Waiting
Elaborazione accesso...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Anskaffelse av hyperpolariserte 129Xe magnetiske resonansbilder av lungeventilasjon

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

Hyperpolarisert 129Xe magnetisk resonansavbildning (MR) er en metode for å studere regionalt løste aspekter ved lungefunksjonen. Dette arbeidet presenterer en ende-til-ende standardisert arbeidsflyt for hyperpolarisert 129Xe MR av lungeventilasjon, med spesiell oppmerksomhet på pulssekvensdesign, 129Xe dosepreparering, skannearbeidsflyt og beste praksis for overvåking av fagsikkerhet.

Abstract

Hyperpolarisert 129Xe MR består av et unikt utvalg av strukturelle og funksjonelle lungeavbildningsteknikker. Teknikkstandardisering på tvers av steder blir stadig viktigere gitt den nylige FDA-godkjenningen av 129Xe som MR-kontrastmiddel og ettersom interessen for 129Xe MR øker blant forsknings- og kliniske institusjoner. Medlemmer av 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) har blitt enige om beste praksis for hvert av de viktigste aspektene ved 129Xe MR-arbeidsflyten, og disse anbefalingene er oppsummert i en nylig publikasjon. Dette arbeidet gir praktisk informasjon for å utvikle en ende-til-ende-arbeidsflyt for innsamling av 129Xe MR-bilder av lungeventilasjon i henhold til Xe MR CTC-anbefalingene. Forberedelse og administrering av 129Xe for MR-studier vil bli diskutert og demonstrert, med spesifikke emner, inkludert valg av passende gassvolumer for hele studier og for individuelle MR-skanninger, forberedelse og levering av individuelle 129Xe-doser, og beste praksis for overvåking av pasientsikkerhet og 129Xe-tolerabilitet under studier. Viktige MR-tekniske hensyn vil også bli dekket, inkludert pulssekvenstyper og optimaliserte parametere, kalibrering av 129Xe vippevinkel og senterfrekvens og 129Xe MR-ventilasjonsbildeanalyse.

Introduction

Hyperpolarisert 129Xe MR er et spennende verktøy for ikke-invasiv, romlig oppløst karakterisering og kvantifisering av spesifikke aspekter ved lungefunksjon 1,2,3. Oppkjøps- og rekonstruksjonsmetoder som ligner de som brukes i anatomisk proton-MR gir bilder av inhalert 129Xe i lungene, noe som muliggjør visualisering av ikke-ventilerte lungeregioner og regionløst kvantifisering av ventilasjonsfordeling 4,5,6,7,8 . Mer avanserte pulssekvens- og analyseteknikker gir ytterligere komplementær informasjon, inkludert kvantifisering av gassutvekslingseffekt mellom alveoler og lungekapillærer via spektroskopisk MR 9,10,11,12,13 og karakterisering av alveolær mikrostrukturintegritet via diffusjonsvektet MR 14,15,16.

Inhalert 129Xe har vist seg å være trygt og tolerabelt hos voksne og barn, inkludert de med lungesykdom17,18. Målinger av lungefunksjon avledet fra 129Xe MR har vist følsomhet for strukturelle og funksjonelle endringer i mange lungesykdomssammenhenger, inkludert kronisk obstruktiv lungesykdom 6,10,19, cystisk fibrose 20,21,22, idiopatisk lungefibrose 23,24,25 og astma 7,10,26. Gitt den høye sikkerheten og toleransen til 129Xe MR, mangelen på ioniserende stråling i MR sammenlignet med andre vanlige bildebehandlingsmetoder, og den høye reproduserbarheten av 129Xe MR-resultater27,28, har 129Xe MR betydelig løfte, spesielt for presis seriell overvåking av individer som får et tidsforløp for kronisk lungesykdom.

Det sikkerhetsmessige og kliniske løftet om 129Xe MR har ført til FDA-godkjenningen i desember 2022 for lungeventilasjonsavbildning hos personer i alderen 12 år og eldre29. Gitt dette, forventes det at antall forsknings- og kliniske steder som er i stand til å utføre 129Xe MR (for tiden ~ 20 over hele verden) vil øke betydelig de kommende årene. Etter hvert som 129Xe MR sprer seg til nye institusjoner, er det viktig at det finnes robuste metodologiske ressurser som gjør det mulig for lokaliteter å bygge ut klinisk relevante 129Xe MR-teknikker raskt, og for å utføre skanninger og generere resultater som er nært sammenlignbare med eksisterende steder.

I dette arbeidet vil vi skissere dagens beste praksis for human hyperpolarisert 129Xe MR av lungeventilasjon, som avtalt av medlemsinstitusjoner i 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) og oppsummert i et nylig posisjonspapir30. Emner vil omfatte utarbeidelse av skreddersydde pulssekvenser som er ideelle for en komplett 129Xe MR-arbeidsflyt, forberedelse og administrasjon av hyperpolarisert 129Xe-gass, en optimalisert arbeidsflyt for menneskelige 129Xe MR-økter, og beste praksis for overvåking av fagets sikkerhet og komfort under MR-økter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

All forskning som involverer mennesker skal godkjennes av en institusjonell nemnd (IRB). IRB-affeksjon er ikke nødvendig for regulatorisk godkjent klinisk bruk av 129Xe MR. Før de deltar i en forskningsstudie, må potensielle få et godkjent informert samtykkedokument. Den som innhenter samtykke må forklare innholdet i dokumentet, inkludert studiens formål, prosedyrer, fordeler og risikoer, må svare på eventuelle spørsmål og må innhente samtykke fra forsøkspersonen til å fortsette med studien som dokumentert ved forsøkspersonens signatur på dokumentet om informert samtykke. Ved pediatriske forsøkspersoner eller andre særlige forhold skal godkjent praksis for innhenting av samtykke følges. Protokollen beskrevet nedenfor følger retningslinjene til IRB ved University of Virginia, og eksempelforsøkene i dette manuskriptet har signert University of Virginia IRB-godkjente samtykkeskjemaer (IRB 13647, 16215, 16885, 19569).

1. Fremstilling av maskinvare og pulssekvenser for 129Xe MR

MERK: Protokolltrinnene under trinn 1 bør utføres før skanning av mennesker. De trenger ikke å gjentas for hvert emne.

