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Article de méthode

Mesure quantitative de la structure et de la fonction pulmonaires obtenue à partir de la spectroscopie de xénon hyperpolarisé

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DOI :

10.3791/66038

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10 novembre 2023

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1Department of Radiology, University of Pennsylvania

Dans cet article

Résumé

Le manuscrit présente un protocole détaillé pour l’utilisation de la récupération de la saturation par décalage chimique (CSSR) hyperpolarisé au xénon-129 pour suivre les échanges gazeux pulmonaires, évaluer l’épaisseur apparente de la paroi septale alvéolaire et mesurer le rapport surface/volume. La méthode a le potentiel de diagnostiquer et de surveiller les maladies pulmonaires.

Résumé

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) au xénon-129 hyperpolarisé (HXe) fournit des outils permettant d’obtenir des cartes bidimensionnelles ou tridimensionnelles des modèles de ventilation pulmonaire, de la diffusion des gaz, de l’absorption de xénon par le parenchyme pulmonaire et d’autres paramètres de la fonction pulmonaire. Cependant, en échangeant la résolution spatiale contre la résolution temporelle, il permet également de suivre les échanges gazeux de xénon pulmonaire sur une échelle de temps ms. Cet article décrit l’une de ces techniques, la spectroscopie IRM CSSR (chemical shift saturation recovery). Il illustre comment il peut être utilisé pour évaluer le volume sanguin capillaire, l’épaisseur de la paroi septale et le rapport surface/volume dans les alvéoles. L’angle de retournement des impulsions de radiofréquence (RF) appliquées a été soigneusement calibré. Des protocoles d’apnée unidose et de respiration libre multidose ont été utilisés pour administrer le gaz au sujet. Une fois que le gaz xénon inhalé a atteint les alvéoles, une série d’impulsions RF à 90° a été appliquée pour assurer une saturation maximale de l’aimantation au xénon accumulée dans le parenchyme pulmonaire. Après un temps de retard variable, des spectres ont été acquis pour quantifier la repousse du signal Xénon due aux échanges gazeux entre le volume de gaz alvéolaire et les compartiments tissulaires du poumon. Ces spectres ont ensuite été analysés en ajustant des fonctions pseudo-Voigt complexes aux trois pics dominants. Enfin, les amplitudes de crête dépendantes du temps de retard ont été ajustées à un modèle analytique unidimensionnel d’échange gazeux afin d’extraire les paramètres physiologiques.

Introduction

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) au xénon-129 hyperpolarisé (HXe)1 est une technique qui offre des informations uniques sur la structure et la fonction des poumons et les processus d’échange gazeux. En amplifiant considérablement l’aimantation du gaz xénon par pompage optique à échange de spin, l’IRM HXe permet d’améliorer d’un ordre de grandeur le rapport signal/bruit par rapport à l’IRM au xénonpolarisé thermiquement 2,3,4,5,6. Cette hyperpolarisation permet de visualiser et de quantifier directement l’absorption de gaz xénon dans les tissus pulmonaires et le sang, ce qui serait autrement indétectable avec l’IRM7 conventionnelle à polarisation thermique.

La spectroscopie IRMCSSR 8,9,10,11,12,13 s’est avérée être l’une des techniques d’IRM HXe les plus précieuses. La CSSR consiste à saturer sélectivement l’aimantation du xénon dissous dans le tissu pulmonaire et le sang à l’aide d’impulsions de radiofréquence (RF) spécifiques à la fréquence. La récupération ultérieure du signal en phase dissoute (DP) lorsqu’il échange avec du gaz xénon hyperpolarisé frais dans les espaces aériens sur une échelle de temps de ms offre des informations fonctionnelles importantes sur le parenchyme pulmonaire.

