Waiting
Login processing...

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

Medicine

Получение гиперполяризованных магнитно-резонансных изображений вентиляции легких 129Xe

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

Гиперполяризованная магнитно-резонансная томография (МРТ) 129Xe – это метод изучения регионарно разрешенных аспектов функции легких. В этой работе представлен сквозной стандартизированный рабочий процесс для гиперполяризованной МРТ вентиляции легких с частотой 129Xe с особым вниманием к дизайну последовательности импульсов, подготовке дозы 129Xe, рабочему процессу сканирования и передовым методам мониторинга безопасности субъекта.

Abstract

Гиперполяризованная МРТ 129Xe включает в себя уникальный набор структурных и функциональных методов визуализации легких. Стандартизация методики в разных центрах становится все более важной, учитывая недавнее одобрение FDA 129Xe в качестве контрастного вещества для МРТ, а также в связи с ростом интереса к МРТ 129Xe среди исследовательских и клинических учреждений. Члены консорциума клинических испытаний 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) согласовали передовой опыт для каждого из ключевых аспектов рабочего процесса 129Xe MRI, и эти рекомендации обобщены в недавней публикации. Данная работа содержит практическую информацию для разработки сквозного рабочего процесса для сбора 129МРТ-изображений вентиляции легких по методу Xe MRI в соответствии с рекомендациями ЦОК МРТ Xe. Будут обсуждаться и демонстрироваться подготовка и применение 129Xe для МР-исследований, с конкретными темами, включая выбор подходящих объемов газа для всех исследований и для отдельных МР-сканирований, подготовку и доставку отдельных доз 129Xe, а также передовой опыт мониторинга безопасности субъекта и переносимости 129Xe во время исследований. Также будут рассмотрены ключевые технические аспекты МРТ, включая типы последовательностей импульсов и оптимизированные параметры, калибровку угла поворота и центральной частоты 129Xe, а также анализ изображений вентиляции МРТ 129Xe.

Introduction

Гиперполяризованная МРТ 129Xe является захватывающим инструментом для неинвазивной характеристики и количественной оценки специфических аспектов функции легких с пространственным разрешением 1,2,3. Подходы к получению и реконструкции, аналогичные тем, которые используются в анатомической протонной МРТ, позволяют получить изображения вдыхаемого 129Xe в легких, что позволяет визуализировать невентилируемые участки легких и количественно оценить распределение вентиляции с разрешением по регионам 4,5,6,7,8 . Более совершенные методы последовательности импульсов и анализа дают дополнительную информацию, включая количественную оценку эффективности газообмена между альвеолами и легочными капиллярами с помощью спектроскопической МРТ 9,10,11,12,13 и характеристику целостности альвеолярной микроструктуры с помощью диффузионно-взвешенной МРТ 14,15,16.

Доказано, что ингаляционный 129Xe безопасен и переносится взрослыми и детьми, в том числе с заболеваниями легких17,18. Измерения функции легких, полученные с помощью МРТ 129Xe, показали чувствительность к структурным и функциональным изменениям при многих легочных заболеваниях, включая хроническую обструктивную болезнь легких 6,10,19, муковисцидоз 20,21,22, идиопатический легочный фиброз 23,24,25 и астму 7,10,26. Учитывая высокую безопасность и переносимость МРТ 129Xe, отсутствие ионизирующего излучения при МРТ по сравнению с другими распространенными подходами к визуализации, а также высокую воспроизводимость результатов МРТ 129Xe27,28, МРТ 129Xe имеет значительные перспективы, в частности, для точного серийного мониторинга лиц, получающих временной курс терапии хронического заболевания легких.

Безопасность и клинические перспективы 129Xe MRI привели к тому, что в декабре 2022 года FDA одобрило его для визуализации вентиляции легких у лиц в возрасте 12 лет и старше29 лет. Учитывая это, ожидается, что количество исследовательских и клинических центров, способных выполнять 129МРТ Xe (в настоящее время ~20 по всему миру), значительно увеличится в ближайшие годы. По мере того, как МРТ 129Xe распространяется на новые учреждения, важно, чтобы существовали надежные методологические ресурсы, позволяющие учреждениям быстро создавать клинически значимые методы МРТ 129Xe, а также выполнять сканирование и получать результаты, близкие к существующим центрам.

В этой работе мы опишем современные передовые методы проведения МРТ легких с гиперполяризованным 129Xe для вентиляции легких, согласованные учреждениями-членами Консорциума клинических испытаний 129Xe MRI (Xe MRI CTC) и обобщенные в недавнем документе с изложением позиции30. Темы будут включать в себя подготовку индивидуальных последовательностей импульсов, идеально подходящих для полного рабочего процесса МРТ 129Xe, подготовку и введение гиперполяризованного газа 129Xe, оптимизированный рабочий процесс для сеансов МРТ человека с 129Xe, а также передовой опыт мониторинга безопасности и комфорта пациента во время сеансов МРТ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Все исследования с участием людей должны быть одобрены институциональным наблюдательным советом (IRB). Участие IRB не является обязательным для одобренного регулирующими органами клинического использования МРТ 129Xe. Перед участием в научном исследовании потенциальным субъектам должен быть предоставлен утвержденный документ об информированном согласии. Лицо, получающее согласие, должно разъяснить содержание документа, включая цель, процедуры, преимущества и риски исследования, должно ответить на любые вопросы и должно получить согласие субъекта на продолжение исследования, что подтверждается подписью субъекта на документе об информированном согласии. В случае педиатрических субъектов или других особых обстоятельств необходимо следовать утвержденной практике получения согласия. Протокол, описанный ниже, соответствует руководящим принципам IRB Университета Вирджинии, и испытуемые в этой рукописи подписали формы согласия, одобренные IRB Университета Вирджинии (IRB 13647, 16215, 16885, 19569).

1. Подготовка аппаратных и импульсных последовательностей для МРТ 129Xe

ПРИМЕЧАНИЕ: Протокольные шаги, описанные в шаге 1, должны быть выполнены перед сканированием любых людей. Их не нужно повторять для каждого предмета.

  1. Убедитесь, что МРТ-сканер способен работать с несколькими ядерными процессорами, включая 129Xe.
  2. Убедитесь, что радиочастотная (РЧ) катушка 129Xe может быть подключена к МРТ-сканеру, при необходимости используя специальный интерфейсный блок для подключения катушки к сканеру.
  3. Убедитесь, что установлено подходящее программное обеспечение (часто называемое файлом катушки) для подключения ВЧ-катушки 129Xe к МРТ-сканеру, если это требуется производителем сканера.
  4. Подготовьте последовательности импульсов для визуализации 129Xe и 1H, как описано ниже.
    1. Для калибровки 129Xe подготовьте нелокализованную спектроскопическую последовательность, содержащую серию свободных индукционных затуханий (FID), используя параметры последовательности импульсов, приведенные в таблице 1.
      ПРИМЕЧАНИЕ: FID, полученные при ~218 ppm (частота растворенной фазы), используются в основном для определения параметров МРТ с растворенной фазой 129Xe, которые не рассматриваются в настоящей работе. Тем не менее, эти параметры приведены для того, чтобы можно было разработать единую стандартизированную калибровку 129Xe, которой достаточно для 129Xe МРТ любого типа. Кроме того, обратите внимание, что отдельное калибровочное сканирование может не потребоваться для исследований, включающих только визуализацию вентиляции 129Xe, после того, как центр приобретет достаточный опыт. Рабочая частота 129Xe может быть точно оценена путем масштабирования частоты 1H, определенной сканером, на отношение гиромагнитных коэффициентов 129Xe к 1H, а калибровка передатчика может быть оценена на основе накопленного опыта и веса испытуемого.
    2. Для МРТ вентиляции 129Xe подготовьте двумерную (2D) испорченную РЧ-испорченную последовательность градиентного эха с использованием параметров последовательности импульсов, приведенных в таблице 2. Убедитесь, что в качестве целевого ядра выбран 129Xe.
    3. Для обычной анатомической МРТ продолжительностью 1ч подготовьте последовательность однократного турбо/быстрого спин-эхо или последовательность градиентного эха с поврежденным РЧ-излучением, используя параметры, приведенные в таблице 2.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для 129Xe вентиляции и 1H анатомических последовательностей поле зрения и количество срезов зависят от субъекта. Выберите эти параметры в начале сеанса сканирования таким образом, чтобы обеспечить полный охват легких во всех трех измерениях.
      1. Включите фазовую передискретизацию, чтобы уменьшить потенциальное наложение плеч на поле зрения изображения.
      2. Ограничения производителей МРТ-сканеров могут препятствовать работе последовательности однократных турбо/быстрых спин-эхо с рекомендуемым грубым разрешением в плоскости (4 мм x 4 мм). В этом случае используйте разрешение, которое является целым множителем желаемого разрешения (например, 2 мм x 2 мм).
        ПРИМЕЧАНИЕ: Анатомический снимок длиной 1H может быть получен с помощью 2D-испорченной РЧ-последовательности градиентного эхо. В этом случае используйте те же параметры, что и параметры сканирования вентиляции, приведенные в таблице 2 , но включите передискретизацию фазы, чтобы избежать наложения рук на поле зрения изображения.
  5. Проверьте работу ВЧ-катушки и последовательностей импульсов, описанных выше, выполнив сканирование термически поляризованного фантома 129Xe31 для 129Xe-сканов и 1-часового фантома для 1-часовогосканирования.

Параметр Калибровка
ТР 15 мс
TE 0,45 мс (3 Тл), 0,8 мс (1,5 Тл)
Радиочастотный импульс Оконный SINC
Продолжительность РЧ 0,65-0,69 мс (3 Тл), 1,15-1,25 мс (1,5 Тл)
Угол поворота 20°
Частота РЧ 218 ppm (растворенная фаза), 0 ppm (газовая фаза)
Время выдержки 39 мкс
Пропускная способность 25,6 кГц
Нет. образцов 256 (без учета избыточной дискретизации, если она используется)
Продолжительность индикации 10 мс
Количество FID 1 шум (без РЧ), 499 на частоте растворенной фазы, 20 на частоте газовой фазы.
Градиентная порча момент не менее 15 мТл/м-мс (каждая ось, после каждого ПИД)
Длительность ~8 с

Таблица 1: Рекомендуемые параметры последовательности импульсов для калибровки 129Xe. Параметры приведены для нелокализованной спектроскопической последовательности калибровочных импульсов 129Xe.

Параметр Вентиляция Анатомический
Тип последовательности Испорченное РЧ-излучением градиентное эхо Однократный турбо/быстрое спин-эхо
ТР <10 мс Бесконечный
TE <5 мс <50 мс
Расстояние между эхо-сигналами Н/Д 3-5 мс
Угол поворота возбуждения 8-12° 90°
Изменение угла поворота Н/Д ≥90° (максимально допустимый в пределах SAR)
Толщина среза 15 мм 15 мм
Срез зазора Никакой Никакой
Ориентация среза Венечный Венечный
Порядок срезов Последовательный (от переднего к заднему) Последовательный (от переднего к заднему)
Порядок кодирования фаз Последовательный (слева направо) Последовательный (слева направо)
НЕКС 1 (допускается до 7/8 частичного Фурье) Половина Фурье
Асимметричное эхо Дозволенный Н/Д
Размер вокселя 4 x 4 x 15 мм3 4 x 4 x 15 мм3
Длительность дискретизации на эхо-сигнал 5-7 мс 1-1,5 мс
Продолжительность сканирования 8-12 с ≤16 с

Таблица 2: Рекомендуемые параметры последовательности импульсов для вентиляции 129Xe и анатомической визуализации 1H. Приведены параметры для 2D последовательности быстрого градиентного эха с поврежденным РЧ-излучением для визуализации вентиляции 129Xe (первая колонка) и 2D последовательности однократного турбо/быстрого спин-эха для анатомической визуализации 1H (вторая колонка). Обратите внимание, что анатомический скан может быть получен с помощью 2D-испорченной РЧ-последовательности градиентного эха. В этом случае используйте те же параметры, что и параметры сканирования вентиляции, приведенные здесь, но при необходимости добавляйте передискретизацию фазы, чтобы избежать наложения рук в поле зрения изображения. Кроме того, обратите внимание, что конкретный метод определения полосы пропускания приемника зависит от производителя сканера, но правильное значение может быть рассчитано для любого производителя сканера на основе заданной длительности выборки на эхо-сигнал.

2. Скрининг и подготовка кандидатов на МРТ 129Xe

  1. Убедитесь в отсутствии противопоказаний к проведению МРТ у предполагаемого субъекта, осмотрев его с помощью формы безопасности МРТ. В Дополнительном файле 1 показан пример формы, используемой в Университете Вирджинии.
  2. Удостоверьтесь, что предполагаемый субъект не соответствует каким-либо критериям исключения, характерным для МРТ-исследований 129Xe, которые могут включать, но не ограничиваться: прогнозируемый процент FEV1 менее 25%, декомпенсированное респираторное состояние в течение предыдущих 6 недель, окружность грудной клетки, превышающая внутреннюю окружность 129Xe RF катушки, и нестабильное заболевание сердца в анамнезе.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Дополнительные критерии, которые не указывают на немедленное исключение, но требуют тщательного индивидуального рассмотрения, включают: потребность в значительном дополнительном кислороде на исходном уровне (т.е. более 3 л/мин через носовую канюлю) и наличие в анамнезе неврологического расстройства с исходными аномалиями.
  3. При проведении диффузионного исследования легких (DLCO) или спирометрии во время визуализирующего визита, проинструктируйте субъекта не употреблять газированные напитки в день посещения исследования. Если испытуемый принимает назначенные респираторные препараты, проинструктируйте их отложить или воздержаться от их приема, если это предусмотрено протоколом исследования.

3. Приготовление гиперполяризованных доз 129Xe

ПРИМЕЧАНИЕ: Подробные инструкции к поляризатору 129Xe и поляризационной измерительной станции являются проприетарными и индивидуальными для каждого производителя. Приведенные ниже инструкции содержат основную информацию о работе с поляризатором 129Xe с общей спиновой обменной оптической накачкой.

  1. Определитесь с объемом дозы для испытуемого. Как правило, для всех испытуемых выбирается общий объем дозы в 1 л, и этот общий объем дозы указан на этикетке FDA для МРТ 129Xe. Тем не менее, в соответствии с текущими рекомендациями30 по КТК МРТ Xe предполагается, что общий объем дозы (ксенон плюс азот или гелий) должен быть направлен на 1/5 форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ) субъекта, чтобы обеспечить комфортное количество газа для вдыхания для каждого субъекта и свести к минимуму эффекты, связанные с разницей в объеме легких между субъектами.
    1. Если у субъекта имеются недавние результаты спирометрии, используйте их для определения 1/5 ФЖЕЛ. Если результаты спирометрии недоступны, оцените общую емкость легких (TLC) субъекта на основе роста, пола и расы, и оцените общую дозу как 1/6 TLC.
  2. Определитесь с объемом газа ксенона для поляризации.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Целевые объемы ксенона для каждого пакета с дозами приведены в виде эквивалентных объемов дозы (DE), которые концептуально обозначают эквивалентный объем 100% обогащенного, 100% поляризованного газа 129Xe. Концептуально громкость DE прямо пропорциональна ожидаемому отношению сигнал/шум (SNR) для сканирования 129Xe, и рекомендуемый объем DE будет выше или ниже для определенных типов сканирования 129Xe в зависимости от отношения сигнал/шум, требуемого для этого типа сканирования.
    1. Рассчитайте объем ДЭ для данной дозы ксенона следующим образом32:
      Equation 1
      где V Xe — общий объем газообразного ксенона (всех изотопов, а не только 129Xe) в дозе, f129Xe — изотопное обогащение 129Xe, а P129Xe — поляризация 129Xe.
    2. Выберите общее количество необходимых томов DE для набора из 129сканирований Xe, которые будут выполнены. Рекомендуемый объем DE для индивидуальной калибровки и вентиляции составляет 75-150 мл.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для визуализации вентиляции отношение сигнал/шум должно быть достаточно высоким, чтобы можно было четко различать вентилируемые и невентилируемые воксели. Объем ДЭ 50 мл считается абсолютным минимумом для визуализации вентиляции легких30 для достижения ожидаемого отношения сигнал/шум не менее 20. Для калибровочного сканирования может быть приемлем объем DE до 25 мл, если откалиброван только сигнал газовой фазы; не менее 75 мл следует использовать при калибровке сигналов как газовой, так и растворенной фазы.
  3. Для расчета общего требуемого объема ксенона для поляризации используйте общий необходимый объем ДЭ, известное изотропное обогащение газа ксенон 129Xe и расчетную поляризацию 129Xe, основанную на предыдущих прогонах поляризации. Пример расчета показан ниже для одного сканирования вентиляции легких (объем DE = 75 мл), предполагая, что изотопное обогащение 129Xe составляет 85%, а поляризация — 20%32:
    Equation 2
    Выполните этот расчет для каждой дозы ксенона, чтобы определить правильный объем поляризованного газа ксенона для дозирования в каждый мешок с дозой.
    1. Субъекты с низким ИМТ (<21) имеют более высокий риск более глубоких последствий для центральной нервной системы (ЦНС) после ингаляции 129Xe, чем другие субъекты. Проконсультируйтесь с врачом перед визуализацией пациентов с низким ИМТ и подумайте о том, чтобы свести к минимуму объем дозы 129Xe, чтобы предотвратить эти потенциальные проблемы.
  4. Подготовьте поляризатор 129Xe в соответствии со всеми инструкциями, предоставленными поставщиком поляризатора.
    1. В зависимости от производителя поляризатора необходимо выполнить следующие действия: убедитесь, что источник питания катушки Гельмгольца включен; откачайте выходной коллектор для очистки от примесей; установите жидкий азот Дьюара вокруг/под холодным пальцем; включить питание лазеров и дать им нагреться; включите подачу воздуха в духовку, установите духовку на соответствующую температуру с помощью контроллера духовки и дайте духовке нагреться.
      ВНИМАНИЕ: Жидкий азот может вызвать сильное обморожение при контакте с кожей, глазами или одеждой, а высокоинтенсивный лазерный свет может вызвать повреждение глаз при попадании в глаз без защиты. Соблюдайте надлежащую осторожность и надевайте защитное снаряжение по мере необходимости.
  5. Убедитесь, что поляризационная измерительная станция 129Xe включена, а программное обеспечение готово к измерению поляризации дозы.
  6. Начните сбор гиперполяризованного 129Xe, выполнив следующие действия.
    1. Начните подачу азота в холодную куртку для утепления пальцев.
    2. Начните подавать ксеноновую смесь в холодный палец. Обратитесь к кривым характеристик поляризатора в документации к поляризатору, чтобы выбрать оптимальную скорость потока.
    3. Добавьте жидкий азот в дьюар, окружающий холодный палец.
    4. Запишите время начала поляризации в техническом паспорте, чтобы обеспечить точный объем поляризации.
    5. После начала сбора отрегулируйте контроллеры расхода и печи для поддержания постоянного расхода и температуры, а также добавляйте жидкий азот по мере необходимости, чтобы дьюар оставался полным.
  7. Во время накопления ксенона подготовьте мешки с дозами Tedlar для сбора доз, многократно продувая и вакуумируя мешки не менее 3 раз с помощью выходного коллектора поляризатора, чтобы свести к минимуму примеси и/или деполяризующие газы в мешках.
  8. По истечении времени, необходимого для сбора требуемого объема гиперполяризованного 129Xe, прекратите сбор гиперполяризованного 129Xe, как указано в документации к поляризатору.
  9. Разморозьте замороженный 129Xe, который выпал в осадок в холодном пальце, как описано ниже.
    1. Прикрепите пакет с дозой 129Xe к выходному отверстию ксенона на выпускном коллекторе.
    2. Осторожно удалите жидкий азот дьюара и замените его сосудом для размораживания, содержащим воду комнатной температуры.
    3. Во время размораживания непрерывно контролируйте давление, открывая клапан потока от холодного пальца к выходному отверстию ксенона, как только давление достигает порогового значения, указанного в документации к поляризатору, и быстро закрывая клапан при падении давления.
    4. Продолжайте дозировать сублимированный газ ксенон в дозный мешок таким образом, пока не будет достигнуто желаемое количество ксенона в дозовом пакете.
    5. Добавьте буферный газ (азот или гелий) в это время, если он не был добавлен в мешок ранее.
    6. После того, как все необходимые ксеноновые и буферные газы будут добавлены в мешок, быстро закройте зажимной зажим на трубке мешка, закройте выпускной клапан ксенона и отсоедините пакет с полной дозой от поляризатора.
    7. Немедленно переместите мешок в магнитное поле, создаваемое парой катушек Гельмгольца поляризационной измерительной станции 129Xe.
      ВНИМАНИЕ: Давление в холодном пальце будет быстро расти по мере нагревания и сублимации газа ксенона, создавая потенциальный риск взрыва, если давление превысит безопасные пределы. Точно следуйте инструкциям для этого шага, приведенным в документации к поляризатору, и надевайте защитные очки во время выполнения этого шага.
  10. Измеряйте и записывайте поляризацию в каждом дозовом пакете на поляризационной измерительной станции 129Xe в соответствии с инструкциями, предоставленными поставщиком поляризационной измерительной станции.
  11. После измерения поляризации держите пакеты доз 129Xe в магнитном поле, создаваемом парой катушек Гельмгольца поляризационной измерительной станции, до тех пор, пока не будете готовы ввести дозу испытуемому.

4. Предварительная подготовка и инструктаж субъекта

ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется, чтобы если субъект проходит полное обследование, включающее шестиминутный тест ходьбы, прогулка не должна проводиться до тех пор, пока не будет завершена МРТ 129Xe, чтобы избежать утомления субъекта таким образом, который потенциально может повлиять на результаты 129Xe MRI. Это особенно актуально для пациентов с сердечно-легочными заболеваниями.

  1. Удостоверьтесь, что субъект правильно выполнил все инструкции перед посещением, как описано в шаге 2, и что с момента проведения скрининга субъекта не произошло никаких изменений в состоянии здоровья, которые соответствовали бы каким-либо критериям исключения из исследования или представляли бы собой противопоказание для МРТ.
  2. Провести все необходимые физические исследования субъекта, включая электрокардиограмму (ЭКГ); совокупность жизненно важных показателей, включая температуру тела, частоту сердечных сокращений, частоту дыхания, насыщение крови кислородом (SpO2) и артериальное давление; спирометрия; и тест DLCO.
  3. Следите за этими тестами на наличие любых потенциальных предупреждающих признаков, включая низкий уровень SpO2 (<92%), повышенное кровяное давление или значительное отклонение результатов теста от любых существующих исходных показателей для субъекта.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эти показания, особенно исходный уровень SpO2, проверяются в связи с ожиданием, что во время ингаляции 129Xe произойдет легкая транзиторная десатурация кислорода. Для пациентов с исходным уровнем SpO2 <92% или другими настораживающими признаками проконсультируйтесь с врачом, чтобы подтвердить, подходит ли субъект для МРТ-тестирования 129Xe и следует ли использовать дополнительный O2 между ингаляциями 129Xe.
  4. Обучите испытуемого правильной процедуре ингаляции 129Xe, как описано ниже.
    1. Подготовьте один или несколько мешков Tedlar с воздухом, чтобы испытуемый мог практиковаться вне сканера. Используйте объем воздуха, соответствующий общему объему ксенона и буферного газа, которые будут вдыхаться из мешка во время фактического исследования.
    2. Подготовьте зажимы для носа, которые субъект будет носить во время сканирования с задержкой дыхания. Наденьте зажимы для носа на нос субъекта до начала задержки дыхания (как для практики, так и для фактического сканирования).
    3. Тренируйте испытуемого, используя один наполненный воздухом мешок для каждой попытки, следуя приведенным ниже инструкциям. Испытуемый должен начать вдыхать мешок из целевого объема функциональной остаточной емкости. Во время процедуры, описанной ниже, следите за грудной клеткой субъекта, чтобы убедиться, что он выполняет данные инструкции.
      1. Подготовьте пакет, но пока не прикладывайте его к субъекту. Попросите испытуемого: Сделайте регулярный вдох. Выдохните. Делайте регулярный вдох. Выдохните.
      2. Поместите тюбик, прикрепленный к мешку Tedlar, в рот субъекта. Держите пакет там, где субъект может вдохнуть из него, и откройте клапан. Попросите испытуемого: Вдохните. Вдохнуть. Вдохнуть.
      3. После того, как испытуемый вдохнет все содержимое пакета, попросите его: Задержать дыхание. Немедленно дайте указание оператору сканера: Вперед!
        ПРИМЕЧАНИЕ: При сканировании объекта оператор сканера должен начать сканирование, услышав команду Go! Эта инструкция не предназначена для испытуемого (т.е. он должен оставаться неподвижным и продолжать задерживать дыхание в соответствии с инструкциями, полученными непосредственно перед этим), но предупреждает субъекта о том, что сканирование неизбежно.
      4. Дождитесь окончания сканирования или, во время тренировки, отсчета 10-15 с, что является приблизительным количеством времени, необходимым для типичного сканирования 129Xe.
      5. Попросите испытуемого: Дышать. В этот момент испытуемый выдыхает. Научите испытуемого делать несколько глубоких вдохов и выдохов в этот момент, чтобы способствовать более быстрому выведению 129Xe из легких и более быстрому возвращению к нормальному уровню насыщения кислородом.
      6. Убедитесь, что субъект может надежно выполнять эти инструкции. Рассмотрите возможность исключения испытуемых, которые не могут вдохнуть весь объем газа, не могут поддерживать задержку дыхания или которые постоянно кашляют во время попыток задержки дыхания во время теста.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Результат этого теста имеет решающее значение для определения вероятного качества изображения. Эта проверка на достоверность комплаенса субъекта особенно важна в контексте педиатрической визуализации и визуализации тяжелых заболеваний легких, поскольку субъекты одной или обеих этих категорий с большей вероятностью будут испытывать трудности с надежным выполнением требуемой задержки дыхания.

5. Подготовка кабинета МРТ-сканера и размещение пациента на столе пациента

  1. Убедитесь, что все, кто входит или может войти в комнату МРТ-сканера (субъект и персонал), убирают все металлические и/или электронные предметы из карманов и человека перед входом в комнату сканирования.
  2. Подготовьте катушку жилета 129Xe, подключив ее к сканеру и положив на стол пациента МРТ-сканера.
  3. Попросите испытуемого лечь на стол пациента в положении лежа на спине (или головой вперед, если это больше подходит для планировки кабинета сканера). Положите подушки под голову, колени и т. д. субъекта, консультируясь с субъектом, чтобы он мог комфортно лежать неподвижно во время обследования.
  4. Закрепите катушку жилета 129Xe на груди субъекта. Стремитесь к тому, чтобы средняя линия катушки в направлении голова-нога лежала как можно ближе к ожидаемой средней линии легких субъекта при комфортном уровне надувания легких, чтобы избежать снижения сигнала на периферии легких.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Распространенной ошибкой является слишком большое расположение катушки в направлении ног объекта. Расположив катушку так, как указано выше, она может оказаться ближе к голове субъекта, чем можно было бы наивно ожидать. Кроме того, руки субъекта могут располагаться над головой и снаружи катушки, если этого требует диаметр грудной клетки субъекта. Конкретный диаметр грудной клетки, выше которого требуется такое позиционирование, зависит от конкретного сканера и катушки. Для небольших объектов руки могут располагаться либо над головой и снаружи катушки, либо по бокам и внутри катушки.
  5. Установите безопасный для МРТ пульсоксиметр рядом со столом пациента в кабинете МРТ-сканера и подключите датчик пульсоксиметра к субъекту. Убедитесь, что показания пульсоксиметра верны.
  6. Поместите носовую канюлю в нос субъекта (или, в случае здорового человека, поддержите ее в комнате сканера) и подключите ее к источнику кислорода, который будет использоваться, если SpO2 пациента падает более чем на 10% в течение более чем 2 мин после ингаляции дозы. Разместите кислородный баллон и регулятор безопасным для МРТ способом в соответствии с местной политикой безопасности в пределах досягаемости.
  7. Переместите стол пациента в МРТ-сканер, выровняв среднюю линию катушки/легких субъекта по изоцентру сканера.

6. Процедура сканирования

  1. В пользовательском интерфейсе на МРТ-сканере введите данные субъекта и откройте заранее подготовленный (как описано в шаге 1) протокол МРТ 129Xe.
  2. Убедитесь, что дозы 129Xe были приготовлены, как описано в шаге 3, и что пакеты с дозами 129Xe находятся в магнитном поле, создаваемом парой катушек Гельмгольца поляризационной измерительной станции (или в эквивалентном устройстве), чтобы свести к минимуму скорость деполяризации 129Xe.
  3. Выполните сканирование локализатора в течение 1часа с использованием стандартного протокола, предоставленного поставщиком (например, трехплоскостного локализатора), как описано ниже.
    1. Попросите испытуемого сделать комфортный, естественный вдох и задержать дыхание. Пока испытуемый задерживает дыхание, выполните сканирование локализатором.
    2. Просмотр результатов сканирования локализатора на интерфейсе МРТ-сканера. Если на изображениях видны артефакты (например, если металлосодержащая одежда не была удалена), устраните все проблемы и повторите локализатор. Если угол обзора локализатора плохо центрирован на объекте, измените положение объекта и повторите процедуру. После получения приемлемых изображений локализатора переходите к следующему шагу.
  4. Выполните первоначальную настройку перед сканированием для сканирования 129Xe, как описано ниже.
    1. Установите начальную центральную частоту 129Xe, разделив центральную частоту 1H от локализатора на 3,61529 (приблизительное соотношение соответствующих гиромагнитных коэффициентов 1H и 129Xe).
    2. Установите начальную настройку передатчика 129Xe на основе результатов калибровки предыдущих испытуемых с аналогичным габитусом тела, масштабирования на основе опорного напряжения 1H или измеренного веса субъекта. Подробные сведения о настройках передатчика 129Xe зависят от производителя сканера и катушки 129Xe.
    3. Используйте настройки прокладки сканера по умолчанию для всех сборов 129Xe.
  5. После выполнения предварительных настроек, описанных выше, выполните калибровку 129Xe, чтобы найти центральную частоту 129Xe и настройки передатчика, как описано ниже.
    1. Загрузите последовательность калибровки 129Xe из подготовленного протокола. Убедитесь, что все параметры последовательности импульсов соответствуют требованиям, и установите настройку выполнения сканирования таким образом, чтобы сканирование можно было выполнить одним щелчком мыши.
    2. Перенесите дозированный пакет 129Xe, предназначенный для калибровочного сканирования 129Xe, со станции измерения поляризации в комнату сканера. Держите или положите пакет с дозой наготове рядом с испытуемым; Избегайте областей вблизи отверстия, где напряженность магнитного поля быстро меняется.
    3. Помогите испытуемому вдохнуть дозу 129Xe из пакета, следуя процедуре ингаляции, описанной в шаге 4.
    4. Выполните сканирование сразу после того, как услышите Go! сигнализируется лицом, оказывающим помощь субъекту.
    5. Следите за объектом во время сканирования. Если субъект заметно выдыхает, кашляет, двигается и т. д., повторите сканирование, если это возможно.
    6. Как только сканирование закончится, попросите испытуемого выдохнуть и дышать свободно.
    7. После сканирования контролируйте частоту сердечных сокращений субъекта и SpO2 с помощью пульсоксиметра и отслеживайте преходящие эффекты центральной нервной системы (такие как головокружение, предобморочное состояние, эйфория и парестезия) посредством вербального общения с субъектом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Почти все субъекты будут испытывать очень легкие эффекты со стороны ЦНС, которые не требуют вмешательства, за исключением субъектов с низким содержанием жира в организме, как указано в шаге 3.2.
    8. Подождите, пока любые отклонения от исходного уровня исчезнут, прежде чем вводить еще одну дозу 129Xe. Если существенных отклонений от исходного уровня не наблюдается, подождите не менее 2 мин, прежде чем вводить еще одну дозу 129Xe.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Типичный временной ход десатурации кислорода и восстановления выглядит следующим образом: десатурация начинается через 10-20 ударов сердца после завершения ингаляции 129Xe, надир наступает через 20-30 ударов сердца после завершения ингаляции, а восстановление происходит в течение 45-50 ударов сердца после завершения ингаляции. В большинстве случаев десатурация проходит в течение 30 секунд после вдыхания 129Xe и, как правило, полностью исчезает в течение 2 минут. Проконсультируйтесь с врачом, если стойкая десатурация (более 10% от исходного уровня субъекта) продолжается более 2 минут, так как может быть целесообразно избегать дальнейшего введения дозы 129Xe и/или завершить исследование.
  6. Выполните калибровочный анализ 129Xe, как описано ниже (например, с помощью автономного инструмента анализа).
    1. Определите центральную частоту 129Xe, используя спектр от первых газовых фазных FID.
    2. Определите регулировку передатчика 129Xe, как описано ниже.
      1. Подгоним пиковые интенсивности 20 газофазных FID к следующей функции30 и рассчитаем угол разворота, α:
        Equation 3
        где Si – величина интенсивности сигнала, возникающая в результате i-говозбуждения, S0 – величина интенсивности сигнала от первого возбуждения, C – параметр смещения шума.
      2. После получения α увеличьте первоначальную настройку передатчика 129Xe для последующих сканирований на 20°/α, предполагая, что 20° использовался в качестве предполагаемого угла поворота калибровки, как рекомендовано в таблице 1.
  7. После того, как будут сделаны окончательные настройки предварительного сканирования 129Xe и субъект будет готов к следующей дозе 129Xe, выполните сканирование вентиляции 129Xe, как описано ниже.
    1. Загрузите последовательность вентиляции 129Xe из подготовленного протокола. Убедитесь, что все параметры последовательности импульсов соответствуют требованиям, и установите настройку выполнения сканирования таким образом, чтобы сканирование начиналось сразу после одного щелчка мыши.
    2. Выберите размер поля зрения и расположение центра на основе результатов локализатора. Стремитесь к тому, чтобы центр поля зрения совпадал с центром легких во всех трех измерениях, и стремитесь к тому, чтобы поле зрения было достаточно большим, чтобы комфортно вместить всю грудную полость, включая все оба легких.
    3. Перенесите пакет с дозой 129Xe, предназначенный для сканирования вентиляции 129Xe, со станции измерения поляризации в комнату сканера. Держите или положите пакет с дозой наготове рядом с испытуемым; Избегайте областей вблизи отверстия, где напряженность магнитного поля быстро меняется.
    4. Помогите испытуемому вдохнуть дозу 129Xe из пакета, следуя процедуре ингаляции, описанной в шаге 4.
    5. Выполните сканирование сразу после того, как услышите Go! сигнализируется лицом, оказывающим помощь субъекту.
    6. Следите за объектом во время сканирования. Если субъект заметно выдыхает, кашляет, двигается и т. д., повторите сканирование, если это возможно.
    7. Как только сканирование закончится, попросите испытуемого выдохнуть и дышать свободно.
    8. После сканирования контролируйте частоту сердечных сокращений субъекта и SpO2 с помощью пульсоксиметра и отслеживайте преходящие эффекты центральной нервной системы (такие как головокружение, предобморочное состояние, эйфория и парестезия) посредством вербального общения с субъектом.
    9. Подождите, пока любые отклонения от исходного уровня исчезнут, прежде чем вводить еще одну дозу 129Xe. Если существенных отклонений от исходного уровня не наблюдается, подождите не менее 2 мин, прежде чем вводить еще одну дозу 129Xe.
  8. Выполните анатомическое сканирование в течение 1часа, как описано ниже.
    1. Загрузите анатомическуюпоследовательность 1 H из подготовленного протокола. Убедитесь, что все параметры последовательности импульсов соответствуют требованиям, и установите настройку выполнения сканирования таким образом, чтобы сканирование можно было выполнить одним щелчком мыши.
    2. Принесите в комнату сканера дозированный мешок, наполненный воздухом и подобранный по объему пакета с дозой, используемого для сканирования вентиляции 129Xe.
    3. Помогите испытуемому вдохнуть дозу воздуха из мешка, следуя процедуре ингаляции, описанной в шаге 4.
    4. Выполните сканирование сразу после того, как услышите Go! сигнализируется лицом, оказывающим помощь субъекту.
    5. Следите за объектом во время сканирования. Если субъект заметно выдыхает, кашляет, двигается и т. д., повторите сканирование, если это возможно.
    6. Как только сканирование закончится, попросите испытуемого выдохнуть и дышать свободно.

7. Процедуры после сканирования

  1. Измерьте жизненно важные показатели пациента так же, как и перед процедурой сканирования. Если какие-либо жизненно важные показатели становятся ненормальными, попросите субъекта подождать 30-60 минут и/или до тех пор, пока жизненно важные показатели не вернутся к исходному уровню, прежде чем уходить.

8. Анализ данных МРТ вентиляции 129Xe

ПРИМЕЧАНИЕ: Полученные анатомические изображения вентиляции 129Xe и анатомические изображения 1H должны быть автоматически реконструированы на компьютере МРТ-сканера с использованием конвейера реконструкции изображений поставщика по умолчанию.

  1. Экспортируйте анатомические сканы вентиляции 129Xe и 1H в виде файлов изображений DICOM, используя минимально допустимый уровень интерполяции (в идеале нет).
  2. Рассчитайте процент дефектов вентиляции (VDP) с помощью программного обеспечения для программирования или анализа изображений, используя следующее уравнение8:
    Equation 4
    1. Определение вентилируемого объема путем сегментации 129Xe сканирования вентиляции либо вручную, либо с использованием одного из ряда существующих автоматизированных подходов33.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Простой метод бинаризованной сегментации изображений 129Xe использует пороговое значение, определенное следующимобразом:
      Equation 5
      где «Средний сигнал» — это среднее значение интенсивности сигнала 129Xe в пределах заданной пользователем области интереса сильного сигнала 129Xe в легких, а «SD(Noise)» — стандартное отклонение интенсивности сигнала 129Xe в пределах области, близкой к краю поля зрения, расположенной далеко от легких или трахеи.
    2. Определяют общий объем легких путем сегментации 1-часовогоанатомического сканирования, либо вручную, либо с использованием существующих автоматизированных подходов34.
    3. После того, как эти сегментации выполнены, вычислите соответствующие объемы как количество сегментированных вокселей, умноженное на объем вокселов изображения (с учетом любой интерполяции, выполненной при преобразовании изображений в файлы DICOM).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 1 показаны репрезентативная вентиляция легких и изображения локализатора в трех плоскостях, полученные от здорового человека. На изображениях вентиляции легких можно наблюдать высокий уровень 129Xe, и у этого человека нет никаких нарушений вентиляции.

На рисунках 2, 3 и 4 показана репрезентативная вентиляция легких и анатомические изображения больных людей. На рисунке 2 изображен человек с дефицитом альфа-1-антитрипсина, у которого тяжелые нарушения вентиляции могут быть легко обнаружены при наблюдении за неоднородным внешним видом изображений 129Xe. Аналогичным образом, на рисунке 3 можно увидеть тяжелые нарушения вентиляции, изображающие человека с тяжелой формой муковисцидоза. На рисунке 4 изображен человек с хронической обструктивной болезнью легких, у которого более тонкие дефекты вентиляции могут быть отмечены с помощью изображений 129Xe.

На рисунке 5 показаны изображения вентиляции из исследования, которое было выполнено по незнанию с использованием катушки жилета 129Xe с поврежденным кабелем. Одно из двух легких демонстрирует гораздо более низкое отношение сигнал/шум, чем другое, и интенсивный перекат, причем оба эти явления особенно заметны в задних срезах. На рисунке 6 показаны изображения вентиляции легких из исследования, которое проводилось с катушкой жилета 129Xe, расположенной слишком далеко к ногам субъекта. Искусственно заниженный сигнал 129Xe наблюдается в обеих верхушках легких из-за недостаточной чувствительности приемника там.

На рисунке 7 показана репрезентативная вентиляция легких и анатомические изображения пациента с диагностированной ХОБЛ, а также биаризованные карты вентиляции, рассчитанные с помощью простого метода, описанного в шаге 8 протокола. У этого пациента наблюдаются обширные дефекты вентиляции, включая почти полную потерю вентиляции в верхней доле левого легкого, а расчетный VDP для этого человека составляет 52%. В то время как процедура анализа соответствующим образом классифицирует области с явно высоким или низким сигналом 129Xe, частично вентилируемые области изображения (или области с частичным объемным эффектом, в которых данный срез охватывает как вентилируемые, так и невентилируемые области вдоль направления выбора среза) охарактеризовать сложнее. В этом случае процедура анализа стремится охарактеризовать эти области как невентилируемые. Этот пример подчеркивает полезность процедур анализа, которые классифицируют вентиляцию более чем на две категории. Разработка, тестирование и сравнение таких процедур анализа является важной постоянной работой в области 129Xe MRI30,33.

Figure 1
Рисунок 1: Репрезентативные изображения здорового человека. (A) Вентиляция и (B) изображения локализатора в трех плоскостях от 22-летней здоровой женщины весом 117 фунтов. Никакие нарушения вентиляции легких не могут быть легко обнаружены у этого человека. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Репрезентативные изображения пациента с дефицитом альфа-1-антитрипсина. (А) Вентиляция легких и (Б) анатомические изображения 60-летней женщины весом 144 фунта с диагностированным дефицитом альфа-1-антитрипсина. У этого человека наблюдаются тяжелые нарушения вентиляции легких. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Репрезентативные изображения пациента с тяжелой формой муковисцидоза. (A) Вентиляция легких и (B) анатомические изображения 18-летнего мужчины весом 132 фунта с диагностированным тяжелым муковисцидозом. У этого человека наблюдаются тяжелые нарушения вентиляции легких. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Репрезентативные изображения пациента с хронической обструктивной болезнью легких. (A) Вентиляция легких и (B) анатомические изображения 56-летней женщины весом 110 фунтов с диагностированной хронической обструктивной болезнью легких. У этого человека могут быть обнаружены легкие дефекты вентиляции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5: Репрезентативные изображения, выполненные с использованием неисправной катушки жилета 129Xe. (А) Вентиляция легких и (Б) анатомические изображения 20-летней женщины весом 136 фунтов с диагностированным муковисцидозом, полученные в результате сканирования, которое было выполнено по незнанию с использованием катушки жилета 129Xe с поврежденным кабелем. Правое легкое (левое, как изображения отображаются на странице) демонстрирует более низкое отношение сигнал/шум (SNR), чем левое легкое (справа, когда изображения появляются на странице), а правое легкое также демонстрирует заметный перекат интенсивности, с более высоким отношением сигнал/шум в передних срезах, чем в задних, и более высоким отношением сигнал/шум к медиальному краю легкого, чем к латеральному. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 6
Рисунок 6: Репрезентативные изображения, на которых катушка была размещена слишком далеко в нижнем направлении. (A) Вентиляция легких и (B) анатомические изображения 6-летнего самца весом 46 фунтов с диагностированным легким муковисцидозом, отсканированные с помощью жилетной катушки 129Xe, расположенной слишком далеко в нижнем направлении. Измеренный сигнал в верхушках легких искусственно занижен из-за недостаточной чувствительности приемника в верхушках легких. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 7
Рисунок 7: Репрезентативный анализ вентиляции с использованием 129МР-изображений Xe. (A) Анатомические и (B) вентиляционные изображения 84-летнего мужчины весом 188 фунтов с диагностированной хронической обструктивной болезнью легких, с (C) картами вентиляции, рассчитанными с использованием простой процедуры бинаризованного анализа, описанной в шаге 8 протокола. Вентилируемые участки легких показаны голубым цветом, а невентилируемые участки легких — пурпурным. У этого человека могут быть обнаружены тяжелые дефекты вентиляции, включая почти полную потерю вентиляции в верхней доле левого легкого. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Дополнительный файл 1: Пример формы безопасности МРТ. Эта форма используется в Университете Вирджинии для оценки безопасности МРТ субъекта. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Описанные выше подходы к вентиляции легких и анатомической МРТ предназначены для максимизации качества изображения и отношения сигнал/шум при сохранении простоты реализации - эти протоколы последовательностей, как правило, могут быть адаптированы из импульсных последовательностей продуктов поставщика, при условии, что включена многоядерная операция, и изображения будут автоматически реконструированы на компьютере-сканере. Одним из недостатков описанных здесь 2D-подходов является использование срезно-селективных радиочастотных импульсов возбуждения, что приводит к разнице сигналов между срезами, собранными ранее при регистрации вентиляции 129Xe, чем позже из-за релаксацииТ1 вдыхаемого гиперполяризованного 129Xe во время сканирования. Еще один недостаток описанной здесь процедуры заключается в том, что вентиляционное сканирование 129Xe и соответствующее ему анатомическое сканирование 1H проводятся в разных задержках дыхания, что может привести к изменениям в уровне или положении легких между вентиляцией и анатомическим сканированием.

Подходы к 3D-визуализации вентиляции легких и визуализации с одной задержкой дыхания как 129Xe, так и 1H становятся все более распространенными. Подходы к 3D-визуализации позволяют реконструировать изотропные вокселы (в отличие от неизотропных вокселей с более грубым разрешением вдоль направления среза, что необходимо для селективной 2D-визуализации срезов) и избежать потенциального изменения сигнала 129Xe, вызванногоТ1, от одного среза к другому35,36. При использовании декартовых траекторий в k-пространстве 3D-визуализация с изотропным разрешением требует большего времени сканирования, чем 2D-визуализация того же объема. Поэтому для 3D-визуализации часто используется более эффективная по времени выборка в недекартовом k-пространстве. Гораздо большая эффективность по времени, обеспечиваемая недекартовой выборкой, может также позволить получить изображения 129Xe и 1H за одну и ту же задержку дыхания37. Эти передовые подходы по-прежнему сложнее внедрять и стандартизировать на разных объектах из-за необходимого программирования последовательности импульсов и передовых методов реконструкции. Однако по мере того, как поставщики будут поддерживать последовательности импульсов с недекартовым считыванием, эти более продвинутые подходы могут стать обычным явлением и стандартизированными на всех объектах.

Процедура вентиляционного анализа, представленная на шаге 8 протокола, представляет собой простой метод, который может быть легко реализован и интерпретирован, поскольку он возвращает бинарный ответ «дефект/отсутствие дефекта» для каждого сегментированного воксела легких и компилирует эти результаты в один номер VDP для сканируемого пациента. Несмотря на то, что этот подход является разумной отправной точкой для анализа вентиляции, воксельная бинаризация не может полностью охарактеризовать гетерогенность вентиляции. Были разработаны и апробированы более сложные подходы к классификации вентиляции, которые в настоящее время используются в некоторых научно-исследовательских учреждениях33. В целом, эти подходы направлены на то, чтобы охарактеризовать воксельную вентиляцию за пределами просто вентилируемой и невентилируемой, включив другие категории, такие как гипервентилируемая и частично вентилируемая, с целью получения более описательных и значимых показаний, чем двоичный VDP. Специфические методы категоризации включают линейное биннингирование нормализованных интенсивностей вокселов с использованием гистограмм4; классификация интенсивности вокселов с использованием k-средних 38, нечетких c-средних 39,40 и моделирования гауссовских смесей41; и обучение глубоких сверточных нейронных сетей на существующих изображениях гиперполяризованной газовой вентиляции 33,34. Количественная оценка вентиляции легких с помощью МРТ 129Xe остается областью активных разработок и обсуждений, и на момент написания этой статьи не было определено консенсусного наилучшего метода.

Область применения этого протокола ограничена МРТ с вентиляцией легких 129Xe, и на сегодняшний день это остается единственным методом МРТ с 129Xe, одобренным FDA для клинического использования. Тем не менее, интересным преимуществом набора методов МРТ 129Xe является его потенциал для региональной характеристики многочисленных различных аспектов функции легких. В частности, в недавнем позиционном документе30 от Xe MRI CTC представлены современные рекомендуемые методы визуализации легочного газообмена с помощью растворенной фазы 129Xe MRI и количественной оценки размера альвеолярного воздушного пространства с помощью 129Xe диффузионной МРТ. Эти протоколы, как правило, не могут быть адаптированы к протоколам, поставляемым поставщиками, и, следовательно, требуют значительного программирования последовательности импульсов. После того, как последовательности импульсов разработаны, соответствующие протоколы могут быть легко интегрированы в рабочий процесс для МРТ с вентиляцией легких 129Xe, описанной здесь, поскольку лучшие практики для поляризации ксенона, дозирования ксенона и мониторинга безопасности субъекта являются общими для различных методов МРТ 129Xe. Если предполагается выполнение нескольких типов МРТ-сканирования 129Xe у одного субъекта, рекомендуется сначала выполнить сканирование с 129Xe, представляющее первичную конечную точку исследования, в случае, если полученные изображения неприемлемы, и первичное сканирование конечной точки должно быть повторено с использованием дозы 129Xe, которая первоначально предназначалась для последующего сканирования вторичной конечной точки.

Протокол, описанный здесь, предназначен для визуализации взрослых и подростков старшего возраста, а МРТ с вентиляцией 129Xe в настоящее время одобрена FDA для клинического использования только у лиц в возрасте не менее 12 лет. Тем не менее, МРТ 129Xe вызывает растущий интерес в качестве инструмента для исследования заболеваний легких у детей 17,22,42,43, и одобрение FDA для МРТ 129Xe в педиатрических популяциях будет запрошено в ближайшее время. Трудности с удержанием дыхания и/или выполнением дыхательных инструкций более вероятны у детей, поэтому подготовка перед сканированием особенно важна. Практическая процедура тестового пакета, описанная в шаге 4 протокола, также играет более важную роль, поскольку она может помочь решить, следует ли переходить к визуализации 129Xe. Кроме того, протоколы МРТ 129Xe у детей должны быть направлены на сокращение времени сканирования (и, следовательно, времени задержки дыхания) там, где это возможно. Меньшие по размеру легкие у детей могут потребовать других соображений по дозированию 129Xe и настроек разрешения и/или поля зрения, чем те, которые используются для пожилых людей.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы J.F.M., J.P.M. и Y.M.S. участвуют в клинических испытаниях при поддержке Polarean, Inc. Авторы J.F.M. и Y.M.S. предоставляют консультационные услуги компании Polarean, Inc. (менее 5000 долларов США). Автор J.P.M. получает исследовательскую поддержку от Polarean, Inc.

Acknowledgments

Эта работа финансировалась Национальными институтами здравоохранения (номера грантов R01-CA172595-01, R01-HL132177, R01-HL167202, S10-OD018079 и UL1-TR003015) и Siemens Medical Solutions.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1.5T or 3T human MRI scanner Siemens MAGNETOM Symphony (1.5T) or Vida (3T); older models fine, as long as multinuclear option is/can be installed; scanners also available from GE and Philips
129Xe hyperpolarizer Polarean 9820
129Xe MRI phantom
129Xe MRI vest coil Clinical MR Solutions Also available from other vendors
129Xe polarization measurement station Polarean 2881
1H MRI phantom
Coil file for 129Xe MRI vest coil Also available from other vendors for their respective coils
ECG machine
Helium buffer gas
Interface box from coil to scanner May be built into coil, but needs to be included separately if not
Liquid nitrogen
MRI-safe pulse oximeter Philips Expression MR200
Nitrogen buffer gas
PFT machine
Programming/image analysis software MATLAB R2023a Various other options available
Pulse sequence design software Siemens IDEA software package; also available from GE and Philips for their respective scanners
Scanner multinuclear option Siemens Scanner integrated hardware/software package; also available from GE and Philips for their respective scanners
Tedlar gas sampling bags (500, 750, 1000, 1250, 1500 mL)
Xenon gas (129Xe isotopically enriched)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Roos, J. E., McAdams, H. P., Kaushik, S. S., Driehuys, B. Hyperpolarized gas MRI: Technique and applications. Magn Reson Imaging Clin N Am. 23 (2), 217-229 (2015).
  2. Mugler, J. P., Altes, T. A. Hyperpolarized 129Xe MRI of the human lung. J Magn Reson Imaging. 37 (2), 313-331 (2013).
  3. Ebner, L., et al. The role of hyperpolarized 129xenon in MR imaging of pulmonary function. Eur J Radiol. 86, 343-352 (2017).
  4. He, M., Driehuys, B., Que, L. G., Huang, Y. C. T. Using hyperpolarized 129Xe MRI to quantify the pulmonary ventilation distribution. Acad Radiol. 23 (12), 1521-1531 (2016).
  5. Walkup, L. L., et al. Xenon-129 MRI detects ventilation deficits in paediatric stem cell transplant patients unable to perform spirometry. Eur Respir J. 53 (5), 1801779 (2019).
  6. Virgincar, R. S., et al. Quantitative analysis of hyperpolarized 129Xe ventilation imaging in healthy volunteers and subjects with chronic obstructive pulmonary disease. NMR Biomed. 26 (4), 424-435 (2013).
  7. Ebner, L., et al. Hyperpolarized 129Xenon magnetic resonance imaging to quantify regional ventilation differences in mild to moderate Asthma: A prospective comparison between semiautomated ventilation defect percentage calculation and pulmonary function tests. Invest Radiol. 52 (2), 120-127 (2017).
  8. Woodhouse, N., et al. Combined helium-3/proton magnetic resonance imaging measurement of ventilated lung volumes in smokers compared to never-smokers. J Magn Reson Imaging. 21 (4), 365-369 (2005).
  9. Mugler, J. P., et al. Simultaneous magnetic resonance imaging of ventilation distribution and gas uptake in the human lung using hyperpolarized xenon-129. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (50), 21707-21712 (2010).
  10. Qing, K., et al. Assessment of lung function in asthma and COPD using hyperpolarized 129Xe chemical shift saturation recovery spectroscopy and dissolved-phase MRI. NMR Biomed. 27 (12), 1490-1501 (2014).
  11. Cleveland, Z. I., et al. Hyperpolarized 129Xe MR imaging of alveolar gas uptake in humans. PLoS One. 5 (8), 12192 (2010).
  12. Wang, Z., et al. Using hyperpolarized 129Xe gas-exchange MRI to model the regional airspace, membrane, and capillary contributions to diffusing capacity. J Appl Physiol. 130 (5), 1398-1409 (2021).
  13. Guan, S., et al. 3D single-breath chemical shift imaging hyperpolarized Xe-129 MRI of healthy, CF, IPF, and COPD subjects. Tomography. 8 (5), 2574-2587 (2022).
  14. Ouriadov, A., et al. Lung morphometry using hyperpolarized (129) Xe apparent diffusion coefficient anisotropy in chronic obstructive pulmonary disease. Magn Reson Med. 70 (129), 1699-1706 (2013).
  15. Yablonskiy, D. A., Sukstanskii, A. L., Quirk, J. D., Woods, J. C., Conradi, M. S. Probing lung microstructure with hyperpolarized noble gas diffusion MRI: theoretical models and experimental results. Magn Reson Med. 71 (2), 486-505 (2014).
  16. Chan, H. F., Stewart, N. J., Norquay, G., Collier, G. J., Wild, J. M. 3D diffusion-weighted 129 Xe MRI for whole lung morphometry. Magn Reson Med. 79 (6), 2986-2995 (2018).
  17. Walkup, L. L., et al. tolerability and safety of pediatric hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in healthy volunteers and children with cystic fibrosis. Pediatr Radiol. 46 (12), 1651-1662 (2016).
  18. Driehuys, B., et al. Chronic obstructive pulmonary disease: safety and tolerability of hyperpolarized 129Xe MR imaging in healthy volunteers and patients. Radiology. 262 (1), 279-289 (2012).
  19. Myc, L., et al. Characterisation of gas exchange in COPD with dissolved-phase hyperpolarised xenon-129 MRI. Thorax. 76 (2), 178-181 (2021).
  20. Kaushik, S. S., et al. Measuring diffusion limitation with a perfusion-limited gas-Hyperpolarized 129Xe gas-transfer spectroscopy in patients with idiopathic pulmonary fibrosis. J Appl Physiol. 117 (6), 577-585 (2014).
  21. Dournes, G., et al. The clinical use of lung MRI in cystic fibrosis: What, now, how. Chest. 159 (6), 2205-2217 (2021).
  22. Thomen, R. P., et al. Hyperpolarized 129Xe for investigation of mild cystic fibrosis lung disease in pediatric patients. J Cyst Fibros. 16 (2), 275-282 (2017).
  23. Mammarappallil, J. G., Rankine, L., Wild, J. M., Driehuys, B. New developments in imaging idiopathic pulmonary fibrosis with hyperpolarized xenon magnetic resonance imaging. J Thorac Imaging. 34 (2), 136-150 (2019).
  24. Rankine, L. J., et al. 129Xenon gas exchange magnetic resonance imaging as a potential prognostic marker for progression of idiopathic pulmonary fibrosis. Ann Am Thorac. 17 (1), 121-125 (2020).
  25. Mata, J., et al. Evaluation of regional lung function in pulmonary fibrosis with xenon-129 MRI. Tomography. 7 (3), 452-465 (2021).
  26. Svenningsen, S., et al. Hyperpolarized (3) He and (129) Xe MRI: Differences in asthma before bronchodilation. J Magn Reson Imaging. 38 (3), 1521-1530 (2013).
  27. Stewart, N. J., et al. Comparison of 3He and 129Xe MRI for evaluation of lung microstructure and ventilation at 1.5T. J Magn Reson Imaging. 48 (3), 632-642 (2018).
  28. Hughes, P. J. C., et al. Assessment of the influence of lung inflation state on the quantitative parameters derived from hyperpolarized gas lung ventilation MRI in healthy volunteers. J Appl Physiol. 126 (1), 183-192 (2019).
  29. Polarean. FDA Approves Polarean's XENOVIEWTM (xenon Xe 129 hyperpolarized) for use with MRI for the evaluation of lung ventilation. , Polarean. (2022).
  30. Niedbalski, P. J., et al. Protocols for multi-site trials using hyperpolarized 129Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the 129Xe MRI clinical trials consortium. Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).
  31. Bier, E. A., et al. A thermally polarized 129 Xe phantom for quality assurance in multi-center hyperpolarized gas MRI studies. Magn Reson Med. 82 (5), 1961-1968 (2019).
  32. He, M., et al. Dose and pulse sequence considerations for hyperpolarized 129Xe ventilation MRI. Magn Reson Imaging. 33 (7), 877-885 (2015).
  33. Tustison, N. J., et al. Image- versus histogram-based considerations in semantic segmentation of pulmonary hyperpolarized gas images. Magn Reson Med. 86 (5), 2822-2836 (2021).
  34. Tustison, N. J., et al. Convolutional neural networks with template-based data augmentation for functional lung image quantification. Acad Radiol. 26 (3), 412-423 (2019).
  35. Wild, J. M., et al. Comparison between 2D and 3D gradient-echo sequences for MRI of human lung ventilation with hyperpolarized 3He. Magn Reson Med. 52 (3), 673-678 (2004).
  36. Willmering, M. M., et al. Improved pulmonary 129 Xe ventilation imaging via 3D-spiral UTE MRI. Magn Reson Med. 84 (1), 312-320 (2020).
  37. Collier, G. J., et al. Single breath-held acquisition of coregistered 3D 129 Xe lung ventilation and anatomical proton images of the human lung with compressed sensing. Magn Reson Med. 82 (1), 342-347 (2019).
  38. Zha, W., et al. Semiautomated ventilation defect quantification in exercise-induced bronchoconstriction using hyperpolarized helium-3 magnetic resonance imaging: a repeatability study. Acad Radiol. 23 (9), 1104-1114 (2016).
  39. Ray, N., Acton, S. T., Altes, T. A., de Lange, E. E., Brookeman, J. R. Merging parametric active contours within homogeneous image regions for MRI-based lung segmentation. IEEE Trans Med Imaging. 22 (2), 189-199 (2003).
  40. Hughes, P. J. C., et al. Spatial fuzzy c-means thresholding for semiautomated calculation of percentage lung ventilated volume from hyperpolarized gas and 1 H MRI. J Magn Reson Imaging. 47 (3), 640-646 (2018).
  41. Tustison, N. J., et al. Ventilation-based segmentation of the lungs using hyperpolarized (3)He MRI. J Magn Reson Imaging. 34 (3), 831-841 (2011).
  42. Kanhere, N., et al. Correlation of lung clearance index with hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in pediatric subjects with cystic fibrosis. Am J Respir Crit Care Med. 196 (8), 1073-1075 (2017).
  43. Rayment, J. H., et al. Hyperpolarised 129Xe magnetic resonance imaging to monitor treatment response in children with cystic fibrosis. Eur Respir J. 53 (5), 1802188 (2019).

Tags

Медицина выпуск 201
Получение гиперполяризованных магнитно-резонансных изображений вентиляции легких <sup>129</sup>Xe
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Garrison, W. J., Mugler III, J. P.,… More

Garrison, W. J., Mugler III, J. P., Mata, J. F., Nunoo-Asare, R. N., Shim, Y. M., Miller, G. W. Acquiring Hyperpolarized 129Xe Magnetic Resonance Images of Lung Ventilation. J. Vis. Exp. (201), e65982, doi:10.3791/65982 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter