מדידה כמותית של מבנה ותפקוד הריאה המתקבלת מספקטרוסקופיית קסנון היפרפולרית
Summary
כתב היד מציג פרוטוקול מפורט לשימוש בשחזור רוויה כימית מסוג קסנון 129 היפרפולרי (CSSR) כדי לעקוב אחר חילופי גזים ריאתיים, להעריך את עובי דופן המחיצה הנאדית הנראית לעין ולמדוד את יחס פני השטח לנפח. לשיטה פוטנציאל לאבחן ולנטר מחלות ריאה.
Abstract
דימות תהודה מגנטית Hyperpolarized Xenon-129 (HXe) (MRI) מספק כלים לקבלת מפות דו-ממדיות או תלת-ממדיות של דפוסי אוורור ריאות, דיפוזיית גזים, ספיגת קסנון על ידי פרנכימה של ריאות ומדדים אחרים של תפקודי ריאות. עם זאת, על ידי מסחר מרחבי עבור רזולוציה זמנית, הוא גם מאפשר מעקב אחר חילופי גז קסנון ריאתי על ציר זמן ms. מאמר זה מתאר טכניקה אחת כזו, ספקטרוסקופיית MR לשחזור רוויה של שינוי כימי (CSSR). הוא ממחיש כיצד ניתן להשתמש בו כדי להעריך את נפח הדם הנימי, עובי דופן המחיצה, ואת יחס פני השטח לנפח בנאדיות. זווית ההיפוך של פולסי גלי הרדיו המופעלים (RF) כוילה בקפידה. פרוטוקולים של עצירת נשימה במנה אחת ונשימה חופשית מרובת מנות הופעלו למתן הגז לנבדק. ברגע שגז הקסנון הנשאף הגיע לנאדיות, הופעלה סדרה של פולסי RF של 90° כדי להבטיח רוויה מרבית של המגנטיזציה המצטברת של קסנון בפרנכימת הריאה. לאחר זמן עיכוב משתנה, נרכשו ספקטרום כדי לכמת את הצמיחה המחודשת של אות הקסנון עקב חילופי גזים בין נפח גז הנאדיות לבין תאי הרקמה של הריאה. ספקטרום זה נותח לאחר מכן על ידי התאמת פונקציות פסאודו-וויגט מורכבות לשלוש הפסגות הדומיננטיות. לבסוף, אמפליטודות השיא תלויות זמן ההשהיה הותאמו למודל חילופי גזים אנליטי חד-ממדי כדי לחלץ פרמטרים פיזיולוגיים.
Introduction
דימות תהודה מגנטית היפרפולרי קסנון 129 (HXe)1 היא טכניקה המציעה תובנות ייחודיות על מבנה הריאות, תפקודן ותהליכי חילופי גזים. על ידי הגברה דרמטית של המגנטיזציה של גז קסנון באמצעות שאיבה אופטית של חילופי ספין, HXe MRI משיג שיפור בסדר גודל ביחס אות לרעש בהשוואה ל- Xenon MRI 2,3,4,5,6 מקוטב תרמית. היפרפולריזציה זו מאפשרת הדמיה ישירה וכימות של ספיגת גז קסנון לרקמת הריאה ולדם, שאחרת לא היו ניתנים לגילוי עם MRI7 מקוטב תרמית קונבנציונאלי.
שחזור רוויה כימית (CSSR) ספקטרוסקופיית MR 8,9,10,11,12,13 הוכחה כאחת מטכניקות ה- MRI HXe החשובות ביותר. CSSR כולל רוויה סלקטיבית של מגנטיזציה של קסנון מומס ברקמת הריאה ובדם באמצעות פולסים ספציפיים לתדר רדיו (RF). ההתאוששות שלאחר מכן של אות הפאזה המומסת (DP) כשהוא מתחלף עם גז קסנון היפרפולרי טרי במרחבי האוויר על ציר זמן של טרשת נפוצה מציעה מידע פונקציונלי חשוב על פרנכימת הריאות.
מאז פיתוחה בתחילת שנות ה-2000, הטכניקות מאחורי ספקטרוסקופיית CSSR שוכללו בהדרגה 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. יתר על כן, התקדמות במידול עקומות ספיגת קסנון אפשרה חילוץ של פרמטרים פיזיולוגיים ספציפיים, כגון עובי דופן הנאדיות וזמני מעבר ריאתי 10,24,25,26. מחקרים הראו רגישות של CSSR לשינויים עדינים במיקרו-מבנה הריאות וביעילות חילוף הגזים בצורה של הפרעות ריאתיות שנמצאו אצל מעשנים בריאים מבחינה קלינית27, כמו גם במגוון מחלות ריאה, כולל מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD)18,27,28, פיברוזיס29 ופגיעה ריאתית הנגרמת מקרינה30,31. ספקטרוסקופיית CSSR הוכחה גם כרגישה לזיהוי תנודות באות DP המתאים לזרימת דם פולסטילית במהלך מחזור הלב32.