Depuis son développement au début des années 2000, les techniques sous-jacentes à la spectroscopie CSSR ont été progressivement affinées 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. De plus, les progrès réalisés dans la modélisation des courbes d’absorption du xénon ont permis d’extraire des paramètres physiologiques spécifiques, tels que l’épaisseur de la paroi alvéolaire et les temps de transit pulmonaire 10,24,25,26. Des études ont montré la sensibilité du CSSR à des changements subtils de la microstructure pulmonaire et de l’efficacité des échanges gazeux sous la forme d’anomalies pulmonaires observées chez les fumeurs cliniquement sains27, ainsi que dans une gamme de maladies pulmonaires, y compris la bronchopneumopathie chronique obstructive (MPOC)18,27,28, la fibrose 29 et les lésions pulmonaires radio-induites30,31. Il a également été démontré que la spectroscopie CSSR est sensible à la détection des oscillations du signal DP correspondant au débit sanguin pulsatile au cours du cycle cardiaque32.

Bien que des progrès significatifs aient été réalisés, la mise en œuvre de la spectroscopie CSSR sur les systèmes d’IRM clinique reste des défis pratiques. Les durées d’analyse nécessitant des apnées à dose unique approchant les 10 s peuvent être trop longues pour les sujets pédiatriques33,34 ou les patients atteints d’une maladie pulmonaire grave35,36. De plus, la technique est susceptible d’être biaisée si les paramètres d’acquisition tels que l’ordre des temps de retard de saturation ou l’efficacité de la saturation en phase dissoute ne sont pas correctement optimisés21. Pour remédier à ces limites et rendre le CSSR plus accessible à l’ensemble de la communauté de recherche, des protocoles clairs et étape par étape pour les acquisitions conventionnelles en apnée et en respiration libre, actuellement en cours d’élaboration, sont nécessaires.

L’objectif de cet article est de présenter une méthodologie détaillée pour réaliser une spectroscopie MR CSSR optimisée à l’aide du gaz HXe. Le protocole couvrira la polarisation et l’administration du gaz xénon, l’étalonnage des impulsions RF, la sélection des paramètres de séquence, la préparation du sujet, l’acquisition des données et les étapes clés de l’analyse des données. Des exemples de résultats expérimentaux seront fournis. Nous espérons que ce guide complet servira de base à la mise en œuvre des CSSR dans tous les sites et aidera à réaliser le plein potentiel de cette technique pour quantifier les changements microstructurels pulmonaires dans une gamme de maladies pulmonaires.

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Protocole

REMARQUE : Bien que la technique de spectroscopie RM hyperpolarisée Xenon-129 CSSR décrite ici soit couramment utilisée pour l’imagerie animale et humaine, le protocole ci-dessous ne fait référence qu’aux études humaines. Tous les protocoles d’imagerie respectaient les limites de débit d’absorption spécifique (DAS) de la FDA (4 W/kg) et ont été approuvés par l’Institutional Review Board de l’Université de Pennsylvanie. Un consentement éclairé a été obtenu de chaque sujet.