  1. Kontroller at MR-skanneren er i stand til multinukleær drift, inkludert 129Xe.
  2. Kontroller at radiofrekvensspolen 129Xe (RF) kan kobles til MR-skanneren ved hjelp av en spesialbygd spole-til-skanner-grensesnittboks om nødvendig.
  3. Kontroller at egnet programvare (ofte kalt en spolefil) for grensesnitt mellom 129Xe RF-spolen og MR-skanneren er installert hvis skannerprodusenten krever det.
  4. Klargjør pulssekvenser for bilder av 129Xe og 1H som beskrevet nedenfor.
    1. For 129Xe-kalibrering, klargjør en ikke-lokalisert, spektroskopisk sekvens bestående av en serie frie induksjonshenfall (FID) ved hjelp av pulssekvensparametrene gitt i tabell 1.
      MERK: FIDene som er oppnådd ved ~218 ppm (oppløst fasefrekvens) brukes primært til å bestemme parametere for oppløst fase 129Xe MR, som ikke dekkes i det foreliggende arbeidet. Imidlertid er disse parametrene gitt slik at man kan utvikle en enkelt standardisert 129Xe-kalibrering som er tilstrekkelig for 129Xe MR-skanninger av alle typer. Vær også oppmerksom på at en separat kalibreringsskanning kanskje ikke er nødvendig for studier som bare involverer 129Xe ventilasjonsavbildning når stedet får tilstrekkelig erfaring. Driftsfrekvensen på 129Xe kan estimeres nøyaktig ved å skalere den skannerbestemte 1H-frekvensen med forholdet mellom 129Xe og 1H gyromagnetiske forhold, og senderkalibreringen kan estimeres basert på akkumulert erfaring og emnevekt.
    2. For 129Xe ventilasjons-MR klargjør du en todimensjonal (2D) RF-ødelagt gradient-ekkosekvens ved hjelp av pulssekvensparametrene gitt i tabell 2. Kontroller at 129Xe er valgt som målkjerne.
    3. For konvensjonell 1H anatomisk MR, klargjør en enkeltskudds turbo / rask spinn-ekkosekvens eller en RF-bortskjemt gradient-ekkosekvens ved hjelp av parametrene gitt i tabell 2.
      MERK: For 129Xe ventilasjon og 1H anatomiske sekvenser er FOV og antall skiver fagspesifikke. Velg disse parametrene i begynnelsen av skanneøkten på en slik måte at du sikrer full dekning av lungene i alle tre dimensjoner.
      1. Aktiver faseoversampling for å redusere potensiell aliasing av armene i avbildnings-FOV-en.
      2. Begrensninger hos leverandøren av MR-skanneren kan forhindre at enkeltskuddsturbo/hurtigspinn-ekkosekvensen fungerer ved den grove oppløsningen i planet som er foreslått (4 mm x 4 mm). Hvis dette er tilfelle, bruk en oppløsning som er en heltallsfaktor for ønsket oppløsning (f.eks. 2 mm x 2 mm).
        MERK: Den anatomiske skanningen på 1H kan alternativt anskaffes ved hjelp av en 2D RF-bortskjemt gradientekkosekvens. I dette tilfellet må du bruke de samme parametrene som ventilasjonsskanningsparametrene gitt i tabell 2 , men aktivere faseoversampling for å unngå aliasing av armene inn i avbildnings-FOV.
  5. Kontroller bruken av RF-spolen og pulssekvensene som er skissert ovenfor, ved å utføre skanninger av et termisk polarisert 129Xe phantom31 for 129Xe-skanninger og et 1H-fantomet for 1H-skanning.

Parameter Kalibrering
ST 15 ms
TE 0,45 ms (3 T), 0,8 ms (1,5 T)
RF-puls vindu SINC
RF varighet 0,65–0,69 ms (3 T), 1,15–1,25 ms (1,5 T)
Vend vinkel 20°
RF-frekvens 218 ppm (oppløst fase), 0 ppm (gassfase)
Oppholdstid 39 μs
Båndbredde 25,6 kHz
Nei. Antall prøver 256 (ikke inkludert oversampling, hvis brukt)
Varighet for avlesning 10 ms
Antall FID-er 1 støy (ingen RF), 499 ved oppløst fase freq., 20 ved gassfase freq.
Ødeleggelse av gradering moment på minst 15 mT/m-ms (hver akse, etter hver FID)
Varighet ~ 8 s

Tabell 1: Anbefalte pulssekvensparametere for 129Xe-kalibrering. Parametre er gitt for en ikke-lokalisert, spektroskopisk 129Xe kalibreringspulssekvens.

Parameter Ventilasjon Anatomisk
Sekvenstype RF-bortskjemt gradient-ekko Enkeltskudds turbo/rask spinn-ekko
ST <10 ms Uendelig
TE <5 ms <50 ms
Ekko-avstand N/A 3-5 ms
Eksitasjon flip vinkel 8-12° 90°
Omfokusering av vendevinkel N/A ≥90° (høyeste tillatte innenfor SAR-grenser)
Stykketykkelse 15 mm 15 mm
Stykke gap Ingen Ingen
Stykke retning Koronal Koronal
Stykke rekkefølge Sekvensiell (fremre til bakre) Sekvensiell (fremre til bakre)
Rekkefølge for fasekoding Sekvensiell (venstre mot høyre) Sekvensiell (venstre mot høyre)
NEX 1 (opptil 7/8 delvis Fourier tillatt) Halv Fourier
Asymmetrisk ekko Tillatt N/A
Voxel størrelse 4 x 4 x 15 mm3 4 x 4 x 15 mm3
Utvalgsvarighet per ekko 5-7 ms 1–1,5 ms
Skannens varighet 8-12 s ≤16 s

Tabell 2: Anbefalte pulssekvensparametere for 129Xe-ventilasjon og 1H anatomisk bildediagnostikk. Parametre er gitt for en 2D RF-bortskjemt rask gradient-ekkosekvens for 129Xe ventilasjonsavbildning (første kolonne) og en 2D single-shot turbo / rask spin-ekkosekvens for 1H anatomisk avbildning (andre kolonne). Merk at den anatomiske skanningen alternativt kan anskaffes ved hjelp av en 2D RF-spoiled gradient ekkosekvens. I dette tilfellet må du bruke de samme parametrene som ventilasjonsskanningsparametrene som er angitt her, men legge til faseoversampling etter behov for å unngå aliasing av armene i avbildnings-FOV. Vær også oppmerksom på at den bestemte metoden for å spesifisere mottakerbåndbredde varierer mellom skannerprodusenter, men at den riktige verdien kan beregnes for enhver skannerprodusent fra den angitte samplingsvarigheten per ekko.

2. Screening og forberedelse av kandidater til 129Xe MR

  1. Sørg for at det ikke er kontraindikasjoner for MR i det potensielle emnet ved å undersøke dem med et MR-sikkerhetsskjema. Tilleggsfil 1 viser et eksempelskjema som brukes ved University of Virginia.
  2. Forsikre deg om at den potensielle forsøkspersonen ikke oppfyller noen eksklusjonskriterier som er spesifikke for 129Xe MR-undersøkelser, som kan omfatte, men ikke er begrenset til: prosentvis anslått FEV1 mindre enn 25 %, en dekompensert respiratorisk tilstand i løpet av de siste 6 ukene, brystomkrets større enn den indre omkretsen av 129Xe RF-spolen og tidligere ustabil hjertesykdom.
    MERK: Ytterligere kriterier som ikke indikerer umiddelbar utelukkelse, men som krever nøye individuell vurdering, inkluderer: behovet for betydelig ekstra oksygen ved baseline (dvs. større enn 3 l/min med nesekateter) og en historie med nevrologisk lidelse med unormaliteter ved baseline.
  3. Hvis du utfører lungediffusjonstesting (DLCO) eller spirometri under bildebesøket, må du instruere motivet om ikke å innta kullsyreholdige drikker på dagen for studiebesøket. Hvis et emne bruker foreskrevet respiratorisk medisinering, instruer dem om å forsinke eller avstå fra å ta det hvis det er spesifisert i studieprotokollen.

3. Fremstilling av hyperpolariserte 129Xe doser

MERK: Detaljerte instruksjoner for 129Xe-polarisator- og polarisasjonsmålestasjoner er proprietære og spesifikke for hver leverandør. Instruksjonene nedenfor inneholder et grunnleggende sammendrag for generell spin-exchange optisk pumping 129Xe polarisatordrift.

