Name: Quantitatives Maß für die Lungenstruktur und -funktion aus der hyperpolarisierten Xenon-Spektroskopie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-11-10T13:20:00.000+00:00
Duration: 8 min 23 s
Description: Erfahren Sie die hyperpolarisierte Xenon-129-Spektroskopie mit CSSR-Pulssequenzen zur quantitativen Analyse der Lungenfunktion. Diese Methode ermöglicht die Bewertung alveolärer Septenwanddicken bei Atemwegserkrankungen.

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Beurteilung der Lungenfunktion mit hyperpolarisierter Xenon-129-MRT

<ol><li>Albert, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biological+magnetic+resonance+imaging+using+laser-polarized+129Xe%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe.</a> Nature. 370 (6486), 199-201 (1994).</li>
<li>Happer, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+Pumping%5BTitle%5D)+AND+%22Rev+Mod+Phys%22%5BJournal%5D)">Optical Pumping.</a> Rev Mod Phys. 44 (2), 169-250 (1972).</li>
<li>Appelt, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theory+of+spin-exchange+optical+pumping+of+He-3+and+Xe-129%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+A%22%5BJournal%5D)">Theory of spin-exchange optical pumping of He-3 and Xe-129.</a> Phys Rev A. 58 (2), 1412-1439 (1998).</li>
<li>Hersman, F. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large+production+system+for+hyperpolarized+129Xe+for+human+lung+imaging+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Acad+Radiol%22%5BJournal%5D)">Large production system for hyperpolarized 129Xe for human lung imaging studies.</a> Acad Radiol. 15 (6), 683-692 (2008).</li>
<li>Parnell, S. R., Deppe, M. H., Parra-Robles, J., Wild, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhancement+of+Xe-129+polarization+by+off-resonant+spin+exchange+optical+pumping%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">Enhancement of Xe-129 polarization by off-resonant spin exchange optical pumping.</a> J Appl Phys. 108 (6), 064908(2010).</li>
<li>Norquay, G., Collier, G. J., Rao, M., Stewart, N. J., Wild, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%5E%7B129%7DXe-Rb+spin-exchange+optical+pumping+with+high+photon+efficiency%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+Lett%22%5BJournal%5D)">^{129}Xe-Rb spin-exchange optical pumping with high photon efficiency.</a> Phys Rev Lett. 121 (15), 153201(2018).</li>
<li>Mugler, J. P. 3rd, et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MR+imaging+and+spectroscopy+using+hyperpolarized+129Xe+gas%3A+preliminary+human+results%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">MR imaging and spectroscopy using hyperpolarized 129Xe gas: preliminary human results.</a> Magn Reson Med. 37 (6), 809-815 (1997).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRuppert%2C+K+%22NMR+Biomed%22">NMR Biomed</a>. 13 (4), 220-228 (2000).</li>
<li>Butler, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+surface-area-to-volume+ratios+in+soft+porous+materials+using+laser-polarized+Xenon+interphase+exchange+nuclear+magnetic+resonance%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Condens+Matter%22%5BJournal%5D)">Measuring surface-area-to-volume ratios in soft porous materials using laser-polarized Xenon interphase exchange nuclear magnetic resonance.</a> J Phys Condens Matter. 14 (13), L297-L304 (2002).</li>
<li>Mansson, S., Wolber, J., Driehuys, B., Wollmer, P., Golman, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+diffusing+capacity+and+perfusion+of+the+rat+lung+in+a+lipopolysaccaride+disease+model+using+hyperpolarized+129Xe%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Characterization of diffusing capacity and perfusion of the rat lung in a lipopolysaccaride disease model using hyperpolarized 129Xe.</a> Magn Reson Med. 50 (6), 1170-1179 (2003).</li>
<li>Abdeen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+Xenon+diffusing+capacity+in+the+rat+lung+by+hyperpolarized+%28129%29Xe+MRI+and+dynamic+spectroscopy+in+a+single+breath-hold%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Measurement of Xenon diffusing capacity in the rat lung by hyperpolarized (129)Xe MRI and dynamic spectroscopy in a single breath-hold.</a> Magn Reson Med. 56 (2), 255-264 (2006).</li>
<li>Driehuys, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+alveolar-capillary+gas+transfer+using+hyperpolarized+129Xe+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+U+S+A%22%5BJournal%5D)">Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (48), 18278-18283 (2006).</li>
<li>Patz, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+pulmonary+imaging+and+spectroscopy+with+hyperpolarized+129Xe+at+0.2T%5BTitle%5D)+AND+%22Acad+Radiol%22%5BJournal%5D)">Human pulmonary imaging and spectroscopy with hyperpolarized 129Xe at 0.2T.</a> Acad Radiol. 15 (6), 713-727 (2008).</li>
<li>Qing, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+lung+function+in+asthma+and+COPD+using+hyperpolarized+129Xe+chemical+shift+saturation+recovery+spectroscopy+and+dissolved-phase+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+Biomed%22%5BJournal%5D)">Assessment of lung function in asthma and COPD using hyperpolarized 129Xe chemical shift saturation recovery spectroscopy and dissolved-phase MRI.</a> NMR Biomed. 27 (12), 1490-1501 (2014).</li>
<li>Stewart, N. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reproducibility+of+quantitative+indices+of+lung+function+and+microstructure+from+129+Xe+chemical+shift+saturation+recovery+%28CSSR%29+MR+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Reproducibility of quantitative indices of lung function and microstructure from 129 Xe chemical shift saturation recovery (CSSR) MR spectroscopy.</a> Magn Reson Med. 77 (6), 2107-2113 (2017).</li>
<li>Zhong, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+assessment+of+both+lung+morphometry+and+gas+exchange+function+within+a+single+breath-hold+by+hyperpolarized+%28129%29+Xe+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+Biomed%22%5BJournal%5D)">Simultaneous assessment of both lung morphometry and gas exchange function within a single breath-hold by hyperpolarized (129) Xe MRI.</a> NMR Biomed. 30 (8), (2017).</li>
<li>Kern, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Regional+investigation+of+lung+function+and+microstructure+parameters+by+localized+%28129%29+Xe+chemical+shift+saturation+recovery+and+dissolved-phase+imaging%3A+A+reproducibility+study%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Regional investigation of lung function and microstructure parameters by localized (129) Xe chemical shift saturation recovery and dissolved-phase imaging: A reproducibility study.</a> Magn Reson Med. 81 (1), 13-24 (2018).</li>
<li>Kern, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+of+regional+lung+microstructural+parameters+using+hyperpolarized+%28129%29+Xe+dissolved-phase+MRI+in+healthy+volunteers+and+patients+with+chronic+obstructive+pulmonary+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Mapping of regional lung microstructural parameters using hyperpolarized (129) Xe dissolved-phase MRI in healthy volunteers and patients with chronic obstructive pulmonary disease.</a> Magn Reson Med. 81 (4), 2360-2373 (2018).</li>
<li>Xie, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single+breath-hold+measurement+of+pulmonary+gas+exchange+and+diffusion+in+humans+with+hyperpolarized+%28129%29+Xe+MR%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+Biomed%22%5BJournal%5D)">Single breath-hold measurement of pulmonary gas exchange and diffusion in humans with hyperpolarized (129) Xe MR.</a> NMR Biomed. 32 (5), e4068(2019).</li>
<li>Zanette, B., Santyr, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accelerated+interleaved+spiral-IDEAL+imaging+of+hyperpolarized+%28129%29+Xe+for+parametric+gas+exchange+mapping+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Accelerated interleaved spiral-IDEAL imaging of hyperpolarized (129) Xe for parametric gas exchange mapping in humans.</a> Magn Reson Med. 82 (3), 1113-1119 (2019).</li>
<li>Ruppert, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigating+biases+in+the+measurement+of+apparent+alveolar+septal+wall+thickness+with+hyperpolarized+129Xe+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Investigating biases in the measurement of apparent alveolar septal wall thickness with hyperpolarized 129Xe MRI.</a> Magn Reson Med. 84 (6), 3027-3039 (2020).</li>
<li>Zhang, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+evaluation+of+lung+injury+caused+by+PM%282.5%29+using+hyperpolarized+gas+magnetic+resonance%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Quantitative evaluation of lung injury caused by PM(2.5) using hyperpolarized gas magnetic resonance.</a> Magn Reson Med. 84 (2), 569-578 (2020).</li>
<li>Friedlander, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyperpolarized+%28129%29+Xe+MRI+of+the+rat+brain+with+chemical+shift+saturation+recovery+and+spiral-IDEAL+readout%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Hyperpolarized (129) Xe MRI of the rat brain with chemical shift saturation recovery and spiral-IDEAL readout.</a> Magn Reson Med. 87 (4), 1971-1979 (2022).</li>
<li>Patz, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+of+hyperpolarized+%28129%29Xe+in+the+lung%3A+a+simplified+model+of+%28129%29Xe+septal+uptake+and+experimental+results%5BTitle%5D)+AND+%22New+J+Phys%22%5BJournal%5D)">Diffusion of hyperpolarized (129)Xe in the lung: a simplified model of (129)Xe septal uptake and experimental results.</a> New J Phys. 13, 015009(2011).</li>
<li>Chang, Y. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MOXE%3A+a+model+of+gas+exchange+for+hyperpolarized+129Xe+magnetic+resonance+of+the+lung%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">MOXE: a model of gas exchange for hyperpolarized 129Xe magnetic resonance of the lung.</a> Magn Reson Med. 69 (3), 884-890 (2013).</li>
<li>Stewart, N. J., Parra-Robles, J., Wild, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Finite+element+modeling+of+%28129%29Xe+diffusive+gas+exchange+NMR+in+the+human+alveoli%5BTitle%5D)+AND+%22J+Magn+Reson%22%5BJournal%5D)">Finite element modeling of (129)Xe diffusive gas exchange NMR in the human alveoli.</a> J Magn Reson. 271, 21-33 (2016).</li>
<li>Ruppert, K., Qing, K., Patrie, J. T., Altes, T. A., Mugler, J. P. 3rd <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+hyperpolarized+Xenon-129+MRI+to+quantify+early-stage+lung+disease+in+smokers%5BTitle%5D)+AND+%22Acad+Radiol%22%5BJournal%5D)">Using hyperpolarized Xenon-129 MRI to quantify early-stage lung disease in smokers.</a> Acad Radiol. 26 (3), 355-366 (2019).</li>
<li>Kern, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigating+short-time+diffusion+of+hyperpolarized+%28129%29+Xe+in+lung+air+spaces+and+tissue%3A+A+feasibility+study+in+chronic+obstructive+pulmonary+disease+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Investigating short-time diffusion of hyperpolarized (129) Xe in lung air spaces and tissue: A feasibility study in chronic obstructive pulmonary disease patients.</a> Magn Reson Med. 84 (4), 2133-2146 (2020).</li>
<li>Stewart, N. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+validation+of+the+hyperpolarized+%28129%29+Xe+chemical+shift+saturation+recovery+technique+in+healthy+volunteers+and+subjects+with+interstitial+lung+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Experimental validation of the hyperpolarized (129) Xe chemical shift saturation recovery technique in healthy volunteers and subjects with interstitial lung disease.</a> Magn Reson Med. 74 (1), 196-207 (2015).</li>
<li>Fox, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+radiation+induced+lung+injury+in+rats+using+dynamic+hyperpolarized+%28129%29Xe+magnetic+resonance+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Phys%22%5BJournal%5D)">Detection of radiation induced lung injury in rats using dynamic hyperpolarized (129)Xe magnetic resonance spectroscopy.</a> Med Phys. 41 (7), 072302(2014).</li>
<li>Li, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+evaluation+of+radiation-induced+lung+injury+with+hyperpolarized+Xenon+magnetic+resonance%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Quantitative evaluation of radiation-induced lung injury with hyperpolarized Xenon magnetic resonance.</a> Magn Reson Med. 76 (2), 408-416 (2016).</li>
<li>Ruppert, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detecting+pulmonary+capillary+blood+pulsations+using+hyperpolarized+Xenon-129+chemical+shift+saturation+recovery+%28CSSR%29+MR+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Detecting pulmonary capillary blood pulsations using hyperpolarized Xenon-129 chemical shift saturation recovery (CSSR) MR spectroscopy.</a> Magn Reson Med. 75 (4), 1771-1780 (2016).</li>
<li>Walkup, L. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Feasibility%2C+tolerability+and+safety+of+pediatric+hyperpolarized+129Xe+magnetic+resonance+imaging+in+healthy+volunteers+and+children+with+cystic+fibrosis%5BTitle%5D)+AND+%22Pediatr+Radiol%22%5BJournal%5D)">Feasibility, tolerability and safety of pediatric hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in healthy volunteers and children with cystic fibrosis.</a> Pediatr Radiol. 46 (12), 1651-1662 (2016).</li>
<li>Willmering, M. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pediatric+%28129%29+Xe+gas-transfer+MRI-feasibility+and+applicability%5BTitle%5D)+AND+%22J+Magn+Reson+Imaging%22%5BJournal%5D)">Pediatric (129) Xe gas-transfer MRI-feasibility and applicability.</a> J Magn Reson Imaging. 56 (4), 1207-1219 (2022).</li>
<li>Amzajerdian, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+quantification+of+hyperpolarized+Xenon-129+ventilation+and+gas+exchange+with+multi-breath+Xenon-polarization+transfer+contrast+%28XTC%29+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Simultaneous quantification of hyperpolarized Xenon-129 ventilation and gas exchange with multi-breath Xenon-polarization transfer contrast (XTC) MRI.</a> Magn Reson Med. 90 (6), 2334-2347 (2023).</li>
<li>Niedbalski, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utilizing+flip+angle%2FTR+equivalence+to+reduce+breath+hold+duration+in+hyperpolarized+%28129%29+Xe+1-point+Dixon+gas+exchange+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Utilizing flip angle/TR equivalence to reduce breath hold duration in hyperpolarized (129) Xe 1-point Dixon gas exchange imaging.</a> Magn Reson Med. 87 (3), 1490-1499 (2022).</li>
<li>Chang, Y. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+a+quantitative+understanding+of+gas+exchange+in+the+lung%5BTitle%5D)+AND+%22arXiv%22%5BJournal%5D)">Toward a quantitative understanding of gas exchange in the lung.</a> arXiv. , (2010).</li>
<li>Chang, Y. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+human+lung+structure+and+physiology+using+hyperpolarized+129Xe%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Quantification of human lung structure and physiology using hyperpolarized 129Xe.</a> Magn Reson Med. 71 (1), 339-344 (2014).</li>
<li>Collier, G. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+cardiogenic+flow+oscillations+in+healthy+subjects+with+hyperpolarized+3He+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Physiol%22%5BJournal%5D)">Observation of cardiogenic flow oscillations in healthy subjects with hyperpolarized 3He MRI.</a> J Appl Physiol. 119 (9), 1007-1014 (2015).</li>
<li>Niedbalski, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protocols+for+multi-site+trials+using+hyperpolarized+%28129%29+Xe+MRI+for+imaging+of+ventilation%2C+alveolar-airspace+size%2C+and+gas+exchange%3A+A+position+paper+from+the+%28129%29+Xe+MRI+clinical+trials+consortium%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">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.</a> Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).</li>
</ol>

