Quantitatives Maß für die Lungenstruktur und -funktion aus der hyperpolarisierten Xenon-Spektroskopie

Summary

Das Manuskript stellt ein detailliertes Protokoll für die Verwendung der hyperpolarisierten Xenon-129-Chemikalienverschiebungssättigungswiederherstellung (CSSR) vor, um den Lungengasaustausch zu verfolgen, die scheinbare Wanddicke des Alveolarseptums zu beurteilen und das Oberflächen-Volumen-Verhältnis zu messen. Die Methode hat das Potenzial, Lungenerkrankungen zu diagnostizieren und zu überwachen.

Abstract

Die hyperpolarisierte Xenon-129 (HXe)-Magnetresonanztomographie (MRT) bietet Werkzeuge zur Erstellung von 2- oder 3-dimensionalen Karten der Lungenventilationsmuster, der Gasdiffusion, der Xenonaufnahme durch das Lungenparenchym und anderer Lungenfunktionsmetriken. Durch den Austausch von räumlicher gegen zeitliche Auflösung ermöglicht es jedoch auch die Verfolgung des pulmonalen Xenon-Gasaustauschs auf einer Zeitskala von ms. In diesem Artikel wird eine solche Technik beschrieben, die MR-Spektroskopie (Chemical Shift Saturation Recovery, CSSR). Es wird veranschaulicht, wie es zur Beurteilung des kapillaren Blutvolumens, der Septumwanddicke und des Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses in den Alveolen verwendet werden kann. Der Flip-Winkel der angelegten Hochfrequenzpulse (RF) wurde sorgfältig kalibriert. Für die Verabreichung des Gases an den Probanden wurden Einzeldosis-Atemanhalte- und Mehrfachdosis-Freiatemprotokolle verwendet. Sobald das eingeatmete Xenongas die Lungenbläschen erreichte, wurde eine Reihe von 90°-HF-Impulsen angelegt, um eine maximale Sättigung der akkumulierten Xenon-Magnetisierung im Lungenparenchym zu gewährleisten. Nach einer variablen Verzögerungszeit wurden Spektren aufgenommen, um das Nachwachsen des Xenon-Signals aufgrund des Gasaustauschs zwischen dem alveolären Gasvolumen und den Gewebekompartimenten der Lunge zu quantifizieren. Diese Spektren wurden dann analysiert, indem komplexe Pseudo-Voigt-Funktionen an die drei dominanten Peaks angepasst wurden. Schließlich wurden die verzögerungszeitabhängigen Spitzenamplituden an ein eindimensionales analytisches Gasaustauschmodell angepasst, um physiologische Parameter zu extrahieren.

Introduction

Die hyperpolarisierte Xenon-129 (HXe)-Magnetresonanztomographie (MRT)¹ ist eine Technik, die einzigartige Einblicke in die Struktur, Funktion und Gasaustauschprozesse der Lunge bietet. Durch die drastische Verstärkung der Magnetisierung von Xenongas durch optisches Spinaustauschpumpen erreicht die HXe-MRT eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses um eine Größenordnung im Vergleich zur thermisch polarisierten Xenon-MRT ^2,3,4,5,6. Diese Hyperpolarisation e....

Protocol

HINWEIS: Während die hier beschriebene hyperpolarisierte Xenon-129 CSSR-MRT-Spektroskopietechnik häufig für die Bildgebung von Tieren und Menschen verwendet wird, bezieht sich das folgende Protokoll nur auf Studien am Menschen. Alle Bildgebungsprotokolle entsprachen den FDA-Grenzwerten für die spezifische Absorptionsrate (SAR) (4 W/kg) und wurden vom Institutional Review Board an der University of Pennsylvania genehmigt. Von jedem Probanden wurde eine Einverständniserklärung eingeholt.

1. Design der Pulssequenz

1. Entscheiden Sie, ob Sie eine Messung mit angehaltenem Atem oder freier Atmung durchführen möchten.
   HI....

Results

Abbildung 2 zeigt ein typisches Xenon-Spektrum, das in der menschlichen Lunge während eines Atemanhaltens nach der Inhalation von 500 ml Xenon-Dosis beobachtet wurde. Das Spektrum zeigt zwei unterschiedliche Regionen, die GP-Resonanz um 0 ppm und die DP-Region, die aus dem Membranpeak bei etwa 197 ppm und dem Peak der roten Blutkörperchen bei etwa 217 ppm besteht. Die relativen Spitzenamplituden hängen von einer Reihe von Faktoren ab, darunter die Form, Dauer und Mittenfrequenz des HF-Anregu.......

Discussion

Die HXe CSSR-MR-Spektroskopie ist eine leistungsfähige Technik zur Beurteilung verschiedener Lungenfunktionsmetriken, die mit einer anderen bestehenden diagnostischen Modalität in vivo nur schwer oder gar nicht quantifiziert werden könnten²⁴. Nichtsdestotrotz basieren die Erfassung und die anschließende Datenanalyse auf bestimmten Annahmen über physiologische Bedingungen und technische Parameter, die bei lebenden Probanden nie vollständig erreichbar sind. Diese Einschränkungen und ihre Au.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Bidirektionaler Pneumotach	B& B& B Medical AccutachTM
Brustweste Coil	Klinische MR-Lösungen
Gesichtsmaske	Hans Rudolph	7450
Matlab	Mathworks	Release 2018a	Optimierungs-Toolbox erforderlich
Physiologisches Überwachungssystem	BIOPAC Systems Inc
Tedlar Bag	Jensen Inert Products		250 mL und 500 mL; spezieller PVF-Beutel
Xenon Polarisator	Xemed LLC	X-Box E10
Ganzkörper-MRT-Scanner	Siemens	1,5 T Avanto