[论文解读] Posture-Dependent Human 3He Lung Imaging in an Open Access MRI System: Initial Results

Leo L. Tsai, R. W. Mair+4 more|ArXiv.org|Jul 23, 2007

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 56被引用 4

一句话总结

本研究利用开放型磁共振成像系统，在仰卧和直立姿势下，通过超极化 3He MRI 研究了人体肺部的体位依赖性通气。初步结果表明，可实现 2D（4 mm 平面分辨率）和 3D（1.5 cm 断层厚度）肺部成像，观察到与体位相关的通气变化，凸显了重力在肺功能异质性中的作用。

ABSTRACT

The human lung and its functions are extremely sensitive to orientation and posture, and debate continues as to the role of gravity and the surrounding anatomy in determining lung function and heterogeneity of perfusion and ventilation. However, study of these effects is difficult. The conventional high-field magnets used for most hyperpolarized 3He MRI of the human lung, and most other common radiological imaging modalities including PET and CT, restrict subjects to lying horizontally, minimizing most gravitational effects. In this paper, we briefly review the motivation for posture-dependent studies of human lung function, and present initial imaging results of human lungs in the supine and vertical body orientations using inhaled hyperpolarized 3He gas and an open-access MRI instrument. The open geometry of this MRI system features a "walk-in" capability that permits subjects to be imaged in vertical and horizontal positions, and potentially allows for complete rotation of the orientation of the imaging subject in a two-dimensional plane. Initial results include two-dimensional lung images acquired with ~ 4 mm in-plane resolution and three-dimensional images with ~ 1.5 cm slice thickness. Effects of posture variation are observed.

研究动机与目标

• 通过超极化 3He MRI 研究体位对肺通气和灌注异质性的影响。
• 克服传统高场强 MRI 系统仅允许受试者保持水平体位的局限性。
• 评估使用开放型磁共振成像系统进行人体体位依赖性肺部成像的可行性。
• 通过非侵入性成像评估重力和解剖结构约束对区域肺功能的影响。
• 建立使用超极化 3He 气体进行直立和仰卧肺部成像的初步成像方案。

提出的方法

• 采用具有‘可进入’设计的开放型磁共振成像系统，支持受试者垂直和水平体位的成像。
• 对受试者进行超极化 3He 气体通气，以实现肺功能成像。
• 获取了平面分辨率约为 4 mm 的 2D 肺部图像和断层厚度约为 1.5 cm 的 3D 图像。
• 在仰卧和直立两种体位下对受试者进行成像，以比较通气分布。
• 采用标准 MRI 序列，优化用于检测肺实质中的 3He 气体信号。
• 使用单次激发 EPI 序列实现快速 2D 成像，采用 3D 梯度回波序列进行容积数据采集。

实验结果

研究问题

• RQ1 体位如何影响人体肺部区域通气分布（通过 3He MRI 测量）？
• RQ2 在直立与仰卧体位下，重力在多大程度上影响肺部通气异质性？
• RQ3 开放型磁共振成像系统能否可靠地获取非仰卧体位下的高分辨率 3He 肺部图像？
• RQ4 进行体位依赖性 3He 肺部成像面临的技术和生理挑战有哪些？
• RQ5 解剖结构约束和重力如何改变肺部不同区域的通气模式？

主要发现

• 开放型磁共振成像系统成功获取了仰卧和直立体位下约 4 mm 平面分辨率的超极化 3He 肺部 2D 图像。
• 获得了断层厚度约为 1.5 cm 的 3D 3He 肺部图像，支持容积评估。
• 观察到通气分布的体位依赖性变化，表明重力对通气异质性具有影响。
• 该系统的开放设计支持在垂直和水平体位下稳定成像，为未来研究体位效应提供了支持。
• 初步结果表明，开放型磁共振成像系统可用于多种体位下的功能性肺部成像。
• 本研究为未来利用非侵入性、高分辨率 3He MRI 研究重力依赖性肺功能奠定了基础。