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.

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...

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 ermöglicht die direkte Visualisierung und Quantifizierung der Aufnahme von Xenongas in Lungengewebe und Blut, die sonst mit der herkömmlichen thermisch polarisierten MRT nicht nachweisbar wäre7.
Die MRT-Spektroskopie 8,9,10,11,12,13 hat sich als eine der wertvollsten HXe-MRT-Techniken erwiesen. Bei der CSSR wird die Magnetisierung von im Lungengewebe und Blut gelöstem Xenon mit frequenzspezifischen Hochfrequenzimpulsen (RF) selektiv gesättigt. Die anschließende Wiedergewinnung des Signals der gelösten Phase (DP) beim Austausch mit frischem hyperpolarisiertem Xenongas in den Lufträumen auf einer Zeitskala von ms liefert wichtige funktionelle Informationen über das Lungenparenchym.
Seit ihrer Entwicklung in den frühen 2000er Jahren wurden die Techniken der CSSR-Spektroskopie schrittweise verfeinert 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Darüber hinaus haben Fortschritte bei der Modellierung von Xenon-Aufnahmekurven die Extraktion spezifischer physiologischer Parameter ermöglicht, wie z. B. die Alveolarwanddicke und die Lungentransitzeiten 10,24,25,26. Studien haben gezeigt, dass CSSR empfindlich auf subtile Veränderungen der Lungenmikrostruktur und der Gasaustauscheffizienz in Form von Lungenanomalien reagiert, die bei klinisch gesunden Rauchern auftreten27, sowie bei einer Reihe von Lungenerkrankungen, einschließlich chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD)18,27,28, Fibrose29 und strahleninduzierter Lungenschädigung 30,31. Es wurde auch gezeigt, dass die CSSR-Spektroskopie empfindlich ist, um Oszillationen im DP-Signal zu erkennen, die dem pulsierenden Blutfluss während des Herzzyklus entsprechen32.
Obwohl erhebliche Fortschritte erzielt wurden, bleiben praktische Herausforderungen bei der Implementierung der CSSR-Spektroskopie in klinischen MRT-Systemen bestehen. Scanzeiten, die ein Atemanhalten in einer Einzeldosis von fast 10 s erfordern, können bei pädiatrischen Probanden33,34 oder Patienten mit schwerer Lungenerkrankung35,36 zu lang sein. Darüber hinaus ist das Verfahren anfällig für Messverzerrungen, wenn Erfassungsparameter wie die Reihenfolge der Sättigungsverzögerungszeiten oder die Wirksamkeit der Sättigung in der gelösten Phase nicht ordnungsgemäß optimiert sind21. Um diese Einschränkungen zu überwinden und die CSSR für die breitere Forschungsgemeinschaft zugänglicher zu machen, sind klare, schrittweise Protokolle sowohl für das konventionelle Atemanhalten als auch für die Erfassung der freien Atmung erforderlich, die sich derzeit in der Entwicklung befinden.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine detaillierte Methodik zur Durchführung einer optimierten CSSR-MR-Spektroskopie mit HXe-Gas vorzustellen. Das Protokoll umfasst die Polarisation und Abgabe des Xenon-Gases, die Kalibrierung von HF-Impulsen, die Auswahl der Sequenzparameter, die Vorbereitung der Probanden, die Datenerfassung und die wichtigsten Schritte der Datenanalyse. Beispiele für experimentelle Ergebnisse werden zur Verfügung gestellt. Es ist zu hoffen, dass dieser umfassende Leitfaden als Grundlage für CSSR-Implementierungen an verschiedenen Standorten dienen und dazu beitragen wird, das volle Potenzial dieser Technik zur Quantifizierung mikrostruktureller Veränderungen der Lunge bei einer Reihe von Lungenerkrankungen auszuschöpfen.

