超极化129Xe磁共振成像（MRI）是一种用于研究肺部功能区域性特征的方法。本文介绍了一种针对肺通气的超极化129Xe MRI的端到端标准化操作流程，重点涵盖脉冲序列设计、129Xe剂量制备、扫描流程以及受试者安全监测的最佳实践。
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摘要
摘要
超极化129Xe MRI 包含一系列独特的肺部结构与功能成像技术。鉴于美国食品药品监督管理局（FDA）近期已批准129Xe 作为磁共振对比剂，且研究机构和临床单位对129Xe MRI 的兴趣日益增加，跨机构的技术标准化变得愈发重要。129Xe MRI 临床试验联盟（Xe MRI CTC）成员已就129Xe MRI 工作流程的各个关键环节达成最佳实践共识，这些推荐意见已在近期发表的出版物中进行了总结。本工作提供了实用信息，以根据 Xe MRI CTC 的建议建立完整的肺通气129Xe MR 图像采集工作流程。本文将讨论并演示用于 MR 研究的129Xe 的制备与给药过程，具体内容包括整个研究及单次 MR 扫描所需的合适气体体积选择、单次129Xe 剂量的制备 与输送，以及在研究过程中监测受试者安全性和129Xe 耐受性的最佳实践。还将涵盖关键的 MR 技术考量，包括脉冲序列类型及优化参数、129Xe 翻转角和中心频率的校准，以及129Xe MRI 肺通气图像的分析方法。
引言
超极化129Xe MRI 是一种用于无创、空间分辨地表征和量化肺功能特定方面的前沿工具1,2,3。采用与解剖质子MRI相似的采集和重建方法，可获得肺部吸入的129Xe图像，从而实现对非通气肺区域的可视化，并对通气分布进行区域性定量分析4,5,6,7,8。更先进的脉冲序列和分析技术可提供进一步的互补信息，包括通过波谱MRI量化肺泡与肺毛细血管之间的气体交换效率9,10,11,12,13，以及通过扩散加权MRI表征肺泡微结构的完整性14,15,16。
吸入的 129Xe 在成人和儿童受试者中已被证实安全且耐受性良好，包括患有肺部疾病的个体17,18肺功能测量源自 129氙磁共振成像（Xe MRI）已显示出对多种肺部疾病背景下结构和功能改变的敏感性，包括慢性阻塞性肺疾病6,10,19, 囊性纤维化20,21,22特发性肺纤维化23,24,25和哮喘7,10,26. 鉴于其高安全性和良好的耐受性 129Xe MRI，与其它常见成像方法相比，MRI 不具有电离辐射，且具有高重复性 129Xe MRI 结果27,28, 129氙磁共振成像（Xe MRI）具有重要意义，尤其适用于对接受慢性肺部疾病疗程治疗的个体进行精确的系列监测。
安全性和临床前景 129氙-129 MRI 已于2022年12月获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准，用于12岁及以上人群的肺通气成像29鉴于此，预计能够开展此类研究和临床工作的机构数量将增加 129超极化氙磁共振成像（目前全球约有20台）在未来几年内将显著增加。 129氙磁共振成像技术向新机构推广时，必须具备可靠的方法学资源，以支持各机构建立具有临床相关性的检测方案 129Xe MRI 技术能够快速进行扫描，并生成与现有机构结果高度可比的图像。
在本研究中，我们将概述由129Xe MRI临床试验联盟（Xe MRI CTC）成员机构共同认可的人体超极化129Xe肺通气磁共振成像当前最佳实践，相关内容已总结于近期发表的一篇立场论文30。内容将涵盖专为完整的129Xe MRI工作流程设计的脉冲序列制备、超极化129Xe气体的制备与给药、优化的人体129Xe MRI检查流程，以及在MRI检查期间监测受试者安全与舒适度的最佳实践。
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方案
