Quantitative Measure of Lung Structure and Function Obtained from Hyperpolarized Xenon Spectroscopy(과분극 크세논 분광법에서 얻은 폐 구조 및 기능의 정량적 측정)

Summary

이 원고는 과분극 Xenon-129 화학적 이동 포화 회복(CSSR)을 사용하여 폐 가스 교환을 추적하고, 겉보기 폐포 중격 벽 두께를 평가하고, 표면 대 부피 비율을 측정하기 위한 자세한 프로토콜을 제시합니다. 이 방법은 폐 질환을 진단하고 모니터링할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

Abstract

과분극 제논-129(HXe) 자기 공명 영상(MRI)은 폐 환기 패턴, 가스 확산, 폐 실질에 의한 크세논 흡수 및 기타 폐 기능 지표에 대한 2차원 또는 3차원 지도를 얻기 위한 도구를 제공합니다. 그러나 시간적 해상도를 위해 공간적 변환기를 사용함으로써 ms 시간 척도에서 폐 크세논 가스 교환을 추적할 수도 있습니다. 이 기사에서는 이러한 기술 중 하나인 CSSR(Chemical Shift Saturation Recovery) MR 분광법에 대해 설명합니다. 이는 모세혈관 혈액량, 중격벽 두께 및 폐포의 표면 대 부피 비율을 평가하는 데 어떻게 사용할 수 있는지 보여줍니다. 적용된 무선 주파수 펄스(RF)의 플립 각도는 신중하게 보정되었습니다. 피험자에게 가스를 투여하기 위해 단일 용량 숨 참기 및 다중 용량 자유 호흡 프로토콜이 사용되었습니다. 흡입된 크세논 가스가 허파꽈리에 도달하면 일련의 90° RF 펄스가 적용되어 폐 실질에서 축적된 크세논 자화의 최대 포화를 보장했습니다. 가변적인 지연 시간에 따라, 폐포 가스 부피와 폐의 조직 구획 사이의 가스 교환으로 인한 크세논 신호의 재성장을 정량화하기 위해 스펙트럼을 획득했습니다. 그런 다음 이러한 스펙트럼은 복잡한 pseudo-Voigt 함수를 3개의 주요 피크에 피팅하여 분석되었습니다. 마지막으로, 지연 시간 종속 피크 진폭을 1차원 분석 가스 교환 모델에 장착하여 생리학적 매개변수를 추출했습니다.

Introduction

과분극 제논-129(HXe) 자기 공명 영상(MRI)¹은 폐 구조, 기능 및 가스 교환 과정에 대한 고유한 통찰력을 제공하는 기술입니다. 스핀 교환 광학 펌핑을 통해 크세논 가스의 자화를 극적으로 증폭시킴으로써 HXe MRI는 열 편광 된 크세논 MRI 2,3,4,5,6에 비해 신호 대 잡음비에서 큰 개선을 달성합니다. 이러한 과분극은 기존의 열분극 MRI⁷로는 검출할 수 없는 폐 조직과 혈액으로의 크세논 가스 흡수를 직접 시각화하고 정량화할 수 있습니다.

화학적 이동 포화 회복 (CSSR) MR 분광법 8,9,10,11,12,13은 가장 가치있는 HXe MRI 기술 중 하나로 입증되었습니다.

Protocol

참고: 여기에 설명된 과분극 Xenon-129 CSSR MR 분광법 기술은 동물 및 인간 이미징에 일반적으로 사용되지만 아래 프로토콜은 인간 연구만 참조합니다. 모든 이미징 프로토콜은 FDA 특정 흡수율(SAR) 제한(4W/kg)을 준수했으며 University of Pennsylvania의 Institutional Review Board에서 승인했습니다. 각 피험자로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다.

1. 펄스 시퀀스 설계

1. 숨 참기 또는 자유 호흡 측정을 수행할지 여부를 결정합니다.
   참고: 숨참기 획득은 HXe 가스를 1회 투여(500 - 1000mL)만 흡입한 후 MRI 데이터가 수집되는 동안 10초 동안 숨을 참기만 하면 되기 때문에 기술적으로 더 간단합니다. 그러나 비협조적인 피험자(예: 어린이) 또는 중증 폐 질환 환자는 이렇게 오래 숨을 참지 못할 수 있으므로 몇 분 동안 여러 번의 소량(~50mL)의 흡입을 수반하는 자유 호흡 습득이 권장될 수 있습니다.
2. 숨 참기 CSSR MR 분광법 연구의 경우 유연성을 극대화하기 위해 가변 지연 시간을 사용하고 최대 신호 대 잡음비를 위해 최대 90°의 높은 여기 플립 각도를 사용하십시오(

Results

그림 2는 500mL의 제논 용량을 흡입한 후 숨을 참는 동안 인간의 폐에서 관찰되는 전형적인 제논 스펙트럼을 보여줍니다. 스펙트럼은 약 0ppm의 GP 공명과 약 197ppm의 막 피크와 약 217ppm의 적혈구 피크로 구성된 DP 영역의 두 가지 별개의 영역을 표시합니다. 상대적 피크 진폭은 RF 여기 펄스의 모양, 지속 시간, 중심 주파수, 포화와 여기 사이의 지연 시간을 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 일반적으로 지연이 길수록 DP 피크가 GP 피크에 비해 커집니다. 이는 지연이 길수록 제논 자화가 폐포 부피에서 폐 실질로 전달되는 데 더 많은 시간을 허용하기 때문입니다. 또한, 적혈구 피크는 연령과 질병의 중증도가 증가함에 따라 막 피크에 비해 감소하는 경향이 있습니다.

전체 폐 크세논 스펙트럼의 경우, 관측 가능한 공명의 선 모양은 로렌치안이 아니지만 그림 3A-B

Discussion

HXe CSSR MR 분광법은 기존의 다른 진단 양식(²⁴)을 사용하여 생체 내에서 정량화하기 어렵거나 불가능한 여러 폐 기능 지표를 평가하기 위한 강력한 기술이다. 그럼에도 불구하고, 획득 및 후속 데이터 분석은 살아있는 피험자에서 완전히 달성할 수 없는 생리학적 조건 및 기술적 매개변수에 대한 특정 가정을 기반으로 합니다. 이러한 제한 사항과 추출된 메트릭의 해석에 미치는 영향은 아래에서 설명합니다.

CSSR 기법은 일반적으로 위의 프로토콜에 설명된 대로 공간 인코딩 없이 전역 측정으로 구현됩니다. 따라서 수신기 코일의 민감한 부피 내에 있는 모든 Xenon-129 신호는 출처에 관계없이 측정 데이터에 기여하며 폐 실질의 추출된 폐 기능 매개변수와 암시적으로 연결됩니다. 조직과 가스 부피 사이의 높은 가스 교환율을 촉진하는 폐포 공기 내의 높은 표면 대 부피 비율로 인해 대부분의 Xenon-129 DP 신호는 실제로 .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
양방향 Pneumotach	비& B Medical AccutachTM
가슴 조끼 코일	임상 MR 솔루션		어른용
얼굴 마스크	Hans Rudolph	7450
Matlab	Mathworks	릴리스 2018a	최적화 도구 상자 필요
생리학적 모니터링 시스템	BIOPAC Systems Inc
Tedlar Bag	Jensen Inert Products		250-mL 및 500-mL; 특수 PVF 백
Xenon Polarizer	Xemed LLC	X-box E10
전신 MRI 스캐너	Siemens	1.5 T Avanto