<table><tbody><tr><td>Bidirektionaler Pneumotach&nbsp;</td><td>B& B& B Medical AccutachTM</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Brustweste Coil</td><td>Klinische MR-Lösungen</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Gesichtsmaske</td> für Erwachsene <td>Hans Rudolph</td><td>7450</td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td>Release 2018a</td><td>Optimierungs-Toolbox erforderlich</td></tr><tr><td>Physiologisches Überwachungssystem&nbsp;</td><td>BIOPAC Systems Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tedlar Bag</td><td>Jensen Inert Products</td><td></td><td>250 mL und 500 mL; spezieller PVF-Beutel</td></tr><tr><td>Xenon Polarisator</td><td>Xemed LLC</td><td>X-Box E10&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Ganzkörper-MRT-Scanner</td><td>Siemens</td><td>1,5 T Avanto</td><td></td></tr></tbody></table>

quantitatives maß für die lungenstruktur und -funktion aus der hyperpolarisierten xenon-spektroskopie

Quantitative Measure of Lung Structure and Function Obtained from Hyperpolarized Xenon Spectroscopy

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.

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...

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.

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

Hyperpolarized Xenon-129 (HXe) magnetic resonance imaging (MRI) provides tools for obtaining 2- or 3-dimensional maps of lung ventilation patterns, gas ...

Unsere Forschung konzentriert sich auf den Einsatz von Hyperpolarisation in der 129 MRT-Technologie zur Beurteilung der Lungenfunktion und zur Untersuchung von Lungenerkrankungen. Das Hauptziel ist es, zu sehen, wie diese bildgebende Technik zu einer besseren Erkennung, einem besseren Verständnis und einer besseren Verfolgung verschiedener Lungenerkrankungen führen kann. Die meisten hyperpolarisierten Lungen-MRT-Aufnahmen werden während eines Atemanhaltens durchgeführt.Wir glauben, dass die Lungenfunktion, die unter einer solchen künstlichen Bedingung quantifiziert wird, den Gasaustausch während der regulären Atmung möglicherweise nicht vollständig widerspiegelt, und wir testen neue Messungen der freien Atmung, die kein Anhalten des Atems erfordern. Zu den aktuellen Herausforderungen gehört die Optimierung der CSSR-Erfassungstechnik im Hinblick auf Konsistenz und Genauigkeit angesichts physiologischer Variation und Patienten-Compliance. Schwerkranke oder pädiatrische Patienten haben Schwierigkeiten, lange Atempausen aufrechtzuerhalten.Die CSSR-Herztechnik scheint besonders empfindlich auf Veränderungen der Wandstärke des Alveolarseptums zu reagieren. Wie wir und andere auf dem Gebiet der gezeigten gezeigt haben, kann eine Verdickung der Alveolarwand auf das Vorhandensein eines interstitiellen Ödems, einer Entzündung oder einer Lungenfibrose hinweisen. Alle Metriken, die aus CSSR-Spektroskopie-Aufnahmen abgeleitet werden, basieren derzeit auf der zeitlichen Dynamik der Signalamplituden.In Zukunft hoffen wir jedoch, Änderungen der Peakform und der Mittenfrequenz in die Analyse einbeziehen zu können, um ein vollständigeres Bild der laufenden Gasaustauschprozesse zu erhalten.

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

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