يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

القياس الكمي لبنية الرئة ووظيفتها التي تم الحصول عليها من مطيافية الزينون شديدة الاستقطاب

1.4K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/66038

⸱

نوفمبر 10, 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Radiology, University of Pennsylvania

في هذه المقالة

ملخص

تقدم المخطوطة بروتوكولا مفصلا لاستخدام استعادة تشبع التحول الكيميائي Xenon-129 مفرط الاستقطاب (CSSR) لتتبع تبادل الغازات الرئوية، وتقييم سمك جدار الحاجز السنخي الظاهر، وقياس نسبة السطح إلى الحجم. هذه الطريقة لديها القدرة على تشخيص ومراقبة أمراض الرئة.

الملخص

يوفر التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) Xenon-129 (HXe) أدوات للحصول على خرائط 2 أو 3 أبعاد لأنماط تهوية الرئة ، وانتشار الغاز ، وامتصاص الزينون بواسطة حمة الرئة ، ومقاييس وظائف الرئة الأخرى. ومع ذلك ، من خلال التداول المكاني للدقة الزمنية ، فإنه يتيح أيضا تتبع تبادل غازات الزينون الرئوية على مقياس زمني MS. توضح هذه المقالة إحدى هذه التقنيات، التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي لاستعادة التشبع بالتحول الكيميائي (CSSR). يوضح كيف يمكن استخدامه لتقييم حجم الدم الشعري ، وسمك جدار الحاجز ، ونسبة السطح إلى الحجم في الحويصلات الهوائية. تمت معايرة زاوية الوجه لنبضات الترددات الراديوية المطبقة (RF) بعناية. تم استخدام بروتوكولات حبس النفس بجرعة واحدة وبروتوكولات التنفس الحر متعددة الجرعات لإعطاء الغاز للموضوع. بمجرد وصول غاز الزينون المستنشق إلى الحويصلات الهوائية ، تم تطبيق سلسلة من نبضات التردد اللاسلكي 90 درجة لضمان أقصى تشبع لمغنطة الزينون المتراكمة في حمة الرئة. بعد وقت تأخير متغير ، تم الحصول على أطياف لتحديد إعادة نمو إشارة الزينون بسبب تبادل الغازات بين حجم الغاز السنخي وحجرات الأنسجة في الرئة. ثم تم تحليل هذه الأطياف عن طريق تركيب وظائف Voigt الزائفة المعقدة مع القمم الثلاث السائدة. أخيرا ، تم تركيب سعة الذروة المعتمدة على وقت التأخير في نموذج تبادل الغاز التحليلي أحادي البعد لاستخراج المعلمات الفسيولوجية.

المقدمة

التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) Xenon-129 (HXe) مفرط الاستقطاب هو تقنية تقدم رؤى فريدة حول بنية الرئة ووظيفتها وعمليات تبادل الغازات. من خلال تضخيم مغنطة غاز الزينون بشكل كبير من خلال الضخ البصري للتبادل المغزلي ، يحقق HXe MRI تحسنا كبيرا في نسبة الإشارة إلى الضوضاء مقارنة بالتصوير بالرنين المغناطيسي Xenon المستقطب حراريا2،3،4،5،6. يتيح هذا الاستقطاب المفرط التصور المباشر والقياس الكمي لامتصاص غاز الزينون في أنسجة الرئة والدم ، والذي لا يمكن اكتشافه باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسيالتقليدي المستقطب حراريا 7.

استعادة التشبع بالتحول الكيميائي (CSSR) أثبت التحليل الطيفيبالرنين المغناطيسي 8،9،10،11،12،13 أنه أحد أكثر تقنيات التصوير بالرنين المغناطيسي HXe قيمة. يتضمن CSSR تشبع مغنطة الزينون الذائبة في أنسجة الرئة والدم بشكل انتقائي باستخدام نبضات الترددات الراديوية الخاصة بالترددات الراديوية (RF). إن الاسترداد اللاحق لإشارة المرحلة الذائبة (DP) أثناء تبادلها مع غاز الزينون الطازج مفرط الاستقطاب في المجالات الجوية على مقياس زمني من مرض التصلب العصبي المتعدد يوفر معلومات وظيفية مهمة حول حمة الرئة.

منذ تطويره في أوائل عام 2000 ، تم تحسين التقنيات الكامنة وراء التحليل الطيفي CSSR تدريجيا14،15،16،17،18،19،20،21،22،23. علاوة على ذلك ، مكن التقدم في نمذجة منحنيات امتصاص الزينون من استخراج معلمات فسيولوجية محددة ، مثل سمك الجدار السنخي وأوقات العبور الرئوي10،24،25،26. أظهرت الدراسات حساسية CSSR للتغيرات الطفيفة في البنية المجهرية للرئة وكفاءة تبادل الغازات في شكل تشوهات رئوية موجودة في المدخنين الأصحاءسريريا 27 ، وكذلك في مجموعة من أمراض الرئة ، بما في ذلك مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD)18،27،28 ، والتليف29 ، وإصابة الرئة الناجمة عن الإشعاع30,31. كما ثبت أن التحليل الطيفي CSSR حساس للكشف عن التذبذبات في إشارة DP المقابلة لتدفق الدم النابض خلال الدورة القلبية32.

على الرغم من إحراز تقدم كبير ، لا تزال هناك تحديات عملية في تنفيذ التحليل الطيفي CSSR على أنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي السريرية. قد تكون أوقات الفحص التي تتطلب حبس التنفس بجرعة واحدة تقترب من 10 ثوان طويلة جدا بالنسبة للأطفال33,34 أو المرضى الذين يعانون من أمراض الرئة الحادة 35,36. بالإضافة إلى ذلك ، تكون التقنية عرضة لتحيزات القياس إذا لم يتم تحسين معلمات الاستحواذ مثل ترتيب أوقات تأخير التشبع أو فعالية تشبع الطور الذائببشكل صحيح 21. لمعالجة هذه القيود وجعل CSSR في متناول مجتمع البحث الأوسع ، هناك حاجة إلى بروتوكولات واضحة خطوة بخطوة لكل من عمليات حبس النفس التقليدية وعمليات الاستحواذ على التنفس الحر ، قيد التطوير حاليا.

