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获取肺通气的超极化 129Xe 磁共振图像

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

超极化 129Xe 磁共振成像 （MRI） 是一种研究肺功能区域分辨方面的方法。这项工作提出了肺通气超极化 129Xe MRI 的端到端标准化工作流程，特别关注脉冲序列设计、 129Xe 剂量制备、扫描工作流程和受试者安全监测的最佳实践。

Abstract

超极化 129Xe MRI 包括一系列独特的结构和功能肺成像技术。鉴于最近 FDA 批准 129Xe 作为 MR 造影剂，以及研究和临床机构对 129Xe MRI 的兴趣增加，跨站点的技术标准化变得越来越重要。 129Xe MRI 临床试验联盟 （Xe MRI CTC） 的成员已就 129Xe MRI 工作流程的每个关键方面的最佳实践达成一致，这些建议在最近的出版物中进行了总结。这项工作提供了实用信息，以开发端到端的工作流程，用于根据 Xe MRI CTC 建议收集 129张肺通气的 Xe MR 图像。将讨论和演示用于 MR 研究的 129Xe 的制备和管理，具体主题包括为整个研究和单个 MR 扫描选择合适的气体量、单个 129Xe 剂量的制备和交付，以及在研究期间监测受试者安全性和 129Xe 耐受性的最佳实践。还将涵盖关键的 MR 技术考虑因素，包括脉冲序列类型和优化参数、 129Xe 翻转角度和中心频率的校准以及 129Xe MRI 通气图像分析。

Introduction

超极化 129Xe MRI 是一种令人兴奋的工具，可用于非侵入性、空间分辨表征和量化肺功能的特定方面 1,2,3。采集和重建方法类似于解剖质子 MRI 中使用的方法，可产生肺部吸入 129Xe 的图像，从而可以可视化非通气肺区域和通气分布的区域分辨量 4,5,6,7,8 .更先进的脉冲序列和分析技术可产生进一步的补充信息，包括通过光谱 MRI9、10、11、12、13 量化肺泡和肺毛细血管之间的气体交换效率，以及通过弥散加权 MRI 表征肺泡微观结构完整性14、15、16。

吸入 129Xe 已被证明在成人和儿童受试者中安全且可耐受，包括患有肺部疾病的受试者 17,18。来自129Xe MRI的肺功能测量结果显示，在许多肺部疾病情况下，对结构和功能改变具有敏感性，包括慢性阻塞性肺疾病6,10,19，囊性纤维化20,21,22，特发性肺纤维化23,24,25和哮喘7,10，26.鉴于 129Xe MRI 的高安全性和耐受性，与其他常见成像方法相比，MRI 中没有电离辐射，以及 129Xe MRI 结果的高可重复性27,28， 129Xe MRI 具有重要的前景，特别是对于接受慢性肺部疾病治疗的个体的精确连续监测。

129Xe MRI 的安全性和临床前景使其于 2022 年 12 月获得 FDA 批准，用于 12 岁及以上人群的肺通气成像29。鉴于此，预计未来几年能够进行 129次 Xe MRI 的研究和临床站点数量（目前全球 ~20 个）将显着增加。随着 129Xe MRI 向新机构传播，重要的是存在强大的方法学资源，以使研究中心能够快速构建临床相关的 129Xe MRI 技术，并进行扫描并产生与现有研究中心非常相似的结果。

在这项工作中，我们将概述人类超极化 129Xe 肺通气的最佳实践，这是 129Xe MRI 临床试验联盟 （Xe MRI CTC） 成员机构达成的，并在最近的立场文件30 中进行了总结。主题将包括准备量身定制的脉冲序列，非常适合完整的 129Xe MRI 工作流程、超极化 129Xe 气体的准备和管理、人类 129Xe MRI 会话的优化工作流程，以及在 MRI 会话期间监测受试者安全和舒适度的最佳实践。

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Protocol

所有涉及人类受试者的研究都必须得到机构审查委员会 （IRB） 的批准。IRB 参与对于监管批准的 129Xe MRI 临床使用不是必需的。在参与研究之前，必须向潜在受试者提供经批准的知情同意书。获得同意的人必须解释文件的内容，包括研究的目的、程序、益处和风险，必须回答任何问题，并且必须获得受试者的同意才能继续进行研究，如受试者在知情同意书上的签名所记录的那样。对于儿科受试者或其他特殊情况，必须遵循经批准的征得同意的做法。下面描述的协议遵循弗吉尼亚大学 IRB 的指南，本手稿中的示例案例受试者已签署弗吉尼亚大学 IRB 批准的同意书（IRB 13647、16215、16885、19569）。

