Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Kwantitatieve meting van longstructuur en -functie verkregen uit hypergepolariseerde xenonspectroscopie

1.4K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/66038

⸱

10 november 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Radiology, University of Pennsylvania

In dit artikel

Samenvatting

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.

Samenvatting

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.

Inleiding

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 maakt de directe visualisatie en kwantificering van de opname van xenongas in longweefsel en bloed mogelijk, die anders niet detecteerbaar zou zijn met conventionele thermisch gepolariseerde MRI7.

Chemical shift saturation recovery (CSSR) MR-spectroscopie 8,9,10,11,12,13 is een van de meest waardevolle HXe MRI-technieken gebleken. CSSR omvat het selectief verzadigen van de magnetisatie van xenon opgelost in longweefsel en bloed met behulp van frequentiespecifieke radiofrequente (RF) pulsen. Het daaropvolgende herstel van het signaal in de opgeloste fase (DP) wanneer het wordt uitgewisseld met vers hypergepolariseerd xenongas in de luchtruimen op een tijdschaal van ms, biedt belangrijke functionele informatie over het longparenchym.

Sinds de ontwikkeling in het begin van de jaren 2000 zijn de technieken achter CSSR-spectroscopie geleidelijk verfijnd 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Verder heeft de vooruitgang in het modelleren van xenonopnamecurven de extractie van specifieke fysiologische parameters mogelijk gemaakt, zoals de dikte van de alveolaire wand en pulmonale transittijden 10,24,25,26. Studies hebben aangetoond dat CSSR gevoelig is voor subtiele veranderingen in de microstructuur van de longen en de efficiëntie van gasuitwisseling in de vorm van longafwijkingen die worden aangetroffen bij klinisch gezonde rokers27, evenals bij een reeks longziekten, waaronder chronische obstructieve longziekte (COPD)18,27,28, fibrose 29 en door straling geïnduceerd longletsel 30,31. Het is ook aangetoond dat CSSR-spectroscopie gevoelig is voor het detecteren van oscillaties in het DP-signaal die overeenkomen met pulserende bloedstroom tijdens de hartcyclus32.

Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt, blijven er praktische uitdagingen bij het implementeren van CSSR-spectroscopie op klinische MRI-systemen. Scantijden die een enkele dosis ademinhoudingen van bijna 10 s vereisen, kunnen te lang zijn voor pediatrische proefpersonen33,34 of patiënten met een ernstige longziekte35,36. Bovendien is de techniek gevoelig voor meetfouten als acquisitieparameters zoals de volgorde van de verzadigingsvertragingstijden of de effectiviteit van de verzadiging in de opgeloste fase niet goed zijn geoptimaliseerd21. Om deze beperkingen aan te pakken en CSSR toegankelijker te maken voor de bredere onderzoeksgemeenschap, zijn duidelijke, stapsgewijze protocollen nodig voor zowel conventionele ademinhouding als vrije ademverwervingen, die momenteel in ontwikkeling zijn.

Het doel van dit artikel is om een gedetailleerde methodologie te presenteren voor het uitvoeren van geoptimaliseerde CSSR MR-spectroscopie met behulp van HXe-gas. Het protocol omvat polarisatie en afgifte van het xenongas, RF-pulskalibratie, sequentieparameterselectie, voorbereiding van de proefpersoon, gegevensverzameling en belangrijke stappen in gegevensanalyse. Voorbeelden van experimentele resultaten zullen worden verstrekt. Het is te hopen dat deze uitgebreide gids als basis zal dienen voor CSSR-implementaties op verschillende locaties en zal helpen het volledige potentieel van deze techniek te realiseren voor het kwantificeren van microstructurele veranderingen in de longen in een reeks longziekten.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

