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方法文章

通过超极化氙光谱法获得的肺结构与功能的定量测量

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DOI：

10.3791/66038

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2023年11月10日

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

本文内容

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已被证明是最有价值的超极化氙（HXe）MRI技术之一。CSSR通过使用频率特异性的射频（RF）脉冲，选择性地饱和溶解在肺组织和血液中的氙的磁化。随后，溶解相（DP）信号在毫秒时间尺度上与气腔中新鲜的超极化氙气体发生交换并逐渐恢复，从而提供有关肺实质的重要功能信息。

自21世纪初发展以来，CSSR光谱技术已逐步得到完善14,15,16,17,18,19,20,21,22,23。此外，氙气摄取曲线建模方面的进展使得能够提取特定的生理参数，例如肺泡壁厚度和肺部通过时间10,24,25,26。研究表明，CSSR对肺部微结构和气体交换效率的细微变化具有敏感性，例如在临床健康的吸烟者中发现的肺部异常27，以及在多种肺部疾病中的表现，包括慢性阻塞性肺疾病（COPD）18,27,28、纤维化29和放射性肺损伤30,31。此外，已证实CSSR光谱技术能够灵敏地检测到与心动周期中脉动血流相对应的DP信号振荡32。

尽管已取得显著进展，但在临床磁共振成像（MRI）系统上实施CSSR波谱技术仍面临实际挑战。需要单次剂量屏气接近10秒的扫描时间，对于儿科受试者33,34或患有严重肺部疾病的患者35,36而言可能过长。此外，如果采集参数（如饱和延迟时间的顺序或溶解相饱和效率）未得到适当优化，该技术容易产生测量偏差21。为了克服这些局限性，并使CSSR技术更广泛地为科研群体所用，目前亟需制定针对常规屏气和自由呼吸采集模式的清晰、逐步操作方案，相关工作正在开发中。

本文的目的是介绍一种使用HXe气体进行优化的CSSR磁共振波谱的详细方法。该方案将涵盖氙气的极化与输送、射频脉冲校准、序列参数选择、受试者准备、数据采集以及数据分析中的关键步骤。文中将提供实验结果的示例。希望本综合指南能够为不同机构实施CSSR技术提供基础，并有助于充分发挥该技术在多种肺部疾病中量化肺部微结构变化的潜力。

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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短射频脉冲的持续时间。
    2. 所有射频脉冲之间使用沿 x、y 和 z 轴交替的 1 ms 梯度扰相：上升时间 200 µs，平台时间 600 µs，梯度强度 20 mT/m。
    3. 在最后一个饱和脉冲之后，等待一段延迟时间 τi，其中 i 表示屏气期间的第 i 次测量。按以下顺序使用下列延迟时间：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, 500, 50, 5, 6, 8, 50, 12.5, 20, 40, 70, 50, 90, 110, 140, 180, 50, 225, 300, 400 ms。
    4. 施加一个中心频率为 208 ppm、持续时间为 1.2 ms 的高斯射频激发脉冲。将翻转角设为 90°。如果射频放大器不允许，可使用放大器允许的最大翻转角。在高场强扫描仪上进行测量时，射频激发脉冲的持续时间应与场强成反比进行调整。
    5. 采集自由感应衰减信号 30.72 ms（共 1024 个采样点）。尽管在 1.5 T 下气相 T2* 约为 15 ms，但在更高场强下可显著缩短采样时间，且无需在处理前额外进行信号衰减加权。
    6. 沿 x 轴施加一个持续 5 ms 的梯度扰相：上升时间 200 µs，平台时间 4.6 ms，梯度强度 20 mT/m。
    7. 在同一次屏气过程中，按照步骤 1.2.3 所述使用不同的 τi，重复步骤 1.2.1 - 1.2.6 共 40 次。
    8. 对于自由呼吸状态下的 CSSR 磁共振波谱研究，连续进行以下测量约 3 分钟（图 1B），但如果分配的 HXe 气体体积已耗尽，可提前终止采集。
    9. 重复步骤 1.2.1 和 1.2.2。重复步骤 1.2.4，但将翻转角设为 7°。采集自由感应衰减信号 10.24 ms（共 512 个采样点）。
    10. 沿 x 轴施加一个持续 1 ms 的梯度扰相：上升时间 200 ms，平台时间 600 ms，梯度强度 20 mT/m。以 12.6 ms 的重复时间，重复步骤 1.2.3 - 1.2.5 共 40 次。
    11. 重复步骤 1.2.1 - 1.2.6，直至研究结束。

2. 患者检查前的准备工作

  1. 每次研究前，确保准备好一个清洁的面罩，并使用细而柔韧的导管将其连接到气体输送同步装置上。
  2. 对于自由呼吸研究，需连接双向 pneumotach 以进行气流测量。
  3. 使用玻璃注射器进行常规测试，模拟呼吸过程，以验证气体正确注入。气体输送装置应根据 pneumotach 的气流测量结果检测到吸气开始，从而启动向面罩内的气体注入。
  4. 设置可选的生理监测系统，在成像过程中记录呼吸曲线（气流和容积）以及实时气体分析（O2 和 CO2）。
  5. 连接并测试磁共振室内的耳机，使用吸气-呼气音频录音引导受试者。根据每位受试者的正常呼吸频率调整音频播放速度。
  6. 在扫描仪床面上准备好清洁的头枕、腿部支撑枕和毛毯。
  7. 将未固定的氙-129 胸部线圈背心放置在磁共振扫描仪的检查床上。插入线圈的连接插头，并确保磁共振扫描仪能够识别该线圈。

3. 受试者准备与监测

  1. 当受试者到达影像中心时，使用经机构审查委员会（IRB）批准的知情同意书获取其书面知情同意。获得同意后，使用磁共振成像（MRI）安全问卷和金属探测器对受试者进行筛查。
  2. 请受试者移除身上所有金属物品或首饰，并更换为患者检查服。
  3. 指导受试者遵循选定的呼吸方案（屏气或自由呼吸）。
  4. 对于自由呼吸研究，向受试者介绍将在成像过程中播放的吸气-呼气语音录音，并要求其呼吸与该录音同步。
  5. 引导受试者进入MRI检查室，并将其安置在扫描床面上：仰卧于打开的氙气背心线圈之上。
  6. 受试者就位后，扣紧维可牢（Velcro）绑带，使背心线圈闭合，但不得束缚受试者胸部。
  7. 对于自由呼吸研究，将带有气流传感器（pneumotach）的面罩覆盖在受试者面部，并收紧绑带，使面罩紧密贴合鼻部和口部，但不过紧。佩戴调整完毕后，取下面罩并妥善放置以备后续使用，保留绑带位于受试者头后方。
  8. 将两个脉搏血氧仪分别置于受试者的右手和左手食指上，以在整个研究过程中持续监测并记录心率和血氧饱和度（SPO2）。
  9. 将MRI兼容耳机佩戴于受试者双耳上。
  10. 将MRI扫描床推入磁体孔径内，使受试者的肺部位于成像视野的中心位置。

