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Artículo de método

Adquisición de imágenes de resonancia magnética hiperpolarizada de 129X de ventilación pulmonar

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DOI:

10.3791/65982

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21 de noviembre de 2023

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1Department of Biomedical Engineering, University of Virginia, 2Department of Radiology and Medical Imaging, University of Virginia, 3Department of Medicine, University of Virginia, 4Department of Physics, University of Virginia

En este artículo

Resumen

La resonancia magnética (RM) hiperpolarizada de 129X es un método para estudiar aspectos de la función pulmonar resueltos regionalmente. Este trabajo presenta un flujo de trabajo estandarizado de extremo a extremo para la resonancia magnética hiperpolarizada de 129Xe de ventilación pulmonar, con especial atención al diseño de la secuencia de pulsos, la preparación de la dosis de 129Xe, el flujo de trabajo de exploración y las mejores prácticas para el monitoreo de la seguridad de los sujetos.

Resumen

La resonancia magnética hiperpolarizada de 129Xe comprende una gama única de técnicas de imágenes pulmonares estructurales y funcionales. La estandarización de la técnica en todos los centros es cada vez más importante dada la reciente aprobación por parte de la FDA del 129Xe como agente de contraste para la RM y a medida que aumenta el interés en la RM con 129Xe entre las instituciones clínicas y de investigación. Los miembros del Consorcio de Ensayos Clínicos de Resonancia Magnética 129Xe (Xe MRI CTC) han acordado las mejores prácticas para cada uno de los aspectos clave del flujo de trabajo de la RM 129Xe, y estas recomendaciones se resumen en una publicación reciente. Este trabajo proporciona información práctica para desarrollar un flujo de trabajo de extremo a extremo para la recopilación de 129imágenes de RM Xe de ventilación pulmonar de acuerdo con las recomendaciones de CTC de RM Xe. Se discutirá y demostrará la preparación y administración de 129Xe para estudios de RM, con temas específicos que incluyen la elección de volúmenes de gas apropiados para estudios completos y para exploraciones de RM individuales, preparación y administración de dosis individuales de 129Xe y las mejores prácticas para monitorear la seguridad del sujeto y la tolerabilidad de 129Xe durante los estudios. También se cubrirán las consideraciones técnicas clave de la RM, incluidos los tipos de secuencia de pulsos y los parámetros optimizados, la calibración del ángulo de giro y la frecuencia central de 129Xe, y el análisis de imágenes de ventilación de RM de 129Xe.

Introducción

La resonancia magnética hiperpolarizada de 129Xe es una herramienta interesante para la caracterización y cuantificación no invasiva y resuelta espacialmente de aspectos específicos de la función pulmonar 1,2,3. Los enfoques de adquisición y reconstrucción similares a los utilizados en la RM anatómica de protones producen imágenes de 129Xe inhalados en los pulmones, lo que permite la visualización de las regiones pulmonares no ventiladas y la cuantificación de la distribución de la ventilación resuelta por la región 4,5,6,7,8 . Las técnicas más avanzadas de secuenciación y análisis de pulsos proporcionan más información complementaria, incluida la cuantificación de la eficacia del intercambio gaseoso entre los alvéolos y los capilares pulmonares mediante resonancia magnética espectroscópica 9,10,11,12,13 y la caracterización de la integridad de la microestructura alveolar mediante resonancia magnética ponderada por difusión 14,15,16.

Se ha demostrado que el 129Xe inhalado es seguro y tolerable en sujetos adultos y pediátricos, incluidos aquellos con enfermedad pulmonar17,18. Las mediciones de la función pulmonar derivadas de la RM con 129X han mostrado sensibilidad a las alteraciones estructurales y funcionales en muchos contextos de enfermedad pulmonar, incluida la enfermedad pulmonar obstructiva crónica 6,10,19, la fibrosis quística 20,21,22, la fibrosis pulmonar idiopática 23,24,25 y el asma 7,10,26. Dada la alta seguridad y tolerabilidad de la RM con 129Xe, la ausencia de radiación ionizante en la RM en comparación con otros enfoques de imagen comunes y la alta reproducibilidad de los resultados de la RM con 129Xe27,28, la RM con 129Xe es muy prometedora, en particular para la monitorización seriada precisa de las personas que reciben un curso temporal de tratamiento para la enfermedad pulmonar crónica.

La seguridad y la promesa clínica de la resonancia magnética con 129Xe han llevado a su aprobación por parte de la FDA en diciembre de 2022 para la obtención de imágenes de ventilación pulmonar en personas de 12 años o más29. Teniendo en cuenta esto, se prevé que el número de centros clínicos y de investigación capaces de realizar 129Xe MRI (actualmente ~20 en todo el mundo) aumentará significativamente en los próximos años. A medida que la RM 129Xe se extiende a nuevas instituciones, es importante que existan recursos metodológicos sólidos para permitir que los centros desarrollen rápidamente técnicas de RM 129Xe clínicamente relevantes, así como que realicen exploraciones y generen resultados que sean muy comparables con los de los centros existentes.

En este trabajo, describiremos las mejores prácticas actuales para la resonancia magnética hiperpolarizada humana de 129Xe de ventilación pulmonar, según lo acordado por las instituciones miembros del Consorcio de Ensayos Clínicos de 129Xe XI (XE RMI CTC) y resumido en un documento de posición reciente30. Los temas incluirán la preparación de secuencias de pulso personalizadas ideales para un flujo de trabajo completo de resonancia magnética de 129Xe, la preparación y administración de gas hiperpolarizado de 129Xe, un flujo de trabajo optimizado para sesiones de resonancia magnética de 129Xe humanas y las mejores prácticas para monitorear la seguridad y la comodidad de los sujetos durante las sesiones de resonancia magnética.

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Protocolo

Toda investigación que involucre sujetos humanos debe ser aprobada por una junta de revisión institucional (IRB, por sus siglas en inglés). La participación de la IRB no es necesaria para el uso clínico aprobado por la normativa de la RM con 129Xe. Antes de participar en un estudio de investigación, los posibles sujetos deben recibir un documento de consentimiento informado aprobado. La persona que obtiene el consentimiento debe explicar el contenido del documento, incluido el propósito, los procedimientos, los beneficios y los riesgos del estudio, debe responder a cualquier pregunta y debe obtener el consentimiento del sujeto para proceder con el estudio según lo documentado por la firma del sujeto en el documento de consentimiento informado. En el caso de sujetos pediátricos u otras circunstancias especiales, se deben seguir las prácticas aprobadas para obtener el consentimiento. El protocolo que se describe a continuación sigue las pautas del IRB de la Universidad de Virginia, y los sujetos de casos de ejemplo en este manuscrito han firmado los formularios de consentimiento aprobados por el IRB de la Universidad de Virginia (IRB 13647, 16215, 16885, 19569).

1. Preparación de hardware y secuencias de pulsos para la resonancia magnética de 129Xe

NOTA: Los pasos del protocolo del paso 1 deben realizarse antes de escanear cualquier sujeto humano. No es necesario repetirlos para cada tema.

  1. Verifique que el escáner de resonancia magnética sea capaz de funcionar con múltiples nucleares, incluido el 129Xe.
  2. Verifique que la bobina de radiofrecuencia (RF) 129Xe se pueda conectar al escáner de resonancia magnética, utilizando una caja de interfaz de bobina a escáner especialmente diseñada si es necesario.
  3. Verifique que el software adecuado (a menudo llamado archivo de bobina) para conectar la bobina de RF 129Xe con el escáner de resonancia magnética esté instalado si así lo requiere el fabricante del escáner.
  4. Prepare secuencias de pulsos para imágenes de 129X y 1H como se describe a continuación.
    1. Para la calibración de 129Xe, prepare una secuencia espectroscópica no localizada que comprenda una serie de desintegraciones de inducción libre (FID) utilizando los parámetros de secuencia de impulsos proporcionados en la Tabla 1.
      NOTA: Los FID adquiridos a ~218 ppm (frecuencia de fase disuelta) se utilizan principalmente para determinar los parámetros de la resonancia magnética de 129Xe en fase disuelta, que no se trata en el presente trabajo. Sin embargo, estos parámetros se dan para que se pueda desarrollar una única calibración estandarizada de 129Xe que sea suficiente para resonancias magnéticas de 129Xe de cualquier tipo. Además, tenga en cuenta que es posible que no se necesite un escaneo de calibración por separado para estudios que involucren solo imágenes de ventilación de 129X una vez que el sitio adquiera suficiente experiencia. La frecuencia de funcionamiento de 129Xe se puede estimar con precisión escalando la frecuencia de 1H determinada por el escáner en la relación de relaciones giromagnéticas de 129Xe a 1H, y la calibración del transmisor se puede estimar en función de la experiencia acumulada y el peso del sujeto.
    2. Para la resonancia magnética de ventilación de 129Xe, prepare una secuencia bidimensional (2D) de eco-gradiente estropeado de RF utilizando los parámetros de secuencia de pulsos proporcionados en la Tabla 2. Asegúrese de que 129Xe esté seleccionado como núcleo de destino.
    3. Para la RM anatómica convencional de 1H, prepare una secuencia de eco-espín rápido/turbo de disparo único o una secuencia de eco-gradiente estropeada por RF utilizando los parámetros proporcionados en la Tabla 2.
      NOTA: Para la ventilación de 129Xe y las secuencias anatómicas de 1H, el campo de visión y el número de cortes son específicos del sujeto. Elija estos parámetros al comienzo de la sesión de exploración de tal manera que garantice una cobertura total de los pulmones en las tres dimensiones.
      1. Habilite el sobremuestreo de fase para mitigar el posible solapamiento de los brazos en el campo de visión de imágenes.
      2. Las limitaciones del proveedor del escáner de resonancia magnética pueden impedir el funcionamiento de la secuencia turbo/espín-eco rápido de disparo único a la resolución gruesa en el plano sugerida (4 mm x 4 mm). Si este es el caso, utilice una resolución que sea un factor entero de la resolución deseada (por ejemplo, 2 mm x 2 mm).
        NOTA: El escaneo anatómico de 1H se puede adquirir alternativamente utilizando una secuencia de eco de gradiente 2D estropeada por RF. En este caso, utilice los mismos parámetros que los parámetros de exploración de ventilación indicados en la Tabla 2 , pero habilite el sobremuestreo de fase para evitar el solapamiento de los brazos en el campo de visión de la imagen.
  5. Verifique el funcionamiento de la bobina de RF y las secuencias de pulsos descritas anteriormente realizando escaneos de un maniquí31 de 129Xe polarizado térmicamente para escaneos de 129Xe y un maniquí de 1H para escaneos de 1H.

ParámetroCalibración
TR15 ms
TE0,45 ms (3 T), 0,8 ms (1,5 T)
Pulso de RFsinc con ventana
Duración de RF0,65-0,69 ms (3 T), 1,15-1,25 ms (1,5 T)
Ángulo de volteo20°
Frecuencia de RF218 ppm (fase disuelta), 0 ppm (fase gaseosa)
Tiempo de permanencia39 μs
Ancho de banda25,6 kHz
No. de muestras256 (sin incluir el sobremuestreo, si se utiliza)
Duración de la lectura10 ms
Número de FID1 ruido (sin RF), 499 a la frecuencia de fase disuelta, 20 a la frecuencia de fase gaseosa.
Deterioro del gradientemomento de al menos 15 mT/m-ms (cada eje, después de cada FID)
Duración~8 s

Tabla 1: Parámetros de secuencia de impulsos recomendados para la calibración de 129Xe. Se dan parámetros para una secuencia de pulsos de calibración espectroscópica no localizada de 129Xe.

