Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Ilościowa miara struktury i funkcji płuc uzyskana z hiperpolaryzowanej spektroskopii ksenonowej

1.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/66038

⸱

10 listopada 2023

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

W tym artykule

Podsumowanie

Rękopis przedstawia szczegółowy protokół użycia hiperspolaryzowanego odzyskiwania nasycenia chemicznego ksenonu-129 (CSSR) do śledzenia wymiany gazowej w płucach, oceny pozornej grubości ściany przegrody pęcherzykowej i pomiaru stosunku powierzchni do objętości. Metoda ta może pomóc w diagnozowaniu i monitorowaniu chorób płuc.

Streszczenie

Hiperspolaryzowany rezonans magnetyczny (MRI) ksenon-129 (HXe) dostarcza narzędzi do uzyskiwania 2- lub 3-wymiarowych map wzorców wentylacji płuc, dyfuzji gazów, wychwytu ksenonu przez miąższ płuc i innych wskaźników funkcji płuc. Jednak poprzez zamianę rozdzielczości przestrzennej na czasową, umożliwia również śledzenie wymiany ksenonowej w płucach w skali czasowej. W artykule opisano jedną z takich technik, spektroskopię MR z odzysku z przesunięcia chemicznego (CSSR). Ilustruje, w jaki sposób można go wykorzystać do oceny objętości krwi włośniczkowej, grubości ściany przegrody i stosunku powierzchni do objętości w pęcherzykach płucnych. Kąt odwrócenia zastosowanych impulsów o częstotliwości radiowej (RF) został starannie skalibrowany. Do podawania gazu pacjentowi zastosowano protokoły jednodawkowego wstrzymania oddechu i wielodawkowego swobodnego oddychania. Gdy wdychany gaz ksenonowy dotrze do pęcherzyków płucnych, zastosowano serię impulsów RF 90°, aby zapewnić maksymalne nasycenie skumulowanego namagnesowania ksenonowego w miąższu płuc. Po zmiennym czasie opóźnienia uzyskano widma w celu ilościowego określenia wzrostu sygnału ksenonowego w wyniku wymiany gazowej między objętością gazu pęcherzykowego a przedziałami tkankowymi płuc. Widma te zostały następnie przeanalizowane poprzez dopasowanie złożonych funkcji pseudo-Voigta do trzech dominujących pików. Na koniec amplitudy pików zależne od czasu opóźnienia dopasowano do jednowymiarowego analitycznego modelu wymiany gazowej w celu wyodrębnienia parametrów fizjologicznych.

Wprowadzenie

Hiperpolaryzowany rezonans magnetyczny (MRI) ksenon-129 (HXe)1 to technika, która oferuje unikalny wgląd w strukturę, funkcję i procesy wymiany gazowej płuc. Poprzez radykalne wzmocnienie namagnesowania gazu ksenonowego poprzez pompowanie optyczne z wymianą spinową, rezonans magnetyczny HXe osiąga poprawę o rząd wielkości stosunku sygnału do szumu w porównaniu z termicznie spolaryzowanym ksenonowym rezonansem magnetycznym 2,3,4,5,6. Ta hiperpolaryzacja umożliwia bezpośrednią wizualizację i kwantyfikację wychwytu gazu ksenonowego do tkanki płucnej i krwi, co w przeciwnym razie byłoby niewykrywalne za pomocą konwencjonalnego termicznie spolaryzowanego MRI7.

Odzyskiwanie nasycenia chemicznego (CSSR) Spektroskopia MR z przesunięciem chemicznym8,9,10,11,12,13 okazała się jedną z najcenniejszych technik rezonansu magnetycznego HXe. CSSR polega na selektywnym nasycaniu namagnesowania ksenonu rozpuszczonego w tkance płucnej i krwi za pomocą impulsów o częstotliwości radiowej (RF) specyficznej dla częstotliwości. Późniejsze odzyskanie sygnału fazy rozpuszczonej (DP) podczas wymiany ze świeżym hiperspolaryzowanym gazem ksenonowym w przestrzeniach powietrznych w skali czasowej ms dostarcza ważnych informacji funkcjonalnych na temat miąższu płuc.

