Количественное измерение структуры и функции легких, полученное с помощью гиперполяризованной ксеноновой спектроскопии

Summary

В рукописи представлен подробный протокол использования гиперполяризованного восстановления насыщения химическим сдвигом ксенона-129 (CSSR) для отслеживания легочного газообмена, оценки видимой толщины стенки альвеолярной перегородки и измерения отношения поверхности к объему. Метод имеет потенциал для диагностики и мониторинга заболеваний легких.

Abstract

Магнитно-резонансная томография (МРТ) с использованием гиперполяризованного ксенона-129 (HXe) предоставляет инструменты для получения двух- или трехмерных карт картин вентиляции легких, диффузии газов, поглощения ксенона паренхимой легких и других показателей функции легких. Однако, меняя пространственное разрешение на временное, он также позволяет отслеживать обмен легочного ксенона в масштабе мс. В этой статье описывается один из таких методов, МР-спектроскопия с восстановлением насыщения с химическим сдвигом (CSSR). Он иллюстрирует, как его можно использовать для оценки объема капиллярной крови, толщины стенки перегородки и соотношения поверхности к объему в альвеолах. Угол поворота подаваемых радиочастотных импульсов (РЧ) был тщательно откалиброван. Для введения газа субъекту применялись протоколы однократной задержки дыхания и многодозового свободного дыхания. После того, как вдыхаемый газ ксенон достигал альвеол, на него подавалась серия радиочастотных импульсов под углом 90° для обеспечения максимального насыщения накопленной намагниченности ксенона в паренхиме легких. После переменного времени задержки были получены спектры для количественной оценки повторного роста ксенонового сигнала из-за газообмена между объемом альвеолярного газа и тканевыми компартментами легкого. Затем эти спектры были проанализированы путем подгонки сложных псевдо-функций Фойгта к трем доминирующим пикам. Наконец, зависящие от времени пиковые амплитуды задержки были подобраны к одномерной аналитической модели газообмена для извлечения физиологических параметров.

Introduction

Магнитно-резонансная томография (МРТ) с использованием гиперполяризованного ксенона-129 (HXe)¹ — это метод, который позволяет получить уникальное представление о структуре, функции и процессах газообмена легких. За счет резкого усиления намагниченности газа ксенона за счет спинообменной оптической накачки, HXe MRI достигает улучшения соотношения сигнал/шум на порядок по сравнению с термически поляризованной ксеноновой МРТ 2,3,4,5,6. Эта гиперполяризация позволяе....

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: В то время как описанный здесь метод гиперполяризованной МР-спектроскопии Xenon-129 CSSR обычно используется для визуализации животных и человека, приведенный ниже протокол относится только к исследованиям на людях. Все протоколы визуализации соответствовали ограничениям FDA по специфической скорости абсорбции (SAR) (4 Вт/кг) и были одобрены Институциональным наблюдательным советом Университета Пенсильвании. От каждого субъекта было получено информированное согласие.

1. Проектирование последовательности импульсов

1. Решите, следует ли выполнять измерение задержки дыхания или свободного дыхания.
   ПРИМЕЧА....

Results

На рисунке 2 показан типичный спектр ксенона, наблюдаемый в легких человека во время задержки дыхания после вдыхания 500 мл ксенона. Спектр отображает две отдельные области: резонанс GP около 0 ppm и область DP, которая состоит из пика мембраны примерно 197 ppm и пика эритроцитов примерно 217 ppm. Относительные пиковые амплитуды зависят от ряда факторов, включая форму, продолжительность и центральную частоту импульса возбуждения РЧ, а также время задержки между насыщением и возбуждением. Как.......

Discussion

МР-спектроскопия HXe CSSR является мощным методом оценки нескольких показателей функции легких, которые было бы трудно или невозможно количественно оценить in vivo с использованием любого другого существующего диагностического метода²⁴. Тем не менее, получение и последующий анализ данных основаны на определенных предположениях о физиологических условиях и технических параметрах, которые никогда не могут быть полностью достижимы у живых субъектов. Эти ограничения и их влияние на интерпрета.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Двунаправленный пневмотах	B& B Medical AccutachTM
Грудной жилет Катушка	Клинические решения		Маска для лица взрослого размера
	Rudolph	7450
Matlab	Mathworks	Release 2018a	Требуется набор инструментов для оптимизации
Система физиологического мониторинга	BIOPAC Systems Inc
Tedlar Bag	Jensen Inert Products		250-мл и 500-mL; специализированный ПВФ мешок
Xenon Polarizer	Xemed LLC	X-box E10
МРТ-сканер всего тела	Siemens	1.5 T Avanto