Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

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

1.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/66038

⸱

10 ноября 2023 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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.

Аннотация

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.

Введение

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 позволяет напрямую визуализировать и количественно оценить поглощение газа ксенона легочной тканью и кровью, что в противном случае было бы невозможно обнаружить с помощью обычной термополяризованной МРТ7.

МР-спектроскопия 8,9,10,11,12,13 с восстановлением насыщения химическим сдвигом (CSSR) оказалась одним из наиболее ценных методов МРТ HXe. CSSR предполагает селективное насыщение намагниченности ксенона, растворенного в легочной ткани и крови, с помощью частотно-специфических радиочастотных (РЧ) импульсов. Последующее восстановление сигнала растворенной фазы (DP) при его обмене со свежим гиперполяризованным газом ксеноном в воздушном пространстве в масштабе мс дает важную функциональную информацию о паренхиме легких.

С момента своего развития в начале 2000-х годов методы, лежащие в основе спектроскопии CSSR, постепенно совершенствовались 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Кроме того, достижения в моделировании кривых поглощения ксенона позволили извлечь определенные физиологические параметры, такие как толщина альвеолярной стенки и время легочного транзита 10,24,25,26. Исследования показали чувствительность CSSR к незначительным изменениям микроструктуры легких и эффективности газообмена в виде легочных аномалий, обнаруженных у клинически здоровых курильщиков27, а также при ряде заболеваний легких, включая хроническую обструктивную болезнь легких (ХОБЛ)18,27,28, фиброз29 и радиационно-индуцированное повреждение легких30,31. Также было продемонстрировано, что спектроскопия CSSR чувствительна к обнаружению колебаний сигнала DP, соответствующих пульсирующему кровотоку во время сердечного цикла32.

Несмотря на значительный прогресс, остаются практические проблемы при внедрении спектроскопии CSSR в клинические системы МРТ. Время сканирования, требующее задержки дыхания за одну дозу, приближающееся к 10 с, может быть слишком долгим для пациентов с тяжелыми заболеваниями легких33,34 или пациентов с тяжелым заболеванием легких35,36. Кроме того, метод подвержен систематическим ошибкам измерения, если такие параметры регистрации, как порядок времен задержки насыщения или эффективность насыщения растворенной фазой, не оптимизированы должнымобразом21. Чтобы устранить эти ограничения и сделать CSSR более доступным для более широкого исследовательского сообщества, необходимы четкие, пошаговые протоколы как для обычной задержки дыхания, так и для получения данных о свободном дыхании, которые в настоящее время находятся в стадии разработки.

