获取超极化129Xe肺通气磁共振图像

摘要

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。

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....

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。

1. 确认 MRI 扫描仪具备多核操作功能，包括 ¹²⁹Xe。
2. 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。
3. 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）。
....

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。 .......

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.......

材料

本文使用的材料清单

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）