Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-11-10T13:20:00.000+00:00
Duration: 8 min 23 s
Description: 学ぶ過分極キセノン-129 MRIによるCSSR法を用いた肺機能評価と疾患モニタリングの手法。自由呼吸測定でガス交換を正確に定量化し、肺疾患の早期発見に貢献します。

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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。

過分極キセノン-129 MRIによる肺機能の評価

<ol><li>Albert, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biological+magnetic+resonance+imaging+using+laser-polarized+129Xe%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe.</a> Nature. 370 (6486), 199-201 (1994).</li>
<li>Happer, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+Pumping%5BTitle%5D)+AND+%22Rev+Mod+Phys%22%5BJournal%5D)">Optical Pumping.</a> Rev Mod Phys. 44 (2), 169-250 (1972).</li>
<li>Appelt, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theory+of+spin-exchange+optical+pumping+of+He-3+and+Xe-129%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+A%22%5BJournal%5D)">Theory of spin-exchange optical pumping of He-3 and Xe-129.</a> Phys Rev A. 58 (2), 1412-1439 (1998).</li>
<li>Hersman, F. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large+production+system+for+hyperpolarized+129Xe+for+human+lung+imaging+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Acad+Radiol%22%5BJournal%5D)">Large production system for hyperpolarized 129Xe for human lung imaging studies.</a> Acad Radiol. 15 (6), 683-692 (2008).</li>
<li>Parnell, S. R., Deppe, M. H., Parra-Robles, J., Wild, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhancement+of+Xe-129+polarization+by+off-resonant+spin+exchange+optical+pumping%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">Enhancement of Xe-129 polarization by off-resonant spin exchange optical pumping.</a> J Appl Phys. 108 (6), 064908(2010).</li>
<li>Norquay, G., Collier, G. J., Rao, M., Stewart, N. J., Wild, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%5E%7B129%7DXe-Rb+spin-exchange+optical+pumping+with+high+photon+efficiency%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+Lett%22%5BJournal%5D)">^{129}Xe-Rb spin-exchange optical pumping with high photon efficiency.</a> Phys Rev Lett. 121 (15), 153201(2018).</li>
<li>Mugler, J. P. 3rd, et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MR+imaging+and+spectroscopy+using+hyperpolarized+129Xe+gas%3A+preliminary+human+results%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">MR imaging and spectroscopy using hyperpolarized 129Xe gas: preliminary human results.</a> Magn Reson Med. 37 (6), 809-815 (1997).</li>
<li>Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Driehuys, B., Mugler, J. P. 3rd NMR of hyperpolarized (129)Xe in the canine chest: spectral dynamics during a breath-hold. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRuppert%2C+K+%22NMR+Biomed%22">NMR Biomed</a>. 13 (4), 220-228 (2000).</li>
<li>Butler, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+surface-area-to-volume+ratios+in+soft+porous+materials+using+laser-polarized+Xenon+interphase+exchange+nuclear+magnetic+resonance%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Condens+Matter%22%5BJournal%5D)">Measuring surface-area-to-volume ratios in soft porous materials using laser-polarized Xenon interphase exchange nuclear magnetic resonance.</a> J Phys Condens Matter. 14 (13), L297-L304 (2002).</li>
<li>Mansson, S., Wolber, J., Driehuys, B., Wollmer, P., Golman, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+diffusing+capacity+and+perfusion+of+the+rat+lung+in+a+lipopolysaccaride+disease+model+using+hyperpolarized+129Xe%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Characterization of diffusing capacity and perfusion of the rat lung in a lipopolysaccaride disease model using hyperpolarized 129Xe.</a> Magn Reson Med. 50 (6), 1170-1179 (2003).</li>