الهدف من هذه الورقة هو تقديم منهجية مفصلة لإجراء التحليل الطيفي الأمثل CSSR MR باستخدام غاز HXe. سيغطي البروتوكول استقطاب وتسليم غاز الزينون ، ومعايرة نبضات التردد اللاسلكي ، واختيار معلمات التسلسل ، وإعداد الموضوع ، والحصول على البيانات ، والخطوات الرئيسية في تحليل البيانات. سيتم تقديم أمثلة على النتائج التجريبية. ومن المأمول أن يكون هذا الدليل الشامل بمثابة أساس لتنفيذ CSSR عبر المواقع ويساعد على تحقيق الإمكانات الكاملة لهذه التقنية لقياس التغيرات الهيكلية المجهرية للرئة في مجموعة من الأمراض الرئوية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

ملاحظة: في حين أن تقنية التحليل الطيفي Xenon-129 CSSR MR شديدة الاستقطاب الموصوفة هنا تستخدم بشكل شائع للتصوير الحيواني والبشري ، يشير البروتوكول أدناه إلى الدراسات البشرية فقط. التزمت جميع بروتوكولات التصوير بقيود معدل الامتصاص النوعي (SAR) لإدارة الغذاء والدواء (4 واط / كجم) وتمت الموافقة عليها من قبل مجلس المراجعة المؤسسية في جامعة بنسلفانيا. تم الحصول على موافقة مستنيرة من كل موضوع.

1. تصميم تسلسل النبض

  1. قرر ما إذا كنت تريد إجراء حبس النفس أو قياس التنفس الحر.
    ملاحظة: تعتبر عمليات حبس النفس أبسط من الناحية الفنية لأنها تتطلب فقط استنشاق جرعة واحدة (500 - 1000 مل) من غاز HXe متبوعة بحبس التنفس لمدة 10 ثوان يتم خلالها جمع بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي. ومع ذلك ، قد لا يتمكن الأشخاص غير المتعاونين (مثل الأطفال الصغار) أو المرضى الذين يعانون من أمراض الرئة الحادة من حبس أنفاسهم لفترة طويلة ، لذلك قد يكون من المستحسن الحصول على التنفس الحر الذي يستلزم استنشاق جرعات متعددة وصغيرة (~ 50 مل) على مدار بضع دقائق.
  2. لدراسة التحليل الطيفي CSSR MR لحبس النفس ، استخدم أوقات تأخير متغيرة لتحقيق أقصى قدر من المرونة ، وزوايا قلب عالية الإثارة تصل إلى 90 درجة للحصول على أقصى نسب إشارة إلى ضوضاء (الشكل 1 أ).
    1. لتشبع مغنطة DP على ماسح ضوئي للتصوير بالرنين المغناطيسي 1.5 T ، قم بتطبيق 5 نبضات مستطيلة بتردد لاسلكي 90 درجة (RF) بتردد مركزي ، ومدة 198 جزء في المليون ، و 2.5 مللي ثانية و 218 جزء في المليون ، و 2.5 مللي ثانية لنبضتين وتردد مركزي ، ومدة 208 جزء في المليون ، و 2.0 مللي ثانية للنبضات الثلاثة المتبقية. إذا سمح مضخم طاقة التردد اللاسلكي بذلك ، فقم بتقصير مدة نبضات التردد اللاسلكي للقياسات عند شدة مجال أعلى.
    2. افصل جميع نبضات التردد اللاسلكي بواسطة أجنحة متدرجة 1 مللي ثانية ، بالتناوب على طول المحاور x و y و z: وقت منحدر 200 μs ، وقت هضبة 600 μs ، 20 mT / m.
    3. بعد نبض التشبع النهائي ، انتظر وقت تأخير τi ، حيث يشير i إلى القياس i-th في حبس التنفس. استخدم أوقات التأخير التالية بالترتيب المحدد: 50 ، 2.5 ، 2.5 ، 2.5 ، 3.5 ، 5 ، 7.5 ، 50 ، 10 ، 15 ، 30 ، 60 ، 50 ، 80 ، 100 ، 120 ، 160 ، 50 ، 200 ، 250 ، 350 ، 50 ، 50 ، 5 ، 6 ، 8 ، 50 ، 12.5 ، 20 ، 40 ، 70 ، 50 ، 90 ، 110 ، 140 ، 180 ، 50 ، 225 ، 300 ، 400 مللي ثانية.
    4. قم بتطبيق نبضة إثارة Gaussian RF 1.2 مللي ثانية تتمركز عند 208 جزء في المليون. اضبط زاوية الوجه على 90 درجة. إذا كان مضخم التردد اللاسلكي لا يسمح بذلك ، فاستخدم أقصى زاوية قلب يسمح بها مكبر الصوت. قم بقياس طول نبضات إثارة التردد اللاسلكي بما يتناسب عكسيا مع شدة المجال للقياسات على الماسحات الضوئية عالية المجال.
    5. عينة من اضمحلال الحث الحر لمدة 30.72 مللي ثانية (1024 نقطة أخذ عينات). في حين أن المرحلة الغازية T2 * عند 1.5 T في حدود 15 مللي ثانية ، قلل مدة أخذ العينات بشكل كبير عند شدة مجال أعلى دون الحاجة إلى إضافة إشارة إضافية قبل المعالجة.
    6. ضع جناحا متدرجا بمقدار 5 مللي ثانية على طول المحور السيني: وقت منحدر 200 ميكرو ثانية ، وقت هضبة 4.6 مللي ثانية ، 20 مللي طن / م.
    7. كرر الخطوات 1.2.1 - 1.2.6 40x مع τi مختلفة أثناء نفس التنفس كما هو موضح في الخطوة 1.2.3.
    8. للحصول على دراسة التحليل الطيفي للأشعة بالرنين المغناطيسي CSSR للتنفس الحر ، قم بإجراء القياس التالي بشكل مستمر لمدة 3 دقائق تقريبا (الشكل 1 ب) ، على الرغم من أنه يمكن إنهاء الاستحواذ في وقت مبكر إذا نفد حجم غاز HXe المخصص.
    9. كرر الخطوتين 1.2.1 و1.2.2. كرر الخطوة 1.2.4 بزاوية قلب إلى 7 درجات. عينة من اضمحلال الحث الحر لمدة 10.24 مللي ثانية (512 نقطة أخذ عينات).
    10. ضع جناحا متدرجا بمقدار 1 مللي ثانية على طول المحور السيني: وقت منحدر 200 مللي ثانية ، وقت هضبة 600 مللي ثانية ، 20 مللي طن / م. كرر الخطوات 1.2.3 - 1.2.5 40x مع وقت تكرار يبلغ 12.6 مللي ثانية.
    11. كرر الخطوات 1.2.1 - 1.2.6 حتى نهاية الدراسة.