4. 超极化氙-129 极化（校准气体）

注意：以下是使用我们的气体极化装置对氙-129气体进行极化的实验步骤。请根据您所安装的气体极化仪厂商提供的具体操作说明进行相应调整。

  1. 研究开始前约2.5小时，启动氙极化仪加热。由于氙气，尤其是富集的 >85% 氙-129 价格昂贵（目前约为每升 500 美元），且一旦极化后无法回收，因此应在受试者到达成像现场后才启动极化过程。
  2. 将250 mL专用PVF袋的连接管穿过密封夹，确保夹子未夹压管路。
  3. 将专用的PVF袋连接到四个可用的偏振器分配端口之一。
  4. 在偏振器触摸屏上，选择富集的氙气罐，将流速设置为中等，偏振体积设置为 250 mL。
  5. 按压 开始 按下按钮以启动极化过程。实际的极化操作、氙气冷冻析出、解冻以及向特制PVF袋中分装的过程完全自动化，250 mL氙气的处理约需15分钟。
  6. 当极化氙气释放完毕后，极化仪的触摸屏将显示提示信息，表明此时可以取下气袋。
  7. 用密封夹夹紧专用PVF袋的连接管。断开专用PVF袋，并迅速将其放入MRI扫描仪的孔内，以防止气体快速去极化。

5. 用于校准的超极化氙-129 吸入

  1. 将鼻夹戴在受试者鼻部，以促进其通过口腔进行呼吸。
  2. 在正常呼气末，将氙气袋的口器插入受试者口中。
  3. 当受试者从袋中吸入250 mL氙气剂量后，移开口器，并指示受试者继续吸入室内空气，直至肺部完全充满。
  4. 在吸气末，要求受试者举起拇指，由护士协调员口头通知扫描操作员启动脉冲序列。
  5. 对于无法屏住呼吸的受试者，要求护士协调员观察其胸部运动，并在受试者达到呼气末并开始吸气时通知操作员。尽管该方法会因部分吸入的氙气被呼出而导致测量信号降低，但可确保在采集校准数据期间受试者肺内氙气体积保持相对恒定。
  6. 在数据采集期结束时（约5 s），指示受试者恢复正常呼吸。

6. 气体频率和射频脉冲电压校准

注意：在执行脉冲序列之前，现代磁共振成像（MRI）扫描仪通常会校准磁共振信号的共振频率以及施加到射频（RF）发射线圈的电压，以实现激发脉冲所需的翻转角。在常规质子磁共振成像中，此校准过程是自动完成的，通常对用户透明。然而，在超极化氙-129研究中，这种自动校准不可行，因为在热平衡状态下没有可用的信号源。因此，射频脉冲的频率和电压必须手动校准。在本研究所使用的磁共振扫描仪上，该手动校准通过提供一个参考电压来完成，扫描仪软件随后利用该参考电压计算所有后续射频脉冲所需的适当电压。请查阅磁共振系统的厂商专用操作说明，以了解如何将此校准数据输入测量软件中。

  1. 加载质子 scout 脉冲序列。选择 400 mm 的视野。采集 10 个冠状面切片（切片厚度 10 mm，间距 20%）。
  2. 查看质子图像，确保受试者的肺部位于视野中心。如有必要，重新调整受试者位置并重复步骤 1。
  3. 加载校准脉冲序列。使用最近一次人体扫描中获得的 HXe 气相（GP）频率作为接收频率的初始估计值。
  4. 设置参考电压，使其值使得大多数受试者在校准序列采集的第一组与最后一组谱图之间的 GP 信号下降约 70%–80%。对于胸部射频线圈，将初始参考电压设为 75 V。
  5. 当受试者吸入 HXe 校准剂量并处于屏气状态时启动序列；若无法屏气，则在呼吸周期中超过呼气末期时启动序列。
    1. 施加一个中心位于 0 ppm 的 1.2 ms 高斯射频激发脉冲。名义翻转角设为 90°。但由于初始参考电压远低于其真实值，实际施加的翻转角约为 15°。
    2. 对自由感应衰减信号采样 30.72 ms（共 1024 个采样点）。沿 x 轴施加持续 20 ms 的梯度扰相：500 ms 上升时间，19 ms 平顶时间，梯度强度为 20 mT/m。请注意，这些梯度参数未优化，更短的梯度持续时间可能已足够。
    3. 以 55 ms 的重复时间重复步骤 6.5.1–6.5.2 共 16 次。再以 220 ms 的重复时间重复步骤 6.5.1–6.5.2 共 16 次。
  6. 数据采集完成后，指示受试者恢复正常呼吸。
  7. 通过检测 SPO2 水平并询问是否有任何潜在不良反应，评估受试者的健康状况。
  8. 将测得的校准数据下载至 U 盘，然后传输至笔记本电脑进行进一步分析。
  9. 使用 MATLAB 脚本提取 GP 峰的中心频率、射频激发脉冲的翻转角以及肺内 HXe 气体的 T1 值。
    1. 加载校准序列采集的 32 个自由感应衰减信号（FID）。使用快速傅里叶变换（FFT）将 FID 转换为谱图。
    2. 对 GP 峰进行零阶相位校正。对相位校正后的 GP 峰实部拟合伪沃伊特（pseudo-Voigt）线型。
    3. 将前 10 次拟合的中心频率取平均值作为 GP 频率（因其信噪比最高）。在屏幕上输出该频率平均值。
    4. 对所有 GP 峰下的面积进行积分。分别对前 16 个和后 16 个 GP 峰面积拟合单指数衰减函数。
    5. 从两条拟合的衰减曲线中提取 GP 的 T1 值和实际施加的翻转角。

7. 氙-129超极化（测量气体）

  1. 进行测量气体的极化时，请遵循步骤 4.2 - 4.7，但作如下修改：
    1. 使用一个 500 mL 的专用 PVF 气袋，而不是 250 mL 气袋。
    2. 将极化体积设为 500 mL 而非 250 mL。500 mL 气体的极化过程约需 20 分钟。

8. 用于测量的超极化氙-129 吸入（屏气）

  1. 将鼻夹戴在受试者鼻部，以促进其通过口腔进行呼吸。
  2. 在正常呼气末达到功能残气量时，将氙气袋的口器插入受试者口中。
  3. 当受试者从氙气袋中吸入500 mL氙气后，移开口器，并指导受试者继续吸入室内空气直至肺部完全充满。
  4. 在吸气末，要求受试者抬起拇指，由护士协调员口头通知扫描操作员启动脉冲序列。
  5. 在数据采集期结束时（约8 s），嘱受试者恢复正常呼吸。

9. 用于测量的超极化氙-129吸入（自由呼吸）

  1. 进行测量扫描时，将受试者移出磁共振成像（MRI）扫描仪，将面罩覆盖其口鼻部位，并从头后方将预先安装的绑带连接至面罩，固定面罩位置。面罩上的气流传感器（pneumotach）将检测受试者连续的吸气和呼气动作，并在检测到吸气时触发气体输送系统释放气体。
  2. 将受试者重新移回扫描仪内的原始位置。
  3. 播放吸气-呼气音频录音，使受试者能够将其呼吸模式与呼吸方案同步。
  4. 当受试者的呼吸节奏与呼吸方案一致后，请护士协调员通知MRI操作员开始数据采集。随后，护士协调员打开气体输送系统的阀门，受试者开始吸入50 mL的超极化氙-129（hyperpolarized Xenon-129），该气体与面罩内的气流混合。
  5. 请受试者继续呼吸约10次，直至成像方案所需的氙气完全用尽。

10. 测量数据采集（屏气）

  1. 加载步骤 1.2 中所述的屏气用 CSSR 脉冲序列。根据步骤 6 校准扫描期间确定的 HXe GP 频率设置采集频率。
  2. 调节参考电压，使其与步骤 6 中所述校准扫描获得的数值一致。
  3. 根据系统供应商的操作说明，选择等待用户选项或其等效功能以执行序列。
  4. 启动序列。磁共振成像仪将完成序列准备，随后暂停并等待用户开始数据采集。
  5. 当受试者吸入 HXe 测量剂量、通过继续吸入室内空气冲洗气道直至肺部充满，并开始屏气后，启动数据采集。屏气操作应按照护士协调员的指导以及步骤 5 和步骤 8 中的描述进行。
  6. 数据采集完成后，指示受试者恢复正常呼吸。
  7. 通过检查 SPO2 水平并询问是否存在任何潜在不良反应，评估受试者的健康状况。
  8. 将测得的 CSSR 数据下载至 USB 存储设备，然后传输到笔记本电脑进行进一步分析。

11. 测量数据采集（自由呼吸）

  1. 按照步骤1.3所述，加载用于自由呼吸的CSSR脉冲序列。
  2. 根据步骤6中校准扫描确定的HXe GP频率，设置采集频率。
  3. 调节参考电压，使其与步骤6中校准扫描获得的数值一致。
  4. 根据系统供应商的操作说明，选择等待用户选项或其等效设置以执行序列。
  5. 启动序列。磁共振成像仪将完成序列准备，随后暂停并等待用户开始数据采集。
  6. 当护士协调员准备按照步骤9.4所述从室内空气切换为HXe气体/空气混合物时，开始数据采集。确保在受试者吸入第一剂氙气前，序列已开始运行。
  7. 当3分钟测量结束完成数据采集，或在所有HXe气体用尽时提前终止采集后，将受试者移出磁共振成像仪。
  8. 通过检查SPO2水平并询问是否存在任何潜在不良反应，评估受试者的健康状况。
  9. 将测得的CSSR数据下载至U盘，然后转移至笔记本电脑进行进一步分析。

12. CSSR 数据分析

注意：所获取的数据包含 N × 40 个自由感应衰减信号，其中 N 表示在饱和 DP 磁化后以不同延迟时间重复采集的次数。根据 CSSR 测量是作为屏气实验还是自由呼吸实验进行，N 分别为 1 或采集重复的次数，其总数应约为测量时间（单位为秒）的 2 倍。然而，除特别说明外，两种情况下的后续数据处理通过 MATLAB 脚本基本相同。

  1. 加载通过 CSSR 序列获取的自由感应衰减信号（FIDs）。使用快速傅里叶变换（FFTs）将 FIDs 转换为谱图。
  2. 将 GP 峰相位校正至零阶，将 DP 峰相位校正至一阶。
  3. 对 GP 峰相位校正后的实部组分拟合伪沃伊特（pseudo-Voigt）线型。
  4. 对于自由呼吸测量，将所有谱图除以 GP 峰拟合曲线下的面积，并对具有相同延迟时间的所有谱图进行平均。
  5. 在所有谱图中，对位于约 196 ppm 的膜峰和约 217 ppm 的红细胞峰的相位校正后实部组分分别拟合两个伪沃伊特线型。
  6. 积分拟合得到的 DP 峰下方的面积。
  7. 对于屏气测量，重复采集 50 ms 延迟时间的数据（见步骤 1.2.8），这比使用 GP 信号进行归一化能实现更精确的衰减校正。
  8. 将膜峰信号随采集序号的变化拟合为指数衰减函数。
  9. 将所有膜和红细胞峰信号乘以对应采集序号下拟合得到的指数衰减函数的倒数。
  10. 将校正后的膜和红细胞信号随延迟时间的变化拟合至氙气气体摄取模型。最常用的两种模型分别为 Patz 等人24 和 Chang 等人25,37,38 提出的模型。我们通常采用 Patz 模型进行数据分析。
  11. 通过拟合任一模型，获得肺泡表面与体积比、表观肺泡隔厚度以及毛细血管通过时间。此外，Chang 等人提出的氙交换模型（MOXE）还可提供血管与肺泡之间屏障厚度以及血细胞比容。

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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...

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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...

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

本工作获得了美国国立卫生研究院（NIH）基金 R01HL159898 和 R01HL142258 的资助。

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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 Rudolph7450
MatlabMathWorks2018a 版需配备优化工具箱
生理监测系统 BIOPAC Systems Inc
特德拉袋Jensen Inert Products250 mL 和 500 mL；特制PVF袋
氙极化器Xemed LLCX-box E10 
全身磁共振成像扫描仪西门子1.5 T Avanto

参考文献

  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).

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