ParámetroVentilaciónAnatómico
Tipo de secuenciaEco de gradiente estropeado por RFTurbo de un solo disparo/eco de giro rápido
TR<10 msInfinito
TE<5 ms<50 ms
Espaciado de ecoN/A3-5 ms
Ángulo de giro de excitación8-12°90°
Reenfocar el ángulo de giroN/A≥90° (máximo permitido dentro de los límites de SAR)
Grosor de la rebanada15 milímetros15 milímetros
Espacio de corteNingunoNinguno
Orientación de la divisiónCoronalCoronal
Orden de las rebanadasSecuencial (anterior a posterior)Secuencial (anterior a posterior)
Orden de codificación de faseSecuencial (de izquierda a derecha)Secuencial (de izquierda a derecha)
NEX1 (hasta 7/8 de Fourier parcial permitido)Medio Fourier
Eco asimétricoPermitidoN/A
Tamaño del vóxel4 x 4 x 15 mm34 x 4 x 15 mm3
Duración del muestreo por eco5-7 ms1-1,5 ms
Duración del escaneo8-12 s≤16 s

Tabla 2: Parámetros de secuencia de pulsos recomendados para la ventilación de 129Xe y las imágenes anatómicas de 1H. Se dan parámetros para una secuencia 2D de eco-gradiente rápido estropeado por RF para imágenes de ventilación de 129Xe (primera columna) y una secuencia 2D de turbo/eco-espín rápido de disparo único para imágenes anatómicas de 1H (segunda columna). Tenga en cuenta que el escaneo anatómico se puede adquirir alternativamente utilizando una secuencia de eco de gradiente 2D estropeada por RF. En este caso, utilice los mismos parámetros que los parámetros de exploración de ventilación indicados aquí, pero añada el sobremuestreo de fase según sea necesario para evitar el solapamiento de los brazos en el campo de visión de la imagen. Además, tenga en cuenta que el método particular para especificar el ancho de banda del receptor varía según el fabricante del escáner, pero que el valor correcto se puede calcular para cualquier fabricante de escáner a partir de la duración de muestreo dada por eco.

2. Selección y preparación de candidatos para la resonancia magnética de 129X

  1. Asegúrese de que no haya contraindicaciones para la RM en el sujeto potencial encuestándolo con un formulario de seguridad de RM. El Archivo Suplementario 1 muestra un formulario de ejemplo utilizado en la Universidad de Virginia.
  2. Asegúrese de que el posible sujeto no cumpla con ningún criterio de exclusión particular de los exámenes de resonancia magnética de 129Xe, que pueden incluir, entre otros: porcentaje de VEF1 pronosticado inferior al 25%, una afección respiratoria descompensada en las 6 semanas anteriores, circunferencia torácica mayor que la circunferencia interior de la bobina de RF de 129Xe y antecedentes de enfermedad cardíaca inestable.
    NOTA: Los criterios adicionales que no indican una exclusión inmediata, pero que justifican una cuidadosa consideración individual, incluyen: la necesidad de oxígeno suplementario significativo al inicio (es decir, más de 3 L/min por cánula nasal) y antecedentes de trastorno neurológico con anomalías iniciales.
  3. Si realiza una prueba de difusión pulmonar (DLCO) o una espirometría durante la visita de imagen, indique al sujeto que no ingiera bebidas carbonatadas el día de la visita del estudio. Si un sujeto usa medicamentos respiratorios prescritos, indíquele que retrase o se abstenga de tomarlos si así lo especifica el protocolo del estudio.

3. Preparación de dosis hiperpolarizadas de 129Xe

NOTA: Las instrucciones detalladas del polarizador 129Xe y de la estación de medición de polarización son patentadas y específicas de cada proveedor. Las instrucciones a continuación comprenden un resumen básico para el funcionamiento general del polarizador de bombeo óptico de intercambio de espín 129Xe.

