruikt als een geschikt MRI-contrastmiddel voor het meten van de cerebrale bloedstroom, het cerebrale bloedvolume en de gemiddelde transittijd (respectievelijk CBF, CBV en MTT) in vergelijking met die met gadolinium. Indien geschikt, zou dOHb een niet-invasief, goedkoop en veilig alternatief bieden voor perfusiebeeldvorming.

Er zullen in totaal 25 patiënten met neurovasculaire aandoeningen worden aangeworven die klinisch zijn doorverwezen naar de TWH Joint Department of Medical Imaging voor beeldvorming met gadoliniumperfusie. Voorafgaand aan het beeldvormingsonderzoek zal elke proefpersoon vertrouwd worden gemaakt met de experimentele opstelling van de respiratoire gasregeling. Een plastic gezichtsmasker en ademhalingscircuit worden op het gezicht van de proefpersoon aangebracht en luchtdicht afgesloten met medische plakband. De gastoevoer naar het masker en het beademingscircuit wordt geleverd door een programmeerbaar computergestuurd gastoedieningssysteem (RespirAct™ RA-MR-systeem, Thornhill Research Inc., Toronto, Canada). De volgorde van gastoediening en veranderingen in PCO2 en PO2 worden toegepast om de proefpersoon vertrouwd te maken met de gewaarwordingen die verband houden met veranderingen in de gassen. Onderwerpen worden vervolgens op hun rug in de MRI-scanner geplaatst. Naast hun voorgeschreven klinische scans zullen er nog twee extra scans worden verkregen. De aanvullende MRI-scans omvatten: 1) een structurele (anatomische) sequentie (4.30 minuten), gevolgd door 2) een BOLD-EPI-reeks terwijl PO2-veranderingen worden geïnduceerd. PO2 wordt gedurende 60 seconden op een basislijn van 45-50 mmHg (hemoglobine-O2-verzadiging, SaO2 ~75%) gehouden. Gedurende 10 seconden zal de PO2 van de longen tijdelijk worden verhoogd tot een piek-PO2 van 90-120 mmHg (normoxie) binnen een overgang van 2 seconden, waarbij een SaO2 van ~100% wordt bereikt, en vervolgens wordt teruggekeerd naar de basislijn. Als alternatief kan de basislijn normoxie zijn en zijn de gasuitdagingen gericht op een PO2 van 45-50 mmHg. Er zullen in totaal 4 van dergelijke ademhalingsuitdagingen gedurende 6 minuten worden toegepast met behoud van normocapnie.

Tijdens elke PO2-stimulus verandert het BOLD-signaal synchroon en omgekeerd evenredig met [dOHb]. Een arteriële invoerfunctie wordt gemeten door arteriële, weefsel- en veneuze voxels te scheiden op basis van verschillen in [dOHb] bolusaankomsttijden, veranderingsamplitude en correlatie met veranderingen in [dOHb] gemeten vanaf [Hb] en berekening van SaO2 vanaf eind -getijde PO2. Arteriële voxels, de eerste in de reeks structuren die de bolus ontvangen, zullen worden gemiddeld om een ​​arteriële invoerfunctie op te leveren die zal worden gedeconvolueerd met het weefselsignaal. Hele hersenkaarten van relatieve CBF, CBV en MTT worden gegenereerd. De gemiddelde waarden van grijze stof en witte stof voor het hele brein worden voor deze metrieken berekend en vergeleken met dezelfde metrieke waarden die zijn verkregen met behulp van gadoliniumperfusiebeeldvorming.