通过超极化氙光谱法获得的肺结构与功能的定量测量

摘要

该论文介绍了一种利用超极化氙-129化学交换饱和恢复（CSSR）技术追踪肺部气体交换、评估表观肺泡隔壁厚度以及测量表面体积比的详细实验方案。该方法有望用于肺部疾病的诊断与监测。

摘要

超极化氙-129（HXe）磁共振成像（MRI）可提供肺通气模式、气体扩散、肺实质对氙的摄取以及其他肺功能指标的二维或三维图谱。然而，通过以空间分辨率为代价换取时间分辨率，该技术还能在毫秒时间尺度上追踪肺部氙气交换过程。本文介绍其中一种技术——化学位移饱和恢复（CSSR）磁共振波谱法，并说明其如何用于评估毛细血管血容量、肺泡隔壁厚度以及肺泡的表面积与体积比。实验中对施加的射频脉冲（RF）翻转角进行了精确校准。采用单次剂量屏气和多次剂量自由呼吸两种给气方案向受试者输送气体。当吸入的氙气到达肺泡后，施加一系列90°射频脉冲，以确保肺实质中积累的氙磁化达到最大程度的饱和。经过可变的延迟时间后，采集波谱以量化由于肺泡气体腔与肺组织隔室之间气体交换所导致的氙信号恢复情况。随后，通过将复杂的伪沃伊特函数拟合到三个主要峰上，对这些波谱进行分析。最后，将依赖于延迟时间的峰强度拟合至一维解析气体交换模型，以提取生理参数。

引言

超极化氙-129（HXe）磁共振成像（MRI）¹ 是一种能够提供肺部结构、功能及气体交换过程独特信息的技术。通过自旋交换光泵浦技术显著增强氙气体的磁化强度，HXe MRI 的信噪比相较于热极化氙 MRI 提高了近一个数量级^2,3,4,5,6。这种超极化状态使得氙气在肺组织和血液中的摄取过程得以直接可视化和定量分析，而这些过程在常规热极化 MRI 中是无法检测到的⁷。

化学位移饱和恢复（CSSR）磁共振波谱技术^{8,9,10,11,12,13....}

方案

注意：尽管本文所述的超极化氙-129化学交换饱和恢复（CSSR）磁共振波谱技术常用于动物和人体成像，但以下方案仅针对人体研究。所有成像方案均符合美国食品药品监督管理局（FDA）规定的比吸收率（SAR）限制（4 W/kg），并经宾夕法尼亚大学机构审查委员会批准。每位受试者均签署了知情同意书。

1. 脉冲序列设计

1. 确定是进行屏气还是自由呼吸测量。
   注意：屏气扫描在技术上更为简单，因为它仅需吸入一次剂量（500 - 1000 mL）的 HXe 气体，随后屏气 10 秒，在此期间采集 MRI 数据。然而，不配合的受试者（例如年幼儿童）或患有严重肺部疾病的患者可能无法屏气如此长时间，因此建议采用自由呼吸扫描方式，即在数分钟内多次吸入小剂量（约 50 mL）HXe 气体。
2. 对于屏气状态下的 CSSR 磁共振波谱研究，为获得最大灵活性，请使用可变延迟时间，并采用高达 90° 的高激发翻转角以获得最佳信噪比（图 1A）。
   1. 在 1.5 T MRI 扫描仪上对 DP 磁化进行饱和时，施加 5 个矩形 90° 射频（RF）脉冲，其中心频率和持续时间分别为：2 个脉冲为 198 ppm、2.5 ms 和 218 ppm、2.5 ms，其余 3 个脉冲为 208 ppm、2.0 ms。若射频功率放大器允许，在更高场强下测量时可缩....

结果

图2展示了在吸入500 mL氙气剂量后、屏气期间在人肺中观测到的典型氙谱。该谱图显示了两个不同的区域：位于约0 ppm处的气相（GP）共振峰，以及溶解相（DP）区域，后者包含位于约197 ppm处的膜峰和位于约217 ppm处的红细胞峰。各峰的相对峰高取决于多种因素，包括射频激发脉冲的形状、持续时间、中心频率，以及饱和与激发之间的时间延迟。通常情况下，延迟时间越长，溶解相峰相对于气相峰的强度越大。这是因为较长的延迟允许更多的氙磁化从肺泡腔转移到肺实质。此外，随着年龄增长和疾病严重程度增加，红细胞峰相对于膜峰的强度趋于降低。

对于全肺氙谱，可观测共振峰的线型并非洛伦兹型，但通常可用复杂的伪沃伊特函数进行合理近似，如图3A-B中溶解相信号的实部和虚部所示。因此，谱图中所有峰下面积均可通过解析方法计算得出。在屏气过程中，肺泡腔内的氙浓度基本保持恒定，仅有少量氙因溶解于肺组织并经肺循环清除而减少。然而，由于氧气诱导的T1弛豫以及经射频饱和.......

讨论

HXe CSSR MR 波谱学是一种强大的技术，可用于评估多种难以或无法量化的肺功能指标 体内 使用任何其他现有的诊断方法²⁴然而，数据的采集及后续分析依赖于对生理条件和技术参数的某些假设，而这些假设在活体受试者中 never 完全能够实现。这些局限性及其对所提取指标解读的影响将在下文讨论。

CSSR 技术通常作为无空间编码的全局测量来实施，如上述方案所述。因此，接收线圈敏感体积内任何来源的氙-129信号都会贡献到测量数据中，并将被隐式地关联到所提取的肺实质肺功能参数。由于肺泡气腔具有很高的表面积与体积比，有利于组织与气体体积之间的高效气体交换，大部分氙-129双相（DP）信号确实局限于该区域。然而，这一情况并不适用于气相（GP）信号。事实上，传导气道约占总肺容积的15%，并且根据受试者的体型和线圈位置，气管上段、口腔和鼻腔的容积也可能需要部分考虑在内。在数据采集时刻，氙-129气体的空间分布具有多方面的重要性，首先涉及校准问题。由于主磁体的B0场以及射频发射/接收线圈的B1场在空间上存在变化，来自主要感兴趣区域（即.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
双向气流传感器	B&B Medical AccutachTM
胸壁线圈背心	临床MR解决方案公司		成人尺寸
面罩	Hans Rudolph	7450
Matlab	MathWorks	2018a 版	需配备优化工具箱
生理监测系统	BIOPAC Systems Inc
特德拉袋	Jensen Inert Products		250 mL 和 500 mL；特制PVF袋
氙极化器	Xemed LLC	X-box E10
全身磁共振成像扫描仪	西门子	1.5 T Avanto