過分極キセノン分光法による肺の構造と機能の定量的測定
Summary
この原稿では、過分極Xenon-129化学シフト飽和回復法(CSSR)を使用して肺ガス交換を追跡し、見かけ上の肺胞中隔壁の厚さを評価し、表面と体積の比率を測定するための詳細なプロトコルを示しています。この方法は、肺疾患の診断と監視の可能性を秘めています。
Abstract
過分極キセノン-129(HXe)磁気共鳴画像法(MRI)は、肺の換気パターン、ガス拡散、肺実質によるキセノン取り込み、およびその他の肺機能指標の2次元または3次元マップを取得するためのツールを提供します。しかし、空間的な解像度と時間的な解像度をトレードすることで、肺キセノンガス交換をミリ秒単位で追跡することも可能になります。この記事では、そのような手法の1つである化学シフト飽和回復(CSSR)MR分光法について説明します。これは、毛細血管の血液量、中隔壁の厚さ、および肺胞の表面と体積の比率を評価するためにどのように使用できるかを示しています。印加された無線周波パルス(RF)のフリップ角度は、慎重に較正されました。被験者にガスを投与するために、単回投与の息止めおよび複数回の自由呼吸プロトコルが採用されました。吸入されたキセノンガスが肺胞に到達すると、一連の90°RFパルスが印加され、肺実質に蓄積されたキセノン磁化が最大限に飽和するようにしました。可変遅延時間の後、スペクトルを取得して、肺胞ガス量と肺の組織コンパートメントとの間のガス交換によるキセノン信号の再成長を定量化しました。次に、これらのスペクトルを、複雑な疑似Voigt関数を3つの主要なピークに当てはめることによって分析しました。最後に、遅延時間依存のピーク振幅を1次元の分析ガス交換モデルに当てはめて、生理学的パラメータを抽出しました。
Introduction
過分極キセノン-129(HXe)磁気共鳴画像法(MRI)1は、肺の構造、機能、およびガス交換プロセスに関する独自の洞察を提供する技術です。HXe MRIは、スピン交換光ポンピングによってキセノンガスの磁化を劇的に増幅することにより、熱偏光キセノンMRIと比較して、信号対雑音比を桁違いに改善します2,3,4,5,6。この過分極により、従来の熱分極MRI7では検出できなかった、肺組織や血液へのキセノンガスの取り込みを直接可視化し、定量化することができます。
化学シフト飽和回復(CSSR)MR分光法8,9,10,11,12,13は、最も価値のあるHXe MRI技術の1つであることが証明されています。CSSRは、周波数特異的な高周波(RF)パルスを使用して、肺組織や血液に溶解したキセノンの磁化を選択的に飽和させることを含みます。その後、溶存相(DP)信号が空域内の新鮮な過分極キセノンガスとミリ秒の時間スケールで交換されるときに回復することは、肺実質に関する重要な機能情報を提供します。
2000年代初頭に開発されて以来、CSSR分光法の背後にある技術は、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23に徐々に洗練されてきました。さらに、キセノン取り込み曲線のモデリングの進歩により、肺胞壁の厚さや肺通過時間10,24,25,26などの特定の生理学的パラメータの抽出が可能になりました。研究によると、臨床的に健康な喫煙者27、慢性閉塞性肺疾患(COPD)18,27,28、線維症29、放射線誘発性肺損傷30,31を含むさまざまな肺疾患に見られる肺の異常の形で、肺の微細構造とガス交換効率の微妙な変化に対するCSSRの感受性が示されています.CSSR分光法は、心周期32中の拍動性血流に対応するDP信号の振動を検出するためにも感度が高いことが実証されています。
大きな進歩が見られた一方で、臨床MRIシステムにCSSR分光法を実装するには、実際的な課題が残っています。10秒に近づく単回投与の息止めを必要とするスキャン時間は、小児被験者33,34または重度の肺疾患患者35,36には長すぎる可能性があります。さらに、飽和遅延時間の順序や溶解相飽和の有効性などの取得パラメータが適切に最適化されていない場合、この手法は測定バイアスの影響を受けやすい21。これらの制限に対処し、CSSRをより広範な研究コミュニティが利用できるようにするには、現在開発中の従来の息止めと自由呼吸の取得の両方について、明確で段階的なプロトコルが必要です。
この論文の目的は、HXeガスを使用して最適化されたCSSR MR分光法を実行するための詳細な方法論を提示することです。このプロトコルでは、キセノンガスの分極と送達、RFパルスキャリブレーション、シーケンスパラメータの選択、被験者の準備、データ取得、およびデータ解析の主要なステップについて説明します。実験結果の例を掲載します。この包括的なガイドが、サイト間でのCSSR実装の基盤として機能し、さまざまな肺疾患における肺の微細構造変化を定量化するこの手法の可能性を最大限に引き出すのに役立つことが期待されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
HXe CSSR MR分光法は、他の既存の診断モダリティ24を使用してin vivoで定量化することが困難または不可能ないくつかの肺機能指標を評価するための強力な技術です。それにもかかわらず、取得とその後のデータ分析は、生きている被験者では決して完全に達成できない生理学的条件と技術的パラメータに関する特定の仮定に基づいています。これらの制限と、抽出され?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、NIHの助成金R01HL159898およびR01HL142258によって支援されました。
Materials
| Bi-directional Pneumotach | B&B Medical AccutachTM | ||
| Chest Vest Coil | Clinical MR Solutions | Adult Size | |
| Face Mask | Hans Rudolph | 7450 | |
| Matlab | Mathworks | Release 2018a | Optimization Toolbox required |
| Physiological Monitoring System | BIOPAC Systems Inc | ||
| Tedlar Bag | Jensen Inert Products | 250-mL and 500-mL; specialised PVF bag | |
| Xenon Polarizer | Xemed LLC | X-box E10 | |
| Whole-body MRI Scanner | Siemens | 1.5 T Avanto |
Riferimenti
- Albert, M. S., et al. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370 (6486), 199-201 (1994).
- Happer, W. Optical Pumping. Rev Mod Phys. 44 (2), 169-250 (1972).
- Appelt, S., et al. Theory of spin-exchange optical pumping of He-3 and Xe-129. Phys Rev A. 58 (2), 1412-1439 (1998).
- Hersman, F. W., et al. Large production system for hyperpolarized 129Xe for human lung imaging studies. Acad Radiol. 15 (6), 683-692 (2008).
- Parnell, S. R., Deppe, M. H., Parra-Robles, J., Wild, J. M. Enhancement of Xe-129 polarization by off-resonant spin exchange optical pumping. J Appl Phys. 108 (6), 064908 (2010).
- Norquay, G., Collier, G. J., Rao, M., Stewart, N. J., Wild, J. M. ^{129}Xe-Rb spin-exchange optical pumping with high photon efficiency. Phys Rev Lett. 121 (15), 153201 (2018).
- Mugler, J. P., et al. MR imaging and spectroscopy using hyperpolarized 129Xe gas: preliminary human results. Magn Reson Med. 37 (6), 809-815 (1997).
- Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Driehuys, B., Mugler, J. P. NMR of hyperpolarized (129)Xe in the canine chest: spectral dynamics during a breath-hold. NMR Biomed. 13 (4), 220-228 (2000).
- Butler, J. P., et al. Measuring surface-area-to-volume ratios in soft porous materials using laser-polarized Xenon interphase exchange nuclear magnetic resonance. J Phys Condens Matter. 14 (13), L297-L304 (2002).
- Mansson, S., Wolber, J., Driehuys, B., Wollmer, P., Golman, K. Characterization of diffusing capacity and perfusion of the rat lung in a lipopolysaccaride disease model using hyperpolarized 129Xe. Magn Reson Med. 50 (6), 1170-1179 (2003).
- Abdeen, N., et al. Measurement of Xenon diffusing capacity in the rat lung by hyperpolarized (129)Xe MRI and dynamic spectroscopy in a single breath-hold. Magn Reson Med. 56 (2), 255-264 (2006).
- Driehuys, B., et al. Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI. Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (48), 18278-18283 (2006).
- Patz, S., et al. Human pulmonary imaging and spectroscopy with hyperpolarized 129Xe at 0.2T. Acad Radiol. 15 (6), 713-727 (2008).
- 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).
- Stewart, N. J., et al. Reproducibility of quantitative indices of lung function and microstructure from 129 Xe chemical shift saturation recovery (CSSR) MR spectroscopy. Magn Reson Med. 77 (6), 2107-2113 (2017).
- Zhong, J., et al. Simultaneous assessment of both lung morphometry and gas exchange function within a single breath-hold by hyperpolarized (129) Xe MRI. NMR Biomed. 30 (8), (2017).
- Kern, A. L., et al. Regional investigation of lung function and microstructure parameters by localized (129) Xe chemical shift saturation recovery and dissolved-phase imaging: A reproducibility study. Magn Reson Med. 81 (1), 13-24 (2018).
- Kern, A. L., et al. Mapping of regional lung microstructural parameters using hyperpolarized (129) Xe dissolved-phase MRI in healthy volunteers and patients with chronic obstructive pulmonary disease. Magn Reson Med. 81 (4), 2360-2373 (2018).
- Xie, J., et al. Single breath-hold measurement of pulmonary gas exchange and diffusion in humans with hyperpolarized (129) Xe MR. NMR Biomed. 32 (5), e4068 (2019).
- Zanette, B., Santyr, G. Accelerated interleaved spiral-IDEAL imaging of hyperpolarized (129) Xe for parametric gas exchange mapping in humans. Magn Reson Med. 82 (3), 1113-1119 (2019).
- Ruppert, K., et al. Investigating biases in the measurement of apparent alveolar septal wall thickness with hyperpolarized 129Xe MRI. Magn Reson Med. 84 (6), 3027-3039 (2020).
- Zhang, M., et al. Quantitative evaluation of lung injury caused by PM(2.5) using hyperpolarized gas magnetic resonance. Magn Reson Med. 84 (2), 569-578 (2020).
- Friedlander, Y., et al. Hyperpolarized (129) Xe MRI of the rat brain with chemical shift saturation recovery and spiral-IDEAL readout. Magn Reson Med. 87 (4), 1971-1979 (2022).
- Patz, S., et al. Diffusion of hyperpolarized (129)Xe in the lung: a simplified model of (129)Xe septal uptake and experimental results. New J Phys. 13, 015009 (2011).
- Chang, Y. V. MOXE: a model of gas exchange for hyperpolarized 129Xe magnetic resonance of the lung. Magn Reson Med. 69 (3), 884-890 (2013).
- Stewart, N. J., Parra-Robles, J., Wild, J. M. Finite element modeling of (129)Xe diffusive gas exchange NMR in the human alveoli. J Magn Reson. 271, 21-33 (2016).
- Ruppert, K., Qing, K., Patrie, J. T., Altes, T. A., Mugler, J. P. Using hyperpolarized Xenon-129 MRI to quantify early-stage lung disease in smokers. Acad Radiol. 26 (3), 355-366 (2019).
- Kern, A. L., et al. Investigating short-time diffusion of hyperpolarized (129) Xe in lung air spaces and tissue: A feasibility study in chronic obstructive pulmonary disease patients. Magn Reson Med. 84 (4), 2133-2146 (2020).
- Stewart, N. J., et al. Experimental validation of the hyperpolarized (129) Xe chemical shift saturation recovery technique in healthy volunteers and subjects with interstitial lung disease. Magn Reson Med. 74 (1), 196-207 (2015).
- Fox, M. S., et al. Detection of radiation induced lung injury in rats using dynamic hyperpolarized (129)Xe magnetic resonance spectroscopy. Med Phys. 41 (7), 072302 (2014).
- Li, H., et al. Quantitative evaluation of radiation-induced lung injury with hyperpolarized Xenon magnetic resonance. Magn Reson Med. 76 (2), 408-416 (2016).
- Ruppert, K., et al. Detecting pulmonary capillary blood pulsations using hyperpolarized Xenon-129 chemical shift saturation recovery (CSSR) MR spectroscopy. Magn Reson Med. 75 (4), 1771-1780 (2016).
- Walkup, L. L., et al. Feasibility, 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).
- Willmering, M. M., et al. Pediatric (129) Xe gas-transfer MRI-feasibility and applicability. J Magn Reson Imaging. 56 (4), 1207-1219 (2022).
- Amzajerdian, F., et al. Simultaneous quantification of hyperpolarized Xenon-129 ventilation and gas exchange with multi-breath Xenon-polarization transfer contrast (XTC) MRI. Magn Reson Med. 90 (6), 2334-2347 (2023).
- Niedbalski, P. J., et al. Utilizing flip angle/TR equivalence to reduce breath hold duration in hyperpolarized (129) Xe 1-point Dixon gas exchange imaging. Magn Reson Med. 87 (3), 1490-1499 (2022).
- Chang, Y. V. Toward a quantitative understanding of gas exchange in the lung. arXiv. , (2010).
- Chang, Y. V., et al. Quantification of human lung structure and physiology using hyperpolarized 129Xe. Magn Reson Med. 71 (1), 339-344 (2014).
- Collier, G. J., et al. Observation of cardiogenic flow oscillations in healthy subjects with hyperpolarized 3He MRI. J Appl Physiol. 119 (9), 1007-1014 (2015).
- Niedbalski, P. J., et al. Protocols for multi-site trials using hyperpolarized (129) Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the (129) Xe MRI clinical trials consortium. Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).
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