القياس الكمي لبنية الرئة ووظيفتها التي تم الحصول عليها من مطيافية الزينون شديدة الاستقطاب
Summary
تقدم المخطوطة بروتوكولا مفصلا لاستخدام استعادة تشبع التحول الكيميائي Xenon-129 مفرط الاستقطاب (CSSR) لتتبع تبادل الغازات الرئوية، وتقييم سمك جدار الحاجز السنخي الظاهر، وقياس نسبة السطح إلى الحجم. هذه الطريقة لديها القدرة على تشخيص ومراقبة أمراض الرئة.
Abstract
يوفر التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) Xenon-129 (HXe) أدوات للحصول على خرائط 2 أو 3 أبعاد لأنماط تهوية الرئة ، وانتشار الغاز ، وامتصاص الزينون بواسطة حمة الرئة ، ومقاييس وظائف الرئة الأخرى. ومع ذلك ، من خلال التداول المكاني للدقة الزمنية ، فإنه يتيح أيضا تتبع تبادل غازات الزينون الرئوية على مقياس زمني MS. توضح هذه المقالة إحدى هذه التقنيات، التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي لاستعادة التشبع بالتحول الكيميائي (CSSR). يوضح كيف يمكن استخدامه لتقييم حجم الدم الشعري ، وسمك جدار الحاجز ، ونسبة السطح إلى الحجم في الحويصلات الهوائية. تمت معايرة زاوية الوجه لنبضات الترددات الراديوية المطبقة (RF) بعناية. تم استخدام بروتوكولات حبس النفس بجرعة واحدة وبروتوكولات التنفس الحر متعددة الجرعات لإعطاء الغاز للموضوع. بمجرد وصول غاز الزينون المستنشق إلى الحويصلات الهوائية ، تم تطبيق سلسلة من نبضات التردد اللاسلكي 90 درجة لضمان أقصى تشبع لمغنطة الزينون المتراكمة في حمة الرئة. بعد وقت تأخير متغير ، تم الحصول على أطياف لتحديد إعادة نمو إشارة الزينون بسبب تبادل الغازات بين حجم الغاز السنخي وحجرات الأنسجة في الرئة. ثم تم تحليل هذه الأطياف عن طريق تركيب وظائف Voigt الزائفة المعقدة مع القمم الثلاث السائدة. أخيرا ، تم تركيب سعة الذروة المعتمدة على وقت التأخير في نموذج تبادل الغاز التحليلي أحادي البعد لاستخراج المعلمات الفسيولوجية.
Introduction
التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) Xenon-129 (HXe) مفرط الاستقطاب هو تقنية تقدم رؤى فريدة حول بنية الرئة ووظيفتها وعمليات تبادل الغازات. من خلال تضخيم مغنطة غاز الزينون بشكل كبير من خلال الضخ البصري للتبادل المغزلي ، يحقق HXe MRI تحسنا كبيرا في نسبة الإشارة إلى الضوضاء مقارنة بالتصوير بالرنين المغناطيسي Xenon المستقطب حراريا2،3،4،5،6. يتيح هذا الاستقطاب المفرط التصور المباشر والقياس الكمي لامتصاص غاز الزينون في أنسجة الرئة والدم ، والذي لا يمكن اكتشافه باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسيالتقليدي المستقطب حراريا 7.
استعادة التشبع بالتحول الكيميائي (CSSR) أثبت التحليل الطيفيبالرنين المغناطيسي 8،9،10،11،12،13 أنه أحد أكثر تقنيات التصوير بالرنين المغناطيسي HXe قيمة. يتضمن CSSR تشبع مغنطة الزينون الذائبة في أنسجة الرئة والدم بشكل انتقائي باستخدام نبضات الترددات الراديوية الخاصة بالترددات الراديوية (RF). إن الاسترداد اللاحق لإشارة المرحلة الذائبة (DP) أثناء تبادلها مع غاز الزينون الطازج مفرط الاستقطاب في المجالات الجوية على مقياس زمني من مرض التصلب العصبي المتعدد يوفر معلومات وظيفية مهمة حول حمة الرئة.
منذ تطويره في أوائل عام 2000 ، تم تحسين التقنيات الكامنة وراء التحليل الطيفي CSSR تدريجيا14،15،16،17،18،19،20،21،22،23. علاوة على ذلك ، مكن التقدم في نمذجة منحنيات امتصاص الزينون من استخراج معلمات فسيولوجية محددة ، مثل سمك الجدار السنخي وأوقات العبور الرئوي10،24،25،26. أظهرت الدراسات حساسية CSSR للتغيرات الطفيفة في البنية المجهرية للرئة وكفاءة تبادل الغازات في شكل تشوهات رئوية موجودة في المدخنين الأصحاءسريريا 27 ، وكذلك في مجموعة من أمراض الرئة ، بما في ذلك مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD)18،27،28 ، والتليف29 ، وإصابة الرئة الناجمة عن الإشعاع30,31. كما ثبت أن التحليل الطيفي CSSR حساس للكشف عن التذبذبات في إشارة DP المقابلة لتدفق الدم النابض خلال الدورة القلبية32.
على الرغم من إحراز تقدم كبير ، لا تزال هناك تحديات عملية في تنفيذ التحليل الطيفي CSSR على أنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي السريرية. قد تكون أوقات الفحص التي تتطلب حبس التنفس بجرعة واحدة تقترب من 10 ثوان طويلة جدا بالنسبة للأطفال33,34 أو المرضى الذين يعانون من أمراض الرئة الحادة 35,36. بالإضافة إلى ذلك ، تكون التقنية عرضة لتحيزات القياس إذا لم يتم تحسين معلمات الاستحواذ مثل ترتيب أوقات تأخير التشبع أو فعالية تشبع الطور الذائببشكل صحيح 21. لمعالجة هذه القيود وجعل CSSR في متناول مجتمع البحث الأوسع ، هناك حاجة إلى بروتوكولات واضحة خطوة بخطوة لكل من عمليات حبس النفس التقليدية وعمليات الاستحواذ على التنفس الحر ، قيد التطوير حاليا.
الهدف من هذه الورقة هو تقديم منهجية مفصلة لإجراء التحليل الطيفي الأمثل CSSR MR باستخدام غاز HXe. سيغطي البروتوكول استقطاب وتسليم غاز الزينون ، ومعايرة نبضات التردد اللاسلكي ، واختيار معلمات التسلسل ، وإعداد الموضوع ، والحصول على البيانات ، والخطوات الرئيسية في تحليل البيانات. سيتم تقديم أمثلة على النتائج التجريبية. ومن المأمول أن يكون هذا الدليل الشامل بمثابة أساس لتنفيذ CSSR عبر المواقع ويساعد على تحقيق الإمكانات الكاملة لهذه التقنية لقياس التغيرات الهيكلية المجهرية للرئة في مجموعة من الأمراض الرئوية.
Protocol
Representative Results
Discussion
التحليل الطيفي HXe CSSR MR هو تقنية قوية لتقييم العديد من مقاييس وظائف الرئة التي سيكون من الصعب أو المستحيل تحديدها في الجسم الحي باستخدام أي طريقة تشخيصية أخرى موجودة24. ومع ذلك ، فإن الاستحواذ وتحليل البيانات اللاحقة يعتمدان على افتراضات معينة حول الظروف الفسيولوجية والمع…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من خلال منح المعاهد الوطنية للصحة R01HL159898 و R01HL142258.
Materials
| Bi-directional Pneumotach | B&B Medical AccutachTM | ||
| Chest Vest Coil | Clinical MR Solutions | Adult Size | |
| Face Mask | Hans Rudolph | 7450 | |
| Matlab | Mathworks | Release 2018a | Optimization Toolbox required |
| Physiological Monitoring System | BIOPAC Systems Inc | ||
| Tedlar Bag | Jensen Inert Products | 250-mL and 500-mL; specialised PVF bag | |
| Xenon Polarizer | Xemed LLC | X-box E10 | |
| Whole-body MRI Scanner | Siemens | 1.5 T Avanto |
References
- Albert, M. S., et al. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370 (6486), 199-201 (1994).
- Happer, W. Optical Pumping. Rev Mod Phys. 44 (2), 169-250 (1972).
- Appelt, S., et al. Theory of spin-exchange optical pumping of He-3 and Xe-129. Phys Rev A. 58 (2), 1412-1439 (1998).
- Hersman, F. W., et al. Large production system for hyperpolarized 129Xe for human lung imaging studies. Acad Radiol. 15 (6), 683-692 (2008).
- Parnell, S. R., Deppe, M. H., Parra-Robles, J., Wild, J. M. Enhancement of Xe-129 polarization by off-resonant spin exchange optical pumping. J Appl Phys. 108 (6), 064908 (2010).
- Norquay, G., Collier, G. J., Rao, M., Stewart, N. J., Wild, J. M. ^{129}Xe-Rb spin-exchange optical pumping with high photon efficiency. Phys Rev Lett. 121 (15), 153201 (2018).
- Mugler, J. P., et al. MR imaging and spectroscopy using hyperpolarized 129Xe gas: preliminary human results. Magn Reson Med. 37 (6), 809-815 (1997).
- Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Driehuys, B., Mugler, J. P. NMR of hyperpolarized (129)Xe in the canine chest: spectral dynamics during a breath-hold. NMR Biomed. 13 (4), 220-228 (2000).
- Butler, J. P., et al. Measuring surface-area-to-volume ratios in soft porous materials using laser-polarized Xenon interphase exchange nuclear magnetic resonance. J Phys Condens Matter. 14 (13), L297-L304 (2002).
- Mansson, S., Wolber, J., Driehuys, B., Wollmer, P., Golman, K. Characterization of diffusing capacity and perfusion of the rat lung in a lipopolysaccaride disease model using hyperpolarized 129Xe. Magn Reson Med. 50 (6), 1170-1179 (2003).
- Abdeen, N., et al. Measurement of Xenon diffusing capacity in the rat lung by hyperpolarized (129)Xe MRI and dynamic spectroscopy in a single breath-hold. Magn Reson Med. 56 (2), 255-264 (2006).
- Driehuys, B., et al. Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI. Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (48), 18278-18283 (2006).
- Patz, S., et al. Human pulmonary imaging and spectroscopy with hyperpolarized 129Xe at 0.2T. Acad Radiol. 15 (6), 713-727 (2008).
- Qing, K., et al. Assessment of lung function in asthma and COPD using hyperpolarized 129Xe chemical shift saturation recovery spectroscopy and dissolved-phase MRI. NMR Biomed. 27 (12), 1490-1501 (2014).
- Stewart, N. J., et al. Reproducibility of quantitative indices of lung function and microstructure from 129 Xe chemical shift saturation recovery (CSSR) MR spectroscopy. Magn Reson Med. 77 (6), 2107-2113 (2017).
- Zhong, J., et al. Simultaneous assessment of both lung morphometry and gas exchange function within a single breath-hold by hyperpolarized (129) Xe MRI. NMR Biomed. 30 (8), (2017).
- Kern, A. L., et al. Regional investigation of lung function and microstructure parameters by localized (129) Xe chemical shift saturation recovery and dissolved-phase imaging: A reproducibility study. Magn Reson Med. 81 (1), 13-24 (2018).
- Kern, A. L., et al. Mapping of regional lung microstructural parameters using hyperpolarized (129) Xe dissolved-phase MRI in healthy volunteers and patients with chronic obstructive pulmonary disease. Magn Reson Med. 81 (4), 2360-2373 (2018).
- Xie, J., et al. Single breath-hold measurement of pulmonary gas exchange and diffusion in humans with hyperpolarized (129) Xe MR. NMR Biomed. 32 (5), e4068 (2019).
- Zanette, B., Santyr, G. Accelerated interleaved spiral-IDEAL imaging of hyperpolarized (129) Xe for parametric gas exchange mapping in humans. Magn Reson Med. 82 (3), 1113-1119 (2019).
- Ruppert, K., et al. Investigating biases in the measurement of apparent alveolar septal wall thickness with hyperpolarized 129Xe MRI. Magn Reson Med. 84 (6), 3027-3039 (2020).
- Zhang, M., et al. Quantitative evaluation of lung injury caused by PM(2.5) using hyperpolarized gas magnetic resonance. Magn Reson Med. 84 (2), 569-578 (2020).
- Friedlander, Y., et al. Hyperpolarized (129) Xe MRI of the rat brain with chemical shift saturation recovery and spiral-IDEAL readout. Magn Reson Med. 87 (4), 1971-1979 (2022).
- Patz, S., et al. Diffusion of hyperpolarized (129)Xe in the lung: a simplified model of (129)Xe septal uptake and experimental results. New J Phys. 13, 015009 (2011).
- Chang, Y. V. MOXE: a model of gas exchange for hyperpolarized 129Xe magnetic resonance of the lung. Magn Reson Med. 69 (3), 884-890 (2013).
- Stewart, N. J., Parra-Robles, J., Wild, J. M. Finite element modeling of (129)Xe diffusive gas exchange NMR in the human alveoli. J Magn Reson. 271, 21-33 (2016).
- Ruppert, K., Qing, K., Patrie, J. T., Altes, T. A., Mugler, J. P. Using hyperpolarized Xenon-129 MRI to quantify early-stage lung disease in smokers. Acad Radiol. 26 (3), 355-366 (2019).
- Kern, A. L., et al. Investigating short-time diffusion of hyperpolarized (129) Xe in lung air spaces and tissue: A feasibility study in chronic obstructive pulmonary disease patients. Magn Reson Med. 84 (4), 2133-2146 (2020).
- Stewart, N. J., et al. Experimental validation of the hyperpolarized (129) Xe chemical shift saturation recovery technique in healthy volunteers and subjects with interstitial lung disease. Magn Reson Med. 74 (1), 196-207 (2015).
- Fox, M. S., et al. Detection of radiation induced lung injury in rats using dynamic hyperpolarized (129)Xe magnetic resonance spectroscopy. Med Phys. 41 (7), 072302 (2014).
- Li, H., et al. Quantitative evaluation of radiation-induced lung injury with hyperpolarized Xenon magnetic resonance. Magn Reson Med. 76 (2), 408-416 (2016).
- Ruppert, K., et al. Detecting pulmonary capillary blood pulsations using hyperpolarized Xenon-129 chemical shift saturation recovery (CSSR) MR spectroscopy. Magn Reson Med. 75 (4), 1771-1780 (2016).
- Walkup, L. L., et al. Feasibility, tolerability and safety of pediatric hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in healthy volunteers and children with cystic fibrosis. Pediatr Radiol. 46 (12), 1651-1662 (2016).
- Willmering, M. M., et al. Pediatric (129) Xe gas-transfer MRI-feasibility and applicability. J Magn Reson Imaging. 56 (4), 1207-1219 (2022).
- Amzajerdian, F., et al. Simultaneous quantification of hyperpolarized Xenon-129 ventilation and gas exchange with multi-breath Xenon-polarization transfer contrast (XTC) MRI. Magn Reson Med. 90 (6), 2334-2347 (2023).
- Niedbalski, P. J., et al. Utilizing flip angle/TR equivalence to reduce breath hold duration in hyperpolarized (129) Xe 1-point Dixon gas exchange imaging. Magn Reson Med. 87 (3), 1490-1499 (2022).
- Chang, Y. V. Toward a quantitative understanding of gas exchange in the lung. arXiv. , (2010).
- Chang, Y. V., et al. Quantification of human lung structure and physiology using hyperpolarized 129Xe. Magn Reson Med. 71 (1), 339-344 (2014).
- Collier, G. J., et al. Observation of cardiogenic flow oscillations in healthy subjects with hyperpolarized 3He MRI. J Appl Physiol. 119 (9), 1007-1014 (2015).
- Niedbalski, P. J., et al. Protocols for multi-site trials using hyperpolarized (129) Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the (129) Xe MRI clinical trials consortium. Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).
.