1. Conception de séquence d’impulsions

  1. Décidez si vous devez effectuer une mesure de l’apnée ou de la respiration libre.
    REMARQUE : Les acquisitions d’apnée sont techniquement plus simples car elles ne nécessitent que l’inhalation d’une dose unique (500 à 1000 mL) de gaz HXe suivie d’une apnée de 10 secondes au cours de laquelle les données d’IRM sont recueillies. Cependant, les sujets non coopératifs (par exemple, les jeunes enfants) ou les patients atteints d’une maladie pulmonaire grave peuvent être incapables de retenir leur respiration aussi longtemps, de sorte qu’une acquisition de respiration libre impliquant l’inhalation de plusieurs petites doses (~50 ml) au cours de quelques minutes peut être conseillée.
  2. Pour une étude de spectroscopie IRM CSSR en apnée, utilisez des temps de retard variables pour une flexibilité maximale et des angles de retournement d’excitation élevés allant jusqu’à 90° pour des rapports signal/bruit maximaux (Figure 1A).
    1. Pour saturer l’aimantation DP sur un scanner IRM de 1,5 T, appliquez 5 impulsions radiofréquences (RF) rectangulaires à 90° avec fréquence centrale, durée de 198 ppm, 2,5 ms et 218 ppm, 2,5 ms pour 2 impulsions et fréquence centrale, durée de 208 ppm, 2,0 ms pour les 3 impulsions restantes. Si l’amplificateur de puissance RF le permet, raccourcissez la durée des impulsions RF pour les mesures à des intensités de champ plus élevées.
    2. Séparez toutes les impulsions RF par des spoilers de gradient de 1 ms, en alternant le long des axes x, y et z : temps de rampe de 200 μs, temps de plateau de 600 μs, 20 mT/m.
    3. Après l’impulsion de saturation finale, attendez un temps de retard τi, où i fait référence à la ième mesure dans l’apnée. Utilisez les temps de retard suivants dans l’ordre prescrit : 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, 6, 8, 50, 12,5, 20, 40, 70, 50, 90, 110, 140, 180, 50, 225, 300, 400 ms.
    4. Appliquez une impulsion d’excitation RF gaussienne de 1,2 ms centrée à 208 ppm. Réglez l’angle de basculement sur 90°. Si l’amplificateur RF ne le permet pas, utilisez l’angle de retournement maximal autorisé par l’amplificateur. Mettre à l’échelle la longueur des impulsions d’excitation RF de manière inversement proportionnelle à l’intensité du champ pour les mesures sur des scanners à haut champ.
    5. Échantillonner la désintégration par induction libre pendant 30,72 ms (1024 points d’échantillonnage). Alors que la phase gazeuse T2* à 1,5 T est de l’ordre de 15 ms, réduisez considérablement la durée d’échantillonnage à des intensités de champ plus élevées sans qu’il soit nécessaire d’effectuer une apodisation supplémentaire du signal avant le traitement.
    6. Appliquez un spoiler de gradient de 5 ms le long de l’axe x : temps de rampe de 200 μs, temps de plateau de 4,6 ms, 20 mT/m.
    7. Répétez les étapes 1.2.1 à 1.2.6 40 fois avec un τi différent pendant la même apnée, comme décrit à l’étape 1.2.3.
    8. Pour une étude de spectroscopie IRM CSSR en respiration libre, effectuez la mesure suivante en continu pendant environ 3 minutes (Figure 1B), bien que l’acquisition puisse être interrompue plus tôt si le volume de gaz HXe alloué est épuisé.
    9. Répétez les étapes 1.2.1 et 1.2.2. Répétez l’étape 1.2.4 avec un angle de retournement à 7°. Échantillonner la désintégration par induction libre pendant 10,24 ms (512 points d’échantillonnage).
    10. Appliquez un spoiler de gradient de 1 ms le long de l’axe des x : temps de rampe de 200 ms, temps de plateau de 600 ms, 20 mT/m. Répétez les étapes 1.2.3 - 1.2.5 40 fois avec un temps de répétition de 12,6 ms.
    11. Répétez les étapes 1.2.1 à 1.2.6 jusqu’à la fin de l’étude.

2. Préparation à l’examen du patient

  1. Avant chaque étude, assurez-vous qu’un masque facial propre est préparé et connecté au dispositif de synchronisation de l’administration de gaz à l’aide d’un tube mince et flexible.
  2. Pour les études en respiration libre, fixez un pneumotachymètre bidirectionnel pour les mesures de débit.
  3. Effectuez un test de routine à l’aide d’une seringue en verre pour imiter la respiration afin de vérifier la bonne injection de gaz. Le dispositif d’administration de gaz doit détecter le début de l’inhalation à partir des mesures de débit du pneumotache, permettant l’injection de gaz dans le masque.
  4. Configurez le système de surveillance physiologique en option qui enregistre les courbes respiratoires (débit et volumes) et l’analyse en temps réel des gaz (O2 et CO2) pendant l’imagerie.
  5. Connectez et testez le casque d’IRM avec le signal audio qui guide le sujet à l’aide d’un enregistrement audio inspiré-expiré. Ajustez la vitesse de lecture de la piste audio en fonction de la fréquence respiratoire normale de chaque sujet.
  6. Préparez le lit du scanner avec un appui-tête propre, un coussin de soutien pour les jambes et une couverture.
  7. Placez la bobine du gilet thoracique Xenon-129 non attachée sur la table de l’appareil d’IRM. Insérez la fiche de connecteur de la bobine et assurez-vous que le scanner MR reconnaît la bobine.

