Misura quantitativa della struttura e della funzione polmonare ottenuta dalla spettroscopia allo xeno iperpolarizzata

Summary

Il manoscritto presenta un protocollo dettagliato per l’utilizzo del recupero della saturazione dello spostamento chimico iperpolarizzato dello xenon-129 (CSSR) per tracciare lo scambio gassoso polmonare, valutare lo spessore apparente della parete del setto alveolare e misurare il rapporto superficie-volume. Il metodo ha il potenziale per diagnosticare e monitorare le malattie polmonari.

Abstract

La risonanza magnetica (MRI) allo xenon-129 iperpolarizzato (HXe) fornisce strumenti per ottenere mappe bidimensionali o tridimensionali dei modelli di ventilazione polmonare, della diffusione dei gas, dell’assorbimento dello xeno da parte del parenchima polmonare e di altre metriche della funzione polmonare. Tuttavia, scambiando la risoluzione spaziale con quella temporale, consente anche di tracciare lo scambio gassoso polmonare allo xeno su una scala temporale di ms. Questo articolo descrive una di queste tecniche, la spettroscopia RM per il recupero della saturazione a spostamento chimico (CSSR). Illustra come può essere utilizzato per valutare il volume del sangue capillare, lo spessore della parete del setto e il rapporto superficie/volume negli alveoli. L’angolo di inversione degli impulsi a radiofrequenza (RF) applicati è stato accuratamente calibrato. Per la somministrazione del gas al soggetto sono stati impiegati protocolli di apnea monodose e respirazione libera multidose. Una volta che il gas Xenon inalato ha raggiunto gli alveoli, è stata applicata una serie di impulsi RF a 90° per garantire la massima saturazione della magnetizzazione Xenon accumulata nel parenchima polmonare. A seguito di un tempo di ritardo variabile, sono stati acquisiti spettri per quantificare la ricrescita del segnale Xenon dovuta allo scambio di gas tra il volume di gas alveolare e i compartimenti tissutali del polmone. Questi spettri sono stati poi analizzati adattando complesse funzioni pseudo-Voigt ai tre picchi dominanti. Infine, le ampiezze di picco dipendenti dal tempo di ritardo sono state adattate a un modello analitico unidimensionale di scambio gassoso per estrarre parametri fisiologici.

Introduction

La risonanza magnetica (MRI) allo xenon-129 iperpolarizzato (HXe)¹ è una tecnica che offre informazioni uniche sulla struttura, la funzione e i processi di scambio gassoso dei polmoni. Amplificando notevolmente la magnetizzazione del gas Xenon attraverso il pompaggio ottico a scambio di spin, la risonanza magnetica HXe raggiunge un miglioramento dell’ordine di grandezza nel rapporto segnale/rumore rispetto alla risonanza magnetica allo xeno polarizzata termicamente 2,3,4,5,6. Questa iperpolarizzazione consente la visualizzazione e la quantificazione diretta dell’assorbimento di gas Xenon nel tessuto polmonare e nel sangue, che altrimenti non sarebbe rilevabile con la risonanza magnetica 7 convenzionale polarizzata^{termicamente.}

La spettroscopia RM per il recupero della saturazione a spostamento chimico (CSSR) 8,9,10,11,12,13 ha dimostrato di essere una delle tecniche di risonanza magnetica HXe più preziose. La CSSR consiste nel saturare selettivamente la magnetizzazione dello xeno disciolto nel tessuto polmonare e nel sangue utilizzando impulsi a radiofrequenza (RF) specifici per frequenza. Il successivo recupero del segnale in fase disciolta (DP) mentre scambia con il nuovo gas Xenon iperpolarizzato negli spazi aerei su una scala temporale di ms offre importanti informazioni funzionali sul parenchima polmonare.

Dal suo sviluppo nei primi anni 2000, le tecniche alla base della spettroscopia CSSR sono state progressivamente affinate 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Inoltre, i progressi nella modellazione delle curve di captazione dello xeno hanno permesso l’estrazione di parametri fisiologici specifici, come lo spessore della parete alveolare e i tempi di transito polmonare 10,24,25,26. Gli studi hanno dimostrato la sensibilità della CSSR a sottili cambiamenti nella microstruttura polmonare e nell’efficienza dello scambio gassoso sotto forma di anomalie polmonari riscontrate in fumatori clinicamente sani²⁷, nonché in una serie di malattie polmonari, tra cui la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) 18,27,28, la fibrosi ²⁹ e il danno polmonare indotto dalle radiazioni^30,31. È stato anche dimostrato che la spettroscopia CSSR è sensibile nel rilevare oscillazioni nel segnale DP corrispondente al flusso sanguigno pulsatile durante il ciclo cardiaco³².

Sebbene siano stati compiuti progressi significativi, rimangono sfide pratiche nell’implementazione della spettroscopia CSSR sui sistemi di risonanza magnetica clinica. I tempi di scansione che richiedono apnee a dose singola che si avvicinano a 10 s possono essere troppo lunghi per i soggetti pediatrici^33,34 o per i pazienti con grave malattia polmonare^35,36. Inoltre, la tecnica è suscettibile di distorsioni di misura se i parametri di acquisizione come l’ordine dei tempi di ritardo della saturazione o l’efficacia della saturazione in fase disciolta non sono adeguatamente ottimizzati²¹. Per affrontare queste limitazioni e rendere il CSSR più accessibile alla più ampia comunità di ricerca, sono necessari protocolli chiari e graduali sia per l’apnea convenzionale che per le acquisizioni di respirazione libera, attualmente in fase di sviluppo.

L’obiettivo di questo articolo è quello di presentare una metodologia dettagliata per l’esecuzione di spettroscopia RM CSSR ottimizzata utilizzando il gas HXe. Il protocollo riguarderà la polarizzazione e l’erogazione del gas xenon, la calibrazione degli impulsi RF, la selezione dei parametri di sequenza, la preparazione del soggetto, l’acquisizione dei dati e i passaggi chiave nell’analisi dei dati. Verranno forniti esempi di risultati sperimentali. Si spera che questa guida completa serva come base per le implementazioni CSSR in tutti i siti e aiuti a realizzare il pieno potenziale di questa tecnica per quantificare i cambiamenti microstrutturali polmonari in una serie di malattie polmonari.

Protocol

NOTA: Sebbene la tecnica di spettroscopia MR Xenon-129 CSSR iperpolarizzata qui descritta sia comunemente utilizzata per l’imaging animale e umano, il protocollo seguente si riferisce solo agli studi sull’uomo. Tutti i protocolli di imaging hanno aderito ai limiti del tasso di assorbimento specifico (SAR) della FDA (4 W/kg) e sono stati approvati dall’Institutional Review Board dell’Università della Pennsylvania. Il consenso informato è stato ottenuto da ciascun soggetto. 1. Progettazi…

Representative Results

La Figura 2 illustra un tipico spettro di xeno osservato nel polmone umano durante un’apnea, dopo l’inalazione di 500 ml di dose di Xenon. Lo spettro mostra due regioni distinte, la risonanza GP intorno a 0 ppm e la regione DP, che consiste nel picco della membrana a circa 197 ppm e nel picco dei globuli rossi a circa 217 ppm. Le ampiezze di picco relative dipendono da una serie di fattori, tra cui la forma, la durata e la frequenza centrale dell’impulso di eccitazione RF, nonché il tempo d…

Discussion

La spettroscopia RM HXe CSSR è una potente tecnica per valutare diverse metriche di funzionalità polmonare che sarebbero difficili o impossibili da quantificare in vivo utilizzando qualsiasi altra modalità diagnostica esistente²⁴. Tuttavia, l’acquisizione e la successiva analisi dei dati si basano su alcune ipotesi sulle condizioni fisiologiche e sui parametri tecnici che non sono mai del tutto raggiungibili nei soggetti viventi. Queste limitazioni e il loro impatto sull’interpretazion…

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