2. التحضير لفحص المريض

  1. قبل كل دراسة ، تأكد من إعداد قناع وجه نظيف وتوصيله بجهاز مزامنة توصيل الغاز باستخدام أنابيب رفيعة ومرنة.
  2. لدراسات التنفس الحر إرفاق استرواح استرواح ثنائي الاتجاه لقياسات التدفق.
  3. قم بإجراء اختبار روتيني باستخدام حقنة زجاجية لتقليد التنفس من أجل التحقق من حقن الغاز المناسب. يجب أن يكتشف جهاز توصيل الغاز بداية الاستنشاق من قياسات تدفق الالتهاب الرئوي ، مما يتيح حقن الغاز في القناع.
  4. قم بإعداد نظام المراقبة الفسيولوجية الاختياري الذي يسجل منحنيات التنفس (التدفق والأحجام) وتحليل الغاز في الوقت الفعلي (O2 و CO2) أثناء التصوير.
  5. قم بتوصيل واختبار سماعات غرفة التصوير بالرنين المغناطيسي بالإشارة الصوتية التي توجه الهدف باستخدام تسجيل صوتي للشهيق والزفير. اضبط سرعة تشغيل المسار الصوتي بناء على معدل التنفس الطبيعي لكل موضوع.
  6. قم بإعداد سرير الماسح الضوئي بمسند رأس نظيف ووسادة دعم للساق وبطانية.
  7. ضع ملف سترة الصدر Xenon-129 غير المثبت على طاولة ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي. أدخل قابس موصل الملف وتأكد من أن الماسح الضوئي MR يتعرف على الملف.

3. إعداد الموضوع ومراقبته

  1. عندما يصل الشخص إلى مرفق التصوير ، احصل على موافقة خطية مستنيرة باستخدام نموذج موافقة معتمد من IRB. بمجرد الحصول على الموافقة ، قم بفحص الموضوع باستخدام استبيان سلامة التصوير بالرنين المغناطيسي وجهاز الكشف عن المعادن.
  2. اطلب من الشخص إزالة أي معدن أو مجوهرات من شخصه وتغييره إلى ثوب المريض.
  3. تدريب الموضوع على الالتزام ببروتوكول التنفس المحدد (حبس النفس أو التنفس الحر).
  4. لدراسة التنفس الحر ، قدم الموضوع إلى التسجيل الصوتي للشهيق والزفير الذي سيتم تشغيله أثناء التصوير ، والذي يجب أن يتزامن مع تنفسه.
  5. قم بقيادة الهدف إلى غرفة التصوير بالرنين المغناطيسي وضعه على سرير الماسح الضوئي: مستلقيا فوق ملف سترة زينون المفتوح.
  6. بمجرد وضع الهدف ، اربط أحزمة الفيلكرو بحيث يتم إغلاق ملف السترة ولكن لا يضيق صدر الموضوع.
  7. لدراسة التنفس الحر ، ضع قناعا للوجه مع استرواح الصدر على وجه المريض وشد الأشرطة بحيث يتناسب القناع بشكل مريح مع الأنف والفم دون أن يكون ضيقا جدا. بعد التركيب ، قم بإزالة القناع واتركه جانبا لوقت لاحق ، مع ترك الأشرطة خلف رأس الهدف.
  8. ضع اثنين من مقاييس التأكسج النبضي على أصابع السبابة اليمنى واليسرى للموضوع ، على التوالي ، لمراقبة وتسجيل معدل ضربات القلب وتشبع الأكسجين في الدم (SPO2) باستمرار طوال مدة الدراسة.
  9. ضع سماعات الرأس المتوافقة مع التصوير بالرنين المغناطيسي على أذني الهدف.
  10. حرك طاولة ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي إلى تجويف المغناطيس بحيث يتم وضع رئتي الشخص في وسط مجال الرؤية.

4. استقطاب زينون -129 مفرط الاستقطاب (غاز المعايرة)

ملاحظة: فيما يلي خطوات البروتوكول لاستقطاب غاز Xenon-129 باستخدام جهاز الاستقطاب الخاص بنا. اضبط وفقا لتعليمات التشغيل الخاصة بالمورد لمستقطب الغاز المثبت.