3. Préparation et suivi des sujets

  1. Lorsque le sujet arrive à l’installation d’imagerie, obtenez un consentement éclairé écrit à l’aide d’un formulaire de consentement approuvé par l’IRB. Une fois le consentement obtenu, dépister le sujet à l’aide d’un questionnaire de sécurité IRM et d’un détecteur de métal.
  2. Demandez au sujet d’enlever tout métal ou bijou de sa personne et de mettre une blouse de patient.
  3. Entraînez le sujet à adhérer au protocole de respiration sélectionné (apnée ou respiration libre).
  4. Pour une étude de respiration libre, présentez au sujet l’enregistrement vocal d’inspiration-expiration qui sera joué pendant l’imagerie et avec lequel il doit synchroniser sa respiration.
  5. Conduisez le sujet dans la salle d’IRM et placez-le sur le lit du scanner : allongé sur la bobine ouverte du gilet au xénon.
  6. Une fois le sujet positionné, attachez les sangles velcro de manière à ce que la bobine du gilet soit fermée mais ne resserre pas la poitrine du sujet.
  7. Pour une étude de respiration libre, placez un masque facial avec un pneumotachymètre sur le visage du patient et serrez les sangles de sorte que le masque s’adapte parfaitement au nez et à la bouche sans être trop serré. Après l’essayage, retirez le masque et mettez-le de côté pour plus tard, en laissant les sangles derrière la tête du sujet.
  8. Placez deux oxymètres de pouls sur les index droit et gauche du sujet, respectivement, pour surveiller et enregistrer en continu la fréquence cardiaque et la saturation en oxygène du sang (SPO2) pendant toute la durée de l’étude.
  9. Placez des écouteurs compatibles avec l’IRM sur les oreilles du sujet.
  10. Déplacez la table du scanner IRM dans l’alésage de l’aimant de sorte que les poumons du sujet soient positionnés au centre du champ de vision.

4. Polarisation hyperpolarisée au xénon-129 (gaz d’étalonnage)

REMARQUE : Voici les étapes du protocole pour polariser le gaz Xénon-129 à l’aide de notre dispositif polarisant. Ajustez selon les instructions d’utilisation spécifiques au fournisseur pour votre polariseur de gaz installé.

  1. Environ 2,5 h avant le début de l’étude, chauffez le polariseur au xénon. Étant donné que le gaz xénon, en particulier enrichi >85% de xénon-129, est très cher (actuellement ~500 $ par L) et ne peut pas être recapturé une fois polarisé, le processus de polarisation ne doit être commencé qu’une fois que le sujet est arrivé sur le site d’imagerie.
  2. Enfilez le tube de raccordement d’un sac PVF spécialisé de 250 ml à travers une pince d’étanchéité. Assurez-vous que le clip ne pince pas le tube.
  3. Fixez le sac PVF spécialisé à l’un des quatre ports de distribution de polariseur disponibles.
  4. Sur l’écran tactile du polariseur, sélectionnez le réservoir de xénon enrichi, réglez le débit sur moyen et réglez le volume de polarisation sur 250 mL.
  5. Appuyez sur le bouton Start pour lancer le processus de polarisation. La procédure de polarisation proprement dite, c’est-à-dire la congélation, la décongélation et la distribution dans le sac PVF spécialisé, est entièrement automatique et prend environ 15 minutes pour 250 ml de xénon.
  6. Lorsque le gaz xénon polarisé a été distribué, le polariseur affichera un message sur l’écran tactile indiquant que le sac peut maintenant être retiré.
  7. Pincez le tube de connexion du sac PVF spécialisé avec le clip d’étanchéité. Débranchez le sac PVF spécialisé et placez-le rapidement à l’intérieur de l’alésage de l’appareil d’IRM pour éviter une dépolarisation rapide du gaz.

