Summary
La resonancia magnética (RM) hiperpolarizada de 129X es un método para estudiar aspectos de la función pulmonar resueltos regionalmente. Este trabajo presenta un flujo de trabajo estandarizado de extremo a extremo para la resonancia magnética hiperpolarizada de 129Xe de ventilación pulmonar, con especial atención al diseño de la secuencia de pulsos, la preparación de la dosis de 129Xe, el flujo de trabajo de exploración y las mejores prácticas para el monitoreo de la seguridad de los sujetos.
Abstract
La resonancia magnética hiperpolarizada de 129Xe comprende una gama única de técnicas de imágenes pulmonares estructurales y funcionales. La estandarización de la técnica en todos los centros es cada vez más importante dada la reciente aprobación por parte de la FDA del 129Xe como agente de contraste para la RM y a medida que aumenta el interés en la RM con 129Xe entre las instituciones clínicas y de investigación. Los miembros del Consorcio de Ensayos Clínicos de Resonancia Magnética 129Xe (Xe MRI CTC) han acordado las mejores prácticas para cada uno de los aspectos clave del flujo de trabajo de la RM 129Xe, y estas recomendaciones se resumen en una publicación reciente. Este trabajo proporciona información práctica para desarrollar un flujo de trabajo de extremo a extremo para la recopilación de 129imágenes de RM Xe de ventilación pulmonar de acuerdo con las recomendaciones de CTC de RM Xe. Se discutirá y demostrará la preparación y administración de 129Xe para estudios de RM, con temas específicos que incluyen la elección de volúmenes de gas apropiados para estudios completos y para exploraciones de RM individuales, preparación y administración de dosis individuales de 129Xe y las mejores prácticas para monitorear la seguridad del sujeto y la tolerabilidad de 129Xe durante los estudios. También se cubrirán las consideraciones técnicas clave de la RM, incluidos los tipos de secuencia de pulsos y los parámetros optimizados, la calibración del ángulo de giro y la frecuencia central de 129Xe, y el análisis de imágenes de ventilación de RM de 129Xe.
Introduction
La resonancia magnética hiperpolarizada de 129Xe es una herramienta interesante para la caracterización y cuantificación no invasiva y resuelta espacialmente de aspectos específicos de la función pulmonar 1,2,3. Los enfoques de adquisición y reconstrucción similares a los utilizados en la RM anatómica de protones producen imágenes de 129Xe inhalados en los pulmones, lo que permite la visualización de las regiones pulmonares no ventiladas y la cuantificación de la distribución de la ventilación resuelta por la región 4,5,6,7,8 . Las técnicas más avanzadas de secuenciación y análisis de pulsos proporcionan más información complementaria, incluida la cuantificación de la eficacia del intercambio gaseoso entre los alvéolos y los capilares pulmonares mediante resonancia magnética espectroscópica 9,10,11,12,13 y la caracterización de la integridad de la microestructura alveolar mediante resonancia magnética ponderada por difusión 14,15,16.
Se ha demostrado que el 129Xe inhalado es seguro y tolerable en sujetos adultos y pediátricos, incluidos aquellos con enfermedad pulmonar17,18. Las mediciones de la función pulmonar derivadas de la RM con 129X han mostrado sensibilidad a las alteraciones estructurales y funcionales en muchos contextos de enfermedad pulmonar, incluida la enfermedad pulmonar obstructiva crónica 6,10,19, la fibrosis quística 20,21,22, la fibrosis pulmonar idiopática 23,24,25 y el asma 7,10,26. Dada la alta seguridad y tolerabilidad de la RM con 129Xe, la ausencia de radiación ionizante en la RM en comparación con otros enfoques de imagen comunes y la alta reproducibilidad de los resultados de la RM con 129Xe27,28, la RM con 129Xe es muy prometedora, en particular para la monitorización seriada precisa de las personas que reciben un curso temporal de tratamiento para la enfermedad pulmonar crónica.
La seguridad y la promesa clínica de la resonancia magnética con 129Xe han llevado a su aprobación por parte de la FDA en diciembre de 2022 para la obtención de imágenes de ventilación pulmonar en personas de 12 años o más29. Teniendo en cuenta esto, se prevé que el número de centros clínicos y de investigación capaces de realizar 129Xe MRI (actualmente ~20 en todo el mundo) aumentará significativamente en los próximos años. A medida que la RM 129Xe se extiende a nuevas instituciones, es importante que existan recursos metodológicos sólidos para permitir que los centros desarrollen rápidamente técnicas de RM 129Xe clínicamente relevantes, así como que realicen exploraciones y generen resultados que sean muy comparables con los de los centros existentes.
En este trabajo, describiremos las mejores prácticas actuales para la resonancia magnética hiperpolarizada humana de 129Xe de ventilación pulmonar, según lo acordado por las instituciones miembros del Consorcio de Ensayos Clínicos de 129Xe XI (XE RMI CTC) y resumido en un documento de posición reciente30. Los temas incluirán la preparación de secuencias de pulso personalizadas ideales para un flujo de trabajo completo de resonancia magnética de 129Xe, la preparación y administración de gas hiperpolarizado de 129Xe, un flujo de trabajo optimizado para sesiones de resonancia magnética de 129Xe humanas y las mejores prácticas para monitorear la seguridad y la comodidad de los sujetos durante las sesiones de resonancia magnética.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Toda investigación que involucre sujetos humanos debe ser aprobada por una junta de revisión institucional (IRB, por sus siglas en inglés). La participación de la IRB no es necesaria para el uso clínico aprobado por la normativa de la RM con 129Xe. Antes de participar en un estudio de investigación, los posibles sujetos deben recibir un documento de consentimiento informado aprobado. La persona que obtiene el consentimiento debe explicar el contenido del documento, incluido el propósito, los procedimientos, los beneficios y los riesgos del estudio, debe responder a cualquier pregunta y debe obtener el consentimiento del sujeto para proceder con el estudio según lo documentado por la firma del sujeto en el documento de consentimiento informado. En el caso de sujetos pediátricos u otras circunstancias especiales, se deben seguir las prácticas aprobadas para obtener el consentimiento. El protocolo que se describe a continuación sigue las pautas del IRB de la Universidad de Virginia, y los sujetos de casos de ejemplo en este manuscrito han firmado los formularios de consentimiento aprobados por el IRB de la Universidad de Virginia (IRB 13647, 16215, 16885, 19569).
1. Preparación de hardware y secuencias de pulsos para la resonancia magnética de 129Xe
NOTA: Los pasos del protocolo del paso 1 deben realizarse antes de escanear cualquier sujeto humano. No es necesario repetirlos para cada tema.
- Verifique que el escáner de resonancia magnética sea capaz de funcionar con múltiples nucleares, incluido el 129Xe.
- Verifique que la bobina de radiofrecuencia (RF) 129Xe se pueda conectar al escáner de resonancia magnética, utilizando una caja de interfaz de bobina a escáner especialmente diseñada si es necesario.
- Verifique que el software adecuado (a menudo llamado archivo de bobina) para conectar la bobina de RF 129Xe con el escáner de resonancia magnética esté instalado si así lo requiere el fabricante del escáner.
- Prepare secuencias de pulsos para imágenes de 129X y 1H como se describe a continuación.
- Para la calibración de 129Xe, prepare una secuencia espectroscópica no localizada que comprenda una serie de desintegraciones de inducción libre (FID) utilizando los parámetros de secuencia de impulsos proporcionados en la Tabla 1.
NOTA: Los FID adquiridos a ~218 ppm (frecuencia de fase disuelta) se utilizan principalmente para determinar los parámetros de la resonancia magnética de 129Xe en fase disuelta, que no se trata en el presente trabajo. Sin embargo, estos parámetros se dan para que se pueda desarrollar una única calibración estandarizada de 129Xe que sea suficiente para resonancias magnéticas de 129Xe de cualquier tipo. Además, tenga en cuenta que es posible que no se necesite un escaneo de calibración por separado para estudios que involucren solo imágenes de ventilación de 129X una vez que el sitio adquiera suficiente experiencia. La frecuencia de funcionamiento de 129Xe se puede estimar con precisión escalando la frecuencia de 1H determinada por el escáner en la relación de relaciones giromagnéticas de 129Xe a 1H, y la calibración del transmisor se puede estimar en función de la experiencia acumulada y el peso del sujeto. - Para la resonancia magnética de ventilación de 129Xe, prepare una secuencia bidimensional (2D) de eco-gradiente estropeado de RF utilizando los parámetros de secuencia de pulsos proporcionados en la Tabla 2. Asegúrese de que 129Xe esté seleccionado como núcleo de destino.
- Para la RM anatómica convencional de 1H, prepare una secuencia de eco-espín rápido/turbo de disparo único o una secuencia de eco-gradiente estropeada por RF utilizando los parámetros proporcionados en la Tabla 2.
NOTA: Para la ventilación de 129Xe y las secuencias anatómicas de 1H, el campo de visión y el número de cortes son específicos del sujeto. Elija estos parámetros al comienzo de la sesión de exploración de tal manera que garantice una cobertura total de los pulmones en las tres dimensiones.- Habilite el sobremuestreo de fase para mitigar el posible solapamiento de los brazos en el campo de visión de imágenes.
- Las limitaciones del proveedor del escáner de resonancia magnética pueden impedir el funcionamiento de la secuencia turbo/espín-eco rápido de disparo único a la resolución gruesa en el plano sugerida (4 mm x 4 mm). Si este es el caso, utilice una resolución que sea un factor entero de la resolución deseada (por ejemplo, 2 mm x 2 mm).
NOTA: El escaneo anatómico de 1H se puede adquirir alternativamente utilizando una secuencia de eco de gradiente 2D estropeada por RF. En este caso, utilice los mismos parámetros que los parámetros de exploración de ventilación indicados en la Tabla 2 , pero habilite el sobremuestreo de fase para evitar el solapamiento de los brazos en el campo de visión de la imagen.
- Para la calibración de 129Xe, prepare una secuencia espectroscópica no localizada que comprenda una serie de desintegraciones de inducción libre (FID) utilizando los parámetros de secuencia de impulsos proporcionados en la Tabla 1.
- Verifique el funcionamiento de la bobina de RF y las secuencias de pulsos descritas anteriormente realizando escaneos de un maniquí31 de 129Xe polarizado térmicamente para escaneos de 129Xe y un maniquí de 1H para escaneos de 1H.
| Parámetro | Calibración | ||
| TR | 15 ms | ||
| TE | 0,45 ms (3 T), 0,8 ms (1,5 T) | ||
| Pulso de RF | sinc con ventana | ||
| Duración de RF | 0,65-0,69 ms (3 T), 1,15-1,25 ms (1,5 T) | ||
| Ángulo de volteo | 20° | ||
| Frecuencia de RF | 218 ppm (fase disuelta), 0 ppm (fase gaseosa) | ||
| Tiempo de permanencia | 39 μs | ||
| Ancho de banda | 25,6 kHz | ||
| No. de muestras | 256 (sin incluir el sobremuestreo, si se utiliza) | ||
| Duración de la lectura | 10 ms | ||
| Número de FID | 1 ruido (sin RF), 499 a la frecuencia de fase disuelta, 20 a la frecuencia de fase gaseosa. | ||
| Deterioro del gradiente | momento de al menos 15 mT/m-ms (cada eje, después de cada FID) | ||
| Duración | ~8 s | ||
Tabla 1: Parámetros de secuencia de impulsos recomendados para la calibración de 129Xe. Se dan parámetros para una secuencia de pulsos de calibración espectroscópica no localizada de 129Xe.
| Parámetro | Ventilación | Anatómico |
| Tipo de secuencia | Eco de gradiente estropeado por RF | Turbo de un solo disparo/eco de giro rápido |
| TR | <10 ms | Infinito |
| TE | <5 ms | <50 ms |
| Espaciado de eco | N/A | 3-5 ms |
| Ángulo de giro de excitación | 8-12° | 90° |
| Reenfocar el ángulo de giro | N/A | ≥90° (máximo permitido dentro de los límites de SAR) |
| Grosor de la rebanada | 15 milímetros | 15 milímetros |
| Espacio de corte | Ninguno | Ninguno |
| Orientación de la división | Coronal | Coronal |
| Orden de las rebanadas | Secuencial (anterior a posterior) | Secuencial (anterior a posterior) |
| Orden de codificación de fase | Secuencial (de izquierda a derecha) | Secuencial (de izquierda a derecha) |
| NEX | 1 (hasta 7/8 de Fourier parcial permitido) | Medio Fourier |
| Eco asimétrico | Permitido | N/A |
| Tamaño del vóxel | 4 x 4 x 15 mm3 | 4 x 4 x 15 mm3 |
| Duración del muestreo por eco | 5-7 ms | 1-1,5 ms |
| Duración del escaneo | 8-12 s | ≤16 s |
Tabla 2: Parámetros de secuencia de pulsos recomendados para la ventilación de 129Xe y las imágenes anatómicas de 1H. Se dan parámetros para una secuencia 2D de eco-gradiente rápido estropeado por RF para imágenes de ventilación de 129Xe (primera columna) y una secuencia 2D de turbo/eco-espín rápido de disparo único para imágenes anatómicas de 1H (segunda columna). Tenga en cuenta que el escaneo anatómico se puede adquirir alternativamente utilizando una secuencia de eco de gradiente 2D estropeada por RF. En este caso, utilice los mismos parámetros que los parámetros de exploración de ventilación indicados aquí, pero añada el sobremuestreo de fase según sea necesario para evitar el solapamiento de los brazos en el campo de visión de la imagen. Además, tenga en cuenta que el método particular para especificar el ancho de banda del receptor varía según el fabricante del escáner, pero que el valor correcto se puede calcular para cualquier fabricante de escáner a partir de la duración de muestreo dada por eco.
2. Selección y preparación de candidatos para la resonancia magnética de 129X
- Asegúrese de que no haya contraindicaciones para la RM en el sujeto potencial encuestándolo con un formulario de seguridad de RM. El Archivo Suplementario 1 muestra un formulario de ejemplo utilizado en la Universidad de Virginia.
