Summary
Hypergepolariseerde 129Xe magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) is een methode voor het bestuderen van regionaal opgeloste aspecten van de longfunctie. Dit werk presenteert een end-to-end gestandaardiseerde workflow voor hypergepolariseerde 129Xe MRI van longventilatie, met specifieke aandacht voor het ontwerp van pulssequenties, 129Xe-dosisvoorbereiding, scanworkflow en best practices voor het monitoren van de veiligheid van proefpersonen.
Abstract
Hypergepolariseerde 129Xe MRI omvat een unieke reeks structurele en functionele longbeeldvormingstechnieken. Standaardisatie van technieken op verschillende locaties wordt steeds belangrijker gezien de recente FDA-goedkeuring van 129Xe als MR-contrastmiddel en naarmate de belangstelling voor 129Xe MRI toeneemt bij onderzoeks- en klinische instellingen. Leden van het 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) zijn het eens geworden over best practices voor elk van de belangrijkste aspecten van de 129Xe MRI-workflow, en deze aanbevelingen zijn samengevat in een recente publicatie. Dit werk biedt praktische informatie om een end-to-end workflow te ontwikkelen voor het verzamelen van 129Xe MR-beelden van longventilatie volgens de Xe MRI CTC-aanbevelingen. De voorbereiding en toediening van 129Xe voor MR-onderzoeken zal worden besproken en gedemonstreerd, met specifieke onderwerpen zoals de keuze van geschikte gasvolumes voor volledige onderzoeken en voor individuele MR-scans, de bereiding en toediening van individuele 129Xe-doses, en best practices voor het bewaken van de veiligheid van proefpersonen en de verdraagbaarheid van 129Xe tijdens onderzoeken. Belangrijke technische overwegingen van MR zullen ook aan bod komen, waaronder pulssequentietypes en geoptimaliseerde parameters, kalibratie van 129Xe flip-hoek en centrumfrequentie, en 129Xe MRI-ventilatiebeeldanalyse.
Introduction
Hypergepolariseerde 129Xe MRI is een opwindend hulpmiddel voor niet-invasieve, ruimtelijk opgeloste karakterisering en kwantificering van specifieke aspecten van de longfunctie 1,2,3. Acquisitie- en reconstructiebenaderingen die vergelijkbaar zijn met die welke worden gebruikt in anatomische proton-MRI leveren beelden op van geïnhaleerd 129Xe in de longen, waardoor visualisatie van niet-geventileerde longregio's en regio-opgeloste kwantificering van de ventilatieverdeling mogelijk is 4,5,6,7,8 . Meer geavanceerde pulssequentie- en analysetechnieken leveren verdere aanvullende informatie op, waaronder kwantificering van de werkzaamheid van gasuitwisseling tussen longblaasjes en longcapillairen via spectroscopische MRI 9,10,11,12,13 en karakterisering van de integriteit van de alveolaire microstructuur via diffusiegewogen MRI 14,15,16.
Het is bewezen dat geïnhaleerd 129Xe veilig en verdraagbaar is bij volwassen en pediatrische proefpersonen, inclusief die met longziekte 17,18. Metingen van de longfunctie afgeleid van 129Xe MRI hebben gevoeligheid aangetoond voor structurele en functionele veranderingen in veel longziektecontexten, waaronder chronische obstructieve longziekte 6,10,19, cystische fibrose 20,21,22, idiopathische longfibrose 23,24,25 en astma 7,10,26. Gezien de hoge veiligheid en verdraagbaarheid van 129Xe MRI, het ontbreken van ioniserende straling in MRI in vergelijking met andere gangbare beeldvormingsbenaderingen, en de hoge reproduceerbaarheid van 129Xe MRI-resultaten27,28, 129Xe MRI is veelbelovend, met name voor nauwkeurige seriële monitoring van personen die een tijdskuur krijgen voor chronische longziekte.
De veiligheid en klinische belofte van 129Xe MRI hebben geleid tot de goedkeuring door de FDA in december 2022 voor beeldvorming van longventilatie bij personen van 12 jaar en oudervan 29 jaar. Daarom wordt verwacht dat het aantal onderzoeks- en klinische locaties dat in staat is om 129Xe MRI uit te voeren (momenteel ~20 wereldwijd) de komende jaren aanzienlijk zal toenemen. Naarmate 129Xe MRI zich verspreidt naar nieuwe instellingen, is het belangrijk dat er robuuste methodologische middelen bestaan om locaties in staat te stellen snel klinisch relevante 129Xe MRI-technieken uit te bouwen en scans uit te voeren en resultaten te genereren die nauw vergelijkbaar zijn met die van bestaande locaties.
In dit werk zullen we de huidige best practices schetsen voor menselijke hypergepolariseerde 129Xe MRI van longventilatie, zoals overeengekomen door instellingen die lid zijn van het 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) en samengevat in een recent position paper30. Onderwerpen zijn onder meer de voorbereiding van op maat gemaakte pulssequenties die ideaal zijn voor een volledige 129Xe MRI-workflow, voorbereiding en toediening van hypergepolariseerd 129Xe-gas, een geoptimaliseerde workflow voor menselijke 129Xe MRI-sessies en best practices voor het bewaken van de veiligheid en het comfort van proefpersonen tijdens MRI-sessies.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Al het onderzoek met mensen moet worden goedgekeurd door een institutionele beoordelingscommissie (IRB). IRB-betrokkenheid is niet nodig voor door de regelgevende instanties goedgekeurd klinisch gebruik van 129Xe MRI. Alvorens deel te nemen aan een onderzoeksstudie, moeten toekomstige proefpersonen een goedgekeurd geïnformeerd toestemmingsdocument krijgen. De persoon die toestemming verkrijgt, moet de inhoud van het document uitleggen, inclusief het doel, de procedures, de voordelen en de risico's van het onderzoek, moet eventuele vragen beantwoorden en moet toestemming van de proefpersoon verkrijgen om door te gaan met het onderzoek, zoals gedocumenteerd door de handtekening van de proefpersoon op het geïnformeerde toestemmingsdocument. In het geval van pediatrische proefpersonen of andere speciale omstandigheden moeten goedgekeurde praktijken voor het verkrijgen van toestemming worden gevolgd. Het hieronder beschreven protocol volgt de richtlijnen van de IRB van de Universiteit van Virginia, en de voorbeeldcasusonderwerpen in dit manuscript hebben de door de IRB goedgekeurde toestemmingsformulieren van de Universiteit van Virginia ondertekend (IRB 13647, 16215, 16885, 19569).
1. Voorbereiding van hardware en pulssequenties voor 129Xe MRI
OPMERKING: De protocolstappen onder stap 1 moeten worden uitgevoerd voordat menselijke proefpersonen worden gescand. Ze hoeven niet voor elk onderwerp herhaald te worden.
- Controleer of de MRI-scanner geschikt is voor multinucleaire werking, inclusief 129Xe.
- Controleer of de 129Xe-spoel met radiofrequentie (RF) kan worden aangesloten op de MRI-scanner, indien nodig met behulp van een speciaal gebouwde spoel-naar-scanner-interfacebox.
- Controleer of er geschikte software (vaak een spoelbestand genoemd) is geïnstalleerd voor het koppelen van de 129Xe RF-spoel aan de MRI-scanner, indien vereist door de fabrikant van de scanner.
- Bereid pulssequenties voor 129Xe en 1H beeldvorming voor, zoals hieronder beschreven.
- Bereid voor de kalibratie van 129Xe een niet-gelokaliseerde, spectroscopische sequentie voor die bestaat uit een reeks vrije inductieverval (FID's) met behulp van de pulssequentieparameters in tabel 1.
