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Summary

Il manoscritto presenta un protocollo dettagliato per l’utilizzo del recupero della saturazione dello spostamento chimico iperpolarizzato dello xenon-129 (CSSR) per tracciare lo scambio gassoso polmonare, valutare lo spessore apparente della parete del setto alveolare e misurare il rapporto superficie-volume. Il metodo ha il potenziale per diagnosticare e monitorare le malattie polmonari.

Abstract

La risonanza magnetica (MRI) allo xenon-129 iperpolarizzato (HXe) fornisce strumenti per ottenere mappe bidimensionali o tridimensionali dei modelli di ventilazione polmonare, della diffusione dei gas, dell’assorbimento dello xeno da parte del parenchima polmonare e di altre metriche della funzione polmonare. Tuttavia, scambiando la risoluzione spaziale con quella temporale, consente anche di tracciare lo scambio gassoso polmonare allo xeno su una scala temporale di ms. Questo articolo descrive una di queste tecniche, la spettroscopia RM per il recupero della saturazione a spostamento chimico (CSSR). Illustra come può essere utilizzato per valutare il volume del sangue capillare, lo spessore della parete del setto e il rapporto superficie/volume negli alveoli. L’angolo di inversione degli impulsi a radiofrequenza (RF) applicati è stato accuratamente calibrato. Per la somministrazione del gas al soggetto sono stati impiegati protocolli di apnea monodose e respirazione libera multidose. Una volta che il gas Xenon inalato ha raggiunto gli alveoli, è stata applicata una serie di impulsi RF a 90° per garantire la massima saturazione della magnetizzazione Xenon accumulata nel parenchima polmonare. A seguito di un tempo di ritardo variabile, sono stati acquisiti spettri per quantificare la ricrescita del segnale Xenon dovuta allo scambio di gas tra il volume di gas alveolare e i compartimenti tissutali del polmone. Questi spettri sono stati poi analizzati adattando complesse funzioni pseudo-Voigt ai tre picchi dominanti. Infine, le ampiezze di picco dipendenti dal tempo di ritardo sono state adattate a un modello analitico unidimensionale di scambio gassoso per estrarre parametri fisiologici.

Introduction

La risonanza magnetica (MRI) allo xenon-129 iperpolarizzato (HXe)¹ è una tecnica che offre informazioni uniche sulla struttura, la funzione e i processi di scambio gassoso dei polmoni. Amplificando notevolmente la magnetizzazione del gas Xenon attraverso il pompaggio ottico a scambio di spin, la risonanza magnetica HXe raggiunge un miglioramento dell’ordine di grandezza nel rapporto segnale/rumore rispetto alla risonanza magnetica allo xeno polarizzata termicamente 2,3,4,5,6. Questa iperpolarizzazione consente la visualizzazione e la quantificazione diretta dell’assorbimento di gas Xenon nel tessuto polmonare e nel sangue, che altrimenti non sarebbe rilevabile con la risonanza magnetica 7 convenzionale polarizzata^{termicamente.}

La spettroscopia RM per il recupero della saturazione a spostamento chimico (CSSR) 8,9,10,11,12,13 ha dimostrato di essere una delle tecniche di risonanza magnetica HXe più preziose. La CSSR consiste nel saturare selettivamente la magnetizzazione dello xeno disciolto nel tessuto polmonare e nel sangue utilizzando impulsi a radiofrequenza (RF) specifici per frequenza. Il successivo recupero del segnale in fase disciolta (DP) mentre scambia con il nuovo gas Xenon iperpolarizzato negli spazi aerei su una scala temporale di ms offre importanti informazioni funzionali sul parenchima polmonare.

Dal suo sviluppo nei primi anni 2000, le tecniche alla base della spettroscopia CSSR sono state progressivamente affinate 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Inoltre, i progressi nella modellazione delle curve di captazione dello xeno hanno permesso l’estrazione di parametri fisiologici specifici, come lo spessore della parete alveolare e i tempi di transito polmonare 10,24,25,26. Gli studi hanno dimostrato la sensibilità della CSSR a sottili cambiamenti nella microstruttura polmonare e nell’efficienza dello scambio gassoso sotto forma di anomalie polmonari riscontrate in fumatori clinicamente sani²⁷, nonché in una serie di malattie polmonari, tra cui la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) 18,27,28, la fibrosi ²⁹ e il danno polmonare indotto dalle radiazioni^30,31. È stato anche dimostrato che la spettroscopia CSSR è sensibile nel rilevare oscillazioni nel segnale DP corrispondente al flusso sanguigno pulsatile durante il ciclo cardiaco³².

Sebbene siano stati compiuti progressi significativi, rimangono sfide pratiche nell’implementazione della spettroscopia CSSR sui sistemi di risonanza magnetica clinica. I tempi di scansione che richiedono apnee a dose singola che si avvicinano a 10 s possono essere troppo lunghi per i soggetti pediatrici^33,34 o per i pazienti con grave malattia polmonare^35,36. Inoltre, la tecnica è suscettibile di distorsioni di misura se i parametri di acquisizione come l’ordine dei tempi di ritardo della saturazione o l’efficacia della saturazione in fase disciolta non sono adeguatamente ottimizzati²¹. Per affrontare queste limitazioni e rendere il CSSR più accessibile alla più ampia comunità di ricerca, sono necessari protocolli chiari e graduali sia per l’apnea convenzionale che per le acquisizioni di respirazione libera, attualmente in fase di sviluppo.

L’obiettivo di questo articolo è quello di presentare una metodologia dettagliata per l’esecuzione di spettroscopia RM CSSR ottimizzata utilizzando il gas HXe. Il protocollo riguarderà la polarizzazione e l’erogazione del gas xenon, la calibrazione degli impulsi RF, la selezione dei parametri di sequenza, la preparazione del soggetto, l’acquisizione dei dati e i passaggi chiave nell’analisi dei dati. Verranno forniti esempi di risultati sperimentali. Si spera che questa guida completa serva come base per le implementazioni CSSR in tutti i siti e aiuti a realizzare il pieno potenziale di questa tecnica per quantificare i cambiamenti microstrutturali polmonari in una serie di malattie polmonari.

Protocol

NOTA: Sebbene la tecnica di spettroscopia MR Xenon-129 CSSR iperpolarizzata qui descritta sia comunemente utilizzata per l’imaging animale e umano, il protocollo seguente si riferisce solo agli studi sull’uomo. Tutti i protocolli di imaging hanno aderito ai limiti del tasso di assorbimento specifico (SAR) della FDA (4 W/kg) e sono stati approvati dall’Institutional Review Board dell’Università della Pennsylvania. Il consenso informato è stato ottenuto da ciascun soggetto.

1. Progettazione della sequenza di impulsi

1. Decidi se eseguire una sospensione del respiro o una misurazione della respirazione libera.
   NOTA: Le acquisizioni in apnea sono tecnicamente più semplici perché richiedono solo l’inalazione di una singola dose (500 – 1000 ml) di gas HXe seguita da un’apnea di 10 s durante la quale vengono raccolti i dati della risonanza magnetica. Tuttavia, i soggetti non collaborativi (ad esempio, i bambini piccoli) o i pazienti con grave malattia polmonare potrebbero non essere in grado di trattenere il respiro così a lungo, quindi può essere consigliabile un’acquisizione di respirazione libera che comporti l’inalazione di più piccole dosi (~50 mL) nel corso di pochi minuti.
2. Per uno studio di spettroscopia RM CSSR in apnea, utilizzare tempi di ritardo variabili per la massima flessibilità e angoli di inversione di eccitazione elevati fino a 90° per il massimo rapporto segnale/rumore (Figura 1A).
   1. Per saturare la magnetizzazione DP su uno scanner MRI da 1,5 T, applicare 5 impulsi rettangolari a 90° a radiofrequenza (RF) con frequenza centrale, durata di 198 ppm, 2,5 ms e 218 ppm, 2,5 ms per 2 impulsi e frequenza centrale, durata di 208 ppm, 2,0 ms per i restanti 3 impulsi. Se consentito dall’amplificatore di potenza RF, ridurre la durata degli impulsi RF per misure con intensità di campo più elevate.
   2. Separare tutti gli impulsi RF con spoiler di gradiente di 1 ms, alternati lungo gli assi x, y e z: tempo di rampa di 200 μs, tempo di plateau di 600 μs, 20 mT/m.
   3. Dopo l’impulso di saturazione finale, attendere un tempo di ritardo τi, dove i si riferisce all’i-esima misurazione in apnea. Utilizzare i seguenti tempi di ritardo nell’ordine prescritto: 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, 500, 50, 5, 5, 6, 8, 50, 12.5, 20, 40, 70, 50, 90, 110, 140, 180, 50, 225, 300, 400 ms.
   4. Applicare un impulso di eccitazione RF gaussiano da 1,2 ms centrato a 208 ppm. Impostare l’angolo di ribaltamento su 90°. Se l’amplificatore RF non lo consente, utilizzare l’angolo di inversione massimo consentito dall’amplificatore. Scala la lunghezza degli impulsi di eccitazione RF inversamente proporzionale all’intensità del campo per le misurazioni su scanner ad alto campo.
   5. Campionare il decadimento dell’induzione libera per 30,72 ms (1024 punti di campionamento). Mentre la fase gassosa T2* a 1,5 T è dell’ordine di 15 ms, è possibile ridurre significativamente la durata del campionamento a intensità di campo più elevate senza la necessità di un’ulteriore apodizzazione del segnale prima dell’elaborazione.
   6. Applicare uno spoiler di gradiente di 5 ms lungo l’asse x: tempo di rampa 200 μs, tempo di plateau 4,6 ms, 20 mT/m.
   7. Ripetere i passaggi 1.2.1 – 1.2.6 40 volte con un τi diverso durante la stessa apnea come descritto al punto 1.2.3.
   8. Per uno studio di spettroscopia RM CSSR a respirazione libera, eseguire la seguente misurazione continuamente per circa 3 minuti (Figura 1B), anche se l’acquisizione può essere interrotta prima se il volume di gas HXe assegnato si esaurisce.
   9. Ripetere i passaggi 1.2.1 e 1.2.2. Ripetere il passaggio 1.2.4 con un angolo di rotazione a 7°. Campionare il decadimento dell’induzione libera per 10,24 ms (512 punti di campionamento).
   10. Applicare uno spoiler di gradiente di 1 ms lungo l’asse x: 200 ms di tempo di rampa, 600 ms di tempo di plateau, 20 mT/m. Ripetere i passaggi 1.2.3 – 1.2.5 40x con un tempo di ripetizione di 12,6 ms.
   11. Ripetere i passaggi 1.2.1 – 1.2.6 fino alla fine dello studio.

2. Preparazione per l’esame del paziente

1. Prima di ogni studio, assicurarsi che sia preparata una maschera facciale pulita e collegata al dispositivo di sincronizzazione dell’erogazione del gas utilizzando un tubo sottile e flessibile.
2. Per gli studi di respirazione libera, collegare uno pneumotaco bidirezionale per le misurazioni del flusso.
3. Eseguire un test di routine utilizzando una siringa di vetro per imitare la respirazione al fine di verificare la corretta iniezione di gas. Il dispositivo di erogazione del gas dovrebbe rilevare l’inizio dell’inalazione dalle misurazioni del flusso dello pneumotaco, consentendo l’iniezione di gas nella maschera.
4. Configura il sistema di monitoraggio fisiologico opzionale che registra le curve di respirazione (flusso e volumi) e l’analisi dei gas in tempo reale (O₂ e CO₂) durante l’imaging.
5. Collegare e testare le cuffie della sala MRI con il segnale audio che guida il soggetto utilizzando una registrazione audio di inspirazione-espirazione. Regolare la velocità di riproduzione della traccia audio in base alla normale frequenza respiratoria di ciascun soggetto.
6. Preparare il letto dello scanner con un poggiatesta pulito, un cuscino di supporto per le gambe e una coperta.
7. Posizionare la bobina del giubbotto toracico Xenon-129 slacciata sul tavolo dello scanner MRI. Inserire la spina del connettore della bobina e assicurarsi che lo scanner RM riconosca la bobina.

3. Preparazione e monitoraggio dei soggetti

1. Quando il soggetto arriva alla struttura di imaging, ottenere il consenso informato scritto utilizzando un modulo di consenso approvato dall’IRB. Una volta ottenuto il consenso, esaminare il soggetto utilizzando un questionario di sicurezza MRI e un metal detector.
2. Chiedi al soggetto di rimuovere qualsiasi metallo o gioiello dalla propria persona e di cambiarsi con un camice da paziente.
3. Allenare il soggetto ad aderire al protocollo di respirazione selezionato (apnea o respirazione libera).
4. Per uno studio libero della respirazione, introduci il soggetto alla registrazione vocale inspira-espira che verrà riprodotta durante l’imaging e con la quale dovrebbe sincronizzare la respirazione.
5. Condurre il soggetto nella sala di risonanza magnetica e posizionarlo sul piano dello scanner: sdraiato sopra la bobina aperta del giubbotto allo xeno.
6. Una volta posizionato il soggetto, allacciare le cinghie in velcro in modo che la bobina del giubbotto sia chiusa ma non restringa il petto del soggetto.
7. Per uno studio della respirazione libera, posizionare una maschera facciale con uno pneumotaco sul viso del paziente e stringere le cinghie in modo che la maschera aderisca perfettamente al naso e alla bocca senza essere troppo stretta. Dopo il montaggio, rimuovere la maschera e metterla da parte per dopo, lasciando le cinghie dietro la testa del soggetto.
8. Posizionare due pulsossimetri rispettivamente sull’indice destro e sinistro del soggetto per monitorare e registrare continuamente la frequenza cardiaca e la saturazione di ossigeno nel sangue (SPO₂) per tutta la durata dello studio.
9. Posiziona le cuffie compatibili con la risonanza magnetica sulle orecchie del soggetto.
10. Spostare il tavolo dello scanner MRI nel foro del magnete in modo che i polmoni del soggetto siano posizionati al centro del campo visivo.

4. Polarizzazione iperpolarizzata dello xenon-129 (gas di calibrazione)

NOTA: Di seguito sono riportati i passaggi del protocollo per polarizzare il gas Xenon-129 utilizzando il nostro dispositivo di polarizzazione. Regolare in base alle istruzioni per l’uso specifiche del fornitore per il polarizzatore di gas installato.

1. Circa 2,5 ore prima dell’inizio dello studio, riscaldare il polarizzatore Xenon. Poiché il gas xenon, arricchito in particolare >85% di Xenon-129, è molto costoso (attualmente ~ $ 500 per L) e non può essere ricatturato una volta polarizzato, il processo di polarizzazione dovrebbe essere avviato solo una volta che il soggetto è arrivato al sito di imaging.
2. Infilare la provetta di collegamento di una sacca in PVF specializzato da 250 mL attraverso una clip di chiusura. Assicurarsi che la clip non pizzichi il tubo.
3. Collegare la sacca in PVF specializzata a una delle quattro porte di erogazione del polarizzatore disponibili.
4. Sul touch screen del polarizzatore, selezionare il serbatoio allo xeno arricchito, impostare la portata su medio e impostare il volume di polarizzazione su 250 ml.
5. Premere il pulsante Start per avviare il processo di polarizzazione. L’attuale procedura di polarizzazione, il congelamento dello xeno, lo scongelamento e l’erogazione nella sacca specializzata in PVF, è completamente automatica e richiede circa 15 minuti per 250 ml di xeno.
6. Quando il gas xeno polarizzato è stato erogato, il polarizzatore visualizzerà un messaggio sul touch screen che indica che la sacca può ora essere rimossa.
7. Pizzicare il tubo di connessione della sacca in PVF specializzata con la clip di chiusura. Scollegare la sacca specializzata in PVF e posizionarla rapidamente all’interno del foro dello scanner MRI per evitare una rapida depolarizzazione del gas.

5. Inalazione di xenon-129 iperpolarizzato per la calibrazione

1. Posizionare una clip per il naso sul naso del soggetto per migliorare la respirazione attraverso la bocca.
2. Al termine della normale espirazione, inserire il boccaglio della sacca allo xeno nella bocca del soggetto.
3. Una volta che il soggetto ha inalato 250 ml di dose di xeno dalla sacca, rimuovere il boccaglio e istruire il soggetto a continuare a inalare aria ambiente fino a quando i polmoni non sono pieni.
4. Al termine dell’inspirazione, chiedi al soggetto di alzare il pollice e al coordinatore infermieristico di trasmettere verbalmente queste informazioni all’operatore dello scanner per avviare la sequenza di pulsazioni.
5. Per i soggetti che non sono in grado di trattenere il respiro, chiedere al coordinatore infermieristico di osservare il movimento del torace del soggetto e informare l’operatore quando il soggetto ha raggiunto la fine dell’espirazione e inizia l’inspirazione. Sebbene questo approccio riduca il segnale di misurazione dovuto all’esalazione parziale del gas Xenon inspirato, garantisce che il volume di Xenon all’interno dei polmoni del soggetto rimanga abbastanza costante durante l’acquisizione dei dati di calibrazione.
6. Al termine del periodo di acquisizione dei dati (~5 s), istruire il soggetto a respirare di nuovo normalmente.

6. Calibrazione della frequenza del gas e della tensione degli impulsi a radiofrequenza

NOTA: Prima di eseguire una sequenza di impulsi, i moderni scanner MRI di solito calibrano la frequenza di risonanza del segnale RM e la tensione da applicare alla bobina RF di trasmissione per ottenere l’angolo di inversione desiderato per gli impulsi di eccitazione. Nella risonanza magnetica protonica convenzionale, questo processo di calibrazione è automatico e in genere trasparente per l’utente. Tuttavia, questa calibrazione automatica non è fattibile per gli studi con Xenon-129 iperpolarizzato, poiché non è disponibile alcuna sorgente di segnale all’equilibrio termico. Invece, la frequenza e la tensione per gli impulsi RF devono essere calibrate manualmente. Sullo scanner MRI utilizzato in questo caso, questa calibrazione manuale viene eseguita fornendo una tensione di riferimento, che il software dello scanner utilizza quindi per calcolare la tensione appropriata per tutti gli impulsi RF successivi. Consultare le istruzioni per l’uso specifiche del fornitore del sistema MRI per capire come inserire questi dati di calibrazione nel software di misurazione.

1. Carica una sequenza di impulsi di ricognizione protonica. Selezionare un campo visivo di 400 mm. Acquisire 10 fette coronali (spessore della fetta 10 mm, spazio libero del 20%).
2. Rivedi le immagini del protone e assicurati che il polmone del soggetto sia centrato nel campo visivo. Se necessario, riposizionare il soggetto e ripetere il passaggio 1.
3. Caricare la sequenza di impulsi di calibrazione. Utilizzare la frequenza in fase gassosa (GP) HXe della scansione umana più recente come stima iniziale della frequenza del ricevitore.
4. Impostare la tensione di riferimento su un valore tale che il segnale GP tra il primo e l’ultimo spettro acquisito con la sequenza di calibrazione diminuisca di circa il 70% – 80% per la maggior parte dei soggetti. Per la bobina RF toracica, impostare la tensione di riferimento iniziale su 75 V.
5. Avviare la sequenza quando il soggetto ha inalato la dose di calibrazione HXe ed è in apnea o, se non è possibile ottenere un’apnea, quando il soggetto ha superato il punto di fine espirazione nel ciclo respiratorio.
   1. Applicare un impulso di eccitazione RF gaussiano da 1,2 ms centrato a 0 ppm. Impostare l’angolo di ribaltamento nominale su 90°. Tuttavia, poiché la tensione di riferimento iniziale è impostata molto al di sotto del suo valore reale, l’angolo di inversione effettivamente applicato è di circa 15°.
   2. Campionare il decadimento dell’induzione libera per 30,72 ms (1024 punti di campionamento). Applicare uno spoiler di gradiente di 20 ms lungo l’asse x: 500 ms di tempo di rampa, 19 ms di tempo di plateau, 20 mT/m. Si noti che queste specifiche del gradiente non sono ottimizzate, è probabile che durate del gradiente più brevi siano sufficienti.
   3. Ripetere i passaggi 6.5.1.-6.5.2. 16 volte con un tempo di ripetizione di 55 ms. Ripetere nuovamente i passaggi 6.5.1-6.5.2. 16 volte con un tempo di ripetizione di 220 ms.
6. Una volta completata l’acquisizione dei dati, istruire il soggetto a tornare alla respirazione normale.
7. Valuta il benessere del soggetto controllando il livello di SPO₂ e chiedi informazioni su eventuali reazioni avverse.
8. Scaricate i dati di taratura misurati su un’unità USB, quindi trasferiteli su un computer portatile per ulteriori analisi.
9. Utilizza uno script MATLAB per estrarre la frequenza centrale del picco GP, l’angolo di inversione degli impulsi di eccitazione RF e il gas HXe T1 all’interno del polmone.
   1. Caricare i 32 FID acquisiti dalla sequenza di calibrazione. Utilizzare le trasformate di Fourier veloci (FFT) per convertire i FID in spettri.
   2. Sfasare i picchi GP all’ordine zero. Adatta una forma di linea pseudo-Voigt alla componente reale in fase dei picchi GP.
   3. Calcola la frequenza GP come media sulle frequenze centrali dei primi 10 adattamenti, poiché queste hanno il rapporto segnale/rumore più alto. Emette la media della frequenza sullo schermo.
   4. Integrare l’area sottostante tutti i picchi GP. Adatta le funzioni di decadimento monoesponenziale alle prime 16 e alle seconde aree di picco dei 16 GP.
   5. Estrarre GP T1 e applicare l’angolo di inversione dalle due curve di decadimento adattate.

