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방법 논문

기계적으로 환기된 마우스의 과분극 129Xe 폐 MRI 및 분광학

1.7K 조회수

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DOI:

10.3791/66924

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2024년 10월 11일

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1Center for Pulmonary Imaging Research, Division of Pulmonary Medicine, Cincinnati Children's Hospital Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering, University of Cincinnati, 3Imaging Research Center, Department of Radiology, Cincinnati Children's Hospital Medical Center, 4Analytical Technology Group, Aurorium, 5Division of Pulmonary, Critical Care, and Sleep Medicine, Department of Internal Medicine, University of Kansas Medical Center, 6Department of Bioengineering, University of Kansas, 7Hoglund Biomedical Imaging Center, University of Kansas Medical Center, 8Department of Pediatrics, University of Cincinnati, 9Division of Pulmonary Medicine, Cincinnati Children's Hospital Medical Center

이 논문에서

요약

과분극 크세논 MRI는 중개 연구 및 임상 치료에서 국소 폐 미세 구조(공기 공간 치수) 및 생리학(환기 및 가스 교환)을 정량화할 수 있습니다. 까다롭긴 하지만, 전임상 연구에서 비슷한 폐 관련 통찰력을 제공할 수 있습니다. 이 프로토콜은 생쥐에서 일상적인 크세논 폐 MRI를 수행하는 데 필요한 인프라와 절차를 설명합니다.

초록

과분극(HP) 크세논-129(129Xe)는 환기, 제한 확산(폐포-공역 크기) 및 가스 교환을 포함한 폐 생리학을 정량화하는 데 활용할 수 있는 고유한 스펙트럼 및 물리적 특성을 가진 흡입 자기 공명 영상(MRI) 조영제입니다. 인간의 경우 다양한 폐 질환에서 질병의 중증도와 진행을 평가하는 데 사용되었으며 미국과 영국에서 임상 사용이 승인되었습니다. 임상 응용 외에도 폐 병태생리학을 비침습적으로 평가하고 공간적으로 해결된 정보를 제공하는 129Xe MRI의 기능은 전임상 연구에 중요합니다. 동물 모델 중에서 마우스는 유전자 변형 질병 모델의 접근성으로 인해 가장 널리 사용됩니다. 여기서 129Xe MRI는 폐 질환의 진행과 치료 반응(예: 신약 개발)을 종단적으로 모니터링할 수 있는 최소 침습적이고, 방사선이 없으며, 민감한 기법으로 유망합니다. 이 기술은 MRI로 작동되는 자유 호흡 장치 또는 기계식 인공호흡기를 통합하여 가스를 전달함으로써 전임상 응용 분야로 확장될 수 있습니다. 여기에서는 품질 관리를 위한 열 편광 크세논 가스 팬텀 생성, 편광 최적화, 동물 취급(진정제, 삽관, 인공호흡 및 생쥐 관리) 및 인공호흡, 제한 확산 및 가스 교환 데이터를 위한 프로토콜을 포함하여 강력한 데이터 수집 및 분석을 보장하기 위한 단계를 설명하고 체크리스트를 제공합니다. 전임상 129Xe MRI는 다양한 동물 모델(예: 쥐, 돼지, 양)에 적용할 수 있지만, 이 프로토콜은 생쥐의 작은 해부학적 구조로 인해 발생하는 문제로 인해 생쥐에 초점을 맞추고 있으며, 이는 경제성과 많은 질병 모델의 가용성으로 균형을 이룹니다.

서론

폐 질환은 여전히 전 세계 이환율 및 사망률의 주요 원인이지만1, 지난 10년 동안 환자 예후가 극적으로 개선되었습니다. 이러한 개선은 부분적으로 두 가지 요인에 의해 주도됩니다. 첫째, 제3상 임상시험은 이제 폐 기능의 변화를 사망률보다 종점으로 우선시하여 약물 임상시험을 가속화하고 있습니다 2,3,4,5. 둘째, 개선된 동물 모델의 발전은 질병 메커니즘에 대한 통찰력을 제공하고 치료 개발을 도왔습니다 6,7. 마우스 모델은 인간과 생리학적으로 유사하고, 경제성이 높으며, 질병이 빠르게 발병할 수 있기 때문에 중개 연구에 선호되는 경우가 많습니다. 유전 공학은 사용 가능한 모델의 범위와 품질을 확장했으며, International Mouse Strain Resource는 현재 32,000개 이상의마우스 균주8를 자랑하는 반면 4,218개의 쥐 균주를 자랑합니다(Rat Genome Database9). 이러한 모델은 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)10, 낭포성 섬유증(CF)11, 폐섬유증(pulmonary fibrosis)12,13, 폐고혈압(pulmonary hypertension) 14,15, 천식16을 포함한 다양한 폐 질환에 대한 기계론적 동인과 치료 반응을 조사하기 위한 새로운 길을 열었습니다.

불행히도 생쥐를 대상으로 한 폐 연구는 질병 부담을 정량화하는 데 사용할 수 있는 기술에 의해 제한됩니다. 연구는 종종 1) 전체 폐 정보(생화학적 분석) 또는 국소 정보(조직학)를 제공하고 2) 단면 설계와 큰 표본 크기를 요구하는 터미널 절차에 의존합니다. 따라서 그들은 공간적 또는 시간적 질병 역학을 포착하지 못합니다. 대조적으로, 비침습적 3차원 이미징은 시간이 지남에 따라 폐의 구조, 분자 과정 및 기능을 평가할 수 있습니다.

폐 구조(예: 기도 이상 및 간질성 섬유증)는 고해상도의 초단음반향시간(UTE) MRI 및 마이크로컴퓨터 단층촬영(μCT)으로 시각화할 수 있습니다. 기능적 및 기계론적 정보(예: 인공호흡, 관류, 종양 대사 및 염증 과정)는 외인성 조영제(예: 크세논 강화 CT 및 산소 강화 UTE) 및 이온화 핵의학 접근법(즉, 양전자 방출 단층 촬영[PET] 및 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영[SPECT])을 통해 얻을 수 있습니다. 그러나 기능적 이미징은 정상 수준보다 높은 방사선 수준을 가진 이온화 양식을 사용하지 않고 사용할 수 있는 적당한 대비(특히 T1이 길어지는 전임상 MRI에 사용되는 높은 자기장 강도에서 산소 강화 UTE의 경우)로 인해 어렵습니다. 이러한 방식을 사용한 이미징은 기존 선량을 사용하는 동물 모델에서 잘 견디지만, 누적 방사선은 면역학, 염증 및 폐암에 대한 연구에서 결과를 혼란스럽게 할 수 있습니다17. 그러나 과분극(HP) xenon-129(129Xe) 자기 공명 영상(MRI)은 최소 침습적, 비방사선 및 매우 민감한 구조 및 기능 정보를 제공합니다. 이 기술은 폐기종 18,19, 섬유증20, 폐암21, COPD22 및 방사선 유발 폐 손상23을 포함한 상태를 단일 또는 다중 시점에서 특성화하기 위해 전임상 연구에서 사용되었지만 전임상 환경에서는 활용도가 낮습니다.

