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Artículo de método

Medida cuantitativa de la estructura y función pulmonar obtenida de la espectroscopia de xenón hiperpolarizado

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DOI:

10.3791/66038

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10 de noviembre de 2023

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1Department of Radiology, University of Pennsylvania

En este artículo

Resumen

El manuscrito presenta un protocolo detallado para el uso de la recuperación de saturación por desplazamiento químico (CSSR) de Xenon-129 hiperpolarizado para rastrear el intercambio de gases pulmonares, evaluar el grosor aparente de la pared septal alveolar y medir la relación superficie-volumen. El método tiene el potencial de diagnosticar y controlar las enfermedades pulmonares.

Resumen

Las imágenes de resonancia magnética (RM) hiperpolarizadas de Xenon-129 (HXe) proporcionan herramientas para obtener mapas bidimensionales o tridimensionales de los patrones de ventilación pulmonar, la difusión de gases, la absorción de xenón por el parénquima pulmonar y otras métricas de la función pulmonar. Sin embargo, al cambiar el espacio por la resolución temporal, también permite el rastreo del intercambio pulmonar de gases xenón en una escala de tiempo de ms. Este artículo describe una de estas técnicas, la espectroscopia de resonancia magnética con recuperación de saturación por desplazamiento químico (CSSR). Ilustra cómo se puede utilizar para evaluar el volumen sanguíneo capilar, el grosor de la pared septal y la relación superficie-volumen en los alvéolos. El ángulo de inversión de los pulsos de radiofrecuencia (RF) aplicados se calibró cuidadosamente. Se emplearon protocolos de apnea de dosis única y de respiración libre multidosis para administrar el gas al sujeto. Una vez que el gas xenón inhalado alcanzó los alvéolos, se aplicó una serie de pulsos de RF de 90° para garantizar la máxima saturación de la magnetización de xenón acumulada en el parénquima pulmonar. Después de un tiempo de retardo variable, se adquirieron espectros para cuantificar el recrecimiento de la señal de xenón debido al intercambio gaseoso entre el volumen de gas alveolar y los compartimentos tisulares del pulmón. Estos espectros se analizaron ajustando funciones complejas pseudo-Voigt a los tres picos dominantes. Finalmente, las amplitudes de pico dependientes del tiempo de retardo se ajustaron a un modelo analítico unidimensional de intercambio de gases para extraer parámetros fisiológicos.

Introducción

La resonancia magnética (RMN) hiperpolarizada de xenón-129 (HXe)1 es una técnica que ofrece información única sobre la estructura pulmonar, la función y los procesos de intercambio de gases. Al amplificar drásticamente la magnetización del gas xenón a través del bombeo óptico de intercambio de espín, la resonancia magnética HXe logra una mejora de un orden de magnitud en la relación señal-ruido en comparación con la resonancia magnética de xenónpolarizada térmicamente 2,3,4,5,6. Esta hiperpolarización permite la visualización directa y la cuantificación de la absorción de gas xenón en el tejido pulmonar y la sangre, que de otro modo sería indetectable con la resonancia magnética convencional con polarización térmica7.

La espectroscopia de resonancia magnética de recuperación de saturación por desplazamiento químico (CSSR) 8,9,10,11,12,13 ha demostrado ser una de las técnicas de resonancia magnética HXe más valiosas. La CSSR consiste en saturar selectivamente la magnetización del xenón disuelto en el tejido pulmonar y la sangre mediante pulsos de radiofrecuencia (RF) de frecuencia específica. La recuperación posterior de la señal de fase disuelta (DP) a medida que se intercambia con el gas xenón hiperpolarizado fresco en los espacios aéreos en una escala de tiempo de ms ofrece información funcional importante sobre el parénquima pulmonar.

