Dr. Alejandro Paredes C.Residente 2º año Medicina Interna

Rotación Respiratorio

Temuco, Agosto 20, 2009.

El enfoque tradicional de la imagenología pulmonar, utilizando la tomografía computarizada de alta resolución (HRCT) que consiste en cortes de 1 mm, ha sido sustituida por nuevos métodos.

La introducción de los CT con multidetectores (MDCT) ha permitido reconstrucciones con mayor resolución espacial que antes, mientras que los métodos con contraste han mejorado la evaluación de la vasculatura y perfusión pulmonar.

Técnicas utilizando MDCT con control espirométrico permiten la cuantificación de la presencia y distribución del parénquima y vía aérea patológica, así como, el gas xenón se pueden emplear para evaluar la ventilación regional de los pulmones.

Introducción

En el futuro, evaluación por CT no sólo de la morfología sino que adicionalmente como una herramienta dinámica y cuantificables para la evaluación regional pulmonar.

Complemento a la TC de pulmón, las imágenes por resonancia magnética (MRI), que anteriormente fueron descartadas por la falta de homogeneidad de campo y carencia de protones en el tejido pulmonar, está desarrollando sus propios métodos de estimación, tanto en términos de morfología, circulación pulmonar, ventilación y evaluación incluso del ventrículo derecho.

Limitaciones costo-efectivas en la masificación del uso de la MRI sobre la CT.

Introducción

Clin Chest Med. 2008 March; 29(1): 195–vii

Evaluación volumétrica fisiológica fue desarrollada desde los años 70’s en la Clínica Mayo, con el uso del Reconstructor dinámico espacial.

La principal lección aprendida de la DSR es que los pulmones, deben ser estudiados dinámica y volumétricamente.

La adquisición de imágenes con múltiples cortes por rotación con velocidades tan cortas como 0.3 seg han permitido una reducción significativa en el tiempo de examen.

Los pacientes serán escaneados más frecuentemente con dosis bajas en MR y con menor frecuencia de sobretiempo con los nuevos métodos de CT.

Métodos de evaluación cardiaca y pulmonar simultánea.

Tomografía Computarizada

Ritman EL, Robb RA, Harris LD. Imaging Physiological Functions:

Experience with the DSR. Philadelphia: Praeger; 1985.

Prospectiva o retrospectivamente las fases del ciclo fisiológico de interés pueden ser seleccionadas de los datos obtenidos y así permitir la reconstrucción del ciclo cardiaco o respiratorio deseado.

A nivel experimental, también se han llegado a realizar adquisiciones con aparatos de TC de doble fuente, donde se aplican simultáneamente dos intensidades, siendo posible separar la señal del xenón de la del tejido pulmonar en una única maniobra de respiración única.

Esta técnica no invasiva aporta además mayor resolución que las técnicas de distribución de la ventilación basadas en el uso de radioisótopos captados por gammacámaras.

Tomografía Computarizada

Fuld M, Saba O, Krauss B, Van Beek EJ, McClennan G, Hoffman EA. Dual Energy

Xe-MDCT for Automated Assessment of the Central airway Tree: initial Experiences;

American Thoracic Society Annual Meeting; San Francisco, CA. 2007. p. A250

Fundamental para aprovechar plenamente MDCT (y RM) es la capacidad de evaluar objetivamente el contenido de las imágenes.

Detección de los pulmones, lóbulos, vías respiratorias y los vasos sanguíneos, seguido de un análisis de la atenuación del parénquima y la textura, por último, una cuantificación regional de los parámetros ventilación y perfusión.

Ahora es posible capturar con seguridad el árbol de la vía aérea hasta aproximadamente la 5 ª generación (siendo la

tráquea 0).

Estas medidas están siendo utilizados para evaluar la remodelación de las vías respiratorias, tanto en el Asma y la EPOC.