5. Inhalation de xénon-129 hyperpolarisé pour l’étalonnage

  1. Placez un pince-nez sur le nez du sujet pour améliorer la respiration par la bouche.
  2. À la fin de l’expiration normale, insérez l’embout buccal du sac au xénon dans la bouche du sujet.
  3. Une fois que le sujet a inhalé 250 ml de dose de xénon du sac, retirez l’embout buccal et demandez au sujet de continuer à respirer l’air ambiant jusqu’à ce que ses poumons soient pleins.
  4. À la fin de l’inspiration, demandez au sujet de lever le pouce et à l’infirmière coordonnatrice de transmettre verbalement cette information à l’opérateur du scanner pour lancer la séquence d’impulsions.
  5. Pour les sujets qui sont incapables de retenir leur souffle, demandez à l’infirmière coordinatrice d’observer le mouvement de la poitrine du sujet et d’informer l’opérateur lorsque le sujet a atteint la fin de l’expiration et commence l’inspiration. Bien que cette approche diminue le signal de mesure en raison de l’expiration partielle du gaz xénon inspiré, elle garantit que le volume de xénon dans les poumons du sujet reste assez constant pendant l’acquisition des données d’étalonnage.
  6. À la fin de la période d’acquisition des données (~5 s), demandez au sujet de respirer à nouveau normalement.

6. Étalonnage de la tension d’impulsion de fréquence de gaz et de radiofréquence

REMARQUE : Avant d’exécuter une séquence d’impulsions, les scanners IRM modernes calibrent généralement la fréquence de résonance du signal MR et la tension à appliquer à la bobine RF d’émission pour obtenir l’angle de retournement souhaité pour les impulsions d’excitation. Dans l’IRM à protons conventionnelle, ce processus d’étalonnage est automatique et généralement transparent pour l’utilisateur. Cependant, cet étalonnage automatique n’est pas réalisable pour les études au xénon-129 hyperpolarisé, car il n’y a pas de source de signal à l’équilibre thermique disponible. Au lieu de cela, la fréquence et la tension des impulsions RF doivent être calibrées manuellement. Sur le scanner IRM utilisé ici, cet étalonnage manuel est effectué en fournissant une tension de référence, que le logiciel du scanner utilise ensuite pour calculer la tension appropriée pour toutes les impulsions RF ultérieures. Consultez le mode d’emploi du système d’IRM pour comprendre comment saisir ces données d’étalonnage dans le logiciel de mesure.

  1. Chargez une séquence d’impulsions de reconnaissance de protons. Sélectionnez un champ de vision de 400 mm. Acquérir 10 coupes coronales (10 mm d’épaisseur, 20% d’écart).
  2. Examinez les images de protons et assurez-vous que le poumon du sujet est centré dans le champ de vision. Si nécessaire, repositionnez le sujet et répétez l’étape 1.
  3. Chargez la séquence d’impulsions d’étalonnage. Utilisez la fréquence HXe en phase gazeuse (GP) du balayage humain le plus récent comme estimation de départ de la fréquence du récepteur.
  4. Réglez la tension de référence à une valeur telle que le signal GP entre le premier et le dernier spectre acquis avec la séquence d’étalonnage diminue d’environ 70 % à 80 % pour la plupart des sujets. Pour la bobine RF thoracique, réglez la tension de référence initiale sur 75 V.
  5. Démarrez la séquence lorsque le sujet a inhalé la dose d’étalonnage HXe et qu’il est en apnée ou, si une apnée ne peut pas être atteinte, lorsque le sujet a dépassé le point d’expiration final du cycle respiratoire.
    1. Appliquez une impulsion d’excitation RF gaussienne de 1,2 ms centrée à 0 ppm. Réglez l’angle de retournement nominal à 90°. Cependant, comme la tension de référence initiale est réglée bien en dessous de sa valeur réelle, l’angle de retournement réellement appliqué est d’environ 15°.
    2. Échantillonner la désintégration par induction libre pendant 30,72 ms (1024 points d’échantillonnage). Appliquez un spoiler de gradient de 20 ms le long de l’axe des x : 500 ms de temps de rampe, 19 ms de temps de plateau, 20 mT/m. Notez que ces spécifications de gradient ne sont pas optimisées, des durées de gradient plus courtes sont susceptibles de suffire.
    3. Répétez les étapes 6.5.1.-6.5.2. 16 fois avec un temps de répétition de 55 ms. Répétez à nouveau les étapes 6.5.1 et 6.5.2. 16 fois avec un temps de répétition de 220 ms.
  6. Une fois l’acquisition des données terminée, demandez au sujet de revenir à une respiration normale.
  7. Évaluez le bien-être du sujet en vérifiant le niveau SPO2 et demandez-lui s’il y a des effets indésirables potentiels.
  8. Téléchargez les données d’étalonnage mesurées sur une clé USB, puis transférez-les sur un ordinateur portable pour une analyse plus approfondie.
  9. Utilisez un script MATLAB pour extraire la fréquence centrale du pic GP, l’angle de retournement des impulsions d’excitation RF et le gaz HXe T1 à l’intérieur du poumon.
    1. Chargez les 32 FID acquis par la séquence d’étalonnage. Utilisez les transformées de Fourier rapides (FFT) pour convertir les FID en spectres.
    2. Phase : la GP atteint son pic d’ordre zéro. Ajustez une forme de ligne pseudo-Voigt à la composante réelle phasée des pics GP.
    3. Calculez la fréquence GP comme la moyenne sur les fréquences centrales des 10 premiers ajustements, car ceux-ci ont le rapport signal/bruit le plus élevé. Affichez la fréquence moyenne à l’écran.
    4. Intégrez la zone sous tous les pics GP. Ajustez les fonctions de décroissance mono-exponentielle aux 16 premières et aux 16 secondes zones de pics GP.
    5. Extrayez GP T1 et appliquez l’angle de retournement des deux courbes de décroissance ajustées.