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.
    OPMERKING: Het inhouden van de adem is technisch eenvoudiger omdat ze alleen de inhalatie van een enkele dosis (500 - 1000 ml) HXe-gas vereisen, gevolgd door een ademinhouding van 10 seconden waarin de MRI-gegevens worden verzameld. Niet-coöperatieve proefpersonen (bijv. jonge kinderen) of patiënten met een ernstige longaandoening kunnen hun adem echter niet zo lang inhouden, dus een vrije ademhaling waarbij meerdere, kleine doses (~50 ml) in de loop van een paar minuten worden geïnhaleerd, kan raadzaam zijn.
  2. Gebruik voor een CSSR MR-spectroscopieonderzoek met ingehouden adem variabele vertragingstijden voor maximale flexibiliteit en hoge excitatie-fliphoeken tot 90° voor maximale signaal-ruisverhoudingen (Figuur 1A).
    1. Om de DP-magnetisatie op een 1.5 T MRI-scanner te verzadigen, past u 5 rechthoekige 90° radiofrequentiepulsen (RF) toe met middenfrequentie, duur van 198 ppm, 2.5 ms en 218 ppm, 2.5 ms voor 2 pulsen en middenfrequentie, duur van 208 ppm, 2.0 ms voor de resterende 3 pulsen. Indien toegestaan door de RF-eindversterker, verkort u de duur van de RF-pulsen voor metingen bij hogere veldsterktes.
    2. Scheid alle RF-pulsen door gradiëntspoilers van 1 ms, afwisselend langs de x-, y- en z-assen: 200 μs aanlooptijd, 600 μs plateautijd, 20 mT/m.
    3. Wacht na de laatste verzadigingspuls op een vertragingstijd τi, waarbij i verwijst naar de i-de meting in het inhouden van de adem. Gebruik de volgende vertragingstijden in de voorgeschreven volgorde: 50, 2.5, 2.5, 2.5, 3.5, 5, 7.5, 50, 10, 15, 30, 60, 50, 80, 100, 120, 160, 50, 200, 250, 350, 500, 50, 5, 6, 8, 50, 12.5, 20, 40, 70, 50, 90, 110, 140, 180, 50, 225, 300, 400 ms.
    4. Pas een Gaussiaanse RF-excitatiepuls van 1,2 ms toe, gecentreerd op 208 ppm. Stel de draaihoek in op 90°. Als de RF-versterker dit niet toestaat, gebruik dan de maximale draaihoek die de versterker toestaat. Schaal de lengte van de RF-excitatiepulsen omgekeerd evenredig met de veldsterkte voor metingen op hoogveldscanners.
    5. Bemonstering van het vrije inductieverval gedurende 30,72 ms (1024 bemonsteringspunten). Terwijl de gasfase T2* bij 1,5 T in de orde van grootte van 15 ms ligt, wordt de bemonsteringsduur aanzienlijk verkort bij hogere veldsterktes zonder dat er extra signaalapodisatie nodig is voorafgaand aan de verwerking.
    6. Breng een verloopspoiler van 5 ms aan langs de x-as: 200 μs aanlooptijd, 4,6 ms plateautijd, 20 mT/m.
    7. Herhaal stap 1.2.1 - 1.2.6 40x met een andere τi tijdens dezelfde ademinhouding zoals beschreven in stap 1.2.3.
    8. Voor een CSSR MR-spectroscopieonderzoek met vrije ademhaling voert u de volgende meting continu uit gedurende ongeveer 3 minuten (Figuur 1B), hoewel de acquisitie eerder kan worden beëindigd als het toegewezen HXe-gasvolume op is.
    9. Herhaal stap 1.2.1 en 1.2.2. Herhaal stap 1.2.4 met een kantelhoek naar 7°. Bemonstering van het vrije inductieverval gedurende 10,24 ms (512 bemonsteringspunten).
    10. Breng een 1 ms gradiënt spoiler aan langs de x-as: 200 ms aanlooptijd, 600 ms plateautijd, 20 mT/m. Herhaal stap 1.2.3 - 1.2.5 40x met een herhalingstijd van 12,6 ms.
    11. Herhaal de stappen 1.2.1 - 1.2.6 tot het einde van het onderzoek.

