Acquisition d’images par résonance magnétique hyperpolarisées 129Xe de la ventilation pulmonaire

Résumé

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) hyperpolarisée ¹²⁹Xe est une méthode permettant d’étudier les aspects de la fonction pulmonaire résolus au niveau régional. Ce travail présente un flux de travail standardisé de bout en bout pour l’IRM hyperpolarisée ¹²⁹Xe de la ventilation pulmonaire, avec une attention particulière à la conception de la séquence d’impulsions, à la préparation de la dose de ¹²⁹Xe, au flux de travail d’imagerie et aux meilleures pratiques pour la surveillance de la sécurité des sujets.

Résumé

L’IRM hyperpolarisée ¹²⁹Xe comprend un éventail unique de techniques d’imagerie pulmonaire structurelle et fonctionnelle. La normalisation des techniques entre les sites est de plus en plus importante compte tenu de l’approbation récente par la FDA du ¹²⁹Xe comme agent de contraste IRM et de l’intérêt croissant pour l’IRM ¹²⁹Xe parmi les institutions de recherche et cliniques. Les membres du ¹²⁹Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) se sont mis d’accord sur les meilleures pratiques pour chacun des aspects clés du flux de travail ¹²⁹Xe MRI, et ces recommandations sont résumées dans une publication récente. Ce travail fournit des informations pratiques pour développer un flux de travail de bout en bout pour collecter ¹²⁹images Xe MR de la ventilation pulmonaire conformément aux recommandations Xe MRI CTC. La préparation et l’administration du ¹²⁹Xe pour les études IRM seront discutées et démontrées, avec des sujets spécifiques tels que le choix des volumes de gaz appropriés pour l’ensemble des études et pour les IRM individuelles, la préparation et l’administration de doses individuelles de ¹²⁹Xe, et les meilleures pratiques pour surveiller la sécurité des sujets et la tolérabilité du ¹²⁹Xe pendant les études. Les principales considérations techniques de l’IRM seront également abordées, notamment les types de séquences d’impulsions et les paramètres optimisés, l’étalonnage de l’angle de retournement et de la fréquence centrale de ¹²⁹Xe, et l’analyse des images de ventilation IRM ¹²⁹Xe.

Introduction

L’IRM ^{hyperpolarisée 129}Xe est un outil passionnant pour la caractérisation et la quantification non invasives et spatialement résolues d’aspects spécifiques de la fonction pulmonaire ^1,2,3. Des approches d’acquisition et de reconstruction similaires à celles utilisées dans l’IRM anatomique des protons produisent des images du ¹²⁹Xe inhalé dans les poumons, permettant de visualiser les régions pulmonaires non ventilées et de quantifier la distribution de la ventilation résolue par région 4,5,6,7,8 . Des techniques plus avancées de séquençage et d’analyse des impulsions fournissent d’autres informations complémentaires, notamment la quantification de l’efficacité des échanges gazeux entre les alvéoles et les capillaires pulmonaires par IRM spectroscopique 9,10,11,12,13 et la caractérisation de l’intégrité de la microstructure alvéolaire par IRM pondérée en diffusion 14,15,16.

L’inhalation de ¹²⁹Xe s’est avérée sûre et tolérable chez les sujets adultes et pédiatriques, y compris ceux atteints de maladie pulmonaire^17,18. Les mesures de la fonction pulmonaire dérivées de l’IRM ¹²⁹Xe ont montré une sensibilité aux altérations structurelles et fonctionnelles dans de nombreux contextes de maladies pulmonaires, y compris la bronchopneumopathie chronique^{obstructive 6,10,19}, la fibrose kystique 20,21,22, la fibrose pulmonaire idiopathique 23,24,25 et l’asthme ^7,10,26. Compte tenu de la sécurité et de la tolérabilité élevées de l’IRM ¹²⁹Xe, de l’absence de rayonnement ionisant en IRM par rapport à d’autres approches d’imagerie courantes et de la haute reproductibilité des résultats de l’IRM ¹²⁹Xe^27,28, ¹²⁹Xe MRI sont très prometteurs, en particulier pour la surveillance en série précise des personnes recevant un traitement pour une maladie pulmonaire chronique.

La sécurité et la promesse clinique de l’IRM ¹²⁹Xe ont conduit à son approbation par la FDA en décembre 2022 pour l’imagerie de la ventilation pulmonaire chez les personnes âgées de 12 ans et plus^{de 29} ans. Compte tenu de cela, on s’attend à ce que le nombre de sites de recherche et cliniques capables d’effectuer ¹²⁹IRM Xe (actuellement ~20 dans le monde) augmente considérablement au cours des prochaines années. À mesure que l’IRM ¹²⁹Xe se répand dans de nouveaux établissements, il est important que des ressources méthodologiques solides existent pour permettre aux sites de développer rapidement des techniques d’IRM ¹²⁹Xe cliniquement pertinentes et d’effectuer des examens et de générer des résultats étroitement comparables à ceux des sites existants.

Dans ce travail, nous décrirons les meilleures pratiques actuelles pour l’IRM hyperpolarisée ¹²⁹Xe humaine de la ventilation pulmonaire, telles qu’elles ont été convenues par les institutions membres du ¹²⁹Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) et résumées dans un récent document de position³⁰. Les sujets abordés comprendront la préparation de séquences d’impulsions sur mesure idéales pour un flux de travail complet d’IRM ¹²⁹Xe, la préparation et l’administration de gaz hyperpolarisé ¹²⁹Xe, un flux de travail optimisé pour les séances d’IRM ¹²⁹Xe humaines et les meilleures pratiques pour surveiller la sécurité et le confort des sujets pendant les séances d’IRM.

Protocole

Toute recherche impliquant des sujets humains doit être approuvée par un comité d’examen institutionnel (IRB). L’intervention de l’IRB n’est pas nécessaire pour l’utilisation clinique approuvée par les autorités réglementaires de l’IRM ¹²⁹Xe. Avant de participer à une étude de recherche, les sujets potentiels doivent recevoir un document de consentement éclairé approuvé. La personne qui obtient le consentement doit expliquer le contenu du document, y compris le but, les procédures, les avantages et les risques de l’étude, doit répondre à toutes les questions et doit obtenir le consentement du sujet pour poursuivre l’étude, comme le montre la signature du sujet sur le document de consentement éclairé. Dans le cas de sujets pédiatriques ou dans d’autres circonstances particulières, les pratiques approuvées pour obtenir le consentement doivent être suivies. Le protocole décrit ci-dessous suit les directives de l’IRB de l’Université de Virginie, et les sujets de l’exemple de cas dans ce manuscrit ont signé les formulaires de consentement approuvés par l’IRB de l’Université de Virginie (IRB 13647, 16215, 16885, 19569).

1. Préparation du matériel et des séquences d’impulsions pour l’IRM ¹²⁹Xe

REMARQUE : Les étapes du protocole de l’étape 1 doivent être effectuées avant de scanner des sujets humains. Ils n’ont pas besoin d’être répétés pour chaque matière.

1. Vérifiez que l’IRM est capable de fonctionner en plusieurs branches, y compris le ¹²⁹Xe.
2. Vérifiez que la bobine de radiofréquence (RF) ¹²⁹Xe peut être connectée à l’IRM, à l’aide d’un boîtier d’interface bobine-scanner spécialement conçu si nécessaire.
3. Vérifiez qu’un logiciel approprié (souvent appelé fichier de bobine) pour interfacer la bobine ^{RF 129}Xe avec le scanner IRM est installé si le fabricant du scanner l’exige.
4. Préparez des séquences d’impulsions pour l’imagerie ¹²⁹Xe et ¹H comme décrit ci-dessous.
   1. Pour l’étalonnage du ¹²⁹Xe, préparer une séquence spectroscopique non localisée comprenant une série de désintégrations par induction libre (FID) en utilisant les paramètres de séquence d’impulsions fournis dans le tableau 1.
      NOTE : Les FID acquis à ~218 ppm (fréquence en phase dissoute) sont principalement utilisés pour déterminer les paramètres de l’IRM ¹²⁹Xe en phase dissoute, qui n’est pas couvert dans le présent travail. Cependant, ces paramètres sont donnés de manière à ce que l’on puisse développer un seul étalonnage standardisé ¹²⁹Xe qui suffit pour les examens IRM ¹²⁹Xe de tout type. De plus, il convient de noter qu’un balayage d’étalonnage distinct peut ne pas être nécessaire pour les études portant uniquement sur l’imagerie de ventilation ¹²⁹Xe une fois que le site a acquis suffisamment d’expérience. La fréquence de fonctionnement ^{de 129}Xe peut être estimée avec précision en mettant à l’échelle la fréquence ¹H déterminée par le scanner selon le rapport des rapports gyromagnétiques ¹²⁹Xe à ¹H, et l’étalonnage de l’émetteur peut être estimé en fonction de l’expérience accumulée et du poids du sujet.
   2. Pour l’IRM de ventilation ¹²⁹Xe, préparer une séquence d’écho de gradient bidimensionnel (2D) altéré par RF en utilisant les paramètres de séquence d’impulsions fournis dans le tableau 2. Assurez-vous que ¹²⁹Xe est sélectionné comme noyau cible.
   3. Pour l’IRM anatomique conventionnelle ¹H, préparer une séquence d’écho de spin turbo/rapide à injection unique ou une séquence d’écho de gradient gâchée RF en utilisant les paramètres fournis dans le tableau 2.
      REMARQUE : Pour la ventilation ¹²⁹Xe et les séquences anatomiques ¹H, le champ de vision et le nombre de coupes sont spécifiques au sujet. Choisissez ces paramètres au début de la séance d’examen de manière à assurer une couverture complète des poumons dans les trois dimensions.
      1. Activez le suréchantillonnage de phase pour atténuer le crénelage potentiel des bras dans le champ de vision de l’imagerie.
      2. Les limites du fournisseur de scanners IRM peuvent empêcher le fonctionnement de la séquence turbo/écho de spin rapide à un coup à la résolution grossière dans le plan suggérée (4 mm x 4 mm). Si tel est le cas, utilisez une résolution qui est un facteur entier de la résolution souhaitée (par exemple, 2 mm x 2 mm).
         REMARQUE : Le balayage anatomique ¹H peut également être acquis à l’aide d’une séquence d’écho de gradient 2D gâchée RF. Dans ce cas, utiliser les mêmes paramètres que les paramètres de balayage de la ventilation indiqués dans le tableau 2 , mais activer le suréchantillonnage de phase pour éviter le repliement des bras dans le champ de vision de l’imagerie.
5. Vérifiez le fonctionnement des séquences de bobine RF et d’impulsions décrites ci-dessus en effectuant des balayages d’un fantôme ¹²⁹Xe polarisé thermiquement³¹ pour les balayages ¹²⁹Xe ^{et d’un}fantôme 1 ^{H pour les}balayages 1 H.

