Medida cuantitativa de la estructura y función pulmonar obtenida de la espectroscopia de xenón hiperpolarizado

Summary

El manuscrito presenta un protocolo detallado para el uso de la recuperación de saturación por desplazamiento químico (CSSR) de Xenon-129 hiperpolarizado para rastrear el intercambio de gases pulmonares, evaluar el grosor aparente de la pared septal alveolar y medir la relación superficie-volumen. El método tiene el potencial de diagnosticar y controlar las enfermedades pulmonares.

Abstract

Las imágenes de resonancia magnética (RM) hiperpolarizadas de Xenon-129 (HXe) proporcionan herramientas para obtener mapas bidimensionales o tridimensionales de los patrones de ventilación pulmonar, la difusión de gases, la absorción de xenón por el parénquima pulmonar y otras métricas de la función pulmonar. Sin embargo, al cambiar el espacio por la resolución temporal, también permite el rastreo del intercambio pulmonar de gases xenón en una escala de tiempo de ms. Este artículo describe una de estas técnicas, la espectroscopia de resonancia magnética con recuperación de saturación por desplazamiento químico (CSSR). Ilustra cómo se puede utilizar para evaluar el volumen sanguíneo capilar, el grosor de la pared septal y la relación superficie-volumen en los alvéolos. El ángulo de inversión de los pulsos de radiofrecuencia (RF) aplicados se calibró cuidadosamente. Se emplearon protocolos de apnea de dosis única y de respiración libre multidosis para administrar el gas al sujeto. Una vez que el gas xenón inhalado alcanzó los alvéolos, se aplicó una serie de pulsos de RF de 90° para garantizar la máxima saturación de la magnetización de xenón acumulada en el parénquima pulmonar. Después de un tiempo de retardo variable, se adquirieron espectros para cuantificar el recrecimiento de la señal de xenón debido al intercambio gaseoso entre el volumen de gas alveolar y los compartimentos tisulares del pulmón. Estos espectros se analizaron ajustando funciones complejas pseudo-Voigt a los tres picos dominantes. Finalmente, las amplitudes de pico dependientes del tiempo de retardo se ajustaron a un modelo analítico unidimensional de intercambio de gases para extraer parámetros fisiológicos.

Introduction

La resonancia magnética (RMN) hiperpolarizada de xenón-129 (HXe)¹ es una técnica que ofrece información única sobre la estructura pulmonar, la función y los procesos de intercambio de gases. Al amplificar drásticamente la magnetización del gas xenón a través del bombeo óptico de intercambio de espín, la resonancia magnética HXe logra una mejora de un orden de magnitud en la relación señal-ruido en comparación con la resonancia magnética de xenón^polarizada térmicamente 2,3,4,5,6. Esta hiperpolarización permite la visualización directa y la cuantificación de la absorción de gas xenón en el tejido pulmonar y la sangre, que de otro modo sería indetectable con la resonancia magnética convencional con polarización térmica⁷.

La espectroscopia de resonancia magnética de recuperación de saturación por desplazamiento químico (CSSR) 8,9,10,11,12,13 ha demostrado ser una de las técnicas de resonancia magnética HXe más valiosas. La CSSR consiste en saturar selectivamente la magnetización del xenón disuelto en el tejido pulmonar y la sangre mediante pulsos de radiofrecuencia (RF) de frecuencia específica. La recuperación posterior de la señal de fase disuelta (DP) a medida que se intercambia con el gas xenón hiperpolarizado fresco en los espacios aéreos en una escala de tiempo de ms ofrece información funcional importante sobre el parénquima pulmonar.

Desde su desarrollo a principios de la década de 2000, las técnicas detrás de la espectroscopia CSSR se han ido perfeccionando progresivamente 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Además, los avances en el modelado de las curvas de absorción de xenón han permitido la extracción de parámetros fisiológicos específicos, como el grosor de la pared alveolar y los tiempos de tránsito pulmonar 10,24,25,26. Los estudios han demostrado la sensibilidad de la CSSR a los cambios sutiles en la microestructura pulmonar y la eficiencia del intercambio gaseoso en forma de anomalías pulmonares encontradas en fumadores clínicamente sanos²⁷, así como en una variedad de enfermedades pulmonares, incluida la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC)18,27,28, la fibrosis²⁹ y la lesión pulmonar inducida por radiación^30,31. También se ha demostrado que la espectroscopia CSSR es sensible para detectar oscilaciones en la señal DP correspondientes al flujo sanguíneo pulsátil durante el ciclo cardíaco³².

Si bien se han logrado avances significativos, aún persisten desafíos prácticos en la implementación de la espectroscopia CSSR en sistemas de resonancia magnética clínica. Los tiempos de exploración que requieren apnea de dosis única cercanos a 10 s pueden ser demasiado largos para sujetos pediátricos^33,34 o pacientes con enfermedad pulmonar grave^35,36. Además, la técnica es susceptible a sesgos de medición si los parámetros de adquisición, como el orden de los tiempos de retardo de saturación o la eficacia de la saturación en fase disuelta, no se optimizan adecuadamente²¹. Para abordar estas limitaciones y hacer que la CSSR sea más accesible para la comunidad investigadora en general, se necesitan protocolos claros y paso a paso para las adquisiciones convencionales de retención de la respiración y de respiración libre, actualmente en desarrollo.

El objetivo de este trabajo es presentar una metodología detallada para realizar espectroscopía de RM CSSR optimizada utilizando gas HXe. El protocolo cubrirá la polarización y el suministro del gas xenón, la calibración de pulsos de RF, la selección de parámetros de secuencia, la preparación del sujeto, la adquisición de datos y los pasos clave en el análisis de datos. Se proporcionarán ejemplos de resultados experimentales. Se espera que esta guía completa sirva como base para las implementaciones de CSSR en todos los sitios y ayude a aprovechar todo el potencial de esta técnica para cuantificar los cambios microestructurales pulmonares en una variedad de enfermedades pulmonares.

Protocol

NOTA: Si bien la técnica de espectroscopía de resonancia magnética hiperpolarizada Xenon-129 CSSR descrita aquí se usa comúnmente para imágenes animales y humanas, el protocolo a continuación se refiere solo a estudios en humanos. Todos los protocolos de imagen se adhirieron a las limitaciones de la tasa de absorción específica (SAR) de la FDA (4 W/kg) y fueron aprobados por la Junta de Revisión Institucional de la Universidad de Pensilvania. Se obtuvo el consentimiento informado de cada sujeto. <p class="j…

Representative Results

La Figura 2 ilustra un espectro típico de xenón observado en el pulmón humano durante una retención de la respiración, después de la inhalación de 500 ml de dosis de xenón. El espectro muestra dos regiones distintas, la resonancia GP alrededor de 0 ppm y la región DP, que consiste en el pico de la membrana a aproximadamente 197 ppm y el pico de los glóbulos rojos a aproximadamente 217 ppm. Las amplitudes de pico relativas dependen de una serie de factores, incluida la forma, la dur…

Discussion

La espectroscopia de resonancia magnética HXe CSSR es una técnica potente para evaluar varias métricas de la función pulmonar que serían difíciles o imposibles de cuantificar in vivo utilizando cualquier otra modalidad diagnóstica existente²⁴. Sin embargo, la adquisición y el posterior análisis de los datos se basan en ciertas suposiciones sobre las condiciones fisiológicas y los parámetros técnicos que nunca son totalmente alcanzables en sujetos vivos. Estas limitaciones y su…

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