Waiting
로그인 처리 중...

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

Medicine

Erhvervelse af hyperpolariserede 129Xe magnetiske resonansbilleder af lungeventilation

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

Hyperpolariseret 129Xe magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) er en metode til at studere regionalt opløste aspekter af lungefunktionen. Dette arbejde præsenterer en end-to-end standardiseret arbejdsgang for hyperpolariseret 129Xe MR lungeventilation med særlig opmærksomhed på pulssekvensdesign, 129Xe dosisforberedelse, scanningsarbejdsgang og bedste praksis for overvågning af forsøgspersoners sikkerhed.

Abstract

Hyperpolariseret 129Xe MR omfatter et unikt udvalg af strukturelle og funktionelle lungebilleddannelsesteknikker. Teknikstandardisering på tværs af steder bliver stadig vigtigere i betragtning af den nylige FDA-godkendelse af 129Xe som MR-kontrastmiddel, og da interessen for 129Xe MR stiger blandt forsknings- og kliniske institutioner. Medlemmer af 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) er blevet enige om bedste praksis for hvert af de centrale aspekter af 129Xe MRI-arbejdsgangen, og disse anbefalinger er opsummeret i en nylig publikation. Dette arbejde giver praktisk information til udvikling af en end-to-end arbejdsgang til indsamling af 129Xe MR-billeder af lungeventilation i henhold til Xe MRI CTC-anbefalingerne. Forberedelse og administration af 129Xe til MR-undersøgelser vil blive diskuteret og demonstreret med specifikke emner, herunder valg af passende gasmængder til hele undersøgelser og til individuelle MR-scanninger, forberedelse og levering af individuelle 129Xe-doser og bedste praksis for overvågning af forsøgspersoners sikkerhed og 129Xe-tolerabilitet under studier. Vigtige MR-tekniske overvejelser vil også blive dækket, herunder pulssekvenstyper og optimerede parametre, kalibrering af 129Xe vendevinkel og centerfrekvens og 129Xe MR-ventilationsbilledanalyse.

Introduction

Hyperpolariseret 129Xe MR er et spændende værktøj til ikke-invasiv, rumligt opløst karakterisering og kvantificering af specifikke aspekter af lungefunktionen 1,2,3. Erhvervelses- og rekonstruktionsmetoder svarende til dem, der anvendes i anatomisk proton-MR, giver billeder af inhaleret 129Xe i lungerne, hvilket muliggør visualisering af ikke-ventilerede lungeområder og regionsopløst kvantificering af ventilationsfordeling 4,5,6,7,8 . Mere avancerede pulssekvens- og analyseteknikker giver yderligere supplerende information, herunder kvantificering af gasudvekslingseffektivitet mellem alveoler og lungekapillærer via spektroskopisk MR 9,10,11,12,13 og karakterisering af alveolær mikrostrukturintegritet via diffusionsvægtet MR 14,15,16.

Inhaleret 129Xe har vist sig at være sikkert og tåleligt hos voksne og pædiatriske forsøgspersoner, herunder personer med lungesygdom17,18. Målinger af lungefunktion afledt af 129Xe MR har vist følsomhed over for strukturelle og funktionelle ændringer i mange lungesygdomssammenhænge, herunder kronisk obstruktiv lungesygdom 6,10,19, cystisk fibrose 20,21,22, idiopatisk lungefibrose 23,24,25 og astma 7,10,26. I betragtning af den høje sikkerhed og tolerabilitet af 129Xe MR har manglen på ioniserende stråling i MR sammenlignet med andre almindelige billeddannelsesmetoder og den høje reproducerbarhed af 129Xe MR-resultater27,28, 129Xe MR et betydeligt løfte, især for præcis seriel overvågning af personer, der modtager et tidsforløb af behandling for kronisk lungesygdom.

Sikkerheds- og kliniske løfter om 129Xe MR har ført til FDA-godkendelse i december 2022 til lungeventilationsbilleddannelse hos personer i alderen 12 år og ældre29 år. I betragtning af dette forventes det, at antallet af forsknings- og kliniske steder, der er i stand til at udføre 129Xe MR (i øjeblikket ~ 20 på verdensplan) vil stige betydeligt i de kommende år. Da 129Xe MR spredes til nye institutioner, er det vigtigt, at der findes robuste metodologiske ressourcer, der gør det muligt for steder hurtigt at opbygge klinisk relevante 129Xe MR-teknikker og udføre scanninger og generere resultater, der er tæt sammenlignelige med eksisterende steder.

I dette arbejde vil vi skitsere den nuværende bedste praksis for human hyperpolariseret 129Xe MR af lungeventilation, som aftalt af medlemsinstitutioner i 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) og opsummeret i et nyligt positionspapir30. Emnerne vil omfatte forberedelse af skræddersyede pulssekvenser, der er ideelle til en komplet 129Xe MR-arbejdsgang, forberedelse og administration af hyperpolariseret 129Xe-gas, en optimeret arbejdsgang til menneskelige 129Xe MR-sessioner og bedste praksis for overvågning af fagets sikkerhed og komfort under MR-sessioner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Al forskning, der involverer mennesker, skal godkendes af et institutionelt bedømmelsesudvalg (IRB). IRB-involvering er ikke nødvendig ved regulatorisk godkendt klinisk anvendelse af 129Xe MR. Før du deltager i en forskningsundersøgelse, skal potentielle emner være forsynet med et godkendt informeret samtykkedokument. Den person, der indhenter samtykke, skal forklare indholdet af dokumentet, herunder formålet, procedurerne, fordelene og risiciene ved undersøgelsen, skal besvare eventuelle spørgsmål og skal indhente samtykke fra forsøgspersonen til at fortsætte med undersøgelsen som dokumenteret ved forsøgspersonens underskrift på dokumentet med informeret samtykke. I tilfælde af pædiatriske forsøgspersoner eller andre særlige omstændigheder skal godkendt praksis for at opnå samtykke følges. Protokollen beskrevet nedenfor følger retningslinjerne fra IRB ved University of Virginia, og eksempelsagerne i dette manuskript har underskrevet University of Virginia IRB-godkendte samtykkeformularer (IRB 13647, 16215, 16885, 19569).

1. Forberedelse af hardware og pulssekvenser til 129Xe MR

BEMÆRK: Protokoltrinnene under trin 1 skal udføres, før der scannes mennesker. De behøver ikke gentages for hvert emne.