Paramètre	Étalonnage
TR	15 ms
TE	0,45 ms (3 T), 0,8 ms (1,5 T)
Impulsion RF	sinc à fenêtre
Durée RF	0,65 à 0,69 ms (3 T), 1,15 à 1,25 ms (1,5 T)
Angle de retournement	20°
Fréquence RF	218 ppm (phase dissoute), 0 ppm (phase gazeuse)
Temps d’attente	39 μs
Bande passante	25,6 kHz
Non. d’échantillons	256 (sans compter le suréchantillonnage, le cas échéant)
Durée de lecture	10 ms
Nombre de FID	1 bruit (pas de RF), 499 à la fréquence de la phase dissoute, 20 à la fréquence de la phase gazeuse.
Dégradé de gâchis	moment d’au moins 15 mT/m-ms (chaque axe, après chaque FID)
Durée	~8 secondes

Tableau 1 : Paramètres de séquence d’impulsions recommandés pour l’étalonnage ^{du 129}Xe. Les paramètres sont donnés pour une séquence d’impulsions d’étalonnage spectroscopique non localisée ^{de 129}Xe.

Paramètre	Ventilation	Anatomique
Type de séquence	Écho de gradient gâché RF	Turbo à un coup/écho de spin rapide
TR	<10 ms	Infini
TE	<5 ms	<50 ms
Espacement des échos	N/A	3 à 5 ms
Angle de retournement de l’excitation	8-12°	90°
Angle de retournement de la mise au point	N/A	≥90° (maximum autorisé dans les limites SAR)
Épaisseur de la tranche	15 millimètres	15 millimètres
Écart de coupe	Aucun	Aucun
Orientation de la tranche	Coronaire	Coronaire
Ordre des tranches	Séquentiel (antérieur à postérieur)	Séquentiel (antérieur à postérieur)
Ordre de codage de phase	Séquentiel (de gauche à droite)	Séquentiel (de gauche à droite)
NEX	1 (jusqu’à 7/8 partiels de Fourier autorisés)	Demi-Fourier
Écho asymétrique	Autorisé	N/A
Taille du voxel	4 x 4 x 15 mm3	4 x 4 x 15 mm3
Durée d’échantillonnage par écho	5 à 7 ms	1 à 1,5 ms
Durée de l’analyse	8 à 12 s	≤ 16 secondes

Tableau 2 : Paramètres de séquence d’impulsions recommandés pour la ventilation ¹²⁹Xe et l’imagerie anatomique ¹H. Les paramètres sont donnés pour une séquence d’écho à gradient rapide gâchée RF 2D pour l’imagerie de la ventilation ¹²⁹Xe (première colonne) et une séquence d’écho de spin rapide 2D à injection unique pour l’imagerie anatomique ¹H (deuxième colonne). Notez que le balayage anatomique peut également être acquis à l’aide d’une séquence d’écho de gradient gâchée RF 2D. Dans ce cas, utilisez les mêmes paramètres que les paramètres de balayage de ventilation indiqués ici, mais ajoutez un suréchantillonnage de phase si nécessaire pour éviter le repliement des bras dans le champ de vision de l’imagerie. Notez également que la méthode particulière de spécification de la bande passante du récepteur varie selon les fabricants de scanners, mais que la valeur correcte peut être calculée pour n’importe quel fabricant de scanners à partir de la durée d’échantillonnage donnée par écho.

2. Sélection et préparation des candidats à l’IRM ¹²⁹Xe

1. Assurez-vous qu’il n’y a pas de contre-indications à l’IRM chez le sujet potentiel en l’examinant avec un formulaire de sécurité IRM. Le fichier supplémentaire 1 représente un exemple de formulaire utilisé à l’Université de Virginie.
2. Assurez-vous que le sujet potentiel ne répond à aucun critère d’exclusion particulier aux examens IRM ¹²⁹Xe, qui peuvent inclure, mais sans s’y limiter : un VEMS₁ prédit inférieur à 25 %, une affection respiratoire décompensée au cours des 6 semaines précédentes, une circonférence thoracique supérieure à la circonférence intérieure de la bobine ^{RF 129}Xe et des antécédents de maladie cardiaque instable.
   REMARQUE : D’autres critères qui n’indiquent pas une exclusion immédiate mais justifient un examen individuel attentif comprennent : la nécessité d’un supplément important d’oxygène au départ (c’est-à-dire supérieur à 3 L/min par canule nasale) et des antécédents de troubles neurologiques avec des anomalies initiales.
3. Si vous effectuez un test de diffusion pulmonaire (DLCO) ou une spirométrie pendant la visite d’imagerie, demandez au sujet de ne pas ingérer de boissons gazeuses le jour de la visite d’étude. Si un sujet utilise des médicaments respiratoires prescrits, demandez-lui de retarder ou de s’abstenir de les prendre si le protocole de l’étude le précise.

3. Préparation de doses de ¹²⁹Xe hyperpolarisées

REMARQUE : Les instructions détaillées du polariseur ¹²⁹Xe et de la station de mesure de polarisation sont exclusives et spécifiques à chaque fournisseur. Les instructions ci-dessous comprennent un résumé de base pour le fonctionnement général du polariseur ¹²⁹Xe à pompage optique à échange de spin.

1. Décidez d’un volume de dose pour le sujet. Généralement, un volume de dose total de 1 L est choisi pour tous les sujets, et ce volume de dose total est spécifié dans l’étiquette de la FDA pour l’IRM ¹²⁹Xe. Cependant, les recommandations actuelles de l’IRM Xe CTC³⁰ suggèrent que le volume total de la dose (xénon plus azote ou hélium) devrait cibler 1/5^e de la capacité vitale forcée (CVF) du sujet afin d’assurer une quantité confortable de gaz à inhaler pour chaque sujet et de minimiser les effets liés à la différence de volume pulmonaire entre les sujets.
   1. Si des résultats de spirométrie récents sont disponibles pour le sujet, utilisez-les pour déterminer 1/5^e de la CVF. Si les résultats de la spirométrie ne sont pas disponibles, estimer la capacité pulmonaire totale (CCM) du sujet en fonction de la taille, du sexe et de la race, et estimer la dose totale à 1/6^e de la CCM.
2. Décidez d’un volume de gaz xénon à polariser.
   NOTA : Les volumes cibles de xénon pour chaque poche de dose sont donnés en volumes d’équivalent de dose (DE), ce qui indique conceptuellement le volume équivalent de gaz ¹²⁹Xe enrichi à 100 % et polarisé à 100 %. Conceptuellement, le volume DE est directement proportionnel au rapport signal/bruit (SNR) attendu d’un balayage ¹²⁹Xe, et le volume DE recommandé sera supérieur ou inférieur pour certains types de balayage ¹²⁹Xe en fonction du SNR requis pour ce type de balayage.
   1. Calculer le volume d’ED pour une dose donnée de xénon comme suit³² :
      
      où V_Xe est le volume total de gaz xénon (tous les isotopes, pas seulement ¹²⁹Xe) dans la dose, f_129Xe est l’enrichissement isotopique ¹²⁹Xe et P_129Xe est la polarisation ¹²⁹Xe.
   2. Choisissez le nombre total de volumes DE nécessaires pour l’ensemble des ¹²⁹scans Xe qui seront effectués. Les volumes d’ED recommandés pour l’étalonnage individuel et les examens de ventilation sont de 75 à 150 ml.
      REMARQUE : Pour l’imagerie de ventilation, le rapport signal/bruit doit être suffisamment élevé pour distinguer de manière robuste les voxels d’image ventilés et non ventilés. Un volume d’ED de 50 mL est considéré comme le minimum absolu pour que l’imagerie de ventilation³⁰ atteigne un SNR attendu d’au moins 20. Pour les balayages d’étalonnage, un volume d’ED aussi bas que 25 mL peut être acceptable si seul le signal en phase gazeuse est étalonné ; au moins 75 mL doivent être utilisés pour étalonner à la fois les signaux en phase gazeuse et en phase dissoute.
3. Utilisez le volume total d’ED nécessaire, l’enrichissement isotrope connu en ¹²⁹Xe du gaz xénon et la polarisation estimée à ¹²⁹Xe sur la base des cycles de polarisation précédents pour calculer le volume total de gaz xénon requis pour la polarisation. Un exemple de calcul est présenté ci-dessous pour un examen de ventilation (volume d’ED = 75 mL), en supposant un enrichissement isotopique en Xe de ¹²⁹de 85 % et une polarisation de 20 %³² :
   
   Effectuez ce calcul pour chaque dose de xénon afin de déterminer le volume correct de gaz xénon polarisé à distribuer dans chaque sac de dose.
   1. Les sujets ayant un faible IMC (<21) ont un risque plus élevé d’effets plus profonds sur le système nerveux central (SNC) après l’inhalation de ¹²⁹Xe que les autres sujets. Consultez un médecin avant d’imager des sujets à faible IMC et envisagez de minimiser les volumes de dose de ¹²⁹Xe pour éviter ces problèmes potentiels.
4. Préparez le polariseur ¹²⁹Xe en suivant toutes les instructions fournies par le fournisseur du polariseur.
   1. Les étapes peuvent inclure les éléments suivants, selon le fournisseur du polariseur : assurez-vous que l’alimentation de la bobine de Helmholtz est allumée ; évacuer le collecteur de sortie pour éliminer les impuretés ; installer le Dewar à l’azote liquide autour/sous le doigt froid ; allumez les lasers et laissez-les se réchauffer ; activez le flux d’air vers le four, réglez le four à la température appropriée à l’aide du contrôleur de four et laissez le four se réchauffer.
      ATTENTION : L’azote liquide peut provoquer de graves engelures s’il entre en contact avec la peau, les yeux ou les vêtements, et la lumière laser de haute intensité peut causer des blessures oculaires si elle empiète sur l’œil sans protection. Faites preuve de prudence et portez un équipement de protection au besoin.
5. Assurez-vous que la station de mesure de polarisation ¹²⁹Xe est sous tension et que le logiciel est prêt à mesurer la polarisation de la dose.
6. Commencez la collecte de ¹²⁹Xe hyperpolarisé en effectuant les opérations suivantes.
   1. Commencez à faire couler de l’azote vers la veste chauffante froide.
   2. Commencer le mélange de xénon couler au doigt froid. Reportez-vous aux courbes de performance des polariseurs dans la documentation des polariseurs pour choisir le débit optimal.
   3. Ajoutez de l’azote liquide au dewar entourant le doigt froid.
   4. Enregistrez l’heure de début de la polarisation sur une fiche technique pour garantir un volume de polarisation précis.
   5. Une fois la collecte commencée, ajustez le débit et les contrôleurs du four pour maintenir un débit et une température constants, et ajoutez de l’azote liquide au besoin pour garder le dewar plein.
7. Pendant l’accumulation de xénon, préparer les sacs de dose Tedlar pour la collecte des doses en purgeant et en évacuant les sacs à plusieurs reprises au moins 3 fois à l’aide du collecteur de sortie du polariseur pour minimiser les impuretés et/ou les gaz dépolarisants dans les sacs.
8. Une fois le temps approprié pour la collecte du volume ¹²⁹Xe hyperpolarisé souhaité écoulé, arrêtez la collecte de ¹²⁹Xe hyperpolarisé comme indiqué dans la documentation du polariseur.
9. Décongelez le ¹²⁹Xe congelé qui a précipité dans le doigt froid, comme décrit ci-dessous.
   1. Fixez un sac de dose ¹²⁹Xe à la sortie xénon sur le collecteur de sortie.
   2. Retirez soigneusement le dewar d’azote liquide et remplacez-le par un récipient de décongélation contenant de l’eau à température ambiante.
   3. Pendant la décongélation, surveillez la pression en permanence, en ouvrant la vanne de débit du doigt froid à la sortie du xénon une fois que la pression atteint une valeur seuil indiquée dans la documentation du polariseur et en fermant rapidement la vanne lorsque la pression baisse.
   4. Continuez à distribuer du gaz xénon sublimé dans le sac de dose de cette manière jusqu’à ce que la quantité souhaitée de xénon dans le sac de dose soit atteinte.
   5. Ajoutez le gaz tampon (azote ou hélium) à ce moment s’il n’a pas été ajouté au sac auparavant.
   6. Une fois que tous les gaz de xénon et tampons souhaités sont ajoutés au sac, fermez rapidement la pince de serrage sur le tube du sac, fermez la valve de sortie du xénon et détachez le sac pleine dose du polariseur.
   7. Déplacez immédiatement le sac vers le champ magnétique créé par la paire de bobines de Helmholtz de la station de mesure de polarisation ¹²⁹Xe.
      ATTENTION : La pression s’accumulera rapidement dans le doigt froid à mesure que le gaz xénon se réchauffe et se sublime, créant un risque d’explosion potentiel si la pression est autorisée à monter au-delà des limites de sécurité. Suivez exactement les instructions fournies dans la documentation du polariseur et portez des lunettes de protection pendant cette étape.
10. Mesurer et consigner la polarisation dans chaque sac de dose à la station de mesure de la polarisation ¹²⁹Xe, conformément aux instructions fournies par le fournisseur de la station de mesure de la polarisation.
11. Une fois la polarisation mesurée, conservez ¹²⁹sacs de dose de Xe dans le champ magnétique créé par la paire de bobines de Helmholtz de la station de mesure de polarisation jusqu’à ce qu’il soit prêt à administrer une dose au sujet.

4. Préparation avant l’examen et coaching du sujet

REMARQUE : Il est recommandé que si le sujet reçoit un examen complet comprenant un test de marche de six minutes, la marche n’ait pas lieu avant la fin de l’IRM ¹²⁹Xe pour éviter de fatiguer le sujet d’une manière qui pourrait potentiellement avoir un impact sur les résultats de l’IRM ¹²⁹Xe. Ceci est particulièrement pertinent pour les patients atteints de maladie cardiopulmonaire.

1. Confirmer que le sujet a correctement suivi toutes les instructions préalables à la visite décrites à l’étape 2 et qu’aucun changement dans son état de santé qui répondrait à l’un des critères d’exclusion de l’étude ou constituerait une contre-indication à l’IRM ne s’est produit depuis que le sujet a été dépisté.
2. Effectuer tous les tests physiques nécessaires sur le sujet, dont un électrocardiogramme (ECG) ; une collection de signes vitaux, y compris la température corporelle, la fréquence cardiaque, la fréquence respiratoire, la saturation en oxygène du sang (SpO₂) et la pression artérielle ; Spirométrie; et un test DLCO.
3. Surveillez ces tests pour détecter tout signe avant-coureur potentiel, y compris une faible SpO₂ (<92 %), une pression artérielle élevée ou un écart significatif des résultats des tests par rapport aux lignes de base existantes pour le sujet.
   REMARQUE : Ces lectures, en particulier la SpO_{de base 2}, sont vérifiées en raison de l’attente d’une légère désaturation transitoire en oxygène pendant l’inhalation de ¹²⁹Xe. Pour les sujets présentant une SpO₂ de base <92 % ou d’autres signes avant-coureurs, consulter un médecin pour confirmer l’aptitude du sujet à un test IRM ¹²⁹Xe et s’il faut utiliser un supplément d’O₂ entre les inhalations de ¹²⁹Xe.
4. Entraînez le sujet dans la procédure d’inhalation correcte ^{de 129}Xe, comme décrit ci-dessous.
   1. Préparez un ou plusieurs sacs Tedlar contenant de l’air pour que le sujet puisse s’entraîner à l’extérieur du scanner. Utilisez un volume d’air qui correspond au volume total de xénon et de gaz tampon qui sera inhalé du sac pendant l’étude proprement dite.
   2. Préparez des pince-nez pour le sujet à porter pendant l’apnée. Installez les pince-nez sur le nez du sujet avant le début des apnées (à la fois pour la pratique et le balayage réel).
   3. Entraînez le sujet à l’aide d’un sac rempli d’air pour chaque tentative, en suivant les instructions ci-dessous. Le sujet doit commencer à inhaler le sac à partir d’un volume cible de capacité résiduelle fonctionnelle. Au cours de la procédure ci-dessous, surveillez la poitrine du sujet pour confirmer qu’il exécute les instructions données.
      1. Préparez le sac, mais ne l’administrez pas encore au sujet. Demandez au sujet de : Inspirez régulièrement. Expirez. Respirez régulièrement. Expirez.
      2. Placez le tube attaché au sac Tedlar dans la bouche du sujet. Tenez le sac à un endroit où le sujet peut inhaler et ouvrez la valve. Demandez au sujet de : Inspirez. Inspirer. Inspirer.
      3. Une fois que le sujet a inhalé tout le contenu du sac, demandez-lui de : Retenir sa respiration. Demandez immédiatement à l’opérateur du scanner : Allez-y !
         REMARQUE : Lors de la numérisation du sujet, l’opérateur du scanner doit démarrer la numérisation dès qu’il entend Go ! Cette instruction n’est pas destinée au sujet (c’est-à-dire qu’il doit rester immobile et continuer à retenir sa respiration comme indiqué immédiatement avant), mais avertit le sujet que le balayage est imminent.
      4. Attendez la fin de l’analyse ou, lorsque vous vous entraînez, comptez 10 à 15 s, ce qui correspond approximativement au temps nécessaire à une analyse ¹²⁹Xe typique.
      5. Demandez au sujet de : Respirez. Le sujet expire à ce moment-là. Entraînez le sujet à prendre plusieurs respirations profondes à ce stade pour faciliter une élimination plus rapide du ¹²⁹Xe des poumons et un retour plus rapide à des niveaux normaux de saturation en oxygène.
      6. Vérifiez que le sujet est capable d’exécuter ces instructions de manière fiable. Envisagez d’exclure les sujets qui sont incapables d’inhaler tout le volume de gaz, incapables de maintenir l’apnée ou qui toussent de manière persistante pendant les tentatives d’apnée pendant le test.
         REMARQUE : Le résultat de ce test est essentiel pour déterminer la qualité d’image probable. Cette vérification de la conformité fiable des sujets est particulièrement importante dans les contextes de l’imagerie pédiatrique et de l’imagerie des maladies pulmonaires graves, car les sujets de l’une ou l’autre de ces catégories ou des deux sont plus susceptibles d’avoir du mal à effectuer de manière fiable l’apnée requise.

5. Préparation de la salle d’IRM et positionnement du sujet sur la table du patient

1. S’assurer que toute personne qui entre ou pourrait entrer dans la salle d’IRM (sujet et personnel) retire tous les objets métalliques et/ou électroniques de sa poche et de sa personne avant d’entrer dans la salle d’IRM.
2. Préparez la bobine du gilet ¹²⁹Xe en la branchant sur le scanner et en la plaçant sur la table patient de l’IRM.
3. Demandez au sujet de s’allonger sur la table du patient en position couchée pieds en premier (ou tête en décubitus dorsal, si cela convient mieux à la disposition de la salle de scanner). Placez des oreillers sous la tête, les genoux, etc., en consultation avec le sujet pour vous assurer que le sujet peut rester confortablement immobile tout au long de l’examen.
4. Fixez la bobine du gilet ¹²⁹Xe autour de la poitrine du sujet. Visez que la ligne médiane de la bobine dans le sens tête-pied soit aussi proche que possible de la ligne médiane attendue des poumons du sujet à un niveau de gonflage pulmonaire confortable pour éviter les réductions de signal à la périphérie des poumons.
   REMARQUE : C’est une erreur courante de positionner la bobine trop loin dans la direction des pieds du sujet. Le positionnement de la bobine comme indiqué ci-dessus peut la placer plus loin vers la tête du sujet que ce à quoi on pourrait s’attendre naïvement. De plus, les bras du sujet peuvent avoir besoin d’être positionnés au-dessus de sa tête et à l’extérieur de la bobine si le diamètre de la poitrine du sujet l’exige. Le diamètre spécifique de la poitrine au-dessus duquel ce positionnement est requis varie en fonction du scanner et du matériel de bobine spécifiques. Pour les sujets plus petits, les bras peuvent être positionnés soit au-dessus de la tête et à l’extérieur de la bobine, soit sur les côtés et à l’intérieur de la bobine.
5. Installez un oxymètre de pouls sans danger pour l’IRM à côté de la table du patient dans la salle d’IRM et connectez la sonde de l’oxymètre de pouls au sujet. Vérifiez que l’oxymètre de pouls lit correctement.
6. Placez une canule nasale dans le nez du sujet (ou, pour un sujet en bonne santé, faites-en tenir une dans la salle de scanner) et connectez-la à une source d’oxygène à utiliser si la SpO₂ du sujet chute de plus de 10 % pendant plus de 2 minutes après l’inhalation de la dose. Placez le réservoir d’oxygène et le régulateur de manière sûre pour l’IRM en fonction de la politique de sécurité locale à portée de main.
7. Faites avancer la table du patient dans l’IRM, en alignant la ligne médiane des poumons de la bobine/du sujet sur l’isocentre de l’appareil.

6. Procédure de numérisation

1. Dans l’interface utilisateur du scanner IRM, entrez les données du sujet et ouvrez le protocole IRM ¹²⁹Xe précédemment préparé (comme décrit à l’étape 1).
2. S’assurer que ¹²⁹doses de Xe ont été préparées comme décrit à l’étape 3 et que ¹²⁹sacs de dose de Xe se trouvent dans le champ magnétique généré par la paire de bobines de Helmholtz de la station de mesure de la polarisation (ou dans un dispositif équivalent) pour minimiser le taux de dépolarisation de ¹²⁹Xe.
3. Effectuez un balayage d’alignement de piste ¹H à l’aide d’un protocole standard fourni par le fournisseur (par exemple, un alignement de piste à trois plans) comme décrit ci-dessous.
   1. Demandez au sujet de prendre une respiration confortable et naturelle et de retenir sa respiration. Pendant que le sujet retient son souffle, exécutez le balayage d’alignement de piste.
   2. Affichez les résultats de l’analyse d’alignement de piste sur l’interface du scanner IRM. Si les images montrent des artefacts (par exemple, si les vêtements contenant du métal n’ont pas été retirés), résolvez les problèmes et répétez l’alignement de piste. Si le champ de vision d’alignement de piste est mal centré sur le sujet, repositionnez le sujet et répétez. Une fois les images d’alignement de piste acceptables obtenues, passez à l’étape suivante.
4. Effectuez les réglages initiaux de pré-numérisation pour les numérisations ¹²⁹Xe comme décrit ci-dessous.
   1. Réglez la fréquence centrale initiale de ¹²⁹Xe en divisant la fréquence centrale de ¹H de l’alignement de piste par 3,61529 (le rapport approximatif des rapports gyromagnétiques respectifs de ¹H et ¹²⁹Xe).
   2. Réglez le réglage initial de l’émetteur ¹²⁹Xe en fonction des résultats d’étalonnage des sujets précédents avec un habitus corporel similaire, de la mise à l’échelle en fonction de la tension de référence de ¹H ou du poids mesuré du sujet. Les détails des paramètres de l’émetteur ¹²⁹Xe sont spécifiques au scanner et aux fabricants de bobines ¹²⁹Xe.
   3. Utilisez les paramètres de cale par défaut du scanner pour toutes les acquisitions ¹²⁹Xe.
5. Après avoir effectué les réglages de pré-balayage décrits ci-dessus, obtenez le balayage d’étalonnage ¹²⁹Xe pour trouver la fréquence centrale ¹²⁹Xe et les paramètres de l’émetteur comme décrit ci-dessous.
   1. Chargez la séquence d’étalonnage ¹²⁹Xe à partir du protocole préparé. Assurez-vous que tous les paramètres de séquence d’impulsions sont conformes à vos souhaits et définissez le paramètre d’exécution de l’analyse de manière à ce que l’analyse puisse être exécutée en un seul clic.
   2. Apportez le sac de dose ¹²⁹Xe destiné au balayage d’étalonnage ¹²⁹Xe de la station de mesure de polarisation dans la salle du scanner. Tenez ou placez le sac de dose à portée de main près du sujet ; Évitez les zones proches de l’ouverture de l’alésage où l’intensité du champ magnétique change rapidement.
   3. Aider le sujet à inhaler la dose de ¹²⁹Xe du sac, en suivant la procédure d’inhalation encadrée décrite à l’étape 4.
   4. Exécutez le scan immédiatement après avoir entendu Go ! signalé par la personne qui aide le sujet.
   5. Surveillez le sujet pendant que le balayage se poursuit. Si le sujet expire, tousse, bouge, etc., répétez le balayage si possible.
   6. Dès que le scan est terminé, demandez au sujet d’expirer et de respirer librement.
   7. Après l’examen, surveillez la fréquence cardiaque et la SpO₂ du sujet à l’aide de l’oxymètre de pouls et surveillez les effets transitoires sur le système nerveux central (tels que vertiges, étourdissements, euphorie et paresthésie) par communication verbale avec le sujet.
      REMARQUE : Presque tous les sujets ressentiront des effets très légers sur le SNC qui ne nécessitent aucune intervention, à l’exception des sujets à faible teneur en graisse corporelle, comme indiqué à l’étape 3.2.
   8. Attendez que tout écart par rapport à la ligne de base se dissipe avant d’administrer une autre dose de ¹²⁹Xe. Si aucun écart significatif par rapport à la ligne de base ne se produit, attendez au moins 2 minutes avant d’administrer une autre dose de ¹²⁹Xe.
      REMARQUE : Une évolution typique de la désaturation et de la récupération de l’oxygène est la suivante : la désaturation commence 10 à 20 battements cardiaques après avoir terminé l’inhalation ^{de 129}Xe, le nadir se produit 20 à 30 battements cardiaques après la fin de l’inhalation et la récupération se produit dans les 45 à 50 battements cardiaques après la fin de l’inhalation. La plupart des désaturations disparaissent dans les 30 s suivant l’inhalation de ¹²⁹Xe et devraient généralement disparaître complètement dans les 2 minutes. Consulter un médecin si la désaturation persistante (supérieure à 10 % de la valeur initiale du sujet) persiste au-delà de 2 minutes, car il peut être conseillé d’éviter d’administrer d’autres doses de ¹²⁹Xe et/ou de mettre fin à l’étude.
6. Effectuez l’analyse d’étalonnage du ¹²⁹Xe comme décrit ci-dessous (par exemple, à l’aide d’un outil d’analyse autonome).
   1. Déterminez la fréquence centrale ^{de 129}Xe en utilisant le spectre des premiers FID en phase gazeuse.
   2. Déterminez le réglage de l’émetteur ¹²⁹Xe comme décrit ci-dessous.
      1. Ajustez les intensités de crête des 20 FID en phase gazeuse à la fonction suivante³⁰ et déterminez l’angle de retournement, α :
         
         où S_i est l’amplitude de l’intensité du signal résultant de la ièmeexcitation, S₀ est l’amplitude de l’intensité du signal de la première excitation et C est un paramètre de décalage de bruit.
      2. Une fois α obtenu, mettre à l’échelle le réglage initial de ^{l’émetteur 129}Xe pour les balayages ultérieurs de 20°/α, en supposant que 20° a été utilisé comme angle de retournement d’étalonnage prévu, comme recommandé dans le Tableau 1.
7. Une fois que les derniers ajustements de pré-balayage ¹²⁹Xe ont été effectués et que le sujet est prêt pour la dose suivante de ¹²⁹Xe, effectuez l’examen de ventilation ¹²⁹Xe comme décrit ci-dessous.
   1. Chargez la séquence de ventilation ¹²⁹Xe à partir du protocole préparé. Assurez-vous que tous les paramètres de séquence d’impulsions sont comme souhaité et définissez le paramètre d’exécution de l’analyse de manière à ce que l’analyse commence immédiatement après un simple clic.
   2. Sélectionnez la taille du champ de vision et l’emplacement du centre en fonction des résultats de l’alignement de piste. Visez à ce que le centre du champ de vision coïncide avec le centre des poumons dans les trois dimensions et visez à ce que le champ de vision soit suffisamment grand pour contenir confortablement toute la cavité thoracique, y compris l’intégralité des deux poumons.
   3. Apportez le sac de dose ¹²⁹Xe destiné à la numérisation de ventilation ¹²⁹Xe de la station de mesure de polarisation dans la salle du scanner. Tenez ou placez le sac de dose à portée de main près du sujet ; Évitez les zones proches de l’ouverture de l’alésage où l’intensité du champ magnétique change rapidement.
   4. Aider le sujet à inhaler la dose de ¹²⁹Xe du sac, en suivant la procédure d’inhalation encadrée décrite à l’étape 4.
   5. Exécutez le scan immédiatement après avoir entendu Go ! signalé par la personne qui aide le sujet.
   6. Surveillez le sujet pendant que le balayage se poursuit. Si le sujet expire, tousse, bouge, etc., répétez le balayage si possible.
   7. Dès que le scan est terminé, demandez au sujet d’expirer et de respirer librement.
   8. Après l’examen, surveillez la fréquence cardiaque et la SpO₂ du sujet à l’aide de l’oxymètre de pouls et surveillez les effets transitoires sur le système nerveux central (tels que vertiges, étourdissements, euphorie et paresthésie) par communication verbale avec le sujet.
   9. Attendez que tout écart par rapport à la ligne de base se dissipe avant d’administrer une autre dose de ¹²⁹Xe. Si aucun écart significatif par rapport à la ligne de base ne se produit, attendez au moins 2 minutes avant d’administrer une autre dose de ¹²⁹Xe.
8. Effectuez un balayage anatomique de ¹H comme décrit ci-dessous.
   1. Chargez la séquence anatomique ¹H à partir du protocole préparé. Assurez-vous que tous les paramètres de séquence d’impulsions sont conformes à vos souhaits et définissez le paramètre d’exécution de l’analyse de manière à ce que l’analyse puisse être exécutée en un seul clic.
   2. Apportez le sac de dose rempli d’air et adapté au volume du sac de dose utilisé pour le balayage de ventilation ¹²⁹Xe dans la salle du scanner.
   3. Aider le sujet à inhaler la dose d’air du sac, en suivant la procédure d’inhalation encadrée décrite à l’étape 4.
   4. Exécutez le scan immédiatement après avoir entendu Go ! signalé par la personne qui aide le sujet.
   5. Surveillez le sujet pendant que le balayage se poursuit. Si le sujet expire, tousse, bouge, etc., répétez le balayage si possible.
   6. Dès que le scan est terminé, demandez au sujet d’expirer et de respirer librement.

7. Procédures post-scan

1. Prenez des mesures des signes vitaux du sujet de la même manière qu’avant la procédure d’examen. Si des signes vitaux deviennent anormaux, demandez au sujet d’attendre 30 à 60 minutes et/ou jusqu’à ce que les signes vitaux reviennent près de la ligne de base avant de partir.

8. Analyse des données de ventilation ^{de 129}IRM Xe

REMARQUE : Les images anatomiques de ventilation ¹²⁹Xe ^{et 1}H acquises doivent être automatiquement reconstruites sur l’ordinateur du scanner IRM en utilisant le pipeline de reconstruction d’images par défaut du fournisseur.

1. Exportez ¹²⁹scans anatomiques Xe ventilation et ¹H sous forme de fichiers d’image DICOM en utilisant le niveau minimum d’interpolation autorisé (idéalement aucun).
2. Calculer le pourcentage de défauts de ventilation (VDP) avec un logiciel de programmation ou d’analyse d’images à l’aide de l’équation⁸ suivante :
   
   1. Déterminer le volume ventilé en segmentant ¹²⁹scans de ventilation Xe, soit manuellement, soit en utilisant l’une des nombreuses approches automatisées existantes³³.
      REMARQUE : Une méthode simple de segmentation binarisée de ¹²⁹images Xe utilise un seuil défini comme suit⁸ :
      
      où « Signal moyen » est la moyenne de l’intensité du signal ¹²⁹Xe dans une région d’intérêt définie par l’utilisateur de signal fort ¹²⁹Xe dans les poumons, et « SD(Noise) » est l’écart-type de l’intensité du signal ¹²⁹Xe dans une région proche du bord du champ de vision située loin des poumons ou de la trachée.
   2. Déterminer le volume pulmonaire total en segmentant les scans anatomiques ¹H, manuellement ou en utilisant les approches automatisées existantes³⁴.
   3. Une fois ces segmentations effectuées, calculez les volumes correspondants comme le nombre de voxels segmentés multiplié par le volume de voxels de l’image (en tenant compte de toute interpolation effectuée lors de la conversion des images en fichiers DICOM).

Résultats

La figure 1 montre des images représentatives de la ventilation et de l’alignement de piste à trois plans d’un individu en bonne santé. Un signal élevé de ¹²⁹Xe peut être observé dans tous les poumons sur les images de ventilation, et aucune altération de la ventilation n’est évidente chez cet individu.

Les figures 2, 3 et 4 montrent des images repr?...

Discussion

Les approches de ventilation et d’IRM anatomique décrites ci-dessus sont conçues pour maximiser la qualité de l’image et le rapport signal/bruit tout en maintenant la simplicité de mise en œuvre - ces protocoles de séquence peuvent en général être adaptés à partir des séquences d’impulsions des produits du fournisseur, à condition que le fonctionnement multinucléaire soit activé, et que les images soient automatiquement reconstruites sur l’ordinateur du scanner. L’un des inconvénients des approc...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
1.5T or 3T human MRI scanner	Siemens		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
129Xe hyperpolarizer	Polarean	9820
129Xe MRI phantom
129Xe MRI vest coil	Clinical MR Solutions		Also available from other vendors
129Xe polarization measurement station	Polarean	2881
1H MRI phantom
Coil file for 129Xe MRI vest coil			Also available from other vendors for their respective coils
ECG machine
Helium buffer gas
Interface box from coil to scanner			May be built into coil, but needs to be included separately if not
Liquid nitrogen
MRI-safe pulse oximeter	Philips	Expression MR200
Nitrogen buffer gas
PFT machine
Programming/image analysis software	MATLAB	R2023a	Various other options available
Pulse sequence design software	Siemens		IDEA software package; also available from GE and Philips for their respective scanners
Scanner multinuclear option	Siemens		Scanner integrated hardware/software package; also available from GE and Philips for their respective scanners
Tedlar gas sampling bags (500, 750, 1000, 1250, 1500 mL)
Xenon gas (129Xe isotopically enriched)