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.
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.
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.
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 последующ?…
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана грантами NIH R01HL159898 и R01HL142258.
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 |