Od czasu jej rozwoju na początku 2000 roku, techniki stojące za spektroskopią CSSR były stopniowo udoskonalane14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Co więcej, postępy w modelowaniu krzywych wychwytu ksenonu umożliwiły wyodrębnienie określonych parametrów fizjologicznych, takich jak grubość ścianki pęcherzyków płucnych i czas pasażu płucnego10,24,25,26. Badania wykazały wrażliwość CSSR na subtelne zmiany w mikrostrukturze płuc i efektywności wymiany gazowej w postaci nieprawidłowości płucnych występujących u klinicznie zdrowych palaczy27, a także w szeregu chorób płuc, w tym przewlekłej obturacyjnej chorobie płuc (POChP)18,27,28, fibrosis29 oraz uszkodzenie płuc wywołane promieniowaniem30,31. Wykazano również, że spektroskopia CSSR jest czuła na wykrywanie oscylacji sygnału DP odpowiadających pulsacyjnemu przepływowi krwi podczas cyklu pracy serca32.

Chociaż poczyniono znaczne postępy, nadal istnieją praktyczne wyzwania związane z implementacją spektroskopii CSSR w klinicznych systemach MRI. Czas skanowania wymagający jednodawkowego wstrzymania oddechu zbliżający się do 10 s może być zbyt długi dla pacjentów pediatrycznych33,34 lub pacjentów z ciężką chorobą płuc35,36. Ponadto technika ta jest podatna na błędy systematyczne w pomiarze, jeśli parametry akwizycji, takie jak kolejność czasów opóźnienia nasycenia lub skuteczność nasycenia w fazie rozpuszczonej, nie są odpowiednio zoptymalizowane21. Aby zaradzić tym ograniczeniom i uczynić CSSR bardziej dostępnym dla szerszej społeczności naukowej, potrzebne są jasne, krok po kroku protokoły zarówno dla konwencjonalnego wstrzymywania oddechu, jak i akwizycji swobodnego oddychania, które są obecnie opracowywane.

Celem tego artykułu jest przedstawienie szczegółowej metodologii wykonywania zoptymalizowanej spektroskopii MR CSSR przy użyciu gazu HXe. Protokół będzie obejmował polaryzację i dostarczanie gazu ksenonowego, kalibrację impulsów RF, wybór parametrów sekwencji, przygotowanie obiektu, akwizycję danych i kluczowe etapy analizy danych. Podane zostaną przykłady wyników eksperymentalnych. Mamy nadzieję, że ten kompleksowy przewodnik posłuży jako podstawa do wdrożenia CSSR we wszystkich ośrodkach i pomoże w realizacji pełnego potencjału tej techniki do ilościowego określania zmian mikrostrukturalnych płuc w szeregu chorób płuc.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

UWAGA: Podczas gdy opisana tutaj technika hiperpolaryzowanej spektroskopii MR Xenon-129 CSSR jest powszechnie stosowana do obrazowania zwierząt i ludzi, poniższy protokół odnosi się tylko do badań na ludziach. Wszystkie protokoły obrazowania były zgodne z ograniczeniami FDA dotyczącymi współczynnika absorpcji swoistej (SAR) (4 W/kg) i zostały zatwierdzone przez Institutional Review Board na Uniwersytecie Pensylwanii. Uzyskano świadomą zgodę od każdego uczestnika.

1. Projektowanie sekwencji impulsów

  1. Zdecyduj, czy chcesz wykonać pomiar oddechu zawieszonego, czy swobodnego oddychania.
    UWAGA: Akwizycja wstrzymania oddechu jest technicznie prostsza, ponieważ wymaga jedynie wdychania pojedynczej dawki (500 - 1000 ml) gazu HXe, a następnie 10-sekundowego wstrzymania oddechu, podczas którego zbierane są dane MRI. Jednak osoby niewspółpracujące (np. małe dzieci) lub pacjenci z ciężką chorobą płuc mogą nie być w stanie wstrzymać oddechu tak długo, dlatego wskazane może być swobodne oddychanie polegające na wdychaniu wielu, małych dawek (~50 ml) w ciągu kilku minut.
  2. W przypadku badania spektroskopii MR CSSR ze wstrzymaniem oddechu należy użyć zmiennych czasów opóźnienia dla maksymalnej elastyczności i wysokich kątów odwrócenia wzbudzenia do 90° dla maksymalnych stosunków sygnału do szumu (Rysunek 1A).
    1. Aby nasycić namagnesowanie DP na skanerze MRI 1,5 T, zastosuj 5 prostokątnych impulsów o częstotliwości radiowej 90° (RF) o częstotliwości środkowej, czasie trwania 198 ppm, 2,5 ms i 218 ppm, 2,5 ms dla 2 impulsów i częstotliwości środkowej, czasu trwania 208 ppm, 2,0 ms dla pozostałych 3 impulsów. Jeśli zezwala na to wzmacniacz mocy RF, skróć czas trwania impulsów RF w przypadku pomiarów przy wyższym natężeniu pola.
    2. Oddziel wszystkie impulsy RF spojlerami gradientowymi 1 ms, naprzemiennie wzdłuż osi x, y i z: czas narastania 200 μs, czas plateau 600 μs, 20 mT/m.
    3. Po ostatnim impulsie nasycenia poczekaj na czas opóźnienia τi, gdzie i odnosi się do i-tego pomiaru w wstrzymanym oddechu. Stosować następujące czasy opóźnienia w zalecanej kolejności: 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, 5, 5, 6, 8, 50, 12,5, 20, 40, 70, 50, 90, 110, 140, 180, 50, 225, 300, 400 ms.
    4. Zastosuj impuls wzbudzenia Gaussa RF o długości 1,2 ms wyśrodkowany na 208 ppm. Ustaw kąt odwrócenia na 90°. Jeśli wzmacniacz RF na to nie pozwala, użyj maksymalnego kąta obrotu, na jaki pozwala amplifier. Skaluj długość impulsów wzbudzenia RF odwrotnie proporcjonalnie do natężenia pola dla pomiarów na skanerach wysokiego pola.
    5. Próbkować zanik indukcji swobodnej przez 30,72 ms (1024 punkty próbkowania). Podczas gdy T2 w fazie gazowej przy 1,5 T jest rzędu 15 ms, należy znacznie skrócić czas próbkowania przy wyższych natężeniach pola bez konieczności dodatkowej apodyzacji sygnału przed przetwarzaniem.
    6. Zastosuj spojler gradientowy 5 ms wzdłuż osi x: czas narastania 200 μs, czas plateau 4,6 ms, 20 mT/m.
    7. Powtórz kroki 1.2.1 - 1.2.6 40x z innym τi podczas tego samego wstrzymania oddechu, jak opisano w kroku 1.2.3.
    8. W przypadku badania spektroskopii MR CSSR ze swobodnym oddychaniem, należy przeprowadzić następujący pomiar w sposób ciągły przez około 3 minuty (Rysunek 1B), chociaż akwizycja może zostać zakończona wcześniej, jeśli wyczerpie się przydzielona objętość gazu HXe.
    9. Powtórz kroki 1.2.1 i 1.2.2. Powtórz krok 1.2.4 z kątem odwrócenia do 7°. Próbkować swobodny rozpad indukcji przez 10,24 ms (512 punktów poboru próbek).
    10. Zastosuj spojler gradientowy 1 ms wzdłuż osi x: czas narastania 200 ms, czas plateau 600 ms, 20 mT/m. Powtórz kroki 1.2.3 - 1.2.5 40x z czasem powtarzania 12.6 ms.
    11. Powtarzaj kroki 1.2.1 - 1.2.6 aż do zakończenia badania.

2. Przygotowanie do badania pacjenta

  1. Przed każdym badaniem upewnij się, że przygotowana jest czysta maska na twarz i podłączona do urządzenia do synchronizacji dostarczania gazu za pomocą cienkich, elastycznych rurek.
  2. Do badań swobodnego oddychania należy dołączyć dwukierunkowy pneumotach do pomiarów przepływu.
  3. Wykonaj rutynowy test za pomocą szklanej strzykawki, aby naśladować oddychanie w celu sprawdzenia, czy wstrzyknięcie gazu jest prawidłowe. Urządzenie dostarczające gaz powinno wykrywać początek wdechu na podstawie pomiarów przepływu pneumotach, umożliwiając wstrzyknięcie gazu do maski.
  4. Skonfiguruj opcjonalny system monitorowania fizjologicznego, który rejestruje krzywe oddychania (przepływ i objętość) oraz analizę gazów w czasie rzeczywistym (O2 iCO2) podczas obrazowania.
  5. Podłącz i przetestuj słuchawki pokojowe MRI z sygnałem audio, który prowadzi osobę badaną za pomocą nagrania dźwięku wdech-wydech. Dostosuj szybkość odtwarzania ścieżki dźwiękowej w oparciu o normalne tempo oddychania każdego obiektu.
  6. Przygotuj łóżko skanera z czystym zagłówkiem, poduszką podpierającą nogi i kocem.
  7. Umieść odpiętą cewkę kamizelki piersiowej ksenon-129 na stole skanera MRI. Włóż wtyczkę złącza cewki i upewnij się, że skaner MR rozpoznaje cewkę.