2. Voorbereiding op onderzoek door de patiënt

  1. Zorg er voorafgaand aan elk onderzoek voor dat een schoon gezichtsmasker is voorbereid en aangesloten op het synchronisatieapparaat voor gastoevoer met behulp van dunne, flexibele slangen.
  2. Voor onderzoek naar vrije ademhaling bevestigt u een bidirectionele pneumotach voor debietmetingen.
  3. Voer een routinetest uit met een glazen spuit om de ademhaling na te bootsen om de juiste gasinjectie te controleren. Het gasafgifteapparaat moet het begin van de inademing detecteren aan de hand van de stroommetingen van de pneumotach, waardoor gasinjectie in het masker mogelijk wordt.
  4. Stel het optionele fysiologische bewakingssysteem in dat ademhalingscurves (debiet en volumes) en real-time gasanalyse (O2 en CO2) registreert tijdens de beeldvorming.
  5. Sluit de MRI-kamerhoofdtelefoon aan en test deze met het audiosignaal dat de proefpersoon begeleidt met behulp van een audio-opname voor in- en uitademen. Pas de afspeelsnelheid van de audiotrack aan op basis van de normale ademhalingsfrequentie van elk onderwerp.
  6. Bereid het scannerbed voor met een schone hoofdsteun, beensteunkussen en deken.
  7. Plaats de losgemaakte Xenon-129 borstvestspoel op de tafel van de MRI-scanner. Steek de aansluitstekker van de spoel in en zorg ervoor dat de MR-scanner de spoel herkent.

3. Voorbereiding en monitoring van de proefpersoon

  1. Wanneer de proefpersoon aankomt bij de beeldvormingsfaciliteit, verkrijgt u schriftelijke geïnformeerde toestemming met behulp van een door de IRB goedgekeurd toestemmingsformulier. Zodra toestemming is verkregen, screent u de proefpersoon met behulp van een MRI-veiligheidsvragenlijst en een metaaldetector.
  2. Vraag de proefpersoon om metaal of sieraden van zijn persoon te verwijderen en zich om te kleden in een patiëntenjas.
  3. Train de proefpersoon om zich te houden aan het geselecteerde ademhalingsprotocol (adem inhouden of vrije ademhaling).
  4. Voor een onderzoek naar vrije ademhaling laat u de proefpersoon kennismaken met de in- en uitademingsspraakopname die tijdens de beeldvorming zal worden afgespeeld en waarmee ze hun ademhaling moeten synchroniseren.
  5. Leid de proefpersoon naar de MRI-kamer en plaats hem op het scannerbed: liggend op de open spiraal van het xenonvest.
  6. Zodra de proefpersoon is gepositioneerd, maakt u de klittenbandsluitingen vast zodat de vestspoel gesloten is, maar de borstkas van de proefpersoon niet vernauwt.
  7. Voor een onderzoek naar vrije ademhaling plaatst u een gezichtsmasker met een pneumotach over het gezicht van de patiënt en trekt u de banden zo aan dat het masker goed over de neus en mond past zonder te strak te zitten. Verwijder na het passen het masker en leg het opzij voor later, waarbij u de banden achter het hoofd van het onderwerp laat.
  8. Plaats twee pulsoximeters op respectievelijk de rechter- en linkerwijsvinger van de proefpersoon om de hartslag en zuurstofverzadiging in het bloed (SPO2) continu te controleren en te registreren gedurende de duur van het onderzoek.
  9. Plaats een MRI-compatibele hoofdtelefoon over de oren van de proefpersoon.
  10. Verplaats de MRI-scannertafel in de magneetboring zodat de longen van de proefpersoon zich in het midden van het gezichtsveld bevinden.

4. Hypergepolariseerde xenon-129 polarisatie (kalibratiegas)

OPMERKING: Hieronder volgen de protocolstappen voor het polariseren van Xenon-129-gas met behulp van ons polarisatieapparaat. Stel af volgens de leverancierspecifieke gebruiksaanwijzing van uw geïnstalleerde gaspolarisator.

  1. Verwarm ongeveer 2,5 uur voor aanvang van het onderzoek de Xenon-polarisator. Aangezien xenongas, vooral verrijkt >85% Xenon-129, erg duur is (momenteel ~ $ 500 per L) en niet kan worden teruggewonnen als het eenmaal gepolariseerd is, moet het polarisatieproces pas worden gestart zodra het onderwerp op de beeldvormingsplaats is aangekomen.
  2. Leid de aansluitbuis van een gespecialiseerde PVF-zak van 250 ml door een afdichtingsclip. Zorg ervoor dat de clip de buis niet bekneld raakt.
  3. Bevestig de speciale PVF-zak aan een van de vier beschikbare polarisatorafgiftepoorten.
  4. Selecteer op het touchscreen van de polarisator de verrijkte xenontank, stel het debiet in op medium en stel het polarisatievolume in op 250 ml.
  5. Druk op de Start-knop om het polarisatieproces te starten. De eigenlijke polarisatieprocedure, xenonbevriezing, ontdooien en doseren in de gespecialiseerde PVF-zak, is volledig automatisch en duurt ongeveer 15 minuten voor 250 ml xenon.
  6. Wanneer het gepolariseerde xenongas is afgegeven, geeft de polarisator een bericht weer op het aanraakscherm waarin staat dat de zak nu kan worden verwijderd.
  7. Knijp de aansluitbuis van de gespecialiseerde PVF-zak dicht met de afdichtclip. Koppel de gespecialiseerde PVF-zak los en plaats deze snel in de boring van de MRI-scanner om snelle gasdepolarisatie te voorkomen.

