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Articolo metodologico

Misura quantitativa della struttura e della funzione polmonare ottenuta dalla spettroscopia allo xeno iperpolarizzata

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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

In questo articolo

Sommario

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.

Introduzione

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 polarizzatatermicamente.

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 radiazioni30,31. 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 pediatrici33,34 o per i pazienti con grave malattia polmonare35,36. 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.

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Protocollo

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.

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Risultati

La Figura 2 illustra un tipico spettro di xeno osservato nel polmone umano durante un'apnea, dopo l'inalazione di 500 ml di dose di Xenon. Lo spettro mostra due regioni distinte, la risonanza GP intorno a 0 ppm e la regione DP, che consiste nel picco della membrana a circa 197 ppm e nel picco dei globuli rossi a circa 217 ppm. Le ampiezze di picco relative dipendono da una serie di fattori, tra cui la forma, la durata e la frequenza centrale dell'impulso di eccitazione RF, nonché il tempo di...

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Discussione

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 d...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni NIH R01HL159898 e R01HL142258.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Pneumotachia bidirezionaleB& B Medical AccutachTM
Chest Vest CoilSoluzioni di risonanza magnetica
Maschera faccialeHans Rudolph7450
MatlabMathworksRelease 2018aToolbox di ottimizzazione richiesto
Sistema di monitoraggio fisiologico BIOPAC Systems Inc
Tedlar BagJensen Inert Products250 mL e 500 mL; sacca PVF specializzata
Xenon PolarizzatoreXemed LLCX-box E10 
Scanner MRI per tutto il corpoSiemens1.5 T Avanto
clinica per adulti

Riferimenti

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