Целью данной работы является представление подробной методологии проведения оптимизированной МР-спектроскопии CSSR с использованием газа HXe. Протокол будет охватывать поляризацию и подачу газа ксенона, калибровку радиочастотных импульсов, выбор параметров последовательности, подготовку объекта, сбор данных и ключевые этапы анализа данных. Будут приведены примеры экспериментальных результатов. Есть надежда, что это всеобъемлющее руководство послужит основой для внедрения CSSR на всех площадках и поможет реализовать весь потенциал этого метода для количественной оценки микроструктурных изменений легких при ряде легочных заболеваний.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Регистрация задержки дыхания технически проще, поскольку для нее требуется только вдыхание одной дозы (500 - 1000 мл) газа HXe с последующей 10-секундной задержкой дыхания, во время которой собираются данные МРТ. Тем не менее, несговорчивые субъекты (например, маленькие дети) или пациенты с тяжелым заболеванием легких могут быть не в состоянии задерживать дыхание так долго, поэтому может быть целесообразным приобретение свободного дыхания, влекущее за собой вдыхание нескольких небольших доз (~50 мл) в течение нескольких минут.
  2. Для исследования МР-спектроскопии CSSR на задержке дыхания используйте переменное время задержки для максимальной гибкости и большие углы изменения возбуждения до 90° для максимального соотношения сигнал/шум (рис. 1A).
    1. Для насыщения намагниченности ДП на МРТ-сканере 1,5 Тл подайте 5 прямоугольных радиочастотных (РЧ) импульсов 90° с центральной частотой, длительностью 198 ppm, 2,5 мс и 218 ppm, 2,5 мс для 2 импульсов и центральной частотой, длительностью 208 ppm, 2,0 мс для остальных 3 импульсов. Если это разрешено усилителем мощности РЧ, уменьшите продолжительность импульсов РЧ для измерений при более высокой напряженности поля.
    2. Разделите все РЧ-импульсы с помощью градиентных интерцепторов длительностью 1 мс, чередующихся по осям x, y и z: время нарастания 200 мкс, время плато 600 мкс, 20 мТл/м.
    3. После финального импульса насыщения дождаться времени задержки τi, где i относится к i-му измерению в задержке дыхания. Используйте следующие значения времени задержки в указанном порядке: 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 мс.
    4. Подайте импульс возбуждения Гаусса длительностью 1,2 мс с центром 208 ppm. Установите угол поворота на 90°. Если ВЧ усилитель этого не позволяет, используйте максимальный угол поворота, который позволяет усилитель. Масштабируйте длину импульсов возбуждения РЧ обратно пропорционально напряженности поля для измерений на сканерах с высоким полем.
    5. Выборка затухания свободной индукции в течение 30,72 мс (1024 точки дискретизации). В то время как T2 в газовой фазе при 1,5 Тл составляет порядка 15 мс, длительность дискретизации значительно сокращается при более высоких напряженных полях без необходимости дополнительной аподизации сигнала перед обработкой.
    6. Примените градиентный спойлер 5 мс по оси x: время нарастания 200 мкс, время плато 4,6 мс, 20 мТл/м.
    7. Повторите шаги 1.2.1 - 1.2.6 40 раз с другим τi во время той же задержки дыхания, как описано в шаге 1.2.3.
    8. Для исследования МР-спектроскопии CSSR со свободным дыханием проводите следующее измерение непрерывно в течение примерно 3 мин (рис. 1B), хотя сбор данных может быть прекращен раньше, если выделенный объем газа HXe исчерпан.
    9. Повторите шаги 1.2.1 и 1.2.2. Повторите шаг 1.2.4 с углом откидывания на 7°. Выборка затухания свободной индукции в течение 10,24 мс (512 точек дискретизации).
    10. Установите градиентный спойлер 1 мс по оси x: время нарастания 200 мс, время плато 600 мс, 20 мТл/м. Повторите шаги 1.2.3 - 1.2.5 40 раз со временем повторения 12,6 мс.
    11. Повторяйте шаги 1.2.1 - 1.2.6 до конца исследования.

2. Подготовка к осмотру пациента

  1. Перед каждым исследованием убедитесь, что чистая лицевая маска подготовлена и подключена к устройству синхронизации подачи газа с помощью тонкой гибкой трубки.
  2. Для исследований свободного дыхания прикрепите двунаправленный пневмотах для измерения потока.
  3. Проведите обычный тест с помощью стеклянного шприца, чтобы имитировать дыхание, чтобы убедиться в правильности впрыска газа. Устройство подачи газа должно обнаруживать начало вдоха по результатам измерений потока пневмотаха, что позволяет впрыскивать газ в маску.
  4. Настройте дополнительную систему физиологического мониторинга, которая записывает кривые дыхания (поток и объемы) и анализ газов (O2 и CO2) в режиме реального времени во время визуализации.
  5. Подключите и проверьте комнатные наушники МРТ с помощью звукового сигнала, который направляет пациента с помощью аудиозаписи вдоха-выдоха. Отрегулируйте скорость воспроизведения звуковой дорожки в зависимости от нормальной частоты дыхания каждого объекта.
  6. Подготовьте кровать для сканера с чистым подголовником, подушкой для поддержки ног и одеялом.
  7. Положите отстегнутую катушку грудного жилета Xenon-129 на стол МРТ-сканера. Вставьте соединительный штекер катушки и убедитесь, что МР-сканер распознает катушку.