Desde su desarrollo a principios de la década de 2000, las técnicas detrás de la espectroscopia CSSR se han ido perfeccionando progresivamente 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Además, los avances en el modelado de las curvas de absorción de xenón han permitido la extracción de parámetros fisiológicos específicos, como el grosor de la pared alveolar y los tiempos de tránsito pulmonar 10,24,25,26. Los estudios han demostrado la sensibilidad de la CSSR a los cambios sutiles en la microestructura pulmonar y la eficiencia del intercambio gaseoso en forma de anomalías pulmonares encontradas en fumadores clínicamente sanos27, así como en una variedad de enfermedades pulmonares, incluida la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC)18,27,28, la fibrosis29 y la lesión pulmonar inducida por radiación30,31. También se ha demostrado que la espectroscopia CSSR es sensible para detectar oscilaciones en la señal DP correspondientes al flujo sanguíneo pulsátil durante el ciclo cardíaco32.

Si bien se han logrado avances significativos, aún persisten desafíos prácticos en la implementación de la espectroscopia CSSR en sistemas de resonancia magnética clínica. Los tiempos de exploración que requieren apnea de dosis única cercanos a 10 s pueden ser demasiado largos para sujetos pediátricos33,34 o pacientes con enfermedad pulmonar grave35,36. Además, la técnica es susceptible a sesgos de medición si los parámetros de adquisición, como el orden de los tiempos de retardo de saturación o la eficacia de la saturación en fase disuelta, no se optimizan adecuadamente21. Para abordar estas limitaciones y hacer que la CSSR sea más accesible para la comunidad investigadora en general, se necesitan protocolos claros y paso a paso para las adquisiciones convencionales de retención de la respiración y de respiración libre, actualmente en desarrollo.

El objetivo de este trabajo es presentar una metodología detallada para realizar espectroscopía de RM CSSR optimizada utilizando gas HXe. El protocolo cubrirá la polarización y el suministro del gas xenón, la calibración de pulsos de RF, la selección de parámetros de secuencia, la preparación del sujeto, la adquisición de datos y los pasos clave en el análisis de datos. Se proporcionarán ejemplos de resultados experimentales. Se espera que esta guía completa sirva como base para las implementaciones de CSSR en todos los sitios y ayude a aprovechar todo el potencial de esta técnica para cuantificar los cambios microestructurales pulmonares en una variedad de enfermedades pulmonares.

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Protocolo

NOTA: Si bien la técnica de espectroscopía de resonancia magnética hiperpolarizada Xenon-129 CSSR descrita aquí se usa comúnmente para imágenes animales y humanas, el protocolo a continuación se refiere solo a estudios en humanos. Todos los protocolos de imagen se adhirieron a las limitaciones de la tasa de absorción específica (SAR) de la FDA (4 W/kg) y fueron aprobados por la Junta de Revisión Institucional de la Universidad de Pensilvania. Se obtuvo el consentimiento informado de cada sujeto.