所有涉及人类受试者的研究必须经过机构审查委员会（IRB）批准。对于已获监管批准的129Xe MRI临床应用，无需IRB参与。在受试者参与研究项目之前，必须向其提供经批准的知情同意书。负责获取知情同意的人员须向受试者解释文件内容，包括研究的目的、操作流程、潜在获益和风险，回答受试者提出的任何问题，并获得受试者签署知情同意书，以书面形式确认其同意参与研究。对于儿科受试者或其他特殊情况，必须遵循经批准的知情同意获取规范。本文所述方案遵循弗吉尼亚大学机构审查委员会（IRB）的指导原则，本论文中示例病例的受试者均已签署弗吉尼亚大学IRB批准的知情同意书（IRB 13647、16215、16885、19569）。
1. 129Xe MRI 硬件与脉冲序列的准备
注意：在扫描任何人受试者之前，应完成步骤1中的方案步骤。这些步骤无需针对每位受试者重复进行。
- 确认 MRI 扫描仪具备多核操作功能，包括 129Xe。
- 确认 129Xe 射频（RF）线圈可通过专用的线圈-扫描仪接口盒（如需要）连接至 MRI 扫描仪。
- 如扫描仪制造商要求，确认已安装用于将 129Xe 射频线圈与 MRI 扫描仪连接的适当软件（通常称为线圈文件）。
- 按照以下说明准备用于 129Xe 和 1H 成像的脉冲序列。
- 对于 129Xe 校准，使用 表 1 中提供的脉冲序列参数，准备一个非定位的、光谱序列，包含一系列自由感应衰减（FID）。
注：在约 218 ppm（溶解相频率）处采集的 FID 主要用于确定溶解相 129Xe MRI 的参数，但本研究未涵盖该部分。然而，仍提供这些参数，以便用户开发一种标准化的 129Xe 校准流程，适用于所有类型的 129Xe MRI 扫描。此外，一旦实验场所积累足够经验，仅涉及 129Xe 通气成像的研究可能无需单独进行校准扫描。129Xe 工作频率可通过将扫描仪测定的 1H 频率乘以 129Xe 与 1H 旋磁比的比值准确估算，而发射机校准则可根据经验积累和受试者体重进行估算。 - 对于 129Xe 通气 MRI，使用 表 2 中提供的脉冲序列参数，准备一个二维（2D）射频扰相梯度回波序列。确保选择 129Xe 作为目标核。
- 对于常规 1H 解剖 MRI，使用 表 2 中提供的参数，准备单次激发 turbo/快速自旋回波序列或射频扰相梯度回波序列。
注：对于 129Xe 通气成像和 1H 解剖成像序列，视野（FOV）和层数需根据个体情况设定。在扫描开始时选择这些参数，以确保在三个维度上完全覆盖肺部。- 启用相位过采样，以减轻手臂信号混叠进入成像视野（FOV）的风险。
- MRI 扫描仪厂商的限制可能导致无法以建议的平面内粗分辨率（4 mm × 4 mm）运行单次激发 turbo/快速自旋回波序列。若出现此情况，请使用期望分辨率的整数倍分辨率（例如 2 mm × 2 mm）。
注：1H 解剖扫描也可采用 2D 射频扰相梯度回波序列进行。在此情况下，使用与 表 2 中通气扫描相同的参数，但需启用相位过采样，以避免手臂信号混叠进入成像 FOV。
- 对于 129Xe 校准，使用 表 1 中提供的脉冲序列参数，准备一个非定位的、光谱序列，包含一系列自由感应衰减（FID）。
- 通过扫描热极化 129Xe 模体31（用于 129Xe 扫描）和 1H 模体（用于 1H 扫描），验证上述射频线圈和脉冲序列的正常运行。
| 参数 | 校准 | ||
| TR | 15 ms | ||
| TE | 0.45 ms (3 T), 0.8 ms (1.5 T) | ||
| 射频脉冲 | windowed sinc | ||
| 射频持续时间 | 0.65–0.69 ms (3 T), 1.15–1.25 ms (1.5 T) | ||
| 翻转角 | 20° | ||
| 射频频率 | 218 ppm (溶解相), 0 ppm (气相) | ||
| 采样时间间隔 | 39 μs | ||
| 带宽 | 25.6 kHz | ||
| 采样点数 | 256（不包括过采样，如使用） | ||
| 读出持续时间 | 10 ms | ||
| FID 数量 | 1 次噪声（无射频）, 499 次在溶解相频率, 20 次在气相频率 | ||
| 梯度扰相 | 每轴至少 15 mT/m·ms（每次 FID 后） | ||
| 持续时间 | ~8 s | ||
