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Acquisizione di immagini iperpolarizzate di risonanza magnetica 129Xe della ventilazione polmonare

Published: November 21, 2023 doi: 10.3791/65982
Automatic Translation
1, 1,2, 2, 2, 3, 1,2,4
1Department of Biomedical Engineering, University of Virginia, 2Department of Radiology and Medical Imaging, University of Virginia, 3Department of Medicine, University of Virginia, 4Department of Physics, University of Virginia

Summary

La risonanza magnetica iperpolarizzata 129Xe (MRI) è un metodo per studiare gli aspetti risolti a livello regionale della funzione polmonare. Questo lavoro presenta un flusso di lavoro standardizzato end-to-end per la risonanza magnetica iperpolarizzata a 129Xe della ventilazione polmonare, con particolare attenzione alla progettazione della sequenza di impulsi, alla preparazione della dose di 129Xe, al flusso di lavoro di scansione e alle migliori pratiche per il monitoraggio della sicurezza del soggetto.

Abstract

La risonanza magnetica iperpolarizzata 129Xe comprende una gamma unica di tecniche di imaging polmonare strutturale e funzionale. La standardizzazione delle tecniche tra i centri è sempre più importante, data la recente approvazione da parte della FDA del 129Xe come mezzo di contrasto per la risonanza magnetica e l'aumento dell'interesse per la risonanza magnetica con 129Xe tra le istituzioni cliniche e di ricerca. I membri del 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) hanno concordato le migliori pratiche per ciascuno degli aspetti chiave del flusso di lavoro della risonanza magnetica 129Xe e queste raccomandazioni sono riassunte in una recente pubblicazione. Questo lavoro fornisce informazioni pratiche per sviluppare un flusso di lavoro end-to-end per la raccolta di 129immagini Xe MR della ventilazione polmonare secondo le raccomandazioni Xe MRI CTC. Saranno discusse e dimostrate la preparazione e la somministrazione di 129Xe per gli studi RM, con argomenti specifici tra cui la scelta dei volumi di gas appropriati per interi studi e per le singole scansioni RM, la preparazione e la somministrazione di singole dosi di 129Xe e le migliori pratiche per monitorare la sicurezza del soggetto e la tollerabilità di 129Xe durante gli studi. Verranno inoltre trattate le principali considerazioni tecniche sulla risonanza magnetica, compresi i tipi di sequenza di impulsi e i parametri ottimizzati, la calibrazione dell'angolo di capovolgimento e della frequenza centrale di 129Xe e l'analisi delle immagini di ventilazione della risonanza magnetica 129Xe.

Introduction

La risonanza magnetica iperpolarizzata 129Xe è uno strumento interessante per la caratterizzazione e la quantificazione non invasiva e spazialmente risolta di aspetti specifici della funzione polmonare 1,2,3. Approcci di acquisizione e ricostruzione simili a quelli utilizzati nella risonanza magnetica protonica anatomica forniscono immagini di 129Xe inalato nei polmoni, consentendo la visualizzazione delle regioni polmonari non ventilate e la quantificazione risolta della distribuzione della ventilazione 4,5,6,7,8 . Sequenze di impulsi più avanzate e tecniche di analisi forniscono ulteriori informazioni complementari, tra cui la quantificazione dell'efficacia dello scambio gassoso tra alveoli e capillari polmonari tramite risonanza magnetica spettroscopica 9,10,11,12,13 e caratterizzazione dell'integrità della microstruttura alveolare tramite risonanza magnetica pesata in diffusione 14,15,16.

L'inalazione di 129Xe si è dimostrata sicura e tollerabile in soggetti adulti e pediatrici, compresi quelli con malattia polmonare17,18. Le misurazioni della funzione polmonare derivate dalla risonanza magnetica 129Xe hanno mostrato sensibilità alle alterazioni strutturali e funzionali in molti contesti di malattie polmonari, tra cui la broncopneumopatia cronicaostruttiva 6,10,19, la fibrosi cistica 20,21,22, la fibrosi polmonare idiopatica 23,24,25 e l'asma 7,10,26. Data l'elevata sicurezza e tollerabilità della risonanza magnetica a 129Xe, la mancanza di radiazioni ionizzanti nella risonanza magnetica rispetto ad altri approcci di imaging comuni e l'elevata riproducibilità dei risultati della risonanza magnetica a 129Xe27,28, la risonanza magnetica a 129Xe è molto promettente, in particolare per il monitoraggio seriale preciso di individui che ricevono un corso temporale di terapia per la broncopneumopatia cronica.

La sicurezza e la promessa clinica della risonanza magnetica 129Xe hanno portato all'approvazione della FDA nel dicembre 2022 per l'imaging della ventilazione polmonare in persone di età pari o superiore a29 anni. Alla luce di ciò, si prevede che il numero di siti di ricerca e clinici in grado di eseguire 129Xe MRI (attualmente ~20 in tutto il mondo) aumenterà in modo significativo nei prossimi anni. Man mano che la risonanza magnetica 129Xe si diffonde in nuove istituzioni, è importante che esistano solide risorse metodologiche per consentire ai centri di costruire rapidamente tecniche di risonanza magnetica 129Xe clinicamente rilevanti e di eseguire scansioni e generare risultati strettamente comparabili con quelli dei siti esistenti.

In questo lavoro, delineeremo le attuali migliori pratiche per la risonanza magnetica iperpolarizzata umana 129Xe della ventilazione polmonare, come concordato dalle istituzioni membri del 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) e riassunto in un recente documento di posizione30. Gli argomenti includeranno la preparazione di sequenze di impulsi su misura ideali per un flusso di lavoro completo di risonanza magnetica 129Xe, la preparazione e la somministrazione di gas 129Xe iperpolarizzato, un flusso di lavoro ottimizzato per le sessioni di risonanza magnetica umana 129Xe e le migliori pratiche per monitorare la sicurezza e il comfort del soggetto durante le sessioni di risonanza magnetica.

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Protocol

Tutte le ricerche che coinvolgono soggetti umani devono essere approvate da un comitato di revisione istituzionale (IRB). Il coinvolgimento dell'IRB non è necessario per l'uso clinico approvato dalle autorità regolatorie della risonanza magnetica 129Xe. Prima di partecipare a uno studio di ricerca, ai potenziali soggetti deve essere fornito un documento di consenso informato approvato. La persona che ottiene il consenso deve spiegare il contenuto del documento, compreso lo scopo, le procedure, i benefici e i rischi dello studio, deve rispondere a qualsiasi domanda e deve ottenere il consenso del soggetto per procedere con lo studio come documentato dalla firma del soggetto sul documento di consenso informato. Nel caso di soggetti pediatrici o di altre circostanze particolari, devono essere seguite pratiche approvate per ottenere il consenso. Il protocollo descritto di seguito segue le linee guida dell'IRB dell'Università della Virginia, e i soggetti del caso di esempio in questo manoscritto hanno firmato i moduli di consenso approvati dall'IRB dell'Università della Virginia (IRB 13647, 16215, 16885, 19569).

1. Preparazione dell'hardware e delle sequenze di impulsi per la risonanza magnetica 129Xe

NOTA: I passaggi del protocollo descritti al punto 1 devono essere eseguiti prima di eseguire la scansione di soggetti umani. Non è necessario ripeterli per ogni argomento.

  1. Verificare che lo scanner MRI sia in grado di funzionare multinucleare, incluso 129Xe.
  2. Verificare che la bobina a radiofrequenza (RF) 129Xe possa essere collegata allo scanner MRI, utilizzando una scatola di interfaccia bobina-scanner appositamente costruita, se necessario.
  3. Verificare che sia installato un software adatto (spesso chiamato file della bobina) per l'interfacciamento della bobina 129Xe RF allo scanner MRI, se richiesto dal produttore dello scanner.
  4. Preparare le sequenze di impulsi per l'imaging a 129Xe e 1H come descritto di seguito.
    1. Per la calibrazione di 129Xe, preparare una sequenza spettroscopica non localizzata comprendente una serie di decadimenti a induzione libera (FID) utilizzando i parametri della sequenza di impulsi forniti nella Tabella 1.
      NOTA: I FID acquisiti a ~218 ppm (frequenza di fase disciolta) sono utilizzati principalmente per determinare i parametri per la risonanza magnetica 129Xe in fase disciolta, che non è trattata nel presente lavoro. Tuttavia, questi parametri sono forniti in modo da poter sviluppare una singola calibrazione standardizzata 129Xe che è sufficiente per scansioni MRI 129Xe di qualsiasi tipo. Inoltre, si noti che una scansione di calibrazione separata potrebbe non essere necessaria per gli studi che coinvolgono solo l'imaging di ventilazione 129Xe una volta che il sito ha acquisito un'esperienza sufficiente. La frequenza operativa di 129Xe può essere stimata con precisione scalando la frequenza di 1H determinata dallo scanner in base al rapporto tra i rapporti giromagnetici di 129Xe e 1 H e la calibrazione del trasmettitore può essere stimata in base all'esperienza accumulata e al peso del soggetto.
    2. Per la risonanza magnetica con ventilazione 129Xe, preparare una sequenza bidimensionale (2D) di gradiente-eco rovinata da RF utilizzando i parametri della sequenza di impulsi forniti nella Tabella 2. Assicurarsi che 129Xe sia selezionato come nucleo di destinazione.
    3. Per la risonanza magnetica anatomica convenzionale a 1H, preparare una sequenza turbo/veloce spin-echo a colpo singolo o una sequenza gradient-echo viziata da RF utilizzando i parametri forniti nella Tabella 2.
      NOTA: Per la ventilazione 129Xe e le sequenze anatomiche 1H, il FOV e il numero di fette sono specifici del soggetto. Scegliere questi parametri all'inizio della sessione di scansione in modo tale da garantire una copertura completa dei polmoni in tutte e tre le dimensioni.
      1. Abilita il sovracampionamento di fase per mitigare il potenziale aliasing dei bracci nel campo visivo di imaging.
      2. Le limitazioni del fornitore dello scanner MRI possono impedire il funzionamento della sequenza turbo/eco spin-echo a colpo singolo alla risoluzione grossolana in piano suggerita (4 mm x 4 mm). In questo caso, utilizzare una risoluzione che sia un fattore intero della risoluzione desiderata (ad esempio, 2 mm x 2 mm).
        NOTA: In alternativa, la scansione anatomica di 1ora può essere acquisita utilizzando una sequenza di eco gradiente 2D rovinata da RF. In questo caso, utilizzare gli stessi parametri dei parametri di scansione della ventilazione indicati nella Tabella 2 , ma abilitare il sovracampionamento di fase per evitare l'aliasing dei bracci nel campo visivo di imaging.
  5. Verificare il funzionamento della bobina RF e delle sequenze di impulsi sopra descritte eseguendo scansioni di un phantom 129Xe31 polarizzato termicamente per scansioni 129Xe e di un phantom1 H perscansioni 1 H.

Parametro Taratura
TR 15 millimetri
TE 0,45 ms (3 T), 0,8 ms (1,5 T)
Impulso RF sinc finestrato
Durata RF 0,65-0,69 ms (3 T), 1,15-1,25 ms (1,5 T)
Angolo di capovolgimento 20°
Frequenza RF 218 ppm (fase disciolta), 0 ppm (fase gassosa)
Tempo di permanenza 39 μs
Larghezza di banda 25,6 kHz
No. di campioni 256 (escluso il sovracampionamento, se utilizzato)
Durata della lettura 10 millimetri
Numero di FID 1 rumore (senza RF), 499 a frequenza in fase disciolta, 20 a frequenza in fase gassosa.
Rovinare il gradiente momento di almeno 15 mT/m-ms (ciascun asse, dopo ogni FID)
Durata ~8 secondi

Tabella 1: Parametri di sequenza degli impulsi consigliati per la calibrazione 129Xe. I parametri sono forniti per una sequenza di impulsi di calibrazione spettroscopica 129Xe non localizzata.

Parametro Ventilazione Anatomico
Tipo di sequenza Gradiente-eco rovinato da RF Turbo a colpo singolo/spin-echo veloce
TR <10 millimetri Infinito
TE <5 ms <50 millimetri
Spaziatura dell'eco N/A 3-5 ms
Angolo di inversione dell'eccitazione 8-12° 90°
Rimessa a fuoco dell'angolo di inversione N/A ≥90° (massimo consentito entro i limiti SAR)
Spessore fetta 15 millimetri 15 millimetri
Distanza tra le fette Nessuno Nessuno
Orientamento della sezione Coronale Coronale
Ordine delle sezioni Sequenziale (da anteriore a posteriore) Sequenziale (da anteriore a posteriore)
Ordine di codifica delle fasi Sequenziale (da sinistra a destra) Sequenziale (da sinistra a destra)
NEX 1 (sono consentiti fino a 7/8 di Fourier parziale) Mezzo Fourier
Eco asimmetrica Permesso N/A
Dimensione del voxel 4 x 4 x 15 millimetri3 4 x 4 x 15 millimetri3
Durata del campionamento per eco 5-7 millimetri 1-1,5 ms
Durata della scansione 8-12 secondi ≤16 secondi

Tabella 2: Parametri di sequenza degli impulsi consigliati per la ventilazione 129Xe e l'imaging anatomico 1H. I parametri sono forniti per una sequenza gradiente-eco veloce 2D viziata da RF per l'imaging di ventilazione a 129Xe (prima colonna) e una sequenza 2D single-shot turbo/veloce spin-echo per l'imaging anatomico a 1H (seconda colonna). Si noti che la scansione anatomica può essere acquisita in alternativa utilizzando una sequenza di eco gradiente 2D viziata da RF. In questo caso, utilizzare gli stessi parametri dei parametri di scansione della ventilazione forniti qui, ma aggiungere il sovracampionamento di fase se necessario per evitare l'aliasing dei bracci nel FOV di imaging. Si noti inoltre che il metodo specifico per specificare la larghezza di banda del ricevitore varia a seconda del produttore di scanner, ma che il valore corretto può essere calcolato per qualsiasi produttore di scanner dalla durata di campionamento specificata per eco.

2. Screening e preparazione dei candidati per la risonanza magnetica 129Xe

  1. Assicurarsi che non vi siano controindicazioni per la risonanza magnetica nel potenziale soggetto esaminandolo con un modulo di sicurezza RM. Il file supplementare 1 illustra un modulo di esempio utilizzato presso l'Università della Virginia.
  2. Assicurarsi che il potenziale soggetto non soddisfi alcun criterio di esclusione specifico per gli esami di risonanza magnetica 129Xe, che potrebbero includere, ma non sono limitati a: FEV1 previsto in percentuale inferiore al 25%, una condizione respiratoria scompensata nelle 6 settimane precedenti, circonferenza toracica maggiore della circonferenza interna della bobina RF 129Xe e storia di malattia cardiaca instabile.
    NOTA: Ulteriori criteri che non indicano un'esclusione immediata, ma che giustificano un'attenta considerazione individuale, includono: la necessità di un significativo supplemento di ossigeno al basale (cioè maggiore di 3 L/min con cannula nasale) e una storia di disturbo neurologico con anomalie basali.
  3. Se si esegue il test di diffusione polmonare (DLCO) o la spirometria durante la visita di imaging, istruire il soggetto a non ingerire bevande gassate il giorno della visita di studio. Se un soggetto utilizza farmaci respiratori prescritti, istruirlo a ritardare o astenersi dall'assumerlo se specificato dal protocollo dello studio.

3. Preparazione di dosi iperpolarizzate di 129Xe

NOTA: Le istruzioni dettagliate del polarizzatore 129Xe e della stazione di misurazione della polarizzazione sono proprietarie e specifiche per ciascun fornitore. Le istruzioni seguenti comprendono un riassunto di base per il funzionamento generale del polarizzatore 129Xe con pompaggio ottico a scambio di spin.

  1. Decidi un volume di dose per il soggetto. Comunemente, per tutti i soggetti viene scelto un volume di dose totale di 1 L e questo volume di dose totale è specificato nell'etichetta della FDA per la risonanza magnetica 129Xe. Tuttavia, le attuali raccomandazioni Xe MRI CTC30 suggeriscono che il volumetotale della dose (xeno più azoto o elio) dovrebbe mirare a 1/5 della capacità vitale forzata (FVC) del soggetto per garantire una quantità confortevole di gas da inalare per ciascun soggetto e per ridurre al minimo gli effetti legati alla differenza di volume polmonare tra i soggetti.
    1. Se sono disponibili risultati recenti di spirometria per il soggetto, utilizzarli per determinare 1/5 della FVC. Se i risultati della spirometria non sono disponibili, stimare la capacità polmonare totale (TLC) del soggetto in base all'altezza, al sesso e alla razza e stimare la dose totale come 1/6 della TLC.
  2. Decidi un volume di gas xeno da polarizzare.
    NOTA: I volumi target di xeno per ciascuna sacca dosatrice sono indicati come volumi di dose equivalenti (DE), che indicano concettualmente il volume equivalente del gas 129Xe arricchito al 100% e polarizzato al 100%. Concettualmente, il volume DE è direttamente proporzionale al rapporto segnale/rumore (SNR) previsto di una scansione 129Xe e il volume DE consigliato sarà più alto o più basso per alcuni tipi di scansione 129Xe in base all'SNR richiesto per quel tipo di scansione.
    1. Calcolare il volume di DE per una data dose di xeno come segue32:
      Equation 1
      dove VXe è il volume totale di gas xeno (tutti gli isotopi, non solo 129Xe) nella dose, f129Xe è l'arricchimento isotopico di 129Xe e P129Xe è la polarizzazione di 129Xe.
    2. Scegliere i volumi DE totali necessari per il set di 129scansioni Xe che verranno eseguite. I volumi DE consigliati per la calibrazione individuale e le scansioni di ventilazione sono 75-150 mL.
      NOTA: Per l'imaging di ventilazione, l'SNR deve essere sufficientemente alto da distinguere in modo affidabile tra voxel di immagini ventilati e non ventilati. Un volume DE di 50 mL è considerato il minimo assoluto per l'imaging di ventilazione30 per ottenere un SNR atteso di almeno 20. Per le scansioni di calibrazione, un volume DE fino a 25 mL può essere accettabile se viene calibrato solo il segnale in fase gassosa; è necessario utilizzare almeno 75 mL se si calibrano sia i segnali in fase gassosa che in fase disciolta.
  3. Utilizzare il volume totale di DE necessario, l'arricchimento isotropo noto di 129Xe del gas xeno e la polarizzazione stimata di 129Xe in base ai precedenti cicli di polarizzazione per calcolare il volume totale di gas xeno richiesto per la polarizzazione. Di seguito è riportato un esempio di calcolo per una scansione di ventilazione (volume DE = 75 mL), assumendo un arricchimento isotopico di 129Xe dell'85% e una polarizzazione del 20%32:
    Equation 2
    Eseguire questo calcolo per ogni dose di xeno per determinare il volume corretto di gas xeno polarizzato da erogare in ciascuna busta dosatrice.
    1. I soggetti con un basso indice di massa corporea (<21) hanno un rischio maggiore di effetti più profondi sul sistema nervoso centrale (SNC) dopo l'inalazione di 129Xe rispetto ad altri soggetti. Consultare un medico prima di eseguire l'imaging di soggetti con basso indice di massa corporea e prendere in considerazione la possibilità di ridurre al minimo i volumi di dose di 129Xe per evitare questi potenziali problemi.
  4. Preparare il polarizzatore 129Xe secondo tutte le istruzioni fornite dal fornitore del polarizzatore.
    1. I passaggi possono includere quanto segue, a seconda del fornitore del polarizzatore: assicurarsi che l'alimentazione della bobina di Helmholtz sia accesa; evacuare il collettore di uscita per eliminare eventuali impurità; impostare il dewar di azoto liquido intorno/sotto il dito freddo; accendere i laser e lasciarli riscaldare; attivare il flusso d'aria verso il forno, impostare il forno alla temperatura appropriata utilizzando il controller del forno e lasciare che il forno si riscaldi.
      ATTENZIONE: L'azoto liquido può causare gravi congelamenti se entra in contatto con la pelle, gli occhi o gli indumenti e la luce laser ad alta intensità può causare lesioni agli occhi se colpisce l'occhio senza protezione. Prestare la dovuta attenzione e indossare indumenti protettivi secondo necessità.
  5. Assicurarsi che la stazione di misurazione della polarizzazione 129Xe sia accesa e che il software sia pronto per misurare la polarizzazione della dose.
  6. Iniziare la raccolta di 129Xe iperpolarizzato eseguendo i seguenti passaggi.
    1. Avviare il flusso di azoto verso la giacca scaldadita fredda.
    2. Avviare il flusso della miscela di xeno verso il dito freddo. Fare riferimento alle curve delle prestazioni del polarizzatore nella documentazione del polarizzatore per scegliere la portata ottimale.
    3. Aggiungere azoto liquido al dewar che circonda il dito freddo.
    4. Registra l'ora di inizio della polarizzazione su una scheda tecnica per garantire un volume di polarizzazione accurato.
    5. Una volta avviata la raccolta, regolare i regolatori di flusso e forno per mantenere costante la portata e la temperatura e aggiungere azoto liquido secondo necessità per mantenere il dewar pieno.
  7. Durante l'accumulo di xeno, preparare le sacche dosatrici Tedlar per la raccolta della dose spurgando ed evacuando ripetutamente le sacche almeno 3 volte utilizzando il collettore di uscita del polarizzatore per ridurre al minimo le impurità e/o i gas depolarizzanti nelle sacche.
  8. Una volta trascorso il tempo appropriato per la raccolta del volume di 129Xe iperpolarizzato desiderato, terminare la raccolta di 129Xe iperpolarizzato come indicato nella documentazione del polarizzatore.
  9. Scongelare il 129Xe congelato che è precipitato nel dito freddo, come descritto di seguito.
    1. Collegare una sacca dosatrice 129Xe all'uscita allo xeno sul collettore di uscita.
    2. Rimuovere con cautela il dewar di azoto liquido e sostituirlo con un recipiente di scongelamento contenente acqua a temperatura ambiente.
    3. Durante lo scongelamento, monitorare continuamente la pressione, aprendo la valvola di flusso dal dito freddo all'uscita allo xeno una volta che la pressione raggiunge un valore di soglia indicato nella documentazione del polarizzatore e chiudendo rapidamente la valvola quando la pressione diminuisce.
    4. Continuare a erogare gas xeno sublimato nella sacca dosatrice in questo modo fino a raggiungere la quantità desiderata di xeno nella sacca dosatrice.
    5. Aggiungere il gas tampone (azoto o elio) in questo momento se non è stato aggiunto in precedenza al sacchetto.
    6. Una volta aggiunti tutti i gas xeno e tampone desiderati al sacchetto, chiudere rapidamente il morsetto di bloccaggio sul tubo del sacchetto, chiudere la valvola di uscita dello xeno e staccare il sacchetto per l'intera dose dal polarizzatore.
    7. Spostare immediatamente la sacca sul campo magnetico creato dalla coppia di bobine di Helmholtz della stazione di misurazione della polarizzazione 129Xe.
      ATTENZIONE: La pressione aumenterà rapidamente nel dito freddo mentre il gas xeno si riscalda e sublima, creando un potenziale rischio di esplosione se la pressione viene lasciata accumulare oltre i limiti di sicurezza. Seguire esattamente le istruzioni per questo passaggio fornite nella documentazione del polarizzatore e indossare una protezione per gli occhi durante l'esecuzione di questo passaggio.
  10. Misurare e registrare la polarizzazione in ciascuna sacca dosatrice presso la stazione di misurazione della polarizzazione 129Xe, secondo le istruzioni fornite dal fornitore della stazione di misurazione della polarizzazione.
  11. Una volta misurata la polarizzazione, tenere 129sacche di dose di Xe nel campo magnetico creato dalla coppia di bobine di Helmholtz della stazione di misurazione della polarizzazione fino a quando non si è pronti a somministrare una dose al soggetto.

4. Preparazione pre-scansione e coaching del soggetto

NOTA: Si raccomanda che se il soggetto riceve un esame completo che include un test del cammino di sei minuti, il cammino non dovrebbe aver luogo fino a quando non è stata completata la risonanza magnetica 129Xe per evitare di affaticare il soggetto in un modo che potrebbe potenzialmente influire sui risultati della risonanza magnetica 129Xe. Ciò è particolarmente rilevante per i pazienti con malattia cardiopolmonare.

  1. Confermare che il soggetto abbia eseguito correttamente tutte le istruzioni pre-visita come descritto al punto 2 e che non si siano verificati cambiamenti nella salute che soddisfino i criteri di esclusione dello studio o costituiscano una controindicazione alla risonanza magnetica da quando il soggetto è stato sottoposto a screening.
  2. Eseguire tutti gli esami fisici necessari sul soggetto, compreso un elettrocardiogramma (ECG); una raccolta di parametri vitali tra cui la temperatura corporea, la frequenza cardiaca, la frequenza respiratoria, la saturazione di ossigeno nel sangue (SpO2 ) e la pressione sanguigna; spirometria; e un test DLCO.
  3. Monitorare questi test per eventuali potenziali segnali di allarme, tra cui SpO2 bassa (<92%), pressione sanguigna elevata o deviazione significativa dei risultati del test da qualsiasi linea di base esistente per il soggetto.
    NOTA: Queste letture, in particolare SpO2 al basale, vengono controllate a causa dell'aspettativa che si verifichi una lieve desaturazione transitoria dell'ossigeno durante l'inalazione di 129Xe. Per i soggetti con SpO2 al basale <92% o altri segnali di allarme, consultare un medico per confermare l'idoneità del soggetto per il test MRI 129Xe e se utilizzare O2 supplementare tra le inalazioni di 129Xe.
  4. Istruire il soggetto nella corretta procedura di inalazione di 129Xe, come descritto di seguito.
    1. Preparare una o più sacche Tedlar contenenti aria per consentire al soggetto di esercitarsi al di fuori dello scanner. Utilizzare un volume d'aria che corrisponda al volume totale di xeno e gas tampone che verrà inalato dalla sacca durante lo studio effettivo.
    2. Preparare i fermanaso da far indossare al soggetto durante la scansione in apnea. Inserire le clip per il naso sul naso del soggetto prima dell'inizio delle apnee (sia per la pratica che per la scansione vera e propria).
    3. Allena il soggetto utilizzando una sacca riempita d'aria per ogni tentativo, seguendo le istruzioni riportate di seguito. Il soggetto deve iniziare a inalare la sacca da un volume target di capacità funzionale residua. Durante la procedura seguente, monitorare il torace del soggetto per confermare che stia eseguendo le istruzioni fornite.
      1. Tenere la sacca pronta, ma non somministrarla ancora al soggetto. Chiedi al soggetto di: Fai un'inspirazione regolare. Espirare. Fai un respiro regolare. Espirare.
      2. Posiziona il tubo attaccato alla borsa Tedlar nella bocca del soggetto. Tenere la sacca in un punto in cui il soggetto possa inalare e aprire la valvola. Chiedi al soggetto di: Inspirare. Inspirare. Inspirare.
      3. Una volta che il soggetto ha inalato l'intero contenuto della borsa, chiedigli di: Trattieni il respiro. Istruire immediatamente l'operatore dello scanner a: Vai!
        NOTA: Quando si esegue la scansione del soggetto, l'operatore dello scanner deve avviare la scansione quando si sente Go! Questa istruzione non è destinata al soggetto (ovvero, deve rimanere fermo e continuare a trattenere il respiro come indicato immediatamente prima) ma avvisa il soggetto che la scansione è imminente.
      4. Attendere il completamento della scansione o, durante la pratica, per un conteggio di 10-15 s, che è il tempo approssimativo necessario per far trascorrere una tipica scansione 129Xe.
      5. Chiedi al soggetto di: Respira. A questo punto il soggetto espira. A questo punto, allena il soggetto a fare diversi respiri profondi inspirando ed espirando per facilitare una più rapida eliminazione di 129Xe dai polmoni e un ritorno più rapido ai normali livelli di saturazione di ossigeno.
      6. Verificare che il soggetto sia in grado di eseguire queste istruzioni in modo affidabile. Prendere in considerazione l'esclusione di soggetti che non sono in grado di inalare l'intero volume di gas, che non sono in grado di mantenere l'apnea o che tossiscono in modo persistente durante i tentativi di apnea durante il test.
        NOTA: L'esito di questo test è fondamentale per determinare la probabile qualità dell'imaging. Questo controllo per la compliance affidabile del soggetto è particolarmente importante nei contesti dell'imaging pediatrico e dell'imaging di malattie polmonari gravi, poiché i soggetti di una o entrambe queste categorie hanno maggiori probabilità di avere difficoltà a completare in modo affidabile l'apnea richiesta.

5. Preparazione della sala scanner MRI e posizionamento del soggetto sul tavolo paziente dello scanner

  1. Assicurarsi che chiunque entri o possa entrare nella sala dello scanner MRI (soggetto e personale) rimuova tutti gli oggetti metallici e/o elettronici dalle proprie tasche e dalla propria persona prima di entrare nella stanza dello scanner.
  2. Preparare la bobina del giubbotto 129Xe collegandola allo scanner e posizionandola sul tavolo del paziente dello scanner MRI.
  3. Istruire il soggetto a sdraiarsi sul lettino del paziente in posizione supina con i piedi all'interno dell'area (o con la testa supina, se più adatta alla disposizione della sala scanner). Posizionare dei cuscini sotto la testa, le ginocchia, ecc. del soggetto, in consultazione con il soggetto per assicurarsi che il soggetto possa stare comodamente sdraiato fermo durante l'esame.
  4. Fissare la bobina del giubbotto 129Xe attorno al petto del soggetto. Puntare a far sì che la linea mediana della bobina nella direzione testa-piede si trovi il più vicino possibile alla linea mediana prevista dei polmoni del soggetto a un livello di gonfiaggio polmonare confortevole per evitare riduzioni del segnale alla periferia dei polmoni.
    NOTA: È un errore comune posizionare la bobina troppo lontano in direzione dei piedi del soggetto. Posizionare la bobina come indicato sopra può spingere la bobina più verso la testa del soggetto di quanto ci si potrebbe ingenuamente aspettare. Inoltre, potrebbe essere necessario posizionare le braccia del soggetto sopra la testa e all'esterno della bobina se il diametro toracico del soggetto lo richiede. Il diametro specifico del torace al di sopra del quale è richiesto questo posizionamento varia a seconda dello scanner specifico e dell'hardware della bobina. Per i soggetti più piccoli, le braccia possono essere posizionate sopra la testa e all'esterno della bobina o ai lati e all'interno della bobina.
  5. Posizionare un pulsossimetro sicuro per la risonanza magnetica accanto al tavolo del paziente nella sala scanner MRI e collegare la sonda del pulsossimetro al soggetto. Verificare che il pulsossimetro stia leggendo correttamente.
  6. Posizionare una cannula nasale nel naso del soggetto (o, per un soggetto sano, tenerne una in attesa nella stanza dello scanner) e collegarla a una fonte di ossigeno da utilizzare se la SpO2 del soggetto scende di oltre il 10% per più di 2 minuti dopo l'inalazione della dose. Posizionare la bombola di ossigeno e il regolatore in modo sicuro per la risonanza magnetica in base alla politica di sicurezza locale a una distanza raggiungibile.
  7. Far avanzare il lettino del paziente nello scanner MRI, allineando la linea mediana dei polmoni della bobina/soggetto all'isocentro dello scanner.

6. Procedura di scansione

  1. Nell'interfaccia utente dello scanner MRI, inserire i dati del soggetto e aprire il protocollo MRI 129Xe precedentemente preparato (come descritto al punto 1).
  2. Assicurarsi che siano state preparate 129dosi di Xe come descritto al punto 3 e che 129sacche di dosi di Xe si trovino nel campo magnetico generato dalla coppia di bobine di Helmholtz della stazione di misurazione della polarizzazione (o in un dispositivo equivalente) per ridurre al minimo il tasso di depolarizzazione di 129Xe.
  3. Eseguire una scansione del localizzatore di 1ora utilizzando un protocollo standard fornito dal fornitore (ad esempio, un localizzatore a tre piani) come descritto di seguito.
    1. Chiedi al soggetto di inspirare in modo confortevole e naturale e di trattenere il respiro. Mentre il soggetto trattiene il respiro, eseguire la scansione del localizzatore.
    2. Visualizzare i risultati della scansione del localizzatore sull'interfaccia dello scanner MRI. Se le immagini mostrano artefatti (ad esempio, se gli indumenti contenenti metallo non sono stati rimossi), risolvi eventuali problemi e ripeti il localizzatore. Se il campo visivo del localizzatore è scarsamente centrato sul soggetto, riposiziona il soggetto e ripeti. Una volta ottenute le immagini del localizzatore accettabili, procedere al passaggio successivo.
  4. Eseguire le regolazioni iniziali di pre-scansione per le scansioni 129Xe come descritto di seguito.
    1. Impostare la frequenza centrale iniziale di 129Xe dividendo la frequenza centrale di 1H dal localizzatore per 3,61529 (il rapporto approssimativo dei rispettivi rapporti giromagnetici di 1H e 129Xe).
    2. Impostare l'impostazione iniziale del trasmettitore 129Xe in base ai risultati della calibrazione di soggetti precedenti con habitus corporeo simile, alla scala in base alla tensione di riferimento di 1H o al peso misurato del soggetto. I dettagli delle impostazioni del trasmettitore 129Xe sono specifici per i produttori dello scanner e della bobina 129Xe.
    3. Utilizzare le impostazioni di spessore predefinite dello scanner per tutte le 129acquisizioni Xe.
  5. Dopo aver eseguito le regolazioni pre-scansione sopra descritte, acquisire la scansione di calibrazione 129Xe per trovare la frequenza centrale 129Xe e le impostazioni del trasmettitore come descritto di seguito.
    1. Caricare la sequenza di calibrazione 129Xe dal protocollo preparato. Assicurarsi che tutti i parametri della sequenza di impulsi siano quelli desiderati e impostare l'impostazione di esecuzione della scansione in modo che la scansione possa essere eseguita con un solo clic.
    2. Portare la sacca della dose 129Xe destinata alla scansione di calibrazione 129Xe dalla stazione di misurazione della polarizzazione nella sala scanner. Tenere o posizionare la bustina dosatrice a portata di mano vicino al soggetto; Evitare le regioni vicine all'apertura del foro in cui l'intensità del campo magnetico cambia rapidamente.
    3. Assistere il soggetto nell'inalazione della dose di 129Xe dalla sacca, seguendo la procedura di inalazione descritta al punto 4.
    4. Eseguire la scansione immediatamente dopo aver ascoltato Go! segnalato dall'individuo che assiste il soggetto.
    5. Monitorare il soggetto mentre la scansione procede. Se il soggetto espira visibilmente, tossisce, si muove, ecc., ripetere la scansione se possibile.
    6. Non appena la scansione termina, istruire il soggetto a espirare e respirare liberamente.
    7. Dopo la scansione, monitorare la frequenza cardiaca e la SpO2 del soggetto utilizzando il pulsossimetro e monitorare gli effetti transitori del sistema nervoso centrale (come vertigini, stordimento, euforia e parestesia) tramite la comunicazione verbale con il soggetto.
      NOTA: Quasi tutti i soggetti sperimenteranno effetti molto lievi sul SNC che non richiedono alcun intervento, ad eccezione dei soggetti con basso contenuto di grasso corporeo, come indicato al punto 3.2.
    8. Attendere che eventuali deviazioni dal basale si dissolvano prima di somministrare un'altra dose di 129Xe. Se non si verificano deviazioni significative dal basale, attendere almeno 2 minuti prima di somministrare un'altra dose di 129Xe.
      NOTA: Un tipico decorso temporale della desaturazione e del recupero dell'ossigeno è il seguente: la desaturazione inizia 10-20 battiti cardiaci dopo aver completato l'inalazione di 129Xe, il nadir si verifica 20-30 battiti cardiaci dopo aver completato l'inalazione e il recupero si verifica entro 45-50 battiti cardiaci dopo aver completato l'inalazione. La maggior parte della desaturazione si risolve entro 30 secondi dall'inalazione di 129Xe e in genere ci si dovrebbe aspettare che si risolva completamente entro 2 minuti. Consultare un medico se la desaturazione persistente (superiore al 10% del basale del soggetto) continua oltre i 2 minuti, poiché potrebbe essere consigliabile evitare di somministrare ulteriori dosi di 129Xe e/o terminare lo studio.
  6. Eseguire l'analisi di calibrazione 129Xe come descritto di seguito (ad esempio, utilizzando uno strumento di analisi autonomo).
    1. Determinare la frequenza centrale 129Xe utilizzando lo spettro dei primi FID in fase gassosa.
    2. Determinare la regolazione del trasmettitore 129Xe come descritto di seguito.
      1. Adattare le intensità di picco dei 20 FID in fase gassosa alla seguente funzione30 e risolvere l'angolo di inversione, α:
        Equation 3
        dove Si è l'entità dell'intensità del segnale risultante dall'i-esima eccitazione, S0 è l'entità dell'intensità del segnale dalla prima eccitazione e C è un parametro di offset del rumore.
      2. Una volta ottenuto α , ridimensionare l'impostazione iniziale del trasmettitore 129Xe per le scansioni successive di 20°/α, supponendo che sia stato utilizzato 20° come angolo di inversione di calibrazione previsto, come raccomandato nella Tabella 1.
  7. Una volta effettuate le regolazioni finali della pre-scansione 129Xe e il soggetto è pronto per la dose successiva di 129Xe, eseguire la scansione della ventilazione 129Xe come descritto di seguito.
    1. Caricare la sequenza di ventilazione 129Xe dal protocollo preparato. Assicurarsi che tutti i parametri della sequenza di impulsi siano quelli desiderati e impostare l'impostazione di esecuzione della scansione in modo che la scansione inizi immediatamente dopo un singolo clic.
    2. Selezionare le dimensioni del campo visivo e la posizione centrale in base ai risultati del localizzatore. Fate in modo che il centro del campo visivo coincida con il centro dei polmoni in tutte e tre le dimensioni e che il campo visivo sia abbastanza grande da contenere comodamente l'intera cavità toracica, compresa la totalità di entrambi i polmoni.
    3. Portare la sacca dosatrice 129Xe destinata alla scansione di ventilazione 129Xe dalla stazione di misurazione della polarizzazione nella sala scanner. Tenere o posizionare la bustina dosatrice a portata di mano vicino al soggetto; Evitare le regioni vicine all'apertura del foro in cui l'intensità del campo magnetico cambia rapidamente.
    4. Assistere il soggetto nell'inalazione della dose di 129Xe dalla sacca, seguendo la procedura di inalazione descritta al punto 4.
    5. Eseguire la scansione immediatamente dopo aver ascoltato Go! segnalato dall'individuo che assiste il soggetto.
    6. Monitorare il soggetto mentre la scansione procede. Se il soggetto espira visibilmente, tossisce, si muove, ecc., ripetere la scansione se possibile.
    7. Non appena la scansione termina, istruire il soggetto a espirare e respirare liberamente.
    8. Dopo la scansione, monitorare la frequenza cardiaca e la SpO2 del soggetto utilizzando il pulsossimetro e monitorare gli effetti transitori del sistema nervoso centrale (come vertigini, stordimento, euforia e parestesia) tramite la comunicazione verbale con il soggetto.
    9. Attendere che eventuali deviazioni dal basale si dissolvano prima di somministrare un'altra dose di 129Xe. Se non si verificano deviazioni significative dal basale, attendere almeno 2 minuti prima di somministrare un'altra dose di 129Xe.
  8. Eseguire la scansione anatomica di 1ora come descritto di seguito.
    1. Caricare la sequenza anatomica di 1H dal protocollo preparato. Assicurarsi che tutti i parametri della sequenza di impulsi siano quelli desiderati e impostare l'impostazione di esecuzione della scansione in modo che la scansione possa essere eseguita con un solo clic.
    2. Portare la sacca dosatrice piena d'aria e abbinata al volume della sacca dosatrice utilizzata per la scansione di ventilazione 129Xe nella stanza dello scanner.
    3. Assistere il soggetto nell'inalazione della dose d'aria dalla sacca, seguendo la procedura di inalazione descritta al punto 4.
    4. Eseguire la scansione immediatamente dopo aver ascoltato Go! segnalato dall'individuo che assiste il soggetto.
    5. Monitorare il soggetto mentre la scansione procede. Se il soggetto espira visibilmente, tossisce, si muove, ecc., ripetere la scansione se possibile.
    6. Non appena la scansione termina, istruire il soggetto a espirare e respirare liberamente.

7. Procedure post-scansione

  1. Effettuare le misurazioni dei parametri vitali del soggetto nello stesso modo in cui lo si faceva prima della procedura di scansione. Se alcuni parametri vitali diventano anormali, istruire il soggetto ad attendere 30-60 minuti e/o fino a quando i parametri vitali non tornano quasi alla linea di base prima di partire.

8. Analisi dei dati di ventilazione di 129Xe MRI

NOTA: Le immagini di ventilazione 129Xe e anatomiche 1H acquisite devono essere ricostruite automaticamente sul computer scanner MRI utilizzando la pipeline di ricostruzione delle immagini predefinita del fornitore.

  1. Esporta le scansioni di ventilazione 129Xe e 1H anatomiche come file di immagine DICOM utilizzando il livello minimo di interpolazione consentito (idealmente nessuna).
  2. Calcolare la percentuale di difetto di ventilazione (VDP) con un software di programmazione o di analisi delle immagini utilizzando la seguente equazione8:
    Equation 4
    1. Determinare il volume ventilato segmentando le scansioni di ventilazione 129Xe, manualmente o utilizzando uno dei numerosi approcci automatizzati esistenti33.
      NOTA: Un metodo semplice per la segmentazione binaria di 129immagini Xe utilizza una soglia definita come segue8:
      Equation 5
      dove "Segnale medio" è la media dell'intensità del segnale 129Xe all'interno di una regione di interesse definita dall'utente del forte segnale 129Xe all'interno dei polmoni e "SD(Rumore)" è la deviazione standard dell'intensità del segnale 129Xe all'interno di una regione vicino al bordo del campo visivo situato lontano dai polmoni o dalla trachea.
    2. Determinare il volume polmonare totale segmentando le scansioni anatomiche di 1H, manualmente o utilizzando gli approcci automatizzati esistenti34.
    3. Una volta eseguite queste segmentazioni, calcola i volumi corrispondenti come il numero di voxel segmentati moltiplicato per il volume del voxel dell'immagine (tenendo conto di qualsiasi interpolazione eseguita durante la conversione delle immagini in file DICOM).

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Representative Results

La Figura 1 mostra le immagini rappresentative della ventilazione e del localizzatore a tre piani di un individuo sano. Nelle immagini di ventilazione si può osservare un elevato segnale di 129Xe in tutti i polmoni e in questo individuo non è evidente alcuna compromissione della ventilazione.

La Figura 2, la Figura 3 e la Figura 4 mostrano immagini rappresentative della ventilazione e anatomiche di individui malati. La Figura 2 mostra un individuo con deficit di alfa-1 antitripsina, in cui una grave compromissione della ventilazione può essere facilmente rilevata osservando l'aspetto irregolare delle 129immagini Xe. Allo stesso modo, una grave compromissione della ventilazione può essere vista nella Figura 3, che raffigura un individuo con grave fibrosi cistica. La Figura 4 mostra un individuo con broncopneumopatia cronica ostruttiva, in cui si possono notare difetti di ventilazione più sottili utilizzando le 129immagini Xe.

La Figura 5 mostra le immagini di ventilazione di uno studio che è stato eseguito inconsapevolmente utilizzando una bobina di giubbotto 129Xe con un cavo danneggiato. Uno dei due polmoni mostra un SNR molto più basso dell'altro e un rollio di intensità, con entrambi questi fenomeni particolarmente evidenti nelle fette posteriori. La Figura 6 mostra le immagini di ventilazione di uno studio eseguito con la bobina del giubbotto 129Xe posizionata troppo lontano dai piedi del soggetto. Un segnale di 129Xe artificialmente basso è stato osservato in entrambi gli apici polmonari a causa della mancanza di sensibilità del ricevitore.

La Figura 7 mostra le immagini anatomiche e di ventilazione rappresentative di un individuo con diagnosi di BPCO, insieme a mappe di ventilazione binarizzate calcolate utilizzando il semplice metodo descritto nel passaggio 8 del protocollo. Difetti di ventilazione diffusi sono evidenti in questo individuo, tra cui la perdita quasi completa di ventilazione nel lobo superiore del polmone sinistro, e la VDP calcolata per questo individuo è del 52%. Mentre la procedura di analisi categorizza in modo appropriato le regioni con segnale 129Xe chiaramente alto o basso, le regioni dell'immagine parzialmente ventilate (o regioni con effetto di volume parziale, in cui una data sezione si estende sia su regioni ventilate che non ventilate lungo la direzione di selezione della fetta) sono più difficili da caratterizzare. In questo caso, la procedura di analisi tende a caratterizzare queste regioni come non ventilate. Questo esempio sottolinea l'utilità delle procedure di analisi che classificano la ventilazione in più di due categorie. Lo sviluppo, il collaudo e il confronto di tali procedure di analisi è un importante sforzo in corso nel campo della 129Xe MRI 30,33.

Figure 1
Figura 1: Immagini rappresentative di un individuo sano. (A) Ventilazione e (B) immagini localizzatrici a tre piani di una donna sana di 22 anni di 117 libbre. In questo individuo non è possibile rilevare prontamente disturbi della ventilazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Immagini rappresentative di un individuo con deficit di alfa-1-antitripsina. (A) Ventilazione e (B) immagini anatomiche di una donna di 60 anni di 144 libbre con deficit diagnosticato di alfa-1 antitripsina. Gravi disturbi della ventilazione sono evidenti in questo individuo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Immagini rappresentative di un individuo con fibrosi cistica grave. (A) Ventilazione e (B) immagini anatomiche di un maschio di 18 anni di 132 libbre con diagnosi di grave fibrosi cistica. Gravi disturbi della ventilazione sono evidenti in questo individuo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Immagini rappresentative di un individuo con broncopneumopatia cronica ostruttiva. (A) Ventilazione e (B) immagini anatomiche di una donna di 56 anni di 110 libbre con broncopneumopatia cronica ostruttiva diagnosticata. In questo individuo possono essere rilevati lievi difetti di ventilazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Immagini rappresentative eseguite utilizzando una bobina difettosa del giubbotto 129Xe. (A) Ventilazione e (B) immagini anatomiche di una donna di 20 anni di 136 libbre con diagnosi di fibrosi cistica da una scansione che è stata eseguita inconsapevolmente utilizzando una bobina di giubbotto 129Xe con un cavo danneggiato. Il polmone destro (a sinistra quando le immagini appaiono sulla pagina) mostra un rapporto segnale/rumore (SNR) inferiore rispetto al polmone sinistro (a destra quando le immagini appaiono sulla pagina) e anche il polmone destro mostra un rollio di notevole intensità, con un SNR più elevato nelle fette anteriori rispetto a quelle posteriori e un SNR più alto verso il bordo mediale del polmone rispetto al bordo laterale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Immagini rappresentative in cui la bobina è stata posizionata troppo in direzione inferiore. (A) Ventilazione e (B) immagini anatomiche di un maschio di 6 anni di 46 libbre con diagnosi di fibrosi cistica lieve, scansionate con la bobina del giubbotto 129Xe posizionata troppo in direzione inferiore. Il segnale misurato negli apici polmonari è artificialmente basso a causa della conseguente mancanza di sensibilità del ricevitore negli apici polmonari. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Analisi rappresentativa della ventilazione utilizzando 129immagini Xe MR. (A) Immagini anatomiche e (B) di ventilazione di un maschio di 84 anni di 188 libbre con broncopneumopatia cronica ostruttiva diagnosticata, con (C) mappe di ventilazione calcolate utilizzando la semplice procedura di analisi binaria descritta nella fase 8 del protocollo. Le aree ventilate del polmone sono mostrate in ciano, mentre le aree non ventilate del polmone sono mostrate in magenta. In questo individuo possono essere rilevati gravi difetti di ventilazione, tra cui la perdita quasi completa di ventilazione nel lobo superiore del polmone sinistro. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

File supplementare 1: Esempio di modulo di sicurezza RM . Questo modulo viene utilizzato presso l'Università della Virginia per valutare la sicurezza della RM del soggetto. Fare clic qui per scaricare il file.

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Discussion

Gli approcci di ventilazione e risonanza magnetica anatomica sopra descritti sono progettati per massimizzare la qualità dell'immagine e l'SNR mantenendo la semplicità di implementazione: questi protocolli di sequenza possono in generale essere adattati dalle sequenze di impulsi dei prodotti del fornitore, a condizione che il funzionamento multinucleare sia abilitato e che le immagini vengano ricostruite automaticamente sul computer dello scanner. Uno svantaggio degli approcci 2D qui descritti è l'uso di impulsi RF di eccitazione selettiva per fette, che introduce differenze di segnale tra le fette raccolte prima nell'acquisizione della ventilazione 129Xe rispetto a un secondo momento a causa del rilassamento T1 del 129Xe iperpolarizzato inalato durante la scansione. Un altro svantaggio della procedura qui descritta è che la scansione di ventilazione 129Xe e la corrispondente scansione anatomica di 1ora vengono acquisite in diverse soste apnee, introducendo eventualmente variazioni nel livello di gonfiaggio polmonare o nella posizione tra la ventilazione e le scansioni anatomiche.

Gli approcci per l'imaging della ventilazione 3D e per l'imaging in apnea singola di 129Xe e 1H sono diventati sempre più comuni. Gli approcci di imaging 3D consentono la ricostruzione di voxel isotropi (al contrario dei voxel non isotropi con risoluzione più grossolana lungo la direzione della fetta richiesta dall'imaging 2D selettivo per la sezione) ed evitano la potenziale variazione del segnale 129Xe guidato da T1 da una sezione alla successiva35,36. Quando si utilizzano le traiettorie cartesiane dello spazio k, l'imaging 3D con risoluzione isotropa richiede tempi di scansione più lunghi rispetto all'imaging 2D dello stesso volume. Pertanto, per l'imaging 3D viene spesso utilizzato un campionamento k-space non cartesiano più efficiente in termini di tempo. L'efficienza temporale molto maggiore offerta dal campionamento non cartesiano può anche consentire l'acquisizione delle immagini 129Xe e 1H nella stessa apnea37. Questi approcci avanzati rimangono più difficili da implementare e standardizzare in tutti i siti a causa della necessaria programmazione della sequenza di impulsi e delle tecniche di ricostruzione avanzate. Tuttavia, man mano che diventa disponibile il supporto del fornitore per le sequenze di impulsi con lettura non cartesiana, questi approcci più avanzati possono diventare comuni e standardizzati in tutti i siti.

La procedura di analisi della ventilazione presentata nella fase 8 del protocollo è un metodo semplice che può essere facilmente implementato e interpretato, in quanto restituisce una risposta binaria difetto/assenza di difetto per ogni voxel polmonare segmentato e compila questi risultati in un singolo numero VDP per l'individuo scansionato. Sebbene questo approccio sia un punto di partenza ragionevole per l'analisi della ventilazione, la binarizzazione a livello di voxel non può caratterizzare completamente l'eterogeneità della ventilazione. Sono stati sviluppati e testati approcci più complessi alla categorizzazione della ventilazione, attualmente in uso presso alcuni istituti di ricerca33. In generale, questi approcci cercano di caratterizzare la ventilazione voxel-wise al di là della semplice ventilazione e non ventilata, includendo altre categorie, come l'iperventilazione e la ventilazione parziale, con l'obiettivo di produrre letture più descrittive e significative rispetto alla VDP binaria. I metodi di categorizzazione specifici includono il binning lineare delle intensità voxel normalizzate utilizzando gli istogrammi4; classificazione dell'intensità dei voxel utilizzando k-means 38, fuzzy c-means 39,40 e modellazione di miscela gaussiana41; e l'addestramento di reti neurali convoluzionali profonde su immagini di ventilazione di gas iperpolarizzatiesistenti 33,34. La quantificazione della ventilazione mediante risonanza magnetica a 129Xe rimane un'area di sviluppo e discussione attiva, senza alcun metodo di best practice identificato al momento della stesura di questo documento.

L'ambito di applicazione di questo protocollo è limitato alla risonanza magnetica con ventilazione 129Xe e, ad oggi, questa rimane l'unica tecnica di risonanza magnetica con 129Xe approvata per l'uso clinico dalla FDA. Tuttavia, un vantaggio interessante della suite di tecniche MRI 129Xe è il suo potenziale per la caratterizzazione regionale di numerosi aspetti diversi della funzione polmonare. In particolare, il recente position paper30 del CTC Xe MRI fornisce le attuali pratiche raccomandate per l'imaging dello scambio gassoso polmonare utilizzando la risonanza magnetica 129Xe in fase disciolta e la quantificazione delle dimensioni dello spazio aereo alveolare utilizzando la risonanza magnetica a diffusione 129Xe. Questi protocolli generalmente non possono essere adattati dai protocolli forniti dal fornitore e, pertanto, richiedono una significativa programmazione della sequenza di impulsi. Una volta sviluppate le sequenze di impulsi, i protocolli associati possono essere prontamente integrati nel flusso di lavoro per la risonanza magnetica della ventilazione 129Xe qui descritta, poiché le migliori pratiche per la polarizzazione dello xeno, il dosaggio dello xeno e il monitoraggio della sicurezza del soggetto sono comuni ai vari metodi di risonanza magnetica 129Xe. Quando si prevede di eseguire numerosi tipi di scansioni MRI 129Xe in un singolo soggetto, è consigliabile eseguire scansioni 129Xe che rappresentano l'endpoint primario dello studio prima dopo aver eseguito la calibrazione 129Xe, nel caso in cui le immagini risultanti non siano accettabili e la scansione dell'endpoint primario deve essere ripetuta utilizzando una dose di 129Xe originariamente prevista per una successiva scansione dell'endpoint secondario.

Il protocollo qui descritto è destinato all'imaging di adulti e adolescenti più grandi e la risonanza magnetica con ventilazione 129Xe è attualmente approvata solo per l'uso clinico dalla FDA in individui di età pari o superiore a 12 anni. Tuttavia, la risonanza magnetica 129Xe è di crescente interesse come strumento per la ricerca sulla broncopneumopatia pediatrica 17,22,42,43 e l'approvazione della FDA per la risonanza magnetica 129Xe nelle popolazioni pediatriche sarà richiesta in breve tempo. La difficoltà a mantenere l'apnea e/o l'esecuzione delle istruzioni di respirazione è più probabile nei soggetti pediatrici e, quindi, il coaching pre-scansione è particolarmente importante. Anche la procedura pratica del sacchetto di prova descritta nella fase 4 del protocollo assume un ruolo più cruciale, in quanto può aiutare a decidere se procedere all'imaging 129Xe. Inoltre, i protocolli per la risonanza magnetica pediatrica 129Xe dovrebbero sforzarsi di ridurre i tempi di scansione (e quindi i tempi di apnea) ove possibile. I polmoni più piccoli nei soggetti pediatrici possono richiedere diverse considerazioni sul dosaggio di 129Xe e impostazioni di risoluzione e/o FOV rispetto a quelli utilizzati per gli individui più anziani.

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Disclosures

Gli autori J.F.M., J.P.M. e Y.M.S. partecipano a studi clinici supportati da Polarean, Inc. Gli autori J.F.M. e Y.M.S. forniscono servizi di consulenza a Polarean, Inc. (meno di $ 5000). L'autore J.P.M. riceve supporto per la ricerca da Polarean, Inc.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato finanziato dal National Institutes of Health (numeri di sovvenzione R01-CA172595-01, R01-HL132177, R01-HL167202, S10-OD018079 e UL1-TR003015) e da Siemens Medical Solutions.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1.5T or 3T human MRI scanner Siemens MAGNETOM Symphony (1.5T) or Vida (3T); older models fine, as long as multinuclear option is/can be installed; scanners also available from GE and Philips
129Xe hyperpolarizer Polarean 9820
129Xe MRI phantom
129Xe MRI vest coil Clinical MR Solutions Also available from other vendors
129Xe polarization measurement station Polarean 2881
1H MRI phantom
Coil file for 129Xe MRI vest coil Also available from other vendors for their respective coils
ECG machine
Helium buffer gas
Interface box from coil to scanner May be built into coil, but needs to be included separately if not
Liquid nitrogen
MRI-safe pulse oximeter Philips Expression MR200
Nitrogen buffer gas
PFT machine
Programming/image analysis software MATLAB R2023a Various other options available
Pulse sequence design software Siemens IDEA software package; also available from GE and Philips for their respective scanners
Scanner multinuclear option Siemens Scanner integrated hardware/software package; also available from GE and Philips for their respective scanners
Tedlar gas sampling bags (500, 750, 1000, 1250, 1500 mL)
Xenon gas (129Xe isotopically enriched)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Medicina Numero 201
Acquisizione di immagini iperpolarizzate di risonanza magnetica <sup>129</sup>Xe della ventilazione polmonare
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Garrison, W. J., Mugler III, J. P.,… More

Garrison, W. J., Mugler III, J. P., Mata, J. F., Nunoo-Asare, R. N., Shim, Y. M., Miller, G. W. Acquiring Hyperpolarized 129Xe Magnetic Resonance Images of Lung Ventilation. J. Vis. Exp. (201), e65982, doi:10.3791/65982 (2023).

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