Deoksyhemoglobinkonsentrasjonsendringer og cerebral perfusjonsavbildning

Cerebral vevsperfusjon kan undersøkes ved å spore et sporstoff gjennom hjernevaskulaturen. Foreløpig krever dette en infusjon av kontrastmiddelet. Imidlertid har det blitt gjort fremskritt med å utvikle ikke-invasive bildeteknikker for å evaluere vevsperfusjon. Magnetisk resonansavbildning (MRI) er en svært attraktiv avbildningstilnærming siden den ikke er avhengig av ioniserende stråling og har høy romlig oppløsning. Det vanlige kontrastmiddelet som brukes til å studere hjernevevsperfusjon i MR er gadoliniumbaserte kontrastmidler. Imidlertid har disse kontrastmidlene en tendens til å ha flere ulemper, inkludert invasivitet, nyretoksisitet, vevsakkumulering og allergiske reaksjoner. Når de injiseres intravenøst, blir de svært spredt i arteriene, noe som krever en kompleks beregning av arteriell inngangsfunksjon. I tillegg, selv om de forblir hovedsakelig intravaskulære, har de en tendens til å diffundere ekstravaskulære under nevrovaskulære tilstander som har en nedbrytning av blod-hjernebarrieren som fører til unøyaktigheter i målingene.

Nylig har vi funnet en måte å generere en brå endring i deoksyhemoglobinkonsentrasjonen [dHb] når blodet passerer lungene, noe som resulterer i en presis og rask målrettet endring av [dHb] i det arterielle blodet. Vi antar at slike endringer i [dHb] kan brukes som et egnet MR-kontrastmiddel for måling av cerebral blodstrøm, cerebralt blodvolum og gjennomsnittlig transittid (henholdsvis CBF, CBV og MTT) sammenlignet med gadolinium. Hvis det er egnet, vil dOHb være et ikke-invasivt, billig og trygt alternativ til perfusjonsavbildning.

Totalt 25 pasienter med nevrovaskulær sykdom som er klinisk henvist til TWH Joint Department of Medical Imaging for gadoliniumperfusjonsavbildning vil bli rekruttert. Før avbildningsstudien vil hvert forsøksperson bli kjent med respirasjonsgasskontrolleksperimentoppsettet. En ansiktsmaske av plast og pustekrets vil påføres motivets ansikt og festes for å danne en lufttett forsegling med medisinsk tape. Gassforsyning til masken og pustekretsen vil bli levert av et programmerbart datastyrt gassleveringssystem (RespirAct™ RA-MR System, Thornhill Research Inc., Toronto, Canada). Sekvensen for gasslevering og endringer i PCO2 og PO2 vil bli brukt for å gjøre personen kjent med følelsene knyttet til endringer i gassene. Forsøkspersonene vil deretter bli plassert på rygg i MR-skanneren. I tillegg til de foreskrevne kliniske skanningene, vil to ekstra skanninger bli innhentet. De ekstra MR-skanningene vil inkludere: 1) en strukturell (anatomisk) sekvens (4.30 minutter), etterfulgt av 2) en BOLD-EPI-sekvens mens den induserer endringer av PO2. PO2 vil bli holdt ved en baseline på 45-50 mmHg (hemoglobin O2-metning, SaO2 ~75%) i 60s. I 10 s vil lunge PO2 forbigående heves til topp PO2 på 90-120 mmHg (normoksi) innen 2 s overgang, nå en SaO2 på ~100%, og deretter returneres til baseline. Alternativt kan basislinjen være ved normoksi og gassutfordringene vil målrette PO2 på 45-50 mmHg. Totalt 4 slike ventilasjonsutfordringer vil bli påført over 6 minutter mens normokapni opprettholdes.

Under hver PO2-stimulus vil FET-signalet endres synkront og invers proporsjon til [dOHb]. En arteriell inngangsfunksjon vil bli målt ved å separere arterielle, vev og venøse voksler basert på forskjeller i [dOHb] bolusankomsttider, endringsamplitude og korrelasjon til endringer i [dOHb] målt fra [Hb] og beregning av SaO2 fra slutten -tidevanns PO2. Arterielle voksler, de første i sekvensen av strukturer som mottar bolusen, vil gjennomsnittsberegnes for å gi en arteriell inngangsfunksjon som vil dekonvolveres med vevssignalet. Helhjernekart over relativ CBF, CBV og MTT vil bli generert. Gjennomsnittsverdier for segmentert grå materie og hvit substans for disse beregningene vil bli beregnet og sammenlignet med de samme metriske verdiene oppnådd ved bruk av gadoliniumperfusjonsavbildning.