通过超偏振氙光谱法获得的肺结构和功能的定量测量

Summary

该手稿提出了使用超极化 Xenon-129 化学位移饱和恢复 （CSSR） 追踪肺气体交换、评估表观肺泡隔壁厚度并测量表面体积比的详细方案。该方法具有诊断和监测肺部疾病的潜力。

Abstract

超极化氙 129 （HXe） 磁共振成像 （MRI） 提供了用于获取肺通气模式、气体扩散、肺实质对氙的摄取以及其他肺功能指标的 2 维或 3 维图的工具。然而，通过交换空间分辨率，它还可以在毫秒时间尺度上追踪肺氙气体交换。本文介绍了一种这样的技术，即化学位移饱和恢复 （CSSR） MR 光谱。它说明了如何使用它来评估毛细血管血容量、鼻中隔壁厚度和肺泡中的表面与体积比。施加的射频脉冲 （RF） 的翻转角度经过仔细校准。采用单剂量屏气和多剂量自由呼吸方案向受试者施用气体。一旦吸入的氙气到达肺泡，就应用一系列 90° 射频脉冲，以确保肺实质中积累的氙磁化物的最大饱和度。在可变的延迟时间之后，采集光谱以量化由于肺泡气体体积和肺组织室之间的气体交换而导致的氙信号的再生。然后，通过将复杂的赝Voigt函数拟合到三个主峰来分析这些光谱。最后，将延迟时间依赖的峰值振幅拟合到一维分析气体交换模型中，以提取生理参数。

Introduction

超极化氙 129 （HXe） 磁共振成像 （MRI）¹ 是一种为肺结构、功能和气体交换过程提供独特见解的技术。通过自旋交换光泵浦显着放大氙气的磁化强度，与热偏振氙气^{MRI 相比}，HXe MRI 在信噪比方面实现了数量级的提高 ^2,3,4,5,6。这种超极化使得氙气吸收进入肺组织和血液的直接可视化和量化成为可能，否则传统的热偏振 MRI⁷ 无法检测到。

化学位移饱和恢复 （CSSR） MR 光谱 8,9,10,11,12,13 已被证明是最有价值的 HXe MRI 技术之一。....

Protocol

注意:虽然此处描述的超极化Xenon-129 CSSR MR光谱技术通常用于动物和人类成像，但以下协议仅涉及人体研究。所有成像方案均符合 FDA 特定吸收率 （SAR） 限制 （4 W/kg），并得到宾夕法尼亚大学机构审查委员会的批准。获得了每个受试者的知情同意。

1. 脉冲时序设计

1. 决定是进行屏气测量还是自由呼吸测量。
   注意:屏气采集在技术上更简单，因为它们只需要吸入单剂量 （500 - 1000 mL） 的 HXe 气体，然后屏气 10 秒，在此期间收集 MRI 数据。然而，不合作的受试者（例如幼儿）或患有严重肺部疾病的患者可能无法长时间屏住呼吸，因此可能需要在几分钟内吸入多种小剂量 （~50 mL） 的自由呼吸采集可能是可取的。
2. 对于屏气CSSR MR光谱研究，使用可变延迟时间以获得最大的灵活性，并使用高达90°的高激发翻转角来实现最大的信噪比（图1A）。
   1. 要使 1.5 T MRI 扫描仪上的 DP 磁化饱和，请应用 5 个矩形 90° 射频 （RF） 脉冲，中心频率为 198 ppm、2.5 ms 和 218 ppm，2.5 ms 为 2.5 ms，2.5 个脉冲和中心频率，持续时间为 208 ppm，其余 3 个脉冲为 2.0 ms。如果射频功率放大器允许，请缩短射频脉冲的持续时间，以便在更高的场强下进行测量。

Results

图 2 显示了在吸入 500 mL 氙气剂量后，在屏气期间在人肺中观察到的典型氙光谱。该光谱显示两个不同的区域，即 0 ppm 左右的 GP 共振和 DP 区域，后者由大约 197 ppm 的膜峰和大约 217 ppm 的红细胞峰组成。相对峰值幅度取决于许多因素，包括射频激励脉冲的形状、持续时间和中心频率，以及饱和和激励之间的延迟时间。通常，延迟时间越长，DP峰值相对于GP峰值的幅度就越大。这是因为较长的延迟允许更多时间让氙磁化从肺泡体积转移到肺实质。此外，随着年龄和疾病严重程度的增加，红细胞峰值相对于膜峰值趋于降低。

对于全肺氙光谱，可观测共振的线形不是洛伦兹谱，但通常可以通过复杂的伪Voigt函数相当近似，如图3A-B中实数和假想溶解相位信号分量所示。因此，可以分析计算光谱中所有峰下方的面积。在屏气过程中，肺泡气腔中的氙浓度几乎保持不变，除了少量的氙气通过肺组织中的溶解和肺循环的去除而去除。然而，由于氧诱导的 T1 弛豫以及 .......

Discussion

HXe CSSR MR 光谱是一种强大的技术，用于评估使用任何其他现有诊断方式在 体内 难以或不可能量化的几种肺功能指标²⁴。然而，采集和随后的数据分析是基于对生理条件和技术参数的某些假设，这些假设在活着的受试者中永远无法完全实现。下文将讨论这些限制及其对提取指标解释的影响。

CSSR 技术通常作为不带空间编码的全局测量实现，如上述协议中所述。因此，接收器线圈敏感体积内的任何 Xenon-129 信号，无论其来源如何，都会对测量数据产生影响，并且将与肺实质提取的肺功能参数隐含相关。由于肺泡气腔内的表面积与体积比高，这促进了组织和气体体积之间的高气体交换率，因此大多数 Xenon-129 DP 信号确实局限于该区域。但是，GP信号并非如此。事实上，传导气道约占肺总体积的 15%，根据受试者的大小和弹簧圈位置，上气管、口腔和鼻腔的体积可能还需要部分考虑。在数据采集时，氙-129气体的空间分布具有相关性，原因有很多，首先是校准。由于主磁体的 B0 场和射频发射/接收线圈的 B1 场在空间上变化，因此来自主要感兴趣区域（即肺.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
双向气动机	B&B Medical AccutachTM
胸背心线圈	临床 MR 解决方案		成人尺寸
口罩	Hans Rudolph	7450
Matlab	Mathworks	Release 2018a	需要优化工具箱
生理监测系统	BIOPAC Systems Inc
Tedlar 袋	Jensen 惰性产品		250 毫升和 500 毫升;专用 PVF 袋
氙气偏光器	Xemed LLC	X-box E10
全身 MRI 扫描仪	Siemens	1.5 T Avanto