  1. Decida el volumen de la dosis para el sujeto. Por lo general, se elige un volumen de dosis total de 1 L para todos los sujetos, y este volumen de dosis total se especifica en la etiqueta de la FDA para la RMN de 129Xe. Sin embargo, las recomendacionesactuales de la CTC de resonancia magnética Xe30 sugieren que el volumen total de la dosis (xenón más nitrógeno o helio) debe dirigirse a 1/5 de la capacidad vital forzada (CVF) del sujeto para garantizar una cantidad cómoda de gas para inhalar para cada sujeto y minimizar los efectos relacionados con la diferencia de volumen pulmonar entre los sujetos.
    1. Si sedispone de resultados recientes de espirometría para el sujeto, utilícelos para determinar 1/5 de la CVF. Si los resultados de la espirometría no están disponibles, estime la capacidad pulmonar total (TLC) del sujeto en función de la altura, el sexo y la raza, y estime la dosis total como 1/6 de TLC.
  2. Decide un volumen de gas xenón para polarizar.
    NOTA: Los volúmenes objetivo de xenón para cada bolsa de dosis se dan como volúmenes de dosis equivalentes (DE), que conceptualmente indican el volumen equivalente de gas 129Xe 100% enriquecido y polarizado al 100%. Conceptualmente, el volumen de DE es directamente proporcional a la relación señal-ruido (SNR) esperada de un escaneo de 129Xe, y el volumen de DE recomendado será mayor o menor para ciertos tipos de escaneo de 129Xe en función de la SNR requerida para ese tipo de escaneo.
    1. Calcule el volumen de DE para una dosis de xenón dada de la siguiente manera32:
      figure-protocol-1
      donde VXe es el volumen total de gas xenón (todos los isótopos, no solo 129Xe) en la dosis, f129Xe es el enriquecimiento isotópico de 129Xe y P129Xe es la polarización de 129Xe.
    2. Elija el total de volúmenes DE necesarios para el conjunto de 129escaneos Xe que se realizarán. Los volúmenes de DE recomendados para la calibración individual y las exploraciones de ventilación son de 75-150 ml.
      NOTA: Para las imágenes de ventilación, la SNR debe ser lo suficientemente alta como para distinguir de forma robusta entre vóxeles de imagen ventilados y no ventilados. Un volumen de DE de 50 ml se considera el mínimo absoluto para que las imágenes de ventilación30 logren una SNR esperada de al menos 20. Para las exploraciones de calibración, un volumen de DE tan bajo como 25 mL puede ser aceptable si solo se calibra la señal de fase gaseosa; Se deben utilizar al menos 75 ml si se calibran las señales de fase gaseosa y de fase disuelta.
  3. Utilice el volumen total de DE necesario, el enriquecimiento isotrópico conocido de 129Xe del gas xenón y la polarización estimada de 129Xe basada en ejecuciones de polarización anteriores para calcular el volumen total de gas xenón requerido para la polarización. A continuación se muestra un ejemplo de cálculo para una gammagrafía de ventilación (volumen DE = 75 ml), suponiendo un enriquecimiento isotópico de 129Xe del 85% y una polarización del 20%32:
    figure-protocol-2
    Realice este cálculo para cada dosis de xenón para determinar el volumen correcto de gas xenón polarizado que se debe dispensar en cada bolsa de dosis.
    1. Los sujetos con un IMC bajo (<21) tienen un mayor riesgo de efectos más profundos en el sistema nervioso central (SNC) después de la inhalación de 129X que otros sujetos. Consulte a un médico antes de obtener imágenes de sujetos con un IMC bajo y considere minimizar los volúmenes de dosis de 129Xe para evitar estos posibles problemas.
  4. Prepare el polarizador 129Xe de acuerdo con todas las instrucciones suministradas por el proveedor del polarizador.
    1. Los pasos pueden incluir los siguientes, según el proveedor del polarizador: asegúrese de que la fuente de alimentación de la bobina de Helmholtz esté encendida; evacuar el colector de salida para eliminar cualquier impureza; coloque el dewar de nitrógeno líquido alrededor / debajo del dedo frío; encienda los láseres y permita que se calienten; encienda el flujo de aire al horno, ajuste el horno a la temperatura adecuada con el controlador del horno y deje que el horno se caliente.
      PRECAUCIÓN: El nitrógeno líquido puede causar congelación grave si entra en contacto con la piel, los ojos o la ropa, y la luz láser de alta intensidad puede causar lesiones oculares si incide en el ojo sin protección. Tenga la precaución adecuada y use equipo de protección según sea necesario.
  5. Asegúrese de que la estación de medición de polarización 129Xe esté encendida y que el software esté listo para medir la polarización de la dosis.
  6. Comience la recolección de 129Xe hiperpolarizado realizando los siguientes pasos.
    1. Inicie el flujo de nitrógeno a la chaqueta fría para calentar los dedos.
    2. Inicie el flujo de la mezcla de xenón hacia el dedo frío. Consulte las curvas de rendimiento del polarizador en la documentación del polarizador para elegir el caudal óptimo.
    3. Agregue nitrógeno líquido al dewar que rodea el dedo frío.
    4. Registre la hora de inicio de la polarización en una hoja de datos para garantizar un volumen de polarización preciso.
    5. Una vez que haya comenzado la recolección, ajuste el flujo y los controladores del horno para mantener un caudal y una temperatura constantes, y agregue nitrógeno líquido según sea necesario para mantener el dewar lleno.
  7. Durante la acumulación de xenón, prepare las bolsas de dosis de Tedlar para la recolección de dosis purgando y evacuando repetidamente las bolsas al menos 3 veces usando el colector de salida del polarizador para minimizar las impurezas y / o los gases despolarizantes en las bolsas.
  8. Una vez transcurrido el tiempo adecuado para la recolección del volumen de 129Xe hiperpolarizado deseado, finalice la recolección de 129Xe hiperpolarizado como se indica en la documentación del polarizador.
  9. Descongele los 129Xe congelados que se han precipitado en el dedo frío, como se describe a continuación.
    1. Coloque una bolsa dosificadora de 129Xe en la salida de xenón en el colector de salida.
    2. Retire con cuidado el dewar de nitrógeno líquido y reemplácelo con un recipiente de descongelación que contenga agua a temperatura ambiente.
    3. Durante la descongelación, controle la presión continuamente, abriendo la válvula de flujo desde el dedo frío hasta la salida de xenón una vez que la presión alcance un valor umbral indicado en la documentación del polarizador y cerrando rápidamente la válvula a medida que cae la presión.
    4. Continúe dispensando gas xenón sublimado en la bolsa de dosificación de esta manera hasta que se alcance la cantidad deseada de xenón en la bolsa de dosis.
    5. Agregue el gas tampón (nitrógeno o helio) en este momento si no se agregó a la bolsa anteriormente.
    6. Una vez que se agreguen todos los gases de xenón y tampón deseados a la bolsa, cierre rápidamente la abrazadera de pellizco en el tubo de la bolsa, cierre la válvula de salida de xenón y separe la bolsa de dosis completa del polarizador.
    7. Mueva la bolsa inmediatamente hacia el campo magnético creado por el par de bobinas de Helmholtz de la estación de medición de polarización 129Xe.
      PRECAUCIÓN: La presión se acumulará rápidamente en el dedo frío a medida que el gas xenón se calienta y sublima, creando un riesgo potencial de explosión si se permite que la presión se acumule más allá de los límites seguros. Siga exactamente las instrucciones para este paso proporcionadas en la documentación del polarizador y use protección para los ojos mientras realiza este paso.
  10. Mida y registre la polarización en cada bolsa de dosis en la estación de medición de polarización 129Xe, de acuerdo con las instrucciones proporcionadas por el proveedor de la estación de medición de polarización.
  11. Una vez que se mide la polarización, mantenga las bolsas de dosis de 129Xe en el campo magnético creado por el par de bobinas de Helmholtz de la estación de medición de polarización hasta que esté listo para administrar una dosis al sujeto.