  1. قبل حوالي 2.5 ساعة من بدء الدراسة ، قم بتسخين مستقطب زينون. نظرا لأن غاز الزينون ، وخاصة المخصب بنسبة >85٪ Xenon-129 ، مكلف للغاية (حاليا ~ 500 دولار لكل لتر) ولا يمكن استعادته بمجرد الاستقطاب ، يجب أن تبدأ عملية الاستقطاب فقط بمجرد وصول الموضوع إلى موقع التصوير.
  2. قم بربط أنبوب الموصل لكيس PVF متخصص سعة 250 مل من خلال مشبك مانع للتسرب. تأكد من أن المشبك لا يقرص الأنبوب.
  3. قم بتوصيل كيس PVF المتخصص بأحد منافذ توزيع المستقطب الأربعة المتوفرة.
  4. على شاشة اللمس المستقطب ، حدد خزان Xenon المخصب ، واضبط معدل التدفق على متوسط ، واضبط حجم الاستقطاب على 250 مل.
  5. اضغط على زر البدء لبدء عملية الاستقطاب. إجراء الاستقطاب الفعلي ، تجميد الزينون ، والذوبان ، والاستغناء في كيس PVF المتخصص ، أوتوماتيكي بالكامل ويستغرق حوالي 15 دقيقة مقابل 250 مل من الزينون.
  6. عندما يتم توزيع غاز الزينون المستقطب ، سيعرض المستقطب رسالة على شاشة اللمس تفيد بأنه يمكن الآن إزالة الكيس.
  7. اضغط على أنبوب الموصل الخاص بكيس PVF المتخصص مغلقا بمشبك الختم. افصل كيس PVF المتخصص وضعه بسرعة داخل تجويف ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي لمنع إزالة استقطاب الغاز بسرعة.

5. استنشاق زينون -129 مفرط الاستقطاب للمعايرة

  1. ضع مشبك أنف على أنف الشخص لتحسين التنفس عن طريق الفم.
  2. في نهاية انتهاء الصلاحية الطبيعي ، أدخل لسان حال كيس الزينون في فم الموضوع.
  3. بمجرد استنشاق الشخص 250 مل من جرعة الزينون من الكيس ، قم بإزالة قطعة الفم واطلب من الشخص الاستمرار في استنشاق هواء الغرفة حتى تمتلئ رئتيه.
  4. في نهاية الإلهام ، اطلب من الشخص رفع إبهامه ، ومنسق الممرضة لنقل هذه المعلومات شفهيا إلى مشغل الماسح الضوئي لبدء تسلسل النبض.
  5. بالنسبة للأشخاص غير القادرين على حبس أنفاسهم ، اطلب من منسق الممرضة مراقبة حركة صدر الشخص وإبلاغ المشغل عندما يصل الموضوع إلى نهاية الزفير ويبدأ الإلهام. في حين أن هذا النهج يقلل من إشارة القياس بسبب الزفير الجزئي لغاز الزينون المستوحى ، فإنه يضمن أن حجم الزينون داخل رئتي الشخص يظل ثابتا إلى حد ما أثناء الحصول على بيانات المعايرة.
  6. في نهاية فترة الحصول على البيانات (~ 5 ثوان) ، اطلب من الشخص أن يتنفس بشكل طبيعي مرة أخرى.

6. معايرة جهد نبض تردد الغاز والتردد اللاسلكي

ملاحظة: قبل تنفيذ تسلسل النبض ، عادة ما تقوم ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي الحديثة بمعايرة تردد الرنين لإشارة MR والجهد الذي سيتم تطبيقه على ملف RF الإرسال لتحقيق زاوية الوجه المطلوبة لنبضات الإثارة. في التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدي للبروتون ، تكون عملية المعايرة هذه تلقائية وشفافة عادة للمستخدم. ومع ذلك ، فإن هذه المعايرة التلقائية غير مجدية لدراسات Xenon-129 شديدة الاستقطاب ، حيث لا يوجد مصدر إشارة في التوازن الحراري متاح. بدلا من ذلك ، يجب معايرة التردد والجهد لنبضات التردد اللاسلكي يدويا. على ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي المستخدم هنا ، تتم هذه المعايرة اليدوية عن طريق توفير جهد مرجعي ، والذي يستخدمه برنامج الماسح الضوئي بعد ذلك لحساب الجهد المناسب لجميع نبضات التردد اللاسلكي اللاحقة. راجع تعليمات التشغيل الخاصة بالمورد لنظام التصوير بالرنين المغناطيسي لفهم كيفية إدخال بيانات المعايرة هذه في برنامج القياس.

