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Artigo de método

Aquisição de Imagens de Ressonância Magnética 129Xe Hiperpolarizadas da Ventilação Pulmonar

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DOI:

10.3791/65982

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21 de novembro de 2023

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Virginia, 2Department of Radiology and Medical Imaging, University of Virginia, 3Department of Medicine, University of Virginia, 4Department of Physics, University of Virginia

Neste artigo

Resumo

A ressonância magnética (RM) hiperpolarizada 129Xe é um método para estudar aspectos regionalmente resolvidos da função pulmonar. Este trabalho apresenta um fluxo de trabalho padronizado de ponta a ponta para RM hiperpolarizada de 129Xe de ventilação pulmonar, com atenção específica ao design da sequência de pulsos, preparação da dose de 129Xe, fluxo de trabalho de varredura e melhores práticas para monitoramento da segurança do indivíduo.

Resumo

A RM hiperpolarizada de 129Xe compreende uma variedade única de técnicas de imagem pulmonar estrutural e funcional. A padronização da técnica entre os locais é cada vez mais importante, dada a recente aprovação pelo FDA do 129Xe como agente de contraste por RM e à medida que o interesse na RM de 129Xe aumenta entre as instituições clínicas e de pesquisa. Os membros do 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) concordaram com as melhores práticas para cada um dos principais aspectos do fluxo de trabalho de 129Xe MRI, e essas recomendações estão resumidas em uma publicação recente. Este trabalho fornece informações práticas para desenvolver um fluxo de trabalho de ponta a ponta para a coleta de imagens de 129Xe RM da ventilação pulmonar de acordo com as recomendações da Xe MRI CTC. A preparação e administração de 129Xe para estudos de RM serão discutidas e demonstradas, com tópicos específicos, incluindo a escolha de volumes de gás apropriados para estudos inteiros e para exames individuais de RM, preparação e administração de doses individuais de 129Xe e melhores práticas para monitorar a segurança do sujeito e a tolerabilidade de 129Xe durante os estudos. As principais considerações técnicas de RM também serão abordadas, incluindo tipos de sequência de pulso e parâmetros otimizados, calibração do ângulo de inclinação de 129Xe e frequência central, e análise de imagem de ventilação por RM de 129Xe.

Introdução

A RM 129Xehiperpolarizada é uma ferramenta interessante para a caracterização e quantificação de aspectos específicos da função pulmonar não invasiva e resolvida espacialmente 1,2,3. Abordagens de aquisição e reconstrução semelhantes às utilizadas na RM anatômica de prótons fornecem imagens de 129Xe inalatório nos pulmões, permitindo a visualização de regiões pulmonares não ventiladas e a quantificação da distribuição ventilatória resolvida por região 4,5,6,7,8 . Técnicas mais avançadas de sequência de pulso e análise fornecem informações complementares, incluindo a quantificação da eficácia das trocas gasosas entre alvéolos e capilares pulmonares por RM espectroscópica 9,10,11,12,13 e caracterização da integridade da microestrutura alveolar por difusão RM 14,15,16.

O 129Xe inalatório tem se mostrado seguro e tolerável em indivíduos adultos e pediátricos, incluindo aqueles com doença pulmonar17,18. Medidas de função pulmonar derivadas da RM de 129Xe têm mostrado sensibilidade a alterações estruturais e funcionais em vários contextos de doença pulmonar, incluindo doença pulmonar obstrutiva crônica 6,10,19, fibrose cística20,21,22, fibrose pulmonar idiopática 23,24,25 e asma 7,10,26. Dada a alta segurança e tolerabilidade da RM de 129Xe, a falta de radiação ionizante na RM em comparação com outras abordagens de imagem comuns e a alta reprodutibilidade dos resultados da RM de 129Xe27,28, a RM de 129Xe é uma promessa significativa, em particular para o monitoramento seriado preciso de indivíduos que recebem um curso de tempo de terapia para doença pulmonar crônica.

A segurança e a promessa clínica da ressonância magnética 129Xe levaram à aprovação da FDA em dezembro de 2022 para imagens de ventilação pulmonar em pessoas com 12 anos ou maisde 29 anos. Diante disso, espera-se que o número de centros de pesquisa e clínicos capazes de realizar RM de 129Xe (atualmente ~20 em todo o mundo) aumente significativamente nos próximos anos. À medida que a RM de 129Xe se espalha para novas instituições, é importante que existam recursos metodológicos robustos para permitir que os locais construam rapidamente técnicas de RM de 129Xe clinicamente relevantes e realizem exames e gerem resultados que sejam estreitamente comparáveis aos dos locais existentes.

Neste trabalho, descreveremos as melhores práticas atuais para RM humana hiperpolarizada de 129Xe de ventilação pulmonar, conforme acordado pelas instituições membros do 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) e resumido em um recente artigo de posição30. Os tópicos incluirão a preparação de sequências de pulso personalizadas ideais para um fluxo de trabalho completo de RM de 129Xe, preparação e administração de gás 129Xe hiperpolarizado, um fluxo de trabalho otimizado para sessões de RM de 129Xe humanas e melhores práticas para monitorar a segurança e o conforto do sujeito durante as sessões de RM.

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Protocolo

Todas as pesquisas envolvendo seres humanos devem ser aprovadas por um Comitê de Ética em Pesquisa (CEP). O envolvimento do IRB não é necessário para o uso clínico aprovado pela regulamentação da RM de 129Xe. Antes de participar de um estudo de pesquisa, os indivíduos em potencial devem receber um documento de consentimento livre e esclarecido aprovado. A pessoa que obtém o consentimento deve explicar o conteúdo do documento, incluindo o objetivo, procedimentos, benefícios e riscos do estudo, deve responder a quaisquer perguntas e deve obter consentimento do sujeito para prosseguir com o estudo, conforme documentado pela assinatura do sujeito no documento de consentimento informado. No caso de indivíduos pediátricos ou outras circunstâncias especiais, as práticas aprovadas para a obtenção do consentimento devem ser seguidas. O protocolo descrito abaixo segue as diretrizes do IRB da Universidade da Virgínia, e os sujeitos de caso de exemplo neste manuscrito assinaram os termos de consentimento aprovados pelo IRB da Universidade da Virgínia (IRB 13647, 16215, 16885, 19569).

1. Preparação de hardware e sequências de pulso para RM de 129Xe

NOTA: As etapas do protocolo na etapa 1 devem ser executadas antes da varredura de qualquer indivíduo humano. Eles não precisam ser repetidos para cada assunto.

  1. Verifique se o scanner de ressonância magnética é capaz de operação multinuclear, incluindo 129Xe.
  2. Verifique se a bobina de radiofrequência (RF) 129Xe pode ser conectada ao scanner de ressonância magnética, usando uma caixa de interface bobina-scanner construída especificamente para esse fim, se necessário.
  3. Verifique se o software adequado (geralmente chamado de arquivo de bobina) para fazer interface da bobina de RF 129Xe com o scanner de ressonância magnética está instalado, se exigido pelo fabricante do scanner.
  4. Prepare sequências de pulso para imagens de 129Xe e 1H, conforme descrito abaixo.
    1. Para a calibração de 129Xe, prepare uma sequência espectroscópica não localizada compreendendo uma série de decaimentos de indução livre (FIDs) usando os parâmetros da sequência de pulsos fornecidos na Tabela 1.
      NOTA: Os FIDs adquiridos a ~218 ppm (frequência de fase dissolvida) são usados principalmente para determinar parâmetros para RM de fase dissolvida 129Xe, o que não é abordado no presente trabalho. No entanto, esses parâmetros são fornecidos para que se possa desenvolver uma única calibração padronizada de 129Xe que seja suficiente para exames de RM de 129Xe de qualquer tipo. Além disso, observe que uma varredura de calibração separada pode não ser necessária para estudos envolvendo apenas imagens de ventilação de 129Xe, uma vez que o local adquira experiência suficiente. A frequência de operação de 129Xe pode ser estimada com precisão dimensionando a frequência de 1H determinada pelo scanner pela razão de razões giromagnéticas de 129Xe para 1H, e a calibração do transmissor pode ser estimada com base na experiência acumulada e no peso do objeto.
    2. Para RM com ventilação de 129Xe, prepare uma sequência gradiente-eco bidimensional (2D) estragada por RF usando os parâmetros da sequência de pulso fornecidos na Tabela 2. Certifique-se de que 129Xe esteja selecionado como o núcleo de destino.
    3. Para RM anatômica convencional de 1H, prepare uma sequência spin-eco turbo/fast de disparo único ou uma sequência gradiente-eco estragada por RF usando os parâmetros fornecidos na Tabela 2.
      NOTA: Para ventilação de 129Xe e sequênciasanatômicas de 1 H, FOV e o número de cortes são específicos do indivíduo. Escolha esses parâmetros no início da sessão de exame, de modo a garantir a cobertura total dos pulmões nas três dimensões.
      1. Habilite a sobreamostragem de fase para reduzir o potencial aliasing dos braços no FOV de imagem.
      2. As limitações do fornecedor do scanner de ressonância magnética podem impedir a operação da sequência spin-echo turbo/fast de disparo único na resolução grosseira no plano sugerida (4 mm x 4 mm). Se esse for o caso, use uma resolução que seja um fator inteiro da resolução desejada (por exemplo, 2 mm x 2 mm).
        NOTA: A varredura anatômica de 1H pode alternativamente ser adquirida usando uma sequência de eco gradiente 2D estragada por RF. Nesse caso, use os mesmos parâmetros que os parâmetros de varredura de ventilação fornecidos na Tabela 2 , mas habilite a superamostragem de fase para evitar o aliasing dos braços no FOV de imagem.
  5. Verifique o funcionamento da bobina de RF e das sequências de pulso descritas acima realizando varreduras de um simulador de 129Xe polarizado termicamente31 para varreduras de 129Xe e um simulador de 1H para varreduras de 1H.

ParâmetroCalibração
TR15 ms
TE0,45 ms (3 T), 0,8 ms (1,5 T)
Pulso de RFsinc com janelas
Duração da RF0,65-0,69 ms (3 T), 1,15-1,25 ms (1,5 T)
Ângulo de inversão20°
Frequência de RF218 ppm (fase dissolvida), 0 ppm (fase gasosa)
Tempo de permanência39 μs
Largura de banda25,6 kHz
Não. das amostras256 (não incluindo sobreamostragem, se utilizado)
Duração da leitura10 ms
Número de FIDs1 ruído (sem RF), 499 na frequência da fase dissolvida, 20 na frequência da fase gasosa.
Degradação do degradêmomento de pelo menos 15 mT/m-ms (cada eixo, após cada DIF)
Duração~8 s

Tabela 1: Parâmetros de sequência de pulsos recomendados para calibração de 129Xe. Os parâmetros são fornecidos para uma sequência de pulso de calibração espectroscópica não localizada de 129Xe.

ParâmetroVentilaçãoAnatómico
Tipo de sequênciaGradiente-eco estragado por RFTurbo de tiro único/spin-echo rápido
TR<10 msInfinito
TE<5 ms<50 ms
Espaçamento entre ecosN/A3-5 ms
Ângulo de inversão de excitação8-12°90°
Refocalizando o ângulo de inversãoN/A≥90° (mais alto permitido dentro dos limites SAR)
Espessura de corte15 milímetros15 milímetros
Intervalo de fatiasNenhumNenhum
Orientação da fatiaCoronalCoronal
Ordem de fatiasSequencial (anterior para posterior)Sequencial (anterior para posterior)
Ordem de codificação de faseSequencial (da esquerda para a direita)Sequencial (da esquerda para a direita)
NEX1 (até 7/8 Fourier parcial permitido)Meio Fourier
Eco assimétricoPermitidoN/A
Tamanho do voxel4 x 4 x 15 milímetros34 x 4 x 15 milímetros3
Duração da amostragem por eco5-7 ms1-1,5 ms
Duração da varredura8-12 s≤16 s

Tabela 2: Parâmetros recomendados da sequência de pulsos para ventilação com 129Xe e imagens anatômicas de 1H. Os parâmetros são fornecidos para uma sequência de gradiente-eco rápido estragado por RF 2D para imagens de ventilação de 129Xe (primeira coluna) e uma sequência 2D turbo/fast spin-echo de disparo único para imagens anatômicas de 1H (segunda coluna). Note que o exame anatômico pode alternativamente ser adquirido usando uma sequência 2D RF-spoiled gradient echo. Nesse caso, use os mesmos parâmetros que os parâmetros de varredura de ventilação fornecidos aqui, mas adicione a sobreamostragem de fase conforme necessário para evitar o aliasing dos braços no FOV de imagem. Além disso, observe que o método específico para especificar a largura de banda do receptor varia entre os fabricantes de scanner, mas que o valor correto pode ser calculado para qualquer fabricante de scanner a partir da duração de amostragem dada por eco.

2. Triagem e preparação de candidatos para RM de 129Xe

  1. Certifique-se de que não há contraindicações para RM no indivíduo em questão, pesquisando-os com um formulário de segurança de RM. O Arquivo Suplementar 1 mostra um exemplo de formulário usado na Universidade da Virgínia.
  2. Certifique-se de que o indivíduo em potencial não atenda a nenhum critério de exclusão específico para exames de RM de 129Xe, que podem incluir, mas não estão limitados a:VEF1 previsto em porcentagem menor que 25%, uma condição respiratória descompensada nas últimas 6 semanas, circunferência torácica maior que a circunferência interior da bobina de 129Xe RF e história de doença cardíaca instável.
    NOTA: Critérios adicionais que não indicam exclusão imediata, mas que merecem uma consideração individual cuidadosa, incluem: a necessidade de oxigênio suplementar significativo no início do estudo (ou seja, maior que 3 L/min pela cânula nasal) e uma história de distúrbio neurológico com anormalidades basais.
  3. Se realizar teste de difusão pulmonar (DLCO) ou espirometria durante a consulta de imagem, instrua o indivíduo a não ingerir bebidas gaseificadas no dia da visita ao estudo. Se um indivíduo usar medicação respiratória prescrita, instrua-o a adiar ou abster-se de tomá-la, se especificado pelo protocolo do estudo.

3. Preparo de doses hiperpolarizadas de 129Xe

NOTA: As instruções detalhadas do polarizador 129Xe e da estação de medição de polarização são proprietárias e específicas para cada fornecedor. As instruções abaixo compreendem um resumo básico para a operação geral do polarizador de 129Xe de bombeamento óptico de troca de spin.

  1. Decida sobre um volume de dose para o indivíduo. Comumente, um volume de dose total de 1 L é escolhido para todos os indivíduos, e esse volume de dose total é especificado no rótulo do FDA para RM de 129Xe. No entanto, as recomendações atuais da CTC de Xe RM30 sugerem que o volume total de dose (xenônio mais nitrogênio ou hélio) deve atingir 1/5do terço da capacidade vital forçada (CVF) do indivíduo para garantir uma quantidade confortável de gás para inalar para cada indivíduo e minimizar os efeitos relacionados à diferença de volume pulmonar entre os indivíduos.
    1. Se os resultados espirométricos recentes estiverem disponíveis para o indivíduo, use-os para determinar 1/5da CVF. Se os resultados da espirometria não estiverem disponíveis, estime a capacidade pulmonar total (CPT) do indivíduo com base na altura, sexo e raça, e estime a dose total como 1/6da CPT.
  2. Decida sobre um volume de gás xenônio para polarizar.
    NOTA: Os volumes de xenônio alvo para cada bolsa de dose são dados como volumes de dose equivalente (DE), que indicam conceitualmente o volume equivalente de gás 129Xe 129 enriquecido e 100% polarizado. Conceitualmente, o volume DE é diretamente proporcional à relação sinal-ruído (SNR) esperada de uma varredura de 129Xe, e o volume DE recomendado será maior ou menor para certos tipos de varredura de 129Xe com base na SNR necessária para esse tipo de varredura.
    1. Calcular o volume DE para uma dada dose de xenónio do seguinte modo32:
      figure-protocol-1
      onde VXe é o volume total de gás xenônio (todos os isótopos, não apenas 129Xe) na dose, f129Xe é o enriquecimento isotópico de 129Xe e P129Xe é a polarização de 129Xe.
    2. Escolha o total de volumes DE necessários para o conjunto de 129varreduras Xe que serão executadas. Os volumes de DE recomendados para calibração individual e varreduras de ventilação são de 75-150 mL.
      NOTA: Para imagens de ventilação, a relação S/R deve ser alta o suficiente para distinguir de forma robusta entre voxels de imagem ventilados e não ventilados. Um volume de DE de 50 mL é considerado o mínimo absoluto para imagens de ventilação30 para atingir uma relação S/R esperada de pelo menos 20. Para varreduras de calibração, um volume de DE tão baixo quanto 25 mL pode ser aceitável se apenas o sinal de fase gasosa for calibrado; pelo menos 75 ml devem ser utilizados se calibrar os sinais de fase gasosa e de fase dissolvida.
  3. Use o volume total necessário de DE, o enriquecimento isotrópico de 129Xe conhecido do gás xenônio e a polarização estimada de 129Xe com base em corridas de polarização anteriores para calcular o volume total necessário de gás xenônio para polarização. Um exemplo de cálculo é mostrado abaixo para um exame de ventilação (volume DE = 75 mL), assumindo enriquecimento isotópico de 129Xe de 85% e polarização de 20%32:
    figure-protocol-2
    Efectue este cálculo para cada dose de xenónio para determinar o volume correcto de gás xenónio polarizado a dispensar em cada bolsa doseadora.
    1. Indivíduos com IMC baixo (<21) têm um risco maior de efeitos mais profundos no sistema nervoso central (SNC) após inalação de 129Xe do que outros indivíduos. Consulte um médico antes de obter imagens de indivíduos com baixo IMC e considere minimizar os volumes de dose de 129Xe para evitar esses problemas potenciais.
  4. Prepare o polarizador 129Xe de acordo com todas as instruções fornecidas pelo fornecedor do polarizador.
    1. As etapas podem incluir o seguinte, dependendo do fornecedor do polarizador: certifique-se de que a fonte de alimentação da bobina Helmholtz esteja LIGADA; evacuar o coletor de saída para limpar quaisquer impurezas; configurar o dewar de nitrogênio líquido ao redor/abaixo do dedo frio; ligue a energia para os lasers e deixe-os aquecer; ligue o fluxo de ar para o forno, ajuste o forno para a temperatura apropriada usando o controlador do forno e deixe o forno aquecer.
      CUIDADO: O nitrogênio líquido pode causar congelamento severo se entrar em contato com a pele, olhos ou roupas, e a luz laser de alta intensidade pode causar lesões oculares se incidir sobre o olho sem proteção. Use a devida cautela e use equipamentos de proteção conforme necessário.
  5. Verifique se a estação de medição de polarização 129Xe está ligada e se o software está pronto para medir a polarização de dose.
  6. Comece a coleta de 129Xe hiperpolarizado executando as etapas a seguir.
    1. Inicie o fluxo de nitrogênio para a jaqueta de aquecimento de dedo frio.
    2. Inicie o fluxo da mistura de xenônio para o dedo frio. Consulte as curvas de desempenho do polarizador na documentação do polarizador para escolher a taxa de fluxo ideal.
    3. Adicione nitrogênio líquido ao dewar que envolve o dedo frio.
    4. Registre a hora de início da polarização em uma folha de dados para garantir um volume de polarização preciso.
    5. Uma vez iniciada a coleta, ajuste os controladores de fluxo e forno para manter a taxa de fluxo e a temperatura consistentes e adicione nitrogênio líquido conforme necessário para manter o dewar cheio.
  7. Durante o acúmulo de xenônio, prepare os sacos dosesiométricos Tedlar para a coleta de dose purgando e evacuando repetidamente os sacos pelo menos 3x usando o coletor de saída do polarizador para minimizar as impurezas e/ou gases despolarizantes nos sacos.
  8. Uma vez decorrido o tempo apropriado para a coleta do volume desejado de 129Xe hiperpolarizado, encerre a coleta de 129Xe hiperpolarizada, conforme indicado na documentação do polarizador.
  9. Descongele o 129Xe congelado que se precipitou no dedo frio, conforme descrito abaixo.
    1. Anexe um saco doseador de 129Xe à saída de xenônio no coletor de saída.
    2. Remova cuidadosamente o dewar de nitrogênio líquido e substitua-o por um recipiente de descongelamento contendo água à temperatura ambiente.
    3. Durante o descongelamento, monitore a pressão continuamente, abrindo a válvula de fluxo do dedo frio para a saída de xenônio assim que a pressão atingir um valor limite dado na documentação do polarizador e fechando rapidamente a válvula à medida que a pressão cai.
    4. Continue a dispensar gás xenônio sublimado na bolsa posológica desta forma até que a quantidade desejada de xenônio na bolsa posológica seja atingida.
    5. Adicione o gás tampão (nitrogênio ou hélio) neste momento, se ele não foi adicionado ao saco anteriormente.
    6. Uma vez que todos os gases de xenônio e tampão desejados sejam adicionados ao saco, feche rapidamente a pinça de pinça na tubulação do saco, feche a válvula de saída de xenônio e retire o saco de dose completa do polarizador.
    7. Mova o saco imediatamente para o campo magnético criado pelo par de bobinas de Helmholtz da estação de medição de polarização 129Xe.
      CUIDADO: A pressão aumentará rapidamente no dedo frio à medida que o gás xenônio aquece e sublima, criando um risco potencial de explosão se a pressão for permitida para aumentar além dos limites seguros. Siga exatamente as instruções para esta etapa fornecidas na documentação do polarizador e use proteção ocular ao executar essa etapa.
  10. Medir e registrar a polarização em cada bolsa dosadora na estação de medição de polarização 129Xe, de acordo com as instruções fornecidas pelo fornecedor da estação de medição de polarização.
  11. Uma vez medida a polarização, mantenha bolsas dosimétricas de 129Xe no campo magnético criado pelo par de bobinas de Helmholtz da estação de medição de polarização até que esteja pronto para administrar uma dose ao indivíduo.

4. Preparação pré-digitalização e coaching do assunto

NOTA: Recomenda-se que, se o sujeito receber um exame completo que inclua um teste de caminhada de seis minutos, a caminhada não deve ocorrer até que a RM de 129Xe seja concluída para evitar fatigar o sujeito de uma maneira que poderia potencialmente afetar os resultados da RM de 129Xe. Isso é particularmente relevante para pacientes com doença cardiopulmonar.

  1. Confirmar que o indivíduo executou corretamente todas as instruções pré-visita, conforme descrito na etapa 2, e que nenhuma alteração na saúde que preenchesse qualquer critério de exclusão do estudo ou constituísse uma contraindicação de RM ocorreu desde que o indivíduo foi triado.
  2. Realizar todos os testes físicos necessários sobre o assunto, incluindo um eletrocardiograma (ECG); uma coleção de sinais vitais, incluindo temperatura corporal, frequência cardíaca, frequência respiratória, saturação de oxigênio no sangue (SpO2) e pressão arterial; Espirometria; e um teste de DLCO.
  3. Monitore esses testes para quaisquer sinais de alerta potenciais, incluindo SpO2 baixa (<92%), pressão arterial elevada ou desvio significativo dos resultados do teste de quaisquer linhas de base existentes para o indivíduo.
    NOTA: Essas leituras, particularmente a SpO2 basal, são verificadas devido à expectativa de que ocorra dessaturação transitória leve de oxigênio durante a inalação de 129Xe. Para indivíduos com SpO2 basal <92% ou outros sinais de alerta, consulte um médico para confirmar a adequação do indivíduo para o teste de RM de 129Xe e se deve usar O2 suplementar entre inalações de 129Xe.
  4. Orientar o sujeito no procedimento correto de inalação de 129Xe, conforme descrito abaixo.
    1. Prepare um ou mais sacos de Tedlar contendo ar para o sujeito praticar fora do scanner. Use um volume de ar que corresponda ao volume total de xenônio e gás tampão que será inalado da bolsa durante o estudo real.
    2. Prepare clipes nasais para o sujeito usar durante a varredura de apneia. Encaixe os clipes nasais no nariz do sujeito antes do início da pausa respiratória (tanto para a prática quanto para a varredura real).
    3. Treine o sujeito usando uma bolsa cheia de ar para cada tentativa, seguindo as instruções abaixo. O indivíduo deve iniciar a inalação da bolsa a partir de um volume alvo de capacidade residual funcional. Durante o procedimento abaixo, monitore o tórax do sujeito para confirmar que ele está executando as instruções conforme dado.
      1. Tenha a bolsa pronta, mas ainda não a administre ao sujeito. Pergunte ao sujeito para: Respire regularmente. Expire-o. Respire regularmente. Expire-o.
      2. Coloque o tubo preso ao saco de Tedlar na boca do sujeito. Segure o saco onde o sujeito pode inalar e abra a válvula. Pergunte ao sujeito para: Inspire. Inspirar. Inspirar.
      3. Uma vez que o sujeito tenha inalado todo o conteúdo da bolsa, peça ao sujeito para: Prenda a respiração. Instrua imediatamente o operador do scanner a: Vai!
        NOTA: Ao digitalizar o assunto, o operador do scanner deve iniciar a varredura ao ouvir Go! Esta instrução não se destina ao sujeito (ou seja, ele deve permanecer imóvel e continuar prendendo a respiração conforme instruído imediatamente antes), mas alerta o sujeito de que a varredura é iminente.
      4. Aguarde até que a varredura termine, ou durante a prática, para uma contagem de 10-15 s, que é a quantidade aproximada de tempo necessária para que uma varredura típica de 129Xe decorra.
      5. Pergunte ao sujeito para: Respire. O sujeito expira neste ponto. Treine o sujeito para fazer várias inspirações profundas neste ponto para facilitar a eliminação mais rápida de 129Xe dos pulmões e um retorno mais rápido aos níveis normais de saturação de oxigênio.
      6. Verifique se o sujeito é capaz de executar essas instruções de forma confiável. Considere excluir indivíduos que são incapazes de inalar todo o volume de gás, incapazes de manter a pausa respiratória ou que tossem persistentemente durante as tentativas de apneia durante o teste.
        NOTA: O resultado deste teste é crítico para determinar a provável qualidade da imagem. Essa verificação da conformidade confiável do sujeito é particularmente importante nos contextos de imagem pediátrica e de imagem de doença pulmonar grave, pois os indivíduos em uma ou ambas as categorias são mais propensos a lutar para completar de forma confiável a pausa respiratória necessária.

5. Preparo da sala do scanner de RM e posicionamento do sujeito na mesa do paciente do scanner

  1. Certifique-se de que qualquer pessoa que entre ou deva entrar na sala do scanner de ressonância magnética (sujeito e pessoal) remova todos os objetos metálicos e/ou eletrônicos de seus bolsos e pessoa antes de entrar na sala do scanner.
  2. Prepare a bobina do colete 129Xe conectando-a ao scanner e colocando-a na mesa do paciente do scanner de ressonância magnética.
  3. Instrua o sujeito a deitar-se na mesa do paciente em uma posição supina com os pés (ou supina de cabeça, se mais adequada para a disposição da sala do scanner). Coloque travesseiros sob a cabeça do sujeito, joelhos, etc., em consulta com o sujeito para garantir que o sujeito possa confortavelmente ficar imóvel durante todo o exame.
  4. Segure a bobina do colete 129Xe ao redor do peito do sujeito. Procure que a linha média da bobina na direção cabeça-pé fique o mais próximo possível da linha média esperada dos pulmões do indivíduo em um nível confortável de insuflação pulmonar para evitar reduções de sinal na periferia dos pulmões.
    OBS: É um erro comum posicionar a bobina muito longe na direção dos pés do sujeito. Posicionar a bobina como indicado acima pode colocá-la mais em direção à cabeça do sujeito do que ingenuamente seria esperado. Além disso, os braços do sujeito podem precisar ser posicionados acima da cabeça e fora da bobina, se o diâmetro do tórax do sujeito precisar disso. O diâmetro específico do tórax acima do qual esse posicionamento é necessário varia dependendo do scanner específico e do hardware da bobina. Para indivíduos menores, os braços podem ser posicionados acima da cabeça e fora da bobina ou nas laterais e dentro da bobina.
  5. Configure um oxímetro de pulso seguro para ressonância magnética ao lado da mesa do paciente na sala do scanner de ressonância magnética e conecte a sonda do oxímetro de pulso ao indivíduo. Verifique se o oxímetro de pulso está lendo corretamente.
  6. Coloque uma cânula nasal no nariz do indivíduo (ou, para um indivíduo saudável, tenha uma em pé na sala do scanner) e conecte-a a uma fonte de oxigênio a ser usada se a SpO2 do sujeito cair mais de 10% por mais de 2 min após a inalação da dose. Coloque o tanque de oxigênio e o regulador de maneira segura com base na política de segurança local a uma distância acessível.
  7. Avançar a mesa do paciente para o scanner de ressonância magnética, alinhando a linha média dos pulmões da bobina/sujeito ao isocentro do scanner.

6. Procedimento de digitalização

  1. Na interface do usuário no scanner de ressonância magnética, insira os dados do sujeito e abra o protocolo de RM 129Xe previamente preparado (conforme descrito na etapa 1).
  2. Certifique-se de que 129doses de Xe foram preparadas conforme descrito na etapa 3 e que 129bolsas de dose de Xe estão no campo magnético gerado pelo par de bobinas de Helmholtz da estação de medição de polarização (ou em um dispositivo equivalente) para minimizar a taxa de despolarização de 129Xe.
  3. Execute uma varredura de localizador de 1H usando um protocolo padrão fornecido pelo fornecedor (por exemplo, um localizador de três planos), conforme descrito abaixo.
    1. Instrua o sujeito a respirar de forma confortável e natural e prender a respiração. Enquanto o sujeito prende a respiração, execute a varredura do localizador.
    2. Veja os resultados da varredura do localizador na interface do scanner de ressonância magnética. Se as imagens mostrarem artefatos (por exemplo, se roupas contendo metal não foram removidas), resolva quaisquer problemas e repita o localizador. Se o FOV localizador estiver mal centrado no assunto, reposicione o assunto e repita. Uma vez que as imagens de localizador aceitáveis tenham sido obtidas, prossiga para a próxima etapa.
  4. Execute ajustes iniciais de pré-varredura para varreduras de 129Xe, conforme descrito abaixo.
    1. Defina a frequência central inicial de 129Xe dividindo a frequência central de 1H do localizador por 3,61529 (a razão aproximada das respectivas razões giromagnéticas de 1H e 129Xe).
    2. Defina a configuração inicial do transmissor de 129Xe com base nos resultados de calibração de indivíduos anteriores com habitus corporal semelhante, escala com base na tensão de referência de 1H ou no peso medido do indivíduo. Os detalhes das configurações do transmissor 129Xe são específicos para os fabricantes de scanner e bobina 129Xe.
    3. Use as configurações de calço padrão do scanner para todas as aquisições do 129Xe.
  5. Depois de realizar os ajustes de pré-varredura descritos acima, adquira a varredura de calibração de 129Xe para encontrar a frequência central de 129Xe e as configurações do transmissor, conforme descrito abaixo.
    1. Carregue a sequência de calibração de 129Xe do protocolo preparado. Certifique-se de que todos os parâmetros de sequência de pulso estejam conforme desejado e defina a configuração de execução da varredura para que a varredura possa ser executada com um único clique.
    2. Traga o saco doseador de 129Xe destinado à varredura de calibração de 129Xe da estação de medição de polarização para a sala do scanner. Segure ou coloque a bolsa doseadora na estação pronta perto do indivíduo; Evite regiões próximas à abertura do furo onde a intensidade do campo magnético muda rapidamente.
    3. Auxiliar o indivíduo na inalação da dose de 129Xe da bolsa, seguindo o procedimento de inalação orientado descrito na etapa 4.
    4. Execute a varredura imediatamente após ouvir Go! sinalizado pelo indivíduo que assiste o sujeito.
    5. Monitore o assunto enquanto a varredura prossegue. Se o sujeito expirar visivelmente, tossir, mover-se, etc., repita o exame se possível.
    6. Assim que a varredura terminar, instrua o sujeito a expirar e respirar livremente.
    7. Após o exame, monitorar a frequência cardíaca e a SpO2 do indivíduo usando o oxímetro de pulso e monitorar os efeitos transitórios do sistema nervoso central (como tontura, tontura, euforia e parestesia) por meio da comunicação verbal com o indivíduo.
      NOTA: Quase todos os indivíduos experimentarão efeitos muito leves no SNC que não requerem intervenção, com exceção de indivíduos com baixo teor de gordura corporal, conforme referido na etapa 3.2.
    8. Aguarde que quaisquer desvios em relação à linha de base se dissipem antes de administrar outra dose de 129Xe. Se não ocorrerem desvios significativos em relação ao valor basal, aguarde pelo menos 2 minutos antes de administrar outra dose de 129Xe.
      NOTA: Um curso de tempo típico de dessaturação de oxigênio e recuperação é o seguinte: a dessaturação começa 10-20 batimentos cardíacos após completar a inalação de 129Xe, o nadir ocorre de 20 a 30 batimentos cardíacos após completar a inalação e a recuperação ocorre dentro de 45-50 batimentos cardíacos após completar a inalação. A maioria da dessaturação se resolve dentro de 30 s da inalação de 129Xe e normalmente deve-se esperar que se resolva totalmente dentro de 2 minutos. Consulte um médico se a dessaturação persistente (superior a 10% da linha de base do indivíduo) continuar além de 2 minutos, pois pode ser aconselhável evitar a administração de mais doses de 129Xe e/ou encerrar o estudo.
  6. Execute a análise de calibração de 129Xe conforme descrito abaixo (por exemplo, usando uma ferramenta de análise independente).
    1. Determine a frequência central de 129Xe usando o espectro dos primeiros FIDs de fase gasosa.
    2. Determine o ajuste do transmissor 129Xe conforme descrito abaixo.
      1. Ajuste as intensidades de pico dos 20 FIDs de fase gasosa à seguinte função30 e resolva para o ângulo de inversão, α:
        figure-protocol-3
        onde Si é a magnitude da intensidade do sinal resultante da i-ésima excitação, S0 é a magnitude da intensidade do sinal da primeira excitação, e C é um parâmetro de deslocamento de ruído.
      2. Uma vez obtido α , dimensione a configuração inicial do transmissor de 129Xe para varreduras subsequentes em 20°/α, assumindo que 20° foi usado como o ângulo de inclinação de calibração pretendido, conforme recomendado na Tabela 1.
  7. Uma vez que os ajustes finais do pré-exame de 129Xe tenham sido feitos e o indivíduo esteja pronto para a próxima dose de 129Xe, execute o exame de ventilação de 129Xe conforme descrito abaixo.
    1. Carregar a sequência de ventilação 129Xe do protocolo preparado. Certifique-se de que todos os parâmetros de sequência de pulso estejam conforme desejado e defina a configuração de execução da varredura de modo que a varredura comece imediatamente após um único clique.
    2. Selecione o tamanho do FOV e o local central com base nos resultados do localizador. Procure que o centro do FOV coincida com o centro dos pulmões em todas as três dimensões e almeje que o FOV seja grande o suficiente para conter confortavelmente toda a cavidade torácica, incluindo a totalidade de ambos os pulmões.
    3. Traga o saco doseador de 129Xe destinado à varredura de ventilação de 129Xe da estação de medição de polarização para a sala do scanner. Segure ou coloque a bolsa doseadora na estação pronta perto do indivíduo; Evite regiões próximas à abertura do furo onde a intensidade do campo magnético muda rapidamente.
    4. Auxiliar o indivíduo na inalação da dose de 129Xe da bolsa, seguindo o procedimento de inalação orientado descrito na etapa 4.
    5. Execute a varredura imediatamente após ouvir Go! sinalizado pelo indivíduo que assiste o sujeito.
    6. Monitore o assunto enquanto a varredura prossegue. Se o sujeito expirar visivelmente, tossir, mover-se, etc., repita o exame se possível.
    7. Assim que a varredura terminar, instrua o sujeito a expirar e respirar livremente.
    8. Após o exame, monitorar a frequência cardíaca e a SpO2 do indivíduo usando o oxímetro de pulso e monitorar os efeitos transitórios do sistema nervoso central (como tontura, tontura, euforia e parestesia) por meio da comunicação verbal com o indivíduo.
    9. Aguarde que quaisquer desvios em relação à linha de base se dissipem antes de administrar outra dose de 129Xe. Se não ocorrerem desvios significativos em relação ao valor basal, aguarde pelo menos 2 minutos antes de administrar outra dose de 129Xe.
  8. Realizar 1H de exame anatômico conforme descrito abaixo.
    1. Carregue a sequência anatômica de 1H do protocolo preparado. Certifique-se de que todos os parâmetros de sequência de pulso estejam conforme desejado e defina a configuração de execução da varredura para que a varredura possa ser executada com um único clique.
    2. Traga a bolsa doseadora cheia de ar e correspondente ao volume da bolsa doseadora utilizada para a varredura de ventilação 129Xe para a sala do scanner.
    3. Auxiliar o sujeito na inalação da dose de ar da bolsa, seguindo o procedimento de inalação orientado descrito na etapa 4.
    4. Execute a varredura imediatamente após ouvir Go! sinalizado pelo indivíduo que assiste o sujeito.
    5. Monitore o assunto enquanto a varredura prossegue. Se o sujeito expirar visivelmente, tossir, mover-se, etc., repita o exame se possível.
    6. Assim que a varredura terminar, instrua o sujeito a expirar e respirar livremente.

7. Procedimentos pós-digitalização

  1. Faça medições dos sinais vitais do sujeito da mesma maneira que antes do procedimento de varredura. Se algum sinal vital se tornar anormal, instrua o sujeito a esperar 30-60 min e/ou até que os sinais vitais retornem à linha de base antes de partir.

8. Análise dos dados de ventilação por RM de 129Xe

NOTA: A ventilação adquirida de 129Xe e as imagens anatômicas de 1H devem ser reconstruídas automaticamente no computador do scanner de ressonância magnética usando o pipeline de reconstrução de imagem padrão do fornecedor.

  1. Exporte ventilação de 129Xe e varreduras anatômicas de 1H como arquivos de imagem DICOM usando o nível mínimo de interpolação permitido (idealmente nenhum).
  2. Calcule o percentual de defeitos de ventilação (VDP) com software de programação ou análise de imagem usando a seguinte equação8:
    figure-protocol-4
    1. Determinar o volume ventilado segmentando varreduras de ventilação de 129Xe, manualmente ou usando uma das várias abordagens automatizadas existentes33.
      NOTA: Um método simples para segmentação binarizada de imagens 129Xe usa um limite definido da seguinte forma8:
      figure-protocol-5
      onde "Sinal médio" é a média da intensidade do sinal de 129Xe dentro de uma região de interesse definida pelo usuário de sinal forte de 129Xe dentro dos pulmões, e "SD(Ruído)" é o desvio padrão da intensidade do sinal de 129Xe dentro de uma região próxima à borda do campo de visão localizado longe dos pulmões ou da traqueia.
    2. Determinar o volume pulmonar total segmentando varreduras anatômicas de 1H, manualmente ou usando abordagens automatizadas existentes34.
    3. Uma vez que essas segmentações são realizadas, calcule os volumes correspondentes como o número de voxels segmentados vezes o volume de voxels da imagem (considerando qualquer interpolação realizada ao converter as imagens em arquivos DICOM).

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Resultados

A Figura 1 mostra imagens representativas da ventilação e do localizador de três planos de um indivíduo saudável. Altas taxas de 129Xe podem ser observadas em todo o pulmão nas imagens de ventilação, e nenhum comprometimento da ventilação é evidente neste indivíduo.

A Figura 2, a Figura 3 e a Figura 4 mostram imagens representativas da ventilação e das imagens anat...

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Discussão

As abordagens de ventilação e RM anatômica descritas acima são projetadas para maximizar a qualidade da imagem e a SNR, mantendo a simplicidade de implementação - esses protocolos de sequência podem, em geral, ser adaptados das sequências de pulso do produto do fornecedor, desde que a operação multinuclear esteja habilitada e as imagens sejam reconstruídas automaticamente no computador scanner. Uma desvantagem das abordagens 2D descritas aqui é o uso de pulsos de RF de excitação seletiva por corte, que introduz diferença...

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Divulgações

Os autores J.F.M., J.P.M. e Y.M.S. participam de ensaios clínicos apoiados pela Polarean, Inc. O autor J.P.M. recebe apoio à pesquisa da Polarean, Inc.

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (números de concessão R01-CA172595-01, R01-HL132177, R01-HL167202, S10-OD018079 e UL1-TR003015) e pela Siemens Medical Solutions.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Scanner de ressonância magnética humana 1.5T ou 3TSiemensMAGNETOM Symphony (1.5T) ou Vida (3T); modelos mais antigos bem, desde que a opção multinuclear seja / possa ser instalada; scanners também disponíveis na GE e Philips
129Xe hiperpolarizadorPolarean9820
129Xe MRI phantom
129Xe MRI vest coilSoluções de RMTambém disponível em outros fornecedores
Estação de medição de polarização 129XePolarean2881
1H MRI phantom
Coil file para bobinaTambém disponível de outros fornecedores para suas respectivas bobinas
Máquina
Gás
Caixa de interface da bobina para o scannerPode ser embutido na bobina, mas precisa ser incluído separadamente se não
Oxímetro de pulso seguro para ressonância magnéticade
Máquina
PFT
disponível
Software de design de sequência de pulsosPacote de software Siemens IDEA; também disponível na GE e Philips para seus respectivos scanners
Gás xenônio (129Xe enriquecido isotopicamente)
Clínica de colete de ressonância magnética 129Xe de ECGtampão de hélio nitrogênio líquido Philips Expression MR200 de gás tampão de nitrogênio Software de programação/análise de imagem MATLAB R2023a Várias outras opções Opção multinuclear do scanner Siemens Pacote integrado de hardware/software do scanner; também disponível na GE e Philips para seus respectivos scanners Sacos de amostragem de gás Tedlar (500, 750, 1000, 1250, 1500 mL)

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