일상적인 전임상 129Xe MRI를 사용하려면 기관 규제 지원, 과분극 장치, 129Xe 조정 무선 주파수(RF) 코일 및 다중 핵 가능 스캐너를 포함한 몇 가지 전제 조건이 필요합니다. 고급 애플리케이션 24,25,26,27,28,29,30,31,32,33은 이 프로토콜의 범위를 벗어나는 공급업체별 펄스 프로그래밍을 필요로 하지만, 기본 애플리케이션은 약간의 소프트웨어 수정으로 달성할 수 있습니다. 따라서 우리는 전임상 129Xe MRI에 고유한 품질 관리, 자화 처리, 데이터 수집 및 기계 환기를 포함한 동물 취급 절차에 중점을 둡니다(그림 1).

현재까지 소동물 129Xe 이미징은 자유 호흡, 피스톤 구동 및 압력 강하의 장점과 단점이 있는 세 가지 MR 안전 가스 전달 방법을 채택했습니다. 자유로운 호흡은 삽관이나 기관절개술로 인한 부상의 위험 없이 자발적으로 흡입할 수 있지만, 훨씬 더 많은 HP 가스를 소비하고 운동 아티팩트를 유발할 수 있다34,35. 상용 피스톤 구동 장치는 자체 보정이 가능하고 즉시 사용하기 쉽지만 엄청나게 비쌀 수 있습니다36. 여기에 사용된 압력 강하 기반 접근 방식은 문헌에 잘 설명되어 있으며, 모듈식, 사용자 정의 가능 및 오픈 소스 코드37,38,39,40으로 실행됩니다. 또한 비용 효율적이며 일반적으로 총 $10k 미만이고 몇 주간의 전용 빌드 시간이 소요됩니다. 압력 강하 인공호흡기는 삽관된 마우스의 기도 압력을 모니터링하면서 가압 캐니스터 내의 투여 백에서 129Xe를 전달합니다.

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그림 1: 마우스에서 일상적인 xenon-129(129Xe) 자기 공명 영상(MRI)을 수집하기 위한 프로토콜 개요. (A) 초기 설정 단계. (참고: 스캐너 프로그래밍은 각 공급업체에 고유하며 이 프로토콜에 설명되어 있지 않습니다.) (B) 일일 품질 보증(QA) 및 동물 데이터를 수집하는 단계. (C) 성공적인 실험 결론 및 데이터 분석을 위한 단계. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

여기에서는 129Xe MRI 데이터의 세 가지 일반적인 등급인 환기, 확산 가중 영상(폐포-공역 크기) 및 가스 교환을 수집하고 분석합니다. 환기 이미지는 흡입된 129Xe 가스의 분포를 보여줍니다. 공기 흐름이 감소한 폐 영역은 HP 가스 이미지에서 어둡게 나타나며, 병리학은 결함이 있는 인공호흡의 양으로 정량화됩니다. 인간의 경우, 환기 결함 비율(VDP)은 강력한 반복성41,42과 COPD 43,44,45 및 천식 46,47과 같은 질병에서 폐폐색에 대한 높은 민감도를 보여주었습니다.

영공에서 129Xe 원자의 제한된 확산은 겉보기 확산 계수 (ADC)를 통해 측정 할 수 있으며 영공 크기에 대한 대리 장치 역할을합니다. ADC는 확산 가중치 없이 기준선 이미지(b0)와 바이폴라 구배 유도 확산 가중치(bN)가 있는 상태에서 획득된 하나 이상의 이미지를 획득하여 계산됩니다. ADC 상승은 노화 또는 폐기종 리모델링으로 인한 영공 크기의 증가를 반영합니다18,48. 또한, 다중 b-값 이미지(≥4)를 사용하면 보다 상세한 형태 측정 정보(예: 평균 선형 절편)를 계산할 수 있습니다49,50.

가스 교환은 1) 모세관 조직, 혈장 및 적혈구(적혈구)에서 129Xe의 용해도와 2) 이러한 구획에 용해될 때 129Xe의 >200ppm 다운필드 화학적 이동으로 인해 특성화될 수 있습니다. 분광 데이터와 영상 데이터 모두 심폐 질환(예: 폐고혈압 및 좌심부전 51,52,53)에 대한 통찰력을 제공합니다. 많은 종(인간, 개, 쥐)은 각 구획에서 발생하는 고유한 스펙트럼 피크를 나타내지만, 마우스는 헤모글로빈-크세논 결합 부위 상호 작용의 차이로 인해 고유한 적혈구 신호가 부족합니다. 대신에, 모든 용해된 성분은 마우스(54)에서 단일 신호로 결합된다. 그러나, 겸상적혈구질환 모델에 사용된 것과 같은 인간 헤모글로빈을 발현하는 형질전환 마우스에서 뚜렷한 RBC 공명을 관찰할 수 있다54. 전반적으로 용존 129Xe 분광법 및 이미징은 마우스55,56의 심폐 병태생리학에 대한 고유한 통찰력을 제공합니다.

이 프로토콜을 시도하기 전에 마우스 연구에 필요한 MRI 스캐너, 기계적 환기 및 마우스 취급 기술에 대한 배경 정보를 이해해야 합니다. 동물연구를 시작하기 전에 모든 절차는 지역 기관 동물 관리 및 사용 위원회(IACUC)57의 승인을 받아야 합니다. 마우스 폐에서 사용할 수 있는 총 자기 모멘트가 본질적으로 낮기 때문에(즉, 일회 호흡량 ~250μL) 복셀 크기는 해부학적으로 동일한 분해능을 얻기 위해 인간보다 1000배 작아야 합니다. 쥐의 호흡 속도도 매우 빠릅니다(>100회/분). 따라서 인체 이미징에 일반적으로 사용되는 단일 호흡 참기 절차는 실현 가능하지 않습니다. 대신, 각 호흡 내에 몇 개의 RF 여기(RF excitation)만 적용할 수 있으므로 수십 번에서 수백 번의 호흡에 걸쳐 129개의 Xe 이미지를 인코딩해야 합니다. 펄스 프로그래밍은 획득의 외부 트리거링을 허용하고 신호 대 잡음비(SNR), 해상도 및 스캔 기간의 균형을 맞추면서 슬라이스, 위상 인코딩 및/또는 확산 가중 이미지를 적절하게 루프하는 데 필요할 수 있습니다. 여기서 인공호흡기는 호흡당 한 번씩 트랜지스터-트랜지스터 로직(TTL) 펄스를 출력하여 데이터 수집을 트리거합니다(그림 2).