3. Подготовка и мониторинг предмета

  1. Когда субъект прибудет в центр визуализации, получите письменное информированное согласие, используя форму согласия, утвержденную IRB. После получения согласия проведите скрининг пациента с помощью опросника безопасности МРТ и металлоискателя.
  2. Попросите субъекта снять с него металл или украшения и переодеться в халат пациента.
  3. Приучите субъекта придерживаться выбранного протокола дыхания (задержка дыхания или свободное дыхание).
  4. Для исследования свободного дыхания познакомьте испытуемого с записью голоса на вдохе и выдохе, которая будет воспроизводиться во время визуализации, и с которой он должен синхронизировать свое дыхание.
  5. Отведите пациента в комнату МРТ и расположите его на кровати сканера: лежа на открытой катушке ксенонового жилета.
  6. Как только объект будет размещен, застегните ремни Velcro так, чтобы катушка жилета была закрыта, но не сдавливала грудь объекта.
  7. Для исследования свободного дыхания наденьте на лицо пациента лицевую маску с пневмотахом и затяните ремни таким образом, чтобы маска плотно прилегала к носу и рту, не будучи слишком тугой. После примерки снимите маску и отложите на потом, оставив ремни за головой объекта.
  8. Поместите два пульсоксиметра на правый и левый указательные пальцы испытуемого соответственно, чтобы непрерывно контролировать и записывать частоту сердечных сокращений и насыщение крови кислородом (SPO2) на протяжении всего исследования.
  9. Наденьте совместимые с МРТ наушники на уши пациента.
  10. Переместите стол МРТ-сканера в отверстие магнита таким образом, чтобы легкие пациента располагались в центре поля зрения.

4. Гиперполяризованная поляризация ксенона-129 (калибровочный газ)

ПРИМЕЧАНИЕ: Ниже приведены этапы протокола для поляризации газа ксенон-129 с помощью нашего поляризационного устройства. Отрегулируйте в соответствии с инструкциями по эксплуатации установленного газового поляризатора от конкретного поставщика.

  1. Примерно за 2,5 ч до начала исследования нагрейте ксеноновый поляризатор. Поскольку газ ксенон, особенно обогащенный >85% ксенон-129, очень дорог (в настоящее время ~$500 за литр) и не может быть повторно захвачен после поляризации, процесс поляризации следует начинать только после того, как объект прибудет на место съемки.
  2. Проденьте соединительную трубку специализированного пакета PVF объемом 250 мл через запечатывающий зажим. Следите за тем, чтобы зажим не пережимал трубку.
  3. Прикрепите специализированный мешок из ПВФ к одному из четырех доступных портов для дозирования поляризатора.
  4. На сенсорном экране поляризатора выберите бак с обогащенным ксеноном, установите скорость потока на среднюю и установите объем поляризации на 250 мл.
  5. Нажмите кнопку «Пуск », чтобы запустить процесс поляризации. Фактическая процедура поляризации, замораживание ксенона, размораживание и дозирование в специализированный пакет из ПВФ, полностью автоматизирована и занимает около 15 минут для 250 мл ксенона.
  6. Когда поляризованный газ ксенон будет распылен, поляризатор отобразит сообщение на сенсорном экране о том, что теперь мешок можно снять.
  7. Зажмите соединительную трубку специализированного пакета из ПВФ с помощью запечатывающего зажима. Отсоедините специализированный пакет из ПВФ и быстро поместите его внутрь отверстия МРТ-сканера, чтобы предотвратить быструю деполяризацию газа.

5. Гиперполяризованная ингаляция ксенон-129 для калибровки

  1. Поместите носовой зажим на нос субъекта, чтобы улучшить дыхание через рот.
  2. По окончании нормального срока выдоха вставьте мундштук ксенонового пакета в рот испытуемого.
  3. После того, как субъект вдохнет 250 мл дозы ксенона из пакета, снимите мундштук и проинструктируйте пациента продолжать вдыхать комнатный воздух до тех пор, пока его легкие не наполнятся.
  4. В конце вдоха попросите испытуемого поднять большой палец, а медсестру-координатора устно передать эту информацию оператору сканера, чтобы инициировать последовательность импульсов.
  5. Для субъектов, которые не могут задержать дыхание, попросите медсестру-координатора понаблюдать за движением грудной клетки субъекта и сообщить оператору, когда субъект достигнет конечного выдоха и начнет вдох. Несмотря на то, что такой подход уменьшает измерительный сигнал из-за частичного выдоха вдыхаемого газа ксенона, он гарантирует, что объем ксенона в легких испытуемого остается довольно постоянным во время сбора данных калибровки.
  6. По окончании периода сбора данных (~5 с) проинструктируйте испытуемого снова дышать нормально.