  1. Bestem deg for et dosevolum for motivet. Vanligvis velges et totalt dosevolum på 1 l for alle forsøkspersoner, og dette totale dosevolumet er spesifisert i FDA-etiketten for 129Xe MR. Imidlertid foreslår gjeldende Xe MR CTC-anbefalinger30 at det totale dosevolumet (xenon pluss enten nitrogen eller helium) bør målrette 1/5del av forsøkspersonens forserte vitalkapasitet (FVC) for å sikre en behagelig mengde gass å inhalere for hver pasient og for å minimere effekter relatert til lungevolumforskjell mellom forsøkspersoner.
    1. Hvis nylige spirometriresultater er tilgjengelige for emnet, bruk disse til å bestemme 1/5th av FVC. Hvis spirometriresultater ikke er tilgjengelige, estimere individets totale lungekapasitet (TLC) basert på høyde, kjønn og rase, og estimere totaldosen til 1/6av TLC.
  2. Bestem deg for et volum xenongass for å polarisere.
    MERK: Ønsket xenonvolum for hver dosepose er angitt som doseekvivalente (DE) volumer, som konseptuelt angir det ekvivalente volumet av 100 % anriket, 100 % polarisert 129Xe gass. Konseptuelt er DE-volumet direkte proporsjonalt med det forventede signal-støy-forholdet (SNR) for en 129Xe-skanning, og anbefalt DE-volum vil være høyere eller lavere for visse 129Xe-skannetyper basert på SNR som kreves for den skannetypen.
    1. Beregn DE-volumet for en gitt xenondose som følger32:
      Equation 1
      hvor VXe er det totale volumet av xenongass (alle isotoper, ikke bare 129Xe) i dosen, f129Xe er 129Xe isotopisk anrikning, og P129Xe er 129Xe polarisasjon.
    2. Velg totalt nødvendige DE-volumer for settet med 129Xe-skanninger som skal utføres. De anbefalte DE-volumene for individuelle kalibrerings- og ventilasjonsskanninger er 75-150 ml.
      MERK: For ventilasjonsavbildning må SNR være høy nok til å skille robust mellom ventilerte og ikke-ventilerte bildevoxels. Et DE-volum på 50 ml regnes som det absolutte minimum for ventilasjonsavbildning30 for å oppnå en forventet SNR på minst 20. For kalibreringsskanninger kan et DE-volum så lavt som 25 ml være akseptabelt hvis bare gassfasesignalet kalibreres. minst 75 ml bør brukes ved kalibrering av både gassfase- og oppløst fasesignaler.
  3. Bruk det totale nødvendige DE-volumet, kjent 129Xe isotrop anrikning av xenongassen, og estimert 129Xe polarisasjon basert på tidligere polarisasjonskjøringer for å beregne det totale nødvendige xenongassvolumet for polarisasjon. En eksempelberegning er vist nedenfor for en ventilasjonsskanning (DE-volum = 75 ml), forutsatt 129Xe isotopisk anrikning på 85% og polarisasjon på 20%32:
    Equation 2
    Utfør denne beregningen for hver xenondose for å bestemme riktig volum polarisert xenongass som skal dispenseres i hver dosepose.
    1. Forsøkspersoner med lav BMI (<21) har høyere risiko for mer dyptgripende effekter på sentralnervesystemet (CNS) etter 129Xe-inhalasjon enn andre forsøkspersoner. Rådfør deg med lege før du avbilder personer med lav BMI, og vurder å minimere 129Xe dosevolumer for å unngå disse potensielle problemene.
  4. Forbered 129Xe polarisatoren i henhold til alle instruksjoner fra polarisatorleverandøren.
    1. Trinn kan omfatte følgende, avhengig av polarisatorleverandør: sørg for at Helmholtz spolestrømforsyning er PÅ; evakuer utløpsmanifolden for å fjerne eventuelle urenheter; sett opp flytende nitrogen dewar rundt / under den kalde fingeren; slå PÅ strømmen til laserne og la dem varme opp; slå PÅ luftstrømmen til ovnen, sett ovnen på riktig temperatur ved hjelp av ovnskontrolleren, og la ovnen varmes opp.
      FORSIKTIG: Flytende nitrogen kan forårsake alvorlig frostskader hvis det kommer i kontakt med hud, øyne eller klær, og laserlys med høy intensitet kan forårsake øyeskade hvis det påvirker øyet uten beskyttelse. Vær forsiktig og bruk verneutstyr etter behov.
  5. Forsikre deg om at målestasjonen for 129Xe polarisasjon er slått PÅ og at programvaren er klar til å måle dosepolarisasjon.
  6. Begynn samlingen av hyperpolarisert 129Xe ved å utføre følgende trinn.
    1. Start nitrogenstrømmen til den kalde fingeroppvarmingsjakken.
    2. Start xenonblandingsstrømmen til den kalde fingeren. Se polarisatorytelseskurver i polarisatordokumentasjon for å velge optimal strømningshastighet.
    3. Tilsett flytende nitrogen til dewaren som omgir den kalde fingeren.
    4. Registrer polarisasjonsstarttid på et dataark for å sikre nøyaktig polarisasjonsvolum.
    5. Når innsamlingen har startet, juster strømnings- og ovnsregulatorene for å opprettholde jevn strømningshastighet og temperatur, og tilsett flytende nitrogen etter behov for å holde dewaren full.
  7. Under xenonakkumulering, klargjør Tedlar doseposer for doseoppsamling ved gjentatte ganger å rense og evakuere poser minst 3x ved hjelp av polarisatorutløpsmanifolden for å minimere urenheter og / eller depolariserende gasser i posene.
  8. Når riktig tidspunkt for innsamling av ønsket hyperpolarisert 129Xe-volum er gått, avslutt hyperpolarisert 129Xe-samling som anvist i polarisatordokumentasjonen.
  9. Tine den frosne 129Xe som har falt ut i den kalde fingeren, som beskrevet nedenfor.
    1. Fest en 129Xe dosepose til xenonuttaket på utløpsmanifolden.
    2. Fjern forsiktig dewaren med flytende nitrogen og erstatt den med et tinekar som inneholder romtemperert vann.
    3. Mens du tiner, må du overvåke trykket kontinuerlig, åpne strømningsventilen fra den kalde fingeren til xenonutløpet når trykket når en terskelverdi gitt i polarisatordokumentasjonen og lukker ventilen raskt når trykket faller.
    4. Fortsett å dispensere sublimert xenongass i doseposen på denne måten inntil ønsket mengde xenon i doseposen er nådd.
    5. Tilsett buffergassen (nitrogen eller helium) på dette tidspunktet hvis den ikke ble lagt til posen tidligere.
    6. Når alle ønskede xenon- og buffergasser er lagt til posen, lukker du raskt klemmen på poseslangen, lukker xenonutløpsventilen og løsner full dosepose fra polarisatoren.
    7. Flytt posen umiddelbart til magnetfeltet skapt av Helmholtz-spoleparet på målestasjonen 129Xe polarisasjonsmåling.
      FORSIKTIG: Trykk vil raskt bygge seg opp i den kalde fingeren når xenongassen varmes opp og sublimerer, noe som skaper en potensiell eksplosjonsrisiko hvis trykket får lov til å bygge utover trygge grenser. Følg instruksjonene for dette trinnet i polarisatordokumentasjonen nøyaktig, og bruk øyevern mens du utfører dette trinnet.
  10. Mål og registrer polarisasjon i hver dosepose på målestasjonen for polarisasjon 129Xe, i henhold til instruksjonene fra leverandøren av polarisasjonsmålestasjonen.
  11. Når polarisasjonen er målt, hold 129Xe doseposer i magnetfeltet opprettet av Helmholtz spoleparet på polarisasjonsmålestasjonen til klar til å administrere en dose til motivet.

4. Pre-scan forberedelse og coaching av emne

MERK: Det anbefales at hvis emnet får en full eksamen som inkluderer en seks minutters gangtest, bør ikke turen finne sted før etter at 129Xe MR er fullført for å unngå å utmatte motivet på en måte som potensielt kan påvirke 129Xe MR-resultater. Dette er særlig aktuelt for pasienter med hjerte- og lungesykdom.