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그림 2: 대표적인 기계적 환기 및 데이터 수집 타이밍. (A) 사용자 제어 인공호흡은 말단 흡기 시, 호흡 참기 중 또는 호기 종료 시 데이터 수집을 트리거할 수 있습니다. (B) 이 3D 방사형 환기 시퀀스의 경우, 사용자는 획득된 총 돌출 수와 호흡당 투영 수를 정의합니다. (C) 슬라이스 선택적, 2D 확산 가중 이미지의 경우 사용자는 슬라이스, b-값 이미지 및 위상 인코딩의 순서를 정의합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

신뢰할 수 있는 인공호흡과 129Xe 전달을 위해서는 강력한 진정 및 삽관 절차가 필요합니다. 각 연구마다 분 환기, 심박수(HR) 및 혈압 58,59,60,61,62,63,64,65,66의 변화를 포함하여 각 마취제의 다운스트림 효과를 고려해야 합니다. 전임상 HP 가스 MRI에는 다양한 진정제가 사용되었지만 가용성, 비용 효율성, 신뢰성 및 지속 시간67,68로 인해 케타민, 자일라진 및 아세프로마진을 혼합하여 사용합니다. 진정제를 투여한 후에는 효과적인 기계적 환기를 위해 동물에게 삽관을 해야 합니다. 생쥐의 삽관은 해부학적 구조가 작기 때문에 어렵기 때문에 이 기술을 철저히 훈련하는 것이 중요합니다. 우리는 연구자들이 발표된 비디오 프로토콜69,70을 검토할 것을 권장합니다. 대부분의 상업용 삽관 캐뉼러에는 스테인리스강이 포함되어 있기 때문에 기도 직경에 맞게 사용자 정의하여 마우스 기관 벽과 기밀 밀봉을 생성할 수 있는 금속이 없는(즉, MRI 및 HP 가스 호환) 쐐기 모양의 캐뉼러를 제작하는 기술을 소개합니다.

129개의 Xe 영상이 여러 번의 호흡을 통해 수집되기 때문에 인공호흡기 설정이 매우 중요합니다. 폐 손상을 예방하기 위해 보호 환기 전략을 신중하게 고려해야 한다 71,72,73,74. 특히, 낮은 일회 호흡량(TV), 중등도의 호기말 양압(PEEP) 및 폐포 모집 조작(RM)의 사용은 인간 환자 및 동물 모델에서 인공호흡기로 인한 폐 손상의 위험을 줄입니다 75,76,77,78,79,80,81. 여기에서는 압력 강하 129Xe 기계 환기 장치와 호환되고 보호 기능이 있으며 충분한 129Xe 이미지 SNR을 제공하는 간단한 기술을 권장합니다. 구체적으로, 우리는 인공호흡기의 호기 라인에 상업용 PEEP 밸브를 추가하여 PEEP를 적용합니다. RM을 수행하려면 동물이 목표 압력과 지속 시간에 도달할 때까지 호기 없이 여러 번 흡입을 받을 수 있도록 호기 라인을 닫아야 합니다.

전반에 걸쳐 일반적인 환기 설정을 제공하지만 특정 연구 목표를 다루기 위해 문헌을 검토하는 것이 좋습니다82,83. 기계적 환기 중 최대 흡기 압력을 모니터링하는 것 외에도 표준 마우스 온도 모니터링 방법을 사용하여 수행할 수 있는 동물의 온도를 모니터링하는 것이 중요합니다. 이미징에 필요하지는 않지만 심전도(ECG)를 통해 심박수를 모니터링하는 것이 유리할 수 있습니다. ECG는 동물이 진정제에서 깨어났는지, 과다 복용 상태인지, 괴로워하는지 여부를 나타낼 수 있어 연구원이 개입할 수 있습니다.

우리가 설명하는 프로토콜은 129Xe 3D 방사형 환기 데이터(61), 2D GRE 확산 가중 데이터(76) 및 동적 펄스 획득 분광학 가스 교환 데이터를 수집하도록 설계되었습니다. 이 프로토콜은 소동물 모델의 전임상 연구와 129Xe MRI의 잠재력 사이의 격차를 해소하여 폐 질환에 대한 이해를 증진하는 것을 목표로 합니다.

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프로토콜

여기에 설명된 모든 방법은 신시내티 아동 병원 의료 센터의 기관 동물 관리 및 사용 위원회(IACUC)의 승인을 받았습니다.

1. 초기 현장 준비

  1. 열 편파된 129Xe 가스 팬텀을 만들고 테스트합니다(그림 3).
    1. 붕규산 유리 용기(~60mL), 전면 밀봉 O-링이 있는 플런저 밸브 및 최대 150psig 등급의 분쇄 붕규산 유리 스템을 구합니다. 자성 부품이 없는지 확인하십시오. 유리 스템에 압축 피팅을 부착합니다. 가스 밀폐 밀봉을 위해 조입니다.
    2. 그림 3A에 따라 용기를 진공 펌프와 산소 저장소에 연결합니다. 절대 압력이 100mTorr 미만인 진공 용기.
    3. 용기에 산소를 1.5기압의 압력으로 채우면 129Xe T1 이 > 30분에서 ~2초로 감소합니다(7T 자기장 강도에서; 9.4T 스캐너의 경우 1.6기압 산소 사용). 밀봉 용기.
      알림: 더 높은 전계 강도를 위해 T1≤ 2 s84를 달성하기 위해 다소 더 높은 산소 분압이 필요합니다.
    4. 기체 불투과성 용기에 동위원소가 풍부한 크세논 400mL(85% 129Xe)를 채웁니다.
      참고: 자연적 존재량 크세논(26% 129Xe)도 사용할 수 있지만 SNR의 ~3배 감소를 완화하려면 신호 평균화를 증가시켜야 합니다.
    5. 용기를 129Xe의 저장소에 연결하십시오. 절대 압력이 100mTorr 미만인 진공 튜브.
    6. 입을 벌리고 탁상형 액체 N2 Dewar를 ~90%까지 채웁니다. 용기 바닥(~5cm)을 액체 질소에 담궈 O2 를 응축하고 진공을 만듭니다(그림 3B). 물에 잠긴 상태에서 밸브를 열어 저장소에서 129Xe가 용기로 흘러 들어갈 수 있도록 합니다(그림 3C).
    7. 플런저의 유입 구멍이 O-링을 지나 당겨질 때까지 스템을 천천히 당겨 플런저 밸브를 밀봉합니다. 구멍이 O-링을 통과한 직후 손으로 조여 용기를 밀봉합니다. 액체 질소에서 용기를 제거하고 해동시킵니다.
      참고: 해동되면 용기는 ~4.5기압(2기압 O2 + 2.5기압 129Xe)으로 가압됩니다.
    8. 유리 제품을 보호합니다(예: 패딩 처리된 폴리염화비닐(PVC) 파이프 용기에 용기 삽입, 그림 3D).
      알림: 적절하게 유지 관리하면 팬텀은 10년 이상 압력을 유지할 수 있습니다.
    9. 팬텀의 T1 을 측정합니다(예: 분광 반전 복구 시퀀스 사용). 7 T 스캐너에 대해 T1 < 2 s를 확인합니다. 품질 보증(QA)을 위한 시간 경과에 따른 추적 신호 및 T1 .

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그림 3: 1.1단계에 자세히 설명된 프로토콜에 따라 안내되는 열 분극 129 Xe 가스 팬텀 생성. O2 및 129Xe 분압은 주어진 전계 강도84에서 적절한 129Xe T1 회 및 신호 강도를 산출하도록T1을 사용자 정의하도록 변경할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 열분극 가스 팬텀(thermally polarized gas phantom)으로 품질 보증을 수행합니다(표 1 및 그림 4).
    1. 129Xe 코일을 자석의 등심점에 놓고 129Xe 가스 팬텀을 코일 내의 중앙에 놓습니다. 단일 펄스 및 획득 시퀀스("단일 펄스")에서 팬텀의 대략적인 129Xe 가스 주파수(83.07T에서 ~7MHz)와 일치하도록 작동 주파수를 설정합니다.
    2. 획득 및 여기 주파수를 129Xe Larmor 주파수로 중심에 두고, 이 주파수를 모든 팬텀 보정 및 품질 관리 129Xe 스캔에 사용합니다. 모든 QA 스캔에 대한 실험 매개변수는 표 1 을 참조하십시오. 팬텀이 팬텀 로컬라이저의 중앙에 있는지 확인합니다(그림 4A).
    3. 플립 각도를 보정하기 위한 장동요법 실험 수행: SNR이 충분하다고 가정하고 반복 시간(TR) 간격이 5 x T1인 단일 RF 펄스를 사용합니다>. 각 수집에 대해 신호가 무효화되고 반전이 시작될 때까지 RF 전력을 점진적으로 증가시킵니다. 여기에 사용된 표준은 펄스 수 = 65입니다. TR = 10 초; 펄스 지속 시간 = 125μs; RF 전력 = 1-13.8W, 0.2W씩 증가
    4. 푸리에는 첫 번째 스펙트럼(즉, 가장 낮은 RF 전력으로 획득된 스펙트럼)을 변환하고 위상화합니다. 모든 스펙트럼에 대해 동일한 위상을 적용합니다. 실제 스펙트럼을 RF 펄스 전력의 함수로 플로팅합니다(그림 4B).
    5. 널 피크(즉, 최소 피크 높이)를 생성하는 전력은 180° 플립 각도에 해당합니다. 180° 플립 각도를 생성하는 데 필요한 펄스 길이의 절반에서 동일한 전력을 사용하여 90° 플립 각도를 달성합니다. 스캐너 소프트웨어가 허용한다고 가정하고 후속 플립 각도 조정을 위해 이 90° 기준 전력과 펄스 길이를 설정합니다.
    6. 단일 펄스를 사용하여 129Xe 스펙트럼의 최대 절반(TR ~ 1s)에서 전체 너비를 최소화하여 심(shim)합니다. 필요한 경우 shimming 후 주파수를 중심에 다시 맞춥니다. 전체 너비의 절반 최대값을 기록합니다.
    7. 129Xe QA 스캔을 실행합니다(표 1 및 그림 4C). QA 데이터 기록: SNR, 평균 팬텀 신호 및 노이즈의 표준 편차.

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그림 4: 사전 스캔 품질 보증. (A) 저해상도 2D GRE 코로나 팬텀 로컬라이저는 팬텀이 자석의 중앙에 오도록 합니다. (B) 90° 펄스를 설정하기 위한 장동화 실험은 180° 펄스에서 null 피크를 보여줍니다. (C) 플립 각도의 위치를 파악하고 보정한 후 더 높은 해상도의 2D GRE QA 이미지를 획득합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

프로토콜 약식 이름시퀀스 설명TR (밀리초)테네시(밀리초)평균 / 반복 횟수플립 각도 (°)행렬 크기 또는 Npts시야각(mm2)RF BW (kHz)슬라이스 / 슬래브 두께 (mm)검사 기간
단일 펄스펄스 획득10001 / 1602048101들
팬텀 로컬라이저2D 그레2003.720 / 14860 × 32120 × 483602 분
플립 각도 보정펄스 획득70001 / 652020485.127.5분
129의Xe 품질 보증2D 그레50003.38 / 190재질 보기 322재질 보기 32234021분

표 1: 팬텀 캘리브레이션 품질 보증 시퀀스 파라미터. TR = 반복 시간, TE = 에코 시간, Npts = 포인트 수, FOV = 시야, BW = 대역폭. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 편광을 계획합니다(그림 5A, B).
    1. 편광 129Xe 용량 및 축적 시간 선택: 이 프로토콜에는 15분에 400mL가 최적이지만(그림 5) 다른 응용 분야 및 장비에 맞게 쉽게 조정할 수 있습니다.
    2. 과분극자 내에서 알려진 데드 볼륨(dead volume)을 가정하고(예: Vdead vol = 80mL), 원하는 디스펜싱 볼륨 V에 대한 유속(SLM의 FXe), 129Xe 기체 분율 f 및 축적 시간 tacc를 계산합니다.
      figure-protocol-3(1)
      참고: 생산 시간이 길면 일반적으로 편광이 높아지지만 in vivo 이미징에는 실용적이지 않을 수 있습니다. 과분극기 85,86,87,88에 적합한 모델을 사용하여 생산 시간과 분극의 균형을 맞추는 유속을 결정하십시오. 여기에서는 J. W. Plummer et al.89(도 5A)의 모델을 사용하였다. 이는 연속-흐름 편광자에 적용되며, 정지-흐름 과분극자(90)에는 적용되지 않는다.
    3. 이러한 매개변수에 따라 가스를 분극화하고, 상업용 또는 가정용 장치로 분극을 측정하고, 이를 QA를 위해 예측된 분극과 비교합니다.
    4. 운송 중 분극 손실을 측정합니다. 편광이 충분히 많이 감소하면(예: >10%) 운송 중 편광을 보호할 수 있는 마그네틱 휴대용 케이스를 구축하십시오. 보충 파일 1: Managing polarization during transportation 및 보충 그림 1을 참조하십시오.