- Asegúrese de que el posible sujeto no cumpla con ningún criterio de exclusión particular de los exámenes de resonancia magnética de 129Xe, que pueden incluir, entre otros: porcentaje de VEF1 pronosticado inferior al 25%, una afección respiratoria descompensada en las 6 semanas anteriores, circunferencia torácica mayor que la circunferencia interior de la bobina de RF de 129Xe y antecedentes de enfermedad cardíaca inestable.
NOTA: Los criterios adicionales que no indican una exclusión inmediata, pero que justifican una cuidadosa consideración individual, incluyen: la necesidad de oxígeno suplementario significativo al inicio (es decir, más de 3 L/min por cánula nasal) y antecedentes de trastorno neurológico con anomalías iniciales. - Si realiza una prueba de difusión pulmonar (DLCO) o una espirometría durante la visita de imagen, indique al sujeto que no ingiera bebidas carbonatadas el día de la visita del estudio. Si un sujeto usa medicamentos respiratorios prescritos, indíquele que retrase o se abstenga de tomarlos si así lo especifica el protocolo del estudio.
3. Preparación de dosis hiperpolarizadas de 129Xe
NOTA: Las instrucciones detalladas del polarizador 129Xe y de la estación de medición de polarización son patentadas y específicas de cada proveedor. Las instrucciones a continuación comprenden un resumen básico para el funcionamiento general del polarizador de bombeo óptico de intercambio de espín 129Xe.
- Decida el volumen de la dosis para el sujeto. Por lo general, se elige un volumen de dosis total de 1 L para todos los sujetos, y este volumen de dosis total se especifica en la etiqueta de la FDA para la RMN de 129Xe. Sin embargo, las recomendacionesactuales de la CTC de resonancia magnética Xe30 sugieren que el volumen total de la dosis (xenón más nitrógeno o helio) debe dirigirse a 1/5 de la capacidad vital forzada (CVF) del sujeto para garantizar una cantidad cómoda de gas para inhalar para cada sujeto y minimizar los efectos relacionados con la diferencia de volumen pulmonar entre los sujetos.
- Si sedispone de resultados recientes de espirometría para el sujeto, utilícelos para determinar 1/5 de la CVF. Si los resultados de la espirometría no están disponibles, estime la capacidad pulmonar total (TLC) del sujeto en función de la altura, el sexo y la raza, y estime la dosis total como 1/6 de TLC.
- Decide un volumen de gas xenón para polarizar.
NOTA: Los volúmenes objetivo de xenón para cada bolsa de dosis se dan como volúmenes de dosis equivalentes (DE), que conceptualmente indican el volumen equivalente de gas 129Xe 100% enriquecido y polarizado al 100%. Conceptualmente, el volumen de DE es directamente proporcional a la relación señal-ruido (SNR) esperada de un escaneo de 129Xe, y el volumen de DE recomendado será mayor o menor para ciertos tipos de escaneo de 129Xe en función de la SNR requerida para ese tipo de escaneo.- Calcule el volumen de DE para una dosis de xenón dada de la siguiente manera32:
donde VXe es el volumen total de gas xenón (todos los isótopos, no solo 129Xe) en la dosis, f129Xe es el enriquecimiento isotópico de 129Xe y P129Xe es la polarización de 129Xe. - Elija el total de volúmenes DE necesarios para el conjunto de 129escaneos Xe que se realizarán. Los volúmenes de DE recomendados para la calibración individual y las exploraciones de ventilación son de 75-150 ml.
NOTA: Para las imágenes de ventilación, la SNR debe ser lo suficientemente alta como para distinguir de forma robusta entre vóxeles de imagen ventilados y no ventilados. Un volumen de DE de 50 ml se considera el mínimo absoluto para que las imágenes de ventilación30 logren una SNR esperada de al menos 20. Para las exploraciones de calibración, un volumen de DE tan bajo como 25 mL puede ser aceptable si solo se calibra la señal de fase gaseosa; Se deben utilizar al menos 75 ml si se calibran las señales de fase gaseosa y de fase disuelta.
- Calcule el volumen de DE para una dosis de xenón dada de la siguiente manera32:
- Utilice el volumen total de DE necesario, el enriquecimiento isotrópico conocido de 129Xe del gas xenón y la polarización estimada de 129Xe basada en ejecuciones de polarización anteriores para calcular el volumen total de gas xenón requerido para la polarización. A continuación se muestra un ejemplo de cálculo para una gammagrafía de ventilación (volumen DE = 75 ml), suponiendo un enriquecimiento isotópico de 129Xe del 85% y una polarización del 20%32:
Realice este cálculo para cada dosis de xenón para determinar el volumen correcto de gas xenón polarizado que se debe dispensar en cada bolsa de dosis.- Los sujetos con un IMC bajo (<21) tienen un mayor riesgo de efectos más profundos en el sistema nervioso central (SNC) después de la inhalación de 129X que otros sujetos. Consulte a un médico antes de obtener imágenes de sujetos con un IMC bajo y considere minimizar los volúmenes de dosis de 129Xe para evitar estos posibles problemas.
- Prepare el polarizador 129Xe de acuerdo con todas las instrucciones suministradas por el proveedor del polarizador.
- Los pasos pueden incluir los siguientes, según el proveedor del polarizador: asegúrese de que la fuente de alimentación de la bobina de Helmholtz esté encendida; evacuar el colector de salida para eliminar cualquier impureza; coloque el dewar de nitrógeno líquido alrededor / debajo del dedo frío; encienda los láseres y permita que se calienten; encienda el flujo de aire al horno, ajuste el horno a la temperatura adecuada con el controlador del horno y deje que el horno se caliente.
PRECAUCIÓN: El nitrógeno líquido puede causar congelación grave si entra en contacto con la piel, los ojos o la ropa, y la luz láser de alta intensidad puede causar lesiones oculares si incide en el ojo sin protección. Tenga la precaución adecuada y use equipo de protección según sea necesario.
- Los pasos pueden incluir los siguientes, según el proveedor del polarizador: asegúrese de que la fuente de alimentación de la bobina de Helmholtz esté encendida; evacuar el colector de salida para eliminar cualquier impureza; coloque el dewar de nitrógeno líquido alrededor / debajo del dedo frío; encienda los láseres y permita que se calienten; encienda el flujo de aire al horno, ajuste el horno a la temperatura adecuada con el controlador del horno y deje que el horno se caliente.
- Asegúrese de que la estación de medición de polarización 129Xe esté encendida y que el software esté listo para medir la polarización de la dosis.
- Comience la recolección de 129Xe hiperpolarizado realizando los siguientes pasos.
- Inicie el flujo de nitrógeno a la chaqueta fría para calentar los dedos.
- Inicie el flujo de la mezcla de xenón hacia el dedo frío. Consulte las curvas de rendimiento del polarizador en la documentación del polarizador para elegir el caudal óptimo.
- Agregue nitrógeno líquido al dewar que rodea el dedo frío.
- Registre la hora de inicio de la polarización en una hoja de datos para garantizar un volumen de polarización preciso.
- Una vez que haya comenzado la recolección, ajuste el flujo y los controladores del horno para mantener un caudal y una temperatura constantes, y agregue nitrógeno líquido según sea necesario para mantener el dewar lleno.
- Durante la acumulación de xenón, prepare las bolsas de dosis de Tedlar para la recolección de dosis purgando y evacuando repetidamente las bolsas al menos 3 veces usando el colector de salida del polarizador para minimizar las impurezas y / o los gases despolarizantes en las bolsas.
- Una vez transcurrido el tiempo adecuado para la recolección del volumen de 129Xe hiperpolarizado deseado, finalice la recolección de 129Xe hiperpolarizado como se indica en la documentación del polarizador.
- Descongele los 129Xe congelados que se han precipitado en el dedo frío, como se describe a continuación.
- Coloque una bolsa dosificadora de 129Xe en la salida de xenón en el colector de salida.
- Retire con cuidado el dewar de nitrógeno líquido y reemplácelo con un recipiente de descongelación que contenga agua a temperatura ambiente.
- Durante la descongelación, controle la presión continuamente, abriendo la válvula de flujo desde el dedo frío hasta la salida de xenón una vez que la presión alcance un valor umbral indicado en la documentación del polarizador y cerrando rápidamente la válvula a medida que cae la presión.
- Continúe dispensando gas xenón sublimado en la bolsa de dosificación de esta manera hasta que se alcance la cantidad deseada de xenón en la bolsa de dosis.
- Agregue el gas tampón (nitrógeno o helio) en este momento si no se agregó a la bolsa anteriormente.
- Una vez que se agreguen todos los gases de xenón y tampón deseados a la bolsa, cierre rápidamente la abrazadera de pellizco en el tubo de la bolsa, cierre la válvula de salida de xenón y separe la bolsa de dosis completa del polarizador.
- Mueva la bolsa inmediatamente hacia el campo magnético creado por el par de bobinas de Helmholtz de la estación de medición de polarización 129Xe.
PRECAUCIÓN: La presión se acumulará rápidamente en el dedo frío a medida que el gas xenón se calienta y sublima, creando un riesgo potencial de explosión si se permite que la presión se acumule más allá de los límites seguros. Siga exactamente las instrucciones para este paso proporcionadas en la documentación del polarizador y use protección para los ojos mientras realiza este paso.
- Mida y registre la polarización en cada bolsa de dosis en la estación de medición de polarización 129Xe, de acuerdo con las instrucciones proporcionadas por el proveedor de la estación de medición de polarización.
- Una vez que se mide la polarización, mantenga las bolsas de dosis de 129Xe en el campo magnético creado por el par de bobinas de Helmholtz de la estación de medición de polarización hasta que esté listo para administrar una dosis al sujeto.
4. Preparación previa al escaneo y entrenamiento del sujeto
NOTA: Se recomienda que si el sujeto recibe un examen completo que incluye una prueba de caminata de seis minutos, la caminata no debe realizarse hasta después de que se complete la resonancia magnética de 129X para evitar fatigar al sujeto de una manera que podría afectar los resultados de la resonancia magnética de 129Xe. Esto es particularmente relevante para los pacientes con enfermedades cardiopulmonares.
- Confirmar que el sujeto ha llevado a cabo correctamente todas las instrucciones previas a la visita como se describe en el paso 2, y que no se han producido cambios en la salud que cumplan con los criterios de exclusión del estudio o constituyan una contraindicación de RM desde que el sujeto fue examinado.
- Realizar todas las pruebas físicas necesarias en el sujeto, incluido un electrocardiograma (ECG); una colección de signos vitales que incluyen la temperatura corporal, la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria, la saturación de oxígeno en sangre (SpO2) y la presión arterial; espirometría; y una prueba de DLCO.
- Monitoree estas pruebas para detectar cualquier posible signo de advertencia, incluida una SpO2 baja (<92%), presión arterial elevada o una desviación significativa de los resultados de la prueba con respecto a las líneas de base existentes para el sujeto.
NOTA: Estas lecturas, en particular la SpO2 basal, se comprueban debido a la expectativa de que se produzca una leve desaturación transitoria de oxígeno durante la inhalación de 129Xe. En el caso de los sujetos conSpO2 basal <92% u otros signos de advertencia, consulte a un médico para confirmar la idoneidad del sujeto para la prueba de RM de 129Xe y si se debe utilizar O2 suplementario entre inhalaciones de 129Xe. - Entrene al sujeto en el procedimiento correcto de inhalación de 129Xe, como se describe a continuación.
- Prepare una o más bolsas Tedlar que contengan aire para que el sujeto practique fuera del escáner. Utilice un volumen de aire que coincida con el volumen total de xenón y gas tampón que se inhalará de la bolsa durante el estudio real.
- Prepare pinzas nasales para que el sujeto las use durante la exploración en apnea. Coloque las pinzas nasales en la nariz del sujeto antes de que comience la respiración (tanto para la práctica como para el escaneo real).
- Entrene al sujeto usando una bolsa llena de aire para cada intento, siguiendo las instrucciones a continuación. El sujeto debe comenzar a inhalar la bolsa a partir de un volumen objetivo de capacidad residual funcional. Durante el procedimiento a continuación, controle el pecho del sujeto para confirmar que está ejecutando las instrucciones dadas.
- Tenga la bolsa lista, pero no se la administre al sujeto todavía. Pídale al sujeto que: Inhale regularmente. Exhala. Respira regularmente. Exhala.
- Coloque el tubo conectado a la bolsa de Tedlar en la boca del sujeto. Sostenga la bolsa donde el sujeto pueda inhalar y abra la válvula. Pídale al sujeto que: Inhale. Aspirar. Aspirar.
- Una vez que el sujeto haya inhalado todo el contenido de la bolsa, pídale al sujeto que: Aguante la respiración. Indique inmediatamente al operador del escáner que: ¡Adelante!
NOTA: Al escanear el sujeto, el operador del escáner debe iniciar el escaneo al escuchar Go! Esta instrucción no está destinada al sujeto (es decir, debe permanecer quieto y continuar conteniendo la respiración como se le indica inmediatamente de antemano), pero alerta al sujeto de que el escaneo es inminente. - Espere a que finalice el escaneo, o cuando practique, a que cuente entre 10 y 15 s, que es la cantidad aproximada de tiempo requerida para que transcurra un escaneo típico de 129Xe.
- Pídale al sujeto que: Respire. El sujeto exhala en este punto. Entrene al sujeto para que inhale y exhale profundamente varias veces en este punto para facilitar una eliminación más rápida de 129Xe de los pulmones y un retorno más rápido a los niveles normales de saturación de oxígeno.
- Verifique que el sujeto sea capaz de llevar a cabo estas instrucciones de manera confiable. Considere la posibilidad de excluir a los sujetos que no puedan inhalar todo el volumen de gas, que no puedan mantener la apnea o que tosan persistentemente durante los intentos de apnea durante la prueba.
NOTA: El resultado de esta prueba es fundamental para determinar la calidad probable de las imágenes. Esta comprobación del cumplimiento fiable de los sujetos es especialmente importante en el contexto de las imágenes pediátricas y de las imágenes de enfermedades pulmonares graves, ya que los sujetos de una o ambas categorías tienen más probabilidades de tener dificultades para completar de forma fiable la apnea requerida.