  1. قم بتحميل تسلسل نبض كشافة البروتون. حدد مجال رؤية 400 مم. احصل على 10 شرائح إكليلية (سمك شريحة 10 مم ، فجوة 20٪).
  2. راجع صور البروتون وتأكد من أن رئة الشخص تتمركز في مجال الرؤية. إذا لزم الأمر ، قم بتغيير موضع الموضوع وكرر الخطوة 1.
  3. قم بتحميل تسلسل نبض المعايرة. استخدم تردد الطور الغازي HXe (GP) من أحدث مسح بشري كتقدير أولي لتردد جهاز الاستقبال.
  4. اضبط الجهد المرجعي على قيمة بحيث تنخفض إشارة GP بين الأطياف الأولى والأخيرة المكتسبة مع تسلسل المعايرة بنسبة 70٪ - 80٪ تقريبا لمعظم الموضوعات. بالنسبة لملف RF للصدر ، اضبط الجهد المرجعي الأولي على 75 فولت.
  5. ابدأ التسلسل عندما يكون الشخص قد استنشق جرعة معايرة HXe وكان في حبس النفس أو ، إذا تعذر تحقيق حبس النفس ، عندما يكون الهدف قد تجاوز نقطة انتهاء الصلاحية في دورة التنفس.
    1. قم بتطبيق نبضة إثارة Gaussian RF 1.2 مللي ثانية متمركزة عند 0 جزء في المليون. اضبط زاوية الوجه الاسمية على 90 درجة. ومع ذلك ، نظرا لأن الجهد المرجعي الأولي يتم ضبطه أقل بكثير من قيمته الحقيقية ، فإن زاوية الوجه المطبقة فعليا تبلغ حوالي 15 درجة.
    2. عينة من اضمحلال الحث الحر لمدة 30.72 مللي ثانية (1024 نقطة أخذ عينات). ضع جناحا متدرجا بمقدار 20 مللي ثانية على طول المحور السيني: وقت منحدر 500 مللي ثانية ، وقت هضبة 19 مللي ثانية ، 20 م طن / م. لاحظ أن مواصفات التدرج هذه لم يتم تحسينها ، فمن المحتمل أن تكون فترات التدرج الأقصر كافية.
    3. كرر الخطوات 6.5.1.-6.5.2. 16 مرة مع وقت تكرار 55 مللي ثانية. كرر مرة أخرى الخطوات 6.5.1-6.5.2. 16 مرة مع وقت تكرار 220 مللي ثانية.
  6. بمجرد اكتمال الحصول على البيانات ، اطلب من الشخص العودة إلى التنفس الطبيعي.
  7. قم بتقييم رفاهية الشخص عن طريق التحقق من مستوى SPO2 واسأل عن أي ردود فعل سلبية محتملة.
  8. قم بتنزيل بيانات المعايرة المقاسة على محرك أقراص USB ، ثم انقلها إلى كمبيوتر محمول لمزيد من التحليل.
  9. استخدم برنامج MATLAB النصي لاستخراج التردد المركزي لذروة GP ، وزاوية الوجه لنبضات إثارة التردد اللاسلكي ، وغاز HXe T1 داخل الرئة.
    1. قم بتحميل 32 FIDs المكتسبة بواسطة تسلسل المعايرة. استخدم تحويلات فورييه السريعة (FFTs) لتحويل FIDs إلى أطياف.
    2. مرحلة قمم GP إلى الترتيب الصفري. قم بتركيب شكل خط Voigt زائف مع المكون الحقيقي المرحلي لقمم GP.
    3. احسب تردد GP كمتوسط على الترددات المركزية لأول 10 نوبات ، حيث أن هذه لها أعلى نسبة إشارة إلى ضوضاء. إخراج متوسط التردد على الشاشة.
    4. دمج المنطقة تحت جميع قمم GP. تناسب وظائف الاضمحلال الأسي الأحادي مع أول 16 وثاني 16 GP مناطق الذروة.
    5. استخرج GP T1 وطبق زاوية الوجه من منحنيي الاضمحلال المجهزين.

7. استقطاب زينون -129 مفرط الاستقطاب (غاز القياس)

  1. لاستقطاب غاز القياس ، اتبع الخطوات 4.2 - 4.7 ، مع التعديلات التالية:
    1. استخدم كيس PVF متخصص سعة 500 مل بدلا من كيس سعة 250 مل.
    2. اضبط مستوى صوت الاستقطاب على 500 مل بدلا من 250 مل. تستغرق عملية الاستقطاب حوالي 20 دقيقة مقابل 500 مل.

8. استنشاق زينون -129 مفرط الاستقطاب للقياس (حبس التنفس)

  1. ضع مشبك أنف على أنف الشخص لتحسين التنفس عن طريق الفم.
  2. في نهاية انتهاء الصلاحية الطبيعي للقدرة المتبقية الوظيفية ، أدخل لسان حال كيس الزينون في فم الموضوع.
  3. بمجرد أن يستنشق الشخص 500 مل من غاز الزينون من كيس الزينون ، قم بإزالة قطعة الفم واطلب من الشخص الاستمرار في استنشاق هواء الغرفة حتى تمتلئ رئتيه.
  4. في نهاية الإلهام ، اطلب من الشخص رفع إبهامه ، ومنسق الممرضة لنقل هذه المعلومات شفهيا إلى مشغل الماسح الضوئي لبدء تسلسل النبض.
  5. في نهاية فترة الحصول على البيانات (~ 8 ثوان) ، اطلب من الشخص أن يتنفس بشكل طبيعي مرة أخرى.

9. استنشاق زينون -129 مفرط الاستقطاب للقياس (التنفس الحر)

  1. بالنسبة لفحص القياس ، انقل الهدف خارج ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي ، وضع قناع الوجه على أنفه وفمه ، وقم بتوصيل الأشرطة المجهزة مسبقا من خلف الرأس بالقناع ، مع تثبيت القناع في مكانه. سيكتشف استرواح الرئة الموجود على القناع استنشاق وزفير الشخص المتتالي وسيطلق نظام توصيل الغاز لتوزيع الغاز عند اكتشاف الاستنشاق.
  2. حرك الهدف مرة أخرى إلى موضعه الأصلي داخل الماسحة الضوئية.
  3. قم بتشغيل التسجيل الصوتي للشهيق والزفير حتى يتمكن الشخص من مزامنة نمط تنفسه مع بروتوكول التنفس.
  4. بمجرد أن يقع الموضوع في إيقاع مع بروتوكول التنفس ، اطلب من منسق الممرضة إبلاغ مشغل التصوير بالرنين المغناطيسي لبدء الحصول على البيانات. ثم يفتح منسق الممرضة الصمامات الموجودة على نظام توصيل الغاز ويبدأ الموضوع في استنشاق 50 مل من Xenon-129 مفرط الاستقطاب الذي يمتزج مع تدفق الهواء داخل قناع التنفس.
  5. اطلب من المريض الاستمرار لمدة 10 أنفاس تقريبا حتى يتم استخدام حجم غاز الزينون لبروتوكول التصوير.

10. الحصول على بيانات القياس (حبس النفس)

  1. قم بتحميل تسلسل نبض CSSR لعقد النفس، كما هو موضح في الخطوة 1.2. اضبط تردد الاكتساب وفقا لتردد HXe GP المحدد أثناء فحص المعايرة في الخطوة 6.
  2. اضبط الجهد المرجعي ليطابق القيمة التي تم الحصول عليها من مسح المعايرة الموضح في الخطوة 6.
  3. اختر خيار انتظار المستخدم ، أو ما يعادله، لتنفيذ التسلسل، باتباع تعليمات تشغيل بائع النظام.
  4. ابدأ التسلسل. سيكمل ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي إعداد التسلسل ، ثم يتوقف مؤقتا وينتظر حتى يبدأ المستخدم في الحصول على البيانات.
  5. ابدأ في الحصول على البيانات عندما يستنشق الشخص جرعة قياس HXe ، ويغسل الشعب الهوائية عن طريق الاستمرار في استنشاق هواء الغرفة حتى تمتلئ رئتيه ، ويبدأ في حبس النفس. يجب إجراء هذا الأخير وفقا لتوجيهات منسق الممرضات ووصفه في الخطوة 5 والخطوة 8.
  6. بمجرد اكتمال الحصول على البيانات ، اطلب من الشخص العودة إلى التنفس الطبيعي.
  7. قم بتقييم رفاهية الموضوع عن طريق التحقق من مستوى SPO2 والسؤال عن أي ردود فعل سلبية محتملة.
  8. قم بتنزيل بيانات CSSR المقاسة على محرك أقراص USB ، ثم انقلها إلى جهاز كمبيوتر محمول لمزيد من التحليل.

11. الحصول على بيانات القياس (التنفس الحر)

  1. قم بتحميل تسلسل نبضات CSSR للتنفس الحر، كما هو موضح في الخطوة 1.3.
  2. اضبط تردد الاكتساب وفقا لتردد HXe GP المحدد أثناء فحص المعايرة في الخطوة 6.
  3. اضبط الجهد المرجعي ليطابق القيمة التي تم الحصول عليها من مسح المعايرة الموضح في الخطوة 6.
  4. اختر خيار انتظار المستخدم ، أو ما يعادله، لتنفيذ التسلسل، باتباع تعليمات تشغيل بائع النظام.
  5. ابدأ التسلسل. سيكمل ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي إعداد التسلسل ، ثم يتوقف مؤقتا وينتظر حتى يبدأ المستخدم في الحصول على البيانات.
  6. ابدأ في الحصول على البيانات بمجرد أن يكون منسق التمريض جاهزا للتبديل من هواء الغرفة إلى خليط الغاز / الهواء HXe كما هو موضح في الخطوة 9.4. تأكد من تشغيل التسلسل بالفعل قبل أن يستنشق الشخص الجرعة الأولى من غاز الزينون.
  7. بمجرد اكتمال الحصول على البيانات في نهاية 3 دقائق من القياس أو إنهائه عند استخدام كل غاز HXe ، قم بإزالة الهدف من ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي.
  8. قم بتقييم رفاهية الموضوع عن طريق التحقق من مستوى SPO2 والسؤال عن أي ردود فعل سلبية محتملة.
  9. قم بتنزيل بيانات CSSR المقاسة على محرك أقراص USB ، ثم انقلها إلى جهاز كمبيوتر محمول لمزيد من التحليل.

12. تحليل بيانات غرفة دعم المجتمع المدني

ملاحظة: تتكون البيانات المكتسبة من اضمحلال الحث الحر N x 40 ، حيث N هو عدد المرات التي تكرر فيها الاستحواذ بأوقات تأخير مختلفة بعد تشبع مغنطة DP. اعتمادا على ما إذا كان قياس CSSR قد تم إجراؤه كحبس للتنفس أو دراسة تنفس حر ، فإن N إما 1 أو عدد المرات التي تكرر فيها الاستحواذ ، على التوالي ، ويجب أن يبلغ مجموعها حوالي 2 × وقت القياس بالثواني. ومع ذلك ، فإن تحليل البيانات اللاحق لكلا السيناريوهين عبر البرامج النصية MATLAB متطابق بشكل أساسي باستثناء ما هو مذكور.

  1. قم بتحميل FIDs المكتسبة بواسطة تسلسل CSSR. استخدم تحويلات فورييه السريعة (FFTs) لتحويل FIDs إلى أطياف.
  2. مرحلة قمم GP إلى الترتيب الصفري. مرحلة ذروة DP إلى الدرجة الأولى.
  3. قم بتركيب شكل خط Voigt زائف مع المكون الحقيقي المرحلي لقمم GP.
  4. للحصول على قياسات التنفس الحر ، قسم جميع الأطياف على المنطقة الموجودة أسفل قمم GP المجهزة. متوسط جميع الأطياف بنفس وقت التأخير.
  5. في جميع الأطياف ، تناسب شكلين خطيين زائفين Voigt مع المكونات الحقيقية المرحلية لقمم الغشاء عند ~ 196 جزء في المليون وقمم خلايا الدم الحمراء عند ~ 217 جزء في المليون.
  6. قم بدمج المناطق الموجودة أسفل قمم DP المجهزة.
  7. بالنسبة لقياسات حبس النفس ، احصل على قياس وقت التأخير بمقدار 50 مللي ثانية بشكل متكرر (انظر الخطوة 1.2.8) ، مما يسمح بتصحيح اضمحلال أكثر دقة من التطبيع مع إشارة GP.
  8. تناسب دالة الاضمحلال الأسي مع إشارة ذروة الغشاء كدالة لمؤشر الاستحواذ.
  9. اضرب جميع إشارات ذروة الغشاء وخلايا الدم الحمراء في معكوس دالة الاضمحلال الأسي المجهزة لمؤشر الاستحواذ المعني.
  10. تناسب الغشاء المصحح وإشارات خلايا الدم الحمراء كدالة لوقت تأخيرها مع نموذج امتصاص غاز الزينون. النموذجان الأكثر استخداما هما النموذجان اللذان اقترحهما Patz et al.24 و Chang et al.25،37،38. نقوم عادة بتحليل البيانات باستخدام نموذج Patz.
  11. يصلح لأي من النموذجين للحصول على نسبة السطح السنخي إلى الحجم ، وسمك جدار الحاجز السنخي الظاهر ، ووقت عبور الشعيرات الدموية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن نموذج تبادل الزينون (MOXE) الذي اقترحه Chang et al. ينتج سمك الحاجز بين الأوعية والحجم السنخي وكذلك الهيماتوكريت.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