1. 129Xe MRI 的硬件和脉冲序列的准备

注意：在扫描任何人类受试者之前，应执行步骤 1 下的协议步骤。它们不需要为每个主题重复。

  1. 验证 MRI 扫描仪是否能够进行包括 129Xe 在内的多核操作。
  2. 如果需要，使用专用的线圈到扫描仪接口盒，验证 129Xe 射频 （RF） 线圈是否可以连接到 MRI 扫描仪。
  3. 如果扫描仪制造商需要，请验证是否安装了用于将 129Xe 射频线圈连接到 MRI 扫描仪的合适软件（通常称为线圈文件）。
  4. 准备用于 129Xe 和 1H 成像的脉冲序列，如下所述。
    1. 对于 129Xe校准，使用 表1中提供的脉冲序列参数制备一个非局部光谱序列，该序列包含一系列自由感应衰减（FID）。
      注：在~218 ppm（溶相频率）下采集的FID主要用于确定溶相 129Xe MRI的参数，这是本工作未涵盖的。但是，给出这些参数是为了开发一个标准化的 129Xe 校准，足以进行任何类型的 129Xe MRI 扫描。此外，请注意，一旦研究中心获得足够的经验，仅涉及 129Xe 通气成像的研究可能不需要单独的校准扫描。 129Xe 的工作频率可以通过将扫描仪确定的 1H 频率按 129Xe 与 1H 旋回磁比的比率缩放来准确估计，并且可以根据积累的经验和受试者重量来估计发射机校准。
    2. 对于 129Xe 通气 MRI，使用 表 2 中提供的脉冲序列参数准备二维 （2D） 射频破坏梯度回波序列。确保选择 129Xe 作为目标核。
    3. 对于常规 的 1H 解剖 MRI，使用 表 2 中提供的参数准备单次涡轮增压/快速自旋回波序列或射频破坏梯度回波序列。
      注意：对于 129Xe 通气和 1H 解剖序列，FOV 和切片数量是特定于受试者的。在扫描会话开始时选择这些参数，以确保在所有三个维度上完全覆盖肺部。
      1. 启用相位过采样，以减轻臂进入成像视场的潜在混叠。
      2. MRI 扫描仪供应商的限制可能会阻止单次涡轮增压/快速自旋回波序列在建议的粗略面内分辨率 （4 mm x 4 mm） 下运行。如果是这种情况，请使用所需分辨率的整数因子（例如，2 mm x 2 mm）的分辨率。
        注意： 1H解剖扫描也可以使用2D RF破坏梯度回波序列进行采集。在这种情况下，使用与 表2 中给出的通气扫描参数相同的参数，但启用相位过采样，以避免手臂混叠到成像视场中。
  5. 通过对热极化 129Xe 模型31 进行 129Xe 扫描，对 1H 模型进行 1H 扫描，验证上述射频线圈和脉冲序列的操作。

参数 校准
TR公司 15 毫秒
TE 公司 0.45 ms （3 T）， 0.8 ms （1.5 T）
射频脉冲 窗口 SINC
射频持续时间 0.65-0.69 ms （3 T）， 1.15-1.25 ms （1.5 T）
翻转角度 20°
射频频率 218 ppm （溶相）， 0 ppm （气相）
停留时间 39 微秒
带宽 25.6 千赫兹
不。样本数量 256（不包括过采样，如果使用）
读出持续时间 10 毫秒
FID 数量 1 个噪声（无 RF），溶相频率为 499，气相频率为 20。
梯度变质 至少 15 mT/m-ms 的力矩（每个轴，每个 FID 之后）
期间 ~8 秒

表 1： 推荐用于 129Xe 校准的脉冲序列参数。 给出了非局部光谱 129Xe校准脉冲序列的参数。

参数 通风 解剖
序列类型 RF 失宠梯度回波 单发涡轮增压/快速自旋回波
TR公司 <10 毫秒 无限
TE 公司 <5 毫秒 <50 毫秒
回声间隔 不适用 3-5 毫秒
激发翻转角度 8-12° 90°
重新对焦翻转角度 不适用 ≥90°（SAR限值内允许的最高温度）
切片厚度 15 毫米 15 毫米
切片间隙 没有 没有
切片方向 冠 状 冠 状
切片顺序 顺序（从前到后） 顺序（从前到后）
相位编码顺序 顺序（从左到右） 顺序（从左到右）
NEX公司 1（最多允许 7/8 部分傅里叶） 半傅里叶
不对称回波 允许 不适用
体素大小 4 x 4 x 15 毫米3 4 x 4 x 15 毫米3
每个回波的采样持续时间 5-7 毫秒 1-1.5 毫秒
扫描持续时间 8-12 秒 ≤16 秒

表 2： 129Xe 通气和 1H 解剖成像的推荐脉冲序列参数。 给出了用于 129Xe 通气成像的 2D RF 破坏快速梯度回波序列（第一列）和 1H 解剖成像的 2D 单次涡轮增压/快速自旋回波序列（第二列）的参数。请注意，解剖扫描也可以使用 2D RF 破坏梯度回波序列进行采集。在这种情况下，使用与此处给出的通气扫描参数相同的参数，但根据需要添加相位过采样，以避免手臂混叠到成像 FOV 中。另请注意，指定接收机带宽的特定方法因扫描仪制造商而异，但可以从给定的每个回波采样持续时间为任何扫描仪制造商计算正确的值。