5. Preparación de la sala del escáner de resonancia magnética y posicionamiento del sujeto en la mesa del paciente del escáner
- Asegúrese de que cualquier persona que ingrese o se espere que ingrese a la sala del escáner de resonancia magnética (sujeto y personal) se quite todos los objetos metálicos y/o electrónicos de sus bolsillos y de la persona antes de ingresar a la sala del escáner.
- Prepare la bobina del chaleco 129Xe conectándola al escáner y colocándola en la mesa del paciente del escáner de resonancia magnética.
- Indíquele al sujeto que se acueste en la mesa del paciente en una posición supina con los pies por delante (o en decúbito supino con la cabeza por delante, si es más adecuado para la disposición de la sala del escáner). Coloque almohadas debajo de la cabeza, las rodillas, etc. del sujeto, en consulta con el sujeto para asegurarse de que el sujeto pueda permanecer quieto cómodamente durante todo el examen.
- Asegure la bobina del chaleco 129Xe alrededor del pecho del sujeto. Apunte a que la línea media de la bobina en la dirección cabeza-pie quede lo más cerca posible de la línea media esperada de los pulmones del sujeto a un nivel de inflado pulmonar cómodo para evitar reducciones de señal en la periferia de los pulmones.
NOTA: Es un error común colocar la bobina demasiado lejos en la dirección de los pies del sujeto. Colocar la bobina como se indicó anteriormente puede colocar la bobina más hacia la cabeza del sujeto de lo que ingenuamente podría esperarse. Además, es posible que los brazos del sujeto deban colocarse por encima de la cabeza y fuera de la bobina si el diámetro del pecho del sujeto lo requiere. El diámetro específico del tórax por encima del cual se requiere este posicionamiento variará según el hardware específico del escáner y la bobina. Para sujetos más pequeños, los brazos se pueden colocar por encima de la cabeza y fuera de la bobina o a los lados y dentro de la bobina. - Coloque un oxímetro de pulso apto para resonancia magnética junto a la mesa del paciente en la sala de escáneres de resonancia magnética y conecte la sonda del oxímetro de pulso al sujeto. Verifique que el oxímetro de pulso esté leyendo correctamente.
- Coloque una cánula nasal en la nariz del sujeto (o, en el caso de un sujeto sano, tenga una en la sala del escáner) y conéctela a una fuente de oxígeno que se utilizará si laSpO2 del sujeto cae más del 10% durante más de 2 minutos después de la inhalación de la dosis. Coloque el tanque de oxígeno y el regulador de manera segura para RM según la política de seguridad local dentro de una distancia alcanzable.
- Haga avanzar la mesa del paciente hacia el escáner de resonancia magnética, alineando la línea media de la bobina/pulmones del sujeto con el isocentro del escáner.
6. Procedimiento de escaneo
- En la interfaz de usuario del escáner de resonancia magnética, introduzca los datos del sujeto y abra el protocolo de resonancia magnética 129Xe preparado previamente (como se describe en el paso 1).
- Asegúrese de que se hayan preparado dosis de 129Xe como se describe en el paso 3 y de que las bolsas de dosis de 129Xe estén en el campo magnético generado por el par de bobinas de Helmholtz de la estación de medición de polarización (o en un dispositivo equivalente) para minimizar la tasa de despolarización de 129Xe.
- Realice un análisis del localizador de 1H utilizando un protocolo estándar proporcionado por el proveedor (por ejemplo, un localizador de tres planos) como se describe a continuación.
- Indíquele al sujeto que respire de forma cómoda y natural y que contenga la respiración. Mientras el sujeto contiene la respiración, ejecute el escaneo del localizador.
- Vea los resultados de la exploración del localizador en la interfaz del escáner de resonancia magnética. Si las imágenes muestran artefactos (por ejemplo, si no se ha quitado la ropa que contiene metal), resuelva cualquier problema y repita el localizador. Si el campo de visión del localizador está mal centrado en el sujeto, cambie la posición del sujeto y repita. Una vez que se hayan obtenido imágenes de localizador aceptables, continúe con el siguiente paso.
- Realice los ajustes iniciales previos al escaneo para 129escaneos Xe como se describe a continuación.
- Establezca la frecuencia central inicial de 129Xe dividiendo la frecuencia central de 1H del localizador por 3,61529 (la relación aproximada de las respectivas relaciones giromagnéticas de 1H y 129Xe).
- Establezca la configuración inicial del transmisor 129Xe en función de los resultados de calibración de sujetos anteriores con habitus corporal similar, la escala basada en el voltaje de referencia de 1H o el peso medido del sujeto. Los detalles de la configuración del transmisor 129Xe son específicos para los fabricantes del escáner y de la bobina 129Xe.
- Utilice la configuración de corrección de compatibilidad predeterminada del escáner para todas las adquisiciones de 129Xe.
- Después de realizar los ajustes previos al escaneo descritos anteriormente, adquiera el escaneo de calibración 129Xe para encontrar la frecuencia central del 129Xe y la configuración del transmisor como se describe a continuación.
- Cargue la secuencia de calibración 129Xe del protocolo preparado. Asegúrese de que todos los parámetros de la secuencia de pulsos sean los deseados y establezca la configuración de ejecución del escaneo de modo que el escaneo se pueda ejecutar con un solo clic.
- Lleve la bolsa de dosis de 129Xe destinada al escaneo de calibración de 129Xe desde la estación de medición de polarización a la sala del escáner. Sostenga o coloque la bolsa de dosis lista cerca del sujeto; Evite las regiones cercanas a la abertura del orificio donde la intensidad del campo magnético cambia rápidamente.
- Ayude al sujeto a inhalar la dosis de 129Xe de la bolsa, siguiendo el procedimiento de inhalación entrenado descrito en el paso 4.
- Ejecute el escaneo inmediatamente después de escuchar Go! señalada por la persona que asiste al sujeto.
- Supervise al sujeto mientras se realiza el escaneo. Si el sujeto exhala, tose, se mueve, etc., repita visiblemente la exploración si es posible.
- Tan pronto como termine el escaneo, indíquele al sujeto que exhale y respire libremente.
- Después de la exploración, controle la frecuencia cardíaca y la SpO2 del sujeto con el oxímetro de pulso y controle los efectos transitorios del sistema nervioso central (como mareos, aturdimiento, euforia y parestesia) a través de la comunicación verbal con el sujeto.
NOTA: Casi todos los sujetos experimentarán efectos muy leves en el SNC que no requieren intervención, con la excepción de los sujetos con bajo contenido de grasa corporal, como se menciona en el paso 3.2. - Espere a que se disipen las desviaciones de la línea de base antes de administrar otra dosis de 129Xe. Si no se producen desviaciones significativas con respecto al valor basal, espere al menos 2 minutos antes de administrar otra dosis de 129Xe.
