Het manuscript presenteert een gedetailleerd protocol voor het gebruik van hypergepolariseerd Xenon-129 chemisch verschuivingsverzadigingsherstel (CSSR) om pulmonale gasuitwisseling te traceren, de schijnbare dikte van de alveolaire septumwand te beoordelen en de oppervlakte-volumeverhouding te meten. De methode heeft het potentieel om longziekten te diagnosticeren en te monitoren.
Hypergepolariseerde Xenon-129 (HXe) magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) biedt hulpmiddelen voor het verkrijgen van 2- of 3-dimensionale kaarten van longventilatiepatronen, gasdiffusie, xenonopname door longparenchym en andere longfunctiestatistieken. Door ruimtelijke voor temporele resolutie te verhandelen, maakt het echter ook het mogelijk om de pulmonale xenongasuitwisseling op een ms-tijdschaal te traceren. Dit artikel beschrijft een van die technieken, chemical shift saturation recovery (CSSR) MR-spectroscopie. Het illustreert hoe het kan worden gebruikt om het capillaire bloedvolume, de dikte van de septumwand en de oppervlakte-volumeverhouding in de longblaasjes te beoordelen. De omkeerhoek van de toegepaste radiofrequente pulsen (RF) werd zorgvuldig gekalibreerd. Voor het toedienen van het gas aan de proefpersoon werden protocollen voor het inhouden van de adem met een enkele dosis en meerdere doses vrije ademhaling gebruikt. Zodra het ingeademde xenongas de longblaasjes bereikte, werd een reeks RF-pulsen van 90° toegepast om een maximale verzadiging van de geaccumuleerde xenonmagnetisatie in het longparenchym te garanderen. Na een variabele vertragingstijd werden spectra verkregen om de hergroei van het xenonsignaal te kwantificeren als gevolg van gasuitwisseling tussen het alveolaire gasvolume en de weefselcompartimenten van de long. Deze spectra werden vervolgens geanalyseerd door complexe pseudo-Voigt-functies aan de drie dominante pieken te koppelen. Ten slotte werden de vertragingstijdafhankelijke piekamplitudes aangepast aan een eendimensionaal analytisch gasuitwisselingsmodel om fysiologische parameters te extraheren.
Hypergepolariseerde Xenon-129 (HXe) magnetische resonantiebeeldvorming (MRI)1 is een techniek die unieke inzichten biedt in de structuur, functie en gasuitwisselingsprocessen van de longen. Door de magnetisatie van xenongas dramatisch te versterken door middel van spin-uitwisseling optisch pompen, bereikt HXe MRI een orde van grootte verbetering in signaal-ruisverhouding in vergelijking met thermisch gepolariseerde Xenon MRI 2,3,4,5,6. Deze hyperpolarisatie maakt de directe visualisatie en kwantificering van de opname van xenongas in longweefsel en bloed mogelijk, die anders niet detecteerbaar zou zijn met conventionele thermisch gepolariseerde MRI7.
Chemical shift saturation recovery (CSSR) MR-spectroscopie 8,9,10,11,12,13 is een van de meest waardevolle HXe MRI-technieken gebleken. CSSR omvat het selectief verzadigen van de magnetisatie van xenon opgelost in longweefsel en bloed met behulp van frequentiespecifieke radiofrequente (RF) pulsen. Het daaropvolgende herstel van het signaal in de opgeloste fase (DP) wanneer het wordt uitgewisseld met vers hypergepolariseerd xenongas in de luchtruimen op een tijdschaal van ms, biedt belangrijke functionele informatie over het longparenchym.
Sinds de ontwikkeling in het begin van de jaren 2000 zijn de technieken achter CSSR-spectroscopie geleidelijk verfijnd 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Verder heeft de vooruitgang in het modelleren van xenonopnamecurven de extractie van specifieke fysiologische parameters mogelijk gemaakt, zoals de dikte van de alveolaire wand en pulmonale transittijden 10,24,25,26. Studies hebben aangetoond dat CSSR gevoelig is voor subtiele veranderingen in de microstructuur van de longen en de efficiëntie van gasuitwisseling in de vorm van longafwijkingen die worden aangetroffen bij klinisch gezonde rokers27, evenals bij een reeks longziekten, waaronder chronische obstructieve longziekte (COPD)18,27,28, fibrose 29 en door straling geïnduceerd longletsel 30,31. Het is ook aangetoond dat CSSR-spectroscopie gevoelig is voor het detecteren van oscillaties in het DP-signaal die overeenkomen met pulserende bloedstroom tijdens de hartcyclus32.
Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt, blijven er praktische uitdagingen bij het implementeren van CSSR-spectroscopie op klinische MRI-systemen. Scantijden die een enkele dosis ademinhoudingen van bijna 10 s vereisen, kunnen te lang zijn voor pediatrische proefpersonen33,34 of patiënten met een ernstige longziekte35,36. Bovendien is de techniek gevoelig voor meetfouten als acquisitieparameters zoals de volgorde van de verzadigingsvertragingstijden of de effectiviteit van de verzadiging in de opgeloste fase niet goed zijn geoptimaliseerd21. Om deze beperkingen aan te pakken en CSSR toegankelijker te maken voor de bredere onderzoeksgemeenschap, zijn duidelijke, stapsgewijze protocollen nodig voor zowel conventionele ademinhouding als vrije ademverwervingen, die momenteel in ontwikkeling zijn.
Het doel van dit artikel is om een gedetailleerde methodologie te presenteren voor het uitvoeren van geoptimaliseerde CSSR MR-spectroscopie met behulp van HXe-gas. Het protocol omvat polarisatie en afgifte van het xenongas, RF-pulskalibratie, sequentieparameterselectie, voorbereiding van de proefpersoon, gegevensverzameling en belangrijke stappen in gegevensanalyse. Voorbeelden van experimentele resultaten zullen worden verstrekt. Het is te hopen dat deze uitgebreide gids als basis zal dienen voor CSSR-implementaties op verschillende locaties en zal helpen het volledige potentieel van deze techniek te realiseren voor het kwantificeren van microstructurele veranderingen in de longen in een reeks longziekten.
HXe CSSR MR-spectroscopie is een krachtige techniek voor het beoordelen van verschillende longfunctiemetrieken die in vivo moeilijk of onmogelijk te kwantificeren zouden zijn met behulp van een andere bestaande diagnostische modaliteit24. Desalniettemin zijn de acquisitie en de daaropvolgende gegevensanalyse gebaseerd op bepaalde aannames over fysiologische omstandigheden en technische parameters die nooit volledig haalbaar zijn bij levende proefpersonen. Deze beperkingen en hun impact op…
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door NIH-subsidies R01HL159898 en R01HL142258.
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 |