  1. Bekrefte at forsøkspersonen har korrekt utført alle instruksjoner før besøket som beskrevet i trinn 2, og at det ikke har forekommet endringer i helse som ville oppfylle noen eksklusjonskriterier for studien eller utgjøre en MR-kontraindikasjon siden forsøkspersonen ble screenet.
  2. Utfør alle nødvendige fysiske tester på emnet, inkludert et elektrokardiogram (EKG); en samling av vitale faktorer, inkludert kroppstemperatur, hjertefrekvens, respirasjonsfrekvens, oksygenmetning i blodet (SpO2) og blodtrykk; Spirometri; og en DLCO-test.
  3. Overvåk disse testene for potensielle advarselsskilt, inkludert lav SpO2 (<92%), forhøyet blodtrykk eller signifikant avvik fra testresultater fra eksisterende grunnlinjer for emnet.
    MERK: Disse avlesningene, spesielt SpO2 ved baseline, kontrolleres på grunn av forventningen om at mild, forbigående oksygendesaturasjon vil oppstå ved inhalasjon av 129Xe. For forsøkspersoner med baseline SpO2 <92 % eller andre advarselsskilt, kontakt lege for å bekrefte egnetheten til forsøkspersonen for 129Xe MR-testing og om man skal bruke supplerendeO2 mellom 129Xe-inhalasjoner.
  4. Coach motivet i riktig 129Xe inhalasjonsprosedyre, som beskrevet nedenfor.
    1. Forbered en eller flere Tedlar-poser som inneholder luft for motivet å øve utenfor skanneren. Bruk et luftvolum som samsvarer med det totale volumet av xenon og buffergass som vil bli inhalert fra posen under selve studien.
    2. Forbered neseklemmer som motivet kan ha på seg under skanning av pusten. Monter neseklemmene på motivets nese før pusten starter (både for øvelse og faktisk skanning).
    3. Coach motivet ved hjelp av en luftfylt pose for hvert forsøk, ved å følge instruksjonene nedenfor. Faget skal begynne å inhalere posen fra et målvolum av funksjonell restkapasitet. Under prosedyren nedenfor må du overvåke motivets bryst for å bekrefte at de utfører instruksjonene som gitt.
      1. Ha posen klar, men ikke administrer den til emnet ennå. Be observanden om å: Trekk pusten regelmessig inn. Pust det ut. Ta et pust regelmessig inn. Pust det ut.
      2. Plasser røret festet til Tedlar-posen i motivets munn. Hold posen der motivet kan inhalere fra den og åpne ventilen. Be motivet om å: Pust inn. Pust inn. Pust inn.
      3. Når motivet har inhalert hele posens innhold, be motivet om å: Hold pusten. Be skanneroperatøren umiddelbart om å: Gå!
        MERK: Når du skanner motivet, bør skanneroperatøren starte skanningen når du hører Go! Denne instruksjonen er ikke ment for emnet (det vil si at de skal forbli stille og fortsette å holde pusten som instruert umiddelbart på forhånd), men varsler motivet om at skanning er nært forestående.
      4. Vent til skanningen er ferdig, eller når du øver, for en telling på 10-15 s, som er den omtrentlige tiden som kreves for at en typisk 129Xe-skanning skal gå.
      5. Be motivet om å: Pust. Observanden puster ut på dette punktet. Coach forsøkspersonen til å ta flere dype åndedrag inn og ut på dette tidspunktet for å lette raskere clearance av 129Xe fra lungene og en raskere retur til normale oksygenmetningsnivåer.
      6. Kontroller at motivet er i stand til å utføre disse instruksjonene pålitelig. Vurder å ekskludere personer som ikke er i stand til å inhalere hele gassvolumet, ikke klarer å opprettholde pusten, eller som vedvarende hoster under pusteforsøk under testen.
        MERK: Resultatet av denne testen er avgjørende for å bestemme sannsynlig bildekvalitet. Denne kontrollen for pålitelig fagoverensstemmelse er spesielt viktig i sammenheng med pediatrisk bildebehandling og avbildning av alvorlig lungesykdom, da fagpersoner i en eller begge av disse kategoriene er mer sannsynlig å kjempe for å pålitelig fullføre det nødvendige pusteholdet.

5. Klargjøring av MR-skannerrom og plassering av forsøksperson på skannerens pasientbord

  1. Sørg for at alle som kommer inn i eller kan forventes å gå inn i MR-skannerrommet (og personell) fjerner alle metalliske og/eller elektroniske gjenstander fra lommen og personen før de går inn i skannerrommet.
  2. Klargjør 129Xe-vestspolen ved å koble den til skanneren og plassere den på pasientbordet i MR-skanneren.
  3. Be motivet om å ligge på pasientbordet i en liggende stilling med føttene først (eller med hodet først i ryggen, hvis det er bedre egnet for utformingen av skannerrommet). Plasser puter under fagets hode, knær, etc., i samråd med faget for å sikre at motivet komfortabelt kan ligge stille gjennom hele eksamen.
  4. Fest 129Xe vestspolen rundt motivets bryst. Sikt på at midtlinjen av spolen i hode-fot-retningen skal ligge så nær som mulig til den forventede midtlinjen i motivets lunger på et behagelig lungeinflasjonsnivå for å unngå signalreduksjoner i periferien av lungene.
    MERK: Det er en vanlig feil å plassere spolen for langt i retning av motivets føtter. Plassering av spolen som anvist ovenfor kan sette spolen lenger mot motivets hode enn man naivt kan forvente. I tillegg kan motivets armer måtte plasseres over hodet og utenfor spolen hvis motivets brystdiameter nødvendiggjør dette. Den spesifikke brystdiameteren over hvilken denne plasseringen er nødvendig, vil variere avhengig av spesifikk skanner- og spolemaskinvare. For mindre motiver kan armene plasseres enten over hodet og utenfor spolen eller på sidene og inne i spolen.
  5. Sett opp et MR-sikkert pulsoksymeter ved siden av pasientbordet i MR-skannerrommet og koble pulsoksymetersonden til motivet. Kontroller at pulsoksymeteret leser riktig.
  6. Plasser en nesekanyle i forsøkspersonens nese (eller, for en frisk forsøksperson, ha en stående i skannerrommet) og koble den til en oksygenkilde som skal brukes hvis forsøkspersonens SpO2 faller mer enn 10 % i mer enn 2 minutter etter doseringsinnånding. Plasser oksygentanken og regulatoren på en MR-sikker måte basert på lokal sikkerhetspolitikk innen rekkevidde.
  7. Før pasientbordet inn i MR-skanneren, og juster midtlinjen i spolen/forsøkspersonens lunger til skannerens isosenter.