NOTA: Un curso de tiempo típico de la desaturación y recuperación de oxígeno es el siguiente: la desaturación comienza de 10 a 20 latidos cardíacos después de completar la inhalación de 129Xe, el nadir ocurre de 20 a 30 latidos cardíacos después de completar la inhalación y la recuperación ocurre dentro de los 45 a 50 latidos cardíacos después de completar la inhalación. La mayor parte de la desaturación se resuelve dentro de los 30 s posteriores a la inhalación de 129Xe y, por lo general, se espera que se resuelva por completo en 2 minutos. Consulte a un médico si la desaturación persistente (superior al 10% del valor basal del sujeto) continúa más allá de los 2 minutos, ya que puede ser aconsejable evitar administrar dosis adicionales de 129Xe y/o finalizar el estudio.
- Realice el análisis de calibración de 129Xe como se describe a continuación (por ejemplo, utilizando una herramienta de análisis independiente).
- Determine la frecuencia central de 129Xe utilizando el espectro de los primeros FID en fase gaseosa.
- Determine el ajuste del transmisor 129Xe como se describe a continuación.
- Ajuste las intensidades máximas de los 20 FID en fase gaseosa a la siguiente función30 y resuelva el ángulo de giro, α:
donde Si es la magnitud de la intensidad de la señal resultante de la i-ésima excitación, S0 es la magnitud de la intensidad de la señal desde la primera excitación y C es un parámetro de desplazamiento de ruido. - Una vez obtenida α , escale la configuración inicial del transmisor 129Xe para escaneos posteriores en 20°/α, suponiendo que se utilizó 20° como ángulo de giro de calibración previsto como se recomienda en la Tabla 1.
- Ajuste las intensidades máximas de los 20 FID en fase gaseosa a la siguiente función30 y resuelva el ángulo de giro, α:
- Una vez que se hayan realizado los ajustes finales previos a la exploración de 129Xe y el sujeto esté listo para la siguiente dosis de 129Xe, realice la exploración de ventilación de 129Xe como se describe a continuación.
- Cargue la secuencia de ventilación 129Xe del protocolo preparado. Asegúrese de que todos los parámetros de la secuencia de pulsos sean los deseados y establezca la configuración de ejecución del escaneo de modo que el escaneo comience inmediatamente después de un solo clic.
- Seleccione el tamaño del campo de visión y la ubicación central en función de los resultados del localizador. Apunte a que el centro del campo de visión coincida con el centro de los pulmones en las tres dimensiones y que el campo de visión sea lo suficientemente grande como para contener cómodamente toda la cavidad torácica, incluida la totalidad de ambos pulmones.
- Lleve la bolsa de dosis de 129Xe destinada al escaneo de ventilación de 129Xe desde la estación de medición de polarización a la sala del escáner. Sostenga o coloque la bolsa de dosis lista cerca del sujeto; Evite las regiones cercanas a la abertura del orificio donde la intensidad del campo magnético cambia rápidamente.
- Ayude al sujeto a inhalar la dosis de 129Xe de la bolsa, siguiendo el procedimiento de inhalación entrenado descrito en el paso 4.
- Ejecute el escaneo inmediatamente después de escuchar Go! señalada por la persona que asiste al sujeto.
- Supervise al sujeto mientras se realiza el escaneo. Si el sujeto exhala, tose, se mueve, etc., repita visiblemente la exploración si es posible.
- Tan pronto como termine el escaneo, indíquele al sujeto que exhale y respire libremente.
- Después de la exploración, controle la frecuencia cardíaca y la SpO2 del sujeto con el oxímetro de pulso y controle los efectos transitorios del sistema nervioso central (como mareos, aturdimiento, euforia y parestesia) a través de la comunicación verbal con el sujeto.
- Espere a que se disipen las desviaciones de la línea de base antes de administrar otra dosis de 129Xe. Si no se producen desviaciones significativas con respecto al valor basal, espere al menos 2 minutos antes de administrar otra dosis de 129Xe.
- Realice una exploración anatómica de 1H como se describe a continuación.
- Cargue la secuencia anatómica de 1H del protocolo preparado. Asegúrese de que todos los parámetros de la secuencia de pulsos sean los deseados y establezca la configuración de ejecución del escaneo de modo que el escaneo se pueda ejecutar con un solo clic.
- Lleve la bolsa de dosis llena de aire y ajustada al volumen de la bolsa de dosis utilizada para el escaneo de ventilación 129Xe a la sala del escáner.
- Ayude al sujeto a inhalar la dosis de aire de la bolsa, siguiendo el procedimiento de inhalación entrenado descrito en el paso 4.
- Ejecute el escaneo inmediatamente después de escuchar Go! señalada por la persona que asiste al sujeto.
- Supervise al sujeto mientras se realiza el escaneo. Si el sujeto exhala, tose, se mueve, etc., repita visiblemente la exploración si es posible.
- Tan pronto como termine el escaneo, indíquele al sujeto que exhale y respire libremente.
7. Procedimientos posteriores a la exploración
- Tome medidas de los signos vitales del sujeto de la misma manera que antes del procedimiento de escaneo. Si los signos vitales se vuelven anormales, indíquele al sujeto que espere de 30 a 60 minutos y/o hasta que los signos vitales vuelvan a estar cerca de la línea de base antes de partir.
8. Análisis de los datos de ventilación de 129Xe MRI
NOTA: Las imágenes anatómicas de ventilación 129Xe y 1H adquiridas deben reconstruirse automáticamente en la computadora del escáner de resonancia magnética utilizando la canalización de reconstrucción de imágenes predeterminada del proveedor.
- Exporte escaneos de ventilación de 129X y escaneosanatómicos de 1 H como archivos de imagen DICOM utilizando el nivel mínimo de interpolación permitido (idealmente ninguno).
- Calcule el porcentaje de defectos de ventilación (VDP) con un software de programación o análisis de imágenes utilizando la siguiente ecuación8:
- Determine el volumen ventilado segmentando 129exploraciones de ventilación Xe, ya sea manualmente o utilizando uno de los varios enfoques automatizados existentes33.
NOTA: Un método simple para la segmentación binarizada de imágenes 129Xe utiliza un umbral definido de la siguiente manera8:
donde "Señal media" es la media de la intensidad de la señal de 129Xe dentro de una región de interés definida por el usuario de señal fuerte de 129Xe dentro de los pulmones, y "SD(Ruido)" es la desviación estándar de la intensidad de la señal de 129Xe dentro de una región cerca del borde del campo de visión situada lejos de los pulmones o de la tráquea. - Determinar el volumen pulmonar total mediante la segmentación de exploracionesanatómicas de 1 H, ya sea manualmente o utilizando los enfoques automatizados existentes34.
- Una vez realizadas estas segmentaciones, calcule los volúmenes correspondientes como el número de vóxeles segmentados multiplicado por el volumen de vóxeles de la imagen (teniendo en cuenta cualquier interpolación realizada al convertir las imágenes a archivos DICOM).
- Determine el volumen ventilado segmentando 129exploraciones de ventilación Xe, ya sea manualmente o utilizando uno de los varios enfoques automatizados existentes33.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
La Figura 1 muestra imágenes representativas de ventilación y localizador de tres planos de un individuo sano. En las imágenes de ventilación se puede observar una señal alta de 129Xe en todos los pulmones, y no se evidencia ningún deterioro de la ventilación en este individuo.
