כתב היד מציג פרוטוקול מפורט לשימוש בשחזור רוויה כימית מסוג קסנון 129 היפרפולרי (CSSR) כדי לעקוב אחר חילופי גזים ריאתיים, להעריך את עובי דופן המחיצה הנאדית הנראית לעין ולמדוד את יחס פני השטח לנפח. לשיטה פוטנציאל לאבחן ולנטר מחלות ריאה.
דימות תהודה מגנטית Hyperpolarized Xenon-129 (HXe) (MRI) מספק כלים לקבלת מפות דו-ממדיות או תלת-ממדיות של דפוסי אוורור ריאות, דיפוזיית גזים, ספיגת קסנון על ידי פרנכימה של ריאות ומדדים אחרים של תפקודי ריאות. עם זאת, על ידי מסחר מרחבי עבור רזולוציה זמנית, הוא גם מאפשר מעקב אחר חילופי גז קסנון ריאתי על ציר זמן ms. מאמר זה מתאר טכניקה אחת כזו, ספקטרוסקופיית MR לשחזור רוויה של שינוי כימי (CSSR). הוא ממחיש כיצד ניתן להשתמש בו כדי להעריך את נפח הדם הנימי, עובי דופן המחיצה, ואת יחס פני השטח לנפח בנאדיות. זווית ההיפוך של פולסי גלי הרדיו המופעלים (RF) כוילה בקפידה. פרוטוקולים של עצירת נשימה במנה אחת ונשימה חופשית מרובת מנות הופעלו למתן הגז לנבדק. ברגע שגז הקסנון הנשאף הגיע לנאדיות, הופעלה סדרה של פולסי RF של 90° כדי להבטיח רוויה מרבית של המגנטיזציה המצטברת של קסנון בפרנכימת הריאה. לאחר זמן עיכוב משתנה, נרכשו ספקטרום כדי לכמת את הצמיחה המחודשת של אות הקסנון עקב חילופי גזים בין נפח גז הנאדיות לבין תאי הרקמה של הריאה. ספקטרום זה נותח לאחר מכן על ידי התאמת פונקציות פסאודו-וויגט מורכבות לשלוש הפסגות הדומיננטיות. לבסוף, אמפליטודות השיא תלויות זמן ההשהיה הותאמו למודל חילופי גזים אנליטי חד-ממדי כדי לחלץ פרמטרים פיזיולוגיים.
דימות תהודה מגנטית היפרפולרי קסנון 129 (HXe)1 היא טכניקה המציעה תובנות ייחודיות על מבנה הריאות, תפקודן ותהליכי חילופי גזים. על ידי הגברה דרמטית של המגנטיזציה של גז קסנון באמצעות שאיבה אופטית של חילופי ספין, HXe MRI משיג שיפור בסדר גודל ביחס אות לרעש בהשוואה ל- Xenon MRI 2,3,4,5,6 מקוטב תרמית. היפרפולריזציה זו מאפשרת הדמיה ישירה וכימות של ספיגת גז קסנון לרקמת הריאה ולדם, שאחרת לא היו ניתנים לגילוי עם MRI7 מקוטב תרמית קונבנציונאלי.
שחזור רוויה כימית (CSSR) ספקטרוסקופיית MR 8,9,10,11,12,13 הוכחה כאחת מטכניקות ה- MRI HXe החשובות ביותר. CSSR כולל רוויה סלקטיבית של מגנטיזציה של קסנון מומס ברקמת הריאה ובדם באמצעות פולסים ספציפיים לתדר רדיו (RF). ההתאוששות שלאחר מכן של אות הפאזה המומסת (DP) כשהוא מתחלף עם גז קסנון היפרפולרי טרי במרחבי האוויר על ציר זמן של טרשת נפוצה מציעה מידע פונקציונלי חשוב על פרנכימת הריאות.
מאז פיתוחה בתחילת שנות ה-2000, הטכניקות מאחורי ספקטרוסקופיית CSSR שוכללו בהדרגה 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. יתר על כן, התקדמות במידול עקומות ספיגת קסנון אפשרה חילוץ של פרמטרים פיזיולוגיים ספציפיים, כגון עובי דופן הנאדיות וזמני מעבר ריאתי 10,24,25,26. מחקרים הראו רגישות של CSSR לשינויים עדינים במיקרו-מבנה הריאות וביעילות חילוף הגזים בצורה של הפרעות ריאתיות שנמצאו אצל מעשנים בריאים מבחינה קלינית27, כמו גם במגוון מחלות ריאה, כולל מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD)18,27,28, פיברוזיס29 ופגיעה ריאתית הנגרמת מקרינה30,31. ספקטרוסקופיית CSSR הוכחה גם כרגישה לזיהוי תנודות באות DP המתאים לזרימת דם פולסטילית במהלך מחזור הלב32.
למרות שהושגה התקדמות משמעותית, נותרו אתגרים מעשיים ביישום ספקטרוסקופיית CSSR במערכות MRI קליניות. זמני סריקה הדורשים עצירת נשימה במנה אחת המתקרבים ל -10 שניות עשויים להיות ארוכים מדי עבור נבדקים ילדים33,34 או חולים עם מחלת ריאות חמורה35,36. בנוסף, הטכניקה רגישה להטיות מדידה אם פרמטרי רכישה כגון סדר זמני השהיית הרוויה או יעילות רוויית הפאזה המומסת אינם ממוטבים כראוי21. כדי להתמודד עם מגבלות אלה ולהפוך את CSSR לנגיש יותר לקהילת המחקר הרחבה יותר, נדרשים פרוטוקולים ברורים שלב אחר שלב הן לעצירת נשימה קונבנציונלית והן לרכישת נשימה חופשית, הנמצאים כעת בפיתוח.
מטרת מאמר זה היא להציג מתודולוגיה מפורטת לביצוע ספקטרוסקופיית CSSR MR אופטימלית באמצעות גז HXe. הפרוטוקול יכסה קיטוב ואספקה של גז הקסנון, כיול פולס RF, בחירת פרמטרי רצף, הכנת נושאים, רכישת נתונים ושלבי מפתח בניתוח נתונים. דוגמאות לתוצאות ניסוי יסופקו. יש לקוות כי מדריך מקיף זה ישמש בסיס ליישומי CSSR באתרים שונים ויסייע לממש את מלוא הפוטנציאל של טכניקה זו לכימות שינויים מיקרו-מבניים ריאתיים במגוון מחלות ריאה.
ספקטרוסקופיית MR HXe CSSR היא טכניקה רבת עוצמה להערכת מספר מדדי תפקוד ריאתי שיהיה קשה או בלתי אפשרי לכמת in vivo באמצעות כל שיטת אבחון קיימת אחרת24. עם זאת, הרכישה וניתוח הנתונים הבאים מבוססים על הנחות מסוימות לגבי תנאים פיזיולוגיים ופרמטרים טכניים שלעולם אינם ניתנים להשגה מלאה ?…
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי מענקי NIH R01HL159898 ו-R01HL142258.
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 |