1. Diseño de secuencia de pulsos

  1. Decida si realizar una medición de la respiración en apnea o de la respiración libre.
    NOTA: Las adquisiciones de apnea son técnicamente más sencillas porque sólo requieren la inhalación de una sola dosis (500 - 1000 mL) de gas HXe seguida de una apnea de 10 s durante la cual se recogen los datos de la resonancia magnética. Sin embargo, los sujetos que no cooperan (por ejemplo, niños pequeños) o los pacientes con enfermedad pulmonar grave pueden ser incapaces de contener la respiración durante tanto tiempo, por lo que puede ser aconsejable una adquisición de respiración libre que implique la inhalación de múltiples dosis pequeñas (~50 mL) en el transcurso de unos minutos.
  2. Para un estudio de espectroscopía de resonancia magnética CSSR de retención de la respiración, utilice tiempos de retardo variables para obtener la máxima flexibilidad y ángulos de giro de alta excitación de hasta 90° para obtener la máxima relación señal-ruido (Figura 1A).
    1. Para saturar la magnetización DP en un escáner de resonancia magnética de 1,5 T, aplique 5 pulsos rectangulares de radiofrecuencia (RF) de 90° con frecuencia central, duración de 198 ppm, 2,5 ms y 218 ppm, 2,5 ms para 2 pulsos y frecuencia central, duración de 208 ppm, 2,0 ms para los 3 pulsos restantes. Si el amplificador de potencia de RF lo permite, acorte la duración de los pulsos de RF para mediciones a intensidades de campo más altas.
    2. Separe todos los pulsos de RF mediante alerones de gradiente de 1 ms, alternados a lo largo de los ejes x, y y z: tiempo de rampa de 200 μs, tiempo de meseta de 600 μs, 20 mT/m.
    3. Después del pulso de saturación final, espere un tiempo de retardo τi, donde i se refiere a la i-ésima medición en la retención de la respiración. Utilice los siguientes tiempos de retardo en el orden prescrito: 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, 50, 5, 5, 6, 8, 50, 12,5, 20, 40, 70, 50, 90, 110, 140, 180, 50, 225, 300, 400 ms.
    4. Aplique un pulso de excitación de RF gaussiano de 1,2 ms centrado a 208 ppm. Ajuste el ángulo de volteo a 90°. Si el amplificador de RF no lo permite, utilice el ángulo de giro máximo que permita el amplificador. Escale la longitud de los pulsos de excitación de RF inversamente proporcional a la intensidad del campo para mediciones en escáneres de campo alto.
    5. Muestree el decaimiento de inducción libre durante 30,72 ms (1024 puntos de muestreo). Mientras que la fase gaseosa T2* a 1,5 T es del orden de 15 ms, reduzca significativamente la duración del muestreo a intensidades de campo más altas sin necesidad de una apodización de señal adicional antes del procesamiento.
    6. Aplique un spoiler de gradiente de 5 ms a lo largo del eje x: tiempo de rampa de 200 μs, tiempo de meseta de 4,6 ms, 20 mT/m.
    7. Repita los pasos 1.2.1 - 1.2.6 40x con un τi diferente durante la misma retención de la respiración como se describe en el paso 1.2.3.
    8. Para un estudio de espectroscopía de RM CSSR de respiración libre, realice la siguiente medición de forma continua durante aproximadamente 3 minutos (Figura 1B), aunque la adquisición puede finalizarse antes si se agota el volumen de gas HXe asignado.
    9. Repita los pasos 1.2.1 y 1.2.2. Repita el paso 1.2.4 con un ángulo de giro de 7°. Muestree el decaimiento de inducción libre durante 10,24 ms (512 puntos de muestreo).
    10. Aplique un spoiler de gradiente de 1 ms a lo largo del eje x: 200 ms de tiempo de rampa, 600 ms de tiempo de meseta, 20 mT/m. Repita los pasos 1.2.3 - 1.2.5 40x con un tiempo de repetición de 12,6 ms.
    11. Repita los pasos 1.2.1 a 1.2.6 hasta el final del estudio.

2. Preparación para el examen del paciente

  1. Antes de cada estudio, asegúrese de preparar una mascarilla limpia y de conectarla al dispositivo de sincronización del suministro de gas mediante un tubo delgado y flexible.
  2. Para estudios de respiración libre, conecte un neumotacómetro bidireccional para mediciones de flujo.
  3. Realice una prueba de rutina con una jeringa de vidrio para imitar la respiración con el fin de verificar la inyección de gas adecuada. El dispositivo de suministro de gas debe detectar el comienzo de la inhalación a partir de las mediciones de flujo del neumotacómetro, lo que permite la inyección de gas en la mascarilla.
  4. Configure el sistema de monitorización fisiológica opcional que registra las curvas de respiración (flujo y volúmenes) y el análisis de gases en tiempo real (O2 y CO2) durante la obtención de imágenes.
  5. Conecte y pruebe los auriculares de la sala de resonancia magnética con la señal de audio que guía al sujeto mediante una grabación de audio de inhalación y exhalación. Ajuste la velocidad de reproducción de la pista de audio en función de la frecuencia respiratoria normal de cada sujeto.
  6. Prepare la cama del escáner con un reposacabezas limpio, una almohada de apoyo para las piernas y una manta.
  7. Coloque la bobina del chaleco pectoral Xenon-129 desabrochada sobre la mesa del escáner de resonancia magnética. Inserte el enchufe del conector de la bobina y asegúrese de que el escáner de resonancia magnética reconozca la bobina.

3. Preparación y seguimiento de la asignatura

  1. Cuando el sujeto llegue al centro de diagnóstico por imágenes, obtenga el consentimiento informado por escrito utilizando un formulario de consentimiento aprobado por el IRB. Una vez obtenido el consentimiento, se examina al sujeto mediante un cuestionario de seguridad por resonancia magnética y un detector de metales.
  2. Pídale al sujeto que se quite cualquier metal o joya de su persona y que se ponga una bata de paciente.
  3. Entrene al sujeto para que se adhiera al protocolo de respiración seleccionado (apnea o respiración libre).
  4. Para un estudio de respiración libre, introduzca al sujeto la grabación de voz de inhalación-exhalación que se reproducirá durante la toma de imágenes, y con la que debe sincronizar su respiración.
  5. Lleve al sujeto a la sala de resonancia magnética y colóquelo en la cama del escáner: acostado encima de la bobina abierta del chaleco de xenón.
  6. Una vez que el sujeto esté colocado, abrocha las correas de Velcro de modo que la bobina del chaleco esté cerrada pero no constriña el pecho del sujeto.
  7. Para un estudio respiratorio libre, coloque una mascarilla facial con un neumotache sobre la cara del paciente y apriete las correas de modo que la mascarilla se ajuste cómodamente sobre la nariz y la boca sin estar demasiado apretada. Después de la colocación, quítese la mascarilla y déjela a un lado para más tarde, dejando las correas detrás de la cabeza del sujeto.
  8. Coloque dos oxímetros de pulso en los dedos índices derecho e izquierdo del sujeto, respectivamente, para monitorear y registrar continuamente la frecuencia cardíaca y la saturación de oxígeno en sangre (SPO2) durante todo el estudio.
  9. Coloque auriculares compatibles con resonancia magnética sobre las orejas del sujeto.
  10. Mueva la mesa del escáner de resonancia magnética en el orificio del imán de manera que los pulmones del sujeto queden colocados en el centro del campo de visión.

4. Polarización hiperpolarizada de xenón-129 (gas de calibración)

NOTA: Los siguientes son los pasos del protocolo para polarizar el gas xenón-129 utilizando nuestro dispositivo polarizador. Ajústelo de acuerdo con las instrucciones de funcionamiento específicas del proveedor para su polarizador de gas instalado.

  1. Aproximadamente 2,5 horas antes de que comience el estudio, caliente el polarizador de xenón. Dado que el gas xenón, especialmente enriquecido >85% de xenón-129, es muy caro (actualmente ~ $ 500 por L) y no se puede recuperar una vez polarizado, el proceso de polarización solo debe iniciarse una vez que el sujeto haya llegado al sitio de la imagen.
  2. Pase el tubo conector de una bolsa de PVF especializada de 250 ml a través de un clip de sellado. Asegúrese de que el clip no apriete el tubo.
  3. Conecte la bolsa especializada de PVF a uno de los cuatro puertos dispensadores de polarizador disponibles.
  4. En la pantalla táctil del polarizador, seleccione el tanque de xenón enriquecido, configure el caudal en medio y ajuste el volumen de polarización a 250 ml.
  5. Presione el botón Inicio para iniciar el proceso de polarización. El procedimiento de polarización real, congelación, descongelación y dispensación de xenón en la bolsa de PVF especializada, es completamente automático y tarda unos 15 minutos para 250 ml de xenón.
  6. Cuando se haya dispensado el gas xenón polarizado, el polarizador mostrará un mensaje en la pantalla táctil que indica que ahora se puede quitar la bolsa.
  7. Apriete el tubo conector de la bolsa de PVF especializada para cerrarlo con el clip de sellado. Desconecte la bolsa especializada de PVF y colóquela rápidamente dentro del orificio del escáner de resonancia magnética para evitar la despolarización rápida del gas.