<li>Abdeen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+Xenon+diffusing+capacity+in+the+rat+lung+by+hyperpolarized+%28129%29Xe+MRI+and+dynamic+spectroscopy+in+a+single+breath-hold%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Measurement of Xenon diffusing capacity in the rat lung by hyperpolarized (129)Xe MRI and dynamic spectroscopy in a single breath-hold.</a> Magn Reson Med. 56 (2), 255-264 (2006).</li>
<li>Driehuys, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+alveolar-capillary+gas+transfer+using+hyperpolarized+129Xe+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+U+S+A%22%5BJournal%5D)">Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (48), 18278-18283 (2006).</li>
<li>Patz, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+pulmonary+imaging+and+spectroscopy+with+hyperpolarized+129Xe+at+0.2T%5BTitle%5D)+AND+%22Acad+Radiol%22%5BJournal%5D)">Human pulmonary imaging and spectroscopy with hyperpolarized 129Xe at 0.2T.</a> Acad Radiol. 15 (6), 713-727 (2008).</li>
<li>Qing, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+lung+function+in+asthma+and+COPD+using+hyperpolarized+129Xe+chemical+shift+saturation+recovery+spectroscopy+and+dissolved-phase+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+Biomed%22%5BJournal%5D)">Assessment of lung function in asthma and COPD using hyperpolarized 129Xe chemical shift saturation recovery spectroscopy and dissolved-phase MRI.</a> NMR Biomed. 27 (12), 1490-1501 (2014).</li>
<li>Stewart, N. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reproducibility+of+quantitative+indices+of+lung+function+and+microstructure+from+129+Xe+chemical+shift+saturation+recovery+%28CSSR%29+MR+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Reproducibility of quantitative indices of lung function and microstructure from 129 Xe chemical shift saturation recovery (CSSR) MR spectroscopy.</a> Magn Reson Med. 77 (6), 2107-2113 (2017).</li>
<li>Zhong, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+assessment+of+both+lung+morphometry+and+gas+exchange+function+within+a+single+breath-hold+by+hyperpolarized+%28129%29+Xe+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+Biomed%22%5BJournal%5D)">Simultaneous assessment of both lung morphometry and gas exchange function within a single breath-hold by hyperpolarized (129) Xe MRI.</a> NMR Biomed. 30 (8), (2017).</li>
<li>Kern, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Regional+investigation+of+lung+function+and+microstructure+parameters+by+localized+%28129%29+Xe+chemical+shift+saturation+recovery+and+dissolved-phase+imaging%3A+A+reproducibility+study%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Regional investigation of lung function and microstructure parameters by localized (129) Xe chemical shift saturation recovery and dissolved-phase imaging: A reproducibility study.</a> Magn Reson Med. 81 (1), 13-24 (2018).</li>
<li>Kern, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+of+regional+lung+microstructural+parameters+using+hyperpolarized+%28129%29+Xe+dissolved-phase+MRI+in+healthy+volunteers+and+patients+with+chronic+obstructive+pulmonary+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Mapping of regional lung microstructural parameters using hyperpolarized (129) Xe dissolved-phase MRI in healthy volunteers and patients with chronic obstructive pulmonary disease.</a> Magn Reson Med. 81 (4), 2360-2373 (2018).</li>
<li>Xie, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single+breath-hold+measurement+of+pulmonary+gas+exchange+and+diffusion+in+humans+with+hyperpolarized+%28129%29+Xe+MR%5BTitle%5D)+AND+%22NMR+Biomed%22%5BJournal%5D)">Single breath-hold measurement of pulmonary gas exchange and diffusion in humans with hyperpolarized (129) Xe MR.</a> NMR Biomed. 32 (5), e4068(2019).</li>
<li>Zanette, B., Santyr, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accelerated+interleaved+spiral-IDEAL+imaging+of+hyperpolarized+%28129%29+Xe+for+parametric+gas+exchange+mapping+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Accelerated interleaved spiral-IDEAL imaging of hyperpolarized (129) Xe for parametric gas exchange mapping in humans.</a> Magn Reson Med. 82 (3), 1113-1119 (2019).</li>
<li>Ruppert, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigating+biases+in+the+measurement+of+apparent+alveolar+septal+wall+thickness+with+hyperpolarized+129Xe+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Investigating biases in the measurement of apparent alveolar septal wall thickness with hyperpolarized 129Xe MRI.</a> Magn Reson Med. 84 (6), 3027-3039 (2020).</li>
<li>Zhang, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+evaluation+of+lung+injury+caused+by+PM%282.5%29+using+hyperpolarized+gas+magnetic+resonance%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Quantitative evaluation of lung injury caused by PM(2.5) using hyperpolarized gas magnetic resonance.</a> Magn Reson Med. 84 (2), 569-578 (2020).</li>
<li>Friedlander, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyperpolarized+%28129%29+Xe+MRI+of+the+rat+brain+with+chemical+shift+saturation+recovery+and+spiral-IDEAL+readout%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Hyperpolarized (129) Xe MRI of the rat brain with chemical shift saturation recovery and spiral-IDEAL readout.</a> Magn Reson Med. 87 (4), 1971-1979 (2022).</li>
<li>Patz, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+of+hyperpolarized+%28129%29Xe+in+the+lung%3A+a+simplified+model+of+%28129%29Xe+septal+uptake+and+experimental+results%5BTitle%5D)+AND+%22New+J+Phys%22%5BJournal%5D)">Diffusion of hyperpolarized (129)Xe in the lung: a simplified model of (129)Xe septal uptake and experimental results.</a> New J Phys. 13, 015009(2011).</li>
<li>Chang, Y. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MOXE%3A+a+model+of+gas+exchange+for+hyperpolarized+129Xe+magnetic+resonance+of+the+lung%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">MOXE: a model of gas exchange for hyperpolarized 129Xe magnetic resonance of the lung.</a> Magn Reson Med. 69 (3), 884-890 (2013).</li>
<li>Stewart, N. J., Parra-Robles, J., Wild, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Finite+element+modeling+of+%28129%29Xe+diffusive+gas+exchange+NMR+in+the+human+alveoli%5BTitle%5D)+AND+%22J+Magn+Reson%22%5BJournal%5D)">Finite element modeling of (129)Xe diffusive gas exchange NMR in the human alveoli.</a> J Magn Reson. 271, 21-33 (2016).</li>
<li>Ruppert, K., Qing, K., Patrie, J. T., Altes, T. A., Mugler, J. P. 3rd <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+hyperpolarized+Xenon-129+MRI+to+quantify+early-stage+lung+disease+in+smokers%5BTitle%5D)+AND+%22Acad+Radiol%22%5BJournal%5D)">Using hyperpolarized Xenon-129 MRI to quantify early-stage lung disease in smokers.</a> Acad Radiol. 26 (3), 355-366 (2019).</li>
<li>Kern, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigating+short-time+diffusion+of+hyperpolarized+%28129%29+Xe+in+lung+air+spaces+and+tissue%3A+A+feasibility+study+in+chronic+obstructive+pulmonary+disease+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Investigating short-time diffusion of hyperpolarized (129) Xe in lung air spaces and tissue: A feasibility study in chronic obstructive pulmonary disease patients.</a> Magn Reson Med. 84 (4), 2133-2146 (2020).</li>
<li>Stewart, N. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+validation+of+the+hyperpolarized+%28129%29+Xe+chemical+shift+saturation+recovery+technique+in+healthy+volunteers+and+subjects+with+interstitial+lung+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Experimental validation of the hyperpolarized (129) Xe chemical shift saturation recovery technique in healthy volunteers and subjects with interstitial lung disease.</a> Magn Reson Med. 74 (1), 196-207 (2015).</li>
<li>Fox, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+radiation+induced+lung+injury+in+rats+using+dynamic+hyperpolarized+%28129%29Xe+magnetic+resonance+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Phys%22%5BJournal%5D)">Detection of radiation induced lung injury in rats using dynamic hyperpolarized (129)Xe magnetic resonance spectroscopy.</a> Med Phys. 41 (7), 072302(2014).</li>
<li>Li, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+evaluation+of+radiation-induced+lung+injury+with+hyperpolarized+Xenon+magnetic+resonance%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Quantitative evaluation of radiation-induced lung injury with hyperpolarized Xenon magnetic resonance.</a> Magn Reson Med. 76 (2), 408-416 (2016).</li>
<li>Ruppert, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detecting+pulmonary+capillary+blood+pulsations+using+hyperpolarized+Xenon-129+chemical+shift+saturation+recovery+%28CSSR%29+MR+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Detecting pulmonary capillary blood pulsations using hyperpolarized Xenon-129 chemical shift saturation recovery (CSSR) MR spectroscopy.</a> Magn Reson Med. 75 (4), 1771-1780 (2016).</li>
<li>Walkup, L. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Feasibility%2C+tolerability+and+safety+of+pediatric+hyperpolarized+129Xe+magnetic+resonance+imaging+in+healthy+volunteers+and+children+with+cystic+fibrosis%5BTitle%5D)+AND+%22Pediatr+Radiol%22%5BJournal%5D)">Feasibility, tolerability and safety of pediatric hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in healthy volunteers and children with cystic fibrosis.</a> Pediatr Radiol. 46 (12), 1651-1662 (2016).</li>
<li>Willmering, M. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pediatric+%28129%29+Xe+gas-transfer+MRI-feasibility+and+applicability%5BTitle%5D)+AND+%22J+Magn+Reson+Imaging%22%5BJournal%5D)">Pediatric (129) Xe gas-transfer MRI-feasibility and applicability.</a> J Magn Reson Imaging. 56 (4), 1207-1219 (2022).</li>
<li>Amzajerdian, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+quantification+of+hyperpolarized+Xenon-129+ventilation+and+gas+exchange+with+multi-breath+Xenon-polarization+transfer+contrast+%28XTC%29+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Simultaneous quantification of hyperpolarized Xenon-129 ventilation and gas exchange with multi-breath Xenon-polarization transfer contrast (XTC) MRI.</a> Magn Reson Med. 90 (6), 2334-2347 (2023).</li>
<li>Niedbalski, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utilizing+flip+angle%2FTR+equivalence+to+reduce+breath+hold+duration+in+hyperpolarized+%28129%29+Xe+1-point+Dixon+gas+exchange+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Utilizing flip angle/TR equivalence to reduce breath hold duration in hyperpolarized (129) Xe 1-point Dixon gas exchange imaging.</a> Magn Reson Med. 87 (3), 1490-1499 (2022).</li>
<li>Chang, Y. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+a+quantitative+understanding+of+gas+exchange+in+the+lung%5BTitle%5D)+AND+%22arXiv%22%5BJournal%5D)">Toward a quantitative understanding of gas exchange in the lung.</a> arXiv. , (2010).</li>
<li>Chang, Y. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+human+lung+structure+and+physiology+using+hyperpolarized+129Xe%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">Quantification of human lung structure and physiology using hyperpolarized 129Xe.</a> Magn Reson Med. 71 (1), 339-344 (2014).</li>
<li>Collier, G. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+cardiogenic+flow+oscillations+in+healthy+subjects+with+hyperpolarized+3He+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Physiol%22%5BJournal%5D)">Observation of cardiogenic flow oscillations in healthy subjects with hyperpolarized 3He MRI.</a> J Appl Physiol. 119 (9), 1007-1014 (2015).</li>
<li>Niedbalski, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protocols+for+multi-site+trials+using+hyperpolarized+%28129%29+Xe+MRI+for+imaging+of+ventilation%2C+alveolar-airspace+size%2C+and+gas+exchange%3A+A+position+paper+from+the+%28129%29+Xe+MRI+clinical+trials+consortium%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">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.</a> Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).</li>
</ol>

著者には、開示すべき利益相反はありません。

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...

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。CSSRは、周波数特異的な高周波(RF)パルスを使用して、肺組織や血液に溶解したキセノンの磁化を選択的に飽和させることを含みます。その後、溶存相(DP)信号が空域内の新鮮な過分極キセノンガスとミリ秒の時間スケールで交換されるときに回復することは、肺実質に関する重要な機能情報を提供します。
2000年代初頭に開発されて以来、CSSR分光法の背後にある技術は、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23に徐々に洗練されてきました。さらに、キセノン取り込み曲線のモデリングの進歩により、肺胞壁の厚さや肺通過時間10,24,25,26などの特定の生理学的パラメータの抽出が可能になりました。研究によると、臨床的に健康な喫煙者27、慢性閉塞性肺疾患(COPD)18,27,28、線維症29、放射線誘発性肺損傷30,31を含むさまざまな肺疾患に見られる肺の異常の形で、肺の微細構造とガス交換効率の微妙な変化に対するCSSRの感受性が示されています.CSSR分光法は、心周期32中の拍動性血流に対応するDP信号の振動を検出するためにも感度が高いことが実証されています。
大きな進歩が見られた一方で、臨床MRIシステムにCSSR分光法を実装するには、実際的な課題が残っています。10秒に近づく単回投与の息止めを必要とするスキャン時間は、小児被験者33,34または重度の肺疾患患者35,36には長すぎる可能性があります。さらに、飽和遅延時間の順序や溶解相飽和の有効性などの取得パラメータが適切に最適化されていない場合、この手法は測定バイアスの影響を受けやすい21。これらの制限に対処し、CSSRをより広範な研究コミュニティが利用できるようにするには、現在開発中の従来の息止めと自由呼吸の取得の両方について、明確で段階的なプロトコルが必要です。
この論文の目的は、HXeガスを使用して最適化されたCSSR MR分光法を実行するための詳細な方法論を提示することです。このプロトコルでは、キセノンガスの分極と送達、RFパルスキャリブレーション、シーケンスパラメータの選択、被験者の準備、データ取得、およびデータ解析の主要なステップについて説明します。実験結果の例を掲載します。この包括的なガイドが、サイト間でのCSSR実装の基盤として機能し、さまざまな肺疾患における肺の微細構造変化を定量化するこの手法の可能性を最大限に引き出すのに役立つことが期待されています。

<table><tbody><tr><td>双方向ニューモタック&nbsp;</td><td>B&B Medical AccutachTM</td><td></td><td></td></tr><tr><td>チェストベスト コイル</td><td>クリニカル MR ソリューション</td><td></td><td>アダルト サイズ</td></tr><tr><td>フェイス マスク</td><td>Hans Rudolph</td><td>7450</td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td>Release 2018a</td><td>Optimization Toolbox 必要な</td></tr><tr><td>生理学的モニタリング システム&nbsp;</td><td>BIOPAC Systems Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tedlar Bag</td><td>Jensen Inert Products</td><td></td><td>250-mL and 500-mL; 専用 PVF バッグ</td></tr><tr><td>Xenon Polarizer</td><td>Xemed LLC</td><td>X-box E10&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>全身MRIスキャナー</td><td>Siemens</td><td>1.5 T Avanto</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Quantitative Measure of Lung Structure and Function Obtained from Hyperpolarized Xenon Spectroscopy

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。

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...

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。

Hyperpolarized Xenon-129 (HXe) magnetic resonance imaging (MRI) provides tools for obtaining 2- or 3-dimensional maps of lung ventilation patterns, gas ...

私たちの研究は、129 MRI技術の過分極を使用して肺機能を評価し、肺疾患を調査することに焦点を当てています。主な目的は、このイメージング技術がさまざまな肺の状態の検出、理解、追跡にどのようにつながるかを確認することです。ほとんどの過分極肺MRイメージングは、息止め中に行われます。このような人工的な条件下で定量化された肺機能は、通常の呼吸中のガス交換を完全に反映していない可能性があると考えており、息止めを必要としない新しい自由呼吸測定をテストしています。現在の課題には、生理学的変動と患者のコンプライアンスに直面しても一貫性と精度を確保するためのCSSR取得技術の最適化が含まれます。重症患者や小児患者は、長時間の息止めを維持するのに苦労しています。CSSR心臓技術は、歯槽中隔壁の厚さの変化に特に敏感であるようです。私たちやその分野の他の人々が示しているように、歯槽壁の肥厚は、間質性浮腫、炎症、または肺線維症の存在を示している可能性があります。CSSR分光法の取得から得られるすべてのメトリクスは、現在、信号振幅の時間的ダイナミクスに基づいています。しかし、将来的には、ピーク形状と中心周波数の変化を解析に含めて、進行中のガス交換プロセスの全体像をより完全に把握したいと考えています。

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