OPMERKING: De FID's verkregen bij ~218 ppm (frequentie van opgeloste fase) worden voornamelijk gebruikt om parameters te bepalen voor opgeloste fase 129Xe MRI, die niet in dit werk wordt behandeld. Deze parameters worden echter gegeven zodat men een enkele gestandaardiseerde 129Xe-kalibratie kan ontwikkelen die voldoende is voor 129Xe MRI-scans van elk type. Houd er bovendien rekening mee dat een afzonderlijke kalibratiescan mogelijk niet nodig is voor onderzoeken met alleen 129Xe-ventilatiebeeldvorming zodra de locatie voldoende ervaring heeft opgedaan. De werkfrequentie van 129Xe kan nauwkeurig worden geschat door de door de scanner bepaalde frequentie van 1uur te schalen met de verhouding van 129Xe tot 1uur gyromagnetische verhoudingen, en de kalibratie van de zender kan worden geschat op basis van de geaccumuleerde ervaring en het gewicht van de proefpersoon. - Bereid voor 129Xe-ventilatie-MRI een tweedimensionale (2D) RF-bedorven gradiënt-echosequentie voor met behulp van de pulssequentieparameters in tabel 2. Zorg ervoor dat 129Xe is geselecteerd als de doelkern.
- Bereid voor conventionele anatomische MRI van 1uur een single-shot turbo/snelle spin-echo-sequentie of een RF-spoiled gradiënt-echo-sequentie voor met behulp van de parameters in tabel 2.
OPMERKING: Voor 129Xe-ventilatie en 1H anatomische sequenties zijn FOV en het aantal plakjes onderwerpspecifiek. Kies deze parameters aan het begin van de scansessie op een zodanige manier dat de longen in alle drie de dimensies volledig worden bedekt.- Schakel fase-oversampling in om mogelijke aliasing van de armen in het beeldvormende gezichtsveld te verminderen.
- Beperkingen van de leverancier van MRI-scanners kunnen de werking van de single-shot turbo/snelle spin-echo-sequentie verhinderen bij de aanbevolen grove resolutie in het vlak (4 mm x 4 mm). Als dit het geval is, gebruik dan een resolutie die een geheel getal is van de gewenste resolutie (bijvoorbeeld 2 mm x 2 mm).
OPMERKING: De anatomischescan van 1 uur kan ook worden verkregen met behulp van een 2D RF-verwende gradiënt-echosequentie. Gebruik in dit geval dezelfde parameters als de parameters van de ventilatiescan in tabel 2 , maar schakel fase-oversampling in om aliasing van de armen in het beeldvormende gezichtsveld te voorkomen.
- Bereid voor de kalibratie van 129Xe een niet-gelokaliseerde, spectroscopische sequentie voor die bestaat uit een reeks vrije inductieverval (FID's) met behulp van de pulssequentieparameters in tabel 1.
- Controleer de werking van de hierboven beschreven RF-spoel en pulssequenties door scans uit te voeren van een thermisch gepolariseerd 129Xe-fantoom31 voor 129Xe-scans en een 1H-fantoom voor 1H-scans.
| Parameter | Calibratie | ||
| TR | 15 ms | ||
| TE | 0,45 ms (3 T), 0,8 ms (1,5 T) | ||
| RF-puls | Vensters sinc | ||
| RF-duur | 0,65-0,69 ms (3 T), 1,15-1,25 ms (1,5 T) | ||
| Draai de hoek om | 20° | ||
| RF-frequentie | 218 ppm (opgeloste fase), 0 ppm (gasfase) | ||
| Verblijftijd | 39 μs | ||
| Bandbreedte | 25,6 kHz | ||
| Nee. van monsters | 256 (exclusief overbemonstering, indien gebruikt) | ||
| Duur van de uitlezing | 10 ms | ||
| Aantal FID's | 1 ruis (geen RF), 499 bij de frequentie van de opgeloste fase, 20 bij de frequentie van de gasfase. | ||
| Gradiënt bederven | moment van ten minste 15 mT/m-ms (elke as, na elke FID) | ||
| Duur | ~8 seconden | ||
Tabel 1: Aanbevolen pulsvolgordeparameters voor 129Xe-kalibratie. Er worden parameters gegeven voor een niet-gelokaliseerde, spectroscopische 129Xe-kalibratiepulssequentie.
| Parameter | Ventilatie | Anatomisch |
| Type sequentie | RF-bedorven gradiënt-echo | Single-shot turbo/snelle spin-echo |
| TR | <10 ms | Oneindig |
| TE | <5 ms | <50 ms |
| Echo-afstand | N.V.T | 3-5 ms |
| Excitatie flip hoek | 8-12° | 90° |
| Kantelhoek opnieuw scherpstellen | N.V.T | ≥90° (hoogst toegestaan binnen SAR-limieten) |
| Plak dikte | Dikte 15 mm | Dikte 15 mm |
| Snijd de opening | Geen | Geen |
| Segment-oriëntatie | Coronaal | Coronaal |
| Plak volgorde | Sequentieel (van voren naar achter) | Sequentieel (van voren naar achter) |
| Volgorde van fasecodering | Sequentieel (van links naar rechts) | Sequentieel (van links naar rechts) |
| NEX | 1 (tot 7/8 gedeeltelijke Fourier toegestaan) | Halve Fourier |
| Asymmetrische echo | Toegestaan | N.V.T |
| Voxel maat | 4 x 4 x 15 mm3 | 4 x 4 x 15 mm3 |
| Bemonsteringsduur per echo | 5-7 ms | 1-1,5 ms |
| Duur van de scan | 8-12 seconden | ≤16 seconden |
Tabel 2: Aanbevolen pulssequentieparameters voor 129Xe-ventilatie en 1uur anatomische beeldvorming. Er worden parameters gegeven voor een 2D RF-verwende snelle gradiënt-echo-sequentie voor 129Xe-ventilatiebeeldvorming (eerste kolom) en een 2D single-shot turbo/snelle spin-echo-sequentie voor 1uur anatomische beeldvorming (tweede kolom). Merk op dat de anatomische scan ook kan worden verkregen met behulp van een 2D RF-verwende gradiënt-echosequentie. Gebruik in dit geval dezelfde parameters als de hier gegeven parameters van de ventilatiescan, maar voeg indien nodig fase-oversampling toe om aliasing van de armen in het beeldvormende gezichtsveld te voorkomen. Houd er ook rekening mee dat de specifieke methode voor het specificeren van de bandbreedte van de ontvanger per scannerfabrikant verschilt, maar dat de juiste waarde voor elke scannerfabrikant kan worden berekend op basis van de gegeven bemonsteringsduur per echo.
2. Screening en voorbereiding van kandidaten voor 129Xe MRI
- Zorg ervoor dat er geen contra-indicaties zijn voor MRI bij de toekomstige proefpersoon door ze te onderzoeken met een MR-veiligheidsformulier. Aanvullend bestand 1 toont een voorbeeldformulier dat wordt gebruikt aan de Universiteit van Virginia.
- Zorg ervoor dat de toekomstige proefpersoon niet voldoet aan uitsluitingscriteria die specifiek zijn voor 129Xe MRI-onderzoeken, waaronder, maar niet beperkt tot: percentage voorspelde FEV1 minder dan 25%, een gedecompenseerde ademhalingsaandoening in de afgelopen 6 weken, borstomtrek groter dan de binnenomtrek van de 129Xe RF-spoel en voorgeschiedenis van onstabiele hartziekte.
OPMERKING: Aanvullende criteria die niet wijzen op onmiddellijke uitsluiting, maar die een zorgvuldige individuele overweging rechtvaardigen, zijn onder meer: de behoefte aan significante extra zuurstof bij aanvang (d.w.z. meer dan 3 l/min bij de neuscanule) en een voorgeschiedenis van neurologische aandoeningen met afwijkingen bij de uitgangssituatie. - Als u longdiffusietesten (DLCO) of spirometrie uitvoert tijdens het beeldvormingsbezoek, instrueer de proefpersoon dan om op de dag van het onderzoeksbezoek geen koolzuurhoudende dranken in te nemen. Als een proefpersoon voorgeschreven ademhalingsmedicatie gebruikt, instrueer hem dan om het uit te stellen of niet in te nemen als dit in het onderzoeksprotocol is aangegeven.
3. Bereiding van hypergepolariseerde 129Xe-doses
NOTITIE: Gedetailleerde 129Xe polarisator en polarisatiemeetstation instructies zijn eigendom en specifiek voor elke leverancier. De onderstaande instructies bevatten een basissamenvatting voor de werking van de algemene spin-exchange optische pomp 129Xe polarisator.
- Bepaal een dosisvolume voor de proefpersoon. Gewoonlijk wordt voor alle proefpersonen een totaal dosisvolume van 1 l gekozen, en dit totale dosisvolume wordt gespecificeerd in het FDA-etiket voor 129Xe MRI. De huidige Xe MRI CTC-aanbevelingen30 suggereren echter dat het totale dosisvolume (xenon plus stikstof of helium) gericht moet zijn op 1/5evan de geforceerde vitale capaciteit (FVC) van de proefpersoon om te zorgen voor een comfortabele hoeveelheid gas om in te ademen voor elke proefpersoon en om effecten in verband met het longvolumeverschil tussen proefpersonen te minimaliseren.
- Als er recente spirometrieresultaten beschikbaar zijn voor de proefpersoon, gebruik deze dan om 1/5evan FVC te bepalen. Als spirometrieresultaten niet beschikbaar zijn, schat dan de totale longcapaciteit (TLC) van de proefpersoon op basis van lengte, geslacht en ras, en schat de totale dosis als 1/6e van TLC.
- Bepaal een hoeveelheid xenongas om te polariseren.
OPMERKING: De beoogde xenonvolumes voor elke dosiszak worden gegeven als dosisequivalente (DE)-volumes, die conceptueel het equivalente volume van 100% verrijkt, 100% gepolariseerd 129Xe-gas aangeven. Conceptueel gezien is het DE-volume recht evenredig met de verwachte signaal-ruisverhouding (SNR) van een 129Xe-scan, en het aanbevolen DE-volume zal hoger of lager zijn voor bepaalde 129Xe-scantypen op basis van de SNR die vereist is voor dat scantype.- Bereken het DE-volume voor een bepaalde dosis xenon als volgt32:
waarbij VXe het totale volume xenongas (alle isotopen, niet alleen 129Xe) in de dosis is, f129Xe de 129Xe isotopenverrijking is en P129Xe de 129Xe polarisatie. - Kies het totaal aantal benodigde DE-volumes voor de set van 129Xe-scans die zullen worden uitgevoerd. De aanbevolen DE-volumes voor individuele kalibratie- en beademingsscans zijn 75-150 ml.
NOTITIE: Voor ventilatiebeeldvorming moet de SNR hoog genoeg zijn om robuust onderscheid te maken tussen geventileerde en niet-geventileerde beeldvoxels. Een DE-volume van 50 ml wordt beschouwd als het absolute minimum voor ventilatiebeeldvorming30 om een verwachte SNR van ten minste 20 te bereiken. Voor kalibratiescans kan een DE-volume van slechts 25 ml acceptabel zijn als alleen het gasfasesignaal is gekalibreerd; er moet ten minste 75 ml worden gebruikt bij het kalibreren van zowel de gasfase- als de opgeloste-fasesignalen.
- Bereken het DE-volume voor een bepaalde dosis xenon als volgt32:
- Gebruik het totale benodigde DE-volume, de bekende 129Xe isotrope verrijking van het xenongas en de geschatte 129Xe-polarisatie op basis van eerdere polarisatieruns om het totale vereiste xenongasvolume voor polarisatie te berekenen. Hieronder wordt een rekenvoorbeeld weergegeven voor één ventilatiescan (DE-volume = 75 ml), uitgaande van een isotopenverrijking van 129Xe van 85% en een polarisatie van 20%32:
Voer deze berekening uit voor elke dosis xenon om het juiste volume gepolariseerd xenongas te bepalen dat in elke dosiszak moet worden toegediend.- Proefpersonen met een lage BMI (<21) hebben een hoger risico op ernstigere effecten op het centrale zenuwstelsel (CZS) na inhalatie van 129Xe dan andere proefpersonen. Raadpleeg een arts voordat u proefpersonen met een lage BMI in beeld brengt en overweeg om de dosisvolumes van 129Xe te minimaliseren om deze mogelijke problemen te voorkomen.
- Bereid de 129Xe-polarisator voor volgens alle instructies van de polarisatorleverancier.
- Stappen kunnen het volgende omvatten, afhankelijk van de leverancier van de polarisator: zorg ervoor dat de voeding van de Helmholtz-spoel AAN staat; evacueer het uitlaatspruitstuk om eventuele onzuiverheden te verwijderen; plaats de vloeibare stikstof dewar rond/onder de koude vinger; zet de stroom naar de lasers AAN en laat ze opwarmen; zet de luchtstroom naar de oven AAN, stel de oven in op de juiste temperatuur met behulp van de ovenregelaar en laat de oven opwarmen.
LET OP: Vloeibare stikstof kan ernstige bevriezing veroorzaken als het in contact komt met huid, ogen of kleding, en laserlicht met hoge intensiteit kan oogletsel veroorzaken als het zonder bescherming op het oog wordt aangetast. Wees voorzichtig en draag indien nodig beschermende kleding.
- Stappen kunnen het volgende omvatten, afhankelijk van de leverancier van de polarisator: zorg ervoor dat de voeding van de Helmholtz-spoel AAN staat; evacueer het uitlaatspruitstuk om eventuele onzuiverheden te verwijderen; plaats de vloeibare stikstof dewar rond/onder de koude vinger; zet de stroom naar de lasers AAN en laat ze opwarmen; zet de luchtstroom naar de oven AAN, stel de oven in op de juiste temperatuur met behulp van de ovenregelaar en laat de oven opwarmen.
- Zorg ervoor dat het 129Xe polarisatiemeetstation is ingeschakeld en dat de software klaar is om de dosispolarisatie te meten.
- Begin met het verzamelen van hypergepolariseerde 129Xe door de volgende stappen uit te voeren.
- Start de stikstofstroom naar de koude vingerverwarmende jas.
- Start de xenonmengselstroom naar de koude vinger. Raadpleeg de prestatiecurven van polarisatoren in de documentatie van de polarisator om het optimale debiet te kiezen.
- Voeg vloeibare stikstof toe aan de dewar rond de koude vinger.
- Noteer de starttijd van de polarisatie op een gegevensblad om een nauwkeurig polarisatievolume te garanderen.
- Zodra het verzamelen is begonnen, past u de stroom- en ovenregelaars aan om een constant debiet en temperatuur te behouden, en voegt u indien nodig vloeibare stikstof toe om de dewar vol te houden.
- Bereid tijdens xenonaaccumulatie Tedlar-dosiszakken voor op dosisverzameling door zakken herhaaldelijk minstens 3x te spoelen en te evacueren met behulp van het polarisatie-uitlaatspruitstuk om onzuiverheden en/of depolariserende gassen in de zakken te minimaliseren.
- Zodra de juiste tijd voor het verzamelen van het gewenste hypergepolariseerde 129Xe-volume is verstreken, beëindigt u de hypergepolariseerde 129Xe-verzameling zoals aangegeven in de polarisatiedocumentatie.
- Ontdooi de bevroren 129Xe die in de koude vinger is neergeslagen, zoals hieronder beschreven.
- Bevestig een doseerzak 129Xe aan de xenon-uitlaat op het uitlaatspruitstuk.
- Verwijder voorzichtig de vloeibare stikstofdewar en vervang deze door een ontdooivat met water op kamertemperatuur.
- Houd tijdens het ontdooien de druk continu in de gaten, open de stroomklep van de koude vinger naar de xenonuitlaat zodra de druk een drempelwaarde bereikt die wordt vermeld in de polarisatiedocumentatie en sluit de klep snel als de druk daalt.
- Ga op deze manier door met het doseren van gesublimeerd xenongas in de doseerzak totdat de gewenste hoeveelheid xenon in de doseerzak is bereikt.
- Voeg op dit moment het buffergas (stikstof of helium) toe als het niet eerder aan de zak is toegevoegd.
- Zodra alle gewenste xenon- en buffergassen aan de zak zijn toegevoegd, sluit u snel de knijpklem op de zakslang, sluit u de xenon-uitlaatklep en maakt u de zak met volledige dosis los van de polarisator.
- Verplaats de zak onmiddellijk naar het magnetische veld dat wordt gecreëerd door het Helmholtz-spoelpaar van het 129Xe polarisatiemeetstation.
LET OP: De druk in de koude vinger zal snel toenemen naarmate het xenongas opwarmt en sublimeert, waardoor een potentieel explosiegevaar ontstaat als de druk buiten de veilige limieten mag worden opgebouwd. Volg precies de instructies voor deze stap in de polarisatiedocumentatie en draag oogbescherming tijdens het uitvoeren van deze stap.
- Meet en registreer de polarisatie in elke dosiszak op het 129Xe polarisatiemeetstation, volgens de instructies van de leverancier van het polarisatiemeetstation.
- Zodra de polarisatie is gemeten, houdt u 129Xe-dosiszakken in het magnetische veld dat wordt gecreëerd door het Helmholtz-spoelpaar van het polarisatiemeetstation totdat u klaar bent om een dosis aan de proefpersoon toe te dienen.
4. Pre-scan voorbereiding en coaching van de proefpersoon
OPMERKING: Het wordt aanbevolen dat als de proefpersoon een volledig examen krijgt met een looptest van zes minuten, de wandeling pas mag plaatsvinden nadat 129Xe MRI is voltooid om te voorkomen dat de proefpersoon vermoeid raakt op een manier die mogelijk van invloed kan zijn op de 129Xe MRI-resultaten. Dit is met name relevant voor patiënten met hart- en vaatziekten.
- Bevestig dat de proefpersoon alle instructies voorafgaand aan het bezoek correct heeft uitgevoerd, zoals beschreven in stap 2, en dat er geen veranderingen in de gezondheid zijn opgetreden die voldoen aan de uitsluitingscriteria van het onderzoek of die een MRI-contra-indicatie vormen sinds de proefpersoon werd gescreend.
- Voer alle noodzakelijke fysieke tests uit op het onderwerp, inclusief een elektrocardiogram (ECG); een verzameling vitale functies, waaronder lichaamstemperatuur, hartslag, ademhalingsfrequentie, zuurstofverzadiging in het bloed (SpO2) en bloeddruk; Spirometrie; en een DLCO-test.
- Controleer deze tests op mogelijke waarschuwingssignalen, waaronder een lage SpO2 (<92%), verhoogde bloeddruk of significante afwijking van testresultaten ten opzichte van bestaande basislijnen voor de proefpersoon.
OPMERKING: Deze uitlezingen, met name baseline SpO2, worden gecontroleerd vanwege de verwachting dat milde voorbijgaande zuurstofdesaturatie zal optreden tijdens 129Xe-inhalatie. Raadpleeg voor proefpersonen met baseline SpO2 <92% of andere waarschuwingssignalen een arts om te bevestigen of de proefpersoon geschikt is voor 129Xe MRI-testen en of aanvullende O2 moet worden gebruikt tussen 129Xe-inhalaties. - Coach de proefpersoon in de juiste 129Xe inhalatieprocedure, zoals hieronder beschreven.
- Maak een of meer Tedlar-zakken met lucht klaar zodat de proefpersoon buiten de scanner kan oefenen. Gebruik een luchtvolume dat overeenkomt met het totale volume xenon en buffergas dat tijdens het eigenlijke onderzoek uit de zak wordt ingeademd.
- Bereid neusklemmen voor op het onderwerp om te dragen tijdens het inhouden van de adem. Plaats de neusklemmen op de neus van het onderwerp voordat de adem wordt ingehouden (zowel voor oefenen als voor het daadwerkelijke scannen).
- Coach de proefpersoon met één met lucht gevulde zak voor elke poging, volgens de onderstaande instructies. De proefpersoon moet beginnen met het inhaleren van de zak vanaf een doelvolume van functionele restcapaciteit. Houd tijdens de onderstaande procedure de borstkas van de proefpersoon in de gaten om te bevestigen dat deze de instructies uitvoert zoals gegeven.
- Houd het zakje klaar, maar dien het nog niet toe aan de proefpersoon. Vraag de proefpersoon om: Adem regelmatig in. Adem het uit. Adem regelmatig in. Adem het uit.
- Plaats de buis die aan de Tedlar-tas is bevestigd in de mond van de proefpersoon. Houd de zak vast waar de proefpersoon uit kan inhaleren en open het ventiel. Vraag de proefpersoon om: Adem in. Inademen. Inademen.
- Zodra de proefpersoon de volledige inhoud van de zak heeft ingeademd, vraagt u de proefpersoon om: Houd je adem in. Instrueer de scanneroperator onmiddellijk: Go!
OPMERKING: Bij het scannen van het onderwerp moet de scanneroperator de scan starten bij het horen van Go! Deze instructie is niet bedoeld voor de proefpersoon (dat wil zeggen, ze moeten stil blijven staan en hun adem blijven inhouden zoals onmiddellijk van tevoren is geïnstrueerd), maar waarschuwt de proefpersoon wel dat scannen op handen is. - Wacht tot de scan is voltooid, of tijdens het oefenen, tot 10-15 s telt, wat ongeveer de tijd is die nodig is om een typische 129Xe-scan te laten verlopen.
- Vraag de proefpersoon om: Ademen. De proefpersoon ademt op dit punt uit. Coach de proefpersoon om op dit punt een paar keer diep in en uit te ademen om een snellere klaring van 129Xe uit de longen en een snellere terugkeer naar normale zuurstofverzadigingsniveaus te vergemakkelijken.
- Controleer of de proefpersoon in staat is om deze instructies betrouwbaar uit te voeren. Overweeg proefpersonen uit te sluiten die niet in staat zijn om het volledige gasvolume in te ademen, niet in staat zijn om de adem in te houden of die aanhoudend hoesten tijdens pogingen om hun adem in te houden tijdens de test.
OPMERKING: De uitkomst van deze test is van cruciaal belang om de waarschijnlijke beeldkwaliteit te bepalen. Deze controle op betrouwbare therapietrouw is vooral belangrijk in de context van pediatrische beeldvorming en beeldvorming van ernstige longaandoeningen, aangezien proefpersonen in een of beide van deze categorieën meer kans hebben om op betrouwbare wijze de vereiste adem in te houden.
5. Voorbereiding van de MRI-scannerkamer en positionering van de proefpersoon op de scannerpatiënttafel
- Zorg ervoor dat iedereen die de MRI-scannerruimte betreedt of naar verwachting zal betreden (proefpersoon en personeel) alle metalen en/of elektronische voorwerpen uit zijn zakken en persoon haalt voordat hij de scannerruimte betreedt.
- Bereid de 129Xe-vestspoel voor door deze op de scanner aan te sluiten en op de patiëntentafel van de MRI-scanner te plaatsen.
- Instrueer de proefpersoon om op de patiëntentafel te gaan liggen in rugligging met de voeten eerst (of met het hoofd naar voren, indien beter geschikt voor de indeling van de scannerkamer). Plaats kussens onder het hoofd, de knieën, enz. van de proefpersoon, in overleg met de proefpersoon, om ervoor te zorgen dat de proefpersoon tijdens het onderzoek comfortabel stil kan liggen.
- Bevestig de 129Xe-vestspoel rond de borst van het onderwerp. Streef ernaar dat de middellijn van de spoel in de richting van het hoofd en de voet zo dicht mogelijk bij de verwachte middellijn van de longen van de proefpersoon ligt op een comfortabel opblaasniveau van de longen om signaalreducties aan de periferie van de longen te voorkomen.
NOTITIE: Het is een veelgemaakte fout om de spoel te ver in de richting van de voeten van het onderwerp te plaatsen. Door de spoel te plaatsen zoals hierboven aangegeven, kan de spoel verder naar het hoofd van het onderwerp worden geplaatst dan naïef zou kunnen worden verwacht. Bovendien moeten de armen van de proefpersoon mogelijk boven het hoofd en buiten de spoel worden geplaatst als de borstdiameter van de proefpersoon dit vereist. De specifieke borstdiameter waarboven deze positionering vereist is, is afhankelijk van de specifieke scanner- en spoelhardware. Voor kleinere onderwerpen kunnen de armen boven het hoofd en buiten de spoel of aan de zijkanten en binnenkant van de spoel worden geplaatst. - Plaats een MRI-veilige pulsoximeter naast de patiëntentafel in de MRI-scannerruimte en sluit de pulsoximetersonde aan op het onderwerp. Controleer of de pulsoximeter correct meet.
- Plaats een neuscanule in de neus van de proefpersoon (of, voor een gezonde proefpersoon, zorg dat er een klaar staat in de scannerruimte) en sluit deze aan op een zuurstofbron die moet worden gebruikt als de SpO2 van de proefpersoon meer dan 10% daalt gedurende meer dan 2 minuten na inhalatie van de dosis. Plaats de zuurstoftank en regelaar op een MR-veilige manier op basis van het lokale veiligheidsbeleid binnen bereikbare afstand.
- Schuif de patiëntentafel in de MRI-scanner en lijn de middellijn van de longen van de spoel/proefpersoon uit met het isocentrum van de scanner.
6. Procedure voor het scannen
- Voer in de gebruikersinterface van de MRI-scanner de gegevens van de proefpersoon in en open het eerder voorbereide (zoals beschreven in stap 1) 129Xe MRI-protocol.
- Zorg ervoor dat 129Xe-doses zijn bereid zoals beschreven in stap 3 en dat 129Xe-dosiszakken zich in het magnetische veld bevinden dat wordt gegenereerd door het Helmholtz-spoelpaar van het polarisatiemeetstation (of in een gelijkwaardig apparaat) om de depolarisatiesnelheid van 129Xe te minimaliseren.
- Voer een1-uurs lokalisatiescan uit met behulp van een standaardprotocol dat door de leverancier wordt geleverd (bijv. een drievlakslokalisator) zoals hieronder beschreven.
- Instrueer de proefpersoon om comfortabel, natuurlijk in te ademen en zijn adem in te houden. Terwijl de proefpersoon zijn adem inhoudt, voert u de lokalisatiescan uit.
- Bekijk de resultaten van de lokalisatiescan op de interface van de MRI-scanner. Als afbeeldingen artefacten vertonen (bijvoorbeeld als metaalhoudende kleding niet is verwijderd), lost u eventuele problemen op en herhaalt u de lokalisatie. Als het gezichtsveld van de lokalisator slecht gecentreerd is op het onderwerp, verplaatst u het onderwerp en herhaalt u. Zodra acceptabele lokalisatie-afbeeldingen zijn verkregen, gaat u verder met de volgende stap.
- Voer de eerste aanpassingen vóór de scan uit voor 129Xe-scans, zoals hieronder beschreven.
- Stel de initiële middenfrequentie van 129Xe in door de middenfrequentie van 1H van de localizer te delen door 3,61529 (de geschatte verhouding van de respectievelijke gyromagnetische verhoudingen van 1H en 129Xe).
- Stel de initiële 129Xe-zenderinstelling in op basis van kalibratieresultaten van eerdere proefpersonen met vergelijkbare lichaamsgewoonten, schaling op basis van 1uur referentievoltage of het gemeten gewicht van de proefpersoon. Details van de 129Xe-zenderinstellingen zijn specifiek voor de scanner- en 129Xe-spoelfabrikanten.
- Gebruik de standaardvulplaatinstellingen van de scanner voor alle 129Xe-acquisities.
- Nadat u de hierboven beschreven pre-scanaanpassingen hebt uitgevoerd, moet u de 129Xe-kalibratiescan aanschaffen om de 129Xe-middenfrequentie en zenderinstellingen te vinden zoals hieronder beschreven.
- Laad de 129Xe-kalibratiesequentie uit het voorbereide protocol. Zorg ervoor dat alle pulsvolgordeparameters naar wens zijn en stel de instelling voor het uitvoeren van de scan zo in dat de scan met één klik kan worden uitgevoerd.
- Breng de 129Xe doseerzak die bedoeld is voor de 129Xe kalibratiescan van het polarisatiemeetstation naar de scannerruimte. Houd of plaats het doseerzakje in de aanslag in de buurt van de proefpersoon; Vermijd gebieden in de buurt van de opening van de boring waar de magnetische veldsterkte snel verandert.
- Help de proefpersoon bij het inhaleren van de dosis 129Xe uit de zak, volgens de gecoachte inhalatieprocedure die in stap 4 wordt beschreven.
- Voer de scan onmiddellijk uit na het horen van Go! gesignaleerd door de persoon die de proefpersoon helpt.
- Houd het onderwerp in de gaten terwijl de scan wordt uitgevoerd. Als de proefpersoon zichtbaar uitademt, hoest, beweegt, enz., herhaal de scan indien mogelijk.
- Zodra de scan is voltooid, instrueert u de proefpersoon om uit te ademen en vrij te ademen.
- Controleer na de scan de hartslag en SpO2 van de proefpersoon met behulp van de pulsoximeter en controleer op voorbijgaande effecten op het centrale zenuwstelsel (zoals duizeligheid, licht gevoel in het hoofd, euforie en paresthesie) via verbale communicatie met de proefpersoon.
OPMERKING: Bijna alle proefpersonen zullen zeer milde effecten op het CZS ervaren die geen interventie vereisen, met uitzondering van proefpersonen met een laag lichaamsvetgehalte, zoals vermeld in stap 3.2. - Wacht tot eventuele afwijkingen ten opzichte van de uitgangswaarde zijn verdwenen voordat u nog een dosis 129Xe toedient. Als er geen significante afwijkingen van de uitgangswaarde optreden, wacht dan ten minste 2 minuten voordat u nog een dosis 129Xe toedient.
OPMERKING: Een typisch tijdsverloop van zuurstofdeverzadiging en herstel is als volgt: de-verzadiging begint 10-20 hartslagen na het voltooien van 129Xe inademing, nadir treedt op 20-30 hartslagen na voltooiing van inademing en herstel vindt plaats binnen 45-50 hartslagen na voltooiing van inademing. De meeste de-saturatie verdwijnt binnen 30 s na 129Xe inademing en zal naar verwachting binnen 2 minuten volledig verdwijnen. Raadpleeg een arts als de aanhoudende deverzadiging (meer dan 10% van de uitgangswaarde van de proefpersoon) langer dan 2 minuten aanhoudt, aangezien het raadzaam kan zijn om geen verdere doses van 129Xe te geven en/of het onderzoek te beëindigen.
- Voer de 129Xe-kalibratieanalyse uit zoals hieronder beschreven (bijv. met behulp van een standalone analysetool).
- Bepaal de 129Xe-middenfrequentie met behulp van het spectrum van de eerste FID's in de gasfase.
- Bepaal de afstelling van de 129Xe-zender zoals hieronder beschreven.
- Pas de piekintensiteiten van de 20 gasfase-FID's aan op de volgende functie30 en los de omkeerhoek op, α:
waarin Si de grootte is van de signaalintensiteit als gevolg van de i-deexcitatie, S0 de grootte van de signaalintensiteit van de eerste excitatie en C een ruisoffsetparameter. - Zodra α is verkregen, schaalt u de initiële 129Xe-zenderinstelling voor volgende scans met 20°/α, ervan uitgaande dat 20° is gebruikt als de beoogde omdraaihoek van de kalibratie, zoals aanbevolen in tabel 1.
- Pas de piekintensiteiten van de 20 gasfase-FID's aan op de volgende functie30 en los de omkeerhoek op, α:
- Zodra de laatste 129Xe pre-scan aanpassingen zijn gemaakt en de proefpersoon klaar is voor de volgende dosis 129Xe, voert u de 129Xe ventilatiescan uit zoals hieronder beschreven.
- Laad de 129Xe-ventilatiesequentie uit het voorbereide protocol. Zorg ervoor dat alle parameters van de pulssequentie naar wens zijn en stel de instelling voor het uitvoeren van de scan zo in dat de scan onmiddellijk begint na een enkele klik.
- Selecteer de grootte van het gezichtsveld en de locatie in het midden op basis van de resultaten van de lokalisatie. Streef ernaar dat het midden van het gezichtsveld samenvalt met het midden van de longen in alle drie de dimensies en streef ernaar dat het gezichtsveld groot genoeg is om comfortabel de hele borstholte te bevatten, inclusief het geheel van beide longen.
- Breng het 129Xe doseerzakje dat bedoeld is voor de 129Xe ventilatiescan van het polarisatiemeetstation naar de scannerruimte. Houd of plaats het doseerzakje in de aanslag in de buurt van de proefpersoon; Vermijd gebieden in de buurt van de opening van de boring waar de magnetische veldsterkte snel verandert.
- Help de proefpersoon bij het inhaleren van de dosis 129Xe uit de zak, volgens de gecoachte inhalatieprocedure die in stap 4 wordt beschreven.
- Voer de scan onmiddellijk uit na het horen van Go! gesignaleerd door de persoon die de proefpersoon helpt.
- Houd het onderwerp in de gaten terwijl de scan wordt uitgevoerd. Als de proefpersoon zichtbaar uitademt, hoest, beweegt, enz., herhaal de scan indien mogelijk.
- Zodra de scan is voltooid, instrueert u de proefpersoon om uit te ademen en vrij te ademen.
- Controleer na de scan de hartslag en SpO2 van de proefpersoon met behulp van de pulsoximeter en controleer op voorbijgaande effecten op het centrale zenuwstelsel (zoals duizeligheid, licht gevoel in het hoofd, euforie en paresthesie) via verbale communicatie met de proefpersoon.
- Wacht tot eventuele afwijkingen ten opzichte van de uitgangswaarde zijn verdwenen voordat u nog een dosis 129Xe toedient. Als er geen significante afwijkingen van de uitgangswaarde optreden, wacht dan ten minste 2 minuten voordat u nog een dosis 129Xe toedient.
- Voer een anatomische scan van 1uur uit zoals hieronder beschreven.
- Laad de anatomischesequentie van 1 uur uit het voorbereide protocol. Zorg ervoor dat alle pulsvolgordeparameters naar wens zijn en stel de instelling voor het uitvoeren van de scan zo in dat de scan met één klik kan worden uitgevoerd.
- Breng de doseerzak gevuld met lucht en afgestemd op het volume van de dosiszak die is gebruikt voor de 129Xe-beademingsscan naar de scannerruimte.
- Help de proefpersoon bij het inademen van de luchtdosis uit de zak, volgens de gecoacht inhalatieprocedure die in stap 4 wordt beschreven.
- Voer de scan onmiddellijk uit na het horen van Go! gesignaleerd door de persoon die de proefpersoon helpt.
- Houd het onderwerp in de gaten terwijl de scan wordt uitgevoerd. Als de proefpersoon zichtbaar uitademt, hoest, beweegt, enz., herhaal de scan indien mogelijk.
- Zodra de scan is voltooid, instrueert u de proefpersoon om uit te ademen en vrij te ademen.
7. Procedures na de scan
- Voer metingen uit van de vitale functies van de proefpersoon op dezelfde manier als vóór de scanprocedure. Als vitale functies abnormaal worden, instrueer de proefpersoon dan om 30-60 minuten te wachten en/of totdat de vitale functies terugkeren naar bijna de basislijn voordat hij vertrekt.
8. Analyse van 129Xe MRI-beademingsgegevens
OPMERKING: De verkregen 129Xe-ventilatie- en 1H-anatomische beelden moeten automatisch worden gereconstrueerd op de MRI-scannercomputer met behulp van de standaard beeldreconstructiepijplijn van de leverancier.
- Exporteer 129Xe-ventilatiescans en 1H anatomische scans als DICOM-beeldbestanden met het minimaal toegestane interpolatieniveau (idealiter geen).
- Bereken het ventilatiedefectpercentage (VDP) met programmeer- of beeldanalysesoftware met behulp van de volgende vergelijking8:
- Bepaal het geventileerde volume door 129Xe-ventilatiescans te segmenteren, handmatig of met behulp van een aantal bestaande geautomatiseerde benaderingen33.
OPMERKING: Een eenvoudige methode voor gebinariseerde segmentatie van 129Xe-beelden maakt gebruik van een drempelwaarde die als volgt is gedefinieerd:8:
waarbij "Gemiddeld signaal" het gemiddelde is van de signaalintensiteit van 129Xe binnen een door de gebruiker gedefinieerd interessegebied van een sterk 129Xe-signaal in de longen, en "SD(Ruis)" de standaarddeviatie is van de signaalintensiteit van 129Xe binnen een gebied nabij de rand van het gezichtsveld dat zich ver van de longen of luchtpijp bevindt. - Bepaal het totale longvolume door anatomische scans van 1uur te segmenteren, handmatig of met behulp van bestaande geautomatiseerde benaderingen34.
- Zodra deze segmentaties zijn uitgevoerd, berekent u de bijbehorende volumes als het aantal gesegmenteerde voxels maal het voxelvolume van de afbeelding (rekening houdend met eventuele interpolatie die wordt uitgevoerd bij het converteren van de afbeeldingen naar DICOM-bestanden).
- Bepaal het geventileerde volume door 129Xe-ventilatiescans te segmenteren, handmatig of met behulp van een aantal bestaande geautomatiseerde benaderingen33.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 1 toont representatieve ventilatie- en drievlakslokalisatiebeelden van een gezond persoon. Een hoog 129Xe-signaal kan in de hele longen worden waargenomen in de ventilatiebeelden en er is geen beademingsstoornis zichtbaar bij deze persoon.
Figuur 2, Figuur 3 en Figuur 4 tonen representatieve ventilatie- en anatomische beelden van zieke personen. Figuur 2 toont een persoon met alfa-1-antitrypsinedeficiëntie, waarbij ernstige ventilatiestoornissen gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd door het fragmentarische uiterlijk van de 129Xe-beelden te observeren. Evenzo is ernstige beademingsstoornis te zien in figuur 3, die een persoon met ernstige cystische fibrose afbeeldt. Figuur 4 toont een persoon met chronische obstructieve longziekte, waarbij subtielere ventilatiedefecten kunnen worden opgemerkt met behulp van de 129Xe-beelden.
Figuur 5 toont ventilatiebeelden van een onderzoek dat onbewust werd uitgevoerd met behulp van een 129Xe-vestspoel met een beschadigde kabel. Een van de twee longen vertoont een veel lagere SNR dan de andere en een intensiteitsrol, waarbij beide fenomenen vooral prominent aanwezig zijn in de achterste plakjes. Figuur 6 toont ventilatiebeelden van een onderzoek dat werd uitgevoerd met de 129Xe-vestspoel te ver naar de voeten van de proefpersoon geplaatst. Kunstmatig laag 129Xe-signaal wordt waargenomen in beide longapices vanwege het gebrek aan gevoeligheid van de ontvanger daar.
Figuur 7 toont representatieve ventilatie- en anatomische beelden van een persoon met gediagnosticeerde COPD, samen met gebinariseerde ventilatiekaarten berekend met behulp van de eenvoudige methode beschreven in stap 8 van het protocol. Wijdverspreide beademingsdefecten zijn duidelijk bij deze persoon, waaronder bijna volledig verlies van ventilatie in de bovenkwab van de linkerlong, en de berekende VDP voor deze persoon is 52%. Hoewel de analyseprocedure regio's met een duidelijk hoog of laag 129Xe-signaal op de juiste manier categoriseert, zijn gedeeltelijk geventileerde beeldgebieden (of gebieden met een gedeeltelijk volume-effect, waarin een bepaald segment zowel geventileerde als niet-geventileerde gebieden langs de slice-select-richting omvat) moeilijker te karakteriseren. In dit geval neigt de analyseprocedure ertoe deze regio's als niet-geventileerd te karakteriseren. Dit voorbeeld onderstreept het nut van analyseprocedures die ventilatie in meer dan twee categorieën categoriseren. Het ontwikkelen, testen en vergelijken van dergelijke analyseprocedures is een belangrijke voortdurende inspanning op het gebied van 129Xe MRI30,33.
Figuur 1: Representatieve beelden van een gezond individu. (A) Ventilatie en (B) drievlaks lokalisatiebeelden van een 22-jarige gezonde vrouw van 117 lb. Bij deze persoon kunnen geen ventilatiestoornissen gemakkelijk worden gedetecteerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Representatieve beelden van een persoon met alfa-1-antitrypsinedeficiëntie. (A) Ventilatie en (B) anatomische beelden van een 60-jarige vrouw van 144 pond met gediagnosticeerde alfa-1-antitrypsinedeficiëntie. Ernstige ventilatiestoornissen zijn duidelijk bij deze persoon. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Representatieve beelden van een persoon met ernstige cystische fibrose. (A) Ventilatie en (B) anatomische beelden van een 18-jarige man van 132 pond met gediagnosticeerde ernstige cystische fibrose. Ernstige ventilatiestoornissen zijn duidelijk bij deze persoon. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Representatieve beelden van een persoon met chronische obstructieve longziekte. (A) Ventilatie en (B) anatomische beelden van een 56-jarige vrouw van 110 pond met gediagnosticeerde chronische obstructieve longziekte. Bij deze persoon kunnen milde ventilatiedefecten worden gedetecteerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Representatieve beelden uitgevoerd met behulp van een defecte 129Xe vestspoel. (A) Ventilatie en (B) anatomische beelden van een 20-jarige vrouw van 136 pond met gediagnosticeerde cystische fibrose van een scan die onbewust werd uitgevoerd met behulp van een 129Xe-vestspoel met een beschadigde kabel. De rechterlong (links als de afbeeldingen op de pagina verschijnen) vertoont een lagere signaal-ruisverhouding (SNR) dan de linkerlong (rechts als de afbeeldingen op de pagina verschijnen), en de rechterlong vertoont ook een opmerkelijke intensiteitsrol, met een hogere SNR in de voorste plakjes dan in de achterste plakjes, en een hogere SNR naar de mediale rand van de long dan naar de laterale rand. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Representatieve beelden waarin de spoel te ver in de inferieure richting is geplaatst. (A) Ventilatie en (B) anatomische beelden van een 6-jarige man van 46 lb met gediagnosticeerde milde cystische fibrose, gescand met de 129Xe-vestspoel te ver in de inferieure richting geplaatst. Het gemeten signaal in de longapices is kunstmatig laag vanwege het resulterende gebrek aan ontvangergevoeligheid in de longapices. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Representatieve ventilatieanalyse met behulp van 129Xe MR-beelden. (A) Anatomische en (B) ventilatiebeelden van een 84-jarige man van 188 pond met gediagnosticeerde chronische obstructieve longziekte, met (C) ventilatiekaarten berekend met behulp van de eenvoudige gebinariseerde analyseprocedure beschreven in stap 8 van het protocol. Geventileerde delen van de long worden weergegeven in cyaan, terwijl ongeventileerde delen van de long worden weergegeven in magenta. Bij deze persoon kunnen ernstige beademingsdefecten worden gedetecteerd, waaronder bijna volledig verlies van beademing in de bovenkwab van de linkerlong. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullend dossier 1: Voorbeeld MR-veiligheidsformulier. Dit formulier wordt gebruikt aan de Universiteit van Virginia om de MR-veiligheid van proefpersonen te beoordelen. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De hierboven beschreven ventilatie- en anatomische MRI-benaderingen zijn ontworpen om de beeldkwaliteit en SNR te maximaliseren met behoud van de eenvoud van implementatie - deze sequentieprotocollen kunnen over het algemeen worden aangepast aan de pulssequenties van de leverancier van producten, op voorwaarde dat multinucleaire werking is ingeschakeld, en beelden worden automatisch gereconstrueerd op de scannercomputer. Een nadeel van de hier beschreven 2D-benaderingen is het gebruik van slice-selectieve excitatie-RF-pulsen, die signaalverschillen introduceren tussen plakjes die eerder in de 129Xe-ventilatieverwerving zijn verzameld dan later als gevolg vanT1-ontspanning van de geïnhaleerde hypergepolariseerde 129Xe tijdens de scan. Een ander nadeel van de hier beschreven procedure is dat de 129Xe-beademingsscan en de bijbehorende 1H-anatomische scan worden verkregen in verschillende ademinhoudingen, waardoor mogelijk variaties in het opblaasniveau van de longen of de positie tussen beademings- en anatomische scans ontstaan.
Benaderingen voor 3D-ventilatiebeeldvorming en voor beeldvorming met één adem inhouden van zowel 129Xe als 1H zijn steeds gebruikelijker geworden. 3D-beeldvormingsbenaderingen maken reconstructie van isotrope voxels mogelijk (in tegenstelling tot de niet-isotrope voxels met een grovere resolutie langs de slice-richting die nodig zijn voor slice-selectieve 2D-beeldvorming) en vermijden potentiëleT1-gestuurde 129Xe-signaalvariatie van de ene plak naar de volgende35,36. Bij gebruik van Cartesiaanse k-ruimtetrajecten vereist 3D-beeldvorming met isotrope resolutie langere scantijden dan 2D-beeldvorming van hetzelfde volume. Daarom wordt vaak gebruik gemaakt van meer tijdbesparende niet-cartesiaanse k-ruimtebemonstering voor 3D-beeldvorming. De veel grotere tijdsefficiëntie die niet-cartesiaanse bemonstering biedt, kan het ook mogelijk maken om de 129Xe- en 1H-beelden in één adem te verzamelen37. Deze geavanceerde benaderingen blijven moeilijker te implementeren en te standaardiseren op verschillende locaties vanwege de vereiste pulssequentieprogrammering en geavanceerde reconstructietechnieken. Naarmate er echter ondersteuning van leveranciers beschikbaar komt voor pulssequenties met niet-cartesiaanse uitlezing, kunnen deze meer geavanceerde benaderingen gemeengoed worden en gestandaardiseerd worden op verschillende locaties.
De ventilatieanalyseprocedure die in stap 8 van het protocol wordt gepresenteerd, is een eenvoudige methode die gemakkelijk kan worden geïmplementeerd en geïnterpreteerd, omdat het een binair defect/geen defect-antwoord retourneert voor elke gesegmenteerde longvoxel en deze resultaten samenvoegt tot een enkel VDP-nummer voor het gescande individu. Hoewel deze benadering een redelijk uitgangspunt is voor ventilatieanalyse, kan voxelgewijze binarisatie de heterogeniteit van ventilatie niet volledig karakteriseren. Er zijn complexere benaderingen voor de categorisering van ventilatie ontwikkeld en getest en worden momenteel gebruikt door sommige onderzoeksinstellingen33. Over het algemeen proberen deze benaderingen voxelgewijze ventilatie te karakteriseren die verder gaat dan alleen geventileerd en niet-geventileerd door andere categorieën op te nemen, zoals hyperventileren en gedeeltelijk geventileerd, met het oog op het produceren van meer beschrijvende en zinvolle uitlezingen dan binaire VDP. Specifieke categorisatiemethoden omvatten lineaire binning van genormaliseerde voxelintensiteiten met behulp van histogrammen4; classificatie van voxelintensiteit met behulp van k-gemiddelden38, fuzzy c-gemiddelden 39,40 en Gaussiaanse mengselmodellering41; en diepe convolutionele neurale netwerken trainen op bestaande beelden van hypergepolariseerde gasventilatie 33,34. Kwantificering van beademing met behulp van 129Xe MRI blijft een gebied van actieve ontwikkeling en discussie, zonder dat er op het moment van schrijven een consensusmethode voor best practices is geïdentificeerd.
De reikwijdte van dit protocol is beperkt tot 129Xe ventilatie MRI, en tot op heden blijft dit de enige 129Xe MRI-techniek die door de FDA is goedgekeurd voor klinisch gebruik. Een interessant voordeel van de 129Xe MRI-reeks technieken is echter het potentieel voor regionale karakterisering van tal van verschillende aspecten van de longfunctie. In het bijzonder biedt de recente position paper30 van de Xe MRI CTC de huidige aanbevolen praktijken voor beeldvorming van pulmonale gasuitwisseling met behulp van opgeloste fase 129Xe MRI en kwantificering van de alveolaire luchtruimgrootte met behulp van 129Xe diffusie-MRI. Deze protocollen kunnen over het algemeen niet worden aangepast aan door de leverancier geleverde protocollen en vereisen daarom een aanzienlijke pulssequentieprogrammering. Zodra pulssequenties zijn ontwikkeld, kunnen de bijbehorende protocollen gemakkelijk worden geïntegreerd in de workflow voor 129Xe-ventilatie-MRI die hier wordt beschreven, aangezien best practices voor xenonpolarisatie, xenondosering en veiligheidsmonitoring van proefpersonen gebruikelijk zijn in de verschillende 129Xe MRI-methoden. Wanneer naar verwachting meerdere 129Xe MRI-scantypen bij één proefpersoon zullen worden uitgevoerd, is het raadzaam om eerst 129Xe-scans uit te voeren die het primaire onderzoekseindpunt vertegenwoordigen na het uitvoeren van 129Xe-kalibratie, voor het geval de resulterende beelden niet acceptabel zijn, en de primaire eindpuntscan moet worden herhaald met een dosis van 129Xe die oorspronkelijk bedoeld was voor een volgende secundaire eindpuntscan.
Het hier beschreven protocol is bedoeld voor beeldvorming van volwassenen en oudere adolescenten, en 129Xe ventilatie MRI is momenteel alleen goedgekeurd voor klinisch gebruik door de FDA bij personen van ten minste 12 jaar. 129Xe MRI is echter van toenemend belang als hulpmiddel voor onderzoek naar pediatrische longziekten 17,22,42,43, en FDA-goedkeuring voor 129Xe MRI in pediatrische populaties zal op korte termijn worden aangevraagd. Moeite met het inhouden van de adem en/of het uitvoeren van ademhalingsinstructies is waarschijnlijker bij pediatrische proefpersonen, en daarom is pre-scan coaching bijzonder belangrijk. De oefenprocedure voor de testzak die in stap 4 van het protocol wordt beschreven, speelt ook een belangrijkere rol, omdat deze kan helpen beslissen of moet worden overgegaan tot 129Xe-beeldvorming. Bovendien moeten protocollen voor pediatrische 129Xe MRI ernaar streven om de scantijden (en dus de ademinhoudingstijden) waar mogelijk te verkorten. Kleinere longen bij pediatrische proefpersonen kunnen andere 129Xe-doseringsoverwegingen en resolutie- en/of FOV-instellingen vereisen dan die welke worden gebruikt voor oudere personen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Auteurs J.F.M., J.P.M. en Y.M.S. nemen deel aan klinische onderzoeken die worden ondersteund door Polarean, Inc. Auteurs J.F.M. en Y.M.S. bieden adviesdiensten aan Polarean, Inc. (minder dan $ 5000). Auteur J.P.M. ontvangt onderzoekssteun van Polarean, Inc.
Acknowledgments
Dit werk werd gefinancierd door de National Institutes of Health (subsidienummers R01-CA172595-01, R01-HL132177, R01-HL167202, S10-OD018079 en UL1-TR003015) en door 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) |
References
- 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).
- Mugler, J. P., Altes, T. A. Hyperpolarized 129Xe MRI of the human lung. J Magn Reson Imaging. 37 (2), 313-331 (2013).
- Ebner, L., et al. The role of hyperpolarized 129xenon in MR imaging of pulmonary function. Eur J Radiol. 86, 343-352 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cleveland, Z. I., et al. Hyperpolarized 129Xe MR imaging of alveolar gas uptake in humans. PLoS One. 5 (8), 12192 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Myc, L., et al. Characterisation of gas exchange in COPD with dissolved-phase hyperpolarised xenon-129 MRI. Thorax. 76 (2), 178-181 (2021).
- 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).
- Dournes, G., et al. The clinical use of lung MRI in cystic fibrosis: What, now, how. Chest. 159 (6), 2205-2217 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mata, J., et al. Evaluation of regional lung function in pulmonary fibrosis with xenon-129 MRI. Tomography. 7 (3), 452-465 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- Polarean. FDA Approves Polarean's XENOVIEWTM (xenon Xe 129 hyperpolarized) for use with MRI for the evaluation of lung ventilation. , Polarean. (2022).
- 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).
- 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).
- He, M., et al. Dose and pulse sequence considerations for hyperpolarized 129Xe ventilation MRI. Magn Reson Imaging. 33 (7), 877-885 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Willmering, M. M., et al. Improved pulmonary 129 Xe ventilation imaging via 3D-spiral UTE MRI. Magn Reson Med. 84 (1), 312-320 (2020).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