  1. Kontroller, at MR-scanneren er i stand til multinuklear drift, herunder 129Xe.
  2. Kontroller, at 129Xe radiofrekvensspolen (RF) kan tilsluttes MR-scanneren, ved hjælp af en specialbygget spole-til-scanner-grænsefladeboks, hvis det kræves.
  3. Kontroller, at passende software (ofte kaldet en spolefil) til grænseflade mellem 129Xe RF-spolen og MR-scanneren er installeret, hvis scannerproducenten kræver det.
  4. Forbered pulssekvenser til 129Xe og 1H billeddannelse som beskrevet nedenfor.
    1. For 129Xe-kalibrering fremstilles en ikke-lokaliseret, spektroskopisk sekvens bestående af en række frie induktionshenfald (FID'er) ved hjælp af pulssekvensparametrene i tabel 1.
      BEMÆRK: FID'erne erhvervet ved ~218 ppm (opløst fasefrekvens) bruges primært til at bestemme parametre for opløst fase 129Xe MR, som ikke er dækket af dette arbejde. Disse parametre er dog givet, så man kan udvikle en enkelt standardiseret 129Xe-kalibrering, der er tilstrækkelig til 129Xe MR-scanninger af enhver type. Bemærk desuden, at en separat kalibreringsscanning muligvis ikke er nødvendig for undersøgelser, der kun involverer 129Xe ventilationsbilleder, når stedet har opnået tilstrækkelig erfaring. Driftsfrekvensen på 129Xe kan estimeres nøjagtigt ved at skalere den scannerbestemte 1H-frekvens med forholdet 129Xe til 1H gyromagnetiske forhold, og transmitterkalibreringen kan estimeres baseret på akkumuleret erfaring og forsøgspersonvægt.
    2. For 129Xe ventilations-MR fremstilles en todimensionel (2D) RF-forkælet gradient-ekkosekvens ved hjælp af pulssekvensparametrene i tabel 2. Sørg for, at 129Xe er valgt som målkerne.
    3. For konventionel 1H anatomisk MR fremstilles en enkeltskuds turbo/hurtig spin-ekkosekvens eller en RF-forkælet gradient-ekkosekvens ved hjælp af parametrene i tabel 2.
      BEMÆRK: For 129Xe ventilation og 1H anatomiske sekvenser er synsfeltet og antallet af skiver emnespecifikke. Vælg disse parametre i begyndelsen af scanningssessionen på en sådan måde, at der sikres fuld dækning af lungerne i alle tre dimensioner.
      1. Aktivér faseoversampling for at afbøde potentiel aliasing af armene i billedbehandlingsfrekvensen.
      2. MR-scannerleverandørbegrænsninger kan forhindre driften af single-shot turbo/fast spin-echo-sekvensen ved den foreslåede grove in-plane opløsning (4 mm x 4 mm). Hvis dette er tilfældet, skal du bruge en opløsning, der er en heltalsfaktor for den ønskede opløsning (f.eks. 2 mm x 2 mm).
        BEMÆRK: Den anatomiske scanning 1H kan alternativt opnås ved hjælp af en 2D RF-forkælet gradientekkosekvens. I dette tilfælde skal du bruge de samme parametre som ventilationsscanningsparametrene i tabel 2 , men aktivere faseoversampling for at undgå aliasing af armene i billedbehandlingssynsfeltet.
  5. Kontroller funktionen af RF-spole- og pulssekvenserne beskrevet ovenfor ved at udføre scanninger af et termisk polariseret 129Xe fantom,31 for 129Xe-scanninger og et 1H-fantom, for 1H-scanninger.

Parameter Kalibrering
TR 15 ms
TE 0,45 ms (3 T), 0,8 ms (1,5 T)
RF-puls vinduesbeklædt sinc
RF varighed 0,65-0,69 ms (3 T), 1,15-1,25 ms (1,5 T)
Vendevinkel 20°
RF-frekvens 218 ppm (opløst fase), 0 ppm (gasfase)
Dvæle tid 39 μs
Båndbredde 25,6 kHz
Nej. Antal prøver 256 (ekskl. overprøveudtagning, hvis anvendt)
Udlæsningens varighed 10 ms
Antal FID'er 1 støj (ingen RF), 499 ved opløst fase freq., 20 ved gasfasefrekvens.
Gradient ødelæggelse moment på mindst 15 mT/m-ms (hver akse efter hver FID)
Varighed ~8 s

Tabel 1: Anbefalede pulssekvensparametre for 129Xe-kalibrering. Der gives parametre for en ikke-lokaliseret, spektroskopisk 129Xe-kalibreringspulssekvens.

Parameter Ventilation Anatomisk
Sekvens type RF-forkælet gradient-ekko Single-shot turbo/hurtigt spin-ekko
TR <10 ms Uendelig
TE <5 ms <50 ms
Ekkoafstand NIELSEN 3-5 ms
Excitation flip vinkel 8-12° 90°
Omfokusering af vendevinkel NIELSEN ≥90° (højest tilladte inden for SAR-grænser)
Udsnit tykkelse 15 mm 15 mm
Udsnit mellemrum Ingen Ingen
Udsnit retning Koronale Koronale
Udsnit rækkefølge Sekventiel (forreste til bageste) Sekventiel (forreste til bageste)
Rækkefølge for fasekodning Sekventiel (venstre mod højre) Sekventiel (venstre mod højre)
NEX 1 (op til 7/8 delvis Fourier tilladt) Halv Fourier
Asymmetrisk ekko Tilladt NIELSEN
Voxel størrelse 4 x 4 x 15 mm3 4 x 4 x 15 mm3
Samplingens varighed pr. ekko 5-7 ms 1-1,5 ms
Scanningens varighed 8-12 sek. ≤16 s

Tabel 2: Anbefalede pulssekvensparametre for 129Xe ventilation og 1H anatomisk billeddannelse. Parametre er angivet for en 2D RF-forkælet hurtig gradient-ekkosekvens for 129Xe ventilationsbilleddannelse (første kolonne) og en 2D single-shot turbo/hurtig spin-ekkosekvens for 1H anatomisk billeddannelse (anden kolonne). Bemærk, at den anatomiske scanning alternativt kan erhverves ved hjælp af en 2D RF-forkælet gradientekkosekvens. I dette tilfælde skal du bruge de samme parametre som ventilationsscanningsparametrene angivet her, men tilføje faseoversampling efter behov for at undgå aliasing af armene i billedbehandlingssynsfeltet. Bemærk også, at den særlige metode til angivelse af modtagerbåndbredde varierer på tværs af scannerproducenter, men at den korrekte værdi kan beregnes for enhver scannerproducent ud fra den givne samplingvarighed pr. ekko.

2. Screening og klargøring af kandidater til 129Xe MR

  1. Sørg for, at der ikke er kontraindikationer for MR hos det potentielle emne ved at undersøge dem med en MR-sikkerhedsformular. Supplementary File 1 viser en eksempelformular, der anvendes på University of Virginia.
  2. Sørg for, at den potentielle forsøgsperson ikke opfylder nogen eksklusionskriterier, der er specifikke for 129Xe MR-undersøgelser, som kan omfatte, men ikke er begrænset til: procent forventet FEV1 mindre end 25%, en dekompenseret respiratorisk tilstand inden for de foregående 6 uger, brystomkreds større end den indvendige omkreds af 129Xe RF-spolen og historie med ustabil hjertesygdom.
    BEMÆRK: Yderligere kriterier, der ikke indikerer øjeblikkelig udelukkelse, men berettiger omhyggelig individuel overvejelse, omfatter: behovet for signifikant supplerende ilt ved baseline (dvs. større end 3 l / min ved nasal kanyle) og en historie med neurologisk lidelse med baseline abnormiteter.
  3. Hvis du udfører lungediffusionstest (DLCO) eller spirometri under billeddannelsesbesøget, skal du instruere forsøgspersonen om ikke at indtage kulsyreholdige drikkevarer på dagen for undersøgelsesbesøget. Hvis en forsøgsperson bruger ordineret respiratorisk medicin, skal du bede dem om at forsinke eller afstå fra at tage det, hvis det er angivet i undersøgelsesprotokollen.

3. Fremstilling af hyperpolariserede 129Xe doser

BEMÆRK: Detaljerede instruktioner til 129Xe-polarisator- og polarisationsmålestationer er proprietære og specifikke for hver leverandør. Instruktionerne nedenfor indeholder et grundlæggende resumé for generel spin-exchange optisk pumpning 129Xe polarisatordrift.

  1. Beslut dig for et dosisvolumen for forsøgspersonen. Almindeligvis vælges et totalt dosisvolumen på 1 L for alle forsøgspersoner, og dette samlede dosisvolumen er specificeret i FDA-etiketten for 129Xe MR. Imidlertid foreslår de nuværende Xe MR CTC-anbefalinger30 , at det samlede dosisvolumen (xenon plus enten nitrogen eller helium) bør målrette mod 1/5af forsøgspersonens tvungne vitale kapacitet (FVC) for at sikre en behagelig mængde gas at indånde for hvert emne og for at minimere effekter relateret til lungevolumenforskel mellem forsøgspersoner.
    1. Hvis de seneste spirometriresultater er tilgængelige for emnet, skal du bruge disse til at bestemme 1/5th af FVC. Hvis spirometriresultater ikke er tilgængelige, skal du estimere forsøgspersonens samlede lungekapacitet (TLC) baseret på højde, køn og race og estimere den samlede dosis som 1/6th af TLC.
  2. Beslut om et volumen xenongas for at polarisere.
    BEMÆRK: Målxenonvolumener for hver dosispose er angivet som dosisækvivalentvolumener (DE), hvilket konceptuelt angiver det ækvivalente volumen af 100% beriget, 100% polariseret 129Xe gas. Konceptuelt er DE-lydstyrken direkte proportional med det forventede signal-støj-forhold (SNR) for en 129Xe-scanning, og den anbefalede DE-lydstyrke vil være højere eller lavere for visse 129Xe-scanningstyper baseret på den SNR, der kræves til den pågældende scanningstype.
    1. DE-volumenet for en given xenondosis beregnes på følgendemåde 32:
      Equation 1
      hvor VXe er det samlede volumen af xenongas (alle isotoper, ikke kun 129Xe) i dosis, f129Xe er 129Xe isotopberigelse, og P129Xe er 129Xe polarisation.
    2. Vælg det samlede nødvendige DE-diskenheder for det sæt med 129Xe-scanninger, der skal udføres. De anbefalede DE-volumener til individuelle kalibrerings- og ventilationsscanninger er 75-150 ml.
      BEMÆRK: Til ventilationsbilleddannelse skal SNR være høj nok til robust at skelne mellem ventilerede og ikke-ventilerede billedvoxeller. Et DE-volumen på 50 ml betragtes som det absolutte minimum for ventilationsbilleder30 for at opnå en forventet SNR på mindst 20. Til kalibreringsscanninger kan et DE-volumen helt ned til 25 ml accepteres, hvis kun gasfasesignalet kalibreres. Der skal anvendes mindst 75 ml ved kalibrering af både gasfasesignalerne og signalerne i opløst fase.
  3. Brug det samlede nødvendige DE-volumen, kendt 129Xe isotrop berigelse af xenongassen og estimeret 129Xe-polarisering baseret på tidligere polarisationskørsler til at beregne det samlede krævede xenongasvolumen til polarisering. Et eksempel på beregning er vist nedenfor for en ventilationsscanning (DE-volumen = 75 ml), forudsat 129Xe isotopisk berigelse på 85% og polarisering på 20%32:
    Equation 2
    Udfør denne beregning for hver xenondosis for at bestemme den korrekte mængde polariseret xenongas, der skal dispenseres i hver dosispose.
    1. Personer med lavt BMI (<21) har en højere risiko for mere dybtgående virkninger af centralnervesystemet (CNS) efter 129Xe inhalation end andre forsøgspersoner. Kontakt en læge, før du billeddanner emner med lavt BMI, og overvej at minimere 129Xe-dosisvolumener for at afværge disse potentielle problemer.
  4. Klargør 129Xe-polarisatoren i henhold til alle instruktioner fra polarisatorleverandøren.
    1. Trin kan omfatte følgende, afhængigt af polarisatorleverandøren: Sørg for, at Helmholtz-spolestrømforsyningen er TIL; evakuer udløbsmanifolden for at fjerne eventuelle urenheder; opsæt den flydende kvælstof dewar omkring / under den kolde finger; tænd for strømmen til laserne og lad dem varme op; tænd luftstrømmen til ovnen, indstil ovnen til den passende temperatur ved hjælp af ovnstyringen, og lad ovnen varme op.
      FORSIGTIG: Flydende nitrogen kan forårsage alvorlige forfrysninger, hvis det kommer i kontakt med hud, øjne eller tøj, og laserlys med høj intensitet kan forårsage øjenskade, hvis det rammer øjet uden beskyttelse. Vær forsigtig og brug beskyttelsesudstyr efter behov.
  5. Sørg for, at 129Xe-polarisationsmålestationen er tændt, og at softwaren er klar til at måle dosispolarisering.
  6. Start indsamlingen af hyperpolariseret 129Xe ved at udføre følgende trin.
    1. Start kvælstofstrømmen til den kolde fingeropvarmningsjakke.
    2. Start xenonblandingsstrømmen til den kolde finger. Se polarisatorydelseskurver i polarisatordokumentation for at vælge den optimale strømningshastighed.
    3. Tilsæt flydende nitrogen til dewaren omkring den kolde finger.
    4. Registrer polarisationens starttidspunkt på et datablad for at sikre nøjagtig polarisationsvolumen.
    5. Når opsamlingen er startet, skal du justere flow- og ovnregulatorer for at opretholde ensartet strømningshastighed og temperatur og tilføje flydende nitrogen efter behov for at holde dewaren fuld.
  7. Under xenonakkumulering skal du forberede Tedlar-dosisposer til dosisopsamling ved gentagne gange at rense og evakuere poser mindst 3x ved hjælp af polarisatorudløbsmanifolden for at minimere urenheder og / eller depolariserende gasser i poserne.
  8. Når det passende tidspunkt for indsamling af ønsket hyperpolariseret 129Xe-volumen er gået, afsluttes hyperpolariseret 129Xe-opsamling som angivet i polarisatordokumentationen.
  9. Optø den frosne 129Xe, der er udfældet i den kolde finger, som beskrevet nedenfor.
    1. Sæt en 129Xe dosispose på xenonudgangen på udløbsmanifolden.
    2. Fjern forsigtigt den flydende nitrogendewar og udskift den med en optøningsbeholder, der indeholder stuetemperaturvand.
    3. Under optøning skal du overvåge trykket kontinuerligt, åbne flowventilen fra den kolde finger til xenonudløbet, når trykket når en tærskelværdi, der er angivet i polarisatordokumentationen, og hurtigt lukke ventilen, når trykket falder.
    4. Fortsæt med at dosere sublimeret xenongas i dosisposen på denne måde, indtil den ønskede mængde xenon i dosisposen er nået.
    5. Tilsæt buffergassen (nitrogen eller helium) på dette tidspunkt, hvis den ikke tidligere blev tilsat posen.
    6. Når alle ønskede xenon- og buffergasser er tilsat posen, lukkes klemmeklemmen på poseslangen hurtigt, xenonudløbsventilen lukkes og frigør fulddosisposen fra polarisatoren.
    7. Flyt straks posen til magnetfeltet skabt af Helmholtz-spoleparret på 129Xe-polarisationsmålestationen.
      FORSIGTIG: Der opbygges hurtigt tryk i den kolde finger, når xenongassen opvarmes og sublimerer, hvilket skaber en potentiel eksplosionsrisiko, hvis trykket får lov til at bygge ud over sikre grænser. Følg instruktionerne for dette trin i polarisatordokumentationen nøjagtigt, og brug øjenbeskyttelse, mens du udfører dette trin.
  10. Mål og registrer polarisering i hver dosispose på 129Xe polarisationsmålestationen i henhold til instruktionerne fra leverandøren af polarisationsmålestationen.
  11. Når polariseringen er målt, skal du opbevare 129Xe-dosisposer i magnetfeltet skabt af Helmholtz-spoleparret på polarisationsmålestationen, indtil du er klar til at administrere en dosis til forsøgspersonen.

4. Pre-scan forberedelse og coaching af emnet

BEMÆRK: Det anbefales, at hvis forsøgspersonen modtager en fuld eksamen, der inkluderer en seks minutters gangtest, bør turen ikke finde sted, før 129Xe MR er afsluttet for at undgå at trætte emnet på en måde, der potentielt kan påvirke 129Xe MR-resultater. Dette er især relevant for patienter med kardiopulmonal sygdom.

  1. Bekræft, at forsøgspersonen korrekt har udført alle instruktioner før besøget som beskrevet i trin 2, og at der ikke er sket ændringer i helbredet, der ville opfylde nogen udelukkelseskriterier for undersøgelsen eller udgøre en MR-kontraindikation, siden forsøgspersonen blev screenet.
  2. Udfør alle nødvendige fysiske tests om emnet, herunder et elektrokardiogram (EKG); en samling af vitaliteter, herunder kropstemperatur, puls, respirationsfrekvens, iltmætning i blodet (SpO2) og blodtryk; Spirometri; og en DLCO-test.
  3. Overvåg disse tests for eventuelle advarselstegn, herunder lavSpO2 (<92%), forhøjet blodtryk eller signifikant afvigelse af testresultater fra eventuelle eksisterende baselines for forsøgspersonen.
    BEMÆRK: Disse aflæsninger, især baseline SpO2, kontrolleres på grund af forventningen om, at mild forbigående iltdesaturation vil forekomme under 129Xe indånding. For forsøgspersoner med baseline SpO2 <92% eller andre advarselsskilte, konsulter en læge for at bekræfte emnets egnethed til 129Xe MR-test, og om der skal anvendes supplerendeO2 mellem 129Xe inhalationer.
  4. Coach forsøgspersonen i den korrekte 129Xe inhalationsprocedure, som beskrevet nedenfor.
    1. Forbered en eller flere Tedlar-poser med luft, som forsøgspersonen kan øve sig uden for scanneren. Brug en luftmængde, der svarer til den samlede mængde xenon og buffergas, der vil blive indåndet fra posen under selve undersøgelsen.
    2. Forbered næseklemmer, som motivet skal bære under åndedrætsscanning. Sæt næseklemmerne på motivets næse, før åndedrættet holder (både til øvelse og faktisk scanning).
    3. Træn motivet ved hjælp af en luftfyldt pose til hvert forsøg, følg instruktionerne nedenfor. Forsøgspersonen skal begynde at inhalere posen fra et målvolumen af funktionel restkapacitet. Under nedenstående procedure skal du overvåge motivets bryst for at bekræfte, at de udfører instruktionerne som givet.
      1. Hav posen klar, men administrer den ikke til emnet endnu. Bed emnet om at: Tag en regelmæssig indånding. Pust det ud. Tag en regelmæssig indånding. Pust det ud.
      2. Placer røret, der er fastgjort til Tedlar-posen, i motivets mund. Hold posen, hvor motivet kan indånde fra den, og åbn ventilen. Bed motivet om at: Træk vejret ind. Træk vejret ind. Træk vejret ind.
      3. Når forsøgspersonen har inhaleret hele posens indhold, skal du bede forsøgspersonen om at: Hold vejret. Bed straks scanneroperatøren om at: Gå!
        BEMÆRK: Når du scanner motivet, skal scanneroperatøren starte scanningen, når han hører Go! Denne instruktion er ikke beregnet til emnet (det vil sige, de skal forblive stille og fortsætte med at holde vejret som instrueret umiddelbart på forhånd), men advarer emnet om, at scanning er nært forestående.
      4. Vent på, at scanningen er færdig, eller når du øver dig, på en optælling på 10-15 sekunder, hvilket er den omtrentlige tid, der kræves for at en typisk 129Xe-scanning kan forløbe.
      5. Bed emnet om at: Træk vejret. Faget udånder på dette tidspunkt. Coach motivet til at tage flere dybe vejrtrækninger ind og ud på dette tidspunkt for at lette hurtigere clearance af 129Xe fra lungerne og en hurtigere tilbagevenden til normale iltmætningsniveauer.
      6. Kontroller, at emnet er i stand til at udføre disse instruktioner pålideligt. Overvej at udelukke forsøgspersoner, der ikke er i stand til at indånde hele gasvolumenet, ude af stand til at opretholde åndedrættet, eller som vedvarende hoster under åndedrætsforsøg under testen.
        BEMÆRK: Resultatet af denne test er afgørende for at bestemme sandsynlig billedkvalitet. Denne kontrol af pålidelig forsøgspersonoverholdelse er særlig vigtig i forbindelse med pædiatrisk billeddannelse og billeddannelse af alvorlig lungesygdom, da emner i en eller begge af disse kategorier er mere tilbøjelige til at kæmpe for pålideligt at fuldføre det krævede åndedræt.