4. Preparación previa al escaneo y entrenamiento del sujeto

NOTA: Se recomienda que si el sujeto recibe un examen completo que incluye una prueba de caminata de seis minutos, la caminata no debe realizarse hasta después de que se complete la resonancia magnética de 129X para evitar fatigar al sujeto de una manera que podría afectar los resultados de la resonancia magnética de 129Xe. Esto es particularmente relevante para los pacientes con enfermedades cardiopulmonares.

  1. Confirmar que el sujeto ha llevado a cabo correctamente todas las instrucciones previas a la visita como se describe en el paso 2, y que no se han producido cambios en la salud que cumplan con los criterios de exclusión del estudio o constituyan una contraindicación de RM desde que el sujeto fue examinado.
  2. Realizar todas las pruebas físicas necesarias en el sujeto, incluido un electrocardiograma (ECG); una colección de signos vitales que incluyen la temperatura corporal, la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria, la saturación de oxígeno en sangre (SpO2) y la presión arterial; espirometría; y una prueba de DLCO.
  3. Monitoree estas pruebas para detectar cualquier posible signo de advertencia, incluida una SpO2 baja (<92%), presión arterial elevada o una desviación significativa de los resultados de la prueba con respecto a las líneas de base existentes para el sujeto.
    NOTA: Estas lecturas, en particular la SpO2 basal, se comprueban debido a la expectativa de que se produzca una leve desaturación transitoria de oxígeno durante la inhalación de 129Xe. En el caso de los sujetos conSpO2 basal <92% u otros signos de advertencia, consulte a un médico para confirmar la idoneidad del sujeto para la prueba de RM de 129Xe y si se debe utilizar O2 suplementario entre inhalaciones de 129Xe.
  4. Entrene al sujeto en el procedimiento correcto de inhalación de 129Xe, como se describe a continuación.
    1. Prepare una o más bolsas Tedlar que contengan aire para que el sujeto practique fuera del escáner. Utilice un volumen de aire que coincida con el volumen total de xenón y gas tampón que se inhalará de la bolsa durante el estudio real.
    2. Prepare pinzas nasales para que el sujeto las use durante la exploración en apnea. Coloque las pinzas nasales en la nariz del sujeto antes de que comience la respiración (tanto para la práctica como para el escaneo real).
    3. Entrene al sujeto usando una bolsa llena de aire para cada intento, siguiendo las instrucciones a continuación. El sujeto debe comenzar a inhalar la bolsa a partir de un volumen objetivo de capacidad residual funcional. Durante el procedimiento a continuación, controle el pecho del sujeto para confirmar que está ejecutando las instrucciones dadas.
      1. Tenga la bolsa lista, pero no se la administre al sujeto todavía. Pídale al sujeto que: Inhale regularmente. Exhala. Respira regularmente. Exhala.
      2. Coloque el tubo conectado a la bolsa de Tedlar en la boca del sujeto. Sostenga la bolsa donde el sujeto pueda inhalar y abra la válvula. Pídale al sujeto que: Inhale. Aspirar. Aspirar.
      3. Una vez que el sujeto haya inhalado todo el contenido de la bolsa, pídale al sujeto que: Aguante la respiración. Indique inmediatamente al operador del escáner que: ¡Adelante!
        NOTA: Al escanear el sujeto, el operador del escáner debe iniciar el escaneo al escuchar Go! Esta instrucción no está destinada al sujeto (es decir, debe permanecer quieto y continuar conteniendo la respiración como se le indica inmediatamente de antemano), pero alerta al sujeto de que el escaneo es inminente.
      4. Espere a que finalice el escaneo, o cuando practique, a que cuente entre 10 y 15 s, que es la cantidad aproximada de tiempo requerida para que transcurra un escaneo típico de 129Xe.
      5. Pídale al sujeto que: Respire. El sujeto exhala en este punto. Entrene al sujeto para que inhale y exhale profundamente varias veces en este punto para facilitar una eliminación más rápida de 129Xe de los pulmones y un retorno más rápido a los niveles normales de saturación de oxígeno.
      6. Verifique que el sujeto sea capaz de llevar a cabo estas instrucciones de manera confiable. Considere la posibilidad de excluir a los sujetos que no puedan inhalar todo el volumen de gas, que no puedan mantener la apnea o que tosan persistentemente durante los intentos de apnea durante la prueba.
        NOTA: El resultado de esta prueba es fundamental para determinar la calidad probable de las imágenes. Esta comprobación del cumplimiento fiable de los sujetos es especialmente importante en el contexto de las imágenes pediátricas y de las imágenes de enfermedades pulmonares graves, ya que los sujetos de una o ambas categorías tienen más probabilidades de tener dificultades para completar de forma fiable la apnea requerida.