3. Przygotowanie i monitorowanie obiektu

  1. Po przybyciu pacjenta do placówki obrazowania należy uzyskać pisemną świadomą zgodę za pomocą formularza zgody zatwierdzonego przez IRB. Po uzyskaniu zgody należy przeprowadzić badanie przesiewowe pacjenta za pomocą kwestionariusza bezpieczeństwa MRI i wykrywacza metali.
  2. Poproś osobę, aby zdjęła z siebie metal lub biżuterię i przebrała się w fartuch pacjenta.
  3. Przeszkol badanego, aby przestrzegał wybranego protokołu oddychania (wstrzymanie oddechu lub swobodne oddychanie).
  4. W celu badania swobodnego oddychania należy zapoznać osobę badaną z nagraniem głosu wdechu i wydechu, które będzie odtwarzane podczas obrazowania i z którym pacjent powinien zsynchronizować swój oddech.
  5. Zaprowadź osobę badaną do pomieszczenia rezonansu magnetycznego i umieść ją na łóżku skanera: leżąc na otwartej cewce kamizelki ksenonowej.
  6. Gdy obiekt zostanie ustawiony, zapnij paski na rzepy tak, aby cewka kamizelki była zamknięta, ale nie uciskała klatki piersiowej pacjenta.
  7. W celu badania swobodnego oddychania umieść maskę na twarz z pneumotach na twarzy pacjenta i napnij paski tak, aby maska ściśle przylegała do nosa i ust, nie będąc zbyt ciasna. Po dopasowaniu zdejmij maskę i odłóż na później, pozostawiając paski za głową fotografowanej osoby.
  8. Umieść dwa pulsoksymetry odpowiednio na prawym i lewym palcu wskazującym pacjenta, aby stale monitorować i rejestrować tętno i nasycenie krwi tlenem (SPO2) przez cały czas trwania badania.
  9. Umieść słuchawki kompatybilne z rezonansem magnetycznym na uszach badanego podmiotu.
  10. Przesuń stół skanera MRI do otworu magnesu tak, aby płuca osoby znalazły się w środku pola widzenia.

4. Hiperpolaryzacja ksenonu-129 (gaz kalibracyjny)

UWAGA: Poniżej przedstawiono kroki protokołu polaryzacji gazu ksenonowego-129 za pomocą naszego urządzenia polaryzującego. Wyreguluj zgodnie z instrukcją obsługi zainstalowanego polaryzatora gazowego specyficzną dla dostawcy.

  1. Na około 2,5 godziny przed rozpoczęciem badania należy podgrzać polaryzator ksenonowy. Ponieważ gaz ksenonowy, specjalnie wzbogacony >85% ksenon-129, jest bardzo drogi (obecnie ~500 USD za litr) i nie może być ponownie wychwycony po polaryzacji, proces polaryzacji należy rozpocząć dopiero po przybyciu osoby badanej do miejsca obrazowania.
  2. Przeciągnij rurkę łączącą specjalistycznego worka PVF o pojemności 250 ml przez zacisk uszczelniający. Upewnij się, że klips nie ściska rurki.
  3. Przymocuj specjalistyczną torbę PVF do jednego z czterech dostępnych portów dozowania polaryzatora.
  4. Na ekranie dotykowym polaryzatora wybierz wzbogacony zbiornik ksenonowy, ustaw natężenie przepływu na średnie i ustaw objętość polaryzacji na 250 ml.
  5. Naciśnij przycisk Start, aby rozpocząć proces polaryzacji. Właściwa procedura polaryzacji, zamrażanie ksenonu, rozmrażanie i dozowanie do specjalistycznego worka PVF, jest w pełni automatyczna i zajmuje około 15 minut na 250 ml ksenonu.
  6. Po dozowaniu spolaryzowanego gazu ksenonowego polaryzator wyświetli komunikat na ekranie dotykowym informujący, że worek można teraz wyjąć.
  7. Ściśnij rurkę łączącą specjalistycznego worka PVF za pomocą klipsa uszczelniającego. Odłącz specjalistyczny worek PVF i szybko umieść go w otworze skanera MRI, aby zapobiec szybkiej depolaryzacji gazu.

5. Hiperpolaryzowany wdychanie ksenonu-129 do kalibracji

  1. Umieść klips na nos fotografowanej osoby, aby poprawić oddychanie przez usta.
  2. Pod koniec normalnego wydechu włóż ustnik torebki ksenonowej do ust pacjenta.
  3. Gdy pacjent wdycha 250 ml dawki ksenonu z worka, wyjmij ustnik i poinstruuj pacjenta, aby kontynuował wdychanie powietrza w pomieszczeniu, aż jego płuca będą pełne.
  4. Na koniec wdechu poproś badanego, aby podniósł kciuk, a pielęgniarkę koordynatorkę o ustne przekazanie tej informacji operatorowi skanera w celu zainicjowania sekwencji impulsów.
  5. W przypadku osób, które nie są w stanie wstrzymać oddechu, poproś pielęgniarkę koordynatorkę, aby obserwowała ruchy klatki piersiowej pacjenta i poinformowała operatora, gdy pacjent osiągnął koniec wydechu i rozpoczął wdech. Podczas gdy takie podejście zmniejsza sygnał pomiarowy z powodu częściowego wydychu wdychanego gazu ksenonowego, zapewnia, że objętość ksenonu w płucach badanego pozostaje dość stała podczas pozyskiwania danych kalibracyjnych.
  6. Pod koniec okresu zbierania danych (~5 s) poinstruuj badanego, aby ponownie oddychał normalnie.

6. Kalibracja częstotliwości gazu i napięcia impulsu o częstotliwości radiowej

UWAGA: Przed wykonaniem sekwencji impulsów, nowoczesne skanery MRI zazwyczaj kalibrują częstotliwość rezonansową sygnału MR i napięcie, które ma być przyłożone do cewki nadawczej RF, aby osiągnąć pożądany kąt odwrócenia dla impulsów wzbudzenia. W konwencjonalnym rezonansie magnetycznym z użyciem protonów proces kalibracji jest automatyczny i zazwyczaj niewidoczny dla użytkownika. Jednak ta automatyczna kalibracja nie jest możliwa do wykonania w przypadku badań hiperpolaryzacji ksenonu-129, ponieważ nie ma dostępnego źródła sygnału w stanie równowagi termicznej. Zamiast tego częstotliwość i napięcie impulsów RF muszą być ręcznie skalibrowane. W zastosowanym tutaj skanerze MRI ta ręczna kalibracja odbywa się poprzez dostarczenie napięcia odniesienia, które oprogramowanie skanera wykorzystuje następnie do obliczenia odpowiedniego napięcia dla wszystkich kolejnych impulsów RF. Zapoznaj się z instrukcją obsługi systemu MRI odpowiednią dla dostawcy, aby dowiedzieć się, jak wprowadzić te dane kalibracyjne do oprogramowania pomiarowego.

  1. Załaduj sekwencję impulsów zwiadowcy protonowego. Wybierz pole widzenia 400 mm. Zdobądź 10 plasterków koronalnych (grubość warstwy 10 mm, odstęp 20%).
  2. Przejrzyj obrazy protonów i upewnij się, że płuco fotografowanej osoby jest wyśrodkowane w polu widzenia. W razie potrzeby zmień położenie obiektu i powtórz krok 1.
  3. Załaduj sekwencję impulsów kalibracyjnych. Użyj częstotliwości fazy gazowej (GP) HXe z najnowszego skanu przeprowadzonego przez człowieka jako początkowego oszacowania częstotliwości odbiornika.
  4. Ustaw napięcie odniesienia na taką wartość, aby sygnał GP między pierwszym a ostatnim widmem uzyskanym w sekwencji kalibracji zmniejszył się o około 70% - 80% dla większości badanych. W przypadku cewki RF klatki piersiowej ustaw początkowe napięcie odniesienia na 75 V.
  5. Rozpocznij sekwencję, gdy pacjent wdycha dawkę kalibracyjną HXe i jest w stanie wstrzymania oddechu lub, jeśli wstrzymanie oddechu nie może być osiągnięte, gdy pacjent przekroczył punkt końca wydechu w cyklu oddychania.
    1. Zastosuj impuls wzbudzenia Gaussa RF o długości 1,2 ms wyśrodkowany na 0 ppm. Ustaw nominalny kąt obrotu na 90°. Ponieważ jednak początkowe napięcie odniesienia jest ustawione znacznie poniżej jego rzeczywistej wartości, faktycznie zastosowany kąt odwrócenia wynosi około 15°.
    2. Próbkować zanik indukcji swobodnej przez 30,72 ms (1024 punkty próbkowania). Zastosuj spojler o nachyleniu 20 ms wzdłuż osi x: czas narastania 500 ms, czas plateau 19 ms, 20 mT/m. Należy pamiętać, że te specyfikacje gradientu nie są zoptymalizowane, prawdopodobnie wystarczą krótsze czasy trwania gradientu.
    3. Powtórz kroki 6.5.1.-6.5.2. 16 razy z czasem powtórzenia 55 ms. Ponownie powtórz kroki 6.5.1-6.5.2. 16 razy z czasem powtórki 220 ms.
  6. Po zakończeniu zbierania danych poinstruuj pacjenta, aby powrócił do normalnego oddychania.
  7. Oceń samopoczucie pacjenta, sprawdzając poziom SPO2 i zapytaj o wszelkie potencjalne działania niepożądane.
  8. Pobierz zmierzone dane kalibracyjne na dysk USB, a następnie przenieś je do laptopa w celu dalszej analizy.
  9. Użyj skryptu MATLAB, aby wyodrębnić częstotliwość środkową piku GP, kąt odwrócenia impulsów wzbudzenia RF i gaz HXe T1 wewnątrz płuca.
    1. Załaduj 32 FID uzyskane w sekwencji kalibracji. Użyj szybkich transformat Fouriera (FFT), aby przekonwertować FID na widma.
    2. Fazuj szczyty GP do zerowego rzędu. Dopasuj kształt linii pseudo-Voigta do fazowanej składowej rzeczywistej pików GP.
    3. Oblicz częstotliwość GP jako średnią z częstotliwości środkowych pierwszych 10 pasowań, ponieważ mają one najwyższy stosunek sygnału do szumu. Wyświetl średnią częstotliwość na ekranie.
    4. Zintegruj obszar pod wszystkimi szczytami GP. Dopasuj funkcje zaniku monowykładniczego do pierwszych 16 i drugich obszarów piku 16 GP.
    5. Wyodrębnij GP T1 i zastosowany kąt odwrócenia z dwóch dopasowanych krzywych zaniku.

7. Hiperpolaryzacja ksenonu-129 (gaz pomiarowy)

  1. Aby spolaryzować gaz pomiarowy, należy postępować zgodnie z krokami 4.2 - 4.7, z następującymi modyfikacjami:
    1. Użyj specjalistycznego worka PVF o pojemności 500 ml zamiast worka o pojemności 250 ml.
    2. Ustaw objętość polaryzacji na 500 ml zamiast 250 ml. Proces polaryzacji trwa około 20 minut dla 500 ml.

8. Hiperpolaryzowany wdech ksenonu-129 do pomiaru (wstrzymanie oddechu)

  1. Umieść klips na nos fotografowanej osoby, aby poprawić oddychanie przez usta.
  2. Pod koniec normalnego wydechu do funkcjonalnej pojemności resztkowej, włóż ustnik worka ksenonowego do ust pacjenta.
  3. Gdy tester wdycha 500 ml gazu ksenonowego z worka ksenonowego, wyjmij ustnik i poinstruuj testera, aby kontynuował wdychanie powietrza w pomieszczeniu, aż jego płuca będą pełne.
  4. Na koniec wdechu poproś badanego, aby podniósł kciuk, a pielęgniarkę koordynatorkę o ustne przekazanie tej informacji operatorowi skanera w celu zainicjowania sekwencji impulsów.
  5. Pod koniec okresu zbierania danych (~8 s) poproś badanego, aby ponownie oddychał normalnie.

9. Hiperpolaryzowany wdychanie ksenonu-129 do pomiaru (swobodne oddychanie)

  1. W celu wykonania skanu pomiarowego należy wysunąć osobę z monitora MRI, nałożyć maskę na nos i usta, a następnie połączyć wstępnie zamontowane paski z tyłu głowy z maską, zabezpieczając maskę na miejscu. Pneumotach na masce wykryje kolejne wdechy i wydechy podmiotu i uruchomi system dostarczania gazu, aby dozować gaz po wykryciu wdechu.
  2. Przesuń obiekt z powrotem do jego pierwotnej pozycji w skanerze.
  3. Odtwórz nagranie dźwięku wdechu i wydechu, aby badany mógł zsynchronizować swój wzorzec oddychania z protokołem oddychania.
  4. Gdy pacjent wpadnie w rytm protokołu oddychania, poproś pielęgniarkę koordynującą, aby poinformowała operatora rezonansu magnetycznego o rozpoczęciu zbierania danych. Następnie pielęgniarka koordynująca otwiera zawory w systemie dostarczania gazu, a pacjent zaczyna wdychać 50 ml hiperspolaryzowanego ksenonu-129, który miesza się z przepływem powietrza wewnątrz maski oddechowej.
  5. Poproś pacjenta, aby kontynuował ćwiczenia przez około 10 oddechów, aż objętość gazu ksenonowego zostanie wykorzystana zgodnie z protokołem obrazowania.