figure-protocol-4
그림 5: 편광 관리. (A) 편광과 생산량은 축적 시간과 유속의 함수입니다. 400mL 가스 백은 20분 동안 높은 초기 분극(~35%)을 제공합니다. 1L의 가스를 사용하는 것이 매력적으로 보일 수 있지만 초기 분극(~20%)이 더 낮습니다. (B) ~15분 환기 후 HP 129Xe 1리터 배치는 <10%로 고갈되는 반면 600mL의 가스는116으로 유지되었습니다. 따라서 129Xe의 400mL 백을 여러 개 사용하면 더 높은 평균 전달 편광을 유지할 수 있습니다. C) 기본 자기장과 활성 차폐장이 교차하는 위치((N,N,N) 위치의 빨간색 상자)는 HP 129Xe의 급격한 이완을 유발할 수 있습니다. 자석의 프린지 필드를 특성화하면 HP 129Xe의 저장소를 급격한 이완 없이 배치할 수 있는 안전 구역을 식별하는 데 도움이 됩니다((0,0,n) 위치의 녹색 상자). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 1: 운송 중 분극 관리. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 프린지 필드 내에서 HP 129Xe의 위치 종속 T1을 측정합니다(그림 5C).
    1. X, Y, Z 차원을 따라 자석 등중심을 기준으로 알려진 거리와 위치를 가진 참조점을 만듭니다. isocenter에 레이블을 지정하고 다른 위치에는 n부터 N까지 레이블을 지정합니다. 조사할 위치의 수는 사용 가능한 공간에 따라 다릅니다.
    2. 소량의 129Xe(~250 mL)를 과분극시켜 MRI 제어실로 운반합니다. 큰 주사기(50-100mL)에 129Xe를 채우고 자석 내의 등심점에 놓습니다(그림 5C의 위치 1). ~1° 플립 각도 펄스를 재생하여 신호를 측정합니다.
    3. 주사기를 ~10분 동안 제자리에 두었다가 다른 스펙트럼을 획득합니다. 신호가 최소 1 T1 감쇠할 때까지(즉, 신호가 초기 값의 ~1/3로 감소할 때까지) 10분마다 신호를 다시 측정합니다.
    4. 1.4.2단계를 반복하여 129Xe의 새 주사기로 새로운 T1 실험을 시작합니다.
    5. 주사기를 새 위치(예: 그림 5C의 위치 n)로 이동하고 10분 동안 그대로 둡니다. 주사기를 isocenter로 되돌려 추가 ~1° 플립 각도 스펙트럼을 얻습니다.
    6. 이 과정을 반복합니다: 주사기를 위치 n으로 옮기고, 10분 동안 기다렸다가 다시 등심원에 놓고, 적어도 1 T1에서 감소할 때까지 신호를 다시 측정합니다.
    7. X, Y 및 Z 방향을 포함하는 나머지 참조 위치에 대해 1.4.4 - 1.4.6 단계를 반복합니다.
    8. 초기 신호(S0)는 θ 플립 각도로 n개의 RF 펄스에서 단지수적으로 감소합니다. 신호(S)를 프린지 필드에 시간(t)의 함수로 피팅하여 각 위치에서 T1을 계산합니다.
      figure-protocol-5(2)
    9. 129Xe 저장소 배치를 위해 충분한 T1(>20분)이 있는 위치를 식별합니다.
  2. 금속이 없는 삽관 캐뉼러를 만듭니다(그림 6).
    1. Luer 커넥터가 있는 두 개의 정맥 내주 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 카테터를 얻습니다. 바늘은 날카로운 물건 폐기 용기에 버리십시오.
      참고: >25g 마우스의 경우 18G 및 20G 카테터를 사용합니다. 작은 동물의 경우 20G 및 22G 카테터를 사용하십시오.
    2. 카테터에서 Luer 커넥터를 자릅니다. 더 작은 카테터를 더 큰 카테터의 위쪽 끝에 공급하여 더 날카롭게 가늘어지고 더 긴 캐뉼라를 만듭니다. Luer 베이스를 포함하지 않고 끝이 비스듬한 복합 캐뉼라를 ~4.6cm로 자릅니다(그림 6A, B).
    3. 200μL 피펫 팁의 넓은 쪽 끝을 ~2.6cm 길이로 자릅니다(그림 6C).
    4. 피펫 팁 내부를 일반 이형 윤활제로 코팅합니다. 내부에 삽입된 다른 피펫 팁을 사용하여 윤활제를 얇게 분배합니다. 피펫 팁을 아세톡시 실리콘 가황 페이스트 에폭시로 채웁니다(그림 6D, E).
    5. 양쪽 끝에서 뻗어 있는 22G 와이어로 캐뉼라를 꽂습니다. 피펫 팁의 실리콘을 통해 캐뉼라 튜브를 공급합니다. 피펫 팁 끝을 지나 튜브를 ~7mm 연장합니다(그림 6F, G).
    6. 피펫 팁의 넓은 쪽에 있는 캐뉼라 튜브를 플라스틱 수 슬립 루어 커넥터를 통해 밀어 넣고 조각을 에폭시와 함께 붙입니다. Luer 커넥터를 지나 확장되는 튜브를 다듬습니다(그림 6H).
    7. 에폭시가 마를 때까지(>24시간) 기다린 다음 피펫 팁 몰드에서 실리콘 삽관 캐뉼라를 조심스럽게 제거합니다. 캐뉼러에서 와이어를 제거하여 튜브가 막히지 않았는지 확인합니다(그림 6I).
    8. 쉽게 삽관할 수 있는 손잡이를 만들려면 튜브(1/16" 또는 1/8")를 암 Luer 커넥터에 연결합니다. 삽관할 준비가 되면 이 암 Luer 커넥터를 남성 Luer 삽관 캐뉼라에 연결합니다. 이 조각은 삽관 후 쉽게 분리할 수 있습니다(그림 6J).
    9. 동물에게 사용하기 전에 소독하십시오 : 캐뉼라 외부를 70 % 알코올로 닦으십시오. 소독제로 20G 와이어를 닦은 다음 캐뉼라를 통해 와이어를 공급하여 내부를 소독하고 막힘이 없는지 확인합니다.

figure-protocol-6
그림 6: MRI 및 HP 129Xe 호환 마우스 삽관 캐뉼러 제작. 이러한 캐뉼러는 1.5단계에서 설명한 대로 정맥 카테터, 피펫 팁 및 실리콘 실란트로 구성됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 일일 데이터 수집

참고: 보충 파일 2: 전임상 스캔 QA 체크리스트를 참조하십시오.

보충 파일 2: 전임상 스캔 QA 체크리스트. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 일일 스캐너 품질 관리를 완료하고 인공호흡기를 설정합니다(그림 4).
    1. 팬텀을 사용하여 스캐너에서 QA 프로토콜을 실행합니다(QA 스캔 매개변수는 표 1 , 일일 품질 관리 단계는 1.2단계 참조).
    2. J. Nouls et al.38의 방법에 따라 인공호흡기를 보정합니다. 보충 파일 3: 인공호흡기 보정, 보충 그림 2 및 보충 그림 3을 참조하십시오.
    3. 말단 흡기에서 이미징을 위한 인공호흡기 설정을 지정합니다(표 2). 동물 침대를 스캐너 선반에 놓고 생명 유지 모듈(즉, 기계식 인공호흡기 부품)을 스캐너 옆 테이블에 놓습니다.
    4. 장소 특유의 동물 난방 시스템을 작동하세요. 히터를 35.5 - 40 °C로 설정하고, 순환 공기를 켠 다음, 스캐너의 구멍을 예열하기 위해 동물의 머리가 놓일 위치에서 ~5" 이내에 공기 호스를 놓습니다.
환기 설정HP 129Xe MRI 권장사항노트
일회식(TV)이상적인 체중의 8–10 mL/kg보통 TV; TV가 낮으면 더 높은 BR이 필요하므로 이미지에 모션 아티팩트가 발생할 수 있습니다.
호기말 양압(PEEP)2–6cmH2영형
호흡수(BR)80–120 BR/분
모집 기동(RM)~35cmH2O, 6초 동안 5분마다
환기 기간; 위치< 6 시간; 앙와위가슴의 움직임을 더 잘 볼 수 있도록 누운 자세
흡기 산소의 분율 (FIO2 )0.3–0.5마취된 마우스의 저산소증 예방
흡기 대 호기 비율(I:E)1:2–1:4
총 사이클 지속 시간에 대한 흡기0.2–0.4
미세한 환기≥0.57 mL·g-1·분-1
우리의 기준:
BR = 80 br/min, 흡기 지속 시간 = 200 ms, FIO2 = 0.3
흡기 종료 시 이미징: 숨 참기 = 200ms, 트리거 지연 = 흡기 시작 후 200ms
숨을 참는 동안 이미징: 숨을 참는 시간 = 250ms, 트리거 지연 = 흡기 시작 후 250ms
호기 종료 시 이미징: 호흡 참기 = 200ms, 트리거 지연 = 흡기 시작 후 650ms

표 2: 129Xe 이미징을 위한 권장 인공호흡기 설정. 매개변수는 특정 연구 목표 및 실험 조건 117,118,119,120,121,122,123,124에 맞게 미세 조정할 수 있습니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 3: 인공호흡기 교정. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 동물을 진정시키고 삽관하십시오.
    1. 인큐베이터를 27.7°C로 켜거나 전기 가열 패드를 37.7°C로 켭니다. 동물의 체질량을 측정하고 기록합니다. 질량을 기준으로 진정제 투여량을 계산합니다. 일반적인 투여 요법에 대해서는 표 3 을 참조하십시오.
    2. 진정제를 복강내로 주사합니다. 주사 시간을 기록하고 다음 진정제 투여를 위한 타이머를 설정하십시오.
      참고: 섹션 2(일일 데이터 수집)의 나머지 단계를 가능한 한 빨리 완료하여 진정제 투여 시간과 과다 복용 위험을 최소화하십시오.
    3. 동물의 눈에 눈 윤활제를 바르고 동물을 케이지에 넣어 발열 패드 또는 인큐베이터에 넣어 저체온증을 예방합니다.
    4. 진정제 주사 후 10-15분 후에 발가락 꼬집음 테스트를 수행하여 동물이 완전히 진정되었는지 확인합니다68. Das et al.69에 설명된 절차에 따라 삽관합니다.
      참고: Das et al.69 의 기사에는 이 기술에 대한 포괄적인 비디오 데모가 함께 제공됩니다. 단계는 다음과 같습니다.
    5. 비스듬한 판자에 동물의 이빨을 옆으로 매달아 놓으십시오. 설치류 혀 억제기를 사용하여 혀를 빼냅니다.
    6. 성대가 보이도록 하려면 삽관 캐뉼라 내의 광섬유 케이블 또는 인후 바깥쪽에 배치된 밝은 빛을 통해 백색광을 공급합니다. 성대에서 5mm 미만으로 캐뉼라를 삽입합니다.
    7. 캐뉼라가 식도가 아닌 기관에 있는지 확인하고 내부에 작은 물방울이 있는 튜브 조각에 연결합니다. 물방울이 동물의 호흡에 맞춰 움직인다면 위치가 정확할 가능성이 높습니다.

대리인복용량경로기간코멘트
흡입제
이소플루란유도: 4%–5%
유지 보수: 1%–
3% 또는 효과		흡입연속적인 흐름 중• 보정된 기화기를 사용해야 합니다.
주사제
권장: 케타민 + 자일라진 + 아세프로마진90 + 9 + 3 밀리그램 / 킬로그램복강내20–60분• 저체온증에 취약합니다.
• 반복 투여의 경우 과다 복용을 방지하기 위해 케타민 + 자일라진 혼합물로 전환하는 것이 좋습니다.
• 마모되면서 흔들림을 일으킵니다. 이미징의 경우 투여 일정을 엄격히 준수하십시오.
• 서맥을 유발할 수 있습니다.
케타민 + 자일라진90 + 9 밀리그램 / 킬로그램복강내20–40분• 위 참조 (케타민 + 자일라진 + 아세프로마진)
펜토바르비탈50 - 70 mg/킬로그램복강내20–60분• 호흡수와 움직임을 억제합니다.
• 비용이 엄청날 수 있습니다.
• 제약 등급은 제공되지 않을 수 있습니다.
면책 조항: 이것은 일반적인 지침입니다. 구현하기 전에 수의사와 상담하여 자세한 정보를 확인하십시오.

