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

Summary

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.

Abstract

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 xénon^{polarisé thermiquement} 2,3,4,5,6. Cette hyperpolarisation....

Protocol

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 acqui....

Results

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.......

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.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Pneumotach bidirectionnel  ;	B& B Medical AccutachTM
Chest Vest Coil	Solutions Clinical MR		Solutions Masque facial taille adulte
	Hans Rudolph	7450
Matlab	Mathworks	Release 2018a	Boîte à outils d’optimisation requise
Système de surveillance physiologique  ;	BIOPAC Systems Inc
Tedlar Bag	Jensen Inert Products		250-mL et 500-mL ; specialized PVF
Bag Xenon Polarizer	Xemed LLC	X-box E10  ;
Scanner IRM corps entier	Siemens	1.5 T Avanto