7. Polarisation hyperpolarisée au xénon-129 (gaz de mesure)

  1. Pour polariser le gaz de mesure, suivre les étapes 4.2 à 4.7, avec les modifications suivantes :
    1. Utilisez un sac de 500 ml de PVF spécialisé au lieu d’un sac de 250 ml.
    2. Réglez le volume de polarisation sur 500 ml au lieu de 250 ml. Le processus de polarisation prend environ 20 minutes pour 500 ml.

8. Inhalation de xénon-129 hyperpolarisé pour la mesure (apnée)

  1. Placez un pince-nez sur le nez du sujet pour améliorer la respiration par la bouche.
  2. À la fin de l’expiration normale de la capacité résiduelle fonctionnelle, insérez l’embout buccal du sac au xénon dans la bouche du sujet.
  3. Une fois que le sujet a inhalé 500 ml de gaz xénon du sac au xénon, retirez l’embout buccal et demandez au sujet de continuer à respirer l’air ambiant jusqu’à ce que ses poumons soient pleins.
  4. À la fin de l’inspiration, demandez au sujet de lever le pouce et à l’infirmière coordonnatrice de transmettre verbalement cette information à l’opérateur du scanner pour lancer la séquence d’impulsions.
  5. À la fin de la période d’acquisition des données (~8 s), demandez au sujet de respirer à nouveau normalement.

9. Inhalation hyperpolarisée de xénon-129 pour la mesure (respiration libre)

  1. Pour le balayage de mesure, sortez le sujet de l’appareil d’IRM, placez le masque facial sur son nez et sa bouche, puis connectez les sangles préinstallées de l’arrière de la tête au masque, en maintenant le masque en place. Le pneumotache sur le masque détectera les inspirations et expirations successives du sujet et déclenchera le système de distribution de gaz pour distribuer du gaz lorsqu’une inhalation est détectée.
  2. Remettez le sujet à sa position d’origine à l’intérieur du scanner.
  3. Jouez l’enregistrement audio inspirer-expirer afin que le sujet puisse synchroniser son schéma respiratoire avec le protocole de respiration.
  4. Une fois que le sujet est entré dans le rythme du protocole de respiration, demandez à l’infirmière coordinatrice d’informer l’opérateur IRM de lancer l’acquisition des données. L’infirmière coordonnatrice ouvre ensuite les vannes du système d’administration de gaz et le sujet commence à inhaler 50 ml de xénon-129 hyperpolarisé qui se mélange au flux d’air à l’intérieur du masque respiratoire.
  5. Demandez au patient de continuer pendant environ 10 respirations jusqu’à ce que le volume de gaz xénon ait été épuisé pour le protocole d’imagerie.

10. Acquisition des données de mesure (apnée)

  1. Chargez la séquence d’impulsions CSSR pour l’apnée, comme indiqué à l’étape 1.2. Réglez la fréquence d’acquisition en fonction de la fréquence HXe GP déterminée lors du balayage d’étalonnage à l’étape 6.
  2. Ajustez la tension de référence pour qu’elle corresponde à la valeur obtenue lors du balayage d’étalonnage décrit à l’étape 6.
  3. Choisissez l’option Attendre l’utilisateur , ou son équivalent, pour l’exécution de la séquence, en suivant les instructions d’utilisation du fournisseur du système.
  4. Lancez la séquence. L’IRM termine la préparation de la séquence, puis fait une pause et attend que l’utilisateur commence l’acquisition des données.
  5. Commencer l’acquisition des données lorsque le sujet a inhalé la dose de mesure de HXe, rincé les voies respiratoires en continuant à inspirer l’air ambiant jusqu’à ce que ses poumons soient remplis et qu’il a commencé à retenir sa respiration. Cette dernière doit être effectuée selon les directives de l’infirmière coordonnatrice et décrite aux étapes 5 et 8.
  6. Une fois l’acquisition des données terminée, demandez au sujet de revenir à une respiration normale.
  7. Évaluez le bien-être du sujet en vérifiant le niveau SPO2 et en lui posant des questions sur tout effet indésirable potentiel.
  8. Téléchargez les données CSSR mesurées sur une clé USB, puis transférez-les sur un ordinateur portable pour une analyse plus approfondie.

11. Acquisition des données de mesure (respiration libre)

  1. Chargez la séquence d’impulsions CSSR pour une respiration libre, comme indiqué à l’étape 1.3.
  2. Réglez la fréquence d’acquisition en fonction de la fréquence HXe GP déterminée lors du balayage d’étalonnage à l’étape 6.
  3. Ajustez la tension de référence pour qu’elle corresponde à la valeur obtenue lors du balayage d’étalonnage décrit à l’étape 6.
  4. Choisissez l’option Attendre l’utilisateur , ou son équivalent, pour l’exécution de la séquence, en suivant les instructions d’utilisation du fournisseur du système.
  5. Lancez la séquence. L’IRM termine la préparation de la séquence, puis fait une pause et attend que l’utilisateur commence l’acquisition des données.
  6. Démarrez l’acquisition des données une fois que l’infirmière coordinatrice est prête à passer de l’air ambiant au mélange gaz/air HXe, comme décrit à l’étape 9.4. Assurez-vous que la séquence est déjà en cours avant que le sujet n’inhale la première dose de gaz xénon.
  7. Une fois que l’acquisition des données est terminée à la fin des 3 minutes de mesure ou qu’elle a été terminée lorsque tout le gaz HXe a été utilisé, retirez le sujet de l’appareil d’IRM.
  8. Évaluez le bien-être du sujet en vérifiant le niveau SPO2 et en lui posant des questions sur tout effet indésirable potentiel.
  9. Téléchargez les données CSSR mesurées sur une clé USB, puis transférez-les sur un ordinateur portable pour une analyse plus approfondie.

12. Analyse des données CSSR

REMARQUE : Les données acquises consistent en N x 40 désintégrations d’induction libre, où N est le nombre de fois où l’acquisition a été répétée avec différents temps de retard après saturation de l’aimantation DP. Selon que la mesure CSSR a été effectuée sous forme d’apnée ou d’étude en respiration libre, N est soit 1, soit le nombre de fois que l’acquisition a été répétée, respectivement, et devrait totaliser environ 2 fois le temps de mesure en s. Cependant, l’analyse ultérieure des données pour les deux scénarios via des scripts MATLAB est essentiellement identique, sauf indication contraire.