표 3: 생쥐를 위한 일반적인 마취 처방집. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 동물을 환기시킵니다(표 2).
    1. 삽관 캐뉼러의 Luer 커넥터를 통해 동물을 인공호흡기에 부착합니다. 횡격막 움직임과 최대 흡기 압력(체중 10mL/kg의 일회 호흡량에 대해 ~10-12cm H2O)을 모니터링합니다. 압력이나 호흡 동작이 비정상인 경우 필요에 따라 캐뉼라의 목 각도와 깊이를 조심스럽게 조정하십시오.
    2. 모집 동작을 수행하여 삽관 캐뉼라가 밀폐되어 있는지 확인하십시오: 동물이 숨을 내쉬지 않고 여러 번 숨을 들이쉬도록 숨을 내쉬지 않도록 합니다(예: 손가락으로 날숨 포트를 막습니다).
      알림: 기도 압력이 ~6초 동안 35cmH2O 최대 흡기 압력에 도달하면 기도 밀봉이 충분히 조여진 것입니다. 그렇지 않은 경우 문제 해결에 대한 설명을 참조하세요.
    3. 정상적인 호기가 다시 시작되도록 합니다. 폐 순응도를 유지하고 무기폐를 예방하기 위해 스캔 사이와 스캔하지 않을 때 ~5분마다 모집 조작을 수행합니다. PEEP 밸브를 호기 라인에 연결합니다. PEEP를 4cmH2O로 설정합니다. 최대 흡기 압력이 그만큼 증가하는 것을 관찰합니다.
    4. 성공적인 삽관 후, 스캔 중에 동물이 깨어나는 것을 방지하기 위해 진정제 재투여 일정에 맞춰 HP 129Xe의 생산을 계획하고 초기화합니다. 실험 내내 체온을 모니터링합니다.
  2. 데이터 수집: 환기 이미지를 수집합니다.
    참고: 데이터 수집 단계 2.4, 2.5 및 2.6은 순서에 관계없이 수행할 수 있습니다
    1. 최종 흡기 시 이미징을 위해 표 2 에 따라 인공호흡기를 설정합니다.
    2. 다음 설정 프로토콜을 로드합니다: proton animal localizer, mouse lungs의 가스 주파수를 중심에 두는 단일 펄스 및 129Xe animal localizer. 스캔 매개변수는 표 4 를 참조하십시오.
    3. 동물을 등심원에 배치하고 흉강이 양성자 국소화와 함께 시야의 중앙에 있는지 확인합니다. 단일 주파수 코일을 사용하는 경우 양성자 코일을 129Xe 튜닝 RF 코일로 교체하십시오.
    4. 129Xe 편광을 기록하고 MRI 스캐너로 운반합니다. 보충 파일 4: Xenon polarization QA checklist를 참조하십시오.
    5. 129Xe 봉지를 인공호흡기 용기에 넣고 밀봉합니다. 캐니스터를 인공호흡기와 일직선으로 연결하고 캐니스터가 가압(3 - 6 psig)되도록 합니다.
    6. 129Xe 기계 환기를 시작합니다. 129Xe 인공호흡이 활성화될 때마다, 폐의 기능적 잔류 능력을 넘겨주기 위해 스캔을 시작하기 전에 동물이 ~5번의 호흡을 완료하도록 합니다.
      알림: 과분극 가스를 보존하기 위해 129개의 Xe 스캔 사이에 N2/O2 혼합물로 전환하십시오.
    7. 단일 펄스를 사용하여 기체 129Xe(7T에서 ~83.07MHz)의 생체 내 공진 주파수와 일치하도록 작동 주파수를 조정합니다. 주파수를 모든 후속 기체 위상 129Xe 스캔에 복사합니다. 129Xe 국소화를 수행하여 폐가 등중심에 있는지 확인합니다.
    8. 129Xe 방사형 환기 시퀀스를 로드하고 실행합니다. 최대 흡기 압력을 모니터링합니다.
      참고: 프로토콜이 완료되기 전에 129Xe 가스가 소진되면 최대 흡기 압력이 급격히 감소합니다. 129Xe 400mL 백은 이상적인 체중의 10mL/kg의 일회 호흡량으로 분당 80회 호흡으로 70% 129Xe로 인공호흡 시 30g 마우스를 ~24분 동안 인공호흡할 수 있습니다.
    9. 스캔이 완료되면 N2/O2 혼합물로 인공호흡으로 전환하고 129Xe의 빈 백을 제거합니다.
    10. 호기 종료 시 이미징의 경우 표 2 에 따라 호흡 참기 지속 시간과 트리거 지연을 변경하고 2.4.2 - 2.4.9 단계를 반복합니다.
    11. 스캐너에서 원시 데이터를 내보냅니다.
프로토콜 약식 이름시퀀스 설명방아쇠TR (밀리초)테네시(밀리초)반복플립 각도 (°)행렬 크기 또는 Npts시야각(mm2)RF BW (kHz)슬라이스 / 슬래브 두께 (mm)검사 기간
단일 펄스펄스 획득(기체 상태)선택적10001602048101들
동물 로컬라이저2D 그레예501.7160재질 보기 642재질 보기 32232560 초
방사형 환기3D 멀티 에코 방사형예20캡션 보기130재질 보기 61322332.053016분
용존 위상 단일 펄스펄스 획득(용존 위상)아니요8019051210.3580 밀리세컨드
용존 위상 동적 사양펄스 획득(용존 위상)아니요5010009051210.550 초
확산 가중2D 그레예12.28.1445재질 보기 642재질 보기 32231.518 분


표 4: In vivo 염기서열 매개변수. 앞서 설명한 3D 다중 에코 방사형 환기 시퀀스39 는 6 에코 시간에서 이미지를 획득합니다. 첫 번째 에코 이미지(TE = 1.12ms, 그림 7)에 대한 결과가 표시됩니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 4: 제논 편광 QA 체크리스트. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

  1. 데이터 수집: 동적 용존 위상 분광법을 실행합니다.
    1. 숨을 참는 동안 영상을 위해 표 2 에 따라 인공호흡기를 설정합니다. BR을 100호흡/분으로 설정합니다. 2.4.2 - 2.4.5 단계와 같이 129Xe가 든 새 가방을 준비합니다.
    2. 129Xe 기계 환기를 시작합니다. 단일 펄스를 로드하고 실행하여 용존 주파수(7T에서 ~83.084MHz)와 일치하도록 작동 주파수를 조정합니다. 작동 주파수를 용존 위상 동적 분광법(dissolved phase dynamic spectroscopy)에 복사합니다.
      참고: 이것은 야생형 헤모글로빈54를 가진 마우스에서 단일 피크가 될 것입니다.
    3. 동물 폐의 용존 주파수를 중심으로 dynamic spectroscopy sequence를 불러오고 실행합니다. 스캔이 완료되면 N2/O2 혼합물로 인공호흡으로 전환하고 129Xe의 빈 백을 제거합니다. 스캐너에서 원시 데이터를 내보냅니다.
  2. 데이터 수집: 확산 중점 이미지를 수집합니다.
    1. 숨을 참는 동안 영상을 위해 표 2 에 따라 인공호흡기를 설정합니다. 2.4.2 - 2.4.7 단계와 같이 129Xe가 든 새 가방을 준비합니다.
    2. diffusion-weighted sequence를 불러오고 실행합니다. 스캔이 완료되면 N2/O2 혼합물로 인공호흡으로 전환하고 129Xe의 빈 백을 제거합니다. 스캐너에서 원시 데이터를 내보냅니다.