5. Hypergepolariseerde xenon-129 inhalatie voor kalibratie

  1. Plaats een neusklem op de neus van de proefpersoon om de ademhaling door de mond te verbeteren.
  2. Aan het einde van de normale vervaldatum steekt u het mondstuk van de xenonzak in de mond van de proefpersoon.
  3. Zodra de proefpersoon 250 ml Xenon-dosis uit de zak heeft ingeademd, verwijdert u het mondstuk en instrueert u de proefpersoon om door te gaan met het inademen van kamerlucht totdat zijn longen vol zijn.
  4. Aan het einde van de inspiratie vraagt u de proefpersoon om zijn duim op te steken en de verpleegkundig coördinator om deze informatie mondeling door te geven aan de scanneroperator om de pulssequentie te starten.
  5. Voor proefpersonen die hun adem niet kunnen inhouden, vraagt u de verpleegkundig coördinator om de borstbeweging van de proefpersoon te observeren en de operator te informeren wanneer de proefpersoon de einduitademing heeft bereikt en begint met inspireren. Hoewel deze benadering het meetsignaal vermindert als gevolg van de gedeeltelijke uitademing van geïnspireerd xenongas, zorgt het ervoor dat het volume xenon in de longen van de proefpersoon redelijk constant blijft tijdens het verkrijgen van de kalibratiegegevens.
  6. Aan het einde van de gegevensverzamelingsperiode (~5 s) instrueert u de proefpersoon om weer normaal te ademen.

6. Kalibratie van de gasfrequentie en radiofrequentiepulsspanning

OPMERKING: Alvorens een pulssequentie uit te voeren, kalibreren moderne MRI-scanners meestal de on-resonantiefrequentie van het MR-signaal en de spanning die op de zendende RF-spoel moet worden toegepast om de gewenste flip-hoek voor de excitatiepulsen te bereiken. Bij conventionele proton-MRI is dit kalibratieproces automatisch en doorgaans transparant voor de gebruiker. Deze automatische kalibratie is echter niet haalbaar voor hypergepolariseerde Xenon-129-studies, omdat er geen signaalbron bij thermisch evenwicht beschikbaar is. In plaats daarvan moeten de frequentie en spanning voor de RF-pulsen handmatig worden gekalibreerd. Op de MRI-scanner die hier wordt gebruikt, wordt deze handmatige kalibratie uitgevoerd door een referentiespanning te leveren, die de software van de scanner vervolgens gebruikt om de juiste spanning voor alle volgende RF-pulsen te berekenen. Raadpleeg de leverancierspecifieke gebruiksaanwijzing van het MRI-systeem om te begrijpen hoe u deze kalibratiegegevens in de meetsoftware kunt invoeren.