5. Inhalación de xenón-129 hiperpolarizado para calibración

  1. Coloque una pinza nasal en la nariz del sujeto para mejorar la respiración a través de la boca.
  2. Al final de la espiración normal, inserte la boquilla de la bolsa de xenón en la boca del sujeto.
  3. Una vez que el sujeto haya inhalado 250 ml de dosis de xenón de la bolsa, retire la boquilla e indíquele que continúe inhalando aire ambiental hasta que sus pulmones estén llenos.
  4. Al final de la inspiración, pida al sujeto que levante el pulgar y a la enfermera coordinadora que transmita verbalmente esta información al operador del escáner para iniciar la secuencia de pulso.
  5. Para los sujetos que no pueden contener la respiración, pídale a la enfermera coordinadora que observe el movimiento del pecho del sujeto e informe al operador cuando el sujeto haya alcanzado el final de la exhalación y comience la inspiración. Si bien este enfoque disminuye la señal de medición debido a la exhalación parcial del gas xenón inspirado, garantiza que el volumen de xenón dentro de los pulmones del sujeto permanezca bastante constante durante la adquisición de los datos de calibración.
  6. Al final del período de adquisición de datos (~5 s), instruya al sujeto para que vuelva a respirar normalmente.

6. Calibración de voltaje de pulso de frecuencia de gas y radiofrecuencia

NOTA: Antes de ejecutar una secuencia de pulsos, los escáneres de resonancia magnética modernos generalmente calibran la frecuencia de resonancia magnética de la señal de resonancia magnética y el voltaje que se aplicará a la bobina de RF de transmisión para lograr el ángulo de giro deseado para los pulsos de excitación. En la resonancia magnética de protones convencional, este proceso de calibración es automático y, por lo general, transparente para el usuario. Sin embargo, esta calibración automática no es factible para estudios de xenón-129 hiperpolarizado, ya que no hay ninguna fuente de señal disponible en equilibrio térmico. En su lugar, la frecuencia y el voltaje de los pulsos de RF deben calibrarse manualmente. En el escáner de resonancia magnética utilizado aquí, esta calibración manual se realiza suministrando un voltaje de referencia, que el software del escáner utiliza para calcular el voltaje apropiado para todos los pulsos de RF posteriores. Consulte las instrucciones de funcionamiento específicas del proveedor para el sistema de resonancia magnética para comprender cómo ingresar estos datos de calibración en el software de medición.