למרות שהושגה התקדמות משמעותית, נותרו אתגרים מעשיים ביישום ספקטרוסקופיית CSSR במערכות MRI קליניות. זמני סריקה הדורשים עצירת נשימה במנה אחת המתקרבים ל -10 שניות עשויים להיות ארוכים מדי עבור נבדקים ילדים33,34 או חולים עם מחלת ריאות חמורה35,36. בנוסף, הטכניקה רגישה להטיות מדידה אם פרמטרי רכישה כגון סדר זמני השהיית הרוויה או יעילות רוויית הפאזה המומסת אינם ממוטבים כראוי21. כדי להתמודד עם מגבלות אלה ולהפוך את CSSR לנגיש יותר לקהילת המחקר הרחבה יותר, נדרשים פרוטוקולים ברורים שלב אחר שלב הן לעצירת נשימה קונבנציונלית והן לרכישת נשימה חופשית, הנמצאים כעת בפיתוח.
מטרת מאמר זה היא להציג מתודולוגיה מפורטת לביצוע ספקטרוסקופיית CSSR MR אופטימלית באמצעות גז HXe. הפרוטוקול יכסה קיטוב ואספקה של גז הקסנון, כיול פולס RF, בחירת פרמטרי רצף, הכנת נושאים, רכישת נתונים ושלבי מפתח בניתוח נתונים. דוגמאות לתוצאות ניסוי יסופקו. יש לקוות כי מדריך מקיף זה ישמש בסיס ליישומי CSSR באתרים שונים ויסייע לממש את מלוא הפוטנציאל של טכניקה זו לכימות שינויים מיקרו-מבניים ריאתיים במגוון מחלות ריאה.
Protocol
Representative Results
Discussion
ספקטרוסקופיית MR HXe CSSR היא טכניקה רבת עוצמה להערכת מספר מדדי תפקוד ריאתי שיהיה קשה או בלתי אפשרי לכמת in vivo באמצעות כל שיטת אבחון קיימת אחרת24. עם זאת, הרכישה וניתוח הנתונים הבאים מבוססים על הנחות מסוימות לגבי תנאים פיזיולוגיים ופרמטרים טכניים שלעולם אינם ניתנים להשגה מלאה ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענקי NIH R01HL159898 ו-R01HL142258.
Materials
| Bi-directional Pneumotach | B&B Medical AccutachTM | ||
| Chest Vest Coil | Clinical MR Solutions | Adult Size | |
| Face Mask | Hans Rudolph | 7450 | |
| Matlab | Mathworks | Release 2018a | Optimization Toolbox required |
| Physiological Monitoring System | BIOPAC Systems Inc | ||
| Tedlar Bag | Jensen Inert Products | 250-mL and 500-mL; specialised PVF bag | |
| Xenon Polarizer | Xemed LLC | X-box E10 | |
| Whole-body MRI Scanner | Siemens | 1.5 T Avanto |
References
- Albert, M. S., et al. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370 (6486), 199-201 (1994).
- Happer, W. Optical Pumping. Rev Mod Phys. 44 (2), 169-250 (1972).
- Appelt, S., et al. Theory of spin-exchange optical pumping of He-3 and Xe-129. Phys Rev A. 58 (2), 1412-1439 (1998).
- Hersman, F. W., et al. Large production system for hyperpolarized 129Xe for human lung imaging studies. Acad Radiol. 15 (6), 683-692 (2008).
- 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).
- 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).
- Mugler, J. P., et al. MR imaging and spectroscopy using hyperpolarized 129Xe gas: preliminary human results. Magn Reson Med. 37 (6), 809-815 (1997).
- Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Driehuys, B., Mugler, J. P. NMR of hyperpolarized (129)Xe in the canine chest: spectral dynamics during a breath-hold. NMR Biomed. 13 (4), 220-228 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Patz, S., et al. Human pulmonary imaging and spectroscopy with hyperpolarized 129Xe at 0.2T. Acad Radiol. 15 (6), 713-727 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ruppert, K., Qing, K., Patrie, J. T., Altes, T. A., Mugler, J. P. Using hyperpolarized Xenon-129 MRI to quantify early-stage lung disease in smokers. Acad Radiol. 26 (3), 355-366 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- Li, H., et al. Quantitative evaluation of radiation-induced lung injury with hyperpolarized Xenon magnetic resonance. Magn Reson Med. 76 (2), 408-416 (2016).
- 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).
- 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).
- Willmering, M. M., et al. Pediatric (129) Xe gas-transfer MRI-feasibility and applicability. J Magn Reson Imaging. 56 (4), 1207-1219 (2022).
- 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).
- 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).
- Chang, Y. V. Toward a quantitative understanding of gas exchange in the lung. arXiv. , (2010).
- Chang, Y. V., et al. Quantification of human lung structure and physiology using hyperpolarized 129Xe. Magn Reson Med. 71 (1), 339-344 (2014).
- 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).
- 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).
.