表1：推荐的脉冲序列参数 129氙校准。 参数适用于非局域化的光谱学 129Xe校准脉冲序列
| 参数 | 通气 | 解剖 |
| 序列类型 | RF-spoiled gradient-echo | 单次激发涡轮/快速自旋回波 |
| TR | <10 ms | 无限 |
| TE | <5 ms | <50 ms |
| 回波间隔 | 不适用 | 3–5 ms |
| 激发翻转角 | 8–12° | 90° |
| 重聚焦翻转角 | 不适用 | ≥90°（在SAR限制范围内允许的最高值） |
| 层厚 | 15 mm | 15 mm |
| 层间距 | 无 | 无 |
| 层面方向 | 冠状位 | 冠状位 |
| 采集顺序 | 顺序采集（从前到后） | 顺序采集（从前到后） |
| 相位编码顺序 | 顺序编码（从左到右） | 顺序编码（从左到右） |
| 信号平均次数（NEX） | 1（允许使用最高7/8部分傅里叶） | 半傅里叶 |
| 非对称回波 | 允许 | 不适用 |
| 体素大小 | 4 × 4 × 15 mm3 | 4 × 4 × 15 mm3 |
| 每个回波的采样持续时间 | 5–7 ms | 1–1.5 ms |
| 扫描时间 | 8–12 s | ≤16 s |
表2：129Xe通气成像与1H解剖成像推荐的脉冲序列参数。 第一列给出了用于129Xe通气成像的二维射频扰相快速梯度回波序列的参数，第二列给出了用于1H解剖成像的二维单次激发涡轮/快速自旋回波序列的参数。需注意，解剖成像也可采用二维射频扰相梯度回波序列进行。在此情况下，应使用与本表中给出的通气成像相同的参数，但需根据需要增加相位过采样，以避免手臂信号混叠进入成像视野（FOV）。此外，需注意不同厂商的磁共振设备在指定接收带宽的方法上可能存在差异，但根据给定的每回波采样持续时间，可为任意厂商的设备计算出正确的接收带宽值。
2. 候选人的筛选与准备 129Xe MRI
- 通过使用磁共振安全问卷调查，确认受试者无磁共振成像（MRI）的禁忌证。补充文件1展示了弗吉尼亚大学使用的一份示例问卷。
- 确保受试者不符合129Xe MRI检查的任何排除标准，这些标准可能包括但不限于：预测用力呼气容积（FEV1）百分比低于25%、过去6周内存在失代偿性呼吸系统状况、胸围大于129Xe射频线圈的内径，以及不稳定心脏病史。
注意：其他虽不直接构成排除标准但需谨慎个体评估的情况包括：基础状态下需要大量补充氧气（例如，通过鼻导管给予超过3 L/min）以及有伴基础异常的神经系统疾病史。 - 若在影像检查当天需进行肺弥散功能检测（DLCO）或肺量测定（spirometry），应指导受试者在研究访视当日避免摄入含碳酸饮料。若受试者使用处方呼吸类药物，应根据研究方案的具体要求，指导其延迟用药或暂时停用。
3. 超极化129Xe 剂量的制备
注意：详细的129Xe极化器及极化度测量装置操作说明属于各供应商的专有技术，且因厂商而异。以下说明仅概括了通用的自旋交换光泵浦129Xe极化器操作步骤。
- 确定受试者的给药体积。通常为所有受试者选择1 L的总给药体积，该总给药体积已在FDA标签中明确规定 129Xe MRI。然而，目前关于Xe MRI CTC的建议30 表明总剂量体积（氙气加上氮气或氦气）应达到1/5th 受试者用力肺活量（FVC）的比例，以确保每位受试者吸入的气体量适宜，并尽量减少因个体间肺容积差异带来的影响。
- 如果受试者近期已有肺量计检查结果，可使用这些数据来确定1/5th 用力肺活量（FVC）。若无法获得肺量计检查结果，则根据身高、性别和种族估算受试者的总肺容量（TLC），并将总剂量估算为1/6th 薄层色谱法。
- 确定要极化的氙气体积。
注意：每个剂量袋的目标氙气容积以剂量当量（DE）容积表示，该容积在概念上表示相当于100%富集、100%极化的氙气的等效容积 129Xe气体。从概念上讲，DE体积与预期的信噪比（SNR）成正比 129Xe 扫描，特定情况下的推荐 DE 体积会更高或更低 129根据该扫描类型所需的信噪比选择氙扫描类型。- 根据给定的氙气剂量计算 DE 体积，方法如下32:
其中 VXe 是氙气的总体积（包含所有同位素，而不仅仅是 129Xe）的剂量， f129Xe 是 129Xe 同位素富集，以及 P129Xe 是 129氙气极化。 - 选择该组所需的全部必要DE体积 129将要执行的Xe扫描。单次校准扫描和通气扫描推荐的DE气体体积为75–150 mL。
注意：进行通气成像时，信噪比（SNR）必须足够高，以可靠地区分通气区域与非通气区域的图像体素。50 mL 的去氧（DE）体积被视为通气成像的绝对最小值。30 以达到至少20的预期信噪比。对于校准扫描，若仅校准气相信号，DE体积低至25 mL可能可以接受；若需同时校准气相和溶解相信号，则应使用至少75 mL的体积。
- 根据给定的氙气剂量计算 DE 体积，方法如下32:
- 使用所需的全部DE体积，已知 129Xe 氙气的同位素富集，以及估算 129基于先前的极化实验结果计算极化所需的总氙气气体体积。以下以一次通气扫描（DE 体积 = 75 mL）为例进行计算说明，假设 12985% 的 Xe 同位素富集度和 20% 的极化度32:
对每种氙气剂量执行此计算，以确定应注入每个剂量袋中的极化氙气体积。- 低体重指数（BMI）受试者（< 18.5）<21) 在发生更显著的中枢神经系统（CNS）效应方面风险更高 129Xe 吸入量高于其他受试者。对低 BMI 受试者进行成像前应咨询医生，并考虑尽量减少 129为避免这些潜在问题，需对氙气剂量体积进行调整。
- 制备 129根据极化器供应商提供的所有说明操作 Xe 极化器。
- 步骤可能包括以下内容，具体取决于偏振器供应商：确保亥姆霍兹线圈电源已开启；抽空出口歧管以清除任何杂质；在冷指周围或下方设置液氮杜瓦瓶；开启激光器电源并使其预热；开启烘箱气流，使用烘箱控制器将烘箱设置至适当温度，并使其升温至工作温度。
警告：液氮若接触皮肤、眼睛或衣物，可导致严重冻伤；高强度激光照射眼睛且无适当防护时，可造成眼部损伤。操作时应采取适当预防措施，并根据需要佩戴防护装备。
- 步骤可能包括以下内容，具体取决于偏振器供应商：确保亥姆霍兹线圈电源已开启；抽空出口歧管以清除任何杂质；在冷指周围或下方设置液氮杜瓦瓶；开启激光器电源并使其预热；开启烘箱气流，使用烘箱控制器将烘箱设置至适当温度，并使其升温至工作温度。
- 确保 129Xe 极化测量站已开启，软件已准备就绪，可进行剂量极化测量。
- 开始收集超极化 129通过执行以下步骤来实现 Xe。
- 开启冷指加热套的氮气流。
- 开启氙气混合物流向冷指。参考极化器文档中的极化器性能曲线，选择最佳流速。
- 向冷指周围的杜瓦瓶中加入液氮。
- 在数据表上记录极化起始时间，以确保极化体积的准确性。
- 收集开始后，调节气流和烘箱控制器以维持稳定的流速和温度，并根据需要添加液氮，以保持杜瓦瓶充满。
- 在氙气积累过程中，通过使用极化器出口歧管对特德拉采样袋进行至少3次反复吹扫和抽空，以尽量减少袋中杂质和/或消偏气体，为采集剂量做好准备。
- 一旦达到收集所需超极化物质的合适时间 129Xe 体积已排空，终止超极化 129根据极化器文档的指示收集 Xe。
- 解冻冻存的 129在冷指中沉淀的 Xe，如下所述。
- 连接一个 129将氙气剂量袋连接至出气歧管上的氙气出口。
- 小心移除液氮杜瓦瓶，并替换为装有室温水的解冻容器。
- 解冻过程中需持续监测压力，当压力达到极化仪文档中指定的阈值时，立即打开从冷指到氙气出口的流量阀；当压力下降时迅速关闭该阀。
- 以这种方式持续将升华的氙气注入剂量袋中，直至剂量袋中的氙气达到所需量。
- 如果此前未将缓冲气体（氮气或氦气）加入袋中，此时应加入。
- 当所有所需的氙气和缓冲气体加入气袋后，迅速夹紧气袋导管上的止流夹，关闭氙气出口阀门，并将装满剂量的气袋从极化器上取下。
- 立即将袋子移至亥姆霍兹线圈对所产生的磁场中 129氙极化测量站
警告：随着氙气升温并升华，冷指内的压力会迅速升高，若压力超过安全限值，可能存在爆炸风险。请严格遵循极化器文档中针对此步骤的说明，并在执行此步骤时佩戴眼部防护装备。
- 在每个剂量袋中测量并记录偏振度 129根据极化测量站供应商提供的说明，使用Xe极化测量站。
- 测量偏振后，保持 129将Xe剂量袋置于极化测量站的亥姆霍兹线圈对所产生的磁场中，直至准备向受试者给予剂量。
4. 受试者扫描前准备与指导
注意：如果受试者需要接受包含六分钟步行测试在内的全面检查，应在完成129Xe MRI之后再进行步行测试，以避免受试者疲劳，从而可能影响129Xe MRI结果。这一点对于心肺疾病患者尤为重要。
- 确认受试者已正确完成第2步所述的所有访前指示，并确认自受试者筛选以来未发生任何符合研究排除标准或构成磁共振成像（MRI）禁忌症的健康状况变化。
- 对受试者进行所有必要的体格检查，包括心电图（ECG）；生命体征采集，包括体温、心率、呼吸频率、血氧饱和度（SpO2）和血压；肺量测定；以及一氧化碳弥散量（DLCO）测试。
- 监测上述检查是否存在任何潜在警示信号，包括低SpO2（<92%）、血压升高，或检查结果与受试者既往基线值相比出现显著偏离。
注意：由于预期在吸入129Xe期间会出现轻度一过性氧去饱和现象，因此需特别关注这些检测结果，尤其是基线SpO2。对于基线SpO2 <92%或其他存在警示信号的受试者，应咨询医师以确认其是否适合进行129Xe MRI检查，并判断是否需要在每次129Xe吸入之间给予辅助供氧（O2）。 - 指导受试者正确执行129Xe吸入操作，具体如下所述。
- 准备一个或多个装有空气的特德拉袋（Tedlar bag），供受试者在扫描仪外练习使用。所用空气体积应与实际研究中从袋内吸入的氙气和缓冲气体总体积一致。
- 为受试者准备鼻夹，用于屏气扫描期间佩戴。在屏气开始前（包括练习和正式扫描阶段），将鼻夹正确固定于受试者鼻部。
- 每次尝试时使用一个充满空气的袋子，按照以下说明指导受试者。受试者应从功能残气量的目标体积开始吸气。在执行以下操作过程中，请观察受试者胸部运动，以确认其准确执行指令。
- 提前准备好袋子，但暂不交给受试者。指导受试者：“正常吸气一次，呼出；再正常吸气一次，呼出。”
- 将连接特德拉袋的导管放入受试者口中，手持袋子使其能够顺利吸气，并打开阀门。指导受试者：“吸气，吸气，吸气。”
- 当受试者完全吸入袋内气体后，立即指导其：“屏住呼吸。”同时立即向扫描操作员发出指令：“开始！”
注意：扫描时，操作员应在听到“开始！”后立即启动扫描。该指令并非针对受试者（即受试者应保持静止并继续屏气），但可提醒受试者扫描即将开始。 - 等待扫描完成，或在练习时计时10–15秒，此时间为典型129Xe扫描所需的大致时长。
- 指导受试者：“可以呼吸了。”此时受试者开始呼气。应指导其在此阶段进行数次深呼吸，以促进肺内129Xe的快速清除，并更快恢复至正常的血氧饱和水平。
- 确认受试者能够可靠地执行上述指令。若受试者无法完全吸入全部气体体积、无法维持屏气，或在屏气尝试过程中持续咳嗽，应考虑将其排除。
注意：本测试结果对预测成像质量至关重要。在儿童成像及严重肺部疾病成像的情境下，受试者依从性的可靠评估尤为重要，因为属于其中一类或两类人群的受试者更可能难以稳定完成所需的屏气动作。
5. 磁共振成像扫描仪房间的准备及受试者在扫描仪检查床中的定位
- 确保所有进入或可能进入磁共振成像（MRI）扫描室的人员（受试者及工作人员）在进入扫描室前，从其口袋和身上移除所有金属和/或电子物品。
- 通过将129Xe背心线圈插入扫描仪并将其放置在MRI扫描仪的检查床上，完成线圈的准备工作。
- 指导受试者以仰卧位、足先进方式（或根据扫描室布局，采用头先进方式）躺在检查床上。根据受试者的舒适度，在其头部、膝盖等部位下方放置枕头，确保受试者在整个检查过程中能够保持静止且舒适。
- 将129Xe背心线圈固定在受试者胸部。在头-足方向上，线圈中线应尽可能接近受试者肺部预期中线位置，并处于舒适的肺膨胀水平，以避免肺部边缘区域信号减弱。
注意：常见的错误是将线圈放置位置过于偏向受试者足部方向。按照上述要求定位时，线圈位置可能比直观预期更偏向受试者头部。此外，若受试者胸径较大，可能需要将其手臂置于头部上方且在线圈外部。具体需要采取此种体位的胸径阈值取决于特定的扫描仪和线圈硬件。对于体型较小的受试者，手臂可置于头部上方且在线圈外部，或置于身体两侧且在线圈内部。 - 在MRI扫描室内的检查床旁设置一个MRI兼容的脉搏血氧仪，并将探头连接至受试者。确认脉搏血氧仪读数正常。
- 将鼻导管插入受试者鼻腔（或对健康受试者，将其备置于扫描室内），并连接至氧气源，以便在吸入剂量后若受试者SpO2下降超过10%且持续超过2分钟时使用。根据当地安全规范，将氧气瓶和减压阀以符合MRI安全要求的方式放置在受试者可及范围内。
- 将检查床推进MRI扫描仪内，使线圈/受试者肺部中线与扫描仪的等中心对齐。
6. 扫描程序
- 在磁共振成像（MRI）扫描仪的用户界面上输入受试者数据，并打开先前已准备好的（如步骤1所述）129Xe MRI扫描方案。
- 确保129Xe剂量已按照步骤3所述制备完成，并将129Xe剂量袋置于极化测量站的亥姆霍兹线圈对（或等效设备）所产生的磁场中，以尽量减少129Xe的去极化速率。
- 使用厂商提供的标准方案（例如三平面定位序列）执行1H定位扫描，具体步骤如下：
- 指导受试者进行一次舒适、自然的吸气并屏住呼吸。在受试者屏气期间，执行定位扫描。
- 在MRI扫描仪界面上查看定位扫描结果。如果图像出现伪影（例如未去除含金属的衣物），应解决相关问题后重复扫描。如果定位扫描的视野（FOV）未良好居中于受试者胸部，需重新调整受试者位置并重复扫描。获得满意的定位图像后，进入下一步。
- 按照以下说明进行129Xe扫描的初始预扫描调整：
- 通过将定位扫描中获得的1H中心频率除以3.61529（1H与129Xe旋磁比的近似比值），设定初始的129Xe中心频率。
- 根据先前体型相似受试者的校准结果、基于1H参考电压的缩放比例，或受试者实测体重，设定初始的129Xe发射器参数。具体的129Xe发射器设置取决于扫描仪和129Xe线圈制造商。
- 所有129Xe采集均使用扫描仪默认的匀场设置。
- 完成上述预扫描调整后，进行129Xe校准扫描，以确定129Xe中心频率和发射器参数，具体步骤如下：
- 从已准备的扫描方案中加载129Xe校准序列。确认所有脉冲序列参数设置正确，并将扫描执行设置为单次点击即可启动。
- 将用于129Xe校准扫描的129Xe剂量袋从极化测量站带入扫描室。将其手持或放置在受试者附近便于取用的位置，避免靠近磁体孔径开口处等磁场强度快速变化的区域。
- 协助受试者按照步骤4中所述的指导性吸入程序从剂量袋中吸入129Xe气体。
- 在听到协助受试者的人员发出“开始！”信号后，立即执行扫描。
- 扫描过程中持续监测受试者状态。若受试者明显呼气、咳嗽或移动等，应尽可能重复扫描。
- 扫描一结束，立即指示受试者呼气并恢复正常呼吸。
- 扫描结束后，使用脉搏血氧仪监测受试者的心率和SpO2，并通过与受试者的语言交流监测是否存在短暂的中枢神经系统效应（如头晕、头昏、欣快感和感觉异常）。
注：除步骤3.2中提到的体脂含量较低的受试者外，几乎所有受试者仅会出现极轻微的中枢神经系统效应，无需干预。 - 在给予下一次129Xe剂量前，需等待任何偏离基线的生理指标恢复正常。若无明显偏离基线的情况，至少等待2分钟后方可给予下一次129Xe剂量。
注：典型的氧饱和度下降与恢复过程如下：完成129Xe吸入后10–20次心跳开始出现去饱和，20–30次心跳达到最低点，45–50次心跳内恢复。大多数去饱和现象在吸入129Xe后30秒内缓解，通常在2分钟内完全恢复。若去饱和持续超过2分钟且超过受试者基线值10%，应咨询医师，可能需要停止给予进一步的129Xe剂量和/或终止研究。
- 按照以下说明进行129Xe校准数据分析（例如使用独立的分析工具）：
- 利用首次气体相自由感应衰减（FID）信号的频谱确定129Xe中心频率。
- 按照以下方法确定129Xe发射器的调整参数：
- 将20次气体相FID信号的峰值强度拟合至以下函数30，并求解翻转角α：
其中Si为第i次激发产生的信号强度幅值，S0为首次激发的信号强度幅值，C为噪声偏移参数。 - 获得α后，假设校准推荐的翻转角为20°（见表1），则将后续扫描的初始129Xe发射器设置按20°/α的比例进行缩放调整。
- 将20次气体相FID信号的峰值强度拟合至以下函数30，并求解翻转角α：
- 完成最终的129Xe预扫描调整且受试者准备好接受下一次129Xe剂量后，执行129Xe通气扫描，具体步骤如下：
- 从已准备的扫描方案中加载129Xe通气序列。确认所有脉冲序列参数设置正确，并将扫描执行设置为单次点击后立即开始。
- 根据定位扫描结果选择视野（FOV）大小和中心位置。应使FOV中心在三维方向上与肺部中心重合，并确保FOV足够大，能够完整容纳整个胸腔，包括双侧肺的全部区域。
- 将用于129Xe通气扫描的129Xe剂量袋从极化测量站带入扫描室。将其手持或放置在受试者附近便于取用的位置，避免靠近磁体孔径开口处等磁场强度快速变化的区域。
- 协助受试者按照步骤4中所述的指导性吸入程序从剂量袋中吸入129Xe气体。
- 在听到协助受试者的人员发出“开始！”信号后，立即执行扫描。
- 扫描过程中持续监测受试者状态。若受试者明显呼气、咳嗽或移动等，应尽可能重复扫描。
- 扫描一结束，立即指示受试者呼气并恢复正常呼吸。
- 扫描结束后，使用脉搏血氧仪监测受试者的心率和SpO2，并通过与受试者的语言交流监测是否存在短暂的中枢神经系统效应（如头晕、头昏、欣快感和感觉异常）。
- 在给予下一次129Xe剂量前，需等待任何偏离基线的生理指标恢复正常。若无明显偏离基线的情况，至少等待2分钟后方可给予下一次129Xe剂量。
- 按照以下说明执行1H解剖结构扫描：
- 从已准备的扫描方案中加载1H解剖序列。确认所有脉冲序列参数设置正确，并将扫描执行设置为单次点击即可启动。
- 将装有空气且体积与129Xe通气扫描所用剂量袋相同的空气袋带入扫描室。
- 协助受试者按照步骤4中所述的指导性吸入程序从空气袋中吸入空气。
- 在听到协助受试者的人员发出“开始！”信号后，立即执行扫描。
- 扫描过程中持续监测受试者状态。若受试者明显呼气、咳嗽或移动等，应尽可能重复扫描。
- 扫描一结束，立即指示受试者呼气并恢复正常呼吸。
7. 扫描后操作步骤
- 以与扫描前相同的方式测量受试者的生命体征。如果任何生命体征出现异常，应指示受试者等待30-60分钟和/或直至生命体征恢复至接近基线水平后方可离开。
129Xe MRI 通气数据的分析
注意：采集的129Xe通气图像和1H解剖图像应通过制造商默认的图像重建流程，在MRI扫描仪计算机上自动完成重建。
- 使用允许的最低插值级别（理想情况下无插值），将129Xe通气扫描和1H解剖扫描导出为DICOM图像文件。
- 使用编程或图像分析软件，根据以下公式计算通气缺陷百分比（VDP）8：
- 通过手动分割129Xe通气扫描图像，或使用现有多种自动化方法之一进行分割，以确定通气容积33。
注：一种对129Xe图像进行二值化分割的简单方法是使用如下定义的阈值8：
其中，“平均信号”是指在肺部内选定的强129Xe信号区域（由用户定义的兴趣区）中129Xe信号强度的平均值；“SD(Noise)”是指位于视野边缘附近、远离肺部或气管区域的129Xe信号强度的标准差。 - 通过手动分割1H解剖扫描图像，或使用现有的自动化方法进行分割，以确定总肺容积34。
- 完成上述分割后，将对应容积计算为分割后的体素数量乘以图像体素体积（需考虑将图像转换为DICOM文件时所进行的任何插值）。
- 通过手动分割129Xe通气扫描图像，或使用现有多种自动化方法之一进行分割，以确定通气容积33。
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结果
图1 显示了一名健康个体的代表性通气图像及三平面定位图像。在通气图像中，可观察到整个肺部均有较强的129Xe信号，该个体未见通气功能障碍。
图2、图3 和 图4 展示了来自患病个体的代表性通气图像和解剖图像。图2 显示了一名患有α-1抗胰蛋白酶缺乏症的个体，其严重的通气功能障碍可通过观察129Xe图像中的斑片状表现轻易识别。类似地，在 图3 中也可观察到严重的通气功能障碍，该图显示了一名患有重度囊性纤维化的个体。图4 显示了一名患有慢性阻塞性肺疾病（COPD）的个体，其较轻微的通气缺陷可通过129Xe图像识别。 ...
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讨论
上述通气和解剖 MRI 方法旨在保持实施简便性的同时，最大限度地提高图像质量和信噪比（SNR）——这些序列方案通常可由厂商提供的产品脉冲序列改编而来，前提是已启用多核操作功能，且图像将在扫描仪计算机上自动重建。本文所述二维方法的一个缺点是使用了层面选择性激发射频脉冲，这会导致在129Xe通气成像过程中，由于吸入的超极化129Xe在扫描期间发生T1弛豫，较早采集的层面与较晚采集的层面之间出现信号差异。另一个缺点是，129Xe通气扫描与其对应的1H解剖扫描是在不同的屏气阶段采集的，可能导致通气图像与解剖图像之间的肺部充气程度或位置存在差异。
用于三维通气成像及单次屏气成像的方法 129Xe 和 1H 的出现越来越普遍。3D 成像技术能够重建各向同性的体素（与因层面选择性二维成像在层面方向上分辨率较粗而导致的各向异性体素相比），并避免潜在的 T1驱动的 129从一个切片到下一个切片的 Xe 信...
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披露
作者 J.F.M.、J.P.M. 和 Y.M.S. 参与了由 Polarean 公司资助的临床试验。作者 J.F.M. 和 Y.M.S. 为 Polarean 公司提供咨询服务（收入低于 5000 美元）。作者 J.P.M. 收到 Polarean 公司提供的科研资助。
致谢
本工作由美国国立卫生研究院（资助号：R01-CA172595-01、R01-HL132177、R01-HL167202、S10-OD018079 和 UL1-TR003015）以及西门子医疗解决方案公司资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5T 或 3T 人体 MRI 扫描仪 | 西门子 | MAGNETOM Symphony（1.5T）或 Vida（3T）；旧型号亦可，只要具备或多核选项可安装；GE 和 Philips 品牌的扫描仪也可使用 | |
| 129Xe超极化仪 | Polarean | 9820 | |
| 129Xe MRI 模体 | |||
| 129Xe MRI 背心线圈 | 临床磁共振解决方案 | 也可从其他供应商处获得 | |
| 129Xe 极化测量站 | Polarean | 2881 | |
| 1H MRI 模体 | |||
| 129Xe MRI 背心线圈的线圈文件 | 也可从其他供应商处获得适用于其相应线圈的产品 | ||
| 心电图机 | |||
| 氦气缓冲气体 | |||
| 线圈至扫描仪的接口盒 | 可集成于线圈中，若无则需单独配备 | ||
| 液氮 | |||
| MRI安全型脉搏血氧仪 | 飞利浦 | 表达 MR200 | |
| 氮气缓冲气体 | |||
| PFT 仪器 | |||
| 编程/图像分析软件 | MATLAB | R2023a | 其他多种选项可供选择 |
| 脉冲序列设计软件 | 西门子 | IDEA 软件包；也可通过 GE 和 Philips 为其各自扫描仪提供 | |
| 多核扫描仪选项 | 西门子 | 集成硬件/软件包的扫描仪；GE 和 Philips 也为其各自扫描仪提供相应产品 | |
| Tedlar 气体采样袋（500、750、1000、1250、1500 mL） | |||
| 氙气（同位素富集129Xe） |
参考文献
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