JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

כתב היד מציג פרוטוקול מפורט לשימוש בשחזור רוויה כימית מסוג קסנון 129 היפרפולרי (CSSR) כדי לעקוב אחר חילופי גזים ריאתיים, להעריך את עובי דופן המחיצה הנאדית הנראית לעין ולמדוד את יחס פני השטח לנפח. לשיטה פוטנציאל לאבחן ולנטר מחלות ריאה.

Abstract

דימות תהודה מגנטית Hyperpolarized Xenon-129 (HXe) (MRI) מספק כלים לקבלת מפות דו-ממדיות או תלת-ממדיות של דפוסי אוורור ריאות, דיפוזיית גזים, ספיגת קסנון על ידי פרנכימה של ריאות ומדדים אחרים של תפקודי ריאות. עם זאת, על ידי מסחר מרחבי עבור רזולוציה זמנית, הוא גם מאפשר מעקב אחר חילופי גז קסנון ריאתי על ציר זמן ms. מאמר זה מתאר טכניקה אחת כזו, ספקטרוסקופיית MR לשחזור רוויה של שינוי כימי (CSSR). הוא ממחיש כיצד ניתן להשתמש בו כדי להעריך את נפח הדם הנימי, עובי דופן המחיצה, ואת יחס פני השטח לנפח בנאדיות. זווית ההיפוך של פולסי גלי הרדיו המופעלים (RF) כוילה בקפידה. פרוטוקולים של עצירת נשימה במנה אחת ונשימה חופשית מרובת מנות הופעלו למתן הגז לנבדק. ברגע שגז הקסנון הנשאף הגיע לנאדיות, הופעלה סדרה של פולסי RF של 90° כדי להבטיח רוויה מרבית של המגנטיזציה המצטברת של קסנון בפרנכימת הריאה. לאחר זמן עיכוב משתנה, נרכשו ספקטרום כדי לכמת את הצמיחה המחודשת של אות הקסנון עקב חילופי גזים בין נפח גז הנאדיות לבין תאי הרקמה של הריאה. ספקטרום זה נותח לאחר מכן על ידי התאמת פונקציות פסאודו-וויגט מורכבות לשלוש הפסגות הדומיננטיות. לבסוף, אמפליטודות השיא תלויות זמן ההשהיה הותאמו למודל חילופי גזים אנליטי חד-ממדי כדי לחלץ פרמטרים פיזיולוגיים.

Introduction

דימות תהודה מגנטית היפרפולרי קסנון 129 (HXe)1 היא טכניקה המציעה תובנות ייחודיות על מבנה הריאות, תפקודן ותהליכי חילופי גזים. על ידי הגברה דרמטית של המגנטיזציה של גז קסנון באמצעות שאיבה אופטית של חילופי ספין, HXe MRI משיג שיפור בסדר גודל ביחס אות לרעש בהשוואה ל- Xenon MRI 2,3,4,5,6 מקוטב תרמית. היפרפולריזציה זו מאפשרת הדמיה ישירה וכימות של ספיגת גז קסנון לרקמת הריאה ולדם, שאחרת לא היו ניתנים לגילוי עם MRI7 מקוטב תרמית קונבנציונאלי.

שחזור רוויה כימית (CSSR) ספקטרוסקופיית MR 8,9,10,11,12,13 הוכחה כאחת מטכניקות ה- MRI HXe החשובות ביותר. CSSR כולל רוויה סלקטיבית של מגנטיזציה של קסנון מומס ברקמת הריאה ובדם באמצעות פולסים ספציפיים לתדר רדיו (RF). ההתאוששות שלאחר מכן של אות הפאזה המומסת (DP) כשהוא מתחלף עם גז קסנון היפרפולרי טרי במרחבי האוויר על ציר זמן של טרשת נפוצה מציעה מידע פונקציונלי חשוב על פרנכימת הריאות.

מאז פיתוחה בתחילת שנות ה-2000, הטכניקות מאחורי ספקטרוסקופיית CSSR שוכללו בהדרגה 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. יתר על כן, התקדמות במידול עקומות ספיגת קסנון אפשרה חילוץ של פרמטרים פיזיולוגיים ספציפיים, כגון עובי דופן הנאדיות וזמני מעבר ריאתי 10,24,25,26. מחקרים הראו רגישות של CSSR לשינויים עדינים במיקרו-מבנה הריאות וביעילות חילוף הגזים בצורה של הפרעות ריאתיות שנמצאו אצל מעשנים בריאים מבחינה קלינית27, כמו גם במגוון מחלות ריאה, כולל מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD)18,27,28, פיברוזיס29 ופגיעה ריאתית הנגרמת מקרינה30,31. ספקטרוסקופיית CSSR הוכחה גם כרגישה לזיהוי תנודות באות DP המתאים לזרימת דם פולסטילית במהלך מחזור הלב32.

למרות שהושגה התקדמות משמעותית, נותרו אתגרים מעשיים ביישום ספקטרוסקופיית CSSR במערכות MRI קליניות. זמני סריקה הדורשים עצירת נשימה במנה אחת המתקרבים ל -10 שניות עשויים להיות ארוכים מדי עבור נבדקים ילדים33,34 או חולים עם מחלת ריאות חמורה35,36. בנוסף, הטכניקה רגישה להטיות מדידה אם פרמטרי רכישה כגון סדר זמני השהיית הרוויה או יעילות רוויית הפאזה המומסת אינם ממוטבים כראוי21. כדי להתמודד עם מגבלות אלה ולהפוך את CSSR לנגיש יותר לקהילת המחקר הרחבה יותר, נדרשים פרוטוקולים ברורים שלב אחר שלב הן לעצירת נשימה קונבנציונלית והן לרכישת נשימה חופשית, הנמצאים כעת בפיתוח.

מטרת מאמר זה היא להציג מתודולוגיה מפורטת לביצוע ספקטרוסקופיית CSSR MR אופטימלית באמצעות גז HXe. הפרוטוקול יכסה קיטוב ואספקה של גז הקסנון, כיול פולס RF, בחירת פרמטרי רצף, הכנת נושאים, רכישת נתונים ושלבי מפתח בניתוח נתונים. דוגמאות לתוצאות ניסוי יסופקו. יש לקוות כי מדריך מקיף זה ישמש בסיס ליישומי CSSR באתרים שונים ויסייע לממש את מלוא הפוטנציאל של טכניקה זו לכימות שינויים מיקרו-מבניים ריאתיים במגוון מחלות ריאה.

Protocol

הערה: בעוד שטכניקת ספקטרוסקופיית MR Xenon-129 CSSR היפרפולרית המתוארת כאן משמשת בדרך כלל לדימות בבעלי חיים ובבני אדם, הפרוטוקול שלהלן מתייחס למחקרים בבני אדם בלבד. כל פרוטוקולי ההדמיה עמדו במגבלות קצב הספיגה הספציפי של ה- FDA (4 W / kg) ואושרו על ידי מועצת הביקורת המוסדית באוניברסיטת פנסילבניה. התקבלה הסכמה מדעת מכל נבדק.

1. תכנון רצף פולסים

  1. החליטו אם לבצע עצירת נשימה או מדידת נשימה חופשית.
    הערה: רכישת עצירת נשימה היא פשוטה יותר מבחינה טכנית מכיוון שהיא דורשת רק שאיפה של מנה אחת (500 - 1000 מ"ל) של גז HXe ואחריה עצירת נשימה של 10 שניות שבמהלכה נאספים נתוני MRI. עם זאת, נבדקים שאינם משתפים פעולה (למשל, ילדים צעירים) או חולים עם מחלת ריאות חמורה עשויים שלא להיות מסוגלים לעצור את נשימתם זמן כה רב, ולכן רכישת נשימה חופשית הכרוכה בשאיפה של מינונים מרובים וקטנים (~ 50 מ"ל) במשך מספר דקות עשויה להיות מומלצת.
  2. למחקר ספקטרוסקופיית CSSR MR בעצירת נשימה, השתמשו בזמני השהיה משתנים לגמישות מרבית, ובזוויות עירור גבוהות של עד 90° ליחסי אות לרעש מרביים (איור 1A).
    1. כדי להרוות את מגנטיזציה DP בסורק MRI 1.5 T, החל 5 פולסים מלבניים בתדר רדיו (RF) של 90° עם תדר מרכזי, משך של 198 ppm, 2.5 ms ו- 218 ppm, 2.5 ms עבור 2 פולסים ותדר מרכזי, משך של 208 ppm, 2.0 ms עבור 3 הפולסים הנותרים. אם מגבר ההספק RF מתיר זאת, קצר את משך פעימות ה- RF למדידות בעוצמות שדה גבוהות יותר.
    2. הפרד את כל פעימות ה- RF בספוילרים הדרגתיים של 1 ms, לסירוגין לאורך צירי x, y ו- z: זמן רמפה של 200 μs, זמן רמה של 600 μs, 20 mT/m.
    3. לאחר דופק הרוויה הסופי, המתן זמן עיכוב τi, שבו אני מתייחס למדידת i-th בעצירת הנשימה. השתמש בזמני העיכוב הבאים בהזמנה שנקבעה: 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 מטר/שניה.
    4. החל פולס עירור RF גאוסיאני של 1.2 אלפיות השנייה שמרכזו 208 עמודים לדקה. הגדר את זווית ההיפוך ל- 90°. אם מגבר ה- RF אינו מאפשר זאת, השתמש בזווית ההיפוך המרבית שהמגבר מאפשר. שנה את אורך פעימות עירור RF ביחס הפוך לחוזק השדה למדידות בסורקים בעלי שדה גבוה.
    5. דגמו את דעיכת האינדוקציה החופשית למשך 30.72 אלפיות השנייה (1024 נקודות דגימה). בעוד פאזת הגז T2* בעוצמה של 1.5 T היא בסדר גודל של 15 אלפיות השנייה, יש להפחית את משך הדגימה באופן משמעותי בעוצמות שדה גבוהות יותר ללא צורך באפודיזציית אות נוספת לפני העיבוד.
    6. החל ספוילר הדרגתי של 5 אלפיות השנייה לאורך ציר x: זמן רמפה של 200 μs, זמן מישור של 4.6 ms, 20 mT/m.
    7. חזור על שלבים 1.2.1 - 1.2.6 40x עם τi שונה במהלך אותה עצירת נשימה כמתואר בשלב 1.2.3.
    8. למחקר ספקטרוסקופיית CSSR MR לנשימה חופשית, בצעו את המדידה הבאה ברציפות במשך כ-3 דקות (איור 1B), אף על פי שניתן לסיים את הרכישה מוקדם יותר אם נפח גז HXe שהוקצה אוזל.
    9. חזור על שלבים 1.2.1 ו- 1.2.2. חזור על שלב 1.2.4 עם זווית היפוך ל- 7°. דגמו את דעיכת האינדוקציה החופשית למשך 10.24 אלפיות השנייה (512 נקודות דגימה).
    10. החל ספוילר הדרגתי של 1ms לאורך ציר x: זמן רמפה של 200 אלפיות השנייה, זמן רמה של 600 אלפיות השנייה, 20 mT/m. חזור על שלבים 1.2.3 - 1.2.5 40x עם זמן חזרה של 12.6 אלפיות השנייה.
    11. חזור על שלבים 1.2.1 - 1.2.6 עד סוף המחקר.

2. הכנה לבדיקת המטופל

  1. לפני כל מחקר, יש לוודא שמכינים מסכת פנים נקייה ומחברים אותה למכשיר סנכרון אספקת הגז באמצעות צינורות דקים וגמישים.
  2. למחקרי נשימה חופשית יש לצרף דלקת ריאות דו-כיוונית למדידות זרימה.
  3. יש לבצע בדיקה שגרתית באמצעות מזרק זכוכית לחיקוי נשימה על מנת לוודא הזרקת גז תקינה. מכשיר העברת הגז אמור לזהות את תחילת השאיפה ממדידות הזרימה של הפנאומוטך, ולאפשר הזרקת גז לתוך המסכה.
  4. הגדר את מערכת הניטור הפיזיולוגי האופציונלית המתעדת עקומות נשימה (זרימה ונפחים) וניתוח גזים בזמן אמת (O2 ו- CO2) במהלך ההדמיה.
  5. חבר ובדוק את אוזניות חדר ה- MRI עם אות השמע המנחה את הנבדק באמצעות הקלטת שמע בשאיפה-נשיפה. התאם את מהירות ההפעלה של רצועת השמע בהתבסס על קצב הנשימה הרגיל של כל נושא.
  6. הכינו את מיטת הסורק עם משענת ראש נקייה, כרית תמיכה לרגליים ושמיכה.
  7. הניחו את סליל אפוד החזה Xenon-129 הלא מהודק על שולחן סורק ה-MRI. הכנס את תקע המחבר של הסליל וודא שסורק MR מזהה את הסליל.

3. הכנת הנושא ומעקב אחריו

  1. כאשר הנבדק מגיע למתקן ההדמיה, קבל הסכמה מדעת בכתב באמצעות טופס הסכמה מאושר IRB. לאחר קבלת ההסכמה, סנן את הנבדק באמצעות שאלון בטיחות MRI וגלאי מתכות.
  2. בקש מהנבדק להסיר כל מתכת או תכשיט מגופו ולהחליף לשמלת מטופל.
  3. אמן את הנבדק לדבוק בפרוטוקול הנשימה שנבחר (עצירת נשימה או נשימה חופשית).
  4. למחקר נשימה חופשית, הציגו בפני הנבדקים את ההקלטה הקולית בשאיפה-נשיפה שתושמע במהלך ההדמיה, ואיתה עליהם לסנכרן את נשימתם.
  5. הובילו את הנבדקים לחדר ה-MRI והניחו אותם על מיטת הסורק: כשהם שוכבים על גבי סליל אפוד הקסנון הפתוח.
  6. לאחר מיקום הנבדק, הדקו את רצועות הסקוטש כך שסליל האפוד יהיה סגור אך לא יכווץ את חזהו של הנבדק.
  7. למחקר נשימה חופשית, הניחו מסכת פנים עם דלקת ריאות על פני המטופל והדקו את הרצועות כך שהמסכה תתאים היטב על האף והפה מבלי להיות הדוקה מדי. לאחר ההתאמה, הסירו את המסכה והניחו בצד למועד מאוחר יותר, תוך השארת הרצועות מאחורי ראשו של הנבדק.
  8. הניחו שני מדי דופק על האצבע המורה הימנית והשמאלית של הנבדק, בהתאמה, כדי לנטר ולרשום ברציפות את קצב הלב וריווי החמצן בדם (SPO2) לאורך כל תקופת המחקר.
  9. הניחו אוזניות תואמות MRI מעל אוזני המצולם.
  10. הזיזו את שולחן סורק ה-MRI לתוך בור המגנט כך שריאותיו של הנבדק ימוקמו במרכז שדה הראייה.

4. קיטוב קסנון היפרפולרי-129 (גז כיול)

הערה: להלן שלבי הפרוטוקול לקיטוב גז Xenon-129 באמצעות התקן המקטב שלנו. התאם בהתאם להוראות ההפעלה הספציפיות לספק עבור מקטב הגז המותקן.

  1. כשעתיים וחצי לפני תחילת המחקר, חממו את מקטב הקסנון. מכיוון שגז קסנון, המועשר במיוחד >85% קסנון -129, הוא יקר מאוד (כיום ~ 500 דולר לליטר) ולא ניתן ללכוד אותו מחדש לאחר הקיטוב, יש להתחיל בתהליך הקיטוב רק לאחר שהנבדק הגיע לאתר ההדמיה.
  2. השחילו את צינור המחבר של שקית PVF מיוחדת בנפח 250 מ"ל דרך תפס איטום. ודא שהתפס אינו צובט את הצינור.
  3. חברו את שקית ה-PVF המיוחדת לאחת מארבע יציאות המקטבים הזמינות.
  4. במסך המגע של המקטב, בחר את מיכל הקסנון המועשר, הגדר את קצב הזרימה לבינוני והגדר את עוצמת הקיטוב ל- 250 מ"ל.
  5. לחץ על לחצן התחל כדי להתחיל את תהליך הקיטוב. הליך הקיטוב בפועל, הקפאת הקסנון החוצה, הפשרתו וניפוקו לתוך שקית PVF מיוחדת, הוא אוטומטי לחלוטין ולוקח בערך 15 דקות עבור 250 מ"ל של קסנון.
  6. לאחר הוצאת גז הקסנון המקוטב, המקטב יציג הודעה על מסך המגע המציינת כי כעת ניתן להסיר את השקית.
  7. צבוט את צינור המחבר של שקית ה- PVF המיוחדת הסגורה באמצעות תפס האיטום. נתק את שקית ה-PVF המיוחדת והנח אותה במהירות בתוך הבור של סורק ה-MRI כדי למנוע דה-פולריזציה מהירה של גזים.

5. שאיפת קסנון היפרפולרי-129 לכיול

  1. הניחו אטב לאף על אפו של הנבדק כדי לשפר את הנשימה דרך הפה.
  2. בתום התפוגה הרגילה, הכנס את פיה של שקית הקסנון לפיו של הנבדק.
  3. לאחר שהנבדק שאף 250 מ"ל של מנת קסנון מהשקית, הסר את הפייה והנחה את הנבדק להמשיך לשאוף אוויר לחדר עד שריאותיו מלאות.
  4. בסיום ההשראה, בקשו מהנבדק להרים את האגודל, וממתאמת האחות להעביר את המידע הזה מילולית למפעיל הסורק כדי להתחיל את רצף הדופק.
  5. עבור נבדקים שאינם מסוגלים לעצור את נשימתם, בקשו ממתאמת האחות להתבונן בתנועת החזה של הנבדק וליידע את המפעיל כאשר הנבדק הגיע לסיום הנשיפה ומתחיל בהשראה. בעוד שגישה זו מפחיתה את אות המדידה עקב הנשיפה החלקית של גז קסנון מעורר השראה, היא מבטיחה שנפח הקסנון בריאות הנבדק יישאר קבוע למדי במהלך רכישת נתוני הכיול.
  6. בתום תקופת איסוף הנתונים (~ 5 שניות), הנחו את הנבדק לנשום שוב כרגיל.

6. כיול מתח פולס תדר גז ותדר רדיו

הערה: לפני ביצוע רצף פולסים, סורקי MRI מודרניים בדרך כלל מכיילים את תדר התהודה של אות ה- MR ואת המתח שיש להפעיל על סליל ה- RF המשדר כדי להשיג את זווית ההיפוך הרצויה עבור פעימות העירור. ב- MRI פרוטון קונבנציונאלי, תהליך כיול זה הוא אוטומטי ובדרך כלל שקוף למשתמש. עם זאת, כיול אוטומטי זה אינו אפשרי עבור מחקרי קסנון 129 היפרפולרי, מכיוון שאין מקור אות זמין בשיווי משקל תרמי. במקום זאת, יש לכייל ידנית את התדר והמתח עבור פעימות RF. בסורק MRI המשמש כאן, כיול ידני זה נעשה על ידי אספקת מתח ייחוס, שבו תוכנת הסורק משתמשת לאחר מכן כדי לחשב את המתח המתאים לכל פעימות ה- RF הבאות. עיין בהוראות ההפעלה הספציפיות לספק עבור מערכת ה- MRI כדי להבין כיצד להזין נתוני כיול אלה לתוכנת המדידה.

  1. טען רצף דופק של צופי פרוטון. בחר שדה ראייה של 400 מ"מ. רכשו 10 פרוסות קורונליות (עובי פרוסה 10 מ"מ, רווח של 20%).
  2. סקור את תמונות הפרוטון וודא שהריאה של הנבדק ממורכזת בשדה הראייה. במידת הצורך, מקם מחדש את הנושא וחזור על שלב 1.
  3. טען את רצף דופק הכיול. השתמש בתדר פאזת הגז HXe (GP) מהסריקה האנושית האחרונה כהערכה התחלתית של תדר המקלט.
  4. הגדר את מתח הייחוס לערך כך שאות GP בין הספקטרום הראשון והאחרון שנרכש עם רצף הכיול יקטן בכ- 70% - 80% עבור רוב הנבדקים. עבור סליל RF החזה, הגדר את מתח הייחוס הראשוני ל- 75 V.
  5. התחל את הרצף כאשר הנבדק שאף את מנת הכיול HXe ונמצא בעצירת נשימה, או, אם לא ניתן להשיג עצירת נשימה, כאשר הנושא עבר את נקודת התפוגה במחזור הנשימה.
    1. החל פולס עירור RF גאוסיאני של 1.2 אלפיות השנייה שבמרכזו 0 עמודים לדקה. קבעו את זווית ההיפוך הנומינלית ל- 90°. עם זאת, מכיוון שמתח הייחוס הראשוני מוגדר הרבה מתחת לערכו האמיתי, זווית ההיפוך המיושמת בפועל היא בסביבות 15°.
    2. דגמו את דעיכת האינדוקציה החופשית למשך 30.72 אלפיות השנייה (1024 נקודות דגימה). החל ספוילר הדרגתי של 20 אלפיות השנייה לאורך ציר ה-x: זמן רמפה של 500 אלפיות השנייה, זמן רמה של 19 אלפיות השנייה, 20 מיליונית/מטר. שים לב שמפרטי מעבר צבע אלה אינם ממוטבים, סביר להניח שמשכי שיפוע קצרים יותר יספיקו.
    3. חזור על שלבים 6.5.1.-6.5.2. 16 פעמים עם זמן חזרה של 55 אלפיות השנייה. חזור שוב על שלבים 6.5.1-6.5.2. 16 פעמים עם זמן חזרה של 220 אלפיות השנייה.
  6. לאחר השלמת איסוף הנתונים, יש להנחות את הנבדק לחזור לנשימה רגילה.
  7. להעריך את רווחתו של הנושא על ידי בדיקת רמת SPO2 ולשאול על כל תגובות שליליות פוטנציאליות.
  8. הורד את נתוני הכיול הנמדדים לכונן USB ולאחר מכן העבר אותם למחשב נייד לניתוח נוסף.
  9. השתמש בסקריפט MATLAB כדי לחלץ את התדר המרכזי של שיא GP, את זווית ההיפוך של פעימות עירור RF ואת גז HXe T1 בתוך הריאה.
    1. טען את 32 ה- FIDs שנרכשו על ידי רצף הכיול. השתמש בהתמרות פורייה מהירות (FFTs) כדי להמיר את ה- FIDs לספקטרה.
    2. שלב GP מגיע לשיא סדר אפס. התאם צורת קו פסאודו-Voigt לרכיב האמיתי בשלבים של פסגות GP.
    3. חשב את תדר GP כממוצע על פני תדרי המרכז של 10 הראשונים מתאים, שכן אלה יש את יחס אות לרעש הגבוה ביותר. פלט את ממוצע התדרים על המסך.
    4. שלב את האזור מתחת לכל פסגות GP. התאם פונקציות דעיכה מונו-מעריכיות לאזורי השיא הראשונים של 16 ו-16 GP הראשונים.
    5. חלץ GP T1 והחיל זווית היפוך משתי עקומות הדעיכה המותאמות.

7. קיטוב קסנון היפרפולרי-129 (גז מדידה)

  1. לקיטוב גז המדידה בצע את השלבים 4.2 - 4.7, עם השינויים הבאים:
    1. השתמש בשקית PVF מיוחדת של 500 מ"ל במקום שקית של 250 מ"ל.
    2. הגדר את נפח הקיטוב ל- 500 מ"ל במקום 250 מ"ל. תהליך הקיטוב אורך כ-20 דקות למשך 500 מ"ל.

8. שאיפת קסנון היפרפולריזציה 129 למדידה (עצירת נשימה)

  1. הניחו אטב לאף על אפו של הנבדק כדי לשפר את הנשימה דרך הפה.
  2. בתום התפוגה הרגילה ליכולת שיורית תפקודית, הכנס את פיה של שקית הקסנון לפיו של הנבדק.
  3. לאחר שהנבדק שאף 500 מ"ל של גז קסנון משקית הקסנון, הוציאו את הפייה והנחו את הנבדק להמשיך לשאוף אוויר לחדר עד שהריאות שלו מלאות.
  4. בסיום ההשראה, בקשו מהנבדק להרים את האגודל, וממתאמת האחות להעביר את המידע הזה מילולית למפעיל הסורק כדי להתחיל את רצף הדופק.
  5. בסוף תקופת איסוף הנתונים (~ 8 שניות), בקש מהנבדק לנשום שוב כרגיל.

9. שאיפת קסנון היפרפולרי-129 למדידה (נשימה חופשית)

  1. לסריקת המדידה, הוציאו את הנבדק מסורק ה-MRI, הניחו את מסכת הפנים על האף והפה, וחברו את הרצועות שהותאמו מראש מאחורי הראש אל המסכה, תוך אבטחת המסכה במקומה. דלקת הריאות על המסכה תזהה את השאיפות והנשיפות העוקבות של הנבדק ותפעיל את מערכת הולכת הגזים לפלוט גז כאשר מתגלה שאיפה.
  2. הזז את הנושא בחזרה למיקומו המקורי בתוך הסורק.
  3. הפעל את הקלטת השמע בשאיפה-נשיפה כך שהנבדק יוכל לסנכרן את דפוס הנשימה שלו עם פרוטוקול הנשימה.
  4. לאחר שהנבדק נכנס לקצב עם פרוטוקול הנשימה, בקש ממתאמת האחות ליידע את מפעיל ה- MRI כדי להתחיל את איסוף הנתונים. לאחר מכן מתאמת האחות פותחת את השסתומים במערכת הולכת הגזים והנבדק מתחיל לשאוף 50 מ"ל של קסנון היפרפולרי-129 שמתערבב עם זרימת האוויר בתוך מסכת הנשימה.
  5. בקשו מהמטופל להמשיך כ-10 נשימות עד שנפח גז הקסנון ינוצל לפרוטוקול ההדמיה.

10. רכישת נתוני מדידה (עצירת נשימה)

  1. טען את רצף הדופק של CSSR לעצירת נשימה, כמתואר בשלב 1.2. הגדר את תדר הרכישה בהתאם לתדר HXe GP שנקבע במהלך סריקת הכיול בשלב 6.
  2. כוונן את מתח הייחוס כך שיתאים לערך המתקבל מסריקת הכיול המתוארת בשלב 6.
  3. בחר באפשרות המתן למשתמש , או באפשרות המקבילה לה, לביצוע רצף, בהתאם להוראות ההפעלה של ספק המערכת.
  4. התחל את הרצף. סורק ה-MRI ישלים את הכנת הרצף, ולאחר מכן ישהה וימתין עד שהמשתמש יתחיל באיסוף נתונים.
  5. התחל את איסוף הנתונים כאשר הנבדק שאף את מנת המדידה HXe, שטף את דרכי הנשימה על ידי המשך שאיפה של אוויר החדר עד שהריאות שלהם מתמלאות, ויזם עצירת נשימה. האחרון צריך להתבצע על פי הוראות מתאם האחות ומתואר בשלב 5 ו 8.
  6. לאחר השלמת איסוף הנתונים, יש להנחות את הנבדק לחזור לנשימה רגילה.
  7. להעריך את רווחתו של הנבדק על ידי בדיקת רמת SPO2 ולשאול על כל תגובות שליליות פוטנציאליות.
  8. הורד את נתוני CSSR הנמדדים לכונן USB ולאחר מכן העבר אותם למחשב נייד לניתוח נוסף.

11. רכישת נתוני מדידה (נשימה חופשית)

  1. טען את רצף הדופק של CSSR לנשימה חופשית, כמתואר בשלב 1.3.
  2. הגדר את תדר הרכישה בהתאם לתדר HXe GP שנקבע במהלך סריקת הכיול בשלב 6.
  3. כוונן את מתח הייחוס כך שיתאים לערך המתקבל מסריקת הכיול המתוארת בשלב 6.
  4. בחר באפשרות המתן למשתמש , או באפשרות המקבילה לה, לביצוע רצף, בהתאם להוראות ההפעלה של ספק המערכת.
  5. התחל את הרצף. סורק ה-MRI ישלים את הכנת הרצף, ולאחר מכן ישהה וימתין עד שהמשתמש יתחיל באיסוף נתונים.
  6. התחל את איסוף הנתונים ברגע שמתאם האחות מוכן לעבור מאוויר החדר לתערובת גז/אוויר HXe כמתואר בשלב 9.4. ודא שהרצף כבר פועל לפני שהנבדק שואף את המנה הראשונה של גז קסנון.
  7. לאחר השלמת איסוף הנתונים בתום 3 דקות מדידה או סיום כאשר נעשה שימוש בכל גז HXe, הסר את הנושא מסורק MRI.
  8. להעריך את רווחתו של הנבדק על ידי בדיקת רמת SPO2 ולשאול על כל תגובות שליליות פוטנציאליות.
  9. הורד את נתוני CSSR הנמדדים לכונן USB ולאחר מכן העבר אותם למחשב נייד לניתוח נוסף.

12. ניתוח נתוני CSSR

הערה: הנתונים שנרכשו מורכבים מדעיכת אינדוקציה חופשית N x 40, כאשר N הוא מספר הפעמים שהרכישה חזרה על עצמה עם זמני עיכוב שונים לאחר הרוויה של מגנטיזציה של DP. תלוי אם מדידת CSSR בוצעה כעצירת נשימה או כמחקר נשימה חופשית, N הוא 1 או מספר הפעמים שהרכישה חזרה על עצמה, בהתאמה, ואמור להסתכם בערך פי 2 מזמן המדידה ב- s. עם זאת, ניתוח הנתונים הבא עבור שני התרחישים באמצעות סקריפטים של MATLAB זהה במהותו, למעט היכן שצוין.

  1. טען את ה- FIDs שנרכשו על-ידי רצף CSSR. השתמש בהתמרות פורייה מהירות (FFTs) כדי להמיר את ה- FIDs לספקטרה.
  2. שלב GP מגיע לשיא סדר אפס. שלב ה-DP מגיע לשיאו לסדר ראשון.
  3. התאם צורת קו פסאודו-Voigt לרכיב האמיתי בשלבים של פסגות GP.
  4. למדידות נשימה חופשית, חלקו את כל הספקטרום באזור שמתחת לפסגות GP המותאמות. ממוצע כל הספקטרום עם אותו זמן השהיה.
  5. בכל הספקטרה, התאימו שתי צורות קו פסאודו-Voigt לרכיבים הממשיים בשלבים של פסגות הממברנה ב~196 ppm ופסגות תאי הדם האדומים ב~217 ppm.
  6. שלב את האזורים שמתחת לפסגות ה- DP המותאמות.
  7. עבור מדידות עצירת נשימה, רכוש את מדידת זמן ההשהיה של 50 מילישניות שוב ושוב (ראה שלב 1.2.8), המאפשרת תיקון דעיכה מדויק יותר מאשר נורמליזציה עם אות GP.
  8. התאמת פונקציית דעיכה מעריכית לאות שיא הממברנה כפונקציה של מדד הרכישה.
  9. הכפל את כל אותות השיא של הממברנה ותאי הדם האדומים בהופכי של פונקציית הדעיכה המעריכית המתאימה עבור מדד הרכישה המתאים.
  10. התאימו את הקרום המתוקן ואת אותות תאי הדם האדומים כפונקציה של זמן ההשהיה שלהם למודל ספיגת גז קסנון. שני המודלים הנפוצים ביותר הם אלה המוצעים על ידי Patz et al.24 ו- Chang et al.25,37,38. בדרך כלל אנו מנתחים נתונים באמצעות מודל Patz.
  11. מתאים לכל אחד מהדגמים כדי לקבל את יחס פני השטח לנפח הנאדי, עובי דופן המחיצה הנאדית הנראה וזמן המעבר הנימי. בנוסף, המודל של חילופי קסנון (MOXE) המוצע על ידי Chang et al. מניב את עובי המחסום בין כלי הדם לבין נפח alveolar כמו גם hematocrit.

תוצאות

איור 2 מדגים ספקטרום קסנון טיפוסי שנצפה בריאה האנושית במהלך עצירת נשימה, לאחר שאיפה של 500 מ"ל של מנת קסנון. הספקטרום מציג שני אזורים נפרדים, תהודת GP סביב 0 ppm, ואזור DP, המורכב משיא הממברנה בסביבות 197 ppm ושיא תאי הדם האדומים בסביבות 217 ppm. אמפליטודות השיא היחסיות תלויות במספר גורמ?...

Discussion

ספקטרוסקופיית MR HXe CSSR היא טכניקה רבת עוצמה להערכת מספר מדדי תפקוד ריאתי שיהיה קשה או בלתי אפשרי לכמת in vivo באמצעות כל שיטת אבחון קיימת אחרת24. עם זאת, הרכישה וניתוח הנתונים הבאים מבוססים על הנחות מסוימות לגבי תנאים פיזיולוגיים ופרמטרים טכניים שלעולם אינם ניתנים להשגה מלאה ?...

Disclosures

למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי מענקי NIH R01HL159898 ו-R01HL142258.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Bi-directional Pneumotach B&B Medical AccutachTM
Chest Vest CoilClinical MR SolutionsAdult Size
Face MaskHans Rudolph7450
MatlabMathworksRelease 2018aOptimization Toolbox required
Physiological Monitoring System BIOPAC Systems Inc
Tedlar BagJensen Inert Products250-mL and 500-mL; specialised PVF bag
Xenon PolarizerXemed LLCX-box E10 
Whole-body MRI ScannerSiemens1.5 T Avanto

References

  1. Albert, M. S., et al. Biological magnetic resonance imaging using laser-polarized 129Xe. Nature. 370 (6486), 199-201 (1994).
  2. Happer, W. Optical Pumping. Rev Mod Phys. 44 (2), 169-250 (1972).
  3. Appelt, S., et al. Theory of spin-exchange optical pumping of He-3 and Xe-129. Phys Rev A. 58 (2), 1412-1439 (1998).
  4. Hersman, F. W., et al. Large production system for hyperpolarized 129Xe for human lung imaging studies. Acad Radiol. 15 (6), 683-692 (2008).
  5. Parnell, S. R., Deppe, M. H., Parra-Robles, J., Wild, J. M. Enhancement of Xe-129 polarization by off-resonant spin exchange optical pumping. J Appl Phys. 108 (6), 064908 (2010).
  6. Norquay, G., Collier, G. J., Rao, M., Stewart, N. J., Wild, J. M. ^{129}Xe-Rb spin-exchange optical pumping with high photon efficiency. Phys Rev Lett. 121 (15), 153201 (2018).
  7. Mugler, J. P., et al. MR imaging and spectroscopy using hyperpolarized 129Xe gas: preliminary human results. Magn Reson Med. 37 (6), 809-815 (1997).
  8. Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Driehuys, B., Mugler, J. P. NMR of hyperpolarized (129)Xe in the canine chest: spectral dynamics during a breath-hold. NMR Biomed. 13 (4), 220-228 (2000).
  9. Butler, J. P., et al. Measuring surface-area-to-volume ratios in soft porous materials using laser-polarized Xenon interphase exchange nuclear magnetic resonance. J Phys Condens Matter. 14 (13), L297-L304 (2002).
  10. Mansson, S., Wolber, J., Driehuys, B., Wollmer, P., Golman, K. Characterization of diffusing capacity and perfusion of the rat lung in a lipopolysaccaride disease model using hyperpolarized 129Xe. Magn Reson Med. 50 (6), 1170-1179 (2003).
  11. Abdeen, N., et al. Measurement of Xenon diffusing capacity in the rat lung by hyperpolarized (129)Xe MRI and dynamic spectroscopy in a single breath-hold. Magn Reson Med. 56 (2), 255-264 (2006).
  12. Driehuys, B., et al. Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI. Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (48), 18278-18283 (2006).
  13. Patz, S., et al. Human pulmonary imaging and spectroscopy with hyperpolarized 129Xe at 0.2T. Acad Radiol. 15 (6), 713-727 (2008).
  14. Qing, K., et al. Assessment of lung function in asthma and COPD using hyperpolarized 129Xe chemical shift saturation recovery spectroscopy and dissolved-phase MRI. NMR Biomed. 27 (12), 1490-1501 (2014).
  15. Stewart, N. J., et al. Reproducibility of quantitative indices of lung function and microstructure from 129 Xe chemical shift saturation recovery (CSSR) MR spectroscopy. Magn Reson Med. 77 (6), 2107-2113 (2017).
  16. Zhong, J., et al. Simultaneous assessment of both lung morphometry and gas exchange function within a single breath-hold by hyperpolarized (129) Xe MRI. NMR Biomed. 30 (8), (2017).
  17. Kern, A. L., et al. Regional investigation of lung function and microstructure parameters by localized (129) Xe chemical shift saturation recovery and dissolved-phase imaging: A reproducibility study. Magn Reson Med. 81 (1), 13-24 (2018).
  18. Kern, A. L., et al. Mapping of regional lung microstructural parameters using hyperpolarized (129) Xe dissolved-phase MRI in healthy volunteers and patients with chronic obstructive pulmonary disease. Magn Reson Med. 81 (4), 2360-2373 (2018).
  19. Xie, J., et al. Single breath-hold measurement of pulmonary gas exchange and diffusion in humans with hyperpolarized (129) Xe MR. NMR Biomed. 32 (5), e4068 (2019).
  20. Zanette, B., Santyr, G. Accelerated interleaved spiral-IDEAL imaging of hyperpolarized (129) Xe for parametric gas exchange mapping in humans. Magn Reson Med. 82 (3), 1113-1119 (2019).
  21. Ruppert, K., et al. Investigating biases in the measurement of apparent alveolar septal wall thickness with hyperpolarized 129Xe MRI. Magn Reson Med. 84 (6), 3027-3039 (2020).
  22. Zhang, M., et al. Quantitative evaluation of lung injury caused by PM(2.5) using hyperpolarized gas magnetic resonance. Magn Reson Med. 84 (2), 569-578 (2020).
  23. Friedlander, Y., et al. Hyperpolarized (129) Xe MRI of the rat brain with chemical shift saturation recovery and spiral-IDEAL readout. Magn Reson Med. 87 (4), 1971-1979 (2022).
  24. Patz, S., et al. Diffusion of hyperpolarized (129)Xe in the lung: a simplified model of (129)Xe septal uptake and experimental results. New J Phys. 13, 015009 (2011).
  25. Chang, Y. V. MOXE: a model of gas exchange for hyperpolarized 129Xe magnetic resonance of the lung. Magn Reson Med. 69 (3), 884-890 (2013).
  26. Stewart, N. J., Parra-Robles, J., Wild, J. M. Finite element modeling of (129)Xe diffusive gas exchange NMR in the human alveoli. J Magn Reson. 271, 21-33 (2016).
  27. Ruppert, K., Qing, K., Patrie, J. T., Altes, T. A., Mugler, J. P. Using hyperpolarized Xenon-129 MRI to quantify early-stage lung disease in smokers. Acad Radiol. 26 (3), 355-366 (2019).
  28. Kern, A. L., et al. Investigating short-time diffusion of hyperpolarized (129) Xe in lung air spaces and tissue: A feasibility study in chronic obstructive pulmonary disease patients. Magn Reson Med. 84 (4), 2133-2146 (2020).
  29. Stewart, N. J., et al. Experimental validation of the hyperpolarized (129) Xe chemical shift saturation recovery technique in healthy volunteers and subjects with interstitial lung disease. Magn Reson Med. 74 (1), 196-207 (2015).
  30. Fox, M. S., et al. Detection of radiation induced lung injury in rats using dynamic hyperpolarized (129)Xe magnetic resonance spectroscopy. Med Phys. 41 (7), 072302 (2014).
  31. Li, H., et al. Quantitative evaluation of radiation-induced lung injury with hyperpolarized Xenon magnetic resonance. Magn Reson Med. 76 (2), 408-416 (2016).
  32. Ruppert, K., et al. Detecting pulmonary capillary blood pulsations using hyperpolarized Xenon-129 chemical shift saturation recovery (CSSR) MR spectroscopy. Magn Reson Med. 75 (4), 1771-1780 (2016).
  33. Walkup, L. L., et al. Feasibility, tolerability and safety of pediatric hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in healthy volunteers and children with cystic fibrosis. Pediatr Radiol. 46 (12), 1651-1662 (2016).
  34. Willmering, M. M., et al. Pediatric (129) Xe gas-transfer MRI-feasibility and applicability. J Magn Reson Imaging. 56 (4), 1207-1219 (2022).
  35. Amzajerdian, F., et al. Simultaneous quantification of hyperpolarized Xenon-129 ventilation and gas exchange with multi-breath Xenon-polarization transfer contrast (XTC) MRI. Magn Reson Med. 90 (6), 2334-2347 (2023).
  36. Niedbalski, P. J., et al. Utilizing flip angle/TR equivalence to reduce breath hold duration in hyperpolarized (129) Xe 1-point Dixon gas exchange imaging. Magn Reson Med. 87 (3), 1490-1499 (2022).
  37. Chang, Y. V. Toward a quantitative understanding of gas exchange in the lung. arXiv. , (2010).
  38. Chang, Y. V., et al. Quantification of human lung structure and physiology using hyperpolarized 129Xe. Magn Reson Med. 71 (1), 339-344 (2014).
  39. Collier, G. J., et al. Observation of cardiogenic flow oscillations in healthy subjects with hyperpolarized 3He MRI. J Appl Physiol. 119 (9), 1007-1014 (2015).
  40. Niedbalski, P. J., et al. Protocols for multi-site trials using hyperpolarized (129) Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the (129) Xe MRI clinical trials consortium. Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

MRICSSRRF

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved