Quantitatives Maß für die Lungenstruktur und -funktion aus der hyperpolarisierten Xenon-Spektroskopie

Summary

Das Manuskript stellt ein detailliertes Protokoll für die Verwendung der hyperpolarisierten Xenon-129-Chemikalienverschiebungssättigungswiederherstellung (CSSR) vor, um den Lungengasaustausch zu verfolgen, die scheinbare Wanddicke des Alveolarseptums zu beurteilen und das Oberflächen-Volumen-Verhältnis zu messen. Die Methode hat das Potenzial, Lungenerkrankungen zu diagnostizieren und zu überwachen.

Abstract

Die hyperpolarisierte Xenon-129 (HXe)-Magnetresonanztomographie (MRT) bietet Werkzeuge zur Erstellung von 2- oder 3-dimensionalen Karten der Lungenventilationsmuster, der Gasdiffusion, der Xenonaufnahme durch das Lungenparenchym und anderer Lungenfunktionsmetriken. Durch den Austausch von räumlicher gegen zeitliche Auflösung ermöglicht es jedoch auch die Verfolgung des pulmonalen Xenon-Gasaustauschs auf einer Zeitskala von ms. In diesem Artikel wird eine solche Technik beschrieben, die MR-Spektroskopie (Chemical Shift Saturation Recovery, CSSR). Es wird veranschaulicht, wie es zur Beurteilung des kapillaren Blutvolumens, der Septumwanddicke und des Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses in den Alveolen verwendet werden kann. Der Flip-Winkel der angelegten Hochfrequenzpulse (RF) wurde sorgfältig kalibriert. Für die Verabreichung des Gases an den Probanden wurden Einzeldosis-Atemanhalte- und Mehrfachdosis-Freiatemprotokolle verwendet. Sobald das eingeatmete Xenongas die Lungenbläschen erreichte, wurde eine Reihe von 90°-HF-Impulsen angelegt, um eine maximale Sättigung der akkumulierten Xenon-Magnetisierung im Lungenparenchym zu gewährleisten. Nach einer variablen Verzögerungszeit wurden Spektren aufgenommen, um das Nachwachsen des Xenon-Signals aufgrund des Gasaustauschs zwischen dem alveolären Gasvolumen und den Gewebekompartimenten der Lunge zu quantifizieren. Diese Spektren wurden dann analysiert, indem komplexe Pseudo-Voigt-Funktionen an die drei dominanten Peaks angepasst wurden. Schließlich wurden die verzögerungszeitabhängigen Spitzenamplituden an ein eindimensionales analytisches Gasaustauschmodell angepasst, um physiologische Parameter zu extrahieren.

Introduction

Die hyperpolarisierte Xenon-129 (HXe)-Magnetresonanztomographie (MRT)¹ ist eine Technik, die einzigartige Einblicke in die Struktur, Funktion und Gasaustauschprozesse der Lunge bietet. Durch die drastische Verstärkung der Magnetisierung von Xenongas durch optisches Spinaustauschpumpen erreicht die HXe-MRT eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses um eine Größenordnung im Vergleich zur thermisch polarisierten Xenon-MRT ^2,3,4,5,6. Diese Hyperpolarisation ermöglicht die direkte Visualisierung und Quantifizierung der Aufnahme von Xenongas in Lungengewebe und Blut, die sonst mit der herkömmlichen thermisch polarisierten MRT nicht nachweisbar wäre⁷.

Die MRT-Spektroskopie 8,9,10,11,12,13 hat sich als eine der wertvollsten HXe-MRT-Techniken erwiesen. Bei der CSSR wird die Magnetisierung von im Lungengewebe und Blut gelöstem Xenon mit frequenzspezifischen Hochfrequenzimpulsen (RF) selektiv gesättigt. Die anschließende Wiedergewinnung des Signals der gelösten Phase (DP) beim Austausch mit frischem hyperpolarisiertem Xenongas in den Lufträumen auf einer Zeitskala von ms liefert wichtige funktionelle Informationen über das Lungenparenchym.

Seit ihrer Entwicklung in den frühen 2000er Jahren wurden die Techniken der CSSR-Spektroskopie schrittweise verfeinert 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Darüber hinaus haben Fortschritte bei der Modellierung von Xenon-Aufnahmekurven die Extraktion spezifischer physiologischer Parameter ermöglicht, wie z. B. die Alveolarwanddicke und die Lungentransitzeiten 10,24,25,26. Studien haben gezeigt, dass CSSR empfindlich auf subtile Veränderungen der Lungenmikrostruktur und der Gasaustauscheffizienz in Form von Lungenanomalien reagiert, die bei klinisch gesunden Rauchern auftreten²⁷, sowie bei einer Reihe von Lungenerkrankungen, einschließlich chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD)18,27,28, Fibrose²⁹ und strahleninduzierter Lungenschädigung ^30,31. Es wurde auch gezeigt, dass die CSSR-Spektroskopie empfindlich ist, um Oszillationen im DP-Signal zu erkennen, die dem pulsierenden Blutfluss während des Herzzyklus entsprechen³².

Obwohl erhebliche Fortschritte erzielt wurden, bleiben praktische Herausforderungen bei der Implementierung der CSSR-Spektroskopie in klinischen MRT-Systemen bestehen. Scanzeiten, die ein Atemanhalten in einer Einzeldosis von fast 10 s erfordern, können bei pädiatrischen Probanden^33,34 oder Patienten mit schwerer Lungenerkrankung^35,36 zu lang sein. Darüber hinaus ist das Verfahren anfällig für Messverzerrungen, wenn Erfassungsparameter wie die Reihenfolge der Sättigungsverzögerungszeiten oder die Wirksamkeit der Sättigung in der gelösten Phase nicht ordnungsgemäß optimiert sind²¹. Um diese Einschränkungen zu überwinden und die CSSR für die breitere Forschungsgemeinschaft zugänglicher zu machen, sind klare, schrittweise Protokolle sowohl für das konventionelle Atemanhalten als auch für die Erfassung der freien Atmung erforderlich, die sich derzeit in der Entwicklung befinden.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine detaillierte Methodik zur Durchführung einer optimierten CSSR-MR-Spektroskopie mit HXe-Gas vorzustellen. Das Protokoll umfasst die Polarisation und Abgabe des Xenon-Gases, die Kalibrierung von HF-Impulsen, die Auswahl der Sequenzparameter, die Vorbereitung der Probanden, die Datenerfassung und die wichtigsten Schritte der Datenanalyse. Beispiele für experimentelle Ergebnisse werden zur Verfügung gestellt. Es ist zu hoffen, dass dieser umfassende Leitfaden als Grundlage für CSSR-Implementierungen an verschiedenen Standorten dienen und dazu beitragen wird, das volle Potenzial dieser Technik zur Quantifizierung mikrostruktureller Veränderungen der Lunge bei einer Reihe von Lungenerkrankungen auszuschöpfen.

Protocol

HINWEIS: Während die hier beschriebene hyperpolarisierte Xenon-129 CSSR-MRT-Spektroskopietechnik häufig für die Bildgebung von Tieren und Menschen verwendet wird, bezieht sich das folgende Protokoll nur auf Studien am Menschen. Alle Bildgebungsprotokolle entsprachen den FDA-Grenzwerten für die spezifische Absorptionsrate (SAR) (4 W/kg) und wurden vom Institutional Review Board an der University of Pennsylvania genehmigt. Von jedem Probanden wurde eine Einverständniserklärung eingeholt. <st…

Representative Results

Abbildung 2 zeigt ein typisches Xenon-Spektrum, das in der menschlichen Lunge während eines Atemanhaltens nach der Inhalation von 500 ml Xenon-Dosis beobachtet wurde. Das Spektrum zeigt zwei unterschiedliche Regionen, die GP-Resonanz um 0 ppm und die DP-Region, die aus dem Membranpeak bei etwa 197 ppm und dem Peak der roten Blutkörperchen bei etwa 217 ppm besteht. Die relativen Spitzenamplituden hängen von einer Reihe von Faktoren ab, darunter die Form, Dauer und Mittenfrequenz des HF-Anr…

Discussion

Die HXe CSSR-MR-Spektroskopie ist eine leistungsfähige Technik zur Beurteilung verschiedener Lungenfunktionsmetriken, die mit einer anderen bestehenden diagnostischen Modalität in vivo nur schwer oder gar nicht quantifiziert werden könnten²⁴. Nichtsdestotrotz basieren die Erfassung und die anschließende Datenanalyse auf bestimmten Annahmen über physiologische Bedingungen und technische Parameter, die bei lebenden Probanden nie vollständig erreichbar sind. Diese Einschränkungen und …

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