Hiperpolarize Ksenon Spektroskopisinden Elde Edilen Akciğer Yapısı ve Fonksiyonunun Kantitatif Ölçümü
Summary
El yazması, pulmoner gaz değişimini izlemek, görünür alveolar septal duvar kalınlığını değerlendirmek ve yüzey-hacim oranını ölçmek için hiperpolarize Xenon-129 kimyasal kayma doygunluk geri kazanımı (CSSR) kullanmak için ayrıntılı bir protokol sunmaktadır. Yöntem, akciğer hastalıklarını teşhis etme ve izleme potansiyeline sahiptir.
Abstract
Hiperpolarize Ksenon-129 (HXe) manyetik rezonans görüntüleme (MRG), akciğer ventilasyon paternlerinin, gaz difüzyonunun, akciğer parankimi tarafından Ksenon alımının ve diğer akciğer fonksiyon ölçümlerinin 2 veya 3 boyutlu haritalarını elde etmek için araçlar sağlar. Bununla birlikte, zamansal çözünürlük için uzamsal ticaret yaparak, aynı zamanda pulmoner Ksenon gaz değişiminin ms zaman ölçeğinde izlenmesini de sağlar. Bu makale, böyle bir teknik olan kimyasal kayma doygunluk geri kazanımı (CSSR) MR spektroskopisini açıklamaktadır. Alveollerde kılcal kan hacmini, septum duvar kalınlığını ve yüzey-hacim oranını değerlendirmek için nasıl kullanılabileceğini gösterir. Uygulanan radyofrekans darbelerinin (RF) çevirme açısı dikkatlice kalibre edildi. Gazın deneğe uygulanması için tek doz nefes tutma ve çok doz serbest solunum protokolleri kullanıldı. Solunan Ksenon gazı alveollere ulaştığında, akciğer parankiminde biriken Ksenon manyetizasyonunun maksimum doygunluğunu sağlamak için bir dizi 90° RF darbesi uygulandı. Değişken bir gecikme süresinin ardından, alveolar gaz hacmi ile akciğerin doku bölmeleri arasındaki gaz alışverişi nedeniyle Ksenon sinyalinin yeniden büyümesini ölçmek için spektrumlar elde edildi. Bu spektrumlar daha sonra karmaşık yalancı Voigt fonksiyonlarının üç baskın tepe noktasına uydurulmasıyla analiz edildi. Son olarak, gecikme süresine bağlı tepe genlikleri, fizyolojik parametreleri çıkarmak için tek boyutlu bir analitik gaz değişim modeline takıldı.
Introduction
Hiperpolarize Ksenon-129 (HXe) manyetik rezonans görüntüleme (MRI)1, akciğer yapısı, işlevi ve gaz değişim süreçleri hakkında benzersiz bilgiler sunan bir tekniktir. HXe MRI, spin değişimli optik pompalama yoluyla Xenon gazının manyetizasyonunu önemli ölçüde artırarak, termal olarak polarize Xenon MRI 2,3,4,5,6’ya kıyasla sinyal-gürültü oranında büyüklük sırası iyileştirmesi sağlar. Bu hiperpolarizasyon, aksi takdirde geleneksel termal olarak polarize MRI7 ile tespit edilemeyecek olan akciğer dokusuna ve kana Xenon gazı alımının doğrudan görselleştirilmesini ve ölçülmesini sağlar.
Kimyasal kayma doygunluğu geri kazanımı (CSSR) MR spektroskopisi 8,9,10,11,12,13’ün en değerli HXe MRG tekniklerinden biri olduğu kanıtlanmıştır. CSSR, frekansa özgü radyofrekans (RF) darbeleri kullanılarak akciğer dokusunda ve kanda çözünmüş Xenon’un manyetizasyonunun seçici olarak doyurulmasını içerir. Çözünmüş faz (DP) sinyalinin, hava boşluklarında taze hiperpolarize Ksenon gazı ile ms zaman ölçeğinde değiş tokuş yaparken müteakip geri kazanımı, akciğer parankimi hakkında önemli fonksiyonel bilgiler sunar.
2000’li yılların başındaki gelişiminden bu yana, CSSR spektroskopisinin arkasındaki teknikler aşamalı olarak rafine edilmiştir 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Ayrıca, Ksenon alım eğrilerinin modellenmesindeki ilerlemeler, alveolar duvar kalınlığı ve pulmoner geçiş süreleri gibi spesifik fizyolojik parametrelerin çıkarılmasını sağlamıştır 10,24,25,26. Çalışmalar, CSSR’nin klinik olarak sağlıklı sigara içenlerde27 ve ayrıca kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH)18,27,28, fibroz29 ve radyasyona bağlı akciğer hasarı30,31 dahil olmak üzere bir dizi akciğer hastalığında bulunan pulmoner anormallikler şeklinde akciğer mikroyapısındaki ve gaz değişim verimliliğindeki ince değişikliklere duyarlılığını göstermiştir . CSSR spektroskopisinin, kardiyak döngü32 sırasında pulsatil kan akışına karşılık gelen DP sinyalindeki salınımları tespit etmek için hassas olduğu da gösterilmiştir.
Önemli ilerlemeler kaydedilmiş olsa da, klinik MRI sistemlerinde CSSR spektroskopisinin uygulanmasında pratik zorluklar devam etmektedir. 10 saniyeye yaklaşan tek doz nefes tutma gerektiren tarama süreleri, pediatrik denekler 33,34 veya ciddi akciğer hastalığıolan hastalar35,36 için çok uzun olabilir. Ek olarak, doygunluk gecikme sürelerinin sırası veya çözünmüş faz doygunluğunun etkinliği gibi edinim parametreleri uygun şekilde optimize edilmezse, teknik ölçüm yanlılıklarına karşı hassastır21. Bu sınırlamaları ele almak ve CSSR’yi daha geniş araştırma topluluğu için daha erişilebilir hale getirmek için, şu anda geliştirilmekte olan hem geleneksel nefes tutma hem de serbest nefes alma edinimleri için açık, adım adım protokollere ihtiyaç vardır.
Bu makalenin amacı, HXe gazı kullanarak optimize edilmiş CSSR MR spektroskopisi gerçekleştirmek için ayrıntılı bir metodoloji sunmaktır. Protokol, Xenon gazının polarizasyonu ve dağıtımı, RF darbe kalibrasyonu, dizi parametresi seçimi, konu hazırlama, veri toplama ve veri analizindeki temel adımları kapsayacaktır. Deneysel sonuçlara örnekler verilecektir. Bu kapsamlı kılavuzun, sahalar arasında CSSR uygulamaları için bir temel oluşturacağı ve bir dizi akciğer hastalığında akciğer mikroyapısal değişikliklerini ölçmek için bu tekniğin tam potansiyelini gerçekleştirmeye yardımcı olacağı umulmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
HXe CSSR MR spektroskopisi, mevcut herhangi bir tanı modalitesi24 kullanılarak in vivo olarak ölçülmesi zor veya imkansız olan çeşitli solunum fonksiyon metriklerini değerlendirmek için güçlü bir tekniktir. Bununla birlikte, elde etme ve müteakip veri analizi, canlı deneklerde hiçbir zaman tam olarak elde edilemeyen fizyolojik koşullar ve teknik parametreler hakkında belirli varsayımlara dayanmaktadır. Bu sınırlamalar ve ayıklanan metriklerin yorumlanması üzerinde…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, NIH hibeleri R01HL159898 ve R01HL142258 tarafından desteklenmiştir.
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 |
Referências
- 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).
.