6. Калибровка частоты газа и радиочастотного импульсного напряжения

ПРИМЕЧАНИЕ: Перед выполнением последовательности импульсов современные МРТ-сканеры обычно калибруют резонансную частоту сигнала МРТ и напряжение, которое должно быть приложено к передающей радиочастотной катушке, чтобы достичь желаемого угла поворота импульсов возбуждения. В обычной протонной МРТ этот процесс калибровки происходит автоматически и, как правило, прозрачен для пользователя. Однако такая автоматическая калибровка невозможна для исследований гиперполяризованного ксенона-129, так как нет источника сигнала в тепловом равновесии. Вместо этого частота и напряжение для РЧ-импульсов должны быть откалиброваны вручную. На используемом здесь МРТ-сканере эта ручная калибровка выполняется путем подачи опорного напряжения, которое программное обеспечение сканера затем использует для расчета соответствующего напряжения для всех последующих радиочастотных импульсов. Ознакомьтесь с инструкциями по эксплуатации системы МРТ конкретного поставщика, чтобы понять, как вводить эти данные калибровки в измерительное программное обеспечение.

  1. Загрузите последовательность импульсов протонного разведчика. Выберите поле зрения 400 мм. Приобретите 10 корональных срезов (толщина среза 10 мм, зазор 20%).
  2. Просмотрите протонные изображения и убедитесь, что легкое субъекта находится в центре поля зрения. При необходимости переместите объект и повторите шаг 1.
  3. Загрузите последовательность калибровочных импульсов. Используйте частоту газообразной фазы HXe (GP) из последнего сканирования человека в качестве начальной оценки частоты приемника.
  4. Установите опорное напряжение на такое значение, чтобы сигнал GP между первым и последним спектрами, полученными с помощью калибровочной последовательности, уменьшался примерно на 70–80% для большинства субъектов. Для грудной радиочастотной катушки установите начальное опорное напряжение на 75 В.
  5. Начинайте последовательность, когда субъект вдохнул калибровочную дозу HXe и находится в состоянии задержки дыхания, или, если задержка дыхания не может быть достигнута, когда субъект прошел точку конечного выдоха в дыхательном цикле.
    1. Подайте гауссов импульс возбуждения РЧ с длительностью 1,2 мс с центром 0 ppm. Установите номинальный угол откидывания на 90°. Однако, поскольку начальное опорное напряжение установлено намного ниже его истинного значения, фактически приложенный угол поворота составляет около 15°.
    2. Выборка затухания свободной индукции в течение 30,72 мс (1024 точки дискретизации). Установите градиентный спойлер 20 мс по оси x: время нарастания 500 мс, время плато 19 мс, 20 мТл/м. Обратите внимание, что эти спецификации градиента не оптимизированы, скорее всего, будет достаточно более короткой продолжительности градиента.
    3. Повторите шаги 6.5.1.-6.5.2. 16 раз со временем повторения 55 мс. Снова повторите шаги 6.5.1-6.5.2. 16 раз с временем повторения 220 мс.
  6. После того, как сбор данных будет завершен, проинструктируйте испытуемого вернуться к нормальному дыханию.
  7. Оцените самочувствие субъекта, проверив уровень SPO2 , и спросите о любых потенциальных побочных реакциях.
  8. Загрузите измеренные данные калибровки на USB-накопитель, а затем перенесите их на ноутбук для дальнейшего анализа.
  9. Используйте скрипт MATLAB для извлечения центральной частоты пика GP, угла изменения импульсов радиочастотного возбуждения и газа Hxe T1 внутри легкого.
    1. Загрузите 32 FID, полученные в результате калибровочной последовательности. Используйте быстрые преобразования Фурье (БПФ) для преобразования FID в спектры.
    2. Фаза ГП достигает пиков нулевого порядка. Подгонка формы псевдолинии Фойгта к фазированной вещественной составляющей пиков GP.
    3. Рассчитайте частоту GP как среднее значение по центральным частотам первых 10 посадок, так как они имеют самое высокое отношение сигнал/шум. Выведите на экран среднее значение частоты.
    4. Интегрируйте область под всеми вершинами GP. Подгонка моноэкспоненциальных функций затухания к первым 16 и вторым 16 пиковым областям GP.
    5. Извлекаем GP T1 и применяем угол поворота из двух подогнанных кривых затухания.

7. Гиперполяризованная поляризация ксенона-129 (измерительный газ)

  1. Для поляризации измерительного газа выполните шаги 4.2 - 4.7 со следующими изменениями:
    1. Используйте специализированный пакет PVF объемом 500 мл вместо мешка объемом 250 мл.
    2. Установите поляризационный объем на 500 мл вместо 250 мл. Процесс поляризации занимает около 20 минут для 500 мл.

8. Гиперполяризованная ингаляция ксенон-129 для измерения (задержка дыхания)

  1. Поместите носовой зажим на нос субъекта, чтобы улучшить дыхание через рот.
  2. По окончании нормального выдоха до функциональной остаточной емкости вставьте мундштук ксенонового пакета в рот испытуемого.
  3. После того, как субъект вдохнет 500 мл газа ксенона из ксенонового пакета, снимите мундштук и проинструктируйте пациента продолжать вдыхать комнатный воздух до тех пор, пока его легкие не наполнятся.
  4. В конце вдоха попросите испытуемого поднять большой палец, а медсестру-координатора устно передать эту информацию оператору сканера, чтобы инициировать последовательность импульсов.
  5. По окончании периода сбора данных (~8 с) попросите субъекта снова нормально дышать.

9. Гиперполяризованная ингаляция ксенон-129 для измерения (свободное дыхание)

  1. Для сканирования необходимо вывести объект из МРТ-сканера, закрыть нос и рот лицевой маской и прикрепить предварительно установленные ремни сзади головы к маске, закрепив маску на месте. Пневмотах на маске обнаруживает последовательные вдохи и выдохи субъекта и запускает систему подачи газа для подачи газа при обнаружении вдоха.
  2. Переместите объект в исходное положение внутри сканера.
  3. Воспроизведите аудиозапись вдоха и выдоха, чтобы субъект мог синхронизировать свой ритм дыхания с протоколом дыхания.
  4. После того, как пациент войдет в ритм с протоколом дыхания, попросите медсестру-координатора сообщить оператору МРТ о начале сбора данных. Затем медсестра-координатор открывает клапаны на системе подачи газа, и субъект начинает вдыхать 50 мл гиперполяризованного ксенона-129, который смешивается с потоком воздуха внутри дыхательной маски.
  5. Попросите пациента продолжать в течение примерно 10 вдохов, пока объем газа ксенона не будет израсходован для протокола визуализации.

10. Сбор данных измерений (задержка дыхания)

  1. Загрузите последовательность импульсов CSSR для задержки дыхания, как описано в шаге 1.2. Установите частоту сбора данных в соответствии с частотой HXe GP, определенной во время калибровочного сканирования на шаге 6.
  2. Отрегулируйте опорное напряжение в соответствии со значением, полученным в результате калибровочного сканирования, описанного в шаге 6.
  3. Выберите опцию Wait for User или ее эквивалент для выполнения последовательности, следуя инструкциям производителя системы.
  4. Запустите последовательность. МРТ-сканер завершит подготовку последовательности, затем сделает паузу и подождет, пока пользователь начнет сбор данных.
  5. Начните сбор данных, когда субъект вдохнет измерительную дозу HXe, промывает дыхательные пути, продолжая вдыхать комнатный воздух до тех пор, пока его легкие не наполнятся, и начинает задержку дыхания. Последнее должно выполняться в соответствии с указаниями медсестры-координатора и описанными в шагах 5 и 8.
  6. После того, как сбор данных будет завершен, проинструктируйте испытуемого вернуться к нормальному дыханию.
  7. Оцените самочувствие субъекта, проверив уровень SPO2 и спросив о любых потенциальных побочных реакциях.
  8. Загрузите измеренные данные CSSR на USB-накопитель, а затем перенесите их на ноутбук для дальнейшего анализа.

11. Сбор данных измерений (свободное дыхание)

  1. Загрузите последовательность импульсов CSSR для свободного дыхания, как описано в шаге 1.3.
  2. Установите частоту сбора данных в соответствии с частотой HXe GP, определенной во время калибровочного сканирования на шаге 6.
  3. Отрегулируйте опорное напряжение в соответствии со значением, полученным в результате калибровочного сканирования, описанного в шаге 6.
  4. Выберите опцию Wait for User или ее эквивалент для выполнения последовательности, следуя инструкциям производителя системы.
  5. Запустите последовательность. МРТ-сканер завершит подготовку последовательности, затем сделает паузу и подождет, пока пользователь начнет сбор данных.
  6. Начните сбор данных, как только медсестра-координатор будет готова переключиться с комнатного воздуха на газовоздушную смесь HXe, как описано в шаге 9.4. Убедитесь, что последовательность уже выполнена, прежде чем субъект вдохнет первую дозу ксенона.
  7. После того, как сбор данных будет завершен по истечении 3 минут измерения или будет прекращен после использования всего газа HXe, извлеките объект из МРТ-сканера.
  8. Оцените самочувствие субъекта, проверив уровень SPO2 и спросив о любых потенциальных побочных реакциях.
  9. Загрузите измеренные данные CSSR на USB-накопитель, а затем перенесите их на ноутбук для дальнейшего анализа.

12. Анализ данных CSSR

Примечание: Полученные данные состоят из N x 40 затуханий свободной индукции, где N — количество повторений сбора данных с разными временами задержки после насыщения намагниченности DP. В зависимости от того, было ли измерение CSSR выполнено в виде задержки дыхания или исследования свободного дыхания, N равно либо 1, либо количеству повторений сбора данных, соответственно, и должно составлять примерно в 2 раза время измерения в с. Тем не менее, последующий анализ данных для обоих сценариев с помощью скриптов MATLAB по существу идентичен, за исключением случаев, когда указано иное.

  1. Загрузите FID, полученные с помощью последовательности CSSR. Используйте быстрые преобразования Фурье (БПФ) для преобразования FID в спектры.
  2. Фаза ГП достигает пиков нулевого порядка. Фаза DP достигает пика до первого порядка.
  3. Подгонка формы псевдолинии Фойгта к фазированной вещественной составляющей пиков GP.
  4. Для измерения свободного дыхания разделите все спектры на площадь ниже подогнанных пиков GP. Усредняет все спектры с одинаковым временем задержки.
  5. Во всех спектрах подгонка двух форм псевдо-линии Фойгта к фазированным реальным компонентам мембраны достигает пиков при ~196 ppm, а пики эритроцитов — при ~217 ppm.
  6. Интегрируйте области под установленными пиками DP.
  7. Для измерения задержки дыхания повторно измеряйте время задержки 50 мс (см. шаг 1.2.8), что позволяет более точно корректировать затухание, чем нормализацию с помощью сигнала GP.
  8. Подгонка экспоненциальной функции затухания к мембранному пиковому сигналу в зависимости от индекса захвата.
  9. Умножьте все сигналы пика мембраны и эритроцитов на величину, обратную аппроксимированной экспоненциальной функции распада для соответствующего индекса регистрации.
  10. Подгонка сигналов скорректированной мембраны и эритроцитов в зависимости от времени их задержки к модели поглощения газа ксенона. Наиболее часто используемыми моделями являются модели, предложенные Patz et al.24 и Chang et al.25,37,38. Обычно мы анализируем данные с помощью модели Патца.
  11. Подогнайте к любой модели, чтобы получить отношение альвеолярной поверхности к объему, видимую толщину стенки альвеолярной перегородки и время прохождения капилляров. Кроме того, модель ксенонового обмена (MOXE), предложенная Chang et al., позволяет рассчитать толщину барьера между сосудами и альвеолярный объем, а также гематокрит.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

У авторов нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.

Благодарности

Эта работа была поддержана грантами NIH R01HL159898 и R01HL142258.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Двунаправленный пневмотах B& B Medical AccutachTM
Грудной жилет КатушкаКлинические решенияМаска для лица взрослого размера
Rudolph7450
MatlabMathworksRelease 2018aТребуется набор инструментов для оптимизации
Система физиологического мониторинга BIOPAC Systems Inc
Tedlar BagJensen Inert Products250-мл и 500-mL; специализированный ПВФ мешок
Xenon PolarizerXemed LLCX-box E10 
МРТ-сканер всего телаSiemens1.5 T Avanto
для МРТ Hans

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

МРТ с гиперполяризованным ксенономпоказатели функции легкиххимический сдвиг насыщенияизмерение газообменаоценка функции легкихтолщина альвеолярной стенкиобъем капиллярной кровипротокол задержки дыханияисследование при свободном дыханииингаляция ксеноном
Количественное измерение структуры и функции легких, полученное с помощью гиперполяризованной ксеноновой спектроскопии
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.