10. Akwizycja danych pomiarowych (wstrzymanie oddechu)

  1. Załaduj sekwencję impulsów CSSR do wstrzymania oddechu, jak opisano w kroku 1.2. Ustaw częstotliwość akwizycji zgodnie z częstotliwością HXe GP określoną podczas skanowania kalibracyjnego w kroku 6.
  2. Dostosuj napięcie odniesienia tak, aby odpowiadało wartości uzyskanej ze skanowania kalibracyjnego opisanego w kroku 6.
  3. Wybierz opcję Czekaj na użytkownika lub jej odpowiednik w celu wykonania sekwencji, postępując zgodnie z instrukcjami operacyjnymi dostawcy systemu.
  4. Zainicjuj sekwencję. Skaner MRI zakończy przygotowanie sekwencji, a następnie zatrzyma się i poczeka, aż użytkownik rozpocznie pobieranie danych.
  5. Rozpocznij zbieranie danych, gdy pacjent wdycha dawkę pomiarową HXe, przepłukuje drogi oddechowe, kontynuując wdychanie powietrza w pomieszczeniu, aż jego płuca zostaną wypełnione, i rozpocznie wstrzymanie oddechu. To ostatnie powinno być wykonywane zgodnie z zaleceniami pielęgniarki koordynującej i opisane w kroku 5 i kroku 8.
  6. Po zakończeniu zbierania danych poinstruuj pacjenta, aby powrócił do normalnego oddychania.
  7. Oceń samopoczucie pacjenta, sprawdzając poziom SPO2 i pytając o wszelkie potencjalne działania niepożądane.
  8. Pobierz zmierzone dane CSSR na dysk USB, a następnie przenieś je do laptopa w celu dalszej analizy.

11. Akwizycja danych pomiarowych (swobodne oddychanie)

  1. Załaduj sekwencję impulsów CSSR, aby swobodnie oddychać, jak opisano w kroku 1.3.
  2. Ustaw częstotliwość akwizycji zgodnie z częstotliwością HXe GP określoną podczas skanowania kalibracyjnego w kroku 6.
  3. Dostosuj napięcie odniesienia tak, aby odpowiadało wartości uzyskanej ze skanowania kalibracyjnego opisanego w kroku 6.
  4. Wybierz opcję Czekaj na użytkownika lub jej odpowiednik w celu wykonania sekwencji, postępując zgodnie z instrukcjami operacyjnymi dostawcy systemu.
  5. Zainicjuj sekwencję. Skaner MRI zakończy przygotowanie sekwencji, a następnie zatrzyma się i poczeka, aż użytkownik rozpocznie pobieranie danych.
  6. Rozpocznij gromadzenie danych, gdy pielęgniarka koordynatorka będzie gotowa do przełączenia z powietrza w pomieszczeniu na mieszaninę gazowo-powietrzną HXe, jak opisano w kroku 9.4. Upewnij się, że sekwencja jest już uruchomiona, zanim pacjent wdycha pierwszą dawkę gazu ksenonowego.
  7. Po zakończeniu zbierania danych po upływie 3 minut pomiaru lub po jego zakończeniu, gdy zużyto cały gaz HXe, usuń obiekt ze skanera MRI.
  8. Oceń samopoczucie pacjenta, sprawdzając poziom SPO2 i pytając o wszelkie potencjalne działania niepożądane.
  9. Pobierz zmierzone dane CSSR na dysk USB, a następnie przenieś je do laptopa w celu dalszej analizy.

12. Analiza danych CSSR

UWAGA: Uzyskane dane składają się z N x 40 wolnych rozpadów indukcji, gdzie N to liczba powtórzeń akwizycji z różnymi czasami opóźnienia po nasyceniu namagnesowania DP. W zależności od tego, czy pomiar CSSR został przeprowadzony jako badanie wstrzymania oddechu, czy swobodnego oddychania, N wynosi odpowiednio 1 lub liczbę powtórzeń akwizycji i powinno wynosić około 2 razy czas pomiaru w s. Jednak późniejsza analiza danych dla obu scenariuszy za pomocą skryptów MATLAB jest zasadniczo identyczna, chyba że wskazano inaczej.

  1. Załaduj FID uzyskane przez sekwencję CSSR. Użyj szybkich transformat Fouriera (FFT), aby przekonwertować FID na widma.
  2. Fazuj szczyty GP do zerowego rzędu. Etap szczytów DP do pierwszego rzędu.
  3. Dopasuj kształt linii pseudo-Voigta do fazowanej składowej rzeczywistej pików GP.
  4. W przypadku pomiarów swobodnego oddychania podziel wszystkie widma przez obszar pod dopasowanymi pikami GP. Uśrednij wszystkie widma z tym samym czasem opóźnienia.
  5. We wszystkich widmach dopasuj dwa kształty linii pseudo-Voigta do fazowanych rzeczywistych składników błony osiąga piki przy ~ 196 ppm i czerwone krwinki osiągają szczyty przy ~ 217 ppm.
  6. Zintegruj obszary pod zamontowanymi szczytami DP.
  7. W przypadku pomiarów wstrzymania oddechu należy wielokrotnie wykonywać pomiar czasu opóźnienia 50 ms (patrz krok 1.2.8), co pozwala na bardziej precyzyjną korekcję zaniku niż normalizacja sygnałem GP.
  8. Dopasuj funkcję zaniku wykładniczego do sygnału piku błony jako funkcję wskaźnika akwizycji.
  9. Pomnóż wszystkie sygnały piku błony i czerwonych krwinek przez odwrotność dopasowanej funkcji rozpadu wykładniczego dla odpowiedniego wskaźnika pozyskiwania.
  10. Dopasuj skorygowane sygnały błony i czerwonych krwinek w funkcji ich czasu opóźnienia do modelu wychwytu gazu ksenonowego. Dwa najczęściej używane modele to te zaproponowane przez Patz et al.24 oraz Chang et al.25,37,38. Zazwyczaj analizujemy dane przy użyciu modelu Patz.
  11. Dopasuj do dowolnego modelu, aby uzyskać stosunek powierzchni do objętości pęcherzyków płucnych, pozorną grubość ściany przegrody pęcherzykowej i czas pasażu kapilarnego. Ponadto model wymiany ksenonowej (MOXE) zaproponowany przez Changa i wsp. pozwala na określenie grubości bariery między naczyniami i objętości pęcherzyków płucnych, a także hematokrytu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunek 2 przedstawia typowe widmo ksenonu obserwowane w ludzkich płucach podczas wstrzymania oddechu, po inhalacji dawki 500 mL ksenonu. Widmo wykazuje dwa odrębne obszary: rezonans GP w okolicach 0 ppm oraz obszar DP, który składa się z piku błonowego przy około 197 ppm i piku erytrocytów przy około 217 ppm. Względne amplitudy pików zależą od szeregu czynników, w tym od kształtu, czasu trwania i częstotliwości centralnej impulsu wzbudzenia RF, a także od czasu opóźnienia między saturacją a...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Spektroskopia MR HXe CSSR jest potężną techniką oceny kilku wskaźników funkcji płuc, które byłyby trudne lub niemożliwe do ilościowego określenia in vivo przy użyciu jakiejkolwiek innej istniejącej metody diagnostycznej24. Niemniej jednak pozyskiwanie i późniejsza analiza danych opierają się na pewnych założeniach dotyczących warunków fizjologicznych i parametrów technicznych, które nigdy nie są całkowicie osiągalne u żywych osób. Te ograniczenia i ich wpływ na interpretację wyodrębnionyc...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez granty NIH R01HL159898 i R01HL142258.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Dwukierunkowy Pneumotach B& B Medical AccutachTM
Cewka kamizelki na klatkę piersiowąKliniczne rozwiązaniaMaska na twarz dla dorosłych
Hans Rudolph7450
MatlabMathworksRelease 2018aWymagany zestaw narzędzi optymalizacyjnych
System monitorowania fizjologicznego BIOPAC Systems Inc
Torba TedlarJensen Produkty obojętne250 ml i 500 ml; specjalistyczny worek PVF
Polaryzator ksenonowyXemed LLCX-box E10 
Skaner MRI całego ciałaSiemens1.5 T Avanto
MR

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

MRI z wykorzystaniem hiperpolaryzowanego ksenonuwskaźniki funkcji płucnasycenie przesunięciem chemicznympomiar wymiany gazowejocena funkcji płucgrubość ściany pęcherzyków płucnychobjętość krwi w naczyniach kapilarnychprotokół wstrzymania oddechubadanie podczas swobodnego oddychaniainhalacja gazem ksenonowym
Ilościowa miara struktury i funkcji płuc uzyskana z hiperpolaryzowanej spektroskopii ksenonowej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.