Las figuras 2, 3 y 4 muestran imágenes anatómicas y de ventilación representativas de individuos enfermos. La Figura 2 muestra a un individuo con deficiencia de alfa-1 antitripsina, en el que se puede detectar fácilmente un deterioro ventilatorio severo observando la apariencia irregular de las imágenes de 129Xe. Del mismo modo, en la Figura 3 se puede observar un deterioro grave de la ventilación, que representa a un individuo con fibrosis quística grave. La figura 4 muestra a un individuo con enfermedad pulmonar obstructiva crónica, en la que se pueden observar defectos de ventilación más sutiles utilizando las imágenes de 129Xe.
La Figura 5 muestra imágenes de ventilación de un estudio que se realizó sin saberlo utilizando una bobina de chaleco 129Xe con un cable dañado. Uno de los dos pulmones muestra una SNR mucho más baja que el otro y un balanceo de intensidad, con ambos fenómenos particularmente prominentes en los cortes posteriores. La Figura 6 muestra imágenes de ventilación de un estudio que se realizó con la bobina del chaleco 129Xe colocada demasiado lejos hacia los pies del sujeto. Se observa una señal artificialmente baja de 129Xe en ambos ápices pulmonares debido a la falta de sensibilidad del receptor allí.
En la figura 7 se muestran imágenes anatómicas y de ventilación representativas de un individuo con EPOC diagnosticada, junto con mapas de ventilación binarizados calculados mediante el método simple descrito en el paso 8 del protocolo. Los defectos de ventilación generalizados son evidentes en este individuo, incluida la pérdida casi completa de ventilación en el lóbulo superior del pulmón izquierdo, y el VDP calculado para este individuo es del 52%. Si bien el procedimiento de análisis clasifica adecuadamente las regiones de señal 129Xe claramente alta o baja, las regiones de imagen parcialmente ventiladas (o regiones de efecto de volumen parcial, en las que un corte dado abarca regiones ventiladas y no ventiladas a lo largo de la dirección de selección del corte) son más difíciles de caracterizar. En este caso, el procedimiento de análisis tiende a caracterizar estas regiones como no ventiladas. Este ejemplo subraya la utilidad de los procedimientos de análisis que clasifican la ventilación en más de dos categorías. El desarrollo, la prueba y la comparación de estos procedimientos de análisis es un importante esfuerzo continuo en el campo de la resonancia magnética 129Xe 30,33.
Figura 1: Imágenes representativas de un individuo sano. (A) Ventilación y (B) imágenes de localizador de tres planos de una mujer sana de 22 años de edad de 117 libras. No se pueden detectar fácilmente problemas de ventilación en este individuo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Imágenes representativas de un individuo con deficiencia de alfa-1 antitripsina. (A) Ventilación y (B) imágenes anatómicas de una mujer de 60 años de edad de 144 libras con deficiencia de alfa-1 antitripsina diagnosticada. Los problemas ventilatorios severos son evidentes en este individuo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Imágenes representativas de un individuo con fibrosis quística grave. (A) Ventilación y (B) imágenes anatómicas de un hombre de 18 años de edad de 132 libras con diagnóstico de fibrosis quística grave. Los problemas ventilatorios severos son evidentes en este individuo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Imágenes representativas de un individuo con enfermedad pulmonar obstructiva crónica. (A) Ventilación y (B) imágenes anatómicas de una mujer de 56 años de edad de 110 libras con diagnóstico de enfermedad pulmonar obstructiva crónica. Se pueden detectar defectos leves de ventilación en este individuo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Imágenes representativas realizadas con una bobina de chaleco 129Xe defectuosa. (A) Ventilación y (B) imágenes anatómicas de una mujer de 20 años de edad de 136 libras con fibrosis quística diagnosticada de una exploración que, sin saberlo, se realizó utilizando una bobina de chaleco 129Xe con un cable dañado. El pulmón derecho (a la izquierda, tal como aparecen las imágenes en la página) muestra una relación señal-ruido (SNR) más baja que el pulmón izquierdo (a la derecha, tal como aparecen las imágenes en la página), y el pulmón derecho también muestra un balanceo de intensidad notable, con una SNR más alta en los cortes anteriores que en los cortes posteriores, y una SNR más alta hacia el borde medial del pulmón que hacia el borde lateral. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Imágenes representativas en las que la bobina se colocó demasiado lejos en la dirección inferior. (A) Ventilación y (B) imágenes anatómicas de un varón de 6 años de edad de 46 libras con diagnóstico de fibrosis quística leve, escaneadas con la bobina del chaleco 129Xe colocada demasiado lejos en la dirección inferior. La señal medida en los ápices pulmonares es artificialmente baja debido a la falta de sensibilidad del receptor resultante en los ápices pulmonares. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Análisis representativo de la ventilación utilizando imágenes de RM de 129Xe. (A) Imágenes anatómicas y (B) de ventilación de un hombre de 84 años de edad y 188 libras con diagnóstico de enfermedad pulmonar obstructiva crónica, con (C) mapas de ventilación calculados utilizando el procedimiento simple de análisis binarizado descrito en el paso 8 del protocolo. Las áreas ventiladas del pulmón se muestran en cian, mientras que las áreas no ventiladas del pulmón se muestran en magenta. Se pueden detectar defectos graves de ventilación en este individuo, incluida la pérdida casi completa de ventilación en el lóbulo superior del pulmón izquierdo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Archivo complementario 1: Ejemplo de formulario de seguridad MR. Este formulario se utiliza en la Universidad de Virginia para evaluar la seguridad de la RM de los sujetos. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Los enfoques de ventilación y resonancia magnética anatómica descritos anteriormente están diseñados para maximizar la calidad de la imagen y la SNR, al tiempo que mantienen la simplicidad de implementación: estos protocolos de secuencia se pueden adaptar en general a partir de secuencias de pulsos de productos del proveedor, siempre que se habilite la operación multinuclear y las imágenes se reconstruyan automáticamente en la computadora del escáner. Una desventaja de los enfoques 2D descritos aquí es el uso de pulsos de RF de excitación selectiva de cortes, que introducen diferencias de señal entre los cortes recogidos antes en la adquisición de ventilación de 129Xe que más tarde debido a la relajación T1 del 129Xe hiperpolarizado inhalado durante la exploración. Otra desventaja del procedimiento aquí descrito es que la gammagrafía de ventilación 129Xe y su correspondiente exploración anatómica de 1H se adquieren en diferentes apneas, posiblemente introduciendo variaciones en el nivel de inflado pulmonar o en la posición entre la ventilación y las exploraciones anatómicas.
Los enfoques para la obtención de imágenes de ventilación en 3D y para la obtención de imágenes de apnea única de 129Xe y 1H se han vuelto cada vez más comunes. Los enfoques de imágenes 3D permiten la reconstrucción de vóxeles isotrópicos (a diferencia de los vóxeles no isotrópicos con una resolución más gruesa a lo largo de la dirección del corte necesaria por las imágenes 2D selectivas de corte) y evitan la posible variación de la señal 129Xe impulsada por T1 de un corte al siguiente35,36. Cuando se utilizan trayectorias cartesianas del espacio k, las imágenes 3D con resolución isotrópica requieren tiempos de escaneo más largos que las imágenes 2D del mismo volumen. Por lo tanto, el muestreo de espacio k no cartesiano más eficiente en el tiempo se utiliza a menudo para la obtención de imágenes 3D. La eficiencia de tiempo mucho mayor que ofrece el muestreo no cartesiano también puede permitir la adquisición de las imágenes de 129X y 1H en la misma respiración37. Estos enfoques avanzados siguen siendo más difíciles de implementar y estandarizar en todos los sitios debido a la programación de secuencias de pulsos requerida y las técnicas avanzadas de reconstrucción. Sin embargo, a medida que el soporte del proveedor para secuencias de pulsos con lectura no cartesiana esté disponible, estos enfoques más avanzados pueden convertirse en algo común y estandarizado en todos los sitios.
El procedimiento de análisis de ventilación presentado en el paso 8 del protocolo es un método simple que se puede implementar e interpretar fácilmente, ya que devuelve una respuesta binaria defecto/sin defecto para cada vóxel pulmonar segmentado y compila estos resultados en un solo número VDP para el individuo escaneado. Si bien este enfoque es un punto de partida razonable para el análisis de la ventilación, la binarización por vóxeles no puede caracterizar completamente la heterogeneidad de la ventilación. Se han desarrollado y probado enfoques más complejos para la categorización de la ventilación, que actualmente se utilizan en algunas instituciones de investigación33. En general, estos enfoques buscan caracterizar la ventilación vóxel más allá de la simple ventilación ventilada y no ventilada mediante la inclusión de otras categorías, como hiperventilada y parcialmente ventilada, con miras a producir lecturas más descriptivas y significativas que la VDP binaria. Los métodos de categorización específicos incluyen la agrupación lineal de las intensidades de vóxeles normalizadas mediante histogramas4; clasificación de la intensidad de vóxeles mediante k-medias 38, c-medias difusas39,40 y modelado de mezcla gaussiana41; y entrenamiento de redes neuronales convolucionales profundas en imágenes de ventilación de gases hiperpolarizados existentes33,34. La cuantificación de la ventilación mediante RM de 129X sigue siendo un área de desarrollo y discusión activos, sin que se haya identificado un método de mejores prácticas de consenso en el momento de escribir este artículo.
El alcance de este protocolo se limita a la resonancia magnética de ventilación 129Xe y, hasta la fecha, esta sigue siendo la única técnica de resonancia magnética 129Xe aprobada para uso clínico por la FDA. Sin embargo, una ventaja interesante del conjunto de técnicas de resonancia magnética 129Xe es su potencial para la caracterización regional de numerosos aspectos diferentes de la función pulmonar. En particular, el reciente documento de posición30 del Xe MRI CTC proporciona las prácticas actuales recomendadas para la obtención de imágenes del intercambio gaseoso pulmonar mediante la RM de fase disuelta de 129Xe y la cuantificación del tamaño del espacio aéreo alveolar mediante la RM de difusión de 129Xe. Por lo general, estos protocolos no se pueden adaptar a partir de los protocolos suministrados por el proveedor y, por lo tanto, requieren una programación significativa de la secuencia de pulsos. Una vez que se desarrollan las secuencias de pulsos, los protocolos asociados se pueden integrar fácilmente en el flujo de trabajo para la resonancia magnética de ventilación 129Xe descrita aquí, ya que las mejores prácticas para la polarización del xenón, la dosificación de xenón y el monitoreo de la seguridad del sujeto son comunes en los diversos métodos de resonancia magnética 129Xe. Cuando se espera que se realicen numerosos tipos de resonancia magnética de 129Xe en un solo sujeto, es aconsejable realizar primero exploraciones de 129Xe que representen el criterio de valoración primario del estudio después de realizar la calibración de 129Xe, en caso de que las imágenes resultantes no sean aceptables, y la exploración del criterio de valoración primario debe repetirse utilizando una dosis de 129Xe que originalmente estaba destinada a una exploración posterior del criterio de valoración secundario.
El protocolo descrito aquí está destinado a la obtención de imágenes de adultos y adolescentes mayores, y la resonancia magnética de ventilación 129Xe actualmente solo está aprobada para uso clínico por la FDA en personas de al menos 12 años. Sin embargo, la RM con 129Xe es de creciente interés como herramienta para la investigación de enfermedades pulmonares pediátricas 17,22,42,43, y la aprobación de la FDA para la RM con 129Xe en poblaciones pediátricas se buscará en poco tiempo. La dificultad para mantener la apnea y/o ejecutar las instrucciones de respiración es más probable en sujetos pediátricos y, por lo tanto, el entrenamiento previo a la exploración es especialmente importante. El procedimiento de práctica de la bolsa de prueba descrito en el paso 4 del protocolo también asume un papel más crucial, ya que puede ayudar a decidir si se procede a la obtención de imágenes de 129Xe. Además, los protocolos para la RM pediátrica con 129Xe deben esforzarse por acortar los tiempos de exploración (y, por lo tanto, los tiempos de apnea) siempre que sea posible. Los pulmones más pequeños en sujetos pediátricos pueden requerir diferentes consideraciones de dosificación de 129Xe y configuraciones de resolución y/o campo de visión que las utilizadas para personas mayores.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Los autores J.F.M., J.P.M. y Y.M.S. participan en ensayos clínicos respaldados por Polarean, Inc. Los autores J.F.M. y Y.M.S. brindan servicios de consultoría a Polarean, Inc. (menos de $5000). El autor J.P.M. recibe apoyo de investigación de Polarean, Inc.
Acknowledgments
Este trabajo fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud (números de subvención R01-CA172595-01, R01-HL132177, R01-HL167202, S10-OD018079 y UL1-TR003015) y por 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) |
References
- 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).
- Mugler, J. P., Altes, T. A. Hyperpolarized 129Xe MRI of the human lung. J Magn Reson Imaging. 37 (2), 313-331 (2013).
- Ebner, L., et al. The role of hyperpolarized 129xenon in MR imaging of pulmonary function. Eur J Radiol. 86, 343-352 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cleveland, Z. I., et al. Hyperpolarized 129Xe MR imaging of alveolar gas uptake in humans. PLoS One. 5 (8), 12192 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Myc, L., et al. Characterisation of gas exchange in COPD with dissolved-phase hyperpolarised xenon-129 MRI. Thorax. 76 (2), 178-181 (2021).
- 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).
- Dournes, G., et al. The clinical use of lung MRI in cystic fibrosis: What, now, how. Chest. 159 (6), 2205-2217 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mata, J., et al. Evaluation of regional lung function in pulmonary fibrosis with xenon-129 MRI. Tomography. 7 (3), 452-465 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- Polarean. FDA Approves Polarean's XENOVIEWTM (xenon Xe 129 hyperpolarized) for use with MRI for the evaluation of lung ventilation. , Polarean. (2022).
- 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).
- 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).
- He, M., et al. Dose and pulse sequence considerations for hyperpolarized 129Xe ventilation MRI. Magn Reson Imaging. 33 (7), 877-885 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Willmering, M. M., et al. Improved pulmonary 129 Xe ventilation imaging via 3D-spiral UTE MRI. Magn Reson Med. 84 (1), 312-320 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