5. Klargøring af MR-scannerrum og placering af emne på scannerpatientbordet

  1. Sørg for, at alle, der kommer ind i eller kan forventes at komme ind i MR-scannerrummet (emne og personale), fjerner alle metalliske og / eller elektroniske genstande fra deres lommer og person, inden de går ind i scannerrummet.
  2. Forbered 129Xe vestspolen ved at sætte den i scanneren og placere den på MR-scannerens patientbord.
  3. Bed forsøgspersonen om at ligge på patientbordet i en liggende stilling med fødderne først (eller med hovedet først, hvis det er bedre egnet til scannerrummets indretning). Placer puder under forsøgspersonens hoved, knæ mv. i samråd med forsøgspersonen for at sikre, at emnet komfortabelt kan ligge stille under hele eksamen.
  4. Fastgør 129Xe vestspolen omkring motivets bryst. Sigt efter, at spolens midterlinje i hoved-fod-retningen ligger så tæt som muligt på den forventede midterlinje af forsøgspersonens lunger på et behageligt lungeoppustningsniveau for at undgå signalreduktioner i lungernes periferi.
    BEMÆRK: Det er en almindelig fejl at placere spolen for langt i retning af motivets fødder. Placering af spolen som anvist ovenfor kan sætte spolen længere mod motivets hoved, end man naivt kunne forvente. Derudover skal motivets arme muligvis placeres over hovedet og uden for spolen, hvis motivets brystdiameter kræver dette. Den specifikke brystdiameter, over hvilken denne positionering er påkrævet, varierer afhængigt af specifik scanner og spolehardware. For mindre emner kan armene placeres enten over hovedet og uden for spolen eller i siderne og inde i spolen.
  5. Opsæt et MR-sikkert pulsoximeter ved siden af patientbordet i MR-scannerrummet, og tilslut pulsoximetersonden til emnet. Kontroller, at pulsoximeteret læser korrekt.
  6. Placer en næsekanyle i forsøgspersonens næse (eller for en sund forsøgsperson, få en stående i scannerrummet) og tilslut den til en iltkilde, der skal bruges, hvis forsøgspersonens SpO2 falder mere end 10% i mere end 2 minutter efter dosisindånding. Placer ilttanken og regulatoren på en MR-sikker måde baseret på lokal sikkerhedspolitik inden for rækkevidde.
  7. Før patientbordet ind i MR-scanneren, og juster midterlinjen af spolen/forsøgspersonens lunger til scannerens isocenter.

6. Scanning procedure

  1. Indtast emnedata i brugergrænsefladen på MR-scanneren, og åbn den tidligere forberedte (som beskrevet i trin 1) 129Xe MR-protokol.
  2. Sørg for, at der er forberedt 129Xe-doser som beskrevet i trin 3, og at 129Xe-dosisposer er i magnetfeltet, der genereres af polarisationsmålestationens Helmholtz-spolepar (eller i en tilsvarende enhed) for at minimere 129Xe-depolariseringshastigheden.
  3. Udfør en 1H localizer-scanning ved hjælp af en standardleverandørleveret protokol (f.eks. en lokalisering med tre planer) som beskrevet nedenfor.
    1. Instruer motivet om at tage en behagelig, naturlig indånding og holde vejret. Mens motivet holder vejret, skal du udføre lokaliseringsscanningen.
    2. Se resultaterne af lokaliseringsscanningen på MR-scannergrænsefladen. Hvis billeder viser artefakter (f.eks. hvis metalholdigt tøj ikke blev fjernet), skal du løse eventuelle problemer og gentage lokaliseringen. Hvis lokaliseringsværktøjet FOV er dårligt centreret om motivet, skal du flytte motivet og gentage. Når der er opnået acceptable lokaliseringsbilleder, skal du fortsætte til næste trin.
  4. Udfør indledende justeringer før scanning for 129Xe-scanninger som beskrevet nedenfor.
    1. Indstil den indledende 129Xe centerfrekvens ved at dividere 1H centerfrekvensen fra lokaliseringen med 3,61529 (det omtrentlige forhold mellem de respektive gyromagnetiske forhold på 1H og 129Xe).
    2. Indstil den indledende 129Xe-transmitterindstilling baseret på kalibreringsresultater fra tidligere forsøgspersoner med lignende kropshabitus, skalering baseret på 1H referencespænding eller motivets målte vægt. Oplysninger om 129Xe-transmitterindstillinger er specifikke for scanneren og 129Xe-spoleproducenter.
    3. Brug scannerens standardindstillinger for shim til alle 129Xe-anskaffelser.
  5. Når du har udført de justeringer før scanningen, der er beskrevet ovenfor, skal du hente 129Xe-kalibreringsscanningen for at finde 129Xe-centerfrekvensen og transmitterindstillingerne som beskrevet nedenfor.
    1. Indlæs 129Xe-kalibreringssekvensen fra den forberedte protokol. Sørg for, at alle pulssekvensparametre er som ønsket, og indstil indstillingen for scanningsudførelse, så scanningen kan udføres med et enkelt klik.
    2. Tag den 129Xe dosispose, der er beregnet til 129Xe-kalibreringsscanningen, fra polarisationsmålestationen ind i scannerrummet. Hold eller placer dosisposen klar i nærheden af forsøgspersonen; Undgå områder nær boreåbningen, hvor magnetfeltstyrken ændres hurtigt.
    3. Hjælp forsøgspersonen med at inhalere dosis 129Xe fra posen ved at følge den coachede inhalationsprocedure, der er beskrevet i trin 4.
    4. Udfør scanningen straks efter at have hørt Go! signaleret af den person, der hjælper emnet.
    5. Overvåg motivet, mens scanningen fortsætter. Hvis motivet synligt ånder ud, hoster, bevæger sig osv., Gentag scanningen, hvis det er muligt.
    6. Så snart scanningen er færdig, skal du instruere motivet om at ånde ud og trække vejret frit.
    7. Efter scanningen skal du overvåge forsøgspersonens puls ogSpO2 ved hjælp af pulsoximeteret og overvåge for forbigående virkninger på centralnervesystemet (såsom svimmelhed, svimmelhed, eufori og paræstesi) via verbal kommunikation med emnet.
      BEMÆRK: Næsten alle forsøgspersoner vil opleve meget milde CNS-effekter, der ikke kræver nogen intervention, med undtagelse af personer med lavt kropsfedtindhold, som nævnt i trin 3.2.
    8. Vent på, at eventuelle afvigelser fra baseline forsvinder, før du administrerer endnu en dosis på 129Xe. Hvis der ikke forekommer signifikante afvigelser fra baseline, skal du vente mindst 2 minutter, før du administrerer en ny dosis på 129Xe.
      BEMÆRK: Et typisk tidsforløb for iltmætning og genopretning er som følger: de-mætning starter 10-20 hjerteslag efter afslutning af 129Xe indånding, nadir forekommer 20-30 hjerteslag efter afsluttet indånding, og genopretning sker inden for 45-50 hjerteslag efter afsluttet indånding. De fleste mætning forsvinder inden for 30 s efter 129Xe inhalation og bør typisk forventes at forsvinde helt inden for 2 minutter. Kontakt en læge, hvis vedvarende mætning (større end 10 % af forsøgspersonens baseline) fortsætter ud over 2 minutter, da det kan være tilrådeligt at undgå at give yderligere 129Xe doser og/eller afslutte studiet.
  6. Udfør 129Xe-kalibreringsanalysen som beskrevet nedenfor (f.eks. ved hjælp af et enkeltstående analyseværktøj).
    1. Bestem 129Xe centerfrekvens ved hjælp af spektret fra de første gasfase-FID'er.
    2. Bestem 129Xe transmitterjustering som beskrevet nedenfor.
      1. Tilpas spidsintensiteterne for de 20 gasfase-FID'er til følgende funktion30 , og løs for vendevinklen α:
        Equation 3
        hvor Si er størrelsen af signalintensiteten som følge af den i'teexcitation, S0 er størrelsen af signalintensiteten fra den første excitation, og C er en støjforskydningsparameter.
      2. Når α er opnået, skaleres den indledende 129Xe-transmitterindstilling til efterfølgende scanninger med 20°/α, idet det antages, at 20° blev brugt som den tilsigtede kalibreringsvendevinkel som anbefalet i tabel 1.
  7. Når de sidste 129Xe præ-scanningsjusteringer er foretaget, og forsøgspersonen er klar til den næste 129Xe dosis, udføres 129Xe ventilationsscanningen som beskrevet nedenfor.
    1. Ilæg 129Xe ventilationssekvensen fra den forberedte protokol. Sørg for, at alle pulssekvensparametre er som ønsket, og indstil indstillingen for scanningsudførelse, så scanningen begynder umiddelbart efter et enkelt klik.
    2. Vælg FOV-størrelse og centerplacering baseret på lokaliseringsresultaterne. Sigt efter, at midten af synsfeltet falder sammen med midten af lungerne i alle tre dimensioner, og mål for, at synsfeltet skal være stort nok til komfortabelt at indeholde hele brysthulen, inklusive hele begge lunger.
    3. Tag 129Xe-dosisposen, der er beregnet til 129Xe-ventilationsscanningen, fra polarisationsmålestationen ind i scannerrummet. Hold eller placer dosisposen klar i nærheden af forsøgspersonen; Undgå områder nær boreåbningen, hvor magnetfeltstyrken ændres hurtigt.
    4. Hjælp forsøgspersonen med at inhalere dosis 129Xe fra posen ved at følge den coachede inhalationsprocedure, der er beskrevet i trin 4.
    5. Udfør scanningen straks efter at have hørt Go! signaleret af den person, der hjælper emnet.
    6. Overvåg motivet, mens scanningen fortsætter. Hvis motivet synligt ånder ud, hoster, bevæger sig osv., Gentag scanningen, hvis det er muligt.
    7. Så snart scanningen er færdig, skal du instruere motivet om at ånde ud og trække vejret frit.
    8. Efter scanningen skal du overvåge forsøgspersonens puls ogSpO2 ved hjælp af pulsoximeteret og overvåge for forbigående virkninger på centralnervesystemet (såsom svimmelhed, svimmelhed, eufori og paræstesi) via verbal kommunikation med emnet.
    9. Vent på, at eventuelle afvigelser fra baseline forsvinder, før du administrerer endnu en dosis på 129Xe. Hvis der ikke forekommer signifikante afvigelser fra baseline, skal du vente mindst 2 minutter, før du administrerer en ny dosis på 129Xe.
  8. Udfør 1H anatomisk scanning som beskrevet nedenfor.
    1. Indlæs denanatomiske sekvens 1 H fra den forberedte protokol. Sørg for, at alle pulssekvensparametre er som ønsket, og indstil indstillingen for scanningsudførelse, så scanningen kan udføres med et enkelt klik.
    2. Tag dosisposen fyldt med luft og tilpasset mængden af den dosispose, der blev brugt til 129Xe-ventilationsscanningen, ind i scannerrummet.
    3. Hjælp forsøgspersonen med at inhalere luftdosis fra posen ved at følge den coachede inhalationsprocedure, der er beskrevet i trin 4.
    4. Udfør scanningen straks efter at have hørt Go! signaleret af den person, der hjælper emnet.
    5. Overvåg motivet, mens scanningen fortsætter. Hvis motivet synligt ånder ud, hoster, bevæger sig osv., Gentag scanningen, hvis det er muligt.
    6. Så snart scanningen er færdig, skal du instruere motivet om at ånde ud og trække vejret frit.

7. Procedurer efter scanning

  1. Tag målinger af motivets vitalitet på samme måde som før scanningsproceduren. Hvis nogen vitalitet bliver unormalt, skal du instruere forsøgspersonen om at vente 30-60 minutter og/eller indtil vitaliteten vender tilbage til nær baseline, før du tager afsted.

8. Analyse af 129Xe MR-ventilationsdata

BEMÆRK: De anskaffede 129Xe ventilations- og 1H anatomiske billeder skal automatisk rekonstrueres på MR-scannercomputeren ved hjælp af leverandørens standard billedrekonstruktionspipeline.

  1. Eksporter 129Xe-ventilation og 1H anatomiske scanninger som DICOM-billedfiler ved hjælp af det tilladte interpolationsniveau (ideelt set ingen).
  2. Beregn ventilationsfejlprocent (VDP) med programmerings- eller billedanalysesoftware ved hjælp af følgende ligning8:
    Equation 4
    1. Bestem ventileret volumen ved at segmentere 129Xe-ventilationsscanninger, enten manuelt eller ved hjælp af en af en række eksisterende automatiserede tilgange33.
      BEMÆRK: En simpel metode til binariseret segmentering af 129Xe-billeder bruger en tærskel defineret som følger8:
      Equation 5
      hvor "Middelsignal" er gennemsnittet af 129Xe-signalintensiteten inden for et brugerdefineret interesseområde for et stærkt 129Xe-signal i lungerne, og "SD(støj)" er standardafvigelsen for 129Xe-signalintensiteten inden for et område nær synsfeltets kant langt fra lungerne eller luftrøret.
    2. Bestem total lungevolumen ved at segmentere 1H anatomiske scanninger, enten manuelt eller ved hjælp af eksisterende automatiserede tilgange34.
    3. Når disse segmenteringer er udført, skal du beregne tilsvarende volumener som antallet af segmenterede voxels gange billedvoxelvolumenet (tager højde for enhver interpolation, der udføres, når billederne konverteres til DICOM-filer).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 viser repræsentative ventilations- og tre-plan lokaliseringsbilleder fra et sundt individ. Højt 129Xe-signal kan observeres i lungerne i ventilationsbillederne, og der ses ingen ventilationsforringelse hos denne person.

Figur 2, figur 3 og figur 4 viser repræsentative ventilations- og anatomiske billeder fra syge individer. Figur 2 viser en person med alfa-1-antitrypsinmangel, hvor alvorlig ventilationsnedsættelse let kan detekteres ved at observere det ujævne udseende af de 129Xe-billeder. Tilsvarende kan alvorlig nedsat ventilation ses i figur 3, der viser en person med svær cystisk fibrose. Figur 4 viser en person med kronisk obstruktiv lungesygdom, hvor mere subtile ventilationsfejl kan noteres ved hjælp af de 129Xe-billeder.

Figur 5 viser ventilationsbilleder fra en undersøgelse, der ubevidst blev udført ved hjælp af en 129Xe vestspole med et beskadiget kabel. Den ene af de to lunger viser en langt lavere SNR end den anden og en intensitetsrulle, hvor begge disse fænomener er særligt fremtrædende i de bageste skiver. Figur 6 viser ventilationsbilleder fra en undersøgelse, der blev udført med 129Xe vestspolen placeret for langt mod forsøgspersonens fødder. Kunstigt lavt 129Xe-signal observeres i begge lungeapices på grund af manglen på modtagerfølsomhed der.

Figur 7 viser repræsentative ventilations- og anatomiske billeder fra en person med diagnosticeret KOL sammen med binariserede ventilationskort beregnet ved hjælp af den enkle metode beskrevet i trin 8 i protokollen. Udbredte ventilationsfejl er tydelige hos denne person, herunder næsten fuldstændigt tab af ventilation i den øvre lap i venstre lunge, og den beregnede VDP for denne person er 52%. Mens analyseproceduren korrekt kategoriserer områder med klart højt eller lavt 129Xe-signal, er delvist ventilerede billedområder (eller regioner med delvis volumeneffekt, hvor et givet udsnit spænder over både ventilerede og ikke-ventilerede områder langs skivevalgsretningen) vanskeligere at karakterisere. I dette tilfælde har analyseproceduren tendens til at karakterisere disse regioner som ikke-ventilerede. Dette eksempel understreger nytten af analyseprocedurer, der kategoriserer ventilation i mere end to kategorier. Udvikling, test og sammenligning af sådanne analyseprocedurer er en vigtig løbende indsats inden for 129Xe MRI 30,33.

Figure 1
Figur 1: Repræsentative billeder fra et sundt individ. (A) Ventilation og (B) tre-plan lokaliseringsbilleder fra en 22-årig 117 lb sund kvinde. Ingen ventilationsforringelser kan let påvises hos denne person. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Repræsentative billeder fra en person med alfa-1 antitrypsinmangel. (A) Ventilation og (B) anatomiske billeder fra en 60-årig 144 lb kvinde med diagnosticeret alfa-1 antitrypsinmangel. Alvorlige ventilationsforringelser er tydelige hos denne person. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Repræsentative billeder fra en person med svær cystisk fibrose. (A) Ventilation og (B) anatomiske billeder fra en 18-årig 132 lb mand med diagnosticeret alvorlig cystisk fibrose. Alvorlige ventilationsforringelser er tydelige hos denne person. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Repræsentative billeder fra en person med kronisk obstruktiv lungesygdom. (A) Ventilation og (B) anatomiske billeder fra en 56-årig 110 lb kvinde med diagnosticeret kronisk obstruktiv lungesygdom. Milde ventilationsfejl kan påvises hos denne person. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Repræsentative billeder udført ved hjælp af en defekt 129Xe vestspole. (A) Ventilation og (B) anatomiske billeder fra en 20-årig kvinde på 136 lb med diagnosticeret cystisk fibrose fra en scanning, der ubevidst blev udført ved hjælp af en 129Xe vestspole med et beskadiget kabel. Den højre lunge (venstre som billederne vises på siden) viser et lavere signal-støj-forhold (SNR) end venstre lunge (højre som billederne vises på siden), og den højre lunge viser også en bemærkelsesværdig intensitetsrulle med højere SNR i de forreste skiver end i de bageste skiver og højere SNR mod lungens mediale kant end mod sidekanten. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Repræsentative billeder, hvor spolen var placeret for langt i den ringere retning. (A) Ventilation og (B) anatomiske billeder fra en 6-årig mand på 46 lb med diagnosticeret mild cystisk fibrose, scannet med 129Xe vestspolen placeret for langt i ringere retning. Det målte signal i lungeapicerne er kunstigt lavt på grund af den resulterende mangel på modtagerfølsomhed i lungeapices. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7: Repræsentativ ventilationsanalyse ved hjælp af 129Xe MR-billeder. (A) Anatomiske og (B) ventilationsbilleder fra en 84-årig mand på 188 lb med diagnosticeret kronisk obstruktiv lungesygdom med (C) ventilationskort beregnet ved hjælp af den enkle binariserede analyseprocedure beskrevet i trin 8 i protokollen. Ventilerede områder af lungen er vist i cyan, mens uventilerede områder af lungen er vist i magenta. Alvorlige ventilationsfejl kan påvises hos denne person, herunder næsten fuldstændigt tab af ventilation i den øvre lap af venstre lunge. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende fil 1: Eksempel på MR-sikkerhedsformular. Denne formular bruges på University of Virginia til at vurdere emne MR sikkerhed. Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ventilations- og anatomiske MR-tilgange, der er skitseret ovenfor, er designet til at maksimere billedkvaliteten og SNR, samtidig med at enkelheden i implementeringen opretholdes - disse sekvensprotokoller kan generelt tilpasses fra leverandørens produktpulssekvenser, forudsat at multinuklear drift er aktiveret, og billeder rekonstrueres automatisk på scannercomputeren. En ulempe ved de 2D-tilgange, der er beskrevet her, er brugen af skive-selektive excitations-RF-impulser, som introducerer signalforskelle mellem skiver indsamlet tidligere i 129Xe-ventilationserhvervelsen end senere på grund afT1-afslapning af den inhalerede hyperpolariserede 129Xe under scanningen. En anden ulempe ved den her beskrevne procedure er, at 129Xe ventilationsscanningen og dens tilsvarende 1H anatomiske scanning erhverves i forskellige åndedrætsrum, hvilket muligvis introducerer variationer i lungeoppustningsniveau eller position mellem ventilation og anatomiske scanninger.

Tilgange til 3D-ventilationsbilleddannelse og til enkelt-åndedræt-billeddannelse af både 129Xe og 1H er blevet mere og mere almindelige. 3D-billeddannelsesmetoder tillader rekonstruktion af isotrope voxels (i modsætning til de ikke-isotrope voxels med grovere opløsning langs skiveretningen nødvendiggjort af skiveselektiv 2D-billeddannelse) og undgårpotentiel T1-drevet 129Xe-signalvariation fra en skive til den næste35,36. Når du bruger kartesiske k-space-baner, kræver 3D-billeddannelse med isotrop opløsning længere scanningstider end 2D-billeddannelse med samme volumen. Derfor bruges mere tidseffektiv ikke-kartesisk k-rumprøveudtagning ofte til 3D-billeddannelse. Den meget større tidseffektivitet, som ikke-kartesisk prøveudtagning giver, kan også gøre det muligt at erhverve 129Xe- og 1H-billederne i samme åndedrag37. Disse avancerede tilgange forbliver vanskeligere at implementere og standardisere på tværs af steder på grund af den krævede pulssekvensprogrammering og avancerede rekonstruktionsteknikker. Men efterhånden som leverandørunderstøttelse af pulssekvenser med ikke-kartesisk udlæsning bliver tilgængelig, kan disse mere avancerede tilgange blive almindelige og standardiserede på tværs af websteder.

Ventilationsanalyseproceduren, der præsenteres i trin 8 i protokollen, er en enkel metode, der let kan implementeres og fortolkes, da den returnerer et binært defekt / ikke-defekt svar for hver segmenteret lungevoxel og samler disse resultater til et enkelt VDP-nummer for den scannede person. Mens denne tilgang er et rimeligt udgangspunkt for ventilationsanalyse, kan voxel-vis binarisering ikke fuldt ud karakterisere ventilationsheterogenitet. Mere komplekse tilgange til ventilationskategorisering er blevet udviklet og testet og er i øjeblikket i brug på nogle forskningsinstitutioner33. Generelt søger disse tilgange at karakterisere voxel-vis ventilation ud over blot ventileret og ikke-ventileret ved at inkludere andre kategorier, såsom hyperventileret og delvist ventileret, med henblik på at producere mere beskrivende og meningsfulde aflæsninger end binær VDP. Specifikke kategoriseringsmetoder inkluderer lineær binning af normaliserede voxelintensiteter ved hjælp af histogrammer4; voxelintensitetsklassificering ved hjælp af k-middel 38, fuzzy c-middel 39,40 og Gaussisk blandingsmodellering41; og dybe indviklede neurale netværk, træning på eksisterende hyperpolariserede gasventilationsbilleder33,34. Ventilationskvantificering ved hjælp af 129Xe MR forbliver et område med aktiv udvikling og diskussion, uden konsensus bedste praksis metode identificeret i skrivende stund.

Omfanget af denne protokol er begrænset til 129Xe ventilations-MR, og til dato er dette den eneste 129Xe MR-teknik, der er godkendt til klinisk brug af FDA. En interessant fordel ved 129Xe MR-pakken af teknikker er imidlertid dens potentiale til regional karakterisering af mange forskellige aspekter af lungefunktionen. Især giver det nylige positionspapir30 fra Xe MRI CTC den nuværende anbefalede praksis for billeddannelse af lungegasudveksling ved hjælp af opløst fase 129Xe MR og kvantificering af alveolær luftrumsstørrelse ved hjælp af 129Xe diffusions-MR. Disse protokoller kan generelt ikke tilpasses fra leverandørleverede protokoller og kræver derfor betydelig pulssekvensprogrammering. Når pulssekvenser er udviklet, kan de tilknyttede protokoller let integreres i arbejdsgangen for 129Xe ventilations-MR, der er beskrevet her, da bedste praksis for xenonpolarisering, xenondosering og overvågning af forsøgspersoner er almindelige på tværs af de forskellige 129Xe MR-metoder. Når der forventes udført adskillige 129Xe MR-scanningstyper hos et enkelt emne, anbefales det at udføre 129Xe-scanninger, der repræsenterer det primære undersøgelsesendepunkt, først efter udførelse af 129Xe-kalibrering, hvis de resulterende billeder ikke er acceptable, og den primære endepunktsscanning skal gentages ved hjælp af en dosis på 129Xe, der oprindeligt var beregnet til en efterfølgende sekundær endepunktsscanning.

Protokollen beskrevet her er beregnet til billeddannelse af voksne og ældre unge, og 129Xe ventilations-MR er i øjeblikket kun godkendt til klinisk brug af FDA hos personer i alderen mindst 12 år. Imidlertid er 129Xe MR af stigende interesse som et værktøj til pædiatrisk lungesygdomsforskning 17,22,42,43, og FDA-godkendelse til 129Xe MR i pædiatriske populationer vil blive søgt i kort rækkefølge. Vanskeligheder med at opretholde åndedrættet og / eller udføre vejrtrækningsinstruktioner er mere sandsynligt hos pædiatriske emner, og derfor er coaching før scanning særlig vigtig. Testposeøvelsesproceduren beskrevet i trin 4 i protokollen påtager sig også en mere afgørende rolle, da den kan hjælpe med at beslutte, om man skal gå videre til 129Xe-billeddannelse. Derudover bør protokoller for pædiatrisk 129Xe MR stræbe efter at forkorte scanningstider (og dermed åndedrætstider), hvor det er muligt. Mindre lunger hos pædiatriske forsøgspersoner kan nødvendiggøre forskellige 129Xe doseringsovervejelser og opløsning og/eller FOV-indstillinger end dem, der anvendes til ældre personer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne J.F.M., J.P.M. og Y.M.S. deltager i kliniske forsøg støttet af Polarean, Inc. Forfatterne J.F.M. og Y.M.S. leverer konsulenttjenester til Polarean, Inc. (mindre end $ 5000). Forfatter J.P.M. modtager forskningsstøtte fra Polarean, Inc.

Acknowledgments

Dette arbejde blev finansieret af National Institutes of Health (bevillingsnumre R01-CA172595-01, R01-HL132177, R01-HL167202, S10-OD018079 og UL1-TR003015) og af 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

Medicin udgave 201
Erhvervelse af hyperpolariserede <sup>129</sup>Xe magnetiske resonansbilleder af lungeventilation
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