  1. Laad een protonverkennerspulssequentie. Selecteer een gezichtsveld van 400 mm. Verkrijg 10 coronale plakjes (plakdikte van 10 mm, 20% opening).
  2. Bekijk de protonbeelden en zorg ervoor dat de long van de proefpersoon gecentreerd is in het gezichtsveld. Verplaats indien nodig het onderwerp en herhaal stap 1.
  3. Laad de volgorde van de kalibratiepulsen. Gebruik de HXe-gasfasefrequentie (GP) van de meest recente menselijke scan als startschatting van de ontvangerfrequentie.
  4. Stel de referentiespanning in op een waarde die zodanig is dat het GP-signaal tussen het eerste en het laatste spectra dat met de kalibratiesequentie is verkregen, voor de meeste proefpersonen met ongeveer 70% - 80% afneemt. Stel voor de RF-spoel van de borstkas de initiële referentiespanning in op 75 V.
  5. Start de reeks wanneer de proefpersoon de HXe-kalibratiedosis heeft geïnhaleerd en de adem heeft ingehouden of, als de adem niet kan worden ingehouden, wanneer de proefpersoon het eindpunt van de ademcyclus heeft overschreden.
    1. Pas een Gaussiaanse RF-excitatiepuls van 1,2 ms toe met een gecentreerd vermogen van 0 ppm. Stel de nominale draaihoek in op 90°. Omdat de initiële referentiespanning echter ver onder de werkelijke waarde wordt ingesteld, ligt de werkelijk toegepaste flip-hoek rond de 15°.
    2. Bemonstering van het vrije inductieverval gedurende 30,72 ms (1024 bemonsteringspunten). Pas een 20 ms gradiëntspoiler toe langs de x-as: 500 ms aanlooptijd, 19 ms plateautijd, 20 mT/m. Merk op dat deze gradiëntspecificaties niet zijn geoptimaliseerd, kortere gradiëntduur is waarschijnlijk voldoende.
    3. Herhaal de stappen 6.5.1.-6.5.2. 16 keer met een herhalingstijd van 55 ms. Herhaal opnieuw de stappen 6.5.1-6.5.2. 16 keer met een herhalingstijd van 220 ms.
  6. Zodra de gegevensverzameling is voltooid, instrueert u de proefpersoon om terug te keren naar een normale ademhaling.
  7. Beoordeel het welzijn van de proefpersoon door het SPO2-niveau te controleren en vraag naar mogelijke bijwerkingen.
  8. Download de gemeten kalibratiegegevens op een USB-stick en breng deze vervolgens over naar een laptop voor verdere analyse.
  9. Gebruik een MATLAB-script om de middenfrequentie van de GP-piek, de omkeerhoek van de RF-excitatiepulsen en het HXe-gas T1 in de long te extraheren.
    1. Laad de 32 FID's die door de kalibratiesequentie zijn verkregen. Gebruik Fast Fourier Transforms (FFT's) om de FID's om te zetten in spectra.
    2. Fase: de GP piekt naar de nulde orde. Pas een pseudo-Voigt-lijnvorm aan op de gefaseerde reële component van de GP-pieken.
    3. Bereken de GP-frequentie als het gemiddelde over de middenfrequenties van de eerste 10 pasvormen, aangezien deze de hoogste signaal-ruisverhouding hebben. Voer het frequentiegemiddelde uit op het scherm.
    4. Integreer het gebied onder alle GP-pieken. Pas mono-exponentiële vervalfuncties aan op de eerste 16 en tweede 16 GP-piekgebieden.
    5. Extraheer GP T1 en pas de omdraaihoek toe van de twee gemonteerde vervalcurves.

7. Hypergepolariseerde Xenon-129 polarisatie (meetgas)

  1. Voor het polariseren van het meetgas volgt u de stappen 4.2 - 4.7, met de volgende aanpassingen:
    1. Gebruik een gespecialiseerde PVF-zak van 500 ml in plaats van een zak van 250 ml.
    2. Stel het polarisatievolume in op 500 ml in plaats van 250 ml. Het polarisatieproces duurt ongeveer 20 minuten voor 500 ml.

8. Hypergepolariseerde xenon-129 inhalatie voor meting (adem inhouden)

  1. Plaats een neusklem op de neus van de proefpersoon om de ademhaling door de mond te verbeteren.
  2. Aan het einde van de normale uitademingscapaciteit tot functionele restcapaciteit, plaatst u het mondstuk van de xenonzak in de mond van de proefpersoon.
  3. Zodra de proefpersoon 500 ml xenongas uit de xenonzak heeft ingeademd, verwijdert u het mondstuk en instrueert u de proefpersoon om door te gaan met het inademen van kamerlucht totdat zijn longen vol zijn.
  4. Aan het einde van de inspiratie vraagt u de proefpersoon om zijn duim op te steken en de verpleegkundig coördinator om deze informatie mondeling door te geven aan de scanneroperator om de pulssequentie te starten.
  5. Aan het einde van de gegevensverzamelingsperiode (~8 s) vraagt u de proefpersoon om weer normaal te ademen.

9. Hypergepolariseerde xenon-129 inhalatie voor meting (vrije ademhaling)

  1. Voor de meetscan haalt u de proefpersoon uit de MRI-scanner, plaatst u het gezichtsmasker over de neus en mond en sluit u de vooraf aangebrachte banden van achter het hoofd aan het masker aan, zodat het masker op zijn plaats blijft. De pneumotach op het masker detecteert de opeenvolgende in- en uitademingen van de proefpersoon en activeert het gasafgiftesysteem om gas af te geven wanneer een inademing wordt gedetecteerd.
  2. Verplaats het onderwerp terug naar de oorspronkelijke positie in de scanner.
  3. Speel de audio-opname voor inademen en uitademen af, zodat de proefpersoon zijn ademhalingspatroon kan synchroniseren met het ademhalingsprotocol.
  4. Zodra de proefpersoon in het ritme van het ademhalingsprotocol is gekomen, vraagt u de verpleegkundig coördinator om de MRI-operator te informeren om de gegevensverzameling te starten. De verpleegkundig coördinator opent vervolgens de kleppen op het gastoevoersysteem en de proefpersoon begint 50 ml hypergepolariseerd xenon-129 in te ademen dat zich vermengt met de luchtstroom in het ademhalingsmasker.
  5. Vraag de patiënt om ongeveer 10 ademhalingen door te gaan totdat het xenongasvolume is opgebruikt voor het beeldvormingsprotocol.

10. Registratie van meetgegevens (adem inhouden)

  1. Laad de CSSR-pulssequentie voor het inhouden van de adem, zoals beschreven in stap 1.2. Stel de acquisitiefrequentie in op basis van de HXe GP-frequentie die tijdens de kalibratiescan in stap 6 is bepaald.
  2. Pas de referentiespanning aan zodat deze overeenkomt met de waarde die is verkregen uit de kalibratiescan die in stap 6 wordt beschreven.
  3. Kies de optie Wachten op gebruiker , of een equivalent daarvan, voor het uitvoeren van sequenties, volgens de bedieningsinstructies van de systeemleverancier.
  4. Start de reeks. De MRI-scanner voltooit de voorbereiding van de sequentie, pauzeert en wacht tot de gebruiker begint met het verzamelen van gegevens.
  5. Start de gegevensverzameling wanneer de proefpersoon de HXe-meetdosis heeft ingeademd, de luchtwegen heeft gespoeld door kamerlucht te blijven inademen totdat zijn longen zijn gevuld en de adem heeft ingehouden. Dit laatste moet worden uitgevoerd zoals voorgeschreven door de verpleegkundig coördinator en beschreven in stap 5 en stap 8.
  6. Zodra de gegevensverzameling is voltooid, instrueert u de proefpersoon om terug te keren naar een normale ademhaling.
  7. Beoordeel het welzijn van de proefpersoon door het SPO2-niveau te controleren en te vragen naar mogelijke bijwerkingen.
  8. Download de gemeten CSSR-gegevens op een USB-station en breng deze vervolgens over naar een laptop voor verdere analyse.

11. Registratie van meetgegevens (vrije ademhaling)

  1. Laad de CSSR-pulssequentie voor vrije ademhaling, zoals beschreven in stap 1.3.
  2. Stel de acquisitiefrequentie in op basis van de HXe GP-frequentie die tijdens de kalibratiescan in stap 6 is bepaald.
  3. Pas de referentiespanning aan zodat deze overeenkomt met de waarde die is verkregen uit de kalibratiescan die in stap 6 wordt beschreven.
  4. Kies de optie Wachten op gebruiker , of een equivalent daarvan, voor het uitvoeren van sequenties, volgens de bedieningsinstructies van de systeemleverancier.
  5. Start de reeks. De MRI-scanner voltooit de voorbereiding van de sequentie, pauzeert en wacht tot de gebruiker begint met het verzamelen van gegevens.
  6. Start de data-acquisitie zodra de verpleegkundig coördinator klaar is om over te schakelen van kamerlucht naar HXe gas/luchtmengsel zoals beschreven in stap 9.4. Zorg ervoor dat de reeks al loopt voordat de proefpersoon de eerste dosis xenongas inademt.
  7. Zodra de gegevensverzameling aan het einde van 3 minuten meting is voltooid of is beëindigd wanneer al het HXe-gas is gebruikt, verwijdert u de proefpersoon uit de MRI-scanner.
  8. Beoordeel het welzijn van de proefpersoon door het SPO2-niveau te controleren en te vragen naar mogelijke bijwerkingen.
  9. Download de gemeten CSSR-gegevens op een USB-station en breng deze vervolgens over naar een laptop voor verdere analyse.

12. Analyse van CSSR-gegevens

OPMERKING: De verkregen gegevens bestaan uit N x 40 vrije inductieverval, waarbij N het aantal keren is dat de verwerving werd herhaald met verschillende vertragingstijden na verzadiging van de DP-magnetisatie. Afhankelijk van of de CSSR-meting is uitgevoerd als een ademinhoudings- of een vrije ademonderzoek, is N respectievelijk 1 of het aantal keren dat de acquisitie is herhaald, en zou het in totaal ongeveer 2 x de meettijd in s moeten bedragen. De daaropvolgende gegevensanalyse voor beide scenario's via MATLAB-scripts is echter in wezen identiek, tenzij anders aangegeven.

  1. Laad de FID's die zijn verkregen door de CSSR-sequentie. Gebruik Fast Fourier Transforms (FFT's) om de FID's om te zetten in spectra.
  2. Fase: de GP piekt naar de nulde orde. Faseer de DP-pieken naar de eerste bestelling.
  3. Pas een pseudo-Voigt-lijnvorm aan op de gefaseerde reële component van de GP-pieken.
  4. Voor metingen van de vrije ademhaling deelt u alle spectra door het gebied onder de gemonteerde GP-pieken. Bereken het gemiddelde van alle spectra met dezelfde vertragingstijd.
  5. Pas in alle spectra twee pseudo-Voigt-lijnvormen aan op de gefaseerde echte componenten van het membraan pieken bij ~196 ppm en de rode bloedcellen pieken bij ~217 ppm.
  6. Integreer de gebieden onder de gemonteerde DP-pieken.
  7. Voor metingen van het inhouden van de adem moet herhaaldelijk de vertragingstijdmeting van 50 ms worden aangeschaft (zie stap 1.2.8), die een nauwkeurigere vervalcorrectie mogelijk maakt dan normalisatie met het GP-signaal.
  8. Pas een exponentiële vervalfunctie toe op het membraanpieksignaal als functie van de acquisitie-index.
  9. Vermenigvuldig alle pieksignalen van het membraan en de rode bloedcellen met het omgekeerde van de passende exponentiële vervalfunctie voor de respectieve acquisitie-index.
  10. Pas de gecorrigeerde membraan- en rode bloedcelsignalen als functie van hun vertragingstijd aan op een Xenon-gasopnamemodel. De twee meest gebruikte modellen zijn die van Patz et al.24 en Chang et al.25,37,38. We analyseren gegevens meestal met behulp van het Patz-model.
  11. Pas aan op beide modellen om de alveolaire oppervlakte-volumeverhouding, de schijnbare dikte van de alveolaire septumwand en de capillaire transittijd te verkrijgen. Bovendien levert het door Chang et al. voorgestelde model van xenonuitwisseling (MOXE) de dikte van de barrière tussen de bloedvaten en het alveolaire volume op, evenals de hematocriet.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen belangenconflicten om bekend te maken.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door NIH-subsidies R01HL159898 en R01HL142258.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Bi-directioneel Pneumotach B&B Medical AccutachTM
Chest Vest CoilClinical MR SolutionsVolwassen formaat
GesichtsmaskeHans Rudolph7450
MatlabMathworksRelease 2018aOptimization Toolbox vereist
Fysiologisch bewakingssysteem BIOPAC Systems Inc
Tedlar ZakJensen Inert Products250-mL en 500-mL; gespecialiseerde PVF-zak
Xenon-polarisatorXemed LLCX-box E10 
Whole-body MRI-scannerSiemens1,5 T Avanto

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Hypergepolariseerde xenon-MRIlongfunctiemetriekenchemical shift verzadiginggasuitwisselingsmetingbeoordeling van de longfunctiealveolaire wanddiktecapillair bloedvolumeademstop-protocolstudie bij vrije ademhalingxenon-gasinhalatie
Kwantitatieve meting van longstructuur en -functie verkregen uit hypergepolariseerde xenonspectroscopie
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.