Análisis cuantitativo de imágenes

Austin JH-et al. Glossary of terms for CT of the lungs: Recommendations of the Nomenclature

Committee of the Fleischner Society. Radiology - 01-AUG-1996; 200(2): 327-31

Takashima, S, et al Small solitary pulmonary nodules (1 cm or less) detected at population-based CT screening

for lung cancer: reliable high-resolution CT features of benign lesions. AJR Am J Roentgenol 2003; 180:955-964.

Images derived from MDCT-based imaging of a normal non-smoker (left) and a smoker with emphysema (right).

These images demonstrate the automatic segmentation of the lungs, lobes and bronchial tree with automatic

bronchial tree labeling. Segmentation and display was via a Pulmonary Workstation Plus

Los métodos tradicionales de análisis de textura se pueden agrupar en estadística, estructural, y los métodos híbridos.

Tejido pulmonar puede ser objetivamente evaluado mediante la atenuación de los tejidos, ya sea como medio de atenuación del pulmón, o por la medición de la atenuación en relación a un valor fijo.

Adaptive Multiple Feature Method (AMFM)

Esta técnica ha utilizado cerca de 26 diferentes fórmulas matemáticas para describir la heterogeneidad de la escala de grises dentro de las regiones del parénquima al CT.

Evaluación pulmonar y su interfase funcional

Austin JH-et al. Glossary of terms for CT of the lungs: Recommendations of the Nomenclature

Committee of the Fleischner Society. Radiology - 01-AUG-1996; 200(2): 327-31

Whole lung classification using the 3D AMFM. Ellipses in the original image slice (left) represent

emphysema (red) and honeycomb (purple) patterns. The tissue types are color coded as:

Red=emphysema, pink=honeycomb, blue=normal, and yellow=ground glass.

Numerosas métodos basados en imágenes se han desarrollado para evaluar la ventilación, perfusión, o su resultado funcional - el intercambio de gases.

Imágenes funcionales

Eberle B, Weiler N, Markstaller K, et al. Analysis of intrapulmonary O(2) concentration

by MR imaging of inhaled hyperpolarized helium-3. J Appl Physiol. 1999;87:2043–2052.

Realizado para cuantificar ventilación regional directa e indirectamente con una variedad de técnicas invasivas de imagen o de radioisótopos siendo limitada por este motivo.

Para conocer la distribución de la ventilación mediante TC es necesario utilizar un gas que tenga unas características de captación radiológica diferentes de las del aire.

Xenón-MDCT es un método para la medición no invasiva de la ventilación pulmonar regional, determinado curvas a partir de “lavados” y medición de índices de radiodensidad.

Con la capacidad de reconstruir conjuntos de datos-imagen en 4D para representar a un ciclo completo de la respiración se hace posible evaluar la ventilación regional mediante el uso de algoritmos de correspondencia de imagen.

Ventilación evaluada por CT

Tajik JK, Chon D, Won C, Tran BQ, Hoffman EA. Subsecond multisection

CT of regional pulmonary ventilation.Acad Radiol. 2002;9:130–146.

Demonstration of the density changes occurring regionally across time as a result of the re-breathing of a constant

concentration of xenon gas. Imaging is in the axial mode and scans are gated to end expiration. Data shown are

from a supine anesthetized pig. In the upper panel, regions of interest are sampled including parenchymal regions

spaced from the dependent to the non-dependent lung regions, with one region of interest in a right sided bronchus.

It can be seen that the exponential rise from baseline is sharper in the dependent (yellow) region vs a much shallower

exponential rise in the non-dependent region (blue). The sharp and shallow rise from baseline represent a fast or slow

gas turnover rate respectively. Note the gradient in specific ventilation (lower right) where specific ventilation is the gas

turn over rate (time constant) normalized by the local amount of air in that region of lung.

Dual energy color coded images in axial (a) and coronal (b)

planes demonstrate the presence of xenon gas following the

inhalation of a single breath of 80% xenon. Imaging was

accomplished in the prone position at 80 and 140kV, allowing

subtraction of the xenon signal while minimally changing the

signal from the natural occurring tissue of the body.

Note the region of low or no xenon ventilation (white arrows,

upper panel). This region had a ground glass pattern indicative

of regional small airway inflammation.

