Kwantitatieve meting van longstructuur en -functie verkregen uit hypergepolariseerde xenonspectroscopie

Summary

Het manuscript presenteert een gedetailleerd protocol voor het gebruik van hypergepolariseerd Xenon-129 chemisch verschuivingsverzadigingsherstel (CSSR) om pulmonale gasuitwisseling te traceren, de schijnbare dikte van de alveolaire septumwand te beoordelen en de oppervlakte-volumeverhouding te meten. De methode heeft het potentieel om longziekten te diagnosticeren en te monitoren.

Abstract

Hypergepolariseerde Xenon-129 (HXe) magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) biedt hulpmiddelen voor het verkrijgen van 2- of 3-dimensionale kaarten van longventilatiepatronen, gasdiffusie, xenonopname door longparenchym en andere longfunctiestatistieken. Door ruimtelijke voor temporele resolutie te verhandelen, maakt het echter ook het mogelijk om de pulmonale xenongasuitwisseling op een ms-tijdschaal te traceren. Dit artikel beschrijft een van die technieken, chemical shift saturation recovery (CSSR) MR-spectroscopie. Het illustreert hoe het kan worden gebruikt om het capillaire bloedvolume, de dikte van de septumwand en de oppervlakte-volumeverhouding in de longblaasjes te beoordelen. De omkeerhoek van de toegepaste radiofrequente pulsen (RF) werd zorgvuldig gekalibreerd. Voor het toedienen van het gas aan de proefpersoon werden protocollen voor het inhouden van de adem met een enkele dosis en meerdere doses vrije ademhaling gebruikt. Zodra het ingeademde xenongas de longblaasjes bereikte, werd een reeks RF-pulsen van 90° toegepast om een maximale verzadiging van de geaccumuleerde xenonmagnetisatie in het longparenchym te garanderen. Na een variabele vertragingstijd werden spectra verkregen om de hergroei van het xenonsignaal te kwantificeren als gevolg van gasuitwisseling tussen het alveolaire gasvolume en de weefselcompartimenten van de long. Deze spectra werden vervolgens geanalyseerd door complexe pseudo-Voigt-functies aan de drie dominante pieken te koppelen. Ten slotte werden de vertragingstijdafhankelijke piekamplitudes aangepast aan een eendimensionaal analytisch gasuitwisselingsmodel om fysiologische parameters te extraheren.

Introduction

Hypergepolariseerde Xenon-129 (HXe) magnetische resonantiebeeldvorming (MRI)¹ is een techniek die unieke inzichten biedt in de structuur, functie en gasuitwisselingsprocessen van de longen. Door de magnetisatie van xenongas dramatisch te versterken door middel van spin-uitwisseling optisch pompen, bereikt HXe MRI een orde van grootte verbetering in signaal-ruisverhouding in vergelijking met thermisch gepolariseerde Xenon MRI 2,3,4,5,6. Deze hyperpolarisatie maak....

Protocol

OPMERKING: Hoewel de hier beschreven hypergepolariseerde Xenon-129 CSSR MR-spectroscopietechniek vaak wordt gebruikt voor beeldvorming bij dieren en mensen, verwijst het onderstaande protocol alleen naar studies bij mensen. Alle beeldvormingsprotocollen voldeden aan de beperkingen van de FDA-specifieke absorptiesnelheid (SAR) (4 W/kg) en werden goedgekeurd door de Institutional Review Board van de Universiteit van Pennsylvania. Van elke proefpersoon werd geïnformeerde toestemming verkregen.

1. Het ontwerp van de impulssequentie

1. Beslis of u een meting van de ademinhouding of vrije ademhaling wilt uitvoeren.
   OPME....

Results

Figuur 2 illustreert een typisch xenonspectrum dat wordt waargenomen in de menselijke long tijdens het inhouden van de adem, na inhalatie van 500 ml xenondosis. Het spectrum vertoont twee verschillende regio's, de GP-resonantie rond 0 ppm en het DP-gebied, dat bestaat uit de membraanpiek van ongeveer 197 ppm en de piek van de rode bloedcellen van ongeveer 217 ppm. De relatieve piekamplitudes zijn afhankelijk van een aantal factoren, waaronder de vorm, duur en centrumfrequentie van de RF-exci.......

Discussion

HXe CSSR MR-spectroscopie is een krachtige techniek voor het beoordelen van verschillende longfunctiemetrieken die in vivo moeilijk of onmogelijk te kwantificeren zouden zijn met behulp van een andere bestaande diagnostische modaliteit²⁴. Desalniettemin zijn de acquisitie en de daaropvolgende gegevensanalyse gebaseerd op bepaalde aannames over fysiologische omstandigheden en technische parameters die nooit volledig haalbaar zijn bij levende proefpersonen. Deze beperkingen en hun impact op.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Bi-directional Pneumotach	B&B Medical AccutachTM
Chest Vest Coil	Clinical MR Solutions		Adult Size
Face Mask	Hans Rudolph	7450
Matlab	Mathworks	Release 2018a	Optimization Toolbox required
Physiological Monitoring System	BIOPAC Systems Inc
Tedlar Bag	Jensen Inert Products		250-mL and 500-mL; specialised PVF bag
Xenon Polarizer	Xemed LLC	X-box E10
Whole-body MRI Scanner	Siemens	1.5 T Avanto