Quantitatives Maß für die Lungenstruktur und -funktion aus der hyperpolarisierten Xenon-Spektroskopie

Zusammenfassung

Das Manuskript stellt ein detailliertes Protokoll für die Verwendung der hyperpolarisierten Xenon-129-Chemikalienverschiebungssättigungswiederherstellung (CSSR) vor, um den Lungengasaustausch zu verfolgen, die scheinbare Wanddicke des Alveolarseptums zu beurteilen und das Oberflächen-Volumen-Verhältnis zu messen. Die Methode hat das Potenzial, Lungenerkrankungen zu diagnostizieren und zu überwachen.

Zusammenfassung

Die hyperpolarisierte Xenon-129 (HXe)-Magnetresonanztomographie (MRT) bietet Werkzeuge zur Erstellung von 2- oder 3-dimensionalen Karten der Lungenventilationsmuster, der Gasdiffusion, der Xenonaufnahme durch das Lungenparenchym und anderer Lungenfunktionsmetriken. Durch den Austausch von räumlicher gegen zeitliche Auflösung ermöglicht es jedoch auch die Verfolgung des pulmonalen Xenon-Gasaustauschs auf einer Zeitskala von ms. In diesem Artikel wird eine solche Technik beschrieben, die MR-Spektroskopie (Chemical Shift Saturation Recovery, CSSR). Es wird veranschaulicht, wie es zur Beurteilung des kapillaren Blutvolumens, der Septumwanddicke und des Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses in den Alveolen verwendet werden kann. Der Flip-Winkel der angelegten Hochfrequenzpulse (RF) wurde sorgfältig kalibriert. Für die Verabreichung des Gases an den Probanden wurden Einzeldosis-Atemanhalte- und Mehrfachdosis-Freiatemprotokolle verwendet. Sobald das eingeatmete Xenongas die Lungenbläschen erreichte, wurde eine Reihe von 90°-HF-Impulsen angelegt, um eine maximale Sättigung der akkumulierten Xenon-Magnetisierung im Lungenparenchym zu gewährleisten. Nach einer variablen Verzögerungszeit wurden Spektren aufgenommen, um das Nachwachsen des Xenon-Signals aufgrund des Gasaustauschs zwischen dem alveolären Gasvolumen und den Gewebekompartimenten der Lunge zu quantifizieren. Diese Spektren wurden dann analysiert, indem komplexe Pseudo-Voigt-Funktionen an die drei dominanten Peaks angepasst wurden. Schließlich wurden die verzögerungszeitabhängigen Spitzenamplituden an ein eindimensionales analytisches Gasaustauschmodell angepasst, um physiologische Parameter zu extrahieren.

Einleitung

Die hyperpolarisierte Xenon-129 (HXe)-Magnetresonanztomographie (MRT)¹ ist eine Technik, die einzigartige Einblicke in die Struktur, Funktion und Gasaustauschprozesse der Lunge bietet. Durch die drastische Verstärkung der Magnetisierung von Xenongas durch optisches Spinaustauschpumpen erreicht die HXe-MRT eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses um eine Größenordnung im Vergleich zur thermisch polarisierten Xenon-MRT ^2,3,4,5,6. Diese Hyperpolarisation ermöglicht die direkte Visualisierung und Quantifizierung der Aufnahme von Xenongas in Lungengewebe und Blut, die sonst mit der herkömmlichen thermisch polarisierten MRT nicht nachweisbar wäre⁷.

Die MRT-Spektroskopie 8,9,10,11,12,13 hat sich als eine der wertvollsten HXe-MRT-Techniken erwiesen. Bei der CSSR wird die Magnetisierung von im Lungengewebe und Blut gelöstem Xenon mit frequenzspezifischen Hochfrequenzimpulsen (RF) selektiv gesättigt. Die anschließende Wiedergewinnung des Signals der gelösten Phase (DP) beim Austausch mit frischem hyperpolarisiertem Xenongas in den Lufträumen auf einer Zeitskala von ms liefert wichtige funktionelle Informationen über das Lungenparenchym.

Seit ihrer Entwicklung in den frühen 2000er Jahren wurden die Techniken der CSSR-Spektroskopie schrittweise verfeinert 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Darüber hinaus haben Fortschritte bei der Modellierung von Xenon-Aufnahmekurven die Extraktion spezifischer physiologischer Parameter ermöglicht, wie z. B. die Alveolarwanddicke und die Lungentransitzeiten 10,24,25,26. Studien haben gezeigt, dass CSSR empfindlich auf subtile Veränderungen der Lungenmikrostruktur und der Gasaustauscheffizienz in Form von Lungenanomalien reagiert, die bei klinisch gesunden Rauchern auftreten²⁷, sowie bei einer Reihe von Lungenerkrankungen, einschließlich chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD)18,27,28, Fibrose²⁹ und strahleninduzierter Lungenschädigung ^30,31. Es wurde auch gezeigt, dass die CSSR-Spektroskopie empfindlich ist, um Oszillationen im DP-Signal zu erkennen, die dem pulsierenden Blutfluss während des Herzzyklus entsprechen³².

Obwohl erhebliche Fortschritte erzielt wurden, bleiben praktische Herausforderungen bei der Implementierung der CSSR-Spektroskopie in klinischen MRT-Systemen bestehen. Scanzeiten, die ein Atemanhalten in einer Einzeldosis von fast 10 s erfordern, können bei pädiatrischen Probanden^33,34 oder Patienten mit schwerer Lungenerkrankung^35,36 zu lang sein. Darüber hinaus ist das Verfahren anfällig für Messverzerrungen, wenn Erfassungsparameter wie die Reihenfolge der Sättigungsverzögerungszeiten oder die Wirksamkeit der Sättigung in der gelösten Phase nicht ordnungsgemäß optimiert sind²¹. Um diese Einschränkungen zu überwinden und die CSSR für die breitere Forschungsgemeinschaft zugänglicher zu machen, sind klare, schrittweise Protokolle sowohl für das konventionelle Atemanhalten als auch für die Erfassung der freien Atmung erforderlich, die sich derzeit in der Entwicklung befinden.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine detaillierte Methodik zur Durchführung einer optimierten CSSR-MR-Spektroskopie mit HXe-Gas vorzustellen. Das Protokoll umfasst die Polarisation und Abgabe des Xenon-Gases, die Kalibrierung von HF-Impulsen, die Auswahl der Sequenzparameter, die Vorbereitung der Probanden, die Datenerfassung und die wichtigsten Schritte der Datenanalyse. Beispiele für experimentelle Ergebnisse werden zur Verfügung gestellt. Es ist zu hoffen, dass dieser umfassende Leitfaden als Grundlage für CSSR-Implementierungen an verschiedenen Standorten dienen und dazu beitragen wird, das volle Potenzial dieser Technik zur Quantifizierung mikrostruktureller Veränderungen der Lunge bei einer Reihe von Lungenerkrankungen auszuschöpfen.

Protokoll

HINWEIS: Während die hier beschriebene hyperpolarisierte Xenon-129 CSSR-MRT-Spektroskopietechnik häufig für die Bildgebung von Tieren und Menschen verwendet wird, bezieht sich das folgende Protokoll nur auf Studien am Menschen. Alle Bildgebungsprotokolle entsprachen den FDA-Grenzwerten für die spezifische Absorptionsrate (SAR) (4 W/kg) und wurden vom Institutional Review Board an der University of Pennsylvania genehmigt. Von jedem Probanden wurde eine Einverständniserklärung eingeholt.

1. Design der Pulssequenz

1. Entscheiden Sie, ob Sie eine Messung mit angehaltenem Atem oder freier Atmung durchführen möchten.
   HINWEIS: Die Erfassung des Atemanhaltens ist technisch einfacher, da sie nur die Inhalation einer Einzeldosis (500 - 1000 ml) HXe-Gas erfordert, gefolgt von einem 10-stündigen Atemanhalten, bei dem die MRT-Daten gesammelt werden. Unkooperative Probanden (z. B. kleine Kinder) oder Patienten mit schwerer Lungenerkrankung können jedoch nicht in der Lage sein, ihren Atem so lange anzuhalten, so dass eine freie Atemerwerbung, die die Inhalation von mehreren, kleinen Dosen (~ 50 ml) im Laufe einiger Minuten beinhaltet, ratsam sein kann.
2. Verwenden Sie für eine CSSR-MRT-Spektroskopie-Studie mit angehaltenem Atem variable Verzögerungszeiten für maximale Flexibilität und hohe Anregungs-Flip-Winkel von bis zu 90° für maximale Signal-Rausch-Verhältnisse (Abbildung 1A).
   1. Um die DP-Magnetisierung auf einem 1,5-T-MRT-Scanner zu sättigen, wenden Sie 5 rechteckige 90°-Radiofrequenzimpulse (RF) mit einer Mittenfrequenz von 198 ppm, 2,5 ms und 218 ppm, 2,5 ms für 2 Impulse und einer Mittenfrequenz von 208 ppm und 2,0 ms für die restlichen 3 Impulse an. Wenn es der HF-Leistungsverstärker zulässt, verkürzen Sie die Dauer der HF-Impulse für Messungen bei höheren Feldstärken.
   2. Trennen Sie alle HF-Pulse durch 1 ms Gradientenspoiler, abwechselnd entlang der x-, y- und z-Achse: 200 μs Rampenzeit, 600 μs Plateauzeit, 20 mT/m.
   3. Warten Sie nach dem abschließenden Sättigungsimpuls auf eine Verzögerungszeit τi, wobei i sich auf die i-te Messung im Atemanhalten bezieht. Verwenden Sie die folgenden Verzögerungszeiten in der vorgeschriebenen Reihenfolge: 50, 2,5, 2,5, 2,5, 3,5, 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 ms.
   4. Wenden Sie einen Gaußschen HF-Anregungsimpuls von 1,2 ms an, der bei 208 ppm zentriert ist. Stellen Sie den Flip-Winkel auf 90° ein. Wenn der HF-Verstärker dies nicht zulässt, verwenden Sie den maximalen Flip-Winkel, den der Verstärker zulässt. Skalieren Sie die Länge der HF-Anregungsimpulse umgekehrt proportional zur Feldstärke für Messungen an Hochfeld-Scannern.
   5. Den freien Induktionszerfall wird für 30,72 ms (1024 Abtastpunkte) abgetastet. Während die Gasphase T2* bei 1,5 T in der Größenordnung von 15 ms liegt, reduziert sich die Abtastdauer bei höheren Feldstärken erheblich, ohne dass eine zusätzliche Signalapodierung vor der Verarbeitung erforderlich ist.
   6. Wenden Sie einen 5 ms Gradientenspoiler entlang der x-Achse an: 200 μs Rampenzeit, 4,6 ms Plateauzeit, 20 mT/m.
   7. Wiederholen Sie die Schritte 1.2.1 - 1.2.6 40x mit einem anderen τi während desselben Atemanhaltens, wie in Schritt 1.2.3 beschrieben.
   8. Für eine frei atmende CSSR-MR-Spektroskopie-Studie führen Sie die folgende Messung kontinuierlich für ca. 3 Minuten durch (Abbildung 1B), obwohl die Erfassung früher beendet werden kann, wenn das zugewiesene HXe-Gasvolumen erschöpft ist.
   9. Wiederholen Sie die Schritte 1.2.1 und 1.2.2. Wiederholen Sie Schritt 1.2.4 mit einem Schwenkwinkel auf 7°. Den freien Induktionszerfall wird 10,24 ms lang abgetastet (512 Abtastpunkte).
   10. Wenden Sie einen Gradientenspoiler von 1 ms entlang der x-Achse an: 200 ms Rampenzeit, 600 ms Plateauzeit, 20 mT/m. Wiederholen Sie die Schritte 1.2.3 - 1.2.5 40x mit einer Wiederholzeit von 12,6 ms.
   11. Wiederholen Sie die Schritte 1.2.1 - 1.2.6 bis zum Ende der Studie.

2. Vorbereitung auf die Patientenuntersuchung

1. Stellen Sie vor jeder Studie sicher, dass eine saubere Gesichtsmaske vorbereitet und über einen dünnen, flexiblen Schlauch mit dem Gasleitungssynchronisationsgerät verbunden ist.
2. Für Messungen mit freier Atmung ist ein bidirektionaler Pneumotach für Durchflussmessungen anzubringen.
3. Führen Sie einen Routinetest mit einer Glasspritze durch, um die Atmung nachzuahmen, um die ordnungsgemäße Gasinjektion zu überprüfen. Das Gasabgabegerät sollte den Beginn der Inhalation aus den Durchflussmessungen des Pneumotachs erkennen und so die Gasinjektion in die Maske ermöglichen.
4. Richten Sie das optionale physiologische Überwachungssystem ein, das Atemkurven (Fluss und Volumina) und Echtzeit-Gasanalysen (O₂ und CO₂) während der Bildgebung aufzeichnet.
5. Schließen Sie die MRT-Raumkopfhörer an und testen Sie sie mit dem Audiosignal, das den Probanden mithilfe einer Ein- und Ausatmungs-Audioaufzeichnung leitet. Passen Sie die Wiedergabegeschwindigkeit der Audiospur basierend auf der normalen Atemfrequenz jedes Motivs an.
6. Bereiten Sie das Scannerbett mit einer sauberen Kopfstütze, einem Beinstützkissen und einer Decke vor.
7. Legen Sie die gelöste Xenon-129-Brustwestenspule auf den Tisch des MRT-Scanners. Stecken Sie den Anschlussstecker der Spule ein und stellen Sie sicher, dass der MR-Scanner die Spule erkennt.

3. Vorbereitung und Begleitung von Themen

1. Wenn der Proband in der Bildgebungseinrichtung ankommt, holen Sie eine schriftliche Einverständniserklärung mit einer vom IRB genehmigten Einverständniserklärung ein. Sobald die Einwilligung eingeholt wurde, untersuchen Sie den Probanden mit einem MRT-Sicherheitsfragebogen und einem Metalldetektor.
2. Bitten Sie die Person, jegliches Metall oder Schmuck von ihrer Person zu entfernen und in ein Patientenkleid zu wechseln.
3. Trainieren Sie den Probanden, sich an das ausgewählte Atemprotokoll zu halten (Atemanhalten oder freies Atmen).
4. Für eine freie Atemuntersuchung führen Sie den Probanden in die Ein- und Ausatmungs-Sprachaufzeichnung ein, die während der Bildgebung abgespielt wird und mit der er seine Atmung synchronisieren sollte.
5. Führen Sie den Probanden in den MRT-Raum und positionieren Sie ihn auf dem Scannerbett: auf der offenen Xenon-Westenspule liegend.
6. Sobald die Person positioniert ist, befestigen Sie die Velcro-Gurte so, dass die Westenspirale geschlossen ist, aber die Brust der Person nicht einengt.
7. Für eine freie Atemuntersuchung legen Sie eine Gesichtsmaske mit einem Pneumotach über das Gesicht des Patienten und ziehen Sie die Bänder so fest, dass die Maske eng an Nase und Mund anliegt, ohne zu eng zu sein. Nehmen Sie die Maske nach dem Anpassen ab und legen Sie sie für später beiseite, wobei Sie die Bänder hinter dem Kopf des Motivs belassen.
8. Platzieren Sie zwei Pulsoximeter am rechten bzw. linken Zeigefinger des Probanden, um die Herzfrequenz und die Blutsauerstoffsättigung (SPO₂) während der gesamten Dauer der Studie kontinuierlich zu überwachen und aufzuzeichnen.
9. Setzen Sie MRT-kompatible Kopfhörer über die Ohren des Probanden.
10. Bewegen Sie den MRT-Scannertisch so in die Magnetbohrung, dass die Lungen des Probanden in der Mitte des Sichtfelds positioniert sind.

4. Hyperpolarisierte Xenon-129-Polarisation (Kalibriergas)

HINWEIS: Im Folgenden finden Sie die Protokollschritte für die Polarisation von Xenon-129-Gas mit unserem Polarisationsgerät. Stellen Sie gemäß der herstellerspezifischen Bedienungsanleitung für Ihren installierten Gaspolarisator ein.

1. Erhitzen Sie den Xenon-Polarisator ca. 2,5 h vor Beginn der Studie. Da Xenongas, insbesondere angereichert >85% Xenon-129, sehr teuer ist (derzeit ~500 $ pro L) und nach der Polarisation nicht wieder eingefangen werden kann, sollte der Polarisationsprozess erst gestartet werden, wenn das Subjekt an der Bildgebungsstelle angekommen ist.
2. Fädeln Sie den Verbindungsschlauch eines speziellen 250-ml-PVF-Beutels durch einen Verschlussclip. Stellen Sie sicher, dass der Clip den Schlauch nicht einklemmt.
3. Befestigen Sie den speziellen PVF-Beutel an einem der vier verfügbaren Polarisator-Dosieranschlüsse.
4. Wählen Sie auf dem Touchscreen des Polarisators den angereicherten Xenon-Tank aus, stellen Sie die Durchflussrate auf mittel und stellen Sie das Polarisationsvolumen auf 250 ml ein.
5. Drücken Sie die Start-Taste, um den Polarisationsprozess zu starten. Der eigentliche Polarisationsvorgang, das Ausfrieren, Auftauen und Dosieren von Xenon in den speziellen PVF-Beutel, ist vollautomatisch und dauert etwa 15 Minuten für 250 mL Xenon.
6. Wenn das polarisierte Xenon-Gas abgegeben wurde, zeigt der Polarisator eine Meldung auf dem Touchscreen an, die besagt, dass der Beutel jetzt entfernt werden kann.
7. Klemmen Sie das Verbindungsrohr des speziellen PVF-Beutels mit dem Verschlussclip zu. Trennen Sie den speziellen PVF-Beutel und platzieren Sie ihn schnell in der Bohrung des MRT-Scanners, um eine schnelle Gasdepolarisation zu verhindern.

5. Hyperpolarisierte Xenon-129-Inhalation zur Kalibrierung

1. Platzieren Sie einen Nasenclip auf der Nase des Probanden, um die Atmung durch den Mund zu verbessern.
2. Führen Sie am Ende der normalen Exspiration das Mundstück des Xenon-Beutels in den Mund des Probanden ein.
3. Sobald der Proband 250 ml Xenon-Dosis aus dem Beutel inhaliert hat, entfernen Sie das Mundstück und weisen Sie den Probanden an, weiterhin Raumluft einzuatmen, bis seine Lungen voll sind.
4. Bitten Sie den Probanden am Ende der Inspiration, den Daumen zu heben, und den Koordinator der Krankenschwester, diese Informationen mündlich an den Scannerbediener weiterzuleiten, um die Impulssequenz zu starten.
5. Bitten Sie bei Probanden, die nicht in der Lage sind, den Atem anzuhalten, den Koordinator der Krankenschwester, die Brustbewegung des Probanden zu beobachten und den Bediener zu informieren, wenn der Proband die Ausatmung erreicht hat und mit der Inspiration beginnt. Während dieser Ansatz das Messsignal aufgrund der teilweisen Ausatmung von eingeatmetem Xenongas verringert, stellt er sicher, dass das Volumen von Xenon in der Lunge des Probanden während der Erfassung der Kalibrierdaten ziemlich konstant bleibt.
6. Weisen Sie den Probanden am Ende des Datenerfassungszeitraums (~5 s) an, wieder normal zu atmen.

6. Kalibrierung der Gasfrequenz- und Hochfrequenz-Impulsspannung

HINWEIS: Vor dem Ausführen einer Pulssequenz kalibrieren moderne MRT-Scanner in der Regel die Resonanzfrequenz des MRT-Signals und die an die Sende-HF-Spule anzulegende Spannung, um den gewünschten Flip-Winkel für die Anregungsimpulse zu erreichen. Bei der konventionellen Protonen-MRT erfolgt dieser Kalibrierungsprozess automatisch und in der Regel transparent für den Anwender. Diese automatische Kalibrierung ist jedoch für hyperpolarisierte Xenon-129-Studien nicht möglich, da keine Signalquelle im thermischen Gleichgewicht zur Verfügung steht. Stattdessen müssen die Frequenz und die Spannung für die HF-Impulse manuell kalibriert werden. Bei dem hier verwendeten MRT-Scanner erfolgt diese manuelle Kalibrierung durch die Bereitstellung einer Referenzspannung, aus der die Software des Scanners dann die passende Spannung für alle nachfolgenden HF-Impulse berechnet. Lesen Sie die herstellerspezifische Bedienungsanleitung für das MRT-System, um zu verstehen, wie diese Kalibrierungsdaten in die Messsoftware eingegeben werden.

1. Laden Sie eine Protonen-Scout-Pulssequenz. Wählen Sie ein Sichtfeld von 400 mm. Erfassen Sie 10 koronale Scheiben (10 mm Scheibendicke, 20 % Abstand).
2. Überprüfen Sie die Protonenbilder und stellen Sie sicher, dass die Lunge des Motivs im Sichtfeld zentriert ist. Positionieren Sie das Motiv bei Bedarf neu und wiederholen Sie Schritt 1.
3. Laden Sie die Kalibrierimpulssequenz. Verwenden Sie die HXe-Gasphasenfrequenz (GP) aus dem letzten Humanscan als Startschätzung der Empfängerfrequenz.
4. Stellen Sie die Referenzspannung so ein, dass das GP-Signal zwischen dem ersten und dem letzten Spektren, das mit der Kalibrierungssequenz erfasst wurde, bei den meisten Probanden um ca. 70 % bis 80 % abnimmt. Stellen Sie für die HF-Brustspule die anfängliche Referenzspannung auf 75 V ein.
5. Beginnen Sie die Sequenz, wenn der Proband die HXe-Kalibrierungsdosis inhaliert hat und den Atem anhält oder, wenn ein Atemanhalten nicht erreicht werden kann, wenn der Proband den Endpunkt des Ausatmens überschritten hat.
   1. Legen Sie einen Gaußschen HF-Anregungsimpuls von 1,2 ms an, der bei 0 ppm zentriert ist. Stellen Sie den nominalen Schwenkwinkel auf 90° ein. Da die anfängliche Referenzspannung jedoch weit unter ihrem wahren Wert liegt, liegt der tatsächlich angewendete Flip-Winkel bei etwa 15°.
   2. Den freien Induktionszerfall wird für 30,72 ms (1024 Abtastpunkte) abgetastet. Wenden Sie einen Gradientenspoiler von 20 ms entlang der x-Achse an: 500 ms Rampenzeit, 19 ms Plateauzeit, 20 mT/m. Beachten Sie, dass diese Gradientenspezifikationen nicht optimiert sind, kürzere Gradientendauern sind wahrscheinlich ausreichend.
   3. Wiederholen Sie die Schritte 6.5.1.-6.5.2. 16 mal mit einer Wiederholzeit von 55 ms. Wiederholen Sie erneut die Schritte 6.5.1-6.5.2. 16 mal mit einer Wiederholzeit von 220 ms.
6. Sobald die Datenerfassung abgeschlossen ist, weisen Sie den Probanden an, zur normalen Atmung zurückzukehren.
7. Beurteilen Sie das Wohlbefinden des Probanden, indem Sie den SPO_2-Wert überprüfen und nach möglichen Nebenwirkungen fragen.
8. Laden Sie die gemessenen Kalibrierdaten auf ein USB-Laufwerk herunter und übertragen Sie sie dann zur weiteren Analyse auf einen Laptop.
9. Verwenden Sie ein MATLAB-Skript, um die Mittenfrequenz des GP-Peaks, den Flip-Winkel der HF-Anregungsimpulse und das HXe-Gas T1 in der Lunge zu extrahieren.
   1. Laden Sie die 32 FIDs, die von der Kalibrierungssequenz erfasst wurden. Verwenden Sie schnelle Fourier-Transformationen (FFTs), um die FIDs in Spektren umzuwandeln.
   2. Phasenweise erreichen die GP-Spitzen nullter Ordnung. Passen Sie eine Pseudo-Voigt-Linienform an die phasenweise reale Komponente der GP-Peaks an.
   3. Berechnen Sie die GP-Frequenz als Mittelwert über die Mittenfrequenzen der ersten 10 Fits, da diese das höchste Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen. Geben Sie den Frequenzmittelwert auf dem Bildschirm aus.
   4. Integrieren Sie den Bereich unter allen GP-Peaks. Passen Sie monoexponentielle Zerfallsfunktionen an die ersten 16 und zweiten 16 GP-Peakbereiche an.
   5. Extrahieren Sie GP T1 und den angewendeten Flip-Winkel aus den beiden angepassten Abklingkurven.

7. Hyperpolarisierte Xenon-129-Polarisation (Messgas)

1. Für die Polarisation des Messgases sind die Schritte 4.2 - 4.7 mit folgenden Änderungen zu befolgen:
   1. Verwenden Sie einen speziellen 500-ml-PVF-Beutel anstelle eines 250-ml-Beutels.
   2. Stellen Sie das Polarisationsvolumen auf 500 mL statt auf 250 mL ein. Der Polarisationsprozess dauert ca. 20 min für 500 mL.

8. Hyperpolarisierte Xenon-129-Inhalation zur Messung (Atemanhalten)

1. Platzieren Sie einen Nasenclip auf der Nase des Probanden, um die Atmung durch den Mund zu verbessern.
2. Führen Sie am Ende der normalen Exspiration bis zur funktionellen Restkapazität das Mundstück des Xenonbeutels in den Mund des Probanden ein.
3. Sobald der Proband 500 ml Xenongas aus dem Xenonbeutel eingeatmet hat, entfernen Sie das Mundstück und weisen Sie den Probanden an, weiterhin Raumluft einzuatmen, bis seine Lungen voll sind.
4. Bitten Sie den Probanden am Ende der Inspiration, den Daumen zu heben, und den Koordinator der Krankenschwester, diese Informationen mündlich an den Scannerbediener weiterzuleiten, um die Impulssequenz zu starten.
5. Bitten Sie den Probanden am Ende des Datenerfassungszeitraums (~8 s), wieder normal zu atmen.

9. Hyperpolarisierte Xenon-129-Inhalation zur Messung (Freie Atmung)

1. Bewegen Sie für den Messscan die Person aus dem MRT-Scanner, legen Sie die Gesichtsmaske über Nase und Mund und verbinden Sie die vorgefertigten Bänder hinter dem Kopf mit der Maske, um die Maske an Ort und Stelle zu halten. Der Pneumotach auf der Maske erkennt die aufeinanderfolgenden Ein- und Ausatmungen der Person und löst das Gaszufuhrsystem aus, um Gas abzugeben, wenn eine Einatmung erkannt wird.
2. Bewegen Sie das Motiv zurück in seine ursprüngliche Position im Scanner.
3. Spielen Sie die Audioaufnahme zum Ein- und Ausatmen ab, damit der Proband sein Atemmuster mit dem Atemprotokoll synchronisieren kann.
4. Sobald der Proband in den Rhythmus des Atemprotokolls gekommen ist, bitten Sie den Koordinator der Krankenschwester, den MRT-Bediener zu informieren, um mit der Datenerfassung zu beginnen. Der Koordinator der Krankenschwester öffnet dann die Ventile am Gasversorgungssystem und der Proband beginnt, 50 ml hyperpolarisiertes Xenon-129 einzuatmen, das sich mit dem Luftstrom in der Atemmaske vermischt.
5. Bitten Sie den Patienten, etwa 10 Atemzüge lang fortzufahren, bis das Xenon-Gasvolumen für das Bildgebungsprotokoll aufgebraucht ist.

10. Messdatenerfassung (Atemanhalten)

1. Laden Sie die CSSR-Impulssequenz zum Anhalten des Atems, wie in Schritt 1.2 beschrieben. Stellen Sie die Erfassungsfrequenz entsprechend der HXe GP-Frequenz ein, die während des Kalibrierungsscans in Schritt 6 ermittelt wurde.
2. Stellen Sie die Referenzspannung so ein, dass sie dem Wert entspricht, der aus dem in Schritt 6 beschriebenen Kalibrierungsscan erhalten wurde.
3. Wählen Sie die Option Warten auf Benutzer oder eine entsprechende Option für die Ausführung der Sequenz gemäß den Bedienungsanweisungen des Systemanbieters.
4. Starten Sie die Sequenz. Der MRT-Scanner schließt die Vorbereitung der Sequenz ab, pausiert dann und wartet, bis der Benutzer mit der Datenerfassung beginnt.
5. Beginnen Sie mit der Datenerfassung, wenn der Proband die HXe-Messdosis eingeatmet hat, die Atemwege gespült hat, indem er weiterhin Raumluft einatmet, bis die Lungen gefüllt sind, und mit dem Anhalten des Atems begonnen hat. Letzteres sollte nach Anweisung des Schwesternkoordinators durchgeführt werden und in Schritt 5 und Schritt 8 beschrieben.
6. Sobald die Datenerfassung abgeschlossen ist, weisen Sie den Probanden an, zur normalen Atmung zurückzukehren.
7. Beurteilen Sie das Wohlbefinden des Probanden, indem Sie den SPO_2-Wert überprüfen und nach möglichen Nebenwirkungen fragen.
8. Laden Sie die gemessenen CSSR-Daten auf ein USB-Laufwerk herunter und übertragen Sie sie dann zur weiteren Analyse auf einen Laptop.

11. Messdatenerfassung (Freie Atmung)

1. Laden Sie die CSSR-Pulssequenz für die freie Atmung, wie in Schritt 1.3 beschrieben.
2. Stellen Sie die Erfassungsfrequenz entsprechend der HXe GP-Frequenz ein, die während des Kalibrierungsscans in Schritt 6 ermittelt wurde.
3. Stellen Sie die Referenzspannung so ein, dass sie dem Wert entspricht, der aus dem in Schritt 6 beschriebenen Kalibrierungsscan erhalten wurde.
4. Wählen Sie die Option Warten auf Benutzer oder eine entsprechende Option für die Ausführung der Sequenz gemäß den Bedienungsanweisungen des Systemanbieters.
5. Starten Sie die Sequenz. Der MRT-Scanner schließt die Vorbereitung der Sequenz ab, pausiert dann und wartet, bis der Benutzer mit der Datenerfassung beginnt.
6. Starten Sie die Datenerfassung, sobald der Schwesternkoordinator bereit ist, von Raumluft auf HXe-Gas/Luft-Gemisch umzuschalten, wie in Schritt 9.4 beschrieben. Stellen Sie sicher, dass die Sequenz bereits ausgeführt wird, bevor der Proband die erste Dosis Xenongas einatmet.
7. Sobald die Datenerfassung nach 3 Minuten Messung abgeschlossen ist oder beendet wurde, wenn das gesamte HXe-Gas verwendet wurde, entfernen Sie das Subjekt aus dem MRT-Scanner.
8. Beurteilen Sie das Wohlbefinden des Probanden, indem Sie den SPO_2-Wert überprüfen und nach möglichen Nebenwirkungen fragen.
9. Laden Sie die gemessenen CSSR-Daten auf ein USB-Laufwerk herunter und übertragen Sie sie dann zur weiteren Analyse auf einen Laptop.

12. CSSR-Datenanalyse

HINWEIS: Die erfassten Daten bestehen aus N x 40 freien Induktionszerfällen, wobei N die Anzahl der Wiederholungen der Erfassung mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten nach Sättigung der DP-Magnetisierung ist. Je nachdem, ob die CSSR-Messung als Atemanhalte- oder als freie Atemuntersuchung durchgeführt wurde, ist N entweder 1 bzw. die Häufigkeit, mit der die Erfassung wiederholt wurde, und sollte ungefähr das 2-fache der Messzeit in s betragen. Die anschließende Datenanalyse für beide Szenarien über MATLAB-Skripte ist jedoch im Wesentlichen identisch, sofern nicht anders angegeben.

1. Laden Sie die von der CSSR-Sequenz erfassten FIDs. Verwenden Sie schnelle Fourier-Transformationen (FFTs), um die FIDs in Spektren umzuwandeln.
2. Phasenweise erreichen die GP-Spitzen nullter Ordnung. Phasenweise stellen Sie die DP-Spitzen auf erste Ordnung ein.
3. Passen Sie eine Pseudo-Voigt-Linienform an die phasenweise reale Komponente der GP-Peaks an.
4. Für Messungen der freien Atmung dividieren Sie alle Spektren durch den Bereich unterhalb der angepassten GP-Peaks. Mittelung aller Spektren bei gleicher Verzögerungszeit.
5. In allen Spektren passen Sie zwei Pseudo-Voigt-Linienformen an die phasengesteuerten realen Komponenten der Membranpeaks bei ~196 ppm und der Peaks der roten Blutkörperchen bei ~217 ppm an.
6. Integrieren Sie die Flächen unterhalb der eingepassten DP-Peaks.
7. Für Messungen mit anhaltendem Atem ist die Messung der Verzögerungszeit von 50 ms wiederholt zu erfassen (siehe Schritt 1.2.8), die eine genauere Abklingkorrektur ermöglicht als die Normalisierung mit dem GP-Signal.
8. Passen Sie eine exponentielle Zerfallsfunktion an das Membran-Peak-Signal als Funktion des Erfassungsindex an.
9. Multiplizieren Sie alle Peaksignale der Membran und der roten Blutkörperchen mit dem Kehrwert der angepassten exponentiellen Zerfallsfunktion für den jeweiligen Akquisitionsindex.
10. Passen Sie die korrigierten Signale der Membran und der roten Blutkörperchen in Abhängigkeit von ihrer Verzögerungszeit an ein Xenon-Gasaufnahmemodell an. Die beiden am häufigsten verwendeten Modelle sind die von Patz et ^al.24 und Chang et al.25,37,38. In der Regel analysieren wir Daten mit dem Patz-Modell.
11. Passen Sie sie an beide Modelle an, um das alveoläre Oberflächen-Volumen-Verhältnis, die scheinbare Wandstärke des Alveolarseptums und die Kapillartransitzeit zu erhalten. Darüber hinaus liefert das von Chang et al. vorgeschlagene Modell des Xenonaustauschs (MOXE) die Dicke der Barriere zwischen den Gefäßen und dem Alveolarvolumen sowie den Hämatokrit.

Ergebnisse

Abbildung 2 zeigt ein typisches Xenon-Spektrum, das in der menschlichen Lunge während eines Atemanhaltens nach der Inhalation von 500 ml Xenon-Dosis beobachtet wurde. Das Spektrum zeigt zwei unterschiedliche Regionen, die GP-Resonanz um 0 ppm und die DP-Region, die aus dem Membranpeak bei etwa 197 ppm und dem Peak der roten Blutkörperchen bei etwa 217 ppm besteht. Die relativen Spitzenamplituden hängen von einer Reihe von Faktoren ab, darunter die Form, Dauer und Mittenfrequenz des HF-Anr...

Diskussion

Die HXe CSSR-MR-Spektroskopie ist eine leistungsfähige Technik zur Beurteilung verschiedener Lungenfunktionsmetriken, die mit einer anderen bestehenden diagnostischen Modalität in vivo nur schwer oder gar nicht quantifiziert werden könnten²⁴. Nichtsdestotrotz basieren die Erfassung und die anschließende Datenanalyse auf bestimmten Annahmen über physiologische Bedingungen und technische Parameter, die bei lebenden Probanden nie vollständig erreichbar sind. Diese Einschränkungen und ...

Materialien

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