Kwantitatieve meting van longstructuur en -functie verkregen uit hypergepolariseerde xenonspectroscopie
Summary
Het manuscript presenteert een gedetailleerd protocol voor het gebruik van hypergepolariseerd Xenon-129 chemisch verschuivingsverzadigingsherstel (CSSR) om pulmonale gasuitwisseling te traceren, de schijnbare dikte van de alveolaire septumwand te beoordelen en de oppervlakte-volumeverhouding te meten. De methode heeft het potentieel om longziekten te diagnosticeren en te monitoren.
Abstract
Hypergepolariseerde Xenon-129 (HXe) magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) biedt hulpmiddelen voor het verkrijgen van 2- of 3-dimensionale kaarten van longventilatiepatronen, gasdiffusie, xenonopname door longparenchym en andere longfunctiestatistieken. Door ruimtelijke voor temporele resolutie te verhandelen, maakt het echter ook het mogelijk om de pulmonale xenongasuitwisseling op een ms-tijdschaal te traceren. Dit artikel beschrijft een van die technieken, chemical shift saturation recovery (CSSR) MR-spectroscopie. Het illustreert hoe het kan worden gebruikt om het capillaire bloedvolume, de dikte van de septumwand en de oppervlakte-volumeverhouding in de longblaasjes te beoordelen. De omkeerhoek van de toegepaste radiofrequente pulsen (RF) werd zorgvuldig gekalibreerd. Voor het toedienen van het gas aan de proefpersoon werden protocollen voor het inhouden van de adem met een enkele dosis en meerdere doses vrije ademhaling gebruikt. Zodra het ingeademde xenongas de longblaasjes bereikte, werd een reeks RF-pulsen van 90° toegepast om een maximale verzadiging van de geaccumuleerde xenonmagnetisatie in het longparenchym te garanderen. Na een variabele vertragingstijd werden spectra verkregen om de hergroei van het xenonsignaal te kwantificeren als gevolg van gasuitwisseling tussen het alveolaire gasvolume en de weefselcompartimenten van de long. Deze spectra werden vervolgens geanalyseerd door complexe pseudo-Voigt-functies aan de drie dominante pieken te koppelen. Ten slotte werden de vertragingstijdafhankelijke piekamplitudes aangepast aan een eendimensionaal analytisch gasuitwisselingsmodel om fysiologische parameters te extraheren.
Introduction
Hypergepolariseerde Xenon-129 (HXe) magnetische resonantiebeeldvorming (MRI)1 is een techniek die unieke inzichten biedt in de structuur, functie en gasuitwisselingsprocessen van de longen. Door de magnetisatie van xenongas dramatisch te versterken door middel van spin-uitwisseling optisch pompen, bereikt HXe MRI een orde van grootte verbetering in signaal-ruisverhouding in vergelijking met thermisch gepolariseerde Xenon MRI 2,3,4,5,6. Deze hyperpolarisatie maakt de directe visualisatie en kwantificering van de opname van xenongas in longweefsel en bloed mogelijk, die anders niet detecteerbaar zou zijn met conventionele thermisch gepolariseerde MRI7.
Chemical shift saturation recovery (CSSR) MR-spectroscopie 8,9,10,11,12,13 is een van de meest waardevolle HXe MRI-technieken gebleken. CSSR omvat het selectief verzadigen van de magnetisatie van xenon opgelost in longweefsel en bloed met behulp van frequentiespecifieke radiofrequente (RF) pulsen. Het daaropvolgende herstel van het signaal in de opgeloste fase (DP) wanneer het wordt uitgewisseld met vers hypergepolariseerd xenongas in de luchtruimen op een tijdschaal van ms, biedt belangrijke functionele informatie over het longparenchym.
Sinds de ontwikkeling in het begin van de jaren 2000 zijn de technieken achter CSSR-spectroscopie geleidelijk verfijnd 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Verder heeft de vooruitgang in het modelleren van xenonopnamecurven de extractie van specifieke fysiologische parameters mogelijk gemaakt, zoals de dikte van de alveolaire wand en pulmonale transittijden 10,24,25,26. Studies hebben aangetoond dat CSSR gevoelig is voor subtiele veranderingen in de microstructuur van de longen en de efficiëntie van gasuitwisseling in de vorm van longafwijkingen die worden aangetroffen bij klinisch gezonde rokers27, evenals bij een reeks longziekten, waaronder chronische obstructieve longziekte (COPD)18,27,28, fibrose 29 en door straling geïnduceerd longletsel 30,31. Het is ook aangetoond dat CSSR-spectroscopie gevoelig is voor het detecteren van oscillaties in het DP-signaal die overeenkomen met pulserende bloedstroom tijdens de hartcyclus32.
Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt, blijven er praktische uitdagingen bij het implementeren van CSSR-spectroscopie op klinische MRI-systemen. Scantijden die een enkele dosis ademinhoudingen van bijna 10 s vereisen, kunnen te lang zijn voor pediatrische proefpersonen33,34 of patiënten met een ernstige longziekte35,36. Bovendien is de techniek gevoelig voor meetfouten als acquisitieparameters zoals de volgorde van de verzadigingsvertragingstijden of de effectiviteit van de verzadiging in de opgeloste fase niet goed zijn geoptimaliseerd21. Om deze beperkingen aan te pakken en CSSR toegankelijker te maken voor de bredere onderzoeksgemeenschap, zijn duidelijke, stapsgewijze protocollen nodig voor zowel conventionele ademinhouding als vrije ademverwervingen, die momenteel in ontwikkeling zijn.
Het doel van dit artikel is om een gedetailleerde methodologie te presenteren voor het uitvoeren van geoptimaliseerde CSSR MR-spectroscopie met behulp van HXe-gas. Het protocol omvat polarisatie en afgifte van het xenongas, RF-pulskalibratie, sequentieparameterselectie, voorbereiding van de proefpersoon, gegevensverzameling en belangrijke stappen in gegevensanalyse. Voorbeelden van experimentele resultaten zullen worden verstrekt. Het is te hopen dat deze uitgebreide gids als basis zal dienen voor CSSR-implementaties op verschillende locaties en zal helpen het volledige potentieel van deze techniek te realiseren voor het kwantificeren van microstructurele veranderingen in de longen in een reeks longziekten.
Protocol
Representative Results
Discussion
HXe CSSR MR-spectroscopie is een krachtige techniek voor het beoordelen van verschillende longfunctiemetrieken die in vivo moeilijk of onmogelijk te kwantificeren zouden zijn met behulp van een andere bestaande diagnostische modaliteit24. Desalniettemin zijn de acquisitie en de daaropvolgende gegevensanalyse gebaseerd op bepaalde aannames over fysiologische omstandigheden en technische parameters die nooit volledig haalbaar zijn bij levende proefpersonen. Deze beperkingen en hun impact op…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door NIH-subsidies R01HL159898 en 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).
.