6. Skanning prosedyre

  1. I brukergrensesnittet på MR-skanneren, skriv inn emnedata og åpne den tidligere utarbeidede (som beskrevet i trinn 1) 129Xe MR-protokoll.
  2. Forsikre deg om at 129Xe-doser er tilberedt som beskrevet i trinn 3, og at 129Xe-doseposer er i magnetfeltet generert av polarisasjonsmålestasjonens Helmholtz-spolepar (eller i en tilsvarende enhet) for å minimere 129Xe depolariseringshastighet.
  3. Utfør en 1H localizer-skanning ved hjelp av en standard protokoll levert av leverandøren (f.eks. en lokalisator med tre plan) som beskrevet nedenfor.
    1. Be motivet om å ta et behagelig, naturlig pust inn og holde pusten. Mens motivet holder pusten, utfør lokaliseringsskanningen.
    2. Se resultatene av lokaliseringsskanningen på MR-skannergrensesnittet. Hvis bilder viser artefakter (f.eks. hvis metallholdige klær ikke ble fjernet), kan du løse eventuelle problemer og gjenta lokaliseringen. Hvis lokalisatoren FOV er dårlig sentrert om emnet, flytter du motivet og gjentar. Når akseptable lokaliseringsbilder er oppnådd, fortsett til neste trinn.
  4. Utfør innledende forhåndsskanningsjusteringer for 129Xe-skanninger som beskrevet nedenfor.
    1. Still inn den opprinnelige 129Xe-senterfrekvensen ved å dele 1H-senterfrekvensen fra lokalisatoren med 3,61529 (det omtrentlige forholdet mellom de respektive gyromagnetiske forholdene på 1H og 129Xe).
    2. Still inn den første 129Xe-senderinnstillingen basert på kalibreringsresultater fra tidligere forsøkspersoner med lignende kroppshabitus, skalering basert på referansespenning på 1H eller motivets målte vekt. Detaljer om 129Xe-senderinnstillinger er spesifikke for skanneren og 129Xe-spoleprodusenter.
    3. Bruk skannerens standard mellomleggsinnstillinger for alle 129Xe-anskaffelser.
  5. Når du har utført justeringene før skanningen som er beskrevet ovenfor, kan du hente 129Xe-kalibreringsskanningen for å finne 129Xe-senterfrekvensen og senderinnstillingene som beskrevet nedenfor.
    1. Last inn 129Xe-kalibreringssekvensen fra den klargjorte protokollen. Forsikre deg om at alle pulssekvensparametere er som ønsket, og still inn innstillingen for skanningsutførelse slik at skanningen kan utføres med et enkelt klikk.
    2. Ta med 129Xe doseposen beregnet for 129Xe kalibreringsskanning fra polarisasjonsmålestasjonen inn i skannerrommet. Hold eller plasser doseposen klar i nærheten av motivet. Unngå områder nær boreåpningen der magnetfeltstyrken endres raskt.
    3. Assister forsøkspersonen med å inhalere dosen på 129Xe fra posen ved å følge inhalasjonsprosedyren som er skissert i trinn 4.
    4. Utfør skanningen umiddelbart etter å ha hørt Go! signalisert av den enkelte som bistår forsøkspersonen.
    5. Overvåk motivet mens skanningen fortsetter. Hvis motivet synlig puster ut, hoster, beveger seg osv., Gjenta skanningen hvis mulig.
    6. Så snart skanningen er ferdig, må du be motivet om å puste ut og puste fritt.
    7. Etter skanningen overvåker du motivets hjertefrekvens og SpO2 ved hjelp av pulsoksymeteret og overvåker forbigående effekter på sentralnervesystemet (som svimmelhet, ørhet, eufori og parestesi) via verbal kommunikasjon med motivet.
      MERK: Nesten alle forsøkspersoner vil oppleve svært milde CNS-effekter som ikke krever intervensjon, med unntak av personer med lavt kroppsfettinnhold, som referert til i trinn 3.2.
    8. Vent til eventuelle avvik fra baseline forsvinner før du administrerer en ny dose på 129Xe. Hvis det ikke oppstår signifikante avvik fra baseline, skal du vente minst 2 minutter før du administrerer en ny dose på 129Xe.
      MERK: Et typisk tidsforløp av oksygenmetning og gjenoppretting er som følger: avmetning starter 10-20 hjerteslag etter å ha fullført 129Xe-innånding, nadir oppstår 20-30 hjerteslag etter fullført innånding, og gjenoppretting skjer innen 45-50 hjerteslag etter fullført innånding. De fleste avmetningene går over innen 30 sekunder etter 129Xe-inhalasjon, og bør vanligvis forventes å gå helt over i løpet av 2 minutter. Kontakt lege dersom vedvarende demetning (større enn 10 % av baseline) fortsetter utover 2 minutter, da det kan være tilrådelig å unngå å gi ytterligere 129Xe doser og/eller avslutte studien.
  6. Utfør kalibreringsanalyse 129Xe som beskrevet nedenfor (f.eks. ved hjelp av et frittstående analyseverktøy).
    1. Bestem 129Xe senterfrekvens ved hjelp av spekteret fra de første gassfase FIDene.
    2. Bestem justering av 129Xe-senderen som beskrevet nedenfor.
      1. Tilpass toppintensitetene til de 20 gassfase FIDene til følgende funksjon30 og løs for vendevinkelen, α:
        Equation 3
        hvor Si er størrelsen på signalintensiteten som følge av i-eksitasjonen, S0 er størrelsen på signalintensiteten fra den første eksitasjonen, og C er en støyforskyvningsparameter.
      2. Når α er oppnådd, skalerer du den første 129Xe-senderinnstillingen for påfølgende skanninger med 20°/α, forutsatt at 20° ble brukt som tiltenkt kalibreringsvinkel som anbefalt i tabell 1.
  7. Når de siste 129Xe forhåndsskanningsjusteringene er gjort og motivet er klart for neste 129Xe-dose, utfør 129Xe ventilasjonsskanning som beskrevet nedenfor.
    1. Last 129Xe ventilasjonssekvensen fra den forberedte protokollen. Forsikre deg om at alle pulssekvensparametere er som ønsket, og still inn innstillingen for skanningsutførelse slik at skanningen starter umiddelbart etter et enkelt klikk.
    2. Velg FOV-størrelse og senterplassering basert på lokaliseringsresultatene. Sikt på at midten av FOV skal falle sammen med lungens senter i alle tre dimensjoner, og sikte på at FOV skal være stor nok til å komfortabelt inneholde hele brysthulen, inkludert hele begge lungene.
    3. Ta med 129Xe doseposen som er beregnet for 129Xe ventilasjonsskanning fra polarisasjonsmålestasjonen inn i skannerrommet. Hold eller plasser doseposen klar i nærheten av motivet. Unngå områder nær boreåpningen der magnetfeltstyrken endres raskt.
    4. Assister forsøkspersonen med å inhalere dosen på 129Xe fra posen ved å følge inhalasjonsprosedyren som er skissert i trinn 4.
    5. Utfør skanningen umiddelbart etter å ha hørt Go! signalisert av den enkelte som bistår forsøkspersonen.
    6. Overvåk motivet mens skanningen fortsetter. Hvis motivet synlig puster ut, hoster, beveger seg osv., Gjenta skanningen hvis mulig.
    7. Så snart skanningen er ferdig, må du be motivet om å puste ut og puste fritt.
    8. Etter skanningen overvåker du motivets hjertefrekvens og SpO2 ved hjelp av pulsoksymeteret og overvåker forbigående effekter på sentralnervesystemet (som svimmelhet, ørhet, eufori og parestesi) via verbal kommunikasjon med motivet.
    9. Vent til eventuelle avvik fra baseline forsvinner før du administrerer en ny dose på 129Xe. Hvis det ikke oppstår signifikante avvik fra baseline, skal du vente minst 2 minutter før du administrerer en ny dose på 129Xe.
  8. Utfør 1H anatomisk skanning som beskrevet nedenfor.
    1. Last inn 1H anatomisk sekvens fra den forberedte protokollen. Forsikre deg om at alle pulssekvensparametere er som ønsket, og still inn innstillingen for skanningsutførelse slik at skanningen kan utføres med et enkelt klikk.
    2. Ta doseposen fylt med luft og tilpasset volumet på doseposen som brukes til 129Xe ventilasjonsskanning inn i skannerrommet.
    3. Hjelp forsøkspersonen med å inhalere luftdosen fra posen ved å følge den inhalasjonsprosedyren som er skissert i trinn 4.
    4. Utfør skanningen umiddelbart etter å ha hørt Go! signalisert av den enkelte som bistår forsøkspersonen.
    5. Overvåk motivet mens skanningen fortsetter. Hvis motivet synlig puster ut, hoster, beveger seg osv., Gjenta skanningen hvis mulig.
    6. Så snart skanningen er ferdig, må du be motivet om å puste ut og puste fritt.

7. Prosedyrer etter skanning

  1. Ta målinger av motivets vitalitet på samme måte som før skanningsprosedyren. Hvis noen vitaliteter blir unormale, instruer forsøkspersonen om å vente 30-60 minutter og/eller til vitaliteten går tilbake til nær baseline før avreise.