5. Preparación de la sala del escáner de resonancia magnética y posicionamiento del sujeto en la mesa del paciente del escáner

  1. Asegúrese de que cualquier persona que ingrese o se espere que ingrese a la sala del escáner de resonancia magnética (sujeto y personal) se quite todos los objetos metálicos y/o electrónicos de sus bolsillos y de la persona antes de ingresar a la sala del escáner.
  2. Prepare la bobina del chaleco 129Xe conectándola al escáner y colocándola en la mesa del paciente del escáner de resonancia magnética.
  3. Indíquele al sujeto que se acueste en la mesa del paciente en una posición supina con los pies por delante (o en decúbito supino con la cabeza por delante, si es más adecuado para la disposición de la sala del escáner). Coloque almohadas debajo de la cabeza, las rodillas, etc. del sujeto, en consulta con el sujeto para asegurarse de que el sujeto pueda permanecer quieto cómodamente durante todo el examen.
  4. Asegure la bobina del chaleco 129Xe alrededor del pecho del sujeto. Apunte a que la línea media de la bobina en la dirección cabeza-pie quede lo más cerca posible de la línea media esperada de los pulmones del sujeto a un nivel de inflado pulmonar cómodo para evitar reducciones de señal en la periferia de los pulmones.
    NOTA: Es un error común colocar la bobina demasiado lejos en la dirección de los pies del sujeto. Colocar la bobina como se indicó anteriormente puede colocar la bobina más hacia la cabeza del sujeto de lo que ingenuamente podría esperarse. Además, es posible que los brazos del sujeto deban colocarse por encima de la cabeza y fuera de la bobina si el diámetro del pecho del sujeto lo requiere. El diámetro específico del tórax por encima del cual se requiere este posicionamiento variará según el hardware específico del escáner y la bobina. Para sujetos más pequeños, los brazos se pueden colocar por encima de la cabeza y fuera de la bobina o a los lados y dentro de la bobina.
  5. Coloque un oxímetro de pulso apto para resonancia magnética junto a la mesa del paciente en la sala de escáneres de resonancia magnética y conecte la sonda del oxímetro de pulso al sujeto. Verifique que el oxímetro de pulso esté leyendo correctamente.
  6. Coloque una cánula nasal en la nariz del sujeto (o, en el caso de un sujeto sano, tenga una en la sala del escáner) y conéctela a una fuente de oxígeno que se utilizará si laSpO2 del sujeto cae más del 10% durante más de 2 minutos después de la inhalación de la dosis. Coloque el tanque de oxígeno y el regulador de manera segura para RM según la política de seguridad local dentro de una distancia alcanzable.
  7. Haga avanzar la mesa del paciente hacia el escáner de resonancia magnética, alineando la línea media de la bobina/pulmones del sujeto con el isocentro del escáner.

