Method Article

過分極キセノン分光法による肺の構造と機能の定量的測定

DOI:

10.3791/66038

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November 10th, 2023

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1Department of Radiology, University of Pennsylvania

In This Article

Summary

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この原稿では、過分極Xenon-129化学シフト飽和回復法(CSSR)を使用して肺ガス交換を追跡し、見かけ上の肺胞中隔壁の厚さを評価し、表面と体積の比率を測定するための詳細なプロトコルを示しています。この方法は、肺疾患の診断と監視の可能性を秘めています。

Abstract

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過分極キセノン-129(HXe)磁気共鳴画像法(MRI)は、肺の換気パターン、ガス拡散、肺実質によるキセノン取り込み、およびその他の肺機能指標の2次元または3次元マップを取得するためのツールを提供します。しかし、空間的な解像度と時間的な解像度をトレードすることで、肺キセノンガス交換をミリ秒単位で追跡することも可能になります。この記事では、そのような手法の1つである化学シフト飽和回復(CSSR)MR分光法について説明します。これは、毛細血管の血液量、中隔壁の厚さ、および肺胞の表面と体積の比率を評価するためにどのように使用できるかを示しています。印加された無線周波パルス(RF)のフリップ角度は、慎重に較正されました。被験者にガスを投与するために、単回投与の息止めおよび複数回の自由呼吸プロトコルが採用されました。吸入されたキセノンガスが肺胞に到達すると、一連の90°RFパルスが印加され、肺実質に蓄積されたキセノン磁化が最大限に飽和するようにしました。可変遅延時間の後、スペクトルを取得して、肺胞ガス量と肺の組織コンパートメントとの間のガス交換によるキセノン信号の再成長を定量化しました。次に、これらのスペクトルを、複雑な疑似Voigt関数を3つの主要なピークに当てはめることによって分析しました。最後に、遅延時間依存のピーク振幅を1次元の分析ガス交換モデルに当てはめて、生理学的パラメータを抽出しました。

Introduction

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過分極キセノン-129(HXe)磁気共鳴画像法(MRI)1は、肺の構造、機能、およびガス交換プロセスに関する独自の洞察を提供する技術です。HXe MRIは、スピン交換光ポンピングによってキセノンガスの磁化を劇的に増幅することにより、熱偏光キセノンMRIと比較して、信号対雑音比を桁違いに改善します2,3,4,5,6。この過分極により、従来の熱分極MRI7では検出できなかった、肺組織や血液へのキセノンガスの取り込みを直接可視化し、定量化することができます。

化学シフト飽和回復(CSSR)MR分光法8,9,10,11,12,13は、最も価値のあるHXe MRI技術の1つであることが証明されています。

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Protocol

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注:ここで説明する過分極Xenon-129 CSSR MR分光法は、動物やヒトのイメージングに一般的に使用されていますが、以下のプロトコルはヒトの研究のみを対象としています。すべてのイメージングプロトコルは、FDAの比吸収率(SAR)制限(4 W / kg)に準拠しており、ペンシルベニア大学の治験審査委員会によって承認されました。インフォームドコンセントは各被験者から得られました。

1. パルスシーケンス設計

  1. 息止め測定と自由呼吸測定のどちらを行うかを決定します。
    注:息止めの取得は、HXeガスの単回投与(500〜1000 mL)の吸入と、それに続くMRIデータが収集される10秒間の息止めのみを必要とするため、技術的に簡単です。ただし、非協力的な被験者(例:.、幼児)または重度の肺疾患の患者は、これほど長く息を止めることができないため、数分間で複数回の少量(~50 mL)を吸入する自由呼吸の獲得が推奨される場合があります。.
  2. 息止めCSSR MR分光法研究では、可変遅延時間を使用して柔軟性を最大限に高め、最大90°の高い励起フリップ角度を使用して最大のS/N比を実現します(図1A)。
    1. 1.5 T MRIスキャナーでDP磁化を飽和させるには、中心周波数、持続時間198 ppm、2.5 ms、218 ppm、2.5 ms、2パル....

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Results

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図2は、500mLのキセノン用量を吸入した後、息止め中にヒトの肺で観察される典型的なキセノンスペクトルを示しています。スペクトルは、0 ppm付近のGP共鳴と、約197 ppmの膜ピークと約217 ppmの赤血球ピークで構成されるDP領域の2つの異なる領域を示します。相対的なピーク振幅は、RF励起パルスの形状、持続時間、中心周波数、飽和と励起の間の遅延時間など、さまざまな要因に依存します。一般に、遅延が長くなるほど、DPピークはGPピークに対して大きくなります。これは、遅延が長いほど、キセノンの磁化が肺胞容積から肺実質に移動するのに時間がかかるためです。さらに、赤血球のピークは、年齢や疾患の重症度が増加するにつれて、膜のピークに比べて減少する傾向があります。

全肺キセノンスペクトルの場合、観測可能な共鳴の線形状はローレンツではありませんが、図3A-Bの実数および虚の溶解位相信号成分に示されているように、通常は複雑な疑似フォークト関.......

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Discussion

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HXe CSSR MR分光法は、他の既存の診断モダリティ24を使用してin vivoで定量化することが困難または不可能ないくつかの肺機能指標を評価するための強力な技術です。それにもかかわらず、取得とその後のデータ分析は、生きている被験者では決して完全に達成できない生理学的条件と技術的パラメータに関する特定の仮定に基づいています。これらの制限と、抽出されたメトリクスの解釈への影響については、以下で説明します。

CSSR手法は、通常、上記のプロトコルで説明したように、空間エンコーディングを使用しないグローバル測定として実装されます。したがって、レシーバーコイルの感度ボリューム内の任意のXenon-129信号は、その起源に関係なく、測定データに寄与し、肺実質の抽出された肺機能パラメータと暗黙的に関連付けられます。肺胞空域内の表面積と体積の比率が高いため、組織とガス体積との間の高いガス交換率が促進されるため、Xenon-129 DP信号の大部分は実際にはこの領域に限定されています。ただし、GP信号については同じことが当てはま.......

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Disclosures

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著者には、開示すべき利益相反はありません。

Acknowledgements

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この研究は、NIHの助成金R01HL159898およびR01HL142258によって支援されました。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
双方向ニューモタック B&B Medical AccutachTM
チェストベスト コイルクリニカル MR ソリューションアダルト サイズ
フェイス マスクHans Rudolph7450
MatlabMathworksRelease 2018aOptimization Toolbox 必要な
生理学的モニタリング システム BIOPAC Systems Inc
Tedlar BagJensen Inert Products250-mL and 500-mL; 専用 PVF バッグ
Xenon PolarizerXemed LLCX-box E10 
全身MRIスキャナーSiemens1.5 T Avanto

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Albert, M. S., et al. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370 (6486), 199-201 (1994).
  2. Happer, W. Optical Pumping. Rev Mod Phys. 44 (2), 169-250 (1972).
  3. Appelt, S., et al.

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Hyperpolarized Xenon MRILung Function MetricsChemical Shift SaturationGas Exchange MeasurementPulmonary Function AssessmentAlveolar Wall ThicknessCapillary Blood VolumeBreath Hold ProtocolFree Breathing StudyXenon Gas Inhalation

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