Chest. 1991;99:1357–1366.

Métodos dinámicos de imágenes se han utilizado para estimar la circulación arterial, venoso, capilar, tiempos de tránsito y flujo de distribución.

Número creciente de estudios, que demuestran el uso MDCT con infusión de medios de contraste yodados para evaluar la presencia de embolia pulmonar a través de la visualización de defectos del flujo en los sectores periféricos del pulmón, explorándo su uso adicional en disección aórtica y cardiopatía coronaria lo que se ha traducido en el “Triple ruleout" como método de estudio para pacientes con angor.

Perfusión evaluada por CT

Austin JH-et al. Glossary of terms for CT of the lungs: Recommendations of the Nomenclature

Committee of the Fleischner Society. Radiology - 01-AUG-1996; 200(2): 327-31

Regional assessment of pulmonary blood flow mean transit times via use of temporally sequenced axial imaging,

gated to the electrocardiogram during a sharp bolus contrast injection (0.5cc/kg iodinated contrast agent) into the

superior vena cava / right atrial junction in a normal non-smoking (upper left) and a smoker (lower left) with CT

showing only findings of early emphysema. Regions of interest are highlighted in the lower left image showing an

ROI placed in the pulmonary artery (yellow); non-dependent (red) and dependent (purple) parenchymal regions.

Associated time intensity curves are shown, from which mean transit times and pulmonary blood flow may be

calculated, with the parenchymal curves expanded in the lower right graph. Studies have shown that the regional

heterogeneity of pulmonary blood flow mean transit times are significantly increased in the smokers with CT

findings of emphysema.

Axial images from a sheep with native pneumonia (dependent lung regions), imaged supine, anesthetized in the

MDCT scanner. Ventilation (middle column) and perfusion (left column) data sets were obtained before (upper rows)

and after (lower rows) the placement of an endobronchial valve. The white arrow in the lower middle column marks

the location of ventilation defect caused by the endobronchial valve. In this same region on the perfusion images

(see lower right) there is a regional reduction in perfusion indicating regional, intact hypoxic pulmonary

vasoconstriction. The black arrow in the lower right image marks a region that preferentially receives an increase

in blood flow following the shunting of perfusion from the regional of the endobronchial valve, presumable because

regional HPV is blocked in the presence of inflammation.

SPIE Medical Imaging. 1994;2168:23–32.

La RM tiene varias ventajas con respecto a la TC:

◦ Incluida la velocidad de la imagen

◦ Falta de radiación ionizante

◦ Capacidad de identificar características del tejido

◦ Potencial para obtener información que permita nuevos enfoques de la función pulmonar y evaluación de micro-estructuras.

Resonancia Magnética

La mayoría de los sistemas de MR será capaz de obtener imágenes de excelente calidad en el tórax.

El uso de medios de contraste endovenosos basados en Gadolinio, permiten delinear el árbol vascular pulmonar, así como el ventrículo derecho.

En el tórax, las imágenes por MR casi siempre son obtenidos en una sola apnea, aunque estudio dinámico de imágenes durante un ciclo respiratorio es viable.

Secuencia ultrarrápida de imágenes con contraste dinámico, puede llevar a la interpretación de la perfusión pulmonar.

Requerimientos técnicos

Pruessmann KP, Weiger M, Scheidegger MB, Boesiger P. SENSE: sensitivity

encoding for fast MRI. Magn Reson Med. 1999;42:952–962.

Como ocurre con cualquier técnica de RM de protones, se utiliza un gran campo magnético y el libre movimiento protones para obtener la señal de cambios en la orientación de estos mediados por pulsos de radiofrecuencia.

Los pulmones son diferentes del resto del cuerpo, ya que existe un relativo bajo número de protones y la mayoría del parénquima pulmonar está compuesto de aire.

La aplicación de distintas secuencias de ponderación dará lugar a aumento o disminución de la señal de protones.

Evaluación de la dinámica respiratoria ha llegado a ser posible con la llegada de imágenes ultrarrápida de protones. Esto ha dado lugar a nuevos enfoques para la evaluación del diafragma, pared torácica y evaluación del movimiento de la la mecánica respiratoria.

Protones en imágenes

Sodickson DK, Manning WJ. Simultaneous acquisition of spatial harmonics (SMASH):

fast imaging with radiofrequency coil arrays. Magn Reson Med. 1997;38:591–603.

Patient with sarcoidosis. Coronal proton single shot fast spin echo sequence, demonstrating black

lungs with some interstitial markings and extensive mediastinal and bilateral hilar lymphadenopathy.

El uso de contraste con gadolinio ha permitido una rápida expansión en el uso de RM en tórax.

Esto permitió a la RM llegar a competir con la CT en varios aspectos, especialmente de imágenes de los grandes vasos, incluyendo anomalías congénitas, como el ductus arterioso

perisistente y la evaluación de la hipertensión pulmonar.

La RM ofrece la posibilidad de evaluar la perfusión del lecho vascular pulmonar por imágenes ultrarápidas durante la inyección de gadolinio. Esto permite la visualización directa de la perfusión regional, con la posibilidad de algún tipo de cuantificación.

Varios estudios han demostrado la viabilidad de esta técnica para la evaluación de procesos normales y patológicos.

Imágenes mejoradas con Gadolinio

Ohno Y, Hatabu H, Murase K, et al. Primary pulmonary hypertension: 3D dynamic perfusion MRI

for quantitative analysis of regional pulmonary perfusion. AJR Am J Roentgenol. 2007;188:48–56.

Sagittal 3D-Gadolinium-enhanced MR angiogram,

demonstrating direct connection between aorta

and pulmonary artery (arrow), consistent with

patent ductus arteriosus in a patient with pulmonary

hypertension.

Coronal 3D-Gadolinium-enhanced MR

angiogram, demonstrating enhancement

of an aneurysm of the right pulmonary

artery with a black rim of mural organized

thrombus (arrow) in a patient with

pulmonary hypertension.

RM es muy versátil y tiene la capacidad de producir imagen basada en otros núcleos, incluidos Helio-3 y 129-xenón, adaptando la frecuencia del sistema para este motivo.

Helio requiere hiperpolarización para producir neutrones “espejos”.

Amplio uso en investigación clínica y tiene mejor relación señal-acción, permaneciendo en las vías respiratorias sin mayor interacción con el cuerpo humano.

Imágenes con gas hiperpolarizado

Darasse L, Guillot G, Nacher P, Tastevin G. Low-field 3He nuclear magnetic

resonance in human lungs. CR Acad Sci II B. 1997;324:691–700.

Es construida sobre la idea que cualquier área con señal es un reflejo de la entrega de 3-He a esta área.

En sujetos fumadores con pruebas de función pulmonar normal, por lo general, ya presentan defectos de ventilación detectables.

Estudios limitados a receptores de trasplante de pulmón mostraron que el 3-He RM era capaz de detectar anomalías de ventilación precoces, siendo más sensible que la espirometría o HRCT para la detección de la bronquiolitis obliterante y anomalías ventilatorias.

Distribución de ventilación

Austin JH-et al. Glossary of terms for CT of the lungs: Recommendations of the Nomenclature

Committee of the Fleischner Society. Radiology - 01-AUG-1996; 200(2): 327-31

Examples of hyperpolarized 3-Helium MRI and

correlation with HRCT. A, B Patient with alpha-1

-antitrypsin deficiency. Notice basal ventilation

defects on coronal MRI (a), with corresponding

panlobular emphysema on axial CT (b). C, D

Patient with cystic fibrosis. Notice upper lobe

cystic bronchiectasis on axial HRCT (C) with

corresponding ventilation defects on coronal

hyperpolarized 3-He MRI (D). E,F Patient with

lung cancer. On coronal proton image a large

soft tissue mass is visualized in the right upper

lung(E), which corresponds to upper lobe

ventilation defect on hyperpolarized 3-He MRI (F).

Es posible haciendo uso de la gran difusibilidad del Helio.

Mediciones del Coeficiente de difusión aparente (ADC), son una representación directa de las vías respiratorias pequeñas y estrechamente correlacionados con la histología.

ADC trabaja por la aplicación de secuencias de gradientes pulsos en dos intervalos diferentes, dando lugar a cambios de polarización entre átomos más o menos limitados.

Valores más altos asignados a los grandes espacios aéreos.

ADC es homogéneamente distribuido en sujetos normales, y se hace cada vez más heterogénea en los fumadores con enfisema

Difusión de imágenes

van Beek E, Wild J, Schreiber W, Kauczor H, Mugler JP, 3rd, de Lange EE. Functional

MRI of the lungs using hyperpolarized 3-helium gas. J Magn Reson Imaging. 2004;20:540–554.

Apparent diffusion coefficient (ADC) imaging in a normal volunteer in different positions,

demonstrating gravity dependent changes with decreased ADC values in dependent lung portions

Fichele et al. J MRI 2004;20:331–335

Permite la visualización de la señal 3-He, y su flujo en las principales vías aéreas a los espacios periféricos.

Hace uso de una combinación de secuencia de imágenes ultra-rápidas y técnicas de reconstrucción que efectivamente interpolan los cambios que ocurren durante el proceso de imágenes, resultando en tasas de cuadros en el orden de 5-10 mseg.

Ventilación puede ser cuantificada mediante la obtención de las curvas de cambio de señal durante el tiempo de imagen, y las curvas se correlacionan estrechamente con las pruebas de función pulmonar (en general).

Es posible evaluar el atrapamiento aéreo regional, que pueden ser relevante en diversos tipos de obstrucción de las vías aéreas.

Imágenes de ventilación dinámica

Salerno M, Altes TA, Brookeman JR, de Lange EE, Mugler JP., 3rd Dynamic spiral

MRI of pulmonary gas flow using hyperpolarized (3)He: preliminary studies in healthy

and diseased lungs. Magn Reson Med. 2001;46:667–677.

Dynamic 3-He MRI reconstruction of signal change over time during single

inspiration demonstrates the slope of the curve, which may be translated to

forced inspiratory volume during 1 second Koumellis et al. J MRI 200522:420–426

Utiliza el efecto paramagnético del oxígeno para calcular la disminución de la señal de 3-He debido a la pérdida de la polarización.

En zonas donde el oxígeno es absorbido rápidamente (Ej: ventilación-perfusión coincidentes) la señal 3-He permanecerá.

Áreas donde el oxígeno permanece en las vías respiratorias (Ej: ventilación-perfusión con desbalance) se demuestra una rápida pérdida de señal.

Es posible obtener mapas en 3D de los coeficientes de absorción de oxígeno.

Método continúa en desarrollo.

Imágenes oxígeno-sensibles

Wild JM, Fichele S, Woodhouse N, Paley MN, Kasuboski L, van Beek EJ. 3D volume-localized

pO2 measurement in the human lung with 3He MRI. Magn Reson Med. 2005;53:1055–1064.

Numerosas técnicas de imagen permiten la evaluación de la función pulmonar regional.

El uso de CT con contraste ha permitido mejorar la evaluación de la vasculatura y perfusión pulmonar.

Utilizando técnicas de control espirométrico MDCT permite cuantificar la presencia y distribución del parénquima y la vía aérea patológica.

Conclusiones

Gas xenón puede ser empleado para evaluar la ventilación regional de los pulmones y la rápida inyección de medios de contraste yodados pueden proporcionar medidas cuantitativas de la perfusión regional del parénquima.

Avances en Resonancia Magnética de imagen (MRI) pulmonar incluyendo imágenes de perfusión mejorada con Gadolinio e imágenes hiperpolarizadas con Helio, las cuales permiten evaluar la ventilación pulmonar y medición del tamaño de los espacios enfisematosos.

Conclusiones

Dr. Alejandro Paredes C.Residente 2º año Medicina Interna

Rotación Respiratorio

Temuco, Agosto 20, 2009.

Clin Chest Med. 2008 Mar;29 (Issue 1):P195-216.