6. Procedimiento de escaneo

  1. En la interfaz de usuario del escáner de resonancia magnética, introduzca los datos del sujeto y abra el protocolo de resonancia magnética 129Xe preparado previamente (como se describe en el paso 1).
  2. Asegúrese de que se hayan preparado dosis de 129Xe como se describe en el paso 3 y de que las bolsas de dosis de 129Xe estén en el campo magnético generado por el par de bobinas de Helmholtz de la estación de medición de polarización (o en un dispositivo equivalente) para minimizar la tasa de despolarización de 129Xe.
  3. Realice un análisis del localizador de 1H utilizando un protocolo estándar proporcionado por el proveedor (por ejemplo, un localizador de tres planos) como se describe a continuación.
    1. Indíquele al sujeto que respire de forma cómoda y natural y que contenga la respiración. Mientras el sujeto contiene la respiración, ejecute el escaneo del localizador.
    2. Vea los resultados de la exploración del localizador en la interfaz del escáner de resonancia magnética. Si las imágenes muestran artefactos (por ejemplo, si no se ha quitado la ropa que contiene metal), resuelva cualquier problema y repita el localizador. Si el campo de visión del localizador está mal centrado en el sujeto, cambie la posición del sujeto y repita. Una vez que se hayan obtenido imágenes de localizador aceptables, continúe con el siguiente paso.
  4. Realice los ajustes iniciales previos al escaneo para 129escaneos Xe como se describe a continuación.
    1. Establezca la frecuencia central inicial de 129Xe dividiendo la frecuencia central de 1H del localizador por 3,61529 (la relación aproximada de las respectivas relaciones giromagnéticas de 1H y 129Xe).
    2. Establezca la configuración inicial del transmisor 129Xe en función de los resultados de calibración de sujetos anteriores con habitus corporal similar, la escala basada en el voltaje de referencia de 1H o el peso medido del sujeto. Los detalles de la configuración del transmisor 129Xe son específicos para los fabricantes del escáner y de la bobina 129Xe.
    3. Utilice la configuración de corrección de compatibilidad predeterminada del escáner para todas las adquisiciones de 129Xe.
  5. Después de realizar los ajustes previos al escaneo descritos anteriormente, adquiera el escaneo de calibración 129Xe para encontrar la frecuencia central del 129Xe y la configuración del transmisor como se describe a continuación.
    1. Cargue la secuencia de calibración 129Xe del protocolo preparado. Asegúrese de que todos los parámetros de la secuencia de pulsos sean los deseados y establezca la configuración de ejecución del escaneo de modo que el escaneo se pueda ejecutar con un solo clic.
    2. Lleve la bolsa de dosis de 129Xe destinada al escaneo de calibración de 129Xe desde la estación de medición de polarización a la sala del escáner. Sostenga o coloque la bolsa de dosis lista cerca del sujeto; Evite las regiones cercanas a la abertura del orificio donde la intensidad del campo magnético cambia rápidamente.
    3. Ayude al sujeto a inhalar la dosis de 129Xe de la bolsa, siguiendo el procedimiento de inhalación entrenado descrito en el paso 4.
    4. Ejecute el escaneo inmediatamente después de escuchar Go! señalada por la persona que asiste al sujeto.
    5. Supervise al sujeto mientras se realiza el escaneo. Si el sujeto exhala, tose, se mueve, etc., repita visiblemente la exploración si es posible.
    6. Tan pronto como termine el escaneo, indíquele al sujeto que exhale y respire libremente.
    7. Después de la exploración, controle la frecuencia cardíaca y la SpO2 del sujeto con el oxímetro de pulso y controle los efectos transitorios del sistema nervioso central (como mareos, aturdimiento, euforia y parestesia) a través de la comunicación verbal con el sujeto.
      NOTA: Casi todos los sujetos experimentarán efectos muy leves en el SNC que no requieren intervención, con la excepción de los sujetos con bajo contenido de grasa corporal, como se menciona en el paso 3.2.
    8. Espere a que se disipen las desviaciones de la línea de base antes de administrar otra dosis de 129Xe. Si no se producen desviaciones significativas con respecto al valor basal, espere al menos 2 minutos antes de administrar otra dosis de 129Xe.
      NOTA: Un curso de tiempo típico de la desaturación y recuperación de oxígeno es el siguiente: la desaturación comienza de 10 a 20 latidos cardíacos después de completar la inhalación de 129Xe, el nadir ocurre de 20 a 30 latidos cardíacos después de completar la inhalación y la recuperación ocurre dentro de los 45 a 50 latidos cardíacos después de completar la inhalación. La mayor parte de la desaturación se resuelve dentro de los 30 s posteriores a la inhalación de 129Xe y, por lo general, se espera que se resuelva por completo en 2 minutos. Consulte a un médico si la desaturación persistente (superior al 10% del valor basal del sujeto) continúa más allá de los 2 minutos, ya que puede ser aconsejable evitar administrar dosis adicionales de 129Xe y/o finalizar el estudio.
  6. Realice el análisis de calibración de 129Xe como se describe a continuación (por ejemplo, utilizando una herramienta de análisis independiente).
    1. Determine la frecuencia central de 129Xe utilizando el espectro de los primeros FID en fase gaseosa.
    2. Determine el ajuste del transmisor 129Xe como se describe a continuación.
      1. Ajuste las intensidades máximas de los 20 FID en fase gaseosa a la siguiente función30 y resuelva el ángulo de giro, α:
        figure-protocol-3
        donde Si es la magnitud de la intensidad de la señal resultante de la i-ésima excitación, S0 es la magnitud de la intensidad de la señal desde la primera excitación y C es un parámetro de desplazamiento de ruido.
      2. Una vez obtenida α , escale la configuración inicial del transmisor 129Xe para escaneos posteriores en 20°/α, suponiendo que se utilizó 20° como ángulo de giro de calibración previsto como se recomienda en la Tabla 1.
  7. Una vez que se hayan realizado los ajustes finales previos a la exploración de 129Xe y el sujeto esté listo para la siguiente dosis de 129Xe, realice la exploración de ventilación de 129Xe como se describe a continuación.
    1. Cargue la secuencia de ventilación 129Xe del protocolo preparado. Asegúrese de que todos los parámetros de la secuencia de pulsos sean los deseados y establezca la configuración de ejecución del escaneo de modo que el escaneo comience inmediatamente después de un solo clic.
    2. Seleccione el tamaño del campo de visión y la ubicación central en función de los resultados del localizador. Apunte a que el centro del campo de visión coincida con el centro de los pulmones en las tres dimensiones y que el campo de visión sea lo suficientemente grande como para contener cómodamente toda la cavidad torácica, incluida la totalidad de ambos pulmones.
    3. Lleve la bolsa de dosis de 129Xe destinada al escaneo de ventilación de 129Xe desde la estación de medición de polarización a la sala del escáner. Sostenga o coloque la bolsa de dosis lista cerca del sujeto; Evite las regiones cercanas a la abertura del orificio donde la intensidad del campo magnético cambia rápidamente.
    4. Ayude al sujeto a inhalar la dosis de 129Xe de la bolsa, siguiendo el procedimiento de inhalación entrenado descrito en el paso 4.
    5. Ejecute el escaneo inmediatamente después de escuchar Go! señalada por la persona que asiste al sujeto.
    6. Supervise al sujeto mientras se realiza el escaneo. Si el sujeto exhala, tose, se mueve, etc., repita visiblemente la exploración si es posible.
    7. Tan pronto como termine el escaneo, indíquele al sujeto que exhale y respire libremente.
    8. Después de la exploración, controle la frecuencia cardíaca y la SpO2 del sujeto con el oxímetro de pulso y controle los efectos transitorios del sistema nervioso central (como mareos, aturdimiento, euforia y parestesia) a través de la comunicación verbal con el sujeto.
    9. Espere a que se disipen las desviaciones de la línea de base antes de administrar otra dosis de 129Xe. Si no se producen desviaciones significativas con respecto al valor basal, espere al menos 2 minutos antes de administrar otra dosis de 129Xe.
  8. Realice una exploración anatómica de 1H como se describe a continuación.
    1. Cargue la secuencia anatómica de 1H del protocolo preparado. Asegúrese de que todos los parámetros de la secuencia de pulsos sean los deseados y establezca la configuración de ejecución del escaneo de modo que el escaneo se pueda ejecutar con un solo clic.
    2. Lleve la bolsa de dosis llena de aire y ajustada al volumen de la bolsa de dosis utilizada para el escaneo de ventilación 129Xe a la sala del escáner.
    3. Ayude al sujeto a inhalar la dosis de aire de la bolsa, siguiendo el procedimiento de inhalación entrenado descrito en el paso 4.
    4. Ejecute el escaneo inmediatamente después de escuchar Go! señalada por la persona que asiste al sujeto.
    5. Supervise al sujeto mientras se realiza el escaneo. Si el sujeto exhala, tose, se mueve, etc., repita visiblemente la exploración si es posible.
    6. Tan pronto como termine el escaneo, indíquele al sujeto que exhale y respire libremente.

7. Procedimientos posteriores a la exploración

  1. Tome medidas de los signos vitales del sujeto de la misma manera que antes del procedimiento de escaneo. Si los signos vitales se vuelven anormales, indíquele al sujeto que espere de 30 a 60 minutos y/o hasta que los signos vitales vuelvan a estar cerca de la línea de base antes de partir.

8. Análisis de los datos de ventilación de 129Xe MRI

NOTA: Las imágenes anatómicas de ventilación 129Xe y 1H adquiridas deben reconstruirse automáticamente en la computadora del escáner de resonancia magnética utilizando la canalización de reconstrucción de imágenes predeterminada del proveedor.

  1. Exporte escaneos de ventilación de 129X y escaneosanatómicos de 1 H como archivos de imagen DICOM utilizando el nivel mínimo de interpolación permitido (idealmente ninguno).
  2. Calcule el porcentaje de defectos de ventilación (VDP) con un software de programación o análisis de imágenes utilizando la siguiente ecuación8:
    figure-protocol-4
    1. Determine el volumen ventilado segmentando 129exploraciones de ventilación Xe, ya sea manualmente o utilizando uno de los varios enfoques automatizados existentes33.
      NOTA: Un método simple para la segmentación binarizada de imágenes 129Xe utiliza un umbral definido de la siguiente manera8:
      figure-protocol-5
      donde "Señal media" es la media de la intensidad de la señal de 129Xe dentro de una región de interés definida por el usuario de señal fuerte de 129Xe dentro de los pulmones, y "SD(Ruido)" es la desviación estándar de la intensidad de la señal de 129Xe dentro de una región cerca del borde del campo de visión situada lejos de los pulmones o de la tráquea.
    2. Determinar el volumen pulmonar total mediante la segmentación de exploracionesanatómicas de 1 H, ya sea manualmente o utilizando los enfoques automatizados existentes34.
    3. Una vez realizadas estas segmentaciones, calcule los volúmenes correspondientes como el número de vóxeles segmentados multiplicado por el volumen de vóxeles de la imagen (teniendo en cuenta cualquier interpolación realizada al convertir las imágenes a archivos DICOM).

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Resultados

La Figura 1 muestra imágenes representativas de ventilación y localizador de tres planos de un individuo sano. En las imágenes de ventilación se puede observar una señal alta de 129Xe en todos los pulmones, y no se evidencia ningún deterioro de la ventilación en este individuo.

Las figuras 2, 3 y 4 muestran imágenes anatómicas y de ventilación representativas de in...

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Discusión

Los enfoques de ventilación y resonancia magnética anatómica descritos anteriormente están diseñados para maximizar la calidad de la imagen y la SNR, al tiempo que mantienen la simplicidad de implementación: estos protocolos de secuencia se pueden adaptar en general a partir de secuencias de pulsos de productos del proveedor, siempre que se habilite la operación multinuclear y las imágenes se reconstruyan automáticamente en la computadora del escáner. Una desventaja de los enfoques 2D descritos aquí es el uso de pulsos d...

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Divulgaciones

Los autores J.F.M., J.P.M. y Y.M.S. participan en ensayos clínicos respaldados por Polarean, Inc. Los autores J.F.M. y Y.M.S. brindan servicios de consultoría a Polarean, Inc. (menos de $5000). El autor J.P.M. recibe apoyo de investigación de Polarean, Inc.

Agradecimientos

Este trabajo fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud (números de subvención R01-CA172595-01, R01-HL132177, R01-HL167202, S10-OD018079 y UL1-TR003015) y por Siemens Medical Solutions.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Escáner de resonancia magnética humana de 1,5 T o 3 TSiemensMAGNETOM Symphony (1,5 T) o Vida (3T); los modelos más antiguos están bien, siempre y cuando se pueda instalar la opción multinuclear; los escáneres también están disponibles en GE y Philips
Hiperpolarizador 129XePolarean9820
129Xe Fantoma
magnética 129Xe Bobina de chaleco de resonanciaresonanciamagnética También disponible en otros proveedores
Estación de medición de polarización 129XePolarean2881
1H Fantoma
Archivo de bobina para bobinaTambién disponible de otros proveedores para sus respectivas bobinas
Máquina
Gas
de helio Caja de interfaz de la bobina al escánerPuede estar integrado en la bobina, pero debe incluirse por separado si no
Nitrógeno
Oxímetro de pulso seguro para resonancia magnéticaPhilipsExpression MR200
Máquina
gas
Software de programación/análisis de imágenesMATLABR2023aOtras opciones disponible
Software de diseño de secuencia de pulsosPaquete de software IDEA de Siemens; también disponible en GE y Philips para sus respectivos escáneres Opción de
Gas xenón (129Xe enriquecido isotópicamente)
de resonancia magnética clínica Soluciones clínicas de de resonancia magnética de chaleco de resonancia magnética 129Xe de ECGtampónlíquidoPFT de tampón de nitrógeno escáner multinuclear Paquete integrado de hardware/software Siemens Scanner; también disponible en GE y Philips para sus respectivos escáneres Bolsas de muestreo de gas Tedlar (500, 750, 1000, 1250, 1500 mL)

Referencias

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