Acquisizione di immagini iperpolarizzate di risonanza magnetica 129Xe della ventilazione polmonare

Riepilogo

La risonanza magnetica ^{iperpolarizzata 129}Xe (MRI) è un metodo per studiare gli aspetti risolti a livello regionale della funzione polmonare. Questo lavoro presenta un flusso di lavoro standardizzato end-to-end per la risonanza magnetica ^{iperpolarizzata a 129}Xe della ventilazione polmonare, con particolare attenzione alla progettazione della sequenza di impulsi, alla preparazione della dose di ¹²⁹Xe, al flusso di lavoro di scansione e alle migliori pratiche per il monitoraggio della sicurezza del soggetto.

Abstract

La risonanza magnetica ^{iperpolarizzata 129}Xe comprende una gamma unica di tecniche di imaging polmonare strutturale e funzionale. La standardizzazione delle tecniche tra i centri è sempre più importante, data la recente approvazione da parte della FDA del ¹²⁹Xe come mezzo di contrasto per la risonanza magnetica e l'aumento dell'interesse per la risonanza magnetica ^{con 129}Xe tra le istituzioni cliniche e di ricerca. I membri del ¹²⁹Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) hanno concordato le migliori pratiche per ciascuno degli aspetti chiave del flusso di lavoro della risonanza magnetica ¹²⁹Xe e queste raccomandazioni sono riassunte in una recente pubblicazione. Questo lavoro fornisce informazioni pratiche per sviluppare un flusso di lavoro end-to-end per la raccolta di ¹²⁹immagini Xe MR della ventilazione polmonare secondo le raccomandazioni Xe MRI CTC. Saranno discusse e dimostrate la preparazione e la somministrazione di ¹²⁹Xe per gli studi RM, con argomenti specifici tra cui la scelta dei volumi di gas appropriati per interi studi e per le singole scansioni RM, la preparazione e la somministrazione di singole dosi di ¹²⁹Xe e le migliori pratiche per monitorare la sicurezza del soggetto e la tollerabilità di ¹²⁹Xe durante gli studi. Verranno inoltre trattate le principali considerazioni tecniche sulla risonanza magnetica, compresi i tipi di sequenza di impulsi e i parametri ottimizzati, la calibrazione dell'angolo di capovolgimento e della frequenza centrale di ¹²⁹Xe e l'analisi delle immagini di ventilazione della risonanza magnetica ¹²⁹Xe.

Introduzione

La risonanza magnetica ^{iperpolarizzata 129}Xe è uno strumento interessante per la caratterizzazione e la quantificazione non invasiva e spazialmente risolta di aspetti specifici della funzione polmonare ^1,2,3. Approcci di acquisizione e ricostruzione simili a quelli utilizzati nella risonanza magnetica protonica anatomica forniscono immagini di ¹²⁹Xe inalato nei polmoni, consentendo la visualizzazione delle regioni polmonari non ventilate e la quantificazione risolta della distribuzione della ventilazione 4,5,6,7,8 . Sequenze di impulsi più avanzate e tecniche di analisi forniscono ulteriori informazioni complementari, tra cui la quantificazione dell'efficacia dello scambio gassoso tra alveoli e capillari polmonari tramite risonanza magnetica spettroscopica 9,10,11,12,13 e caratterizzazione dell'integrità della microstruttura alveolare tramite risonanza magnetica pesata in diffusione 14,15,16.

L'inalazione ^{di 129}Xe si è dimostrata sicura e tollerabile in soggetti adulti e pediatrici, compresi quelli con malattia polmonare^17,18. Le misurazioni della funzione polmonare derivate dalla risonanza magnetica ¹²⁹Xe hanno mostrato sensibilità alle alterazioni strutturali e funzionali in molti contesti di malattie polmonari, tra cui la broncopneumopatia cronica^{ostruttiva 6,10,19}, la fibrosi cistica 20,21,22, la fibrosi polmonare idiopatica 23,24,25 e l'asma ^7,10,26. Data l'elevata sicurezza e tollerabilità della risonanza magnetica ^{a 129}Xe, la mancanza di radiazioni ionizzanti nella risonanza magnetica rispetto ad altri approcci di imaging comuni e l'elevata riproducibilità dei risultati della risonanza magnetica ^{a 129}Xe^27,28, la risonanza magnetica ^{a 129}Xe è molto promettente, in particolare per il monitoraggio seriale preciso di individui che ricevono un corso temporale di terapia per la broncopneumopatia cronica.

La sicurezza e la promessa clinica della risonanza magnetica ¹²⁹Xe hanno portato all'approvazione della FDA nel dicembre 2022 per l'imaging della ventilazione polmonare in persone di età pari o superiore a²⁹ anni. Alla luce di ciò, si prevede che il numero di siti di ricerca e clinici in grado di eseguire ¹²⁹Xe MRI (attualmente ~20 in tutto il mondo) aumenterà in modo significativo nei prossimi anni. Man mano che la risonanza magnetica ¹²⁹Xe si diffonde in nuove istituzioni, è importante che esistano solide risorse metodologiche per consentire ai centri di costruire rapidamente tecniche di risonanza magnetica ¹²⁹Xe clinicamente rilevanti e di eseguire scansioni e generare risultati strettamente comparabili con quelli dei siti esistenti.

In questo lavoro, delineeremo le attuali migliori pratiche per la risonanza magnetica ^{iperpolarizzata umana 129}Xe della ventilazione polmonare, come concordato dalle istituzioni membri del ¹²⁹Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) e riassunto in un recente documento di posizione³⁰. Gli argomenti includeranno la preparazione di sequenze di impulsi su misura ideali per un flusso di lavoro completo di risonanza magnetica ¹²⁹Xe, la preparazione e la somministrazione di gas ¹²⁹Xe iperpolarizzato, un flusso di lavoro ottimizzato per le sessioni di risonanza magnetica ^{umana 129}Xe e le migliori pratiche per monitorare la sicurezza e il comfort del soggetto durante le sessioni di risonanza magnetica.

Protocollo

Tutte le ricerche che coinvolgono soggetti umani devono essere approvate da un comitato di revisione istituzionale (IRB). Il coinvolgimento dell'IRB non è necessario per l'uso clinico approvato dalle autorità regolatorie della risonanza magnetica ¹²⁹Xe. Prima di partecipare a uno studio di ricerca, ai potenziali soggetti deve essere fornito un documento di consenso informato approvato. La persona che ottiene il consenso deve spiegare il contenuto del documento, compreso lo scopo, le procedure, i benefici e i rischi dello studio, deve rispondere a qualsiasi domanda e deve ottenere il consenso del soggetto per procedere con lo studio come documentato dalla firma del soggetto sul documento di consenso informato. Nel caso di soggetti pediatrici o di altre circostanze particolari, devono essere seguite pratiche approvate per ottenere il consenso. Il protocollo descritto di seguito segue le linee guida dell'IRB dell'Università della Virginia, e i soggetti del caso di esempio in questo manoscritto hanno firmato i moduli di consenso approvati dall'IRB dell'Università della Virginia (IRB 13647, 16215, 16885, 19569).

1. Preparazione dell'hardware e delle sequenze di impulsi per la risonanza magnetica ¹²⁹Xe

NOTA: I passaggi del protocollo descritti al punto 1 devono essere eseguiti prima di eseguire la scansione di soggetti umani. Non è necessario ripeterli per ogni argomento.

1. Verificare che lo scanner MRI sia in grado di funzionare multinucleare, incluso ¹²⁹Xe.
2. Verificare che la bobina a radiofrequenza (RF) ¹²⁹Xe possa essere collegata allo scanner MRI, utilizzando una scatola di interfaccia bobina-scanner appositamente costruita, se necessario.
3. Verificare che sia installato un software adatto (spesso chiamato file della bobina) per l'interfacciamento della bobina ¹²⁹Xe RF allo scanner MRI, se richiesto dal produttore dello scanner.
4. Preparare le sequenze di impulsi per l'imaging ^{a 129}Xe e ¹H come descritto di seguito.
   1. Per la calibrazione di ¹²⁹Xe, preparare una sequenza spettroscopica non localizzata comprendente una serie di decadimenti a induzione libera (FID) utilizzando i parametri della sequenza di impulsi forniti nella Tabella 1.
      NOTA: I FID acquisiti a ~218 ppm (frequenza di fase disciolta) sono utilizzati principalmente per determinare i parametri per la risonanza magnetica ¹²⁹Xe in fase disciolta, che non è trattata nel presente lavoro. Tuttavia, questi parametri sono forniti in modo da poter sviluppare una singola calibrazione ^{standardizzata 129}Xe che è sufficiente per scansioni MRI ¹²⁹Xe di qualsiasi tipo. Inoltre, si noti che una scansione di calibrazione separata potrebbe non essere necessaria per gli studi che coinvolgono solo l'imaging di ventilazione ¹²⁹Xe una volta che il sito ha acquisito un'esperienza sufficiente. La frequenza operativa ^{di 129}Xe può essere stimata con precisione scalando la frequenza di ¹H determinata dallo scanner in base al rapporto tra i rapporti giromagnetici ^{di 129}Xe e 1 H e la calibrazione del trasmettitore può essere stimata in base all'esperienza accumulata e al peso del soggetto.
   2. Per la risonanza magnetica con ventilazione ¹²⁹Xe, preparare una sequenza bidimensionale (2D) di gradiente-eco rovinata da RF utilizzando i parametri della sequenza di impulsi forniti nella Tabella 2. Assicurarsi che ¹²⁹Xe sia selezionato come nucleo di destinazione.
   3. Per la risonanza magnetica anatomica convenzionale ^{a 1}H, preparare una sequenza turbo/veloce spin-echo a colpo singolo o una sequenza gradient-echo viziata da RF utilizzando i parametri forniti nella Tabella 2.
      NOTA: Per la ventilazione ¹²⁹Xe e le sequenze anatomiche ¹H, il FOV e il numero di fette sono specifici del soggetto. Scegliere questi parametri all'inizio della sessione di scansione in modo tale da garantire una copertura completa dei polmoni in tutte e tre le dimensioni.
      1. Abilita il sovracampionamento di fase per mitigare il potenziale aliasing dei bracci nel campo visivo di imaging.
      2. Le limitazioni del fornitore dello scanner MRI possono impedire il funzionamento della sequenza turbo/eco spin-echo a colpo singolo alla risoluzione grossolana in piano suggerita (4 mm x 4 mm). In questo caso, utilizzare una risoluzione che sia un fattore intero della risoluzione desiderata (ad esempio, 2 mm x 2 mm).
         NOTA: In alternativa, la scansione anatomica di ¹ora può essere acquisita utilizzando una sequenza di eco gradiente 2D rovinata da RF. In questo caso, utilizzare gli stessi parametri dei parametri di scansione della ventilazione indicati nella Tabella 2 , ma abilitare il sovracampionamento di fase per evitare l'aliasing dei bracci nel campo visivo di imaging.
5. Verificare il funzionamento della bobina RF e delle sequenze di impulsi sopra descritte eseguendo scansioni di un phantom ¹²⁹Xe³¹ polarizzato termicamente per scansioni ¹²⁹Xe e ^{di un phantom}1 ^{H per}scansioni 1 H.

Parametro	Taratura
TR	15 millimetri
TE	0,45 ms (3 T), 0,8 ms (1,5 T)
Impulso RF	sinc finestrato
Durata RF	0,65-0,69 ms (3 T), 1,15-1,25 ms (1,5 T)
Angolo di capovolgimento	20°
Frequenza RF	218 ppm (fase disciolta), 0 ppm (fase gassosa)
Tempo di permanenza	39 μs
Larghezza di banda	25,6 kHz
No. di campioni	256 (escluso il sovracampionamento, se utilizzato)
Durata della lettura	10 millimetri
Numero di FID	1 rumore (senza RF), 499 a frequenza in fase disciolta, 20 a frequenza in fase gassosa.
Rovinare il gradiente	momento di almeno 15 mT/m-ms (ciascun asse, dopo ogni FID)
Durata	~8 secondi

Tabella 1: Parametri di sequenza degli impulsi consigliati per la calibrazione ¹²⁹Xe. I parametri sono forniti per una sequenza di impulsi di calibrazione spettroscopica ¹²⁹Xe non localizzata.

Parametro	Ventilazione	Anatomico
Tipo di sequenza	Gradiente-eco rovinato da RF	Turbo a colpo singolo/spin-echo veloce
TR	<10 millimetri	Infinito
TE	<5 ms	<50 millimetri
Spaziatura dell'eco	N/A	3-5 ms
Angolo di inversione dell'eccitazione	8-12°	90°
Rimessa a fuoco dell'angolo di inversione	N/A	≥90° (massimo consentito entro i limiti SAR)
Spessore fetta	15 millimetri	15 millimetri
Distanza tra le fette	Nessuno	Nessuno
Orientamento della sezione	Coronale	Coronale
Ordine delle sezioni	Sequenziale (da anteriore a posteriore)	Sequenziale (da anteriore a posteriore)
Ordine di codifica delle fasi	Sequenziale (da sinistra a destra)	Sequenziale (da sinistra a destra)
NEX	1 (sono consentiti fino a 7/8 di Fourier parziale)	Mezzo Fourier
Eco asimmetrica	Permesso	N/A
Dimensione del voxel	4 x 4 x 15 millimetri3	4 x 4 x 15 millimetri3
Durata del campionamento per eco	5-7 millimetri	1-1,5 ms
Durata della scansione	8-12 secondi	≤16 secondi

Tabella 2: Parametri di sequenza degli impulsi consigliati per la ventilazione ¹²⁹Xe e l'imaging anatomico ¹H. I parametri sono forniti per una sequenza gradiente-eco veloce 2D viziata da RF per l'imaging di ventilazione a ¹²⁹Xe (prima colonna) e una sequenza 2D single-shot turbo/veloce spin-echo per l'imaging anatomico ^{a 1}H (seconda colonna). Si noti che la scansione anatomica può essere acquisita in alternativa utilizzando una sequenza di eco gradiente 2D viziata da RF. In questo caso, utilizzare gli stessi parametri dei parametri di scansione della ventilazione forniti qui, ma aggiungere il sovracampionamento di fase se necessario per evitare l'aliasing dei bracci nel FOV di imaging. Si noti inoltre che il metodo specifico per specificare la larghezza di banda del ricevitore varia a seconda del produttore di scanner, ma che il valore corretto può essere calcolato per qualsiasi produttore di scanner dalla durata di campionamento specificata per eco.

2. Screening e preparazione dei candidati per la risonanza magnetica ¹²⁹Xe

1. Assicurarsi che non vi siano controindicazioni per la risonanza magnetica nel potenziale soggetto esaminandolo con un modulo di sicurezza RM. Il file supplementare 1 illustra un modulo di esempio utilizzato presso l'Università della Virginia.
2. Assicurarsi che il potenziale soggetto non soddisfi alcun criterio di esclusione specifico per gli esami di risonanza magnetica ¹²⁹Xe, che potrebbero includere, ma non sono limitati a: FEV₁ previsto in percentuale inferiore al 25%, una condizione respiratoria scompensata nelle 6 settimane precedenti, circonferenza toracica maggiore della circonferenza interna della bobina ^{RF 129}Xe e storia di malattia cardiaca instabile.
   NOTA: Ulteriori criteri che non indicano un'esclusione immediata, ma che giustificano un'attenta considerazione individuale, includono: la necessità di un significativo supplemento di ossigeno al basale (cioè maggiore di 3 L/min con cannula nasale) e una storia di disturbo neurologico con anomalie basali.
3. Se si esegue il test di diffusione polmonare (DLCO) o la spirometria durante la visita di imaging, istruire il soggetto a non ingerire bevande gassate il giorno della visita di studio. Se un soggetto utilizza farmaci respiratori prescritti, istruirlo a ritardare o astenersi dall'assumerlo se specificato dal protocollo dello studio.

3. Preparazione di dosi iperpolarizzate di ¹²⁹Xe

NOTA: Le istruzioni dettagliate del polarizzatore ¹²⁹Xe e della stazione di misurazione della polarizzazione sono proprietarie e specifiche per ciascun fornitore. Le istruzioni seguenti comprendono un riassunto di base per il funzionamento generale del polarizzatore ¹²⁹Xe con pompaggio ottico a scambio di spin.

1. Decidi un volume di dose per il soggetto. Comunemente, per tutti i soggetti viene scelto un volume di dose totale di 1 L e questo volume di dose totale è specificato nell'etichetta della FDA per la risonanza magnetica ¹²⁹Xe. Tuttavia, le attuali raccomandazioni Xe MRI CTC³⁰ suggeriscono che il volume^{totale della dose} (xeno più azoto o elio) dovrebbe mirare a 1/5 della capacità vitale forzata (FVC) del soggetto per garantire una quantità confortevole di gas da inalare per ciascun soggetto e per ridurre al minimo gli effetti legati alla differenza di volume polmonare tra i soggetti.
   1. Se sono disponibili risultati recenti di spirometria per il soggetto, utilizzarli per determinare 1/^{5 della} FVC. Se i risultati della spirometria non sono disponibili, stimare la capacità polmonare totale (TLC) del soggetto in base all'altezza, al sesso e alla razza e stimare la dose totale come 1/^{6 della} TLC.
2. Decidi un volume di gas xeno da polarizzare.
   NOTA: I volumi target di xeno per ciascuna sacca dosatrice sono indicati come volumi di dose equivalenti (DE), che indicano concettualmente il volume equivalente del gas ¹²⁹Xe arricchito al 100% e polarizzato al 100%. Concettualmente, il volume DE è direttamente proporzionale al rapporto segnale/rumore (SNR) previsto di una scansione ¹²⁹Xe e il volume DE consigliato sarà più alto o più basso per alcuni tipi di scansione ¹²⁹Xe in base all'SNR richiesto per quel tipo di scansione.
   1. Calcolare il volume di DE per una data dose di xeno come segue³²:
      
      dove V_Xe è il volume totale di gas xeno (tutti gli isotopi, non solo ¹²⁹Xe) nella dose, f_129Xe è l'arricchimento isotopico di ¹²⁹Xe e P_129Xe è la polarizzazione di ¹²⁹Xe.
   2. Scegliere i volumi DE totali necessari per il set di ¹²⁹scansioni Xe che verranno eseguite. I volumi DE consigliati per la calibrazione individuale e le scansioni di ventilazione sono 75-150 mL.
      NOTA: Per l'imaging di ventilazione, l'SNR deve essere sufficientemente alto da distinguere in modo affidabile tra voxel di immagini ventilati e non ventilati. Un volume DE di 50 mL è considerato il minimo assoluto per l'imaging di ventilazione³⁰ per ottenere un SNR atteso di almeno 20. Per le scansioni di calibrazione, un volume DE fino a 25 mL può essere accettabile se viene calibrato solo il segnale in fase gassosa; è necessario utilizzare almeno 75 mL se si calibrano sia i segnali in fase gassosa che in fase disciolta.
3. Utilizzare il volume totale di DE necessario, l'arricchimento isotropo noto di ¹²⁹Xe del gas xeno e la polarizzazione stimata di ¹²⁹Xe in base ai precedenti cicli di polarizzazione per calcolare il volume totale di gas xeno richiesto per la polarizzazione. Di seguito è riportato un esempio di calcolo per una scansione di ventilazione (volume DE = 75 mL), assumendo un arricchimento isotopico di ¹²⁹Xe dell'85% e una polarizzazione del 20%³²:
   
   Eseguire questo calcolo per ogni dose di xeno per determinare il volume corretto di gas xeno polarizzato da erogare in ciascuna busta dosatrice.
   1. I soggetti con un basso indice di massa corporea (<21) hanno un rischio maggiore di effetti più profondi sul sistema nervoso centrale (SNC) dopo l'inalazione di ¹²⁹Xe rispetto ad altri soggetti. Consultare un medico prima di eseguire l'imaging di soggetti con basso indice di massa corporea e prendere in considerazione la possibilità di ridurre al minimo i volumi di dose di ¹²⁹Xe per evitare questi potenziali problemi.
4. Preparare il polarizzatore ¹²⁹Xe secondo tutte le istruzioni fornite dal fornitore del polarizzatore.
   1. I passaggi possono includere quanto segue, a seconda del fornitore del polarizzatore: assicurarsi che l'alimentazione della bobina di Helmholtz sia accesa; evacuare il collettore di uscita per eliminare eventuali impurità; impostare il dewar di azoto liquido intorno/sotto il dito freddo; accendere i laser e lasciarli riscaldare; attivare il flusso d'aria verso il forno, impostare il forno alla temperatura appropriata utilizzando il controller del forno e lasciare che il forno si riscaldi.
      ATTENZIONE: L'azoto liquido può causare gravi congelamenti se entra in contatto con la pelle, gli occhi o gli indumenti e la luce laser ad alta intensità può causare lesioni agli occhi se colpisce l'occhio senza protezione. Prestare la dovuta attenzione e indossare indumenti protettivi secondo necessità.
5. Assicurarsi che la stazione di misurazione della polarizzazione ¹²⁹Xe sia accesa e che il software sia pronto per misurare la polarizzazione della dose.
6. Iniziare la raccolta di ¹²⁹Xe iperpolarizzato eseguendo i seguenti passaggi.
   1. Avviare il flusso di azoto verso la giacca scaldadita fredda.
   2. Avviare il flusso della miscela di xeno verso il dito freddo. Fare riferimento alle curve delle prestazioni del polarizzatore nella documentazione del polarizzatore per scegliere la portata ottimale.
   3. Aggiungere azoto liquido al dewar che circonda il dito freddo.
   4. Registra l'ora di inizio della polarizzazione su una scheda tecnica per garantire un volume di polarizzazione accurato.
   5. Una volta avviata la raccolta, regolare i regolatori di flusso e forno per mantenere costante la portata e la temperatura e aggiungere azoto liquido secondo necessità per mantenere il dewar pieno.
7. Durante l'accumulo di xeno, preparare le sacche dosatrici Tedlar per la raccolta della dose spurgando ed evacuando ripetutamente le sacche almeno 3 volte utilizzando il collettore di uscita del polarizzatore per ridurre al minimo le impurità e/o i gas depolarizzanti nelle sacche.
8. Una volta trascorso il tempo appropriato per la raccolta del volume di ¹²⁹Xe iperpolarizzato desiderato, terminare la raccolta di ¹²⁹Xe iperpolarizzato come indicato nella documentazione del polarizzatore.
9. Scongelare il ¹²⁹Xe congelato che è precipitato nel dito freddo, come descritto di seguito.
   1. Collegare una sacca dosatrice ¹²⁹Xe all'uscita allo xeno sul collettore di uscita.
   2. Rimuovere con cautela il dewar di azoto liquido e sostituirlo con un recipiente di scongelamento contenente acqua a temperatura ambiente.
   3. Durante lo scongelamento, monitorare continuamente la pressione, aprendo la valvola di flusso dal dito freddo all'uscita allo xeno una volta che la pressione raggiunge un valore di soglia indicato nella documentazione del polarizzatore e chiudendo rapidamente la valvola quando la pressione diminuisce.
   4. Continuare a erogare gas xeno sublimato nella sacca dosatrice in questo modo fino a raggiungere la quantità desiderata di xeno nella sacca dosatrice.
   5. Aggiungere il gas tampone (azoto o elio) in questo momento se non è stato aggiunto in precedenza al sacchetto.
   6. Una volta aggiunti tutti i gas xeno e tampone desiderati al sacchetto, chiudere rapidamente il morsetto di bloccaggio sul tubo del sacchetto, chiudere la valvola di uscita dello xeno e staccare il sacchetto per l'intera dose dal polarizzatore.
   7. Spostare immediatamente la sacca sul campo magnetico creato dalla coppia di bobine di Helmholtz della stazione di misurazione della polarizzazione ¹²⁹Xe.
      ATTENZIONE: La pressione aumenterà rapidamente nel dito freddo mentre il gas xeno si riscalda e sublima, creando un potenziale rischio di esplosione se la pressione viene lasciata accumulare oltre i limiti di sicurezza. Seguire esattamente le istruzioni per questo passaggio fornite nella documentazione del polarizzatore e indossare una protezione per gli occhi durante l'esecuzione di questo passaggio.
10. Misurare e registrare la polarizzazione in ciascuna sacca dosatrice presso la stazione di misurazione della polarizzazione ¹²⁹Xe, secondo le istruzioni fornite dal fornitore della stazione di misurazione della polarizzazione.
11. Una volta misurata la polarizzazione, tenere ¹²⁹sacche di dose di Xe nel campo magnetico creato dalla coppia di bobine di Helmholtz della stazione di misurazione della polarizzazione fino a quando non si è pronti a somministrare una dose al soggetto.

4. Preparazione pre-scansione e coaching del soggetto

NOTA: Si raccomanda che se il soggetto riceve un esame completo che include un test del cammino di sei minuti, il cammino non dovrebbe aver luogo fino a quando non è stata completata la risonanza magnetica ¹²⁹Xe per evitare di affaticare il soggetto in un modo che potrebbe potenzialmente influire sui risultati della risonanza magnetica ¹²⁹Xe. Ciò è particolarmente rilevante per i pazienti con malattia cardiopolmonare.

1. Confermare che il soggetto abbia eseguito correttamente tutte le istruzioni pre-visita come descritto al punto 2 e che non si siano verificati cambiamenti nella salute che soddisfino i criteri di esclusione dello studio o costituiscano una controindicazione alla risonanza magnetica da quando il soggetto è stato sottoposto a screening.
2. Eseguire tutti gli esami fisici necessari sul soggetto, compreso un elettrocardiogramma (ECG); una raccolta di parametri vitali tra cui la temperatura corporea, la frequenza cardiaca, la frequenza respiratoria, la saturazione di ossigeno nel sangue (SpO₂ ) e la pressione sanguigna; spirometria; e un test DLCO.
3. Monitorare questi test per eventuali potenziali segnali di allarme, tra cui SpO₂ bassa (<92%), pressione sanguigna elevata o deviazione significativa dei risultati del test da qualsiasi linea di base esistente per il soggetto.
   NOTA: Queste letture, in particolare SpO₂ al basale, vengono controllate a causa dell'aspettativa che si verifichi una lieve desaturazione transitoria dell'ossigeno durante l'inalazione di ¹²⁹Xe. Per i soggetti con SpO₂ al basale <92% o altri segnali di allarme, consultare un medico per confermare l'idoneità del soggetto per il test MRI ¹²⁹Xe e se utilizzare O₂ supplementare tra le inalazioni di ¹²⁹Xe.
4. Istruire il soggetto nella corretta procedura di inalazione di ¹²⁹Xe, come descritto di seguito.
   1. Preparare una o più sacche Tedlar contenenti aria per consentire al soggetto di esercitarsi al di fuori dello scanner. Utilizzare un volume d'aria che corrisponda al volume totale di xeno e gas tampone che verrà inalato dalla sacca durante lo studio effettivo.
   2. Preparare i fermanaso da far indossare al soggetto durante la scansione in apnea. Inserire le clip per il naso sul naso del soggetto prima dell'inizio delle apnee (sia per la pratica che per la scansione vera e propria).
   3. Allena il soggetto utilizzando una sacca riempita d'aria per ogni tentativo, seguendo le istruzioni riportate di seguito. Il soggetto deve iniziare a inalare la sacca da un volume target di capacità funzionale residua. Durante la procedura seguente, monitorare il torace del soggetto per confermare che stia eseguendo le istruzioni fornite.
      1. Tenere la sacca pronta, ma non somministrarla ancora al soggetto. Chiedi al soggetto di: Fai un'inspirazione regolare. Espirare. Fai un respiro regolare. Espirare.
      2. Posiziona il tubo attaccato alla borsa Tedlar nella bocca del soggetto. Tenere la sacca in un punto in cui il soggetto possa inalare e aprire la valvola. Chiedi al soggetto di: Inspirare. Inspirare. Inspirare.
      3. Una volta che il soggetto ha inalato l'intero contenuto della borsa, chiedigli di: Trattieni il respiro. Istruire immediatamente l'operatore dello scanner a: Vai!
         NOTA: Quando si esegue la scansione del soggetto, l'operatore dello scanner deve avviare la scansione quando si sente Go! Questa istruzione non è destinata al soggetto (ovvero, deve rimanere fermo e continuare a trattenere il respiro come indicato immediatamente prima) ma avvisa il soggetto che la scansione è imminente.
      4. Attendere il completamento della scansione o, durante la pratica, per un conteggio di 10-15 s, che è il tempo approssimativo necessario per far trascorrere una tipica scansione ¹²⁹Xe.
      5. Chiedi al soggetto di: Respira. A questo punto il soggetto espira. A questo punto, allena il soggetto a fare diversi respiri profondi inspirando ed espirando per facilitare una più rapida eliminazione di ¹²⁹Xe dai polmoni e un ritorno più rapido ai normali livelli di saturazione di ossigeno.
      6. Verificare che il soggetto sia in grado di eseguire queste istruzioni in modo affidabile. Prendere in considerazione l'esclusione di soggetti che non sono in grado di inalare l'intero volume di gas, che non sono in grado di mantenere l'apnea o che tossiscono in modo persistente durante i tentativi di apnea durante il test.
         NOTA: L'esito di questo test è fondamentale per determinare la probabile qualità dell'imaging. Questo controllo per la compliance affidabile del soggetto è particolarmente importante nei contesti dell'imaging pediatrico e dell'imaging di malattie polmonari gravi, poiché i soggetti di una o entrambe queste categorie hanno maggiori probabilità di avere difficoltà a completare in modo affidabile l'apnea richiesta.

5. Preparazione della sala scanner MRI e posizionamento del soggetto sul tavolo paziente dello scanner

1. Assicurarsi che chiunque entri o possa entrare nella sala dello scanner MRI (soggetto e personale) rimuova tutti gli oggetti metallici e/o elettronici dalle proprie tasche e dalla propria persona prima di entrare nella stanza dello scanner.
2. Preparare la bobina del giubbotto ¹²⁹Xe collegandola allo scanner e posizionandola sul tavolo del paziente dello scanner MRI.
3. Istruire il soggetto a sdraiarsi sul lettino del paziente in posizione supina con i piedi all'interno dell'area (o con la testa supina, se più adatta alla disposizione della sala scanner). Posizionare dei cuscini sotto la testa, le ginocchia, ecc. del soggetto, in consultazione con il soggetto per assicurarsi che il soggetto possa stare comodamente sdraiato fermo durante l'esame.
4. Fissare la bobina del giubbotto ¹²⁹Xe attorno al petto del soggetto. Puntare a far sì che la linea mediana della bobina nella direzione testa-piede si trovi il più vicino possibile alla linea mediana prevista dei polmoni del soggetto a un livello di gonfiaggio polmonare confortevole per evitare riduzioni del segnale alla periferia dei polmoni.
   NOTA: È un errore comune posizionare la bobina troppo lontano in direzione dei piedi del soggetto. Posizionare la bobina come indicato sopra può spingere la bobina più verso la testa del soggetto di quanto ci si potrebbe ingenuamente aspettare. Inoltre, potrebbe essere necessario posizionare le braccia del soggetto sopra la testa e all'esterno della bobina se il diametro toracico del soggetto lo richiede. Il diametro specifico del torace al di sopra del quale è richiesto questo posizionamento varia a seconda dello scanner specifico e dell'hardware della bobina. Per i soggetti più piccoli, le braccia possono essere posizionate sopra la testa e all'esterno della bobina o ai lati e all'interno della bobina.
5. Posizionare un pulsossimetro sicuro per la risonanza magnetica accanto al tavolo del paziente nella sala scanner MRI e collegare la sonda del pulsossimetro al soggetto. Verificare che il pulsossimetro stia leggendo correttamente.
6. Posizionare una cannula nasale nel naso del soggetto (o, per un soggetto sano, tenerne una in attesa nella stanza dello scanner) e collegarla a una fonte di ossigeno da utilizzare se la SpO₂ del soggetto scende di oltre il 10% per più di 2 minuti dopo l'inalazione della dose. Posizionare la bombola di ossigeno e il regolatore in modo sicuro per la risonanza magnetica in base alla politica di sicurezza locale a una distanza raggiungibile.
7. Far avanzare il lettino del paziente nello scanner MRI, allineando la linea mediana dei polmoni della bobina/soggetto all'isocentro dello scanner.

6. Procedura di scansione

1. Nell'interfaccia utente dello scanner MRI, inserire i dati del soggetto e aprire il protocollo ^{MRI 129}Xe precedentemente preparato (come descritto al punto 1).
2. Assicurarsi che siano state preparate ¹²⁹dosi di Xe come descritto al punto 3 e che ¹²⁹sacche di dosi di Xe si trovino nel campo magnetico generato dalla coppia di bobine di Helmholtz della stazione di misurazione della polarizzazione (o in un dispositivo equivalente) per ridurre al minimo il tasso di depolarizzazione di ¹²⁹Xe.
3. Eseguire una scansione del localizzatore ^{di 1}ora utilizzando un protocollo standard fornito dal fornitore (ad esempio, un localizzatore a tre piani) come descritto di seguito.
   1. Chiedi al soggetto di inspirare in modo confortevole e naturale e di trattenere il respiro. Mentre il soggetto trattiene il respiro, eseguire la scansione del localizzatore.
   2. Visualizzare i risultati della scansione del localizzatore sull'interfaccia dello scanner MRI. Se le immagini mostrano artefatti (ad esempio, se gli indumenti contenenti metallo non sono stati rimossi), risolvi eventuali problemi e ripeti il localizzatore. Se il campo visivo del localizzatore è scarsamente centrato sul soggetto, riposiziona il soggetto e ripeti. Una volta ottenute le immagini del localizzatore accettabili, procedere al passaggio successivo.
4. Eseguire le regolazioni iniziali di pre-scansione per le scansioni ¹