2. 129Xe MRI 候选人的筛选和准备

  1. 通过使用 MR 安全表调查潜在受试者，确保他们没有 MRI 禁忌症。 补充文件 1 描述了弗吉尼亚大学使用的示例表格。
  2. 确保潜在受试者不符合 129Xe MRI 检查特有的任何排除标准，其中可能包括但不限于：预测百分比 FEV1 低于 25%、过去 6 周内的失代偿呼吸系统疾病、胸围大于 129Xe 射频线圈的内围，以及不稳定的心脏病史。
    注意：不表明立即排除但需要仔细考虑的个人其他标准包括：基线时需要大量补充氧气（即，通过鼻插管大于 3 L/min）和有基线异常的神经系统疾病史。
  3. 如果在影像学访视期间进行肺弥散测试 （DLCO） 或肺活量测定，请指导受试者在研究访视当天不要摄入碳酸饮料。如果受试者使用处方呼吸药物，请指示他们延迟或避免服用，如果研究方案指定。

3.超极化129Xe剂量的制备

注意：详细的 129Xe 偏振器和偏振测量站说明是专有的，特定于每个供应商。以下说明包括一般自旋交换光泵浦 129Xe 偏振器操作的基本摘要。

  1. 确定受试者的剂量体积。通常，所有受试者的总剂量体积为 1 L，并且该总剂量体积在 129Xe MRI 的 FDA 标签中指定。然而，目前的 Xe MRI CTC 建议30 建议总剂量体积（氙气加氮气或氦气）应以受试者用力肺活量 （FVC） 的 1/5 为目标，以确保每个受试者吸入的气体量舒适，并尽量减少与受试者之间肺容积差异相关的影响。
    1. 如果受试者最近的肺活量测定结果可用，请使用这些结果来确定 FVC的 1/5。如果肺活量测定结果不可用，请根据身高、性别和种族估计受试者的总肺活量 （TLC），并将总剂量估计为 TLC的 1/6。
  2. 确定要极化的氙气体积。
    注意：每个剂量袋的目标氙气体积以剂量当量 （DE） 体积表示，从概念上讲，它表示 100% 富集、100% 极化 129Xe 气体的等效体积。从概念上讲，DE 体积与 129Xe 扫描的预期信噪比 （SNR） 成正比，并且根据该扫描类型所需的 SNR，某些 129Xe 扫描类型的推荐 DE 体积将更高或更低。
    1. 计算给定氙气剂量的 DE 体积，如下所示 32：
      Equation 1
      其中 VXe 是剂量中氙气（所有同位素，而不仅仅是 129Xe）的总体积， f129Xe 是 129Xe 同位素富集， P129Xe 是 129Xe 极化。
    2. 为将要执行的 一组 129个 Xe 扫描选择所需的总 DE 卷。对于单个校准和通气扫描，推荐的 DE 体积为 75-150 mL。
      注意：对于通气成像，信噪比必须足够高，以便可靠地区分通气和非通气图像体素。50 mL 的 DE 体积被认为是通气成像30 的绝对最小值，以达到至少 20 的预期 SNR。对于校准扫描，如果仅校准气相信号，则低至 25 mL 的 DE 体积是可以接受的;如果同时校准气相和溶解相信号，则至少应使用 75 mL。
  3. 使用所需的总 DE 体积、已知的氙气各向同性富集量为 129Xe，以及基于先前极化运行的估计 129Xe 极化来计算极化所需的总氙气体积。下面显示了一次通气扫描（DE 体积 = 75 mL）的示例计算，假设 129Xe 同位素富集度为 85%，极化为 20%32：
    Equation 2
    对每个氙气剂量执行此计算，以确定要分配到每个剂量袋中的正确极化氙气体积。
    1. 与其他受试者相比，低 BMI （<21） 的受试者在吸入 129Xe 后出现更深远的中枢神经系统 （CNS） 影响的风险更高。在对低 BMI 受试者进行成像之前咨询医生，并考虑尽量减少 129Xe 剂量体积以避免这些潜在问题。
  4. 根据偏振片供应商提供的所有说明准备 129Xe 偏振片。
    1. 步骤可能包括以下内容，具体取决于偏振片供应商：确保亥姆霍兹线圈电源打开;抽空出口歧管以清除任何杂质;在冰冷的手指周围/下方设置液氮杜瓦瓶;打开激光器的电源并让它们预热;打开烤箱的气流，使用烤箱控制器将烤箱设置为适当的温度，然后让烤箱预热。
      注意： 如果液氮与皮肤、眼睛或衣服接触，会导致严重的冻伤，如果高强度激光在没有保护的情况下撞击眼睛，会导致眼睛受伤。请谨慎行事，并根据需要穿戴防护装备。
  5. 确保 129Xe 偏振测量站已通电，并且软件已准备好测量剂量偏振。
  6. 通过执行以下步骤开始收集超极化 129Xe。
    1. 开始向冷手指加热夹克的氮气流动。
    2. 开始氙气混合物流向冰冷的手指。请参阅偏振器文档中的偏振器性能曲线以选择最佳流速。
    3. 在冰冷的手指周围的杜瓦瓶中加入液氮。
    4. 在数据表上记录偏振开始时间，以确保准确的偏振体积。
    5. 收集开始后，调整流量和烘箱控制器以保持一致的流速和温度，并根据需要添加液氮以保持杜瓦瓶充满。
  7. 在氙气积累期间，通过使用偏振器出口歧管反复吹扫和抽真空袋子至少 3 次来准备用于剂量收集的 Tedlar 剂量袋，以尽量减少袋子中的杂质和/或去极化气体。
  8. 一旦收集了所需的超极化 129Xe 体积的适当时间，请按照偏振片文档中的指示终止超极化 129Xe 收集。
  9. 解冻在冰冷的手指中沉淀的冷冻 129Xe，如下所述。
    1. 将 129Xe 剂量袋连接到出口歧管上的氙气出口。
    2. 小心地取出液氮杜瓦瓶，并用装有室温水的解冻容器代替。
    3. 解冻时，持续监测压力，一旦压力达到偏振片文档中给出的阈值，就打开从冷手指到氙气出口的流量阀，并在压力下降时迅速关闭阀门。
    4. 继续以这种方式将升华的氙气分配到剂量袋中，直到达到剂量袋中所需的氙气量。
    5. 如果之前没有将缓冲气体（氮气或氦气）添加到袋子中，则此时添加缓冲气体。
    6. 将所有所需的氙气和缓冲气体添加到袋子中后，迅速关闭袋管上的夹紧，关闭氙气出口阀，然后将全剂量袋从偏振片上拆下。
    7. 立即将袋子移动到 129Xe 偏振测量站的亥姆霍兹线圈对产生的磁场。
      注意： 随着氙气变暖和升华，压力会在冰冷的手指中迅速积聚，如果允许压力超过安全限度，则会产生潜在的爆炸风险。请严格按照偏光片文档中提供的此步骤说明进行操作，并在执行此步骤时佩戴护目镜。
  10. 根据偏振测量站供应商提供的说明，在 129Xe 偏振测量站测量并记录每个剂量袋中的偏振。
  11. 测量极化后，将 129个 Xe 剂量袋保持在由偏振测量站的亥姆霍兹线圈对产生的磁场中，直到准备好对受试者施用剂量。

4. 受试者的预扫描准备和指导

注意：建议如果受试者接受包括 6 分钟步行测试在内的全面检查，则在 完成 129Xe MRI 之前不应进行步行，以避免以可能影响 129Xe MRI 结果的方式使受试者疲劳。这与心肺疾病患者尤其相关。

  1. 确认受试者已正确执行第 2 步中描述的所有就诊前说明，并且自受试者接受筛选以来，没有发生符合任何研究排除标准或构成 MRI 禁忌症的健康状况变化。
  2. 对受试者进行所有必要的身体测试，包括心电图 （ECG）;生命体征的集合，包括体温、心率、呼吸频率、血氧饱和度 （SpO2） 和血压;肺活量测定;和 DLCO 测试。
  3. 监测这些测试是否有任何潜在的警告信号，包括低 SpO2 （<92%）、血压升高或测试结果与受试者的任何现有基线显着偏差。
    注意：检查这些读数，特别是基线 SpO2，因为预计在吸入 129Xe 期间会发生轻度瞬时氧饱和度下降。对于有基线 SpO2 <92% 或其他警告体征的受试者，请咨询医生以确认受试者是否适合进行 129Xe MRI 测试以及是否在 129Xe 吸入之间使用补充 O2。
  4. 指导受试者进行正确的 129Xe 吸入程序，如下所述。
    1. 准备一个或多个装有空气的 Tedlar 袋，供受试者在扫描仪外练习。使用与实际研究期间从袋子中吸入的氙气和缓冲气体总体积相匹配的空气量。
    2. 为受试者准备鼻夹，以便在屏气扫描期间佩戴。在开始屏气之前，将鼻夹安装在受试者的鼻子上（用于练习和实际扫描）。
    3. 按照以下说明，每次尝试使用一个充气袋指导受试者。受试者应从功能残余容量的目标体积开始吸入袋子。在下面的程序中，监视受试者的胸部以确认他们正在执行给定的指令。
      1. 准备好袋子，但不要给受试者服用。要求受试者：定期吸气。呼气。定期吸气。呼气。
      2. 将连接到 Tedlar 袋的管子放入受试者的嘴里。握住袋子，让受试者可以从中吸气并打开阀门。要求受试者：吸气。吸入。吸入。
      3. 一旦受试者吸入了整个袋子里的东西，要求受试者： 屏住呼吸。立即指示扫描仪操作员：开始！
        注意： 扫描对象时，扫描仪操作员应在听到 Go！该指令不适用于受试者（也就是说，他们应该保持静止并继续按照事先的指示屏住呼吸），但确实提醒受试者扫描迫在眉睫。
      4. 等待扫描完成，或者在练习时，计数 10-15 秒，这是典型的 129Xe 扫描所需的大致时间。
      5. 要求受试者：呼吸。此时对象呼出一口气。此时，指导受试者进行几次深呼吸，以促进更快地从肺部清除 129Xe，并更快地恢复到正常的氧饱和度水平。
      6. 验证受试者是否能够可靠地执行这些指令。考虑排除无法吸入全部气体量、无法保持屏气或在测试期间尝试屏气期间持续咳嗽的受试者。
        注意：该测试的结果对于确定可能的成像质量至关重要。在儿科成像和严重肺部疾病成像的背景下，这种对可靠受试者依从性的检查尤为重要，因为这些类别中的任何一个或两个类别的受试者更有可能难以可靠地完成所需的屏气。

5. MRI扫描室的准备和受试者在扫描仪患者台上的位置

  1. 确保任何进入或可能进入 MRI 扫描室的人（受试者和人员）在进入扫描室之前从口袋和人员中取出所有金属和/或电子物体。
  2. 准备 129Xe 背心线圈，将其插入扫描仪并将其放在 MRI 扫描仪患者台上。
  3. 指导受试者以双脚先仰卧位（或头先仰卧，如果更适合扫描室的布局）躺在病床上。与受试者协商，将枕头放在受试者的头部、膝盖等下方，以确保受试者在整个检查过程中可以舒适地躺着不动。
  4. 将 129Xe 背心线圈固定在对象胸部。瞄准线圈的中线在头脚方向上，以尽可能靠近受试者肺部的预期中线，处于舒适的肺充气水平，以避免肺部外围的信号减少。
    注意： 将线圈放置在受试者脚的方向上太远是一个常见的错误。按照上述指示定位线圈可能会使线圈比天真预期的更靠近受试者的头部。此外，如果受试者的胸部直径需要，受试者的手臂可能需要放置在头顶上方和线圈外。需要这种定位的特定胸径将因特定的扫描仪和线圈硬件而异。对于较小的受试者，手臂可以放置在头部上方和线圈外侧，也可以位于线圈的侧面和内部。
  5. 在 MRI 扫描室的病床旁边设置一个 MRI 安全脉搏血氧仪，并将脉搏血氧仪探头连接到受试者。验证脉搏血氧仪读数是否正确。
  6. 将鼻插管放在受试者的鼻子中（或者，对于健康的受试者，在扫描仪室中备用一根），并将其连接到氧气源，如果受试者的 SpO2 下降超过 10% 超过 2 分钟后使用剂量吸入。根据当地安全政策，以 MR 安全的方式将氧气罐和调节器放置在可触及的距离内。
  7. 将患者工作台推进到 MRI 扫描仪中，将线圈/受试者肺部的中线对齐到扫描仪的等中心。

6. 扫描程序

  1. 在 MRI 扫描仪的用户界面中，输入受试者数据并打开先前准备好的（如步骤 1 中所述） 129Xe MRI 协议。
  2. 确保已按照步骤 3 中的说明制备 了 129个 Xe 剂量，并且 129个 Xe 剂量袋位于极化测量站的亥姆霍兹线圈对（或等效设备）产生的磁场中，以最大限度地减少 129Xe 去极化率。
  3. 使用供应商提供的标准协议（例如，三平面定位器）执行 1小时定位器扫描，如下所述。
    1. 指导受试者舒适、自然地吸气并屏住呼吸。当受试者屏住呼吸时，执行定位器扫描。
    2. 在 MRI 扫描仪界面上查看定位器扫描的结果。如果图像显示伪影（例如，如果未去除含金属的衣服），请解决任何问题并重复定位器。如果定位器 FOV 对被摄体的居中效果不佳，请重新定位被摄体并重复。获得可接受的定位器映像后，继续执行下一步。
  4. 如下所述，对 129个 Xe 扫描执行初始预扫描调整。
    1. 通过将定位器的 1H 中心频率除以 3.61529（1 H 和 129Xe 的相应陀螺磁比的近似比）来设置初始 129Xe 中心频率。
    2. 根据具有相似身体习惯的先前受试者的校准结果、基于 1H 参考电压的缩放或受试者的测量体重设置初始 129Xe 发射器设置。129Xe 变送器设置的详细信息特定于扫描仪和 129Xe 线圈制造商。
    3. 对所有 129个 Xe 采集使用扫描仪的默认垫片设置。
  5. 执行上述预扫描调整后，获取 129Xe 校准扫描以查找 129Xe 中心频率和发射机设置，如下所述。
    1. 从准备好的方案中加载 129Xe 校准序列。确保所有脉冲序列参数都符合要求，并设置扫描执行设置，以便只需单击一下即可执行扫描。
    2. 将用于 129Xe 校准扫描的 129Xe 剂量袋从偏振测量站带入扫描仪室。握住或将剂量袋放在受试者附近;避免在孔开口附近磁场强度快速变化的区域。
    3. 按照步骤 4 中概述的指导吸入程序，协助受试者从袋子中吸入 129Xe 剂量。
    4. 听到 Go！由协助受试者的个人发出信号。
    5. 在扫描进行时监视对象。如果对象明显呼气、咳嗽、移动等，请尽可能重复扫描。
    6. 扫描完成后，立即指示受试者自由呼气和呼吸。
    7. 扫描后，使用脉搏血氧仪监测受试者的心率和 SpO2 ，并通过与受试者的口头交流监测短暂的中枢神经系统影响（例如头晕、头晕、欣快感和感觉异常）。
      注意：几乎所有受试者都会经历非常轻微的中枢神经系统影响，不需要干预，但体脂含量低的受试者除外，如步骤 3.2 所述。
    8. 等待与基线的任何偏差消散，然后再给予 另一个 129Xe 剂量。如果与基线没有显着偏差，请等待至少 2 分钟，然后再给予 129Xe 剂量。
      注意：氧去饱和度和恢复的典型时间过程如下：去饱和度在完成 10次 Xe 吸入后开始 20-20 次心跳，完成吸入后 20-30 次心跳发生最低点，完成吸入后 45-50 次心跳内恢复。大多数去饱和度在吸入 129Xe 后 30 秒内消退，通常应在 2 分钟内完全消退。如果持续的去饱和度（大于受试者基线的 10%）持续超过 2 分钟，请咨询医生，因为建议避免再给予任何 129Xe 剂量和/或结束研究。
  6. 如下所述执行 129Xe 校准分析（例如，使用独立分析工具）。
    1. 使用第一个气相 FID 的频谱确定 129Xe 中心频率。
    2. 如下所述确定 129Xe 发射机调整。
      1. 将 20 个气相 FID 的峰值强度拟合到以下函数30 并求解翻转角， α：
        Equation 3
        其中 Si 是 第 i次激励产生的信号强度大小， S0 是第一次激励产生的信号强度大小， C 是噪声偏移参数。
      2. 获得 α 后，将后续扫描的初始 129Xe 发射机设置缩放 20°/α，假设 20° 用作 表 1 中推荐的预期校准翻转角度。
  7. 一旦进行了最终 的 129Xe 预扫描调整并且受试者准备好接受下一个 129Xe 剂量，请执行如下所述的 129Xe 通气扫描。
    1. 从准备好的方案中加载 129Xe通气序列。确保所有脉冲序列参数都符合要求，并设置扫描执行设置，以便扫描在单击后立即开始。
    2. 根据定位器结果选择 FOV 大小和中心位置。在所有三个维度上，使 FOV 的中心与肺的中心重合，并使 FOV 足够大，以舒适地容纳整个胸腔，包括整个双肺。
    3. 将用于 129Xe 通气扫描的 129Xe 剂量袋从偏振测量站带入扫描仪室。握住或将剂量袋放在受试者附近;避免在孔开口附近磁场强度快速变化的区域。
    4. 按照步骤 4 中概述的指导吸入程序，协助受试者从袋子中吸入 129Xe 剂量。
    5. 听到 Go！由协助受试者的个人发出信号。
    6. 在扫描进行时监视对象。如果对象明显呼气、咳嗽、移动等，请尽可能重复扫描。
    7. 扫描完成后，立即指示受试者自由呼气和呼吸。
    8. 扫描后，使用脉搏血氧仪监测受试者的心率和 SpO2 ，并通过与受试者的口头交流监测短暂的中枢神经系统影响（例如头晕、头晕、欣快感和感觉异常）。
    9. 等待与基线的任何偏差消散，然后再给予 另一个 129Xe 剂量。如果与基线没有显着偏差，请等待至少 2 分钟，然后再给予 129Xe 剂量。
  8. 如下所述进行 1小时解剖扫描。
    1. 从准备好的方案中加载 1H解剖序列。确保所有脉冲序列参数都符合要求，并设置扫描执行设置，以便只需单击一下即可执行扫描。
    2. 将装满空气并与用于 129Xe 通气扫描的剂量袋的体积相匹配的剂量袋带入扫描仪室。
    3. 按照步骤 4 中概述的指导吸入程序，协助受试者从袋子中吸入空气剂量。
    4. 听到 Go！由协助受试者的个人发出信号。
    5. 在扫描进行时监视对象。如果对象明显呼气、咳嗽、移动等，请尽可能重复扫描。
    6. 扫描完成后，立即指示受试者自由呼气和呼吸。

7. 扫描后程序

  1. 以与扫描程序前相同的方式测量受试者的生命体征。如果任何生命体征变得异常，指示受试者等待 30-60 分钟和/或直到生命体征恢复到接近基线水平后再离开。

8. 129Xe MRI通气数据分析

注意：采集的 129Xe 通气和 1H 解剖图像应使用供应商的默认图像重建管道在 MRI 扫描仪计算机上自动重建。

  1. 使用允许的最小插值水平（理想情况下无插值）将 129Xe 通气和 1H 解剖扫描导出为 DICOM 图像文件。
  2. 使用编程或图像分析软件使用以下公式8 计算通风缺陷百分比 （VDP）：
    Equation 4
    1. 通过手动或使用许多现有自动化方法之一来分割 129Xe 通气扫描来确定通气量33。
      注意： 对 129个 Xe 图像进行二值化分割的简单方法使用定义如下的阈值8：
      Equation 5
      其中，“平均信号”是肺内用户定义的强 129Xe 信号感兴趣区域内 129Xe 信号强度的平均值，“SD（噪声）”是远离肺或气管的视野边缘附近区域内 129Xe 信号强度的标准差。
    2. 通过手动或使用现有的自动化方法分 段 1小时解剖扫描来确定总肺容积34.
    3. 执行这些分割后，将相应的体积计算为分割体素的数量乘以图像体素体积（考虑将图像转换为 DICOM 文件时执行的任何插值）。

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Representative Results

图 1 显示了来自健康个体的代表性通气和三平面定位器图像。在通气图像中可以观察到整个肺部的高 129Xe 信号，并且该个体没有明显的通气障碍。

图 2、 图 3 和 图 4 显示了患病个体的代表性通气和解剖图像。 图 2 描绘了一个患有 α-1 抗胰蛋白酶缺乏症的个体，通过观察 129张 Xe 图像的斑块外观，可以很容易地检测到严重的通气障碍。同样， 在图 3 中可以看到严重的通气障碍，描绘了患有严重囊性纤维化的个体。 图 4 描绘了一名患有慢性阻塞性肺病的个体，其中使用 129Xe 图像可以注意到更细微的通气缺陷。

图 5 显示了一项研究的通风图像，该研究是在不知不觉中使用带有损坏电缆的 129Xe 背心线圈进行的。两个肺中的一个表现出比另一个低得多的信噪比和强度滚动，这两种现象在后切片中尤为突出。 图 6 显示了一项研究的通风图像，该研究是在将 129Xe 背心线圈放置在离受试者脚太远的地方的情况下进行的。由于接收器缺乏灵敏度，在两个肺尖中观察到人为的低 129Xe 信号。

图 7 显示了诊断为 COPD 的个体的代表性通气和解剖图像，以及使用协议第 8 步中描述的简单方法计算的二值化通气图。该患者存在广泛的通气缺陷，包括左肺上叶几乎完全失去通气，该患者的计算 VDP 为 52%。虽然分析程序适当地对明显高或低 129Xe 信号的区域进行分类，但部分通风的图像区域（或部分体积效应区域，其中给定切片沿切片选择方向跨越通风和非通风区域）更难表征。在这种情况下，分析程序倾向于将这些区域描述为非通风区域。这个例子强调了将通气分为两类以上的分析程序的实用性。此类分析程序的开发、测试和比较是 129Xe MRI 30,33 领域正在进行的重要工作。

Figure 1
图 1：来自健康个体的代表性图像。 （A） 通风和 （B） 来自一名 22 岁 117 磅健康女性的三平面定位器图像。在该个体中不容易检测到通气障碍。 请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2：α-1 抗胰蛋白酶缺乏症患者的代表性图像。 （A） 通气和 （B） 来自一名 60 岁 144 磅女性的解剖图像，诊断为 α-1 抗胰蛋白酶缺乏症。该患者有明显的严重通气障碍。 请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3：来自严重囊性纤维化患者的代表性图像。 （A） 通气和 （B） 一名 18 岁 132 磅男性的解剖图像，诊断为严重囊性纤维化。该患者有明显的严重通气障碍。 请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4：慢性阻塞性肺疾病患者的代表性图像。 （A） 通气和 （B） 一名 56 岁 110 磅女性的解剖图像，诊断为慢性阻塞性肺病。在该个体中可以检测到轻度通气缺陷。 请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5：使用有缺陷的 129Xe 背心线圈拍摄的代表性图像。 （A） 通气和 （B） 一名 20 岁 136 磅女性的解剖图像，她被诊断为囊性纤维化，该扫描是在不知不觉中使用带有损坏电缆的 129Xe 背心线圈进行的。右肺（图像显示在页面上时向左）的信噪比 （SNR） 低于左肺（图像在页面上显示时向右），右肺也显示出明显的强度滚动，前切片的 SNR 高于后切片，肺内侧边缘的信噪比高于外侧边缘。 请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 6
图 6：线圈在下方向放置得太远的代表性图像。 （A） 通气和 （B） 一名 6 岁 46 磅男性的解剖图像，诊断为轻度囊性纤维化，扫描时 129Xe 背心线圈在下方向放置得太远。由于肺尖缺乏接收器灵敏度，肺尖中的测量信号被人为地降低。 请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 7
图 7：使用 129张 Xe MR 图像的代表性通气分析。 （A） 来自一名 84 岁 188 磅男性的解剖学和 （B） 通气图像，诊断为慢性阻塞性肺病，以及 （C） 使用协议步骤 8 中描述的简单二值化分析程序计算的通气图。肺部的通风区域以青色显示，而肺部的不通风区域以洋红色显示。在该患者中可以检测到严重的通气缺陷，包括左肺上叶几乎完全失去通气。 请点击这里查看此图的较大版本.

补充文件 1：示例 MR 安全表。 弗吉尼亚大学使用此表格来评估受试者 MR 的安全性。 请点击此处下载此文件。

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Discussion

上述通气和解剖学 MRI 方法旨在最大限度地提高图像质量和 SNR，同时保持实现的简单性 - 这些序列协议通常可以从供应商的产品脉冲序列中调整，前提是启用多核操作，并且图像将在扫描仪计算机上自动重建。这里描述的 2D 方法的一个缺点是使用切片选择性激发射频脉冲，由于扫描过程中吸入的超极化 129Xe 的 T1 弛豫，在 129Xe 通气采集中较早收集的切片之间引入了信号差异。此处描述的程序的另一个缺点是 129Xe 通气扫描及其相应的 1H 解剖扫描是在不同的屏气下获得的，这可能会在通气和解剖扫描之间引入肺充气水平或位置的变化。

3D 通气成像和 129Xe 和 1H 的单次屏气成像方法已变得越来越普遍。3D 成像方法允许重建各向同性体素（与切片选择性 2D 成像所需的沿切片方向具有较粗分辨率的非各向同性体素相反），并避免从一个切片到下一个切片的潜在 T1 驱动的 129Xe 信号变化35,36。当使用笛卡尔 k 空间轨迹时，具有各向同性分辨率的 3D 成像比相同体积的 2D 成像需要更长的扫描时间。因此，更省时的非笛卡尔 k 空间采样通常用于 3D 成像。非笛卡尔采样提供更高的时间效率，也可以同时采集 129Xe 和 1H 图像37。由于需要脉冲序列编程和先进的重建技术，这些先进的方法仍然更难跨站点实施和标准化。然而，随着供应商对具有非笛卡尔读数的脉冲序列的支持变得可用，这些更先进的方法可能会变得司空见惯，并在各个站点标准化。

协议步骤 8 中介绍的通气分析程序是一种简单的方法，可以轻松实现和解释，因为它为每个分段的肺体素返回二元缺陷/无缺陷答案，并将这些结果编译成扫描个体的单个 VDP 编号。虽然这种方法是通气分析的合理起点，但体素二值化不能完全表征通气非均质性。已经开发并测试了更复杂的通气分类方法，目前正在一些研究机构中使用33.一般来说，这些方法试图通过包括其他类别（例如过度通气和部分通气）来表征体素通气，而不仅仅是通气和非通气，着眼于产生比二元 VDP 更具描述性和有意义的读数。具体的分类方法包括使用直方图4 对归一化体素强度进行线性分箱;使用 k 均值38、模糊 c 均值39、40 和高斯混合建模41 进行体素强度分类;以及对现有超极化气体通风图像的深度卷积神经网络训练33,34。使用 129Xe MRI 进行通气量化仍然是一个积极开发和讨论的领域，在撰写本文时尚未确定共识的最佳实践方法。

该协议的范围仅限于 129Xe 通气 MRI，迄今为止，这仍然是 FDA 批准用于临床的唯一 129Xe MRI 技术。然而，129Xe MRI 技术套件的一个有趣的优势是它有可能对肺功能的许多不同方面进行区域表征。特别是，Xe MRI CTC 最近的立场文件30 提供了使用溶解相 129Xe MRI 对肺气体交换进行成像和使用 129Xe 弥散 MRI 量化肺泡-气空间大小的当前推荐做法。这些协议通常不能从供应商提供的协议中调整，因此需要大量的脉冲序列编程。一旦脉冲序列被开发出来，相关的协议可以很容易地集成到这里描述的129Xe通气MRI的工作流程中，因为氙气偏振、氙气给药和受试者安全监测的最佳实践在各种129Xe MRI方法中都很常见。当预计在单个受试者中进行多种 129Xe MRI 扫描类型时，建议在执行 129Xe 校准后首先进行代表主要研究终点的 129Xe 扫描，以防结果图像不可接受，并且必须使用最初用于后续次要终点扫描的 129Xe 剂量重复主要终点扫描。

此处描述的方案适用于成人和年龄较大的青少年的成像，而 129Xe 通气 MRI 目前仅被 FDA 批准用于至少 12 岁个体的临床使用。然而，129Xe MRI 作为儿科肺部疾病研究的工具越来越受到关注 17,22,42,43，并且 FDA 将在短期内寻求批准 129Xe MRI 用于儿科人群。在儿科受试者中，维持屏气和/或执行呼吸指令的困难更有可能发生，因此，扫描前指导尤为重要。协议步骤 4 中描述的测试袋练习程序也发挥了更关键的作用，因为它可以帮助决定是否进行 129Xe 成像。此外，儿科 129Xe MRI 的方案应尽可能缩短扫描时间（从而缩短屏气时间）。与老年人相比，儿科受试者的肺部较小可能需要不同的 129Xe 剂量考虑以及分辨率和/或 FOV 设置。

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Disclosures

作者J.F.M.、J.P.M.和Y.M.S.参加了由Polarean， Inc.支持的临床试验，作者J.F.M.和Y.M.S.为Polarean， Inc.提供咨询服务（不到5000美元）。作者 J.P.M. 获得 Polarean， Inc. 的研究支持。

Acknowledgments

这项工作由美国国立卫生研究院（批准号R01-CA172595-01、R01-HL132177、R01-HL167202、S10-OD018079和UL1-TR003015）和西门子医疗解决方案公司资助。

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)

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References

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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).

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