这项工作由美国国立卫生研究院（批准号R01-CA172595-01、R01-HL132177、R01-HL167202、S10-OD018079和UL1-TR003015）和西门子医疗解决方案公司资助。

超极化 129Xe MRI 研究肺功能的标准化工作流程

作者J.F.M.、J.P.M.和Y.M.S.参加了由Polarean， Inc.支持的临床试验，作者J.F.M.和Y.M.S.为Polarean， Inc.提供咨询服务（不到5000美元）。作者 J.P.M. 获得 Polarean， Inc. 的研究支持。

上述通气和解剖学 MRI 方法旨在最大限度地提高图像质量和 SNR，同时保持实现的简单性 - 这些序列协议通常可以从供应商的产品脉冲序列中调整，前提是启用多核操作，并且图像将在扫描仪计算机上自动重建。这里描述的 2D 方法的一个缺点是使用切片选择性激发射频脉冲，由于扫描过程中吸入的超极化 129Xe 的 T1 弛豫，在 129Xe 通气采集中较早收集的切片之间引入了信号差...

超极化 129Xe MRI 是一种令人兴奋的工具，可用于非侵入性、空间分辨表征和量化肺功能的特定方面 1,2,3。采集和重建方法类似于解剖质子 MRI 中使用的方法，可产生肺部吸入 129Xe 的图像，从而可以可视化非通气肺区域和通气分布的区域分辨量 4,5,6,7,8 .更先进的脉冲序列和分析技术可产生进一步的补充信息，包括通过光谱 MRI9、10、11、12、13 量化肺泡和肺毛细血管之间的气体交换效率，以及通过弥散加权 MRI 表征肺泡微观结构完整性14、15、16。
吸入 129Xe 已被证明在成人和儿童受试者中安全且可耐受，包括患有肺部疾病的受试者 17,18。来自129Xe MRI的肺功能测量结果显示，在许多肺部疾病情况下，对结构和功能改变具有敏感性，包括慢性阻塞性肺疾病6,10,19，囊性纤维化20,21,22，特发性肺纤维化23,24,25和哮喘7,10，26.鉴于 129Xe MRI 的高安全性和耐受性，与其他常见成像方法相比，MRI 中没有电离辐射，以及 129Xe MRI 结果的高可重复性27,28， 129Xe MRI 具有重要的前景，特别是对于接受慢性肺部疾病治疗的个体的精确连续监测。
129Xe MRI 的安全性和临床前景使其于 2022 年 12 月获得 FDA 批准，用于 12 岁及以上人群的肺通气成像29。鉴于此，预计未来几年能够进行 129次 Xe MRI 的研究和临床站点数量（目前全球 ~20 个）将显着增加。随着 129Xe MRI 向新机构传播，重要的是存在强大的方法学资源，以使研究中心能够快速构建临床相关的 129Xe MRI 技术，并进行扫描并产生与现有研究中心非常相似的结果。
在这项工作中，我们将概述人类超极化 129Xe 肺通气的最佳实践，这是 129Xe MRI 临床试验联盟 （Xe MRI CTC） 成员机构达成的，并在最近的立场文件30 中进行了总结。主题将包括准备量身定制的脉冲序列，非常适合完整的 129Xe MRI 工作流程、超极化 129Xe 气体的准备和管理、人类 129Xe MRI 会话的优化工作流程，以及在 MRI 会话期间监测受试者安全和舒适度的最佳实践。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1.5T or 3T human MRI scanner</td>
			<td>Siemens</td>
			<td></td>
			<td>MAGNETOM Symphony (1.5T) or Vida (3T); older models fine, as long as multinuclear option is/can be installed; scanners also available from GE and Philips</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>129Xe hyperpolarizer</td>
			<td>Polarean</td>
			<td>9820</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>129Xe MRI phantom</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>129Xe MRI vest coil</td>
			<td>Clinical MR Solutions</td>
			<td></td>
			<td>Also available from other vendors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>129Xe polarization measurement station</td>
			<td>Polarean</td>
			<td>2881</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1H MRI phantom</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coil file for 129Xe MRI vest coil</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Also available from other vendors for their respective coils</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECG machine</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Helium buffer gas</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Interface box from coil to scanner</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>May be built into coil, but needs to be included separately if not</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Liquid nitrogen</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MRI-safe pulse oximeter</td>
			<td>Philips</td>
			<td>Expression MR200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrogen buffer gas</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PFT machine</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Programming/image analysis software</td>
			<td>MATLAB</td>
			<td>R2023a</td>
			<td>Various other options available</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulse sequence design software</td>
			<td>Siemens</td>
			<td></td>
			<td>IDEA software package; also available from GE and Philips for their respective scanners</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanner multinuclear option</td>
			<td>Siemens</td>
			<td></td>
			<td>Scanner integrated hardware/software package; also available from GE and Philips for their respective scanners</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tedlar gas sampling bags (500, 750, 1000, 1250, 1500 mL)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xenon gas (129Xe isotopically enriched)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

acquiring hyperpolarized 129xe magnetic resonance images of lung ventilation

超极化 129Xe MRI 包括一系列独特的结构和功能肺成像技术。鉴于最近 FDA 批准 129Xe 作为 MR 造影剂，以及研究和临床机构对 129Xe MRI 的兴趣增加，跨站点的技术标准化变得越来越重要。 129Xe MRI 临床试验联盟 （Xe MRI CTC） 的成员已就 129Xe MRI 工作流程的每个关键方面的最佳实践达成一致，这些建议在最近的出版物中进行了总结。这项工作提供了实用信息，以开发端到端的工作流程，用于根据 Xe MRI CTC 建议收集 129张肺通气的 Xe MR 图像。将讨论和演示用于 MR 研究的 129Xe 的制备和管理，具体主题包括为整个研究和单个 MR 扫描选择合适的气体量、单个 129Xe 剂量的制备和交付，以及在研究期间监测受试者安全性和 129Xe 耐受性的最佳实践。还将涵盖关键的 MR 技术考虑因素，包括脉冲序列类型和优化参数、 129Xe 翻转角度和中心频率的校准以及 129Xe MRI 通气图像分析。

Hyperpolarized 129Xe MRI is an exciting tool for non-invasive, spatially-resolved characterization and quantification of specific aspects of pulmonary function1,2,3. Acquisition and reconstruction approaches similar to those used in anatomical proton MRI yield images of inhaled 129Xe in the lungs, permitting visualization of non-ventilated lung regions and region-resolved quantification of ventilation distribution4,5,6,7,8. More advanced pulse sequence and analysis techniques yield further complementary information, including quantification of gas-exchange efficacy between alveoli and pulmonary capillaries via spectroscopic MRI9,10,11,12,13 and characterization of alveolar microstructure integrity via diffusion-weighted MRI14,15,16.
Inhaled 129Xe has been proven safe and tolerable in adult and pediatric subjects, including those with pulmonary disease17,18. Measurements of lung function derived from 129Xe MRI have shown sensitivity to structural and functional alterations in many pulmonary disease contexts, including chronic obstructive pulmonary disease6,10,19, cystic fibrosis20,21,22, idiopathic pulmonary fibrosis23,24,25, and asthma7,10,26. Given the high safety and tolerability of 129Xe MRI, the lack of ionizing radiation in MRI compared with other common imaging approaches, and the high reproducibility of 129Xe MRI results27,28, 129Xe MRI holds significant promise, in particular for precise serial monitoring of individuals receiving a time course of therapy for chronic pulmonary disease.
The safety and clinical promise of 129Xe MRI have led to its FDA approval in December 2022 for lung ventilation imaging in persons aged 12 years and older29. Given this, it is anticipated that the number of research and clinical sites capable of performing 129Xe MRI (currently ~20 worldwide) will increase significantly over the coming years. As 129Xe MRI spreads to new institutions, it is important that robust methodological resources exist to allow sites to build out clinically relevant 129Xe MRI techniques quickly and to perform scans and generate results that are closely comparable with those of existing sites.
In this work, we will outline the current best practices for human hyperpolarized 129Xe MRI of lung ventilation, as agreed upon by member institutions of the 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) and summarized in a recent position paper30. Topics will include the preparation of tailored pulse sequences ideal for a complete 129Xe MRI workflow, preparation, and administration of hyperpolarized 129Xe gas, an optimized workflow for human 129Xe MRI sessions, and best practices for monitoring subject safety and comfort during MRI sessions.

作者聚焦：使用 129Xe MRI 推进肺部成像的标准化和最佳实践

获取肺通气的超极化 129Xe 磁共振图像

Our research seeks to establish Xenon MRI as a clinical tool for characterizing lung function. Xenon MRI allows us to directly visualize ventilation defects in patients with obstructive lung diseases like COPD, asthma, and cystic fibrosis. It offers information that can't be obtained from standard MRI and pulmonary function test.Xenon MRI was recently approved by the FDA for clinical evaluation of lung ventilation. This represents a culmination of a huge amount of effort by the people in our field and it's an exciting opportunity to show how Xenon MRI can improve patient care and outcomes in pulmonary disease. Xenon MRI is still a relatively new family of techniques, and standardization is still an ongoing process.This protocol distills the existing standards for Xenon ventilation MRI into a form that we hope will be useful to research in clinical sites who are trying to perform these scans for the first time. Common clinical readouts of lung function, like pulmonary function tests, only give a single number for the entire lung with no spatial information included. Xenon MRI can make regional assessments of several aspects of lung health and function, which we believe will be very useful in the clinic.Only a few institutions are currently performing Xenon MRI, but we expect there will be many more sites soon considering the recent FDA approval. We hope that this Xenon ventilation MRI protocol will serve as a blueprint for new sites and help em to ramp up their Xenon MRI operations more quickly.

图 1 显示了来自健康个体的代表性通气和三平面定位器图像。在通气图像中可以观察到整个肺部的高 129Xe 信号，并且该个体没有明显的通气障碍。
图 2、 图 3 和 图 4 显示了患病个体的代表性通气和解剖图像。 图 2 描绘了一个患有 α-1 抗胰蛋白酶缺乏症的...

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超极化 129Xe 磁共振成像 （MRI） 是一种研究肺功能区域分辨方面的方法。这项工作提出了肺通气超极化 129Xe MRI 的端到端标准化工作流程，特别关注脉冲序列设计、 129Xe 剂量制备、扫描工作流程和受试者安全监测的最佳实践。

Hyperpolarized 129Xe MRI comprises a unique array of structural and functional lung imaging techniques. Technique standardization across sites is ...

我们的研究旨在将氙气 MRI 建立为表征肺功能的临床工具。氙气 MRI 使我们能够直接可视化阻塞性肺病（如 COPD、哮喘和囊性纤维化）患者的通气缺陷。它提供了无法从标准 MRI 和肺功能测试中获得的信息。Xenon MRI 最近被 FDA 批准用于肺通气的临床评估。这代表了我们领域人员大量努力的结晶，这是一个令人兴奋的机会，可以展示氙气 MRI 如何改善肺部疾病的患者护理和结果。氙气MRI仍然是一个相对较新的技术家族，标准化仍然是一个持续的过程。该协议将氙气通气MRI的现有标准提炼成一种形式，我们希望这种形式对首次尝试进行这些扫描的临床研究中心的研究有用。肺功能的常见临床读数，如肺功能测试，仅给出整个肺的单个数字，不包括空间信息。氙气MRI可以对肺部健康和功能的几个方面进行区域评估，我们相信这在临床上非常有用。目前只有少数机构在进行氙气MRI，但考虑到最近的FDA批准，我们预计很快就会有更多的机构进行。我们希望这种氙气通风 MRI 协议将作为新站点的蓝图，并帮助他们更快地提升其氙气 MRI 操作。

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JoVE Journal

Medicine

Acquiring Hyperpolarized 129Xe Magnetic Resonance Images of Lung Ventilation

603 次观看.  University of Virginia. 我们的研究旨在将氙气 MRI 建立为表征肺功能的临床工具。氙气 MRI 使我们能够直接可视化阻塞性肺病（如 COPD、哮喘和囊性纤维化）患者的通气缺陷。它提供了无法从标准 MRI 和肺功能测试中获得的信息。Xenon MRI 最近被 FDA 批准用于肺通气的临床评估。这代表了我们领域人员大量努力的结晶，这是一个令人兴奋的机会，可以展示氙气 MRI 如何改善肺部疾病的患者护理和结...