7. Polarizzazione iperpolarizzata dello xenon-129 (gas di misura)

1. Per polarizzare il gas di misura, seguire i passaggi 4.2 – 4.7, con le seguenti modifiche:
   1. Utilizzare una sacca in PVF specializzato da 500 ml invece di una sacca da 250 ml.
   2. Impostare il volume di polarizzazione su 500 mL invece di 250 mL. Il processo di polarizzazione dura circa 20 minuti per 500 mL.

8. Inalazione di xenon-129 iperpolarizzato per la misurazione (apnea)

1. Posizionare una clip per il naso sul naso del soggetto per migliorare la respirazione attraverso la bocca.
2. Al termine della normale espirazione alla capacità funzionale residua, inserire il boccaglio della sacca allo xeno nella bocca del soggetto.
3. Una volta che il soggetto ha inalato 500 ml di gas Xenon dalla sacca allo xeno, rimuovere il boccaglio e istruire il soggetto a continuare a inalare aria ambiente fino a quando i polmoni non sono pieni.
4. Al termine dell’inspirazione, chiedi al soggetto di alzare il pollice e al coordinatore infermieristico di trasmettere verbalmente queste informazioni all’operatore dello scanner per avviare la sequenza di pulsazioni.
5. Al termine del periodo di acquisizione dei dati (~8 s), chiedere al soggetto di tornare a respirare normalmente.

9. Inalazione di xenon-129 iperpolarizzato per la misurazione (respirazione libera)

1. Per la scansione della misurazione, spostare il soggetto fuori dallo scanner MRI, posizionare la maschera facciale su naso e bocca e collegare le cinghie premontate da dietro la testa alla maschera, fissando la maschera in posizione. Lo pneumotacco sulla maschera rileverà le successive inspirazioni ed espirazioni del soggetto e attiverà il sistema di erogazione del gas per erogare gas quando viene rilevata un’inalazione.
2. Riportare il soggetto nella posizione originale all’interno dello scanner.
3. Riproduci la registrazione audio di inspirazione-espirazione in modo che il soggetto possa sincronizzare il proprio schema di respirazione con il protocollo di respirazione.
4. Una volta che il soggetto è entrato in ritmo con il protocollo di respirazione, chiedere al coordinatore infermieristico di informare l’operatore di risonanza magnetica di avviare l’acquisizione dei dati. L’infermiere coordinatore apre quindi le valvole sul sistema di erogazione del gas e il soggetto inizia a inalare 50 mL di Xenon-129 iperpolarizzato che si mescola con il flusso d’aria all’interno della maschera respiratoria.
5. Chiedere al paziente di continuare per circa 10 respiri fino a quando il volume di gas Xenon non è stato esaurito per il protocollo di imaging.

10. Acquisizione dei dati di misurazione (apnea)

1. Caricare la sequenza di impulsi CSSR per trattenere il respiro, come descritto al punto 1.2. Impostare la frequenza di acquisizione in base alla frequenza HXe GP determinata durante la scansione di calibrazione al punto 6.
2. Regolare la tensione di riferimento in modo che corrisponda al valore ottenuto dalla scansione di calibrazione descritta al punto 6.
3. Scegliere l’opzione Attendi utente , o il suo equivalente, per l’esecuzione della sequenza, seguendo le istruzioni operative del fornitore del sistema.
4. Avvia la sequenza. Lo scanner MRI completerà la preparazione della sequenza, quindi si fermerà e attenderà che l’utente inizi l’acquisizione dei dati.
5. Iniziare l’acquisizione dei dati quando il soggetto ha inalato la dose di misurazione dell’HXe, ha lavato le vie aeree continuando a inalare aria ambiente fino a riempire i polmoni e ha iniziato la sospensione del respiro. Quest’ultimo deve essere eseguito come indicato dal coordinatore infermieristico e descritto nei passaggi 5 e 8.
6. Una volta completata l’acquisizione dei dati, istruire il soggetto a tornare alla respirazione normale.
7. Valutare il benessere del soggetto controllando il livello di SPO₂ e chiedendo informazioni su eventuali reazioni avverse.
8. Scarica i dati CSSR misurati su un’unità USB, quindi trasferiscili su un laptop per ulteriori analisi.

11. Acquisizione dei dati di misura (respirazione libera)

1. Caricare la sequenza di impulsi CSSR per la respirazione libera, come descritto al punto 1.3.
2. Impostare la frequenza di acquisizione in base alla frequenza HXe GP determinata durante la scansione di calibrazione al punto 6.
3. Regolare la tensione di riferimento in modo che corrisponda al valore ottenuto dalla scansione di calibrazione descritta al punto 6.
4. Scegliere l’opzione Attendi utente , o il suo equivalente, per l’esecuzione della sequenza, seguendo le istruzioni operative del fornitore del sistema.
5. Avvia la sequenza. Lo scanner MRI completerà la preparazione della sequenza, quindi si fermerà e attenderà che l’utente inizi l’acquisizione dei dati.
6. Avviare l’acquisizione dei dati non appena il coordinatore infermieristico è pronto a passare dall’aria ambiente alla miscela gas/aria HXe come descritto al punto 9.4. Assicurarsi che la sequenza sia già in esecuzione prima che il soggetto inali la prima dose di gas xenon.
7. Una volta completata l’acquisizione dei dati al termine dei 3 minuti di misurazione o terminata quando tutto il gas HXe è stato utilizzato, rimuovere il soggetto dallo scanner MRI.
8. Valutare il benessere del soggetto controllando il livello di SPO₂ e chiedendo informazioni su eventuali reazioni avverse.
9. Scarica i dati CSSR misurati su un’unità USB, quindi trasferiscili su un laptop per ulteriori analisi.

12. Analisi dei dati CSSR

NOTA: I dati acquisiti sono costituiti da N x 40 decadimenti a induzione libera, dove N è il numero di volte in cui l’acquisizione è stata ripetuta con tempi di ritardo diversi dopo la saturazione della magnetizzazione DP. A seconda che la misurazione CSSR sia stata eseguita come apnea o come studio di respirazione libera, N è 1 o il numero di volte in cui l’acquisizione è stata ripetuta, rispettivamente, e dovrebbe ammontare a circa 2 volte il tempo di misurazione in s. Tuttavia, la successiva analisi dei dati per entrambi gli scenari tramite script MATLAB è sostanzialmente identica, tranne dove indicato.

1. Carica i FID acquisiti dalla sequenza CSSR. Utilizzare le trasformate di Fourier veloci (FFT) per convertire i FID in spettri.
2. Sfasare i picchi GP all’ordine zero. Sfasare i picchi DP al primo ordine.
3. Adatta una forma di linea pseudo-Voigt alla componente reale in fase dei picchi GP.
4. Per le misurazioni della respirazione libera, dividere tutti gli spettri per l’area sottostante i picchi GP montati. Calcolare la media di tutti gli spettri con lo stesso tempo di ritardo.
5. In tutti gli spettri, adattare due forme di linee pseudo-Voigt ai componenti reali in fase dei picchi di membrana a ~196 ppm e dei picchi dei globuli rossi a ~217 ppm.
6. Integrare le aree sottostanti i gavoni DP montati.
7. Per le misurazioni in apnea, acquisire ripetutamente la misurazione del tempo di ritardo di 50 ms (vedere il passaggio 1.2.8), che consente una correzione del decadimento più precisa rispetto alla normalizzazione con il segnale GP.
8. Adattare una funzione di decadimento esponenziale al segnale di picco della membrana in funzione dell’indice di acquisizione.
9. Moltiplicare tutti i segnali di picco della membrana e dei globuli rossi per l’inverso della funzione di decadimento esponenziale adattata per il rispettivo indice di acquisizione.
10. Adattare i segnali corretti della membrana e dei globuli rossi in funzione del loro tempo di ritardo a un modello di assorbimento del gas Xenon. I due modelli più comunemente usati sono quelli proposti da Patz et ^al.24 e Chang et al.25,37,38. In genere analizziamo i dati utilizzando il modello Patz.
11. Adattalo a uno dei due modelli per ottenere il rapporto superficie/volume alveolare, lo spessore apparente della parete del setto alveolare e il tempo di transito capillare. Inoltre, il modello di scambio Xenon (MOXE) proposto da Chang et al. fornisce lo spessore della barriera tra i vasi e il volume alveolare, nonché l’ematocrito.

Representative Results

Discussion

La spettroscopia RM HXe CSSR è una potente tecnica per valutare diverse metriche di funzionalità polmonare che sarebbero difficili o impossibili da quantificare in vivo utilizzando qualsiasi altra modalità diagnostica esistente²⁴. Tuttavia, l’acquisizione e la successiva analisi dei dati si basano su alcune ipotesi sulle condizioni fisiologiche e sui parametri tecnici che non sono mai del tutto raggiungibili nei soggetti viventi. Queste limitazioni e il loro impatto sull’interpretazione delle metriche estratte saranno discusse di seguito.

La tecnica CSSR è tipicamente implementata come misura globale senza codifica spaziale, come descritto nel protocollo precedente. Pertanto, qualsiasi segnale Xenon-129 all’interno del volume sensibile della bobina del ricevitore, indipendentemente dalla sua origine, contribuisce ai dati di misurazione e sarà implicitamente associato ai parametri di funzione polmonare estratti del parenchima polmonare. A causa dell’elevato rapporto superficie/volume all’interno degli spazi aerei alveolari, che facilita alti tassi di scambio di gas tra tessuti e volumi di gas, la maggior parte del segnale DP dello xenon-129 è effettivamente confinato in questa regione. Tuttavia, lo stesso non vale per il segnale GP. Infatti, le vie aeree conduttrici costituiscono circa il 15% del volume polmonare totale e, a seconda delle dimensioni del soggetto e del posizionamento della bobina, potrebbe essere necessario tenere parzialmente conto anche dei volumi della trachea superiore, della bocca e della cavità nasale. La distribuzione spaziale del gas Xenon-129 al momento dell’acquisizione dei dati è rilevante per diversi motivi, a partire dalla calibrazione. Poiché il campo B0 del magnete principale e il campo B1 della bobina di trasmissione/ricezione RF variano spazialmente, i contributi del segnale dall’esterno della regione primaria di interesse, cioè il volume polmonare, possono influire sia sulla calibrazione della frequenza che su quella della tensione. Per mitigare questi problemi, è altamente consigliabile eliminare il gas Xenon dalle vie aeree inseguendo la dose di Xenon con una successiva inalazione di azoto o aria ambiente.

Una calibrazione accurata incontra ulteriori complicazioni a causa delle potenziali non linearità dell’amplificatore e delle limitazioni nella potenza massima di uscita dell’amplificatore RF. L’applicazione di più impulsi di saturazione RF ad alto angolo di ribaltamento può portare a valori SAR eccessivi, in particolare quando si utilizzano bobine toraciche di grande volume o si opera a intensità di campo superiori a 1,5 T. Nei nostri studi, i requisiti di tensione per la bobina RF del giubbotto erano sufficientemente bassi da raggiungere angoli di inversione di 90° utilizzando un amplificatore RF da 4 kW per tutti i soggetti tranne i più grandi, senza superare i limiti SAR. Tuttavia, a seconda delle configurazioni hardware specifiche del sito, potrebbero essere necessarie ulteriori ottimizzazioni della sequenza. Questi potrebbero comportare l’aumento della lunghezza degli impulsi di saturazione RF applicati, la modifica del tempo di ripetizione dell’acquisizione o la regolazione dell’angolo di inversione degli impulsi. Quest’ultimo aspetto è particolarmente preoccupante perché la qualità dell’acquisizione CSSR dipende fortemente dall’effettiva saturazione del segnale DP attraverso l’applicazione di uno o più impulsi di saturazione RF a 90°. Deviazioni significative da questo valore ideale possono portare a segnali DP artificialmente elevati con tempi di ritardo brevi, compromettendo così la qualità di adattamento del modello analitico di assorbimento del gas.

Un altro potenziale problema è che le ampiezze assolute del segnale HXe MRI non hanno alcun significato intrinseco e possono essere interpretate solo a seguito di una qualche forma di normalizzazione. In pratica, questo si ottiene comunemente dividendo i segnali DP acquisiti per il segnale GP, supponendo che tutti i segnali provengano dalla stessa posizione. Infine, il segnale GP dall’esterno del parenchima polmonare ha diverse dinamiche temporali, principalmente a causa del movimento cardiogeno che spinge periodicamente il gas Xenon su e giù per le principali vie aeree, causando fluttuazioni del picco GP in ampiezza e larghezza³⁹. Tuttavia, molti di questi problemi possono essere superati negli studi in apnea istruendo il soggetto a continuare a inalare aria ambiente o azoto dopo la somministrazione del bolo gassoso Xenon-129. Negli studi sulla respirazione libera, d’altra parte, la dinamica del segnale è dominata dal movimento di massa del gas Xenon-129 durante il ciclo respiratorio e l’acquisizione ripetuta dell’assorbimento di gas durante la misurazione media di molte delle potenziali distorsioni in una singola misurazione in apnea. Tuttavia, il metodo della respirazione libera è ancora in fase di sviluppo e presenta alcuni inconvenienti. Rispetto alla tecnica di trattenimento del respiro, richiede una configurazione più complessa e consuma più gas Xenon. Date queste limitazioni, è probabile che questo approccio sia riservato ai casi in cui gli studi in apnea non sono pratici, come per i pazienti critici, i bambini di età inferiore ai 6 anni e gli studi sugli animali a lungo termine che lottano per mantenere una tenuta ermetica delle vie aeree. Ad oggi, non sono stati condotti studi comparativi sull’uomo. Tuttavia, gli studi esistenti sui conigli suggeriscono che non dovremmo prevedere differenze significative nelle metriche tra i metodi di apnea e respirazione libera²¹. Il dispositivo di ventilazione utilizzato per gli studi sulla respirazione libera, sebbene non disponibile in commercio, consente la somministrazione precisa di piccole dosi di Xenon ben definite. Detto questo, questa attrezzatura specializzata non è obbligatoria. È anche praticabile un approccio più semplice che utilizza un flusso continuo di gas Xenon miscelato con aria ambiente o ossigeno, anche se è probabile che comporti un maggiore spreco di xeno iperpolarizzato.

A differenza degli studi sulla respirazione libera, in cui i tempi di ritardo dopo ogni saturazione della magnetizzazione DP sono ordinati in sequenza, le misure in apnea offrono una maggiore flessibilità nella tempistica delle singole acquisizioni spettrali. Variare l’ordine dei tempi di ritardo brevi, intermedi e lunghi nel corso di un’acquisizione in apnea offre diversi vantaggi rispetto agli accordi sequenziali da breve a lungo o da lungo a corto. Per prima cosa, anche durante una perfetta apnea, sia il movimento polmonare di massa indotto dal battito cardiaco che le variazioni pulsatili del volume del sangue e della velocità del flusso danno origine a fluttuazioni nel segnale DP che sono in parte mediate da un ordinamento non sequenziale dei tempi di ritardo. Inoltre, nel caso in cui il soggetto espiri prima che tutti i dati siano stati raccolti, è necessaria una durata minima di apnea più breve per ottenere un numero sufficiente di punti di campionamento lungo la curva di assorbimento per consentire l’adattamento del modello analitico di appropriazione. Un’altra potenziale fonte di bias è la depolarizzazione eterogenea della magnetizzazione GP per tempi di ritardo intermedi e lunghi in regioni con spessore della parete del setto alveolare superiore alla media rispetto alle regioni con pareti più sottili della media. Man mano che la misurazione procede, i volumi polmonari con elevata depolarizzazione GP contribuiscono sempre meno al segnale spettroscopico globale, il che significa che i punti di misurazione acquisiti successivamente in apnea corrispondono a uno spessore della parete del setto più sottile rispetto a quelli acquisiti in precedenza. Questa tendenza può essere in una certa misura contrastata acquisendo periodicamente dati allo stesso tempo di ritardo. Le variazioni del rapporto DP/GP durante l’apnea possono essere utilizzate per compensare la deriva verso uno spessore della parete del setto nasale apparente più sottile, come descritto al punto 12.9.

È importante sottolineare che lo spessore apparente della parete del setto alveolare non può essere estratto direttamente dalle misurazioni CSSR. Piuttosto, i modelli analitici di captazione si adattano a L²/D, dove L è lo spessore apparente della parete del setto nasale e D è la costante di diffusione dello xeno all’interno di quella parete, mentre D è solitamente stimato nell’intervallo 3 – 3,3 • ^10-6 cm²/s, il suo valore esatto e la distribuzione all’interno della parete alveolare non sono noti. Inoltre, non è noto se o quanto la D cambi con i modelli di malattia come l’edema interstiziale o le alterazioni del tessuto fibrotico. Inoltre, è probabile che il gas Xenon stesso non sia distribuito in modo omogeneo all’interno della parete alveolare, poiché lo xeno è lipofilo e la sua solubilità chimica varia tra i diversi sottocompartimenti e strutture che compongono la parete del setto. Inoltre, è probabile che i cambiamenti patologici nello spessore apparente della parete del setto siano spazialmente eterogenei a livello macroscopico e la spettroscopia CSSR produce solo metriche medie globali. Quindi, mentre è stato dimostrato ripetutamente che la metrica derivata dal CSSR dello spessore apparente della parete del setto alveolare è altamente sensibile ai cambiamenti patologici nella struttura alveolare, quando tutti questi fattori vengono considerati insieme diventa evidente che la metrica è sufficientemente diversa dallo spessore della parete anatomica del setto nasale istologicamente determinato, impedendo un confronto diretto o una convalida di questi due parametri.

Per coloro che sono nuovi nel campo della risonanza magnetica dei gas iperpolarizzati, e in particolare della spettroscopia RM CSSR, sono disponibili diversi passaggi per la risoluzione dei problemi se una misurazione non riesce. Un buon punto di partenza è consultare il position paper del consorzio Xe-129 MRI clinical trials⁴⁰. Oltre ai potenziali problemi di alimentazione degli amplificatori SAR e RF già delineati, un problema comune è il rilevamento di poco o nessun segnale xeno. Per escludere malfunzionamenti del polarizzatore, fare riferimento alle istruzioni per l’uso fornite dal fornitore del dispositivo. Come rapida fase di controllo della qualità, posizionare il gas xeno erogato sopra la bobina ed eseguire una misurazione rudimentale di impulsi e acquisizioni utilizzando un impulso a bassa tensione all’interno del modulo di regolazione della sequenza sullo scanner; questo confermerà una magnetizzazione dello xeno sufficiente per l’imaging. Se viene rilevato un segnale allo xeno ma appare insolitamente basso nel polmone del soggetto, assicurarsi che tutte le valvole del dispositivo di ventilazione (se utilizzato) siano completamente aperte e che il soggetto stia eseguendo la corretta manovra respiratoria. Inoltre, testare l’eventuale Xenon erogato rimanente posizionandolo sulla bobina; il contenitore dello xeno potrebbe essere stato contaminato con ossigeno, depolarizzando rapidamente la magnetizzazione dello xeno. Infine, come controllo rapido della qualità della saturazione in fase disciolta, esaminare le curve di assorbimento dello xeno misurate (vedere la Figura 4). Se il segnale in fase disciolta con un tempo di ritardo di circa 100 ms non è 2,5 volte superiore rispetto a tempi di ritardo inferiori a 10 ms, la saturazione era probabilmente insufficiente. Verificare che la tensione degli impulsi RF applicati sia inferiore al massimo consentito per la bobina RF, poiché il superamento di questo limite potrebbe limitare l’angolo di inversione al di sotto del suo valore nominale.

Materials

Bi-directional Pneumotach 	B&B Medical AccutachTM
Chest Vest Coil	Clinical MR Solutions		Adult Size
Face Mask	Hans Rudolph	7450
Matlab	Mathworks	Release 2018a	Optimization Toolbox required
Physiological Monitoring System 	BIOPAC Systems Inc
Tedlar Bag	Jensen Inert Products		250-mL and 500-mL; specialised PVF bag
Xenon Polarizer	Xemed LLC	X-box E10 
Whole-body MRI Scanner	Siemens	1.5 T Avanto