3. 실험 결론

  1. 동물을 복구하세요.
    1. 삽관 캐뉼라를 동물의 입에서 똑바로 잡아당깁니다. 동물이 즉시 자발적으로 호흡을 시작하지 않으면 가벼운 흉부 압박을 시행하십시오. 가능한 경우 진정제 회복을 돕기 위해 동물의 얼굴 근처에 의료용 산소를 가볍게 투여합니다.
    2. 동물이 스스로 호흡을 꾸준히 하고 >2시간 동안 진정제를 투여한 경우 탈수를 방지하기 위해 0.5 - 1mL의 생리식염수를 피하로 투여합니다.
    3. 동물을 혼자 우리로 되돌려 보냅니다. 케이지를 인큐베이터 또는 가열 패드 위에 놓습니다.
      참고: 진정제를 투여한 동물은 식인 풍습에 취약하며 완전히 회복될 때까지(즉, 독립적으로 걸을 때까지) 케이지 메이트와 함께 케이지에 넣을 수 없습니다. 진정제를 투여받은 동물은 체온을 조절할 수 없습니다. 손등을 사용하여 몇 분마다 동물의 온도를 느껴보십시오.
    4. 동물의 오른쪽 반사 신경이 돌아올 때까지(즉, 누운 자세에서 엎드린 자세로 독립적으로 뒤집을 수 있음) 동물을 면밀히 관찰합니다.
    5. 동물이 독립적으로 걸을 수 있게 되면 열 지지대에서 동물을 제거하십시오. 동물을 우리 동료가 있는 우리로 되돌립니다.
      참고: 동물에게 케이지 짝이 없으면 진정제로 인한 저체온증에 더 취약합니다. 동물에게 여분의 침구를 제공하고, 가능한 경우 동물을 인큐베이터에 하룻밤 동안 두십시오.
    6. 동물의 건강을 모니터링하기 위해 2주 동안 일주일에 한 번 동물의 체중을 기록합니다.
      참고: 삽관으로 인해 동물이 입이나 식도에 부상을 입으면 먹는 것을 멈출 수 있습니다. 동물이 초기 체중의 >20%를 감량하면 안락사에 대해 수의사와 상담하십시오.
  2. 환기 이미지를 분석합니다(그림 7).
    1. 원시 데이터를 프로그래밍 플랫폼에 로드합니다. non-Cartesian Images91에 대한 오픈 소스 재구성 프레임워크를 다운로드합니다.
    2. 오픈 소스 프레임워크 지침에 따라 이미지를 재구성합니다. 각 방사형 투영법의 첫 번째 점을 정규화합니다39.
    3. 129Xe 신호가 낮거나 없는 복셀을 포함하여 이미지에서 폐 실질을 분할합니다. 넓은 기도를 포함하지 마십시오. 영상에서 폐, 기도 및 이미징 아티팩트를 제외한 배경 잡음을 세그먼트화합니다.
      참고: 양성자 로컬라이저 이미지는 실질 경계를 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.
    4. 다음 공식을 사용하여 SNR 을 계산합니다.
      figure-protocol-7(3)
    5. 결함이 있는 인공호흡을 정량화합니다.
      참고: 소동물 모델에서 환기 장애를 정량화하기 위해 다양한 방법이 제안되었습니다. 분석 방법은 여전히 탐구의 여지가 있지만, 쉽게 구현될 수 있는 접근법은 다음과 같습니다: (i) 반정량적 수동 세분화92, (ii) 실질 신호47을 정규화하기 위해 기관의 신호를 사용하는 히스토그램 접근법, (iii) 총 폐 용적(TLV)을 분할하고 신호 임계값(예: <전체 폐 평균의 60%)을 정의하여 폐를 결함 있는 폐 용적과 환기 폐 용적(VV)으로 나누는 것입니다. VDP 93,94는 다음에 따라 정량화합니다.
      figure-protocol-8(4)
  3. 용존 위상 동적 분광법을 분석합니다(그림 8).
    1. 원시 데이터를 프로그래밍 플랫폼에 로드합니다. 고속 푸리에 변환을 수행하고 스펙트럼을 위상화합니다(이 응용 사례에는 스펙트럼의 동시 수동, 0차 위상화로 충분합니다).
    2. 표준 핵 자기 공명(NMR) 데이터계산 95,96: SNR, 전체 너비 절반 최대, 통합 면적, 화학적 이동 및 두 피크의 위상.
    3. 크기 데이터에서 각 반복에 대한 가스 스펙트럼의 신호 진폭을 가스 스펙트럼의 신호 진폭으로 나누어 시간 경과에 따른 용존 대 기체 비율을 구합니다.
  4. 확산 가중 이미지를 분석합니다(그림 9).
    1. 원시 데이터를 프로그래밍 플랫폼에 로드합니다. 3.2.3단계에서와 같이b0 이미지의 폐 실질을 분할합니다. 각 b-값 이미지에 대한 SNR을 계산합니다.
    2. b0 영상의 각 복셀에 있는 신호를 영상 잡음의 표준편차로 나누어 신호값 대 잡음비 SVNR0을 계산합니다. SVNR이0 < 이미지 노이즈97의 2.5배인 복셀을 제외합니다.
      참고: SVNR0 은 개별 복셀 메트릭이고 실질 SNR은 전체 폐 메트릭입니다.
    3. 방정식 598,99에 따라 b-값(b-i)에 대한 신호 감쇠를 피팅하여 ADC를 계산합니다.
      figure-protocol-9(5)

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결과

환기 이미지

동물 준비 및 인공호흡 절차가 적절하게 구현되면 3D 방사형 이미징은 영감 또는 호기 시 데이터 수집이 수행될 때 인공호흡 패턴을 성공적으로 캡처할 수 있습니다(그림 7). 이러한 이미지는 여러 번의 호흡에 걸쳐 수집되지만 여기에 설명된 방법은 인간에게 사용되는 단일 호흡 이미징 방법과 유사합니다. 이는 k-공간의 모든 선이 호흡 주기 중 특정 시간(예: 모두 말단 흡기시)에 수집되어 단일 흡입을 대표하는 이미지를 누적적으로 생성하기 때문입니다. 이 이미지에서는 주요 기도(기관 및 기관지)가 명확하게 보이고, 뚜렷한 이미지 아티팩트가 없으며, 폐 실질이 높은 SNR(초기 편광에 따라 ~15 이상)로 완전히 팽창된 것처럼 보입니다. 직관적이지 않지만, 흡기 시 획득한 이미지(그림 7A, SNR = 15)는 만료 시 획득한 이미지(

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토론

과분극 129Xe MRI는 소동물 모델에서 폐의 미세 구조와 기능을 연구하기 위한 정교하고 강력한 기술로 부상하고 있습니다. 이 프로토콜은 초기 현장 준비를 안내하고 HP 129Xe를 사용한 마우스 폐의 환기, 확산 및 가스 교환을 정량화하는 데 필요한 실험 절차를 설명하기 위한 것입니다. 실험을 위한 주요 전제 조건에는 129Xe 가스 팬텀을 설정하고 높은 가스 분극이 동물에게 전달되도록 하는 것이 포함됩니다. 후자는 편광 매개변수의 신중한 계획, 가스 운송 중 편광 손실 완화(예: 자기 운반 케이스 구축), 전임상 MRI 자석116,125의 프린지 필드 내에서 T1 이완을 특성화(및 이상적으로는 방지)가 필요합니다. 필요한 HP 129Xe 인프라를 개발하는 것과 병...

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공개 사항

Peter Niedbalski는 Polarean Imaging, Plc.의 컨설턴트입니다.

감사의 글

저자는 인공호흡기 건설의 길잡이가 되어 준 Jerry Dalke에게 진심 어린 감사를 표합니다. HP 129Xe 가스를 양조해 주신 Carter McMaster에게 감사드립니다. 또한 생각을 자극하는 과학적 토론을 해주신 Matthew Willmering 박사와 Juan Parra-Robles 박사에게도 감사드립니다. BioRender.com 로 만든 그림. 이 연구는 미국 국립보건원(National Institutes of Health)의 자금 지원을 받았습니다(보조금 번호: NHLBI R01HL143011, R01HL151588).

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
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