يوضح الشكل 2 طيف زينون نموذجي لوحظ في رئة الإنسان أثناء حبس النفس ، بعد استنشاق 500 مل من جرعة زينون. يعرض الطيف منطقتين متميزتين ، رنين GP حوالي 0 جزء في المليون ، ومنطقة DP ، والتي تتكون من ذروة الغشاء عند حوالي 197 جزء في المليون وذروة خلايا الدم الحمراء عند حوالي 217 جزء في المليون. تعتمد سعة الذروة النسبية على عدد من العوامل بما في ذلك الشكل والمدة والتردد المركزي لنبضة إثارة التردد اللاسلكي بالإضافة إلى وقت التأخير بين التشبع والإثارة. بشكل عام ، كلما طال التأخير ، زادت قمم DP بالنسبة ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

التحليل الطيفي HXe CSSR MR هو تقنية قوية لتقييم العديد من مقاييس وظائف الرئة التي سيكون من الصعب أو المستحيل تحديدها في الجسم الحي باستخدام أي طريقة تشخيصية أخرى موجودة24. ومع ذلك ، فإن الاستحواذ وتحليل البيانات اللاحقة يعتمدان على افتراضات معينة حول الظروف الفسيولوجية والمعايير التقنية التي لا يمكن تحقيقها بالكامل في الكائنات الحية. ستتم مناقشة هذه القيود وتأثيرها على تفسير المقاييس المستخرجة أدناه.

عادة ما يتم تنفيذ تقنية CSSR كقياس عالمي بدون تشفير مكاني ، ك...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للكشف عنه.

شكر وتقدير

تم دعم هذا العمل من خلال منح المعاهد الوطنية للصحة R01HL159898 و R01HL142258.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
الهواء ثنائي الاتجاه ب & B Medical AccutachTM
لفائف الصدرسترة حلول MR السريريةقناع الوجه بحجم
الكبارهانز رودولف7450
MatlabMathworksالإصدار 2018aصندوق أدوات التحسين المطلوب
نظام المراقبة الفسيولوجية  BIOPAC Systems Inc
Tedlar BagJensen Inert Products250 مل و 500 مل ؛ كيس PVF متخصص
Xenon PolarizerXemed LLCX-box E10 & nbsp ؛
ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي لكامل الجسمسيمنز1.5 طن أفانتو

المراجع

  1. Albert, M. S., et al. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370 (6486), 199-201 (1994).
  2. Happer, W. Optical Pumping. Rev Mod Phys. 44 (2), 169-250 (1972).
  3. Appelt, S., et al. Theory of spin-exchange optical pumping of He-3 and Xe-129. Phys Rev A. 58 (2), 1412-1439 (1998).
  4. Hersman, F. W., et al. Large production system for hyperpolarized 129Xe for human lung imaging studies. Acad Radiol. 15 (6), 683-692 (2008).
  5. Parnell, S. R., Deppe, M. H., Parra-Robles, J., Wild, J. M. Enhancement of Xe-129 polarization by off-resonant spin exchange optical pumping. J Appl Phys. 108 (6), 064908(2010).
  6. Norquay, G., Collier, G. J., Rao, M., Stewart, N. J., Wild, J. M. ^{129}Xe-Rb spin-exchange optical pumping with high photon efficiency. Phys Rev Lett. 121 (15), 153201(2018).
  7. Mugler, J. P. 3rd, et al. MR imaging and spectroscopy using hyperpolarized 129Xe gas: preliminary human results. Magn Reson Med. 37 (6), 809-815 (1997).
  8. Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Driehuys, B., Mugler, J. P. 3rd NMR of hyperpolarized (129)Xe in the canine chest: spectral dynamics during a breath-hold. NMR Biomed. 13 (4), 220-228 (2000).
  9. Butler, J. P., et al. Measuring surface-area-to-volume ratios in soft porous materials using laser-polarized Xenon interphase exchange nuclear magnetic resonance. J Phys Condens Matter. 14 (13), L297-L304 (2002).
  10. Mansson, S., Wolber, J., Driehuys, B., Wollmer, P., Golman, K. Characterization of diffusing capacity and perfusion of the rat lung in a lipopolysaccaride disease model using hyperpolarized 129Xe. Magn Reson Med. 50 (6), 1170-1179 (2003).
  11. Abdeen, N., et al. Measurement of Xenon diffusing capacity in the rat lung by hyperpolarized (129)Xe MRI and dynamic spectroscopy in a single breath-hold. Magn Reson Med. 56 (2), 255-264 (2006).
  12. Driehuys, B., et al. Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI. Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (48), 18278-18283 (2006).
  13. Patz, S., et al. Human pulmonary imaging and spectroscopy with hyperpolarized 129Xe at 0.2T. Acad Radiol. 15 (6), 713-727 (2008).
  14. Qing, K., et al. Assessment of lung function in asthma and COPD using hyperpolarized 129Xe chemical shift saturation recovery spectroscopy and dissolved-phase MRI. NMR Biomed. 27 (12), 1490-1501 (2014).
  15. Stewart, N. J., et al. Reproducibility of quantitative indices of lung function and microstructure from 129 Xe chemical shift saturation recovery (CSSR) MR spectroscopy. Magn Reson Med. 77 (6), 2107-2113 (2017).
  16. Zhong, J., et al. Simultaneous assessment of both lung morphometry and gas exchange function within a single breath-hold by hyperpolarized (129) Xe MRI. NMR Biomed. 30 (8), (2017).
  17. Kern, A. L., et al. Regional investigation of lung function and microstructure parameters by localized (129) Xe chemical shift saturation recovery and dissolved-phase imaging: A reproducibility study. Magn Reson Med. 81 (1), 13-24 (2018).
  18. Kern, A. L., et al. Mapping of regional lung microstructural parameters using hyperpolarized (129) Xe dissolved-phase MRI in healthy volunteers and patients with chronic obstructive pulmonary disease. Magn Reson Med. 81 (4), 2360-2373 (2018).
  19. Xie, J., et al. Single breath-hold measurement of pulmonary gas exchange and diffusion in humans with hyperpolarized (129) Xe MR. NMR Biomed. 32 (5), e4068(2019).
  20. Zanette, B., Santyr, G. Accelerated interleaved spiral-IDEAL imaging of hyperpolarized (129) Xe for parametric gas exchange mapping in humans. Magn Reson Med. 82 (3), 1113-1119 (2019).
  21. Ruppert, K., et al. Investigating biases in the measurement of apparent alveolar septal wall thickness with hyperpolarized 129Xe MRI. Magn Reson Med. 84 (6), 3027-3039 (2020).
  22. Zhang, M., et al. Quantitative evaluation of lung injury caused by PM(2.5) using hyperpolarized gas magnetic resonance. Magn Reson Med. 84 (2), 569-578 (2020).
  23. Friedlander, Y., et al. Hyperpolarized (129) Xe MRI of the rat brain with chemical shift saturation recovery and spiral-IDEAL readout. Magn Reson Med. 87 (4), 1971-1979 (2022).
  24. Patz, S., et al. Diffusion of hyperpolarized (129)Xe in the lung: a simplified model of (129)Xe septal uptake and experimental results. New J Phys. 13, 015009(2011).
  25. Chang, Y. V. MOXE: a model of gas exchange for hyperpolarized 129Xe magnetic resonance of the lung. Magn Reson Med. 69 (3), 884-890 (2013).
  26. Stewart, N. J., Parra-Robles, J., Wild, J. M. Finite element modeling of (129)Xe diffusive gas exchange NMR in the human alveoli. J Magn Reson. 271, 21-33 (2016).
  27. Ruppert, K., Qing, K., Patrie, J. T., Altes, T. A., Mugler, J. P. 3rd Using hyperpolarized Xenon-129 MRI to quantify early-stage lung disease in smokers. Acad Radiol. 26 (3), 355-366 (2019).
  28. Kern, A. L., et al. Investigating short-time diffusion of hyperpolarized (129) Xe in lung air spaces and tissue: A feasibility study in chronic obstructive pulmonary disease patients. Magn Reson Med. 84 (4), 2133-2146 (2020).
  29. Stewart, N. J., et al. Experimental validation of the hyperpolarized (129) Xe chemical shift saturation recovery technique in healthy volunteers and subjects with interstitial lung disease. Magn Reson Med. 74 (1), 196-207 (2015).
  30. Fox, M. S., et al. Detection of radiation induced lung injury in rats using dynamic hyperpolarized (129)Xe magnetic resonance spectroscopy. Med Phys. 41 (7), 072302(2014).
  31. Li, H., et al. Quantitative evaluation of radiation-induced lung injury with hyperpolarized Xenon magnetic resonance. Magn Reson Med. 76 (2), 408-416 (2016).
  32. Ruppert, K., et al. Detecting pulmonary capillary blood pulsations using hyperpolarized Xenon-129 chemical shift saturation recovery (CSSR) MR spectroscopy. Magn Reson Med. 75 (4), 1771-1780 (2016).
  33. Walkup, L. L., et al. Feasibility, tolerability and safety of pediatric hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in healthy volunteers and children with cystic fibrosis. Pediatr Radiol. 46 (12), 1651-1662 (2016).
  34. Willmering, M. M., et al. Pediatric (129) Xe gas-transfer MRI-feasibility and applicability. J Magn Reson Imaging. 56 (4), 1207-1219 (2022).
  35. Amzajerdian, F., et al. Simultaneous quantification of hyperpolarized Xenon-129 ventilation and gas exchange with multi-breath Xenon-polarization transfer contrast (XTC) MRI. Magn Reson Med. 90 (6), 2334-2347 (2023).
  36. Niedbalski, P. J., et al. Utilizing flip angle/TR equivalence to reduce breath hold duration in hyperpolarized (129) Xe 1-point Dixon gas exchange imaging. Magn Reson Med. 87 (3), 1490-1499 (2022).
  37. Chang, Y. V. Toward a quantitative understanding of gas exchange in the lung. arXiv. , (2010).
  38. Chang, Y. V., et al. Quantification of human lung structure and physiology using hyperpolarized 129Xe. Magn Reson Med. 71 (1), 339-344 (2014).
  39. Collier, G. J., et al. Observation of cardiogenic flow oscillations in healthy subjects with hyperpolarized 3He MRI. J Appl Physiol. 119 (9), 1007-1014 (2015).
  40. Niedbalski, P. J., et al. Protocols for multi-site trials using hyperpolarized (129) Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the (129) Xe MRI clinical trials consortium. Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

التصوير بالرنين المغناطيسي للزينون عالي الاستقطابمقاييس وظائف الرئةإشباع الإزاحة الكيميائيةقياس تبادل الغازاتتقييم الوظائف الرئويةسمك الجدار السنخيحجم الدم الشعيريبروتوكول حبس النفسدراسة التنفس الحراستنشاق غاز الزينون
القياس الكمي لبنية الرئة ووظيفتها التي تم الحصول عليها من مطيافية الزينون شديدة الاستقطاب
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.