新型多功能呼吸机,可用于控制患者呼吸以及回收昂贵的3He同位素!

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研究人员设计和制造了一种用于控制病人呼吸周期和给药的多功能呼吸机。它与医用磁共振成像扫描仪兼容,并可纳入常规人体肺部成像程序,使用超极化惰性气体作为造影剂。该系统适应病人的肺容量和他们的呼吸周期节奏,提供最大限度的舒适,在医学检查。健康志愿者获得了高质量的磁共振肺图像。该系统具有回收呼出气体以回收昂贵的3He同位素的能力,也可适用于超极化129Xe的人体肺成像。


相关论文以题为“A Novel System for Patient Ventilation and Dosing of Hyperpolarized 3He for Magnetic Resonance Imaging of Human Lungs”发表在《Applied Sciences》上。


新型多功能呼吸机,可用于控制患者呼吸以及回收昂贵的3He同位素!


近年来,科研人员已经开发了使用超极化(HP)气体作为人肺体内成像的成像剂的新型磁共振成像(MRI)技术。他们成功地补充了标准的质子成像和计算机断层扫描(CT),以提供高分辨率的结构信息,并以此为基础对肺部疾病(如哮喘,COPD(慢性阻塞性肺疾病)和囊性纤维化)进行了非常灵敏的诊断方法。


与在强磁场中利用水质子的热极化的标准MRI相反,稀有气体的超极化通过光学方法获得。考虑到其在存储和输送过程中不可恢复的极化的松弛,对它们在MR成像中的应用有一些特定要求。必须仔细选择带有所有连接管的气体容器的建筑材料,以最大程度地减少松弛损失。此外,沿着从气体容器到患者的传输路径的磁场强度和均匀性必须被优化。另外,由于最近3 He成本的急剧上升,收集呼出的气体进行再循环很重要。


本文描述了一种新颖、可靠的精确人类呼吸监测和控制系统,包括惰性气体管理和初始肺部氮气冲洗能力,呼出的气体被收集起来再循环利用。研究人员通过将其与1.5T西门子Avanto MRI医学扫描仪和运行在MRI磁孔内的高场3He MEOP偏振器相结合,评估了呼吸机的性能。


呼吸周期控制和超极化3He给药系统的设计


通风机的示意图如图1所示,图3a为通风机的照片。表示位于法拉第笼内外的组件。首先,将高场MEOP 3He极化器放置在磁孔中产生超极化气体。极化完成后,气体被转移到塑料袋(B),它位于磁铁的高而均匀的磁场中刚性的密闭压力室内。通过非金属气动阀门控制袋子的进出。在包中充满超极化气体后,偏振器从磁铁中取出,让病人进入。超极化气体的传递是通过施加一个小的,高于大气压力10毫巴的压力室来完成的。3He输气系统的死容量小于1ml,由一套带吹口(A)的无菌呼吸管将系统与患者连接,患者可自行操作呼吸管,以达到在扫描仪中最舒适的位置。研究人员发现它比直接使用装满惰性气体的袋子更方便。为确保不孕症,需要更换新病人的装置。吸气、呼气和惰性气体的输送过程由气动单向阀(C)控制,而实际的时间是通过记录患者的自主呼吸来调节的。这些阀门由电子控制模块(F)提供的3 bar压缩空气驱动,该模块包含电动阀门和压力表。气动阀安装在一个轻型铝架上,在那里还设有用于初始肺部冲洗的无氧氮气储罐(E)和用于呼出气体收集的金属氦密封袋(D)。


新型多功能呼吸机,可用于控制患者呼吸以及回收昂贵的3He同位素!


图1.呼吸机的设置。红色、蓝色、黑色虚线分别表示医用扫描仪磁铁的高磁场区域、0.5 mT杂散场限制范围和法拉第笼外区域:a三通接点,压力室内带HP 3He的b型tedlar袋,c型气动控制气阀系统,d型氦气密闭金属化袋用于呼出气体收集,e型氮气储气罐用于肺冲洗,f型气动阀门电子控制模块,g型计算机用于呼吸机控制的LabView程序,h型高压氮气瓶。


加药和控制系统的操作


专用呼吸机的应用使得成功和可复制的人类肺部MR成像成为可能,同时为患者提供最大限度的舒适度。一种可控的已知极化惰性气体与缓冲气体一起被输送到肺部,从而在全吸气模式下进行检查。在实际实验前,会进行一项简短的训练,使病人习惯于使用仪器,并教他如何在紧急情况下随时退出。为了达到这个目的,袋子里充满了周围的空气,整个过程可以根据需要进行多次模拟。在实际检查过程中,患者必须专注于操作员发出的哔哔信号和口头指令信号,以使憋气与超极化气体给药和图像采集同步。


通风机的运行由专用LabView程序软件控制,使用用户友好的GUI,如图2所示。它监控呼吸阶段和关键组件的状态,并控制气体应用到患者的顺序。由空气压缩机、氮气瓶和氮气储气罐输送的压力显示在位于窗口顶部中央的监视器上。患者的呼吸周期在图形显示器上显示出来,其中吸入和呼气阶段分别用红色和蓝色表示。该程序记录患者的呼吸频率和呼吸深度,并相应地设置输送气体(空气、氮气、极化3He)的时间和数量。自动气体输送程序的连续阶段由位于右下角的指示器监控。在实际检查之前,该程序会使用一个校正过的2升活塞假体来模拟病人的肺进行测试。


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图2.通风机监控程序的GUI。


3He废气回收储气系统


由于成本极高,尽可能多地回收3He同位素至关重要。研究人员已经为此目的开发了回收技术。在本设计中,收集在金属化袋中的废气混合物被一台商用4级压缩机传送到高压铝瓶中,该压缩机可将气体压缩至250巴。为了获得尽可能高的气体回收率,对压缩机进行了改进,以减少压缩时间和最大限度地减少其死容积。控制压缩机运行的电子设备允许设置压缩持续时间、压缩周期数和输出压力。程序完成后,压缩机容积与周围空气进行冲洗,使整个装置中混合气的剩余量可以忽略不计。该压缩机包括用于减少压缩空气中的水蒸气含量的简单分离器和用于去除冷凝水的手动释放阀。由于压缩机产生的高噪音,它位于诊断区域之外。


研究人员的软件可以选择存储在金属化袋(D)中的呼气循环次数,通常设置为3次。由于油管中有一些死角,研究人员估计大约95%的呼出气体被回收。压缩过程也包括三个循环,冲洗压缩机的死区。所产生的气体混合物可以送到外部公司进行化学和生物清洗和回收。整个过程的效率约为80 - 90%。


位于法拉第笼内的风机架和压缩单元的照片分别如图3a、b所示。在3He回收过程的最后一步,装有压缩气体混合物的瓶子被送到外部公司进行贵金属气体的提取和去除任何化学和生物污染物。


新型多功能呼吸机,可用于控制患者呼吸以及回收昂贵的3He同位素!


图3.(a)通风机架和(b)呼出气体压缩装置。字母(A−G)表示与图1相同。


研究结果


肺成像实验中各患者呼吸参数的典型时间病程如图4所示。由beep信号伴随着口头指令,一个志愿者需要一个氮气冲洗他肺部的正常呼吸,呼气后,他吸入300毫升的惠普天然气约10%的极化,辅以700毫升的氮气填充整个肺容积。屏住呼吸几秒钟来进行成像实验。之后,三个完整的呼气被收集到金属化的袋为稍后氦气回收。


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图4.肺部成像过程中呼吸过程的时间依赖性。红、蓝、黑、绿、黄分别表示呼吸压(y * 20 mbar)、呼吸流量(y * 2 dm3/s)、氦压(y * 150 mbar)、吸入阈值(y * 20 mbar)和呼气阈值(y * 20 mbar)。


图4中的黑色竖线表示换气扇阀门被切换时的力矩。在初始呼吸稳定后,使用氮气(从左起第一行)。下一次开关对应于HP煤气的应用。在排空HP储存袋后,系统再次切换阀门以输送氮气,这样志愿者就可以继续吸入氧气,直到肺部充满氧气。此时,系统打开通往收集袋的阀门,让志愿者呼出气体(第三条线)。屏住呼吸几秒钟后,完成三个完整的呼吸循环,关闭收集袋(第四线),完成通风程序。


结论


研究人员设计并构建了用于人体肺磁共振成像的HP 3He剂量呼吸监测与控制的通风系统。它适应病人的肺容量和他的呼吸周期,提供最大限度的舒适,在肺部成像过程中,不需要进行插管。


计算机断层扫描是最广泛应用的肺成像技术。然而,它只对软组织敏感,不能成像占主导地位的肺中的空域。唯一可比的方法是使用超极化氙的核磁共振成像,这要便宜得多。与HP 3He MRI相比,其主要缺点是产生足够多的超极化气体所需的时间较长。尽管如此,研究人员正在积极地朝着这个方向发展。除了标准的成像,氙在血液中的高溶解度使得应用129Xe的局域光谱技术来研究肺部的灌注和大脑的代谢过程成为可能。


考虑到检查的成本和时间,研究人员的设备的应用可能仅限于特殊情况,如肺移植。在需要频繁检查时,也可成功替代CT,避免电离辐射损伤。该设备仍是一个原型,需要进一步改进,为更广泛的销售做好准备。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/9/3163/htm



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