  1. Cargue una secuencia de pulsos de explorador de protones. Seleccione un campo de visión de 400 mm. Adquiera 10 cortes coronales (10 mm de grosor de corte, 20% de espacio).
  2. Revise las imágenes de protones y asegúrese de que el pulmón del sujeto esté centrado en el campo de visión. Si es necesario, vuelva a colocar el sujeto y repita el paso 1.
  3. Cargue la secuencia de pulsos de calibración. Utilice la frecuencia de fase gaseosa (GP) HXe del escaneo humano más reciente como estimación inicial de la frecuencia del receptor.
  4. Ajuste el voltaje de referencia a un valor tal que la señal GP entre el primer y el último espectro adquirido con la secuencia de calibración disminuya aproximadamente entre un 70% y un 80% para la mayoría de los sujetos. Para la bobina de RF de pecho, ajuste el voltaje de referencia inicial a 75 V.
  5. Inicie la secuencia cuando el sujeto haya inhalado la dosis de calibración de HXe y esté en apnea o, si no se puede lograr una contención de la respiración, cuando el sujeto haya pasado el punto de finalización de la espiración en el ciclo respiratorio.
    1. Aplique un pulso de excitación de RF gaussiano de 1,2 ms centrado a 0 ppm. Ajuste el ángulo de giro nominal a 90°. Sin embargo, debido a que el voltaje de referencia inicial se establece muy por debajo de su valor real, el ángulo de giro realmente aplicado es de alrededor de 15°.
    2. Muestree el decaimiento de inducción libre durante 30,72 ms (1024 puntos de muestreo). Aplique un spoiler de pendiente de 20 ms a lo largo del eje x: 500 ms de tiempo de rampa, 19 ms de tiempo de meseta, 20 mT/m. Tenga en cuenta que estas especificaciones de gradiente no están optimizadas, es probable que duraciones de gradiente más cortas sean suficientes.
    3. Repita los pasos 6.5.1.-6.5.2. 16 veces con un tiempo de repetición de 55 ms. Repita de nuevo los pasos 6.5.1-6.5.2. 16 veces con un tiempo de repetición de 220 ms.
  6. Una vez que se complete la adquisición de datos, instruya al sujeto para que vuelva a la respiración normal.
  7. Evalúe el bienestar del sujeto comprobando el nivel de SPO2 y pregunte sobre cualquier posible reacción adversa.
  8. Descargue los datos de calibración medidos en una unidad USB y, a continuación, transfiéralos a un ordenador portátil para su posterior análisis.
  9. Utilice un script de MATLAB para extraer la frecuencia central del pico GP, el ángulo de inversión de los pulsos de excitación de RF y el gas HXe T1 dentro del pulmón.
    1. Cargue los 32 FID adquiridos por la secuencia de calibración. Utilice las transformadas rápidas de Fourier (FFT) para convertir los FID en espectros.
    2. Fase de los picos de GP hasta el orden cero. Ajuste una forma de línea pseudo-Voigt a la componente real en fase de los picos GP.
    3. Calcule la frecuencia GP como el promedio de las frecuencias centrales de los primeros 10 ajustes, ya que estos tienen la relación señal-ruido más alta. Emite el promedio de frecuencia en la pantalla.
    4. Integre el área debajo de todos los picos GP. Ajuste las funciones de decaimiento monoexponencial a las primeras 16 y segundas 16 áreas de pico GP.
    5. Extraiga GP T1 y aplique el ángulo de volteo de las dos curvas de decaimiento ajustadas.

7. Polarización de xenón-129 hiperpolarizado (gas de medición)

  1. Para polarizar el gas de medición, siga los pasos 4.2 a 4.7, con las siguientes modificaciones:
    1. Utilice una bolsa de PVF especializada de 500 ml en lugar de una bolsa de 250 ml.
    2. Ajuste el volumen de polarización a 500 ml en lugar de 250 ml. El proceso de polarización tarda unos 20 minutos para 500 mL.

8. Inhalación de xenón-129 hiperpolarizado para medición (retención de la respiración)

  1. Coloque una pinza nasal en la nariz del sujeto para mejorar la respiración a través de la boca.
  2. Al final de la espiración normal de la capacidad residual funcional, inserte la boquilla de la bolsa de xenón en la boca del sujeto.
  3. Una vez que el sujeto haya inhalado 500 ml de gas xenón de la bolsa de xenón, retire la boquilla e indíquele al sujeto que continúe inhalando aire ambiental hasta que sus pulmones estén llenos.
  4. Al final de la inspiración, pida al sujeto que levante el pulgar y a la enfermera coordinadora que transmita verbalmente esta información al operador del escáner para iniciar la secuencia de pulso.
  5. Al final del período de adquisición de datos (~8 s), pida al sujeto que vuelva a respirar normalmente.