8. Analyse av 129Xe MR-ventilasjonsdata

MERK: De anskaffede anatomiske bildene på 129Xe og 1H skal automatisk rekonstrueres på MR-skannerdatamaskinen ved hjelp av leverandørens standard bilderekonstruksjonspipeline.

  1. Eksporter 129Xe-ventilasjon og 1H anatomiske skanninger som DICOM-bildefiler ved å bruke det minste tillatte interpoleringsnivået (ideelt sett ingen).
  2. Beregn ventilasjonsfeilprosent (VDP) med programmerings- eller bildeanalyseprogramvare ved hjelp av følgende ligning8:
    Equation 4
    1. Bestem ventilert volum ved å segmentere 129Xe ventilasjonsskanninger, enten manuelt eller ved hjelp av en rekke eksisterende automatiserte tilnærminger33.
      MERK: En enkel metode for binarisert segmentering av 129Xe-bilder bruker en terskel definert som følger8:
      Equation 5
      der "Middelsignal" er gjennomsnittet av 129Xe-signalintensiteten innenfor et brukerdefinert interesseområde for sterkt 129Xe-signal i lungene, og "SD(Støy)" er standardavviket til 129Xe-signalintensiteten i et område nær kanten av synsfeltet som ligger langt fra lungene eller luftrøret.
    2. Bestem totalt lungevolum ved å segmentere 1H anatomiske skanninger, enten manuelt eller ved hjelp av eksisterende automatiserte tilnærminger34.
    3. Når disse segmenteringene er utført, beregner du tilsvarende volumer som antall segmenterte voxels ganger bildets voxelvolum (regnskap for eventuell interpolering utført ved konvertering av bildene til DICOM-filer).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 viser representativ ventilasjon og lokaliseringsbilder i tre plan fra et friskt individ. Høyt 129Xe-signal kan observeres gjennom lungene på ventilasjonsbildene, og ingen ventilasjonssvikt er tydelig hos denne personen.

Figur 2, figur 3 og figur 4 viser representativ ventilasjon og anatomiske bilder fra syke. Figur 2 viser en person med alfa-1-antitrypsinmangel, der alvorlig ventilasjonssvikt lett kan oppdages ved å observere det flekkvise utseendet til de 129Xe-bildene. Tilsvarende kan alvorlig ventilasjonssvikt ses i figur 3, som viser en person med alvorlig cystisk fibrose. Figur 4 viser en person med kronisk obstruktiv lungesykdom, der mer subtile ventilasjonsdefekter kan noteres ved hjelp av de 129Xe-bildene.

Figur 5 viser ventilasjonsbilder fra en studie som uvitende ble utført ved hjelp av en 129Xe vestspole med en skadet kabel. Den ene av de to lungene viser en langt lavere SNR enn den andre og en intensitetsrulle, med begge disse fenomenene spesielt fremtredende i de bakre skivene. Figur 6 viser ventilasjonsbilder fra en studie som ble utført med 129Xe vestspole plassert for langt mot forsøkspersonens føtter. Kunstig lavt 129Xe-signal observeres i begge lungeapices på grunn av mangel på mottakerfølsomhet der.

Figur 7 viser representativ ventilasjon og anatomiske bilder fra en person med diagnostisert kols, sammen med binariserte ventilasjonskart beregnet ved hjelp av den enkle metoden beskrevet i trinn 8 i protokollen. Utbredte ventilasjonsfeil er tydelige hos denne personen, inkludert nesten fullstendig tap av ventilasjon i den øvre lungelappen, og beregnet VDP for denne personen er 52%. Mens analyseprosedyren kategoriserer regioner med tydelig høyt eller lavt 129Xe-signal på riktig måte, er delvis ventilerte bildeområder (eller regioner med delvis volumeffekt, der et gitt stykke spenner over både ventilerte og ikke-ventilerte områder langs stykkevalgretningen) vanskeligere å karakterisere. I dette tilfellet tenderer analyseprosedyren mot å karakterisere disse områdene som ikke-ventilerte. Dette eksemplet understreker nytten av analyseprosedyrer som kategoriserer ventilasjon i mer enn to kategorier. Utvikling, testing og sammenligning av slike analyseprosedyrer er en viktig kontinuerlig innsats innen 129Xe MRI 30,33.

Figure 1
Figur 1: Representative bilder fra et friskt individ. (A) Ventilasjon og (B) lokaliseringsbilder med tre plan fra en 22 år gammel 117 lb sunn kvinne. Ingen ventilasjonsskader kan lett oppdages hos denne personen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Representative bilder fra en person med alfa-1 antitrypsinmangel. (A) Ventilasjon og (B) anatomiske bilder fra en 60 år gammel 144 lb kvinne med diagnostisert alfa-1 antitrypsinmangel. Alvorlige ventilasjonsskader er tydelige hos denne personen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3 Representative bilder fra en person med alvorlig cystisk fibrose. (A) Ventilasjon og (B) anatomiske bilder fra en 18 år gammel 132 lb mann med diagnostisert alvorlig cystisk fibrose. Alvorlige ventilasjonsskader er tydelige hos denne personen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4 Representative bilder fra en person med kronisk obstruktiv lungesykdom. (A) Ventilasjon og (B) anatomiske bilder fra en 56 år gammel 110 lb kvinne med diagnostisert kronisk obstruktiv lungesykdom. Milde ventilasjonsfeil kan oppdages hos denne personen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Representative bilder utført med en defekt 129Xe vestspole. (A) Ventilasjon og (B) anatomiske bilder fra en 20 år gammel 136 lb kvinne med diagnostisert cystisk fibrose fra en skanning som uvitende ble utført ved hjelp av en 129Xe vestspole med en skadet kabel. Høyre lunge (venstre slik bildene vises på siden) viser et lavere signal-støy-forhold (SNR) enn venstre lunge (høyre slik bildene vises på siden), og høyre lunge viser også en merkbar intensitetsrulle, med høyere SNR i fremre skiver enn i bakre skiver, og høyere SNR mot medialkanten av lungen enn mot sidekanten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Representative bilder der spolen ble plassert for langt i underordnet retning. (A) Ventilasjon og (B) anatomiske bilder fra en 6 år gammel 46 lb mann med diagnostisert mild cystisk fibrose, skannet med 129Xe vestspole plassert for langt i underordnet retning. Det målte signalet i lungeapikene er kunstig lavt på grunn av den resulterende mangelen på mottakerfølsomhet i lungeapices. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Representativ ventilasjonsanalyse med 129Xe MR-bilder. (A) Anatomiske og (B) ventilasjonsbilder fra en 84 år gammel 188 lb mann med diagnostisert kronisk obstruktiv lungesykdom, med (C) ventilasjonskart beregnet ved hjelp av den enkle binariserte analyseprosedyren beskrevet i trinn 8 i protokollen. Ventilerte områder av lungen er vist i cyan, mens uventilerte områder av lungen er vist i magenta. Alvorlige ventilasjonsfeil kan oppdages hos denne personen, inkludert nesten fullstendig tap av ventilasjon i den øvre lungelappen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfil 1: Eksempel på MR-sikkerhetsskjema. Dette skjemaet brukes ved University of Virginia for å vurdere MR-sikkerhet. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ventilasjons- og anatomiske MR-tilnærmingene som er skissert ovenfor, er designet for å maksimere bildekvaliteten og SNR, samtidig som implementeringen opprettholdes - disse sekvensprotokollene kan generelt tilpasses fra leverandørens produktpulssekvenser, forutsatt at multinukleær drift er aktivert, og bilder vil automatisk rekonstruere på skannerdatamaskinen. En ulempe med 2D-tilnærmingene beskrevet her er bruken av skiveselektive RF-pulser, som introduserer signalforskjeller mellom skiver samlet inn tidligere i 129Xe-ventilasjonsoppkjøpet enn senere på grunn av T 1-avslapning av den inhalerte hyperpolariserte 129Xe under skanningen. En annen ulempe med prosedyren beskrevet her er at 129Xe ventilasjonsskanning og tilhørende 1H anatomisk skanning er anskaffet i forskjellige pustegrep, noe som muligens introduserer variasjoner i lungeinflasjonsnivå eller posisjon mellom ventilasjon og anatomiske skanninger.

