Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Hiperpolarize Ksenon Spektroskopisinden Elde Edilen Akciğer Yapısı ve Fonksiyonunun Kantitatif Ölçümü

1.4K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/66038

⸱

10 Kasım 2023

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

Bu makalede

Özet

El yazması, pulmoner gaz değişimini izlemek, görünür alveolar septal duvar kalınlığını değerlendirmek ve yüzey-hacim oranını ölçmek için hiperpolarize Xenon-129 kimyasal kayma doygunluk geri kazanımı (CSSR) kullanmak için ayrıntılı bir protokol sunmaktadır. Yöntem, akciğer hastalıklarını teşhis etme ve izleme potansiyeline sahiptir.

Özet

Hiperpolarize Ksenon-129 (HXe) manyetik rezonans görüntüleme (MRG), akciğer ventilasyon paternlerinin, gaz difüzyonunun, akciğer parankimi tarafından Ksenon alımının ve diğer akciğer fonksiyon ölçümlerinin 2 veya 3 boyutlu haritalarını elde etmek için araçlar sağlar. Bununla birlikte, zamansal çözünürlük için uzamsal ticaret yaparak, aynı zamanda pulmoner Ksenon gaz değişiminin ms zaman ölçeğinde izlenmesini de sağlar. Bu makale, böyle bir teknik olan kimyasal kayma doygunluk geri kazanımı (CSSR) MR spektroskopisini açıklamaktadır. Alveollerde kılcal kan hacmini, septum duvar kalınlığını ve yüzey-hacim oranını değerlendirmek için nasıl kullanılabileceğini gösterir. Uygulanan radyofrekans darbelerinin (RF) çevirme açısı dikkatlice kalibre edildi. Gazın deneğe uygulanması için tek doz nefes tutma ve çok doz serbest solunum protokolleri kullanıldı. Solunan Ksenon gazı alveollere ulaştığında, akciğer parankiminde biriken Ksenon manyetizasyonunun maksimum doygunluğunu sağlamak için bir dizi 90° RF darbesi uygulandı. Değişken bir gecikme süresinin ardından, alveolar gaz hacmi ile akciğerin doku bölmeleri arasındaki gaz alışverişi nedeniyle Ksenon sinyalinin yeniden büyümesini ölçmek için spektrumlar elde edildi. Bu spektrumlar daha sonra karmaşık yalancı Voigt fonksiyonlarının üç baskın tepe noktasına uydurulmasıyla analiz edildi. Son olarak, gecikme süresine bağlı tepe genlikleri, fizyolojik parametreleri çıkarmak için tek boyutlu bir analitik gaz değişim modeline takıldı.

Giriş

Hiperpolarize Ksenon-129 (HXe) manyetik rezonans görüntüleme (MRI)1, akciğer yapısı, işlevi ve gaz değişim süreçleri hakkında benzersiz bilgiler sunan bir tekniktir. HXe MRI, spin değişimli optik pompalama yoluyla Xenon gazının manyetizasyonunu önemli ölçüde artırarak, termal olarak polarize Xenon MRI 2,3,4,5,6'ya kıyasla sinyal-gürültü oranında büyüklük sırası iyileştirmesi sağlar. Bu hiperpolarizasyon, aksi takdirde geleneksel termal olarak polarize MRI7 ile tespit edilemeyecek olan akciğer dokusuna ve kana Xenon gazı alımının doğrudan görselleştirilmesini ve ölçülmesini sağlar.

Kimyasal kayma doygunluğu geri kazanımı (CSSR) MR spektroskopisi 8,9,10,11,12,13'ün en değerli HXe MRG tekniklerinden biri olduğu kanıtlanmıştır. CSSR, frekansa özgü radyofrekans (RF) darbeleri kullanılarak akciğer dokusunda ve kanda çözünmüş Xenon'un manyetizasyonunun seçici olarak doyurulmasını içerir. Çözünmüş faz (DP) sinyalinin, hava boşluklarında taze hiperpolarize Ksenon gazı ile ms zaman ölçeğinde değiş tokuş yaparken müteakip geri kazanımı, akciğer parankimi hakkında önemli fonksiyonel bilgiler sunar.

2000'li yılların başındaki gelişiminden bu yana, CSSR spektroskopisinin arkasındaki teknikler aşamalı olarak rafine edilmiştir 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Ayrıca, Ksenon alım eğrilerinin modellenmesindeki ilerlemeler, alveolar duvar kalınlığı ve pulmoner geçiş süreleri gibi spesifik fizyolojik parametrelerin çıkarılmasını sağlamıştır 10,24,25,26. Çalışmalar, CSSR'nin klinik olarak sağlıklı sigara içenlerde27 ve ayrıca kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH)18,27,28, fibroz29 ve radyasyona bağlı akciğer hasarı30,31 dahil olmak üzere bir dizi akciğer hastalığında bulunan pulmoner anormallikler şeklinde akciğer mikroyapısındaki ve gaz değişim verimliliğindeki ince değişikliklere duyarlılığını göstermiştir . CSSR spektroskopisinin, kardiyak döngü32 sırasında pulsatil kan akışına karşılık gelen DP sinyalindeki salınımları tespit etmek için hassas olduğu da gösterilmiştir.

Önemli ilerlemeler kaydedilmiş olsa da, klinik MRI sistemlerinde CSSR spektroskopisinin uygulanmasında pratik zorluklar devam etmektedir. 10 saniyeye yaklaşan tek doz nefes tutma gerektiren tarama süreleri, pediatrik denekler 33,34 veya ciddi akciğer hastalığıolan hastalar35,36 için çok uzun olabilir. Ek olarak, doygunluk gecikme sürelerinin sırası veya çözünmüş faz doygunluğunun etkinliği gibi edinim parametreleri uygun şekilde optimize edilmezse, teknik ölçüm yanlılıklarına karşı hassastır21. Bu sınırlamaları ele almak ve CSSR'yi daha geniş araştırma topluluğu için daha erişilebilir hale getirmek için, şu anda geliştirilmekte olan hem geleneksel nefes tutma hem de serbest nefes alma edinimleri için açık, adım adım protokollere ihtiyaç vardır.

Bu makalenin amacı, HXe gazı kullanarak optimize edilmiş CSSR MR spektroskopisi gerçekleştirmek için ayrıntılı bir metodoloji sunmaktır. Protokol, Xenon gazının polarizasyonu ve dağıtımı, RF darbe kalibrasyonu, dizi parametresi seçimi, konu hazırlama, veri toplama ve veri analizindeki temel adımları kapsayacaktır. Deneysel sonuçlara örnekler verilecektir. Bu kapsamlı kılavuzun, sahalar arasında CSSR uygulamaları için bir temel oluşturacağı ve bir dizi akciğer hastalığında akciğer mikroyapısal değişikliklerini ölçmek için bu tekniğin tam potansiyelini gerçekleştirmeye yardımcı olacağı umulmaktadır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

NOT: Burada açıklanan hiperpolarize Xenon-129 CSSR MR spektroskopi tekniği, hayvan ve insan görüntülemesi için yaygın olarak kullanılırken, aşağıdaki protokol yalnızca insan çalışmalarına atıfta bulunur. Tüm görüntüleme protokolleri, FDA özgül absorpsiyon oranı (SAR) sınırlamalarına (4 W/kg) bağlı kaldı ve Pennsylvania Üniversitesi'ndeki Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylandı. Her denekten bilgilendirilmiş onam alındı.