9. Inhalación de xenón-129 hiperpolarizado para medición (respiración libre)

  1. Para la exploración de la medición, saque al sujeto del escáner de resonancia magnética, colóquele la mascarilla sobre la nariz y la boca, y conecte las correas preajustadas desde detrás de la cabeza a la mascarilla, asegurando la mascarilla en su lugar. El neumotaco de la mascarilla detectará las inhalaciones y exhalaciones sucesivas del sujeto y activará el sistema de suministro de gas para dispensar gas cuando se detecte una inhalación.
  2. Vuelva a colocar el sujeto en su posición original dentro del escáner.
  3. Reproduce la grabación de audio de inhalación-exhalación para que el sujeto pueda sincronizar su patrón de respiración con el protocolo de respiración.
  4. Una vez que el sujeto haya entrado en ritmo con el protocolo de respiración, pida a la enfermera coordinadora que informe al operador de RM para iniciar la adquisición de datos. A continuación, la enfermera coordinadora abre las válvulas del sistema de suministro de gas y el sujeto comienza a inhalar 50 ml de xenón-129 hiperpolarizado que se mezcla con el flujo de aire dentro de la máscara de respiración.
  5. Pida al paciente que continúe durante aproximadamente 10 respiraciones hasta que el volumen de gas xenón se haya agotado para el protocolo de imagen.

10. Adquisición de datos de medición (apnea)

  1. Cargue la secuencia de pulsos CSSR para la retención de la respiración, como se describe en el paso 1.2. Ajuste la frecuencia de adquisición de acuerdo con la frecuencia HXe GP determinada durante el escaneo de calibración en el paso 6.
  2. Ajuste el voltaje de referencia para que coincida con el valor obtenido del escaneo de calibración descrito en el paso 6.
  3. Elija la opción Esperar al usuario , o su equivalente, para la ejecución de la secuencia, siguiendo las instrucciones de funcionamiento del proveedor del sistema.
  4. Inicie la secuencia. El escáner de resonancia magnética completará la preparación de la secuencia, luego se detendrá y esperará a que el usuario comience la adquisición de datos.
  5. Inicie la adquisición de datos cuando el sujeto haya inhalado la dosis de medición de HXe, haya limpiado las vías respiratorias continuando inhalando aire ambiental hasta que sus pulmones estén llenos, y haya iniciado la retención de la respiración. Este último debe realizarse según las indicaciones de la enfermera coordinadora y se describe en los pasos 5 y 8.
  6. Una vez que se complete la adquisición de datos, instruya al sujeto para que vuelva a la respiración normal.
  7. Evalúe el bienestar del sujeto comprobando el nivel de SPO2 y preguntándole sobre cualquier posible reacción adversa.
  8. Descargue los datos CSSR medidos en una unidad USB y, a continuación, transfiéralos a un ordenador portátil para su posterior análisis.

11. Adquisición de datos de medición (respiración libre)

  1. Cargue la secuencia de pulsos CSSR para la respiración libre, como se describe en el paso 1.3.
  2. Ajuste la frecuencia de adquisición de acuerdo con la frecuencia HXe GP determinada durante el escaneo de calibración en el paso 6.
  3. Ajuste el voltaje de referencia para que coincida con el valor obtenido del escaneo de calibración descrito en el paso 6.
  4. Elija la opción Esperar al usuario , o su equivalente, para la ejecución de la secuencia, siguiendo las instrucciones de funcionamiento del proveedor del sistema.
  5. Inicie la secuencia. El escáner de resonancia magnética completará la preparación de la secuencia, luego se detendrá y esperará a que el usuario comience la adquisición de datos.
  6. Inicie la adquisición de datos una vez que la enfermera coordinadora esté lista para cambiar de aire ambiente a una mezcla de gas/aire HXe como se describe en el paso 9.4. Asegúrese de que la secuencia ya se esté ejecutando antes de que el sujeto inhale la primera dosis de gas xenón.
  7. Una vez que se haya completado la adquisición de datos al final de los 3 minutos de medición o se haya terminado cuando se haya utilizado todo el gas HXe, retire al sujeto del escáner de resonancia magnética.
  8. Evalúe el bienestar del sujeto comprobando el nivel de SPO2 y preguntándole sobre cualquier posible reacción adversa.
  9. Descargue los datos CSSR medidos en una unidad USB y, a continuación, transfiéralos a un ordenador portátil para su posterior análisis.

12. Análisis de datos CSSR

NOTA: Los datos adquiridos consisten en N x 40 decaciones de inducción libre, donde N es el número de veces que se repitió la adquisición con diferentes tiempos de retardo después de la saturación de la magnetización DP. Dependiendo de si la medición de CSSR se realizó como un estudio de retención de la respiración o de respiración libre, N es 1 o el número de veces que se repitió la adquisición, respectivamente, y debe totalizar aproximadamente 2 veces el tiempo de medición en s. Sin embargo, el análisis de datos posterior para ambos escenarios a través de scripts de MATLAB es esencialmente idéntico, excepto donde se indique.

  1. Cargue los FID adquiridos por la secuencia CSSR. Utilice las transformadas rápidas de Fourier (FFT) para convertir los FID en espectros.
  2. Fase de los picos de GP hasta el orden cero. Fase de los picos de DP a primer orden.
  3. Ajuste una forma de línea pseudo-Voigt a la componente real en fase de los picos GP.
  4. Para mediciones de respiración libre, divida todos los espectros por el área debajo de los picos GP instalados. Promedie todos los espectros con el mismo tiempo de retardo.
  5. En todos los espectros, ajuste dos formas de línea pseudo-Voigt a los componentes reales en fase de los picos de membrana a ~ 196 ppm y los glóbulos rojos a ~ 217 ppm.
  6. Integre las áreas debajo de los picos DP instalados.
  7. Para las mediciones de retención de la respiración, adquiera la medición del tiempo de retardo de 50 ms repetidamente (consulte el paso 1.2.8), lo que permite una corrección de decaimiento más precisa que la normalización con la señal GP.
  8. Ajuste una función de decaimiento exponencial a la señal de pico de la membrana en función del índice de adquisición.
  9. Multiplique todas las señales de pico de membrana y glóbulos rojos por la inversa de la función de decaimiento exponencial ajustada para el índice de adquisición respectivo.
  10. Ajuste la membrana corregida y las señales de los glóbulos rojos en función de su tiempo de retardo a un modelo de absorción de gas xenón. Los dos modelos más utilizados son los propuestos por Patz et al.24 y Chang et al.25,37,38. Por lo general, analizamos los datos utilizando el modelo Patz.
  11. Ajuste a cualquiera de los modelos para obtener la relación superficie-volumen alveolar, el espesor aparente de la pared septal alveolar y el tiempo de tránsito capilar. Además, el modelo de intercambio de xenón (MOXE) propuesto por Chang et al. arroja el grosor de la barrera entre los vasos y el volumen alveolar, así como el hematocrito.

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Resultados

La Figura 2 ilustra un espectro típico de xenón observado en el pulmón humano durante una retención de la respiración, después de la inhalación de 500 ml de dosis de xenón. El espectro muestra dos regiones distintas, la resonancia GP alrededor de 0 ppm y la región DP, que consiste en el pico de la membrana a aproximadamente 197 ppm y el pico de los glóbulos rojos a aproximadamente 217 ppm. Las amplitudes de pico relativas dependen de una serie de factores, incluida la forma, la duración y la...

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Discusión

La espectroscopia de resonancia magnética HXe CSSR es una técnica potente para evaluar varias métricas de la función pulmonar que serían difíciles o imposibles de cuantificar in vivo utilizando cualquier otra modalidad diagnóstica existente24. Sin embargo, la adquisición y el posterior análisis de los datos se basan en ciertas suposiciones sobre las condiciones fisiológicas y los parámetros técnicos que nunca son totalmente alcanzables en sujetos vivos. Estas limitaciones y su impacto en ...

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Divulgaciones

Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado por subvenciones de los NIH R01HL159898 y R01HL142258.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Neumotache bidireccional B& B Medical AccutachTM
Chest Vest CoilClinical MRSolutions Mascarilla facial de tamaño adulto
Hans Rudolph7450
MatlabMathworksRelease 2018aOptimization Toolbox required
Sistema de monitoreo fisiológico BIOPAC Systems Inc
Bolsa TedlarJensen Productos Inertes250 mL y 500 mL; bolsa de PVF especializada
Polarizador de xenónXemed LLCX-box E10 
escáner de resonancia magnética de cuerpo enteroSiemens1.5 T Avanto

Referencias

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