  1. Chargez les FID acquis par la séquence CSSR. Utilisez les transformées de Fourier rapides (FFT) pour convertir les FID en spectres.
  2. Phase : la GP atteint son pic d’ordre zéro. Phase le DP culmine au premier ordre.
  3. Ajustez une forme de ligne pseudo-Voigt à la composante réelle phasée des pics GP.
  4. Pour des mesures de respiration libre, divisez tous les spectres par la zone située sous les pics GP ajustés. Faites la moyenne de tous les spectres avec le même temps de retard.
  5. Dans tous les spectres, ajustez deux formes de lignes pseudo-Voigt aux composants réels phasés des pics membranaires à ~196 ppm et des pics de globules rouges à ~217 ppm.
  6. Intégrez les zones sous les pics DP installés.
  7. Pour les mesures d’apnée, acquérez la mesure du temps de retard de 50 ms de manière répétée (voir étape 1.2.8), ce qui permet une correction de décroissance plus précise que la normalisation avec le signal GP.
  8. Ajuster une fonction de décroissance exponentielle au signal de crête de la membrane en fonction de l’indice d’acquisition.
  9. Multipliez tous les signaux de pointe de la membrane et des globules rouges par l’inverse de la fonction de décroissance exponentielle ajustée pour l’indice d’acquisition respectif.
  10. Ajustez les signaux corrigés de la membrane et des globules rouges en fonction de leur temps de retard à un modèle d’absorption de gaz xénon. Les deux modèles les plus couramment utilisés sont ceux proposés par Patz et al.24 et Chang et al.25,37,38. Nous analysons généralement les données à l’aide du modèle Patz.
  11. Ajuster à l’un ou l’autre modèle pour obtenir le rapport surface/volume alvéolaire, l’épaisseur apparente de la paroi septale alvéolaire et le temps de transit capillaire. De plus, le modèle d’échange de xénon (MOXE) proposé par Chang et al. donne l’épaisseur de la barrière entre les vaisseaux et le volume alvéolaire ainsi que l’hématocrite.

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Résultats

La figure 2 illustre un spectre typique du xénon observé dans les poumons humains pendant une apnée, après l’inhalation de 500 mL de dose de xénon. Le spectre présente deux régions distinctes, la résonance GP autour de 0 ppm, et la région DP, qui se compose du pic membranaire à environ 197 ppm et du pic des globules rouges à environ 217 ppm. Les amplitudes de crête relatives dépendent d’un certain nombre de facteurs, notamment la forme, la durée et la fréquence centrale de l’impulsion d’exci...

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Discussion

La spectroscopie IRM HXe CSSR est une technique puissante pour évaluer plusieurs paramètres de la fonction pulmonaire qui seraient difficiles, voire impossibles, à quantifier in vivo en utilisant toute autre modalité de diagnostic existante24. Néanmoins, l’acquisition et l’analyse ultérieure des données sont basées sur certaines hypothèses sur les conditions physiologiques et les paramètres techniques qui ne sont jamais entièrement réalisables chez des sujets vivants. Ces limitations et l...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par des subventions des NIH R01HL159898 et R01HL142258.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Pneumotach bidirectionnel  ;B& B Medical AccutachTM
Chest Vest CoilSolutions Clinical MRSolutions Masque facial taille adulte
Hans Rudolph7450
MatlabMathworksRelease 2018aBoîte à outils d’optimisation requise
Système de surveillance physiologique  ;BIOPAC Systems Inc
Tedlar BagJensen Inert Products250-mL et 500-mL ; specialized PVF
Bag Xenon PolarizerXemed LLCX-box E10  ;
Scanner IRM corps entierSiemens1.5 T Avanto

Références

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  39. Collier, G. J., et al. Observation of cardiogenic flow oscillations in healthy subjects with hyperpolarized 3He MRI. J Appl Physiol. 119 (9), 1007-1014 (2015).
  40. Niedbalski, P. J., et al. Protocols for multi-site trials using hyperpolarized (129) Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the (129) Xe MRI clinical trials consortium. Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).

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