1. Darbe dizisi tasarımı

  1. Nefes tutma mı yoksa serbest solunum ölçümü mü yapacağınıza karar verin.
    NOT: Nefes tutma alımları teknik olarak daha basittir, çünkü yalnızca tek bir doz (500 - 1000 mL) HXe gazının solunmasını ve ardından MRI verilerinin toplandığı 10 saniyelik bir nefes tutmayı gerektirirler. Bununla birlikte, işbirliği yapmayan denekler (ör., küçük çocuklar) veya ciddi akciğer hastalığı olan hastalar nefeslerini bu kadar uzun süre tutamayabilirler, bu nedenle birkaç dakika boyunca çoklu, küçük dozların (~ 50 mL) solunmasını gerektiren serbest solunum edinimi tavsiye edilebilir.
  2. Nefes tutma CSSR MR spektroskopisi çalışması için, maksimum esneklik için değişken gecikme süreleri ve maksimum sinyal-gürültü oranları için 90°'ye kadar yüksek uyarma çevirme açıları kullanın (Şekil 1A).
    1. DP manyetizasyonunu 1.5 T MRI tarayıcısında doyurmak için, merkez frekanslı, 198 ppm, 2.5 ms ve 218 ppm, 2.5 ms ve 218 ppm süresi, 2.5 darbe için 2.5 ms ve merkez frekansı ile 5 dikdörtgen 90° radyo frekansı (RF) darbesi uygulayın, 208 ppm süre, kalan 3 darbe için 2.0 ms. RF güç amplifikatörü tarafından izin veriliyorsa, daha yüksek alan kuvvetlerinde ölçümler için RF darbelerinin süresini kısaltın.
    2. Tüm RF darbelerini x, y ve z eksenleri boyunca dönüşümlü olarak 1 ms gradyan spoylerle ayırın: 200 μs rampa süresi, 600 μs plato süresi, 20 mT/m.
    3. Son doygunluk darbesinden sonra, bir gecikme süresi τi bekleyin, burada i, nefes tutmadaki i'inci ölçümü ifade eder. Aşağıdaki gecikme sürelerini belirtilen sırayla kullanın: 50, 2,5, 2,5, 2,5, 3,5, 5, 7,5, 50, 10, 15, 30, 60, 50, 80, 100, 120, 160, 50, 200, 250, 350, 500, 50, 5, 6, 8, 50, 12,5, 20, 40, 70, 50, 90, 110, 140, 180, 50, 225, 300, 400 ms.
    4. 1.2 ppm merkezli 208 ms Gauss RF uyarma darbesi uygulayın. Çevirme açısını 90° olarak ayarlayın. RF amplifikatörü buna izin vermiyorsa, amplifikatörün izin verdiği maksimum çevirme açısını kullanın. RF uyarma darbelerinin uzunluğunu, yüksek alanlı tarayıcılarda ölçümler için alan gücüyle ters orantılı olarak ölçeklendirin.
    5. Serbest indüksiyon bozunmasını 30,72 ms (1024 örnekleme noktası) için örnekleyin. 1,5 T'deki gaz fazı T2* 15 ms mertebesindeyken, işlemeden önce ek sinyal apodizasyonuna gerek kalmadan daha yüksek alan kuvvetlerinde örnekleme süresini önemli ölçüde azaltın.
    6. X ekseni boyunca 5 ms'lik bir gradyan spoyler uygulayın: 200 μs rampa süresi, 4,6 ms plato süresi, 20 mT/m.
    7. Adım 1.2.3'te açıklandığı gibi aynı nefes tutma sırasında 1.2.1 - 1.2.6 40x adımlarını farklı bir τi ile tekrarlayın.
    8. Serbest solunum CSSR MR spektroskopisi çalışması için, aşağıdaki ölçümü yaklaşık 3 dakika boyunca sürekli olarak gerçekleştirin (Şekil 1B), ancak tahsis edilen HXe gaz hacmi biterse edinim daha erken sonlandırılabilir.
    9. 1.2.1 ve 1.2.2 adımlarını tekrarlayın. Adım 1.2.4'ü 7°'ye çevirme açısıyla tekrarlayın. Serbest indüksiyon bozunmasını 10,24 ms (512 örnekleme noktası) için örnekleyin.
    10. X ekseni boyunca 1 ms'lik bir gradyan spoyleri uygulayın: 200 ms rampa süresi, 600 ms plato süresi, 20 mT/m. 1.2.3 - 1.2.5 adımlarını 12,6 ms'lik bir tekrarlama süresiyle 40x'te tekrarlayın.
    11. Etüt bitene kadar 1.2.1 - 1.2.6 adımlarını tekrarlayın.

2. Hasta muayenesi için hazırlık

  1. Her çalışmadan önce, temiz bir yüz maskesinin hazırlandığından ve ince, esnek boru kullanılarak gaz dağıtım senkronizasyon cihazına bağlandığından emin olun.
  2. Serbest solunum çalışmaları için, akış ölçümleri için çift yönlü bir pnömotak takın.
  3. Uygun gaz enjeksiyonunu doğrulamak için nefes almayı taklit etmek için bir cam şırınga kullanarak rutin bir test yapın. Gaz dağıtım cihazı, pnömotakın akış ölçümlerinden solumanın başlangıcını algılamalı ve maskeye gaz enjeksiyonunu sağlamalıdır.
  4. Görüntüleme sırasında solunum eğrilerini (akış ve hacimler) ve gerçek zamanlı gaz analizini (O2 ve CO2) kaydeden isteğe bağlı fizyolojik izleme sistemini kurun.
  5. MRI odası kulaklıklarını, nefes alma-verme ses kaydı kullanarak konuyu yönlendiren ses sinyaliyle bağlayın ve test edin. Ses parçasının oynatma hızını, her konunun normal nefes alma hızına göre ayarlayın.
  6. Tarayıcı yatağını temiz bir baş desteği, bacak destek yastığı ve battaniye ile hazırlayın.
  7. Açılmamış Xenon-129 göğüs yeleği bobinini MRI tarayıcısının masasına yerleştirin. Bobinin konektör fişini takın ve MR tarayıcının bobini tanıdığından emin olun.

3. Konu hazırlama ve izleme

  1. Denek görüntüleme tesisine geldiğinde, IRB onaylı bir onay formu kullanarak yazılı bilgilendirilmiş onay alın. Onay alındıktan sonra, konuyu bir MRI güvenlik anketi ve bir metal detektörü kullanarak tarayın.
  2. Denekten herhangi bir metal veya mücevheri şahsından çıkarmasını ve hasta önlüğü giymesini isteyin.
  3. Deneği seçilen solunum protokolüne (nefes tutma veya serbest nefes alma) uyması için eğitin.
  4. Serbest bir nefes alma çalışması için, konuyu görüntüleme sırasında çalınacak ve nefeslerini senkronize etmeleri gereken nefes alma-verme ses kaydıyla tanıştırın.
  5. Deneği MRI odasına götürün ve tarayıcı yatağına yerleştirin: açık Xenon yelek bobininin üzerine yatın.
  6. Konu yerleştirildikten sonra, Velcro kayışları, yelek bobini kapanacak ancak öznenin göğsünü daraltmayacak şekilde bağlayın.
  7. Serbest solunum çalışması için, hastanın yüzüne pnömotak içeren bir yüz maskesi yerleştirin ve kayışları, maske çok sıkı olmadan burun ve ağza sıkıca oturacak şekilde sıkın. Taktıktan sonra maskeyi çıkarın ve kayışları deneğin başının arkasında bırakarak daha sonrası için bir kenara koyun.
  8. Çalışma süresi boyunca kalp atış hızını ve kan oksijen doygunluğunu (SPO2) sürekli olarak izlemek ve kaydetmek için deneğin sırasıyla sağ ve sol işaret parmaklarına iki nabız oksimetresi yerleştirin.
  9. MRI uyumlu kulaklıkları deneğin kulaklarının üzerine yerleştirin.
  10. MRI tarayıcı masasını, deneğin akciğerleri görüş alanının merkezinde olacak şekilde mıknatıs deliğine hareket ettirin.

4. Hiperpolarize Xenon-129 polarizasyonu (Kalibrasyon gazı)

NOT: Aşağıdakiler, polarizasyon cihazımızı kullanarak Xenon-129 gazını polarize etmek için protokol adımlarıdır. Kurulu gaz polarizörünüz için satıcıya özel çalıştırma talimatlarına göre ayarlayın.

  1. Çalışma başlamadan yaklaşık 2,5 saat önce Xenon polarizörü ısıtın. Özellikle %>85 oranında zenginleştirilmiş Xenon-129 olan Xenon gazı çok pahalı olduğundan (şu anda L başına ~ 500 $) ve polarize olduktan sonra yeniden yakalanamadığından, polarizasyon işlemi ancak denek görüntüleme alanına ulaştığında başlatılmalıdır.
  2. 250 mL'lik özel bir PVF torbasının bağlantı borusunu bir sızdırmazlık klipsinden geçirin. Klipsin tüpü sıkıştırmadığından emin olun.
  3. Özel PVF torbasını mevcut dört polarizör dağıtım bağlantı noktasından birine takın.
  4. Polarizör dokunmatik ekranında, zenginleştirilmiş Xenon tankını seçin, akış hızını orta olarak ayarlayın ve polarizasyon hacmini 250 mL'ye ayarlayın.
  5. Polarizasyon işlemini başlatmak için Başlat düğmesine basın. Gerçek polarizasyon prosedürü, Xenon'un dondurulması, çözülmesi ve özel PVF torbasına dağıtılması, tam otomatiktir ve 250 mL Xenon için yaklaşık 15 dakika sürer.
  6. Polarize Xenon gazı dağıtıldığında, polarizör dokunmatik ekranda torbanın artık çıkarılabileceğini belirten bir mesaj görüntüleyecektir.
  7. Özel PVF torbasının bağlantı borusunu sıkıştırın ve sızdırmazlık klipsi ile kapatın. Hızlı gaz depolarizasyonunu önlemek için özel PVF torbasını ayırın ve hızlı bir şekilde MRI tarayıcısının deliğine yerleştirin.

5. Kalibrasyon için hiperpolarize Xenon-129 inhalasyonu

  1. Ağızdan solunumu iyileştirmek için deneğin burnuna bir burun klipsi yerleştirin.
  2. Normal son kullanma tarihinin sonunda, Xenon torbasının ağızlığını deneğin ağzına yerleştirin.
  3. Denek torbadan 250 mL Xenon dozu soluduktan sonra, ağızlığı çıkarın ve deneğe ciğerleri dolana kadar oda havasını solumaya devam etmesini söyleyin.
  4. İlhamın sonunda, denekten başparmağını kaldırmasını ve hemşire koordinatöründen nabız dizisini başlatmak için bu bilgiyi tarayıcı operatörüne sözlü olarak iletmesini isteyin.
  5. Nefesini tutamayan denekler için, hemşire koordinatöründen deneğin göğüs hareketini gözlemlemesini ve denek nefes vermenin sonuna ulaştığında ve inspirasyona başladığında operatörü bilgilendirmesini isteyin. Bu yaklaşım, solunan Xenon gazının kısmi ekshalasyonu nedeniyle ölçüm sinyalini azaltırken, kalibrasyon verilerinin elde edilmesi sırasında deneğin akciğerlerindeki Xenon hacminin oldukça sabit kalmasını sağlar.
  6. Veri toplama süresinin sonunda (~ 5 sn), deneğe tekrar normal nefes alması talimatını verin.

6. Gaz frekansı ve radyo frekansı darbe voltajı kalibrasyonu

NOT: Bir darbe dizisi yürütmeden önce, modern MRI tarayıcıları, uyarma darbeleri için istenen çevirme açısını elde etmek için genellikle MR sinyalinin rezonans frekansını ve iletim RF bobinine uygulanacak voltajı kalibre eder. Konvansiyonel proton MRG'de, bu kalibrasyon işlemi otomatiktir ve tipik olarak kullanıcı için şeffaftır. Bununla birlikte, bu otomatik kalibrasyon, termal dengede herhangi bir sinyal kaynağı bulunmadığından, hiperpolarize Xenon-129 çalışmaları için uygun değildir. Bunun yerine, RF darbelerinin frekansı ve voltajı manuel olarak kalibre edilmelidir. Burada kullanılan MRI tarayıcısında, bu manuel kalibrasyon, tarayıcının yazılımının daha sonra sonraki tüm RF darbeleri için uygun voltajı hesaplamak için kullandığı bir referans voltajı sağlanarak yapılır. Bu kalibrasyon verilerinin ölçüm yazılımına nasıl girileceğini anlamak için MRI sisteminin satıcıya özel çalıştırma talimatlarına bakın.

  1. Bir proton keşif darbe dizisi yükleyin. 400 mm'lik bir görüş alanı seçin. 10 koronal dilim elde edin (10 mm dilim kalınlığı,% 20 boşluk).
  2. Proton görüntülerini gözden geçirin ve deneğin akciğerinin görüş alanında ortalandığından emin olun. Gerekirse, konuyu yeniden konumlandırın ve 1. adımı tekrarlayın.
  3. Kalibrasyon darbe sırasını yükleyin. Alıcı frekansının başlangıç tahmini olarak en son insan taramasından elde edilen HXe gaz fazı (GP) frekansını kullanın.
  4. Referans voltajını, kalibrasyon dizisi ile elde edilen ilk ve son spektrumlar arasındaki GP sinyalinin çoğu denek için yaklaşık %70 - %80 oranında azalacağı bir değere ayarlayın. Göğüs RF bobini için başlangıç referans voltajını 75 V'a ayarlayın.
  5. Denek HXe kalibrasyon dozunu soluduğunda ve nefes tutma durumundayken veya bir nefes tutma sağlanamazsa, denek solunum döngüsünde son kullanma noktasını geçtiğinde diziyi başlatın.
    1. 1.2 ppm'de ortalanmış 0 ms Gauss RF uyarma darbesi uygulayın. Nominal çevirme açısını 90°'ye ayarlayın. Bununla birlikte, ilk referans voltajı gerçek değerinin çok altına ayarlandığından, gerçekte uygulanan çevirme açısı yaklaşık 15°'dir.
    2. Serbest indüksiyon bozunmasını 30,72 ms (1024 örnekleme noktası) için örnekleyin. X ekseni boyunca 20 ms'lik bir gradyan spoyler uygulayın: 500 ms rampa süresi, 19 ms plato süresi, 20 mT/m. Bu gradyan özelliklerinin optimize edilmediğini, daha kısa gradyan sürelerinin muhtemelen yeterli olacağını unutmayın.
    3. 6.5.1.-6.5.2 adımlarını tekrarlayın. 55 ms tekrarlama süresi ile 16 kez. 6.5.1-6.5.2 adımlarını tekrar tekrarlayın. 220 ms tekrarlama süresi ile 16 kez.
  6. Veri toplama işlemi tamamlandıktan sonra, deneğe normal solunumuna dönmesi talimatını verin.
  7. SPO2 seviyesini kontrol ederek deneğin refahını değerlendirin ve olası advers reaksiyonlar hakkında bilgi isteyin.
  8. Ölçülen kalibrasyon verilerini bir USB sürücüsüne indirin, ardından daha fazla analiz için bir dizüstü bilgisayara aktarın.
  9. GP tepe noktasının merkez frekansını, RF uyarma darbelerinin çevirme açısını ve akciğerin içindeki HXe gazı T1'i çıkarmak için bir MATLAB komut dosyası kullanın.
    1. Kalibrasyon dizisi tarafından elde edilen 32 FID'yi yükleyin. FID'leri spektrumlara dönüştürmek için Hızlı Fourier Dönüşümlerini (FFT'ler) kullanın.
    2. GP zirvelerini sıfırıncı sıraya kadar aşamalandırın. GP tepe noktalarının aşamalı gerçek bileşenine sahte bir Voigt çizgi şekli sığdırın.
    3. GP frekansını, en yüksek sinyal-gürültü oranına sahip olduklarından, ilk 10 uyumun merkez frekansları üzerinden ortalama olarak hesaplayın. Ekranda frekans ortalamasının çıktısını alın.
    4. Tüm GP tepe noktalarının altındaki alanı entegre edin. Mono-üstel bozunma fonksiyonlarını ilk 16 ve ikinci 16 GP tepe alanlarına sığdırın.
    5. GP T1'i çıkarın ve takılan iki bozunma eğrisinden çevirme açısı uygulayın.

7. Hiperpolarize Xenon-129 polarizasyonu (ölçüm gazı)

  1. Ölçüm gazını polarize etmek için aşağıdaki değişikliklerle birlikte 4.2 - 4.7 adımlarını izleyin:
    1. 250 mL'lik bir torba yerine 500 mL'lik özel bir PVF torbası kullanın.
    2. Polarizasyon hacmini 250 mL yerine 500 mL'ye ayarlayın. Polarizasyon işlemi 500 mL için yaklaşık 20 dakika sürer.

8. Ölçüm için hiperpolarize Xenon-129 inhalasyonu (Nefes tutma)

  1. Ağızdan solunumu iyileştirmek için deneğin burnuna bir burun klipsi yerleştirin.
  2. İşlevsel kalıntı kapasiteye kadar normal son kullanma tarihinin sonunda, Xenon torbasının ağızlığını deneğin ağzına yerleştirin.
  3. Denek, Xenon torbasından 500 mL Xenon gazı soluduktan sonra, ağızlığı çıkarın ve deneğe ciğerleri dolana kadar oda havasını solumaya devam etmesi talimatını verin.
  4. İlhamın sonunda, denekten başparmağını kaldırmasını ve hemşire koordinatöründen nabız dizisini başlatmak için bu bilgiyi tarayıcı operatörüne sözlü olarak iletmesini isteyin.
  5. Veri toplama süresinin sonunda (~8 sn), denekten tekrar normal nefes almasını isteyin.

9. Ölçüm için hiperpolarize Xenon-129 inhalasyonu (Serbest solunum)

  1. Ölçüm taraması için, deneği MRI tarayıcısından çıkarın, yüz maskesini burnunun ve ağzının üzerine yerleştirin ve önceden takılmış kayışları başın arkasından maskeye bağlayarak maskeyi yerine sabitleyin. Maske üzerindeki pnömotak, deneğin ardışık soluma ve verme işlemlerini algılayacak ve bir soluma tespit edildiğinde gaz dağıtım sistemini gaz dağıtması için tetikleyecektir.
  2. Konuyu tarayıcının içindeki orijinal konumuna geri taşıyın.
  3. Deneğin nefes alma düzenini solunum protokolüyle senkronize edebilmesi için nefes alma-verme ses kaydını oynatın.
  4. Denek solunum protokolü ile ritme düştüğünde, hemşire koordinatöründen MRI operatörünü veri toplamaya başlaması için bilgilendirmesini isteyin. Hemşire koordinatörü daha sonra gaz dağıtım sistemindeki valfleri açar ve denek, solunum maskesinin içindeki hava akışıyla karışan 50 mL hiperpolarize Xenon-129'u solumaya başlar.
  5. Görüntüleme protokolü için Xenon gazı hacmi tükenene kadar hastadan yaklaşık 10 nefes almasını isteyin.

10. Ölçüm verilerinin toplanması (Nefes tutma)

  1. Adım 1.2'de belirtildiği gibi nefes tutma için CSSR nabız dizisini yükleyin. Alım frekansını, 6. adımdaki kalibrasyon taraması sırasında belirlenen HXe GP frekansına göre ayarlayın.
  2. Referans voltajını, adım 6'da açıklanan kalibrasyon taramasından elde edilen değerle eşleşecek şekilde ayarlayın.
  3. Sistem satıcısının çalıştırma talimatlarını izleyerek sıra yürütme için Kullanıcıyı Bekle seçeneğini veya eşdeğerini seçin.
  4. Sırayı başlatın. MRI tarayıcısı dizi hazırlığını tamamlayacak, ardından duraklatacak ve kullanıcının veri toplamaya başlamasını bekleyecektir.
  5. Denek HXe ölçüm dozunu soluduğunda, akciğerleri dolana kadar oda havasını solumaya devam ederek hava yollarını temizlediğinde ve nefes tutmayı başlattığında veri toplamaya başlayın. İkincisi, hemşire koordinatörü tarafından yönlendirildiği ve adım 5 ve adım 8'de açıklandığı şekilde yapılmalıdır.
  6. Veri toplama işlemi tamamlandıktan sonra, deneğe normal solunumuna dönmesi talimatını verin.
  7. SPO2 seviyesini kontrol ederek ve olası advers reaksiyonlar hakkında soru sorarak deneğin refahını değerlendirin.
  8. Ölçülen CSSR verilerini bir USB sürücüsüne indirin, ardından daha fazla analiz için bir dizüstü bilgisayara aktarın.

11. Ölçüm verilerinin toplanması (Serbest solunum)

  1. Adım 1.3'te belirtildiği gibi serbest nefes almak için CSSR nabız dizisini yükleyin.
  2. Alım frekansını, 6. adımdaki kalibrasyon taraması sırasında belirlenen HXe GP frekansına göre ayarlayın.
  3. Referans voltajını, adım 6'da açıklanan kalibrasyon taramasından elde edilen değerle eşleşecek şekilde ayarlayın.
  4. Sistem satıcısının çalıştırma talimatlarını izleyerek sıra yürütme için Kullanıcıyı Bekle seçeneğini veya eşdeğerini seçin.
  5. Sırayı başlatın. MRI tarayıcısı dizi hazırlığını tamamlayacak, ardından duraklatacak ve kullanıcının veri toplamaya başlamasını bekleyecektir.
  6. Hemşire koordinatörü adım 9.4'te açıklandığı gibi oda havasından HXe gaz/hava karışımına geçmeye hazır olduğunda veri alımını başlatın. Denek ilk Xenon gazı dozunu solumadan önce dizinin zaten çalıştığından emin olun.
  7. 3 dakikalık ölçümün sonunda veri toplama işlemi tamamlandığında veya tüm HXe gazı kullanıldığında sonlandırıldığında, konuyu MRI tarayıcısından çıkarın.
  8. SPO2 seviyesini kontrol ederek ve olası advers reaksiyonlar hakkında soru sorarak deneğin refahını değerlendirin.
  9. Ölçülen CSSR verilerini bir USB sürücüsüne indirin, ardından daha fazla analiz için bir dizüstü bilgisayara aktarın.

12. CSSR veri analizi

NOT: Elde edilen veriler, N x 40 serbest indüksiyon bozunmasından oluşur, burada N, DP manyetizasyonunun doygunluğundan sonra edinimin farklı gecikme süreleriyle tekrarlanma sayısıdır. CSSR ölçümünün nefes tutma veya serbest nefes alma çalışması olarak yapılıp yapılmadığına bağlı olarak, N sırasıyla ya 1'dir ya da edinimin tekrarlanma sayısıdır ve s cinsinden ölçüm süresinin yaklaşık 2 katı olmalıdır. Bununla birlikte, MATLAB komut dosyaları aracılığıyla her iki senaryo için müteakip veri analizi, belirtilen durumlar dışında temelde aynıdır.

  1. CSSR dizisi tarafından alınan FID'leri yükleyin. FID'leri spektrumlara dönüştürmek için Hızlı Fourier Dönüşümlerini (FFT'ler) kullanın.
  2. GP zirvelerini sıfırıncı sıraya kadar aşamalandırın. Aşama: DP birinci dereceden zirve yapar.
  3. GP tepe noktalarının aşamalı gerçek bileşenine sahte bir Voigt çizgi şekli sığdırın.
  4. Serbest solunum ölçümleri için, tüm spektrumları takılan GP tepe noktalarının altındaki alana bölün. Aynı gecikme süresine sahip tüm spektrumların ortalamasını alın.
  5. Tüm spektrumlarda, ~ 196 ppm'de membran zirvelerinin ve ~ 217 ppm'de kırmızı kan hücresi zirvelerinin aşamalı gerçek bileşenlerine iki sözde Voigt çizgisi şekli yerleştirin.
  6. Takılan DP tepe noktalarının altındaki alanları entegre edin.
  7. Nefes tutma ölçümleri için, 50 ms gecikme süresi ölçümünü tekrar tekrar elde edin (bkz. adım 1.2.8), bu da GP sinyaliyle normalleştirmeden daha hassas bir bozulma düzeltmesine izin verir.
  8. Edinim indeksinin bir fonksiyonu olarak membran tepe sinyaline bir üstel bozunma fonksiyonu uydurun.
  9. Tüm zar ve kırmızı kan hücresi tepe sinyallerini, ilgili edinim indeksi için takılan üstel bozunma fonksiyonunun tersi ile çarpın.
  10. Düzeltilmiş zar ve kırmızı kan hücresi sinyallerini, gecikme sürelerinin bir fonksiyonu olarak bir Xenon gazı alım modeline yerleştirin. En sık kullanılan iki model Patz ve ark.24 ve Chang ve ark.25,37,38 tarafından önerilen modellerdir. Verileri genellikle Patz modelini kullanarak analiz ederiz.
  11. Alveolar yüzey-hacim oranını, görünür alveolar septal duvar kalınlığını ve kılcal geçiş süresini elde etmek için her iki modele de uyun. Ek olarak, Chang ve arkadaşları tarafından önerilen Ksenon değişimi (MOXE) modeli, hematokritin yanı sıra damarlar ve alveolar hacim arasındaki bariyerin kalınlığını verir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Şekil 2, 500 mL Xenon dozunun solunmasını takiben, bir nefes tutma sırasında insan akciğerinde gözlenen tipik bir Xenon spektrumunu göstermektedir. Spektrum, 0 ppm civarında GP rezonansı ve yaklaşık 197 ppm'de membran zirvesi ve yaklaşık 217 ppm'de kırmızı kan hücresi zirvesinden oluşan DP bölgesi olmak üzere iki farklı bölge gösterir. Bağıl tepe genlikleri, RF uyarma darbesinin şekli, süresi ve merkez frekansının yanı sıra doygunluk ve uyarma arasındaki gecikme süresi dahil olmak üzere bir ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

HXe CSSR MR spektroskopisi, mevcut herhangi bir tanı modalitesi24 kullanılarak in vivo olarak ölçülmesi zor veya imkansız olan çeşitli solunum fonksiyon metriklerini değerlendirmek için güçlü bir tekniktir. Bununla birlikte, elde etme ve müteakip veri analizi, canlı deneklerde hiçbir zaman tam olarak elde edilemeyen fizyolojik koşullar ve teknik parametreler hakkında belirli varsayımlara dayanmaktadır. Bu sınırlamalar ve ayıklanan metriklerin yorumlanması üzerindeki etkileri aşağıda ele a...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların açıklanacak herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

Bu çalışma, NIH hibeleri R01HL159898 ve R01HL142258 tarafından desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Çift Yönlü Pnömotak B& B Medical AccutachTM
Göğüs Yelek BobiniKlinik MR ÇözümleriYetişkin Boy
Yüz MaskesiHans Rudolph7450
MatlabMathworksSürüm 2018aOptimizasyon Araç Kutusu gerekli
Fizyolojik İzleme Sistemi BIOPAC Systems Inc
Tedlar ÇantaJensen İnert Ürünler250 mL ve 500 mL; özel PVF torbası
Xenon PolarizerXemed LLCX-box E10 
Tüm Vücut MRI TarayıcıSiemens1.5 T Avanto

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Hiperpolarize Ksenon MRGAkciğer Fonksiyon MetrikleriKimyasal Kayma SaturasyonuGaz Değişimi ÖlçümüPulmoner Fonksiyon DeğerlendirmesiAlveolar Duvar KalınlığıKapiller Kan HacmiNefes Tutma ProtokolüSerbest Solunum ÇalışmasıKsenon Gazı İnhalasyonu
Hiperpolarize Ksenon Spektroskopisinden Elde Edilen Akciğer Yapısı ve Fonksiyonunun Kantitatif Ölçümü
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.