Tilnærminger for 3D-ventilasjonsavbildning og for enkeltpust-hold-avbildning av både 129Xe og 1H har blitt stadig vanligere. 3D-bildebehandlingsmetoder tillater rekonstruksjon av isotrope voxels (i motsetning til de ikke-isotrope voxels med grovere oppløsning langs skiveretningen som kreves av skiveselektiv 2D-avbildning) og unngår potensiell T1-drevet 129Xe-signalvariasjon fra en skive til den neste35,36. Ved bruk av kartesiske k-space-baner krever 3D-avbildning med isotrop oppløsning lengre skannetider enn 2D-avbildning med samme volum. Derfor brukes mer tidseffektiv ikke-kartesisk sampling av k-rom ofte til 3D-avbildning. Den mye større tidseffektiviteten som ikke-kartesisk sampling gir, kan også tillate oppkjøpet av 129Xe- og 1H-bildene i samme åndedrag37. Disse avanserte tilnærmingene forblir vanskeligere å implementere og standardisere på tvers av nettsteder på grunn av den nødvendige pulssekvensprogrammeringen og avanserte rekonstruksjonsteknikker. Men etter hvert som leverandørstøtte for pulssekvenser med ikke-kartesisk avlesning blir tilgjengelig, kan disse mer avanserte tilnærmingene bli vanlige og standardiserte på tvers av nettsteder.

Ventilasjonsanalyseprosedyren presentert i trinn 8 i protokollen er en enkel metode som enkelt kan implementeres og tolkes, da den returnerer et binært defekt/ikke-defektsvar for hver segmenterte lungevoxel og samler disse resultatene til et enkelt VDP-nummer for det skannede individet. Selv om denne tilnærmingen er et rimelig utgangspunkt for ventilasjonsanalyse, kan ikke voxel-klok binarisering fullt ut karakterisere ventilasjonsheterogenitet. Mer komplekse tilnærminger til ventilasjonskategorisering er utviklet og testet og er i bruk ved enkelte forskningsinstitusjoner33. Generelt søker disse tilnærmingene å karakterisere voxel-vis ventilasjon utover bare ventilert og ikke-ventilert ved å inkludere andre kategorier, for eksempel hyperventilert og delvis ventilert, med sikte på å produsere mer beskrivende og meningsfulle avlesninger enn binær VDP. Spesifikke kategoriseringsmetoder inkluderer lineær binning av normaliserte voxelintensiteter ved bruk av histogrammer4; voxel intensitetsklassifisering ved bruk av k-midler 38, fuzzy c-means 39,40 og gaussisk blandingsmodellering41; og dype konvolusjonelle nevrale nettverk trening på eksisterende hyperpolariserte gassventilasjonsbilder33,34. Kvantifisering av ventilasjon ved bruk av 129Xe MR er fortsatt et område for aktiv utvikling og diskusjon, uten noen konsensus beste praksis-metode identifisert i skrivende stund.

Omfanget av denne protokollen er begrenset til 129Xe ventilasjons-MR, og til dags dato er dette fortsatt den eneste 129Xe MR-teknikken som er godkjent for klinisk bruk av FDA. En interessant fordel med 129Xe MR-pakken med teknikker er imidlertid potensialet for regional karakterisering av mange forskjellige aspekter ved lungefunksjonen. Spesielt gir det nylige posisjonspapiret30 fra Xe MRI CTC gjeldende anbefalte praksis for avbildning av lungegassutveksling ved bruk av oppløst fase 129Xe MR og kvantifisering av alveolar-luftromsstørrelse ved bruk av 129Xe diffusjons-MR. Disse protokollene kan vanligvis ikke tilpasses fra leverandørleverte protokoller og krever derfor betydelig pulssekvensprogrammering. Når pulssekvenser er utviklet, kan de tilknyttede protokollene enkelt integreres i arbeidsflyten for 129Xe ventilasjons-MR som er beskrevet her, ettersom beste praksis for xenonpolarisasjon, xenondosering og sikkerhetsovervåking av forsøkspersoner er felles for de forskjellige 129Xe MR-metodene. Når mange 129Xe MR-skanningstyper forventes å bli utført i ett enkelt forsøksperson, anbefales det å utføre 129Xe-skanninger som representerer det primære studieendepunktet først etter å ha utført 129Xe-kalibrering, i tilfelle de resulterende bildene ikke er akseptable, og den primære endepunktsskanningen må gjentas ved hjelp av en 129Xe-dose som opprinnelig var ment for en påfølgende sekundær endepunktsskanning.

Protokollen beskrevet her er beregnet for avbildning av voksne og eldre ungdommer, og 129Xe ventilasjon MR er for øyeblikket bare godkjent for klinisk bruk av FDA hos personer i alderen minst 12 år. Imidlertid er 129Xe MR av økende interesse som et verktøy for pediatrisk lungesykdomsforskning 17,22,42,43, og FDA-godkjenning for 129Xe MR i pediatriske populasjoner vil bli søkt i kort rekkefølge. Vanskeligheter med å holde pusten og/eller utføre pusteinstruksjoner er mer sannsynlig hos barn, og derfor er coaching før skanning spesielt viktig. Testposeøvelsesprosedyren beskrevet i trinn 4 i protokollen antar også en mer avgjørende rolle, da den kan bidra til å avgjøre om du skal gå videre til 129Xe-avbildning. I tillegg bør protokoller for pediatrisk 129Xe MR tilstrebe å forkorte skannetiden (og dermed pustetiden) der det er mulig. Mindre lunger hos pediatriske forsøkspersoner kan nødvendiggjøre andre 129Xe doseringshensyn og oppløsnings- og/eller FOV-innstillinger enn de som brukes for eldre personer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfattere J.F.M., J.P.M. og Y.M.S. deltar i kliniske studier støttet av Polarean, Inc. Forfatterne J.F.M. og Y.M.S. tilbyr konsulenttjenester til Polarean, Inc. (mindre enn $5000). Forfatter J.P.M. mottar forskningsstøtte fra Polarean, Inc.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble finansiert av National Institutes of Health (tilskuddsnummer R01-CA172595-01, R01-HL132177, R01-HL167202, S10-OD018079 og UL1-TR003015) og av 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

  1. Roos, J. E., McAdams, H. P., Kaushik, S. S., Driehuys, B. Hyperpolarized gas MRI: Technique and applications. Magn Reson Imaging Clin N Am. 23 (2), 217-229 (2015).
  2. Mugler, J. P., Altes, T. A. Hyperpolarized 129Xe MRI of the human lung. J Magn Reson Imaging. 37 (2), 313-331 (2013).
  3. Ebner, L., et al. The role of hyperpolarized 129xenon in MR imaging of pulmonary function. Eur J Radiol. 86, 343-352 (2017).
  4. He, M., Driehuys, B., Que, L. G., Huang, Y. C. T. Using hyperpolarized 129Xe MRI to quantify the pulmonary ventilation distribution. Acad Radiol. 23 (12), 1521-1531 (2016).
  5. Walkup, L. L., et al. Xenon-129 MRI detects ventilation deficits in paediatric stem cell transplant patients unable to perform spirometry. Eur Respir J. 53 (5), 1801779 (2019).
  6. Virgincar, R. S., et al. Quantitative analysis of hyperpolarized 129Xe ventilation imaging in healthy volunteers and subjects with chronic obstructive pulmonary disease. NMR Biomed. 26 (4), 424-435 (2013).
  7. Ebner, L., et al. Hyperpolarized 129Xenon magnetic resonance imaging to quantify regional ventilation differences in mild to moderate Asthma: A prospective comparison between semiautomated ventilation defect percentage calculation and pulmonary function tests. Invest Radiol. 52 (2), 120-127 (2017).
  8. Woodhouse, N., et al. Combined helium-3/proton magnetic resonance imaging measurement of ventilated lung volumes in smokers compared to never-smokers. J Magn Reson Imaging. 21 (4), 365-369 (2005).
  9. Mugler, J. P., et al. Simultaneous magnetic resonance imaging of ventilation distribution and gas uptake in the human lung using hyperpolarized xenon-129. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (50), 21707-21712 (2010).
  10. 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).
  11. Cleveland, Z. I., et al. Hyperpolarized 129Xe MR imaging of alveolar gas uptake in humans. PLoS One. 5 (8), 12192 (2010).
  12. Wang, Z., et al. Using hyperpolarized 129Xe gas-exchange MRI to model the regional airspace, membrane, and capillary contributions to diffusing capacity. J Appl Physiol. 130 (5), 1398-1409 (2021).
  13. Guan, S., et al. 3D single-breath chemical shift imaging hyperpolarized Xe-129 MRI of healthy, CF, IPF, and COPD subjects. Tomography. 8 (5), 2574-2587 (2022).
  14. Ouriadov, A., et al. Lung morphometry using hyperpolarized (129) Xe apparent diffusion coefficient anisotropy in chronic obstructive pulmonary disease. Magn Reson Med. 70 (129), 1699-1706 (2013).
  15. Yablonskiy, D. A., Sukstanskii, A. L., Quirk, J. D., Woods, J. C., Conradi, M. S. Probing lung microstructure with hyperpolarized noble gas diffusion MRI: theoretical models and experimental results. Magn Reson Med. 71 (2), 486-505 (2014).
  16. Chan, H. F., Stewart, N. J., Norquay, G., Collier, G. J., Wild, J. M. 3D diffusion-weighted 129 Xe MRI for whole lung morphometry. Magn Reson Med. 79 (6), 2986-2995 (2018).
  17. Walkup, L. L., et al. 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).
  18. Driehuys, B., et al. Chronic obstructive pulmonary disease: safety and tolerability of hyperpolarized 129Xe MR imaging in healthy volunteers and patients. Radiology. 262 (1), 279-289 (2012).
  19. Myc, L., et al. Characterisation of gas exchange in COPD with dissolved-phase hyperpolarised xenon-129 MRI. Thorax. 76 (2), 178-181 (2021).
  20. Kaushik, S. S., et al. Measuring diffusion limitation with a perfusion-limited gas-Hyperpolarized 129Xe gas-transfer spectroscopy in patients with idiopathic pulmonary fibrosis. J Appl Physiol. 117 (6), 577-585 (2014).
  21. Dournes, G., et al. The clinical use of lung MRI in cystic fibrosis: What, now, how. Chest. 159 (6), 2205-2217 (2021).
  22. Thomen, R. P., et al. Hyperpolarized 129Xe for investigation of mild cystic fibrosis lung disease in pediatric patients. J Cyst Fibros. 16 (2), 275-282 (2017).
  23. Mammarappallil, J. G., Rankine, L., Wild, J. M., Driehuys, B. New developments in imaging idiopathic pulmonary fibrosis with hyperpolarized xenon magnetic resonance imaging. J Thorac Imaging. 34 (2), 136-150 (2019).
  24. Rankine, L. J., et al. 129Xenon gas exchange magnetic resonance imaging as a potential prognostic marker for progression of idiopathic pulmonary fibrosis. Ann Am Thorac. 17 (1), 121-125 (2020).
  25. Mata, J., et al. Evaluation of regional lung function in pulmonary fibrosis with xenon-129 MRI. Tomography. 7 (3), 452-465 (2021).
  26. Svenningsen, S., et al. Hyperpolarized (3) He and (129) Xe MRI: Differences in asthma before bronchodilation. J Magn Reson Imaging. 38 (3), 1521-1530 (2013).
  27. Stewart, N. J., et al. Comparison of 3He and 129Xe MRI for evaluation of lung microstructure and ventilation at 1.5T. J Magn Reson Imaging. 48 (3), 632-642 (2018).
  28. Hughes, P. J. C., et al. Assessment of the influence of lung inflation state on the quantitative parameters derived from hyperpolarized gas lung ventilation MRI in healthy volunteers. J Appl Physiol. 126 (1), 183-192 (2019).
  29. Polarean. FDA Approves Polarean's XENOVIEWTM (xenon Xe 129 hyperpolarized) for use with MRI for the evaluation of lung ventilation. , Polarean. (2022).
  30. Niedbalski, P. J., et al. Protocols for multi-site trials using hyperpolarized 129Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the 129Xe MRI clinical trials consortium. Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).
  31. Bier, E. A., et al. A thermally polarized 129 Xe phantom for quality assurance in multi-center hyperpolarized gas MRI studies. Magn Reson Med. 82 (5), 1961-1968 (2019).
  32. He, M., et al. Dose and pulse sequence considerations for hyperpolarized 129Xe ventilation MRI. Magn Reson Imaging. 33 (7), 877-885 (2015).
  33. Tustison, N. J., et al. Image- versus histogram-based considerations in semantic segmentation of pulmonary hyperpolarized gas images. Magn Reson Med. 86 (5), 2822-2836 (2021).
  34. Tustison, N. J., et al. Convolutional neural networks with template-based data augmentation for functional lung image quantification. Acad Radiol. 26 (3), 412-423 (2019).
  35. Wild, J. M., et al. Comparison between 2D and 3D gradient-echo sequences for MRI of human lung ventilation with hyperpolarized 3He. Magn Reson Med. 52 (3), 673-678 (2004).
  36. Willmering, M. M., et al. Improved pulmonary 129 Xe ventilation imaging via 3D-spiral UTE MRI. Magn Reson Med. 84 (1), 312-320 (2020).
  37. Collier, G. J., et al. Single breath-held acquisition of coregistered 3D 129 Xe lung ventilation and anatomical proton images of the human lung with compressed sensing. Magn Reson Med. 82 (1), 342-347 (2019).
  38. Zha, W., et al. Semiautomated ventilation defect quantification in exercise-induced bronchoconstriction using hyperpolarized helium-3 magnetic resonance imaging: a repeatability study. Acad Radiol. 23 (9), 1104-1114 (2016).
  39. Ray, N., Acton, S. T., Altes, T. A., de Lange, E. E., Brookeman, J. R. Merging parametric active contours within homogeneous image regions for MRI-based lung segmentation. IEEE Trans Med Imaging. 22 (2), 189-199 (2003).
  40. Hughes, P. J. C., et al. Spatial fuzzy c-means thresholding for semiautomated calculation of percentage lung ventilated volume from hyperpolarized gas and 1 H MRI. J Magn Reson Imaging. 47 (3), 640-646 (2018).
  41. Tustison, N. J., et al. Ventilation-based segmentation of the lungs using hyperpolarized (3)He MRI. J Magn Reson Imaging. 34 (3), 831-841 (2011).
  42. Kanhere, N., et al. Correlation of lung clearance index with hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in pediatric subjects with cystic fibrosis. Am J Respir Crit Care Med. 196 (8), 1073-1075 (2017).
  43. Rayment, J. H., et al. Hyperpolarised 129Xe magnetic resonance imaging to monitor treatment response in children with cystic fibrosis. Eur Respir J. 53 (5), 1802188 (2019).

Tags

Medisin utgave 201
Anskaffelse av hyperpolariserte <sup>129</sup>Xe magnetiske resonansbilder av lungeventilasjon
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter