Medida quantitativa da estrutura e função pulmonar obtida por espectroscopia de xenônio hiperpolarizada

Summary

O manuscrito apresenta um protocolo detalhado para o uso da recuperação de saturação por deslocamento químico (CSSR) hiperpolarizada de Xenon-129 para rastrear as trocas gasosas pulmonares, avaliar a espessura aparente da parede do septo alveolar e medir a relação superfície-volume. O método tem o potencial de diagnosticar e monitorar doenças pulmonares.

Abstract

A ressonância magnética (MRI) hiperpolarizada de Xenon-129 (HXe) fornece ferramentas para obter mapas bidimensionais ou tridimensionais de padrões de ventilação pulmonar, difusão de gás, captação de xenônio pelo parênquima pulmonar e outras métricas de função pulmonar. No entanto, ao trocar a resolução espacial pela temporal, também permite o rastreamento da troca gasosa de xenônio pulmonar em uma escala de tempo ms. Este artigo descreve uma dessas técnicas, a espectroscopia de RM de recuperação de saturação por deslocamento químico (CSSR). Ele ilustra como ele pode ser usado para avaliar o volume sanguíneo capilar, a espessura da parede septal e a relação superfície-volume nos alvéolos. O ângulo de inversão dos pulsos de radiofrequência (RF) aplicados foi cuidadosamente calibrado. Protocolos de apneia de dose única e respiração livre de dose múltipla foram empregados para administrar o gás ao sujeito. Uma vez que o gás xenônio inalado atingiu os alvéolos, uma série de pulsos de RF de 90° foi aplicada para garantir a saturação máxima da magnetização de xenônio acumulada no parênquima pulmonar. Após um tempo de atraso variável, os espectros foram adquiridos para quantificar o crescimento do sinal de xenônio devido à troca gasosa entre o volume de gás alveolar e os compartimentos teciduais do pulmão. Esses espectros foram então analisados ajustando funções pseudo-Voigt complexas aos três picos dominantes. Finalmente, as amplitudes de pico dependentes do tempo de atraso foram ajustadas a um modelo analítico de troca gasosa unidimensional para extrair parâmetros fisiológicos.

Introduction

A ressonância magnética (MRI)1 de Xenônio-129 hiperpolarizado (HXe)¹ é uma técnica que oferece informações exclusivas sobre a estrutura, função e processos de troca gasosa pulmonares. Ao amplificar drasticamente a magnetização do gás xenônio por meio do bombeamento óptico de troca de rotação, a ressonância magnética HXe alcança uma melhoria de ordem de magnitude na relação sinal-ruído em comparação com a ressonância magnética de xenônio polarizada termicamente 2,3,4,5,6. Essa hiperpolarização permite a visualização direta e a quantificação da captação de gás xenônio no tecido pulmonar e no sangue, que de outra forma seria indetectável com a ressonância magnética convencional polarizada termicamente⁷.

A espectroscopia de RM de recuperação de saturação por deslocamento químico (CSSR) 8,9,10,11,12,13 provou ser uma das técnicas de ressonância magnética HXe mais valiosas. A CSSR envolve a saturação seletiva da magnetização do xenônio dissolvido no tecido pulmonar e no sangue usando pulsos de radiofrequência (RF) específicos de frequência. A recuperação subsequente do sinal de fase dissolvida (DP) à medida que ele troca com o gás xenônio hiperpolarizado fresco nos espaços aéreos em uma escala de tempo de ms oferece informações funcionais importantes sobre o parênquima pulmonar.

Desde o seu desenvolvimento no início dos anos 2000, as técnicas por trás da espectroscopia CSSR foram progressivamente refinadas 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Além disso, os avanços na modelagem das curvas de captação de Xenônio permitiram a extração de parâmetros fisiológicos específicos, como espessura da parede alveolar e tempos de trânsito pulmonar 10,24,25,26. Estudos mostraram a sensibilidade da RSC a mudanças sutis na microestrutura pulmonar e na eficiência das trocas gasosas na forma de anormalidades pulmonares encontradas em fumantes clinicamente saudáveis²⁷, bem como em uma variedade de doenças pulmonares, incluindo doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) ^{18 , 27 , 28} , fibrose²⁹ e lesão pulmonar induzida por radiação^30,31. A espectroscopia CSSR também demonstrou ser sensível para detectar oscilações no sinal DP correspondentes ao fluxo sanguíneo pulsátil durante o ciclo cardíaco³².

Embora tenham sido feitos progressos significativos, permanecem desafios práticos na implementação da espectroscopia CSSR em sistemas clínicos de ressonância magnética. Os tempos de exame que requerem apneia de dose única próximos a 10 s podem ser muito longos para indivíduos pediátricos^33,34 ou pacientes com doença pulmonar grave^35,36. Além disso, a técnica é suscetível a vieses de medição se os parâmetros de aquisição, como a ordem dos tempos de atraso de saturação ou a eficácia da saturação da fase dissolvida, não forem adequadamente otimizados²¹. Para abordar essas limitações e tornar o CSSR mais acessível à comunidade de pesquisa em geral, são necessários protocolos claros e passo a passo para aquisições convencionais de apneia e respiração livre, atualmente em desenvolvimento.

O objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia detalhada para a realização de espectroscopia de RM CSSR otimizada usando gás HXe. O protocolo cobrirá a polarização e a entrega do gás xenônio, calibração de pulso de RF, seleção de parâmetros de sequência, preparação do sujeito, aquisição de dados e etapas importantes na análise de dados. Exemplos de resultados experimentais serão fornecidos. Espera-se que este guia abrangente sirva como base para implementações de CSSR em todos os locais e ajude a realizar todo o potencial dessa técnica para quantificar alterações microestruturais pulmonares em uma variedade de doenças pulmonares.

Protocol

NOTA: Embora a técnica de espectroscopia de RM CSSR de xenônio-129 hiperpolarizada descrita aqui seja comumente usada para imagens de animais e humanos, o protocolo abaixo refere-se apenas a estudos em humanos. Todos os protocolos de imagem aderiram às limitações da taxa de absorção específica (SAR) da FDA (4 W/kg) e foram aprovados pelo Conselho de Revisão Institucional da Universidade da Pensilvânia. O consentimento informado foi obtido de cada sujeito. 1. Projeto de sequênc…

Representative Results

A Figura 2 ilustra um espectro típico de xenônio observado no pulmão humano durante uma apneia, após a inalação de 500 mL de dose de xenônio. O espectro exibe duas regiões distintas, a ressonância GP em torno de 0 ppm e a região DP, que consiste no pico da membrana em aproximadamente 197 ppm e o pico dos glóbulos vermelhos em aproximadamente 217 ppm. As amplitudes de pico relativas dependem de vários fatores, incluindo a forma, duração e frequência central do pulso de excitaç…

Discussion

A espectroscopia de RM HXe CSSR é uma técnica poderosa para avaliar várias métricas de função pulmonar que seriam difíceis ou impossíveis de quantificar in vivo usando qualquer outra modalidade diagnóstica existente²⁴. No entanto, a aquisição e a análise subsequente dos dados são baseadas em certas suposições sobre condições fisiológicas e parâmetros técnicos que nunca são totalmente alcançáveis em indivíduos vivos. Essas limitações e seu impacto na interpretaç?…

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