通过超偏振氙光谱法获得的肺结构和功能的定量测量

摘要

该手稿提出了使用超极化 Xenon-129 化学位移饱和恢复 （CSSR） 追踪肺气体交换、评估表观肺泡隔壁厚度并测量表面体积比的详细方案。该方法具有诊断和监测肺部疾病的潜力。

摘要

超极化氙 129 （HXe） 磁共振成像 （MRI） 提供了用于获取肺通气模式、气体扩散、肺实质对氙的摄取以及其他肺功能指标的 2 维或 3 维图的工具。然而，通过交换空间分辨率，它还可以在毫秒时间尺度上追踪肺氙气体交换。本文介绍了一种这样的技术，即化学位移饱和恢复 （CSSR） MR 光谱。它说明了如何使用它来评估毛细血管血容量、鼻中隔壁厚度和肺泡中的表面与体积比。施加的射频脉冲 （RF） 的翻转角度经过仔细校准。采用单剂量屏气和多剂量自由呼吸方案向受试者施用气体。一旦吸入的氙气到达肺泡，就应用一系列 90° 射频脉冲，以确保肺实质中积累的氙磁化物的最大饱和度。在可变的延迟时间之后，采集光谱以量化由于肺泡气体体积和肺组织室之间的气体交换而导致的氙信号的再生。然后，通过将复杂的赝Voigt函数拟合到三个主峰来分析这些光谱。最后，将延迟时间依赖的峰值振幅拟合到一维分析气体交换模型中，以提取生理参数。

引言

超极化氙 129 （HXe） 磁共振成像 （MRI）¹ 是一种为肺结构、功能和气体交换过程提供独特见解的技术。通过自旋交换光泵浦显着放大氙气的磁化强度，与热偏振氙气^{MRI 相比}，HXe MRI 在信噪比方面实现了数量级的提高 ^2,3,4,5,6。这种超极化使得氙气吸收进入肺组织和血液的直接可视化和量化成为可能，否则传统的热偏振 MRI⁷ 无法检测到。

化学位移饱和恢复 （CSSR） MR 光谱 8,9,10,11,12,13 已被证明是最有价值的 HXe MRI 技术之一。CSSR 涉及使用特定频率射频 （RF） 脉冲选择性地饱和溶解在肺组织和血液中的氙的磁化强度。溶解相 （DP） 信号在以毫秒的时间尺度与气域中的新鲜超极化氙气交换时的后续恢复提供了有关肺实质的重要功能信息。

自 2000 年代初发展以来，CSSR 光谱背后的技术已逐步完善 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23。此外，氙气摄取曲线建模的进展使得提取特定的生理参数成为可能，例如肺泡壁厚度和肺转运时间10,24,25,26。研究表明，CSSR 对肺部微结构和气体交换效率的细微变化敏感，表现为临床健康的吸烟者²⁷ 以及一系列肺部疾病，包括慢性阻塞性肺病 （COPD）18,27,28、纤维化²⁹ 和辐射诱发的肺损伤 ^30,31.CSSR 光谱法也被证明对检测与心动周期期间的脉动血流相对应的 DP 信号中的振荡很敏感³²。

虽然已经取得了重大进展，但在临床 MRI 系统上实施 CSSR 光谱学仍然存在实际挑战。对于儿科受试者 ^33,34 或患有严重肺病的患者 ^35,36 来说，需要单剂量屏气接近 10 秒的扫描时间可能太长。此外，如果采集参数（如饱和延迟时间的阶数或溶解相饱和的功效）没有得到适当的优化，则该技术容易受到测量偏差的影响²¹。为了解决这些局限性并使更广泛的研究界更容易获得 CSSR，需要针对传统屏气和自由呼吸采集的清晰、循序渐进的协议，目前正在开发中。

本文旨在提出一种使用HXe气体进行优化的CSSR MR光谱的详细方法。该协议将涵盖氙气的极化和输送、射频脉冲校准、序列参数选择、受试者准备、数据采集以及数据分析的关键步骤。将提供实验结果的示例。希望这份全面的指南将作为跨研究中心实施 CSSR 的基础，并帮助实现该技术在量化一系列肺部疾病中肺部微结构变化方面的全部潜力。

研究方案

注意:虽然此处描述的超极化Xenon-129 CSSR MR光谱技术通常用于动物和人类成像，但以下协议仅涉及人体研究。所有成像方案均符合 FDA 特定吸收率 （SAR） 限制 （4 W/kg），并得到宾夕法尼亚大学机构审查委员会的批准。获得了每个受试者的知情同意。

1. 脉冲时序设计

1. 决定是进行屏气测量还是自由呼吸测量。
   注意:屏气采集在技术上更简单，因为它们只需要吸入单剂量 （500 - 1000 mL） 的 HXe 气体，然后屏气 10 秒，在此期间收集 MRI 数据。然而，不合作的受试者（例如幼儿）或患有严重肺部疾病的患者可能无法长时间屏住呼吸，因此可能需要在几分钟内吸入多种小剂量 （~50 mL） 的自由呼吸采集可能是可取的。
2. 对于屏气CSSR MR光谱研究，使用可变延迟时间以获得最大的灵活性，并使用高达90°的高激发翻转角来实现最大的信噪比（图1A）。
   1. 要使 1.5 T MRI 扫描仪上的 DP 磁化饱和，请应用 5 个矩形 90° 射频 （RF） 脉冲，中心频率为 198 ppm、2.5 ms 和 218 ppm，2.5 ms 为 2.5 ms，2.5 个脉冲和中心频率，持续时间为 208 ppm，其余 3 个脉冲为 2.0 ms。如果射频功率放大器允许，请缩短射频脉冲的持续时间，以便在更高的场强下进行测量。
   2. 通过1 ms梯度扰流板分离所有RF脉冲，沿x、y和z轴交替:200 μs斜坡时间，600 μs平台时间，20 mT/m。
   3. 在最后一个饱和脉冲之后，等待延迟时间 τi，其中 i 指的是屏气时的第 i 次测量值。按规定的顺序使用以下延迟时间:50、2.5、2.5、2.5、3.5、5、7.5、50、10、15、30、60、50、80、100、120、160、50、200、250、350、500、50、5、6、8、50、12.5、20、40、70、50、90、110、140、180、50、225、300、400 毫秒。
   4. 应用以 208 ppm 为中心的 1.2 ms 高斯射频激励脉冲。将翻转角度设置为 90°。如果射频放大器不允许这样做，请使用放大器允许的最大翻转角度。将射频激励脉冲的长度与高场扫描仪上的测量场强成反比。
   5. 对自由感应衰减进行采样 30.72 ms（1024 个采样点）。虽然 1.5 T 时的气相 T2* 约为 15 ms，但在较高场强下可显著缩短采样持续时间，而无需在处理前进行额外的信号切趾。
   6. 沿 x 轴应用 5 ms 梯度扰流板:200 μs 斜坡时间，4.6 ms 平台时间，20 mT/m。
   7. 重复步骤 1.2.1 - 1.2.6 40x 在相同的呼吸屏气期间，如步骤 1.2.3 中所述。
   8. 对于自由呼吸的CSSR MR光谱研究，连续进行以下测量约3分钟（图1B），尽管如果分配的HXe气体体积用完，可以提前终止采集。
   9. 重复步骤 1.2.1 和 1.2.2。重复步骤 1.2.4，翻转角度为 7°。对自由感应衰减进行采样 10.24 ms（512 个采样点）。
   10. 沿 x 轴应用 1 ms 梯度扰流板:200 ms 斜坡时间，600 ms 平台时间，20 mT/m。重复步骤 1.2.3 - 1.2.5 40 次，重复时间为 12.6 毫秒。
   11. 重复步骤 1.2.1 - 1.2.6 直到研究结束。

2. 患者检查准备

1. 在每次研究之前，确保准备好一个干净的面罩，并使用细而柔韧的管子连接到气体输送同步装置。
2. 对于自由呼吸研究，请连接一个双向气动吸气器进行流量测量。
3. 使用玻璃注射器进行常规测试以模拟呼吸，以验证气体注射是否正确。气体输送装置应从气动仪的流量测量中检测吸入的开始，从而能够将气体注入面罩。
4. 设置可选的生理监测系统，在成像过程中记录呼吸曲线（流量和体积）和实时气体分析（O₂ 和 CO₂）。
5. 使用使用吸气-呼气录音引导受试者的音频信号连接并测试 MRI 室内耳机。根据每个主体的正常呼吸频率调整音轨的播放速度。
6. 为扫描仪床准备一个干净的头枕、腿部支撑枕头和毯子。
7. 将解开的 Xenon-129 胸背心线圈放在 MRI 扫描仪的桌子上。插入线圈的连接器插头，并确保 MR 扫描仪能够识别线圈。

3. 受试者准备和监测

1. 当受试者到达成像设施时，使用 IRB 批准的同意书获得书面知情同意书。获得同意后，使用 MRI 安全问卷和金属探测器对受试者进行筛查。
2. 要求受试者从他们身上取下任何金属或珠宝，并换上病号服。
3. 训练受试者遵守选定的呼吸方案（屏气或自由呼吸）。
4. 对于自由呼吸研究，向受试者介绍吸气-呼气语音记录，该录音将在成像过程中播放，他们应该与呼吸同步。
5. 将受试者带入 MRI 室并将他们放在扫描仪床上:躺在打开的氙气背心线圈的顶部。
6. 一旦受试者被定位，系好威扣带，使背心线圈闭合，但不会收缩受试者的胸部。
7. 对于自由呼吸研究，将带有气疗的面罩放在患者的脸上，并收紧带子，使面罩紧贴鼻子和嘴巴，而不会太紧。安装后，取下面罩并放在一边以备后用，将带子留在受试者的头部后面。
8. 将两个脉搏血氧仪分别放在受试者的左右食指上，以在整个研究期间持续监测和记录心率和血氧饱和度 （SPO₂）。
9. 将兼容 MRI 的耳机戴在受试者的耳朵上。
10. 将 MRI 扫描仪台移入磁体孔中，使受试者的肺部位于视野的中心。

4. 超极化氙-129极化（校准气体）

注意:以下是使用我们的偏振设备对 Xenon-129 气体进行极化的协议步骤。根据已安装气体偏振器的供应商特定操作说明进行调整。

1. 在研究开始前约 2.5 小时，加热氙偏振器。由于氙气，特别是富集>85%的氙-129）非常昂贵（目前每升~500美元），并且一旦极化就无法重新捕获，因此只有在被摄体到达成像部位后才能开始极化过程。
2. 将 250 mL 专用 PVF 袋的连接管穿过密封夹。确保夹子不会夹住管子。
3. 将专用 PVF 袋连接到四个可用的偏光片分配端口之一。
4. 在偏光片触摸屏上，选择浓缩的氙气罐，将流速设置为中等，并将偏振体积设置为 250 mL。
5. 按 开始 按钮启动极化过程。实际的极化过程，即氙气冷冻、解冻和分配到专用的 PVF 袋中，是全自动的，250 mL 氙气大约需要 15 分钟。
6. 当偏振氙气被分配时，偏振器将在触摸屏上显示一条消息，说明现在可以取出袋子。
7. 用密封夹夹住专用 PVF 袋的连接管。断开专用 PVF 袋的连接，并快速将其放入 MRI 扫描仪的孔内，以防止气体快速去极化。

5. 超极化氙-129吸入校准

1. 将鼻夹放在受试者的鼻子上，以改善通过口腔的呼吸。
2. 在正常呼气结束时，将氙气袋的吹嘴插入受试者的嘴里。
3. 一旦受试者从袋子中吸入了 250 mL 的氙气剂量，取下吸嘴并指示受试者继续吸入室内空气，直到他们的肺部充满。
4. 在吸气结束时，要求受试者举起拇指，护士协调员将此信息口头传达给扫描仪操作员以启动脉冲序列。
5. 对于无法屏住呼吸的受试者，请护士协调员观察受试者的胸部运动，并在受试者达到呼气结束并开始吸气时通知操作员。虽然这种方法由于吸入的氙气部分呼出而减少了测量信号，但它确保了在采集校准数据期间，受试者肺部内的氙气体积保持相当恒定。
6. 在数据采集期结束时（~5 秒），指示受试者再次正常呼吸。

6. 气体频率和射频脉冲电压校准

注意:在执行脉冲序列之前，现代 MRI 扫描仪通常会校准 MR 信号的导通共振频率和要应用于发射射频线圈的电压，以实现激励脉冲所需的翻转角度。在传统的质子MRI中，这种校准过程是自动的，通常对用户是透明的。然而，这种自动校准对于超极化氙-129研究是不可行的，因为在热平衡下没有可用的信号源。相反，射频脉冲的频率和电压必须手动校准。在这里使用的MRI扫描仪上，这种手动校准是通过提供参考电压来完成的，然后扫描仪的软件使用该电压来计算所有后续RF脉冲的适当电压。请查阅 MRI 系统特定于供应商的操作说明，了解如何将此校准数据输入到测量软件中。

1. 加载质子侦测脉冲序列。选择 400 毫米的视野。获得 10 个冠状切片（切片厚度为 10 毫米，间隙为 20%）。
2. 检查质子图像并确保受试者的肺部在视野中居中。如有必要，重新定位主题并重复步骤 1。
3. 加载校准脉冲序列。使用最近人体扫描的 HXe 气相 （GP） 频率作为接收器频率的起始估计值。
4. 将参考电压设置为一个值，使得对于大多数被测对象，使用校准序列采集的第一个和最后一个光谱之间的GP信号会减少约70%-80%。对于胸部射频线圈，将初始参考电压设置为 75 V。
5. 当受试者吸入 HXe 校准剂量并处于屏气状态时，或者，如果无法实现屏气，则当受试者超过呼吸周期的呼气结束点时，开始该序列。
   1. 应用以 0 ppm 为中心的 1.2 ms 高斯射频激励脉冲。将标称翻转角度设置为 90°。然而，由于初始基准电压设置远低于其真实值，因此实际应用的翻转角度约为15°。
   2. 对自由感应衰减进行采样 30.72 ms（1024 个采样点）。沿 x 轴应用 20 ms 梯度扰流板:500 ms 斜坡时间，19 ms 平台时间，20 mT/m。请注意，这些梯度规格并未进行优化，较短的梯度持续时间可能就足够了。
   3. 重复步骤 6.5.1.-6.5.2。16 次，重复时间为 55 ms。再次重复步骤 6.5.1-6.5.2。16 次，重复时间为 220 ms。
6. 数据采集完成后，指示受试者恢复正常呼吸。
7. 通过检查 SPO₂ 水平来评估受试者的健康状况，并询问任何可能的不良反应。
8. 将测量的校准数据下载到 USB 驱动器上，然后将其传输到笔记本电脑进行进一步分析。
9. 使用MATLAB脚本提取GP峰值的中心频率、RF激励脉冲的翻转角度以及肺内的HXe气体T1。
   1. 加载校准序列采集的 32 个 FID。使用快速傅里叶变换 （FFT） 将 FID 转换为光谱。
   2. 将 GP 峰值相位为零阶。将伪 Voigt 线形状拟合到 GP 峰的相位实数分量。
   3. 将 GP 频率计算为前 10 个拟合的中心频率的平均值，因为这些拟合具有最高的信噪比。在屏幕上输出频率平均值。
   4. 对所有 GP 峰下方的区域进行积分。将单指数衰减函数拟合到前 16 个和后 16 个 GP 峰面积。
   5. 从两条拟合衰减曲线中提取 GP T1 并应用翻转角度。

7. 超极化氙-129极化（测量气体）

1. 要对测量气体进行极化，请按照步骤 4.2 - 4.7 进行，并进行以下修改:
   1. 使用 500 mL 专用 PVF 袋代替 250 mL 袋。
   2. 将极化体积设置为 500 mL，而不是 250 mL。500 mL 的极化过程大约需要 20 分钟。

8. 超极化氙-129吸入测量（屏气）

1. 将鼻夹放在受试者的鼻子上，以改善通过口腔的呼吸。
2. 在正常呼气至功能残余容量结束时，将氙气袋的吸嘴插入受试者的口中。
3. 一旦受试者从氙气袋中吸入了 500 mL 氙气，取下吸嘴并指示受试者继续吸入室内空气，直到他们的肺部充满。
4. 在吸气结束时，要求受试者举起拇指，护士协调员将此信息口头传达给扫描仪操作员以启动脉冲序列。
5. 在数据采集期（~8 秒）结束时，要求受试者再次正常呼吸。

9.超极化氙-129吸入测量（自由呼吸）

1. 对于测量扫描，将受试者从 MRI 扫描仪中移出，将面罩盖在他们的鼻子和嘴巴上，然后将预装的带子从头部后面连接到面罩，将面罩固定到位。面罩上的气动器将检测受试者的连续吸气和呼气，并在检测到吸入时触发气体输送系统分配气体。
2. 将拍摄对象移回扫描仪内的原始位置。
3. 播放吸气-呼气音频记录，以便受试者可以将他们的呼吸模式与呼吸协议同步。
4. 一旦受试者适应呼吸规程，请护士协调员通知 MRI 操作员开始数据采集。然后，护士协调员打开气体输送系统上的阀门，受试者开始吸入 50 mL 超极化氙 129，该氙气与呼吸面罩内的气流混合。
5. 要求患者继续进行大约 10 次呼吸，直到氙气体积用于成像方案。

10. 测量数据采集（屏气）

1. 加载用于呼吸屏气的 CSSR 脉冲序列，如步骤 1.2 中所述。根据步骤 6 中校准扫描期间确定的 HXe GP 频率设置采集频率。
2. 调整基准电压以匹配从步骤 6 中描述的校准扫描中获得的值。
3. 按照系统供应商的操作说明，选择 "等待用户 "选项或其等效选项以执行序列。
4. 启动序列。MRI 扫描仪将完成序列准备，然后暂停并等待用户开始数据采集。
5. 当受试者吸入 HXe 测量剂量，通过继续吸入室内空气直至肺部充满来冲洗气道，并开始屏气时开始数据采集。后者应按照护士协调员的指示进行，并在第 5 步和第 8 步中进行描述。
6. 数据采集完成后，指示受试者恢复正常呼吸。
7. 通过检查 SPO₂ 水平并询问任何可能的不良反应来评估受试者的健康状况。
8. 将测量的 CSSR 数据下载到 USB 驱动器上，然后将其传输到笔记本电脑进行进一步分析。

11. 测量数据采集（自由呼吸）

1. 加载 CSSR 脉冲序列以进行自由呼吸，如步骤 1.3 中所述。
2. 根据步骤 6 中校准扫描期间确定的 HXe GP 频率设置采集频率。
3. 调整基准电压以匹配从步骤 6 中描述的校准扫描中获得的值。
4. 按照系统供应商的操作说明，选择 "等待用户 "选项或其等效选项以执行序列。
5. 启动序列。MRI 扫描仪将完成序列准备，然后暂停并等待用户开始数据采集。
6. 一旦护士协调员准备好按照步骤 9.4 中所述从室内空气切换到 HXe 气体/空气混合物，就开始数据采集。确保在受试者吸入第一剂氙气之前，序列已经运行。
7. 一旦数据采集在测量结束时 3 分钟完成或在使用所有 HXe 气体后终止，请将受试者从 MRI 扫描仪中取出。
8. 通过检查 SPO₂ 水平并询问任何可能的不良反应来评估受试者的健康状况。
9. 将测量的 CSSR 数据下载到 USB 驱动器上，然后将其传输到笔记本电脑进行进一步分析。

12. CSSR数据分析

注意:采集的数据由 N x 40 次自由感应衰减组成，其中 N 是在 DP 磁化饱和后以不同的延迟时间重复采集的次数。根据 CSSR 测量是作为屏气还是自由呼吸研究执行，N 分别为 1 或重复采集的次数，总计应约为测量时间的 2 倍（以 s 为单位）。但是，通过MATLAB脚本对两种方案的后续数据分析基本上是相同的，除非另有说明。

1. 加载 CSSR 序列获取的 FID。使用快速傅里叶变换 （FFT） 将 FID 转换为光谱。
2. 将 GP 峰值相位为零阶。将 DP 峰值相位为一阶。
3. 将伪 Voigt 线形状拟合到 GP 峰的相位实数分量。
4. 对于自由呼吸测量，将所有光谱除以拟合的 GP 峰下方的区域。在相同的延迟时间下对所有光谱进行平均。
5. 在所有光谱中，将两个伪Voigt线形状拟合到~196 ppm的膜峰和~217 ppm的红细胞峰的相位实量分量。
6. 对拟合的 DP 峰下方的区域进行积分。
7. 对于呼吸屏气测量，重复获取 50 ms 延迟时间测量值（参见步骤 1.2.8），与使用 GP 信号进行归一化相比，可以进行更精确的衰减校正。
8. 将指数衰减函数拟合到膜峰值信号上，作为采集指数的函数。
9. 将所有膜信号和红细胞峰值信号乘以相应采集指数的拟合指数衰减函数的倒数。
10. 将校正后的膜和红细胞信号作为其延迟时间的函数拟合到氙气吸收模型中。最常用的两个模型是Patz等人²⁴和Chang等人^{提出的25,37,38}。我们通常使用 Patz 模型分析数据。
11. 与任一模型拟合以获得肺泡表面与体积比、表观肺泡间隔壁厚度和毛细血管通过时间。此外，Chang等人提出的氙交换（MOXE）模型得到了血管间屏障的厚度和肺泡体积以及血细胞比容。

结果

图 2 显示了在吸入 500 mL 氙气剂量后，在屏气期间在人肺中观察到的典型氙光谱。该光谱显示两个不同的区域，即 0 ppm 左右的 GP 共振和 DP 区域，后者由大约 197 ppm 的膜峰和大约 217 ppm 的红细胞峰组成。相对峰值幅度取决于许多因素，包括射频激励脉冲的形状、持续时间和中心频率，以及饱和和激励之间的延迟时间。通常，延迟时间越长，DP峰值相对于GP峰值的幅度就越大。?...

讨论

HXe CSSR MR 光谱是一种强大的技术，用于评估使用任何其他现有诊断方式在 体内 难以或不可能量化的几种肺功能指标²⁴。然而，采集和随后的数据分析是基于对生理条件和技术参数的某些假设，这些假设在活着的受试者中永远无法完全实现。下文将讨论这些限制及其对提取指标解释的影响。

CSSR 技术通常作为不带空间编码的全局测量实现，如上述协议?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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