Quantitative Measure of Lung Structure and Function Obtained from Hyperpolarized Xenon Spectroscopy

Quantitative Measure of Lung Structure and Function Obtained from Hyperpolarized Xenon Spectroscopy(과분극 크세논 분광법에서 얻은 폐 구조 및 기능의 정량적 측정)

Published: November 10, 2023

doi:

Kai Ruppert, Luis Loza, Faraz Amzajerdian, Hooman Hamedani, Ryan Baron, Stephen Kadlecek, Rahim Rizi

¹Department of Radiology,University of Pennsylvania

Summary

이 원고는 과분극 Xenon-129 화학적 이동 포화 회복(CSSR)을 사용하여 폐 가스 교환을 추적하고, 겉보기 폐포 중격 벽 두께를 평가하고, 표면 대 부피 비율을 측정하기 위한 자세한 프로토콜을 제시합니다. 이 방법은 폐 질환을 진단하고 모니터링할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

Abstract

과분극 제논-129(HXe) 자기 공명 영상(MRI)은 폐 환기 패턴, 가스 확산, 폐 실질에 의한 크세논 흡수 및 기타 폐 기능 지표에 대한 2차원 또는 3차원 지도를 얻기 위한 도구를 제공합니다. 그러나 시간적 해상도를 위해 공간적 변환기를 사용함으로써 ms 시간 척도에서 폐 크세논 가스 교환을 추적할 수도 있습니다. 이 기사에서는 이러한 기술 중 하나인 CSSR(Chemical Shift Saturation Recovery) MR 분광법에 대해 설명합니다. 이는 모세혈관 혈액량, 중격벽 두께 및 폐포의 표면 대 부피 비율을 평가하는 데 어떻게 사용할 수 있는지 보여줍니다. 적용된 무선 주파수 펄스(RF)의 플립 각도는 신중하게 보정되었습니다. 피험자에게 가스를 투여하기 위해 단일 용량 숨 참기 및 다중 용량 자유 호흡 프로토콜이 사용되었습니다. 흡입된 크세논 가스가 허파꽈리에 도달하면 일련의 90° RF 펄스가 적용되어 폐 실질에서 축적된 크세논 자화의 최대 포화를 보장했습니다. 가변적인 지연 시간에 따라, 폐포 가스 부피와 폐의 조직 구획 사이의 가스 교환으로 인한 크세논 신호의 재성장을 정량화하기 위해 스펙트럼을 획득했습니다. 그런 다음 이러한 스펙트럼은 복잡한 pseudo-Voigt 함수를 3개의 주요 피크에 피팅하여 분석되었습니다. 마지막으로, 지연 시간 종속 피크 진폭을 1차원 분석 가스 교환 모델에 장착하여 생리학적 매개변수를 추출했습니다.

Introduction

과분극 제논-129(HXe) 자기 공명 영상(MRI)¹은 폐 구조, 기능 및 가스 교환 과정에 대한 고유한 통찰력을 제공하는 기술입니다. 스핀 교환 광학 펌핑을 통해 크세논 가스의 자화를 극적으로 증폭시킴으로써 HXe MRI는 열 편광 된 크세논 MRI 2,3,4,5,6에 비해 신호 대 잡음비에서 큰 개선을 달성합니다. 이러한 과분극은 기존의 열분극 MRI⁷로는 검출할 수 없는 폐 조직과 혈액으로의 크세논 가스 흡수를 직접 시각화하고 정량화할 수 있습니다.

화학적 이동 포화 회복 (CSSR) MR 분광법 8,9,10,11,12,13은 가장 가치있는 HXe MRI 기술 중 하나로 입증되었습니다. CSSR은 주파수 특정 무선 주파수(RF) 펄스를 사용하여 폐 조직과 혈액에 용해된 크세논의 자화를 선택적으로 포화시키는 것을 포함합니다. ms 단위의 시간 척도로 영공에서 새로운 과분극된 크세논 가스와 교환할 때 용해상(DP) 신호의 후속 복구는 폐 실질에 대한 중요한 기능 정보를 제공합니다.

2000 년대 초반의 개발 이후 CSSR 분광법의 기술은 점진적으로 개선되었습니다 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. 또한, 크세논 흡수 곡선 모델링의 발전으로 폐포벽 두께 및 폐 통과 시간 10,24,25,26과 같은 특정 생리학적 매개변수를 추출할 수 있게 되었습니다. 연구에 따르면 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)18,27,28, 섬유증²⁹ 및 방사선 유발 폐 손상^30,31을 포함한 다양한 폐 질환뿐만 아니라 임상적으로 건강한 흡연자²⁷에서 발견되는 폐 이상 형태의 폐 미세 구조 및 가스 교환 효율의 미묘한 변화에 대한 CSSR의 민감성이 나타났습니다. CSSR 분광법은 또한 심장 주기(³²) 동안 박동성 혈류에 해당하는 DP 신호의 진동을 감지하기 위해 민감한 것으로 입증되었다.

상당한 진전이 이루어졌지만 임상 MRI 시스템에 CSSR 분광법을 구현하는 데 실질적인 어려움이 남아 있습니다. 10초에 가까운 1회 투여 호흡 유지를 요구하는 스캔 시간은 소아 피험자^33,34 또는 중증 폐 질환 환자^35,36에게 너무 길 수 있다. 또한, 이 기술은 포화 지연 시간의 순서 또는 용해 위상 포화의 효율과 같은 획득 파라미터가 적절하게 최적화되지 않은 경우 측정 편향에 취약합니다²¹. 이러한 한계를 해결하고 더 광범위한 연구 커뮤니티에서 CSSR에 더 쉽게 접근할 수 있도록 하려면 현재 개발 중인 기존의 숨참기 및 자유 호흡 획득 모두에 대한 명확한 단계별 프로토콜이 필요합니다.

이 논문의 목적은 HXe 가스를 사용하여 최적화된 CSSR MR 분광법을 수행하기 위한 자세한 방법론을 제시하는 것입니다. 이 프로토콜은 제논 가스의 분극 및 전달, RF 펄스 교정, 시퀀스 파라미터 선택, 피사체 준비, 데이터 수집 및 데이터 분석의 주요 단계를 다룹니다. 실험 결과의 예가 제공됩니다. 이 포괄적인 가이드가 여러 기관에 걸친 CSSR 구현의 기초 역할을 하고 다양한 폐 질환에서 폐 미세 구조 변화를 정량화하기 위한 이 기술의 잠재력을 최대한 실현하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

Protocol

참고: 여기에 설명된 과분극 Xenon-129 CSSR MR 분광법 기술은 동물 및 인간 이미징에 일반적으로 사용되지만 아래 프로토콜은 인간 연구만 참조합니다. 모든 이미징 프로토콜은 FDA 특정 흡수율(SAR) 제한(4W/kg)을 준수했으며 University of Pennsylvania의 Institutional Review Board에서 승인했습니다. 각 피험자로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다. 1. 펄스 시퀀스 설계 숨…

Representative Results

그림 2는 500mL의 제논 용량을 흡입한 후 숨을 참는 동안 인간의 폐에서 관찰되는 전형적인 제논 스펙트럼을 보여줍니다. 스펙트럼은 약 0ppm의 GP 공명과 약 197ppm의 막 피크와 약 217ppm의 적혈구 피크로 구성된 DP 영역의 두 가지 별개의 영역을 표시합니다. 상대적 피크 진폭은 RF 여기 펄스의 모양, 지속 시간, 중심 주파수, 포화와 여기 사이의 지연 시간을 포함한 여러 요인에 따?…

Discussion

HXe CSSR MR 분광법은 기존의 다른 진단 양식(²⁴)을 사용하여 생체 내에서 정량화하기 어렵거나 불가능한 여러 폐 기능 지표를 평가하기 위한 강력한 기술이다. 그럼에도 불구하고, 획득 및 후속 데이터 분석은 살아있는 피험자에서 완전히 달성할 수 없는 생리학적 조건 및 기술적 매개변수에 대한 특정 가정을 기반으로 합니다. 이러한 제한 사항과 추출된 메트릭의 해석에 미…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 NIH 보조금 R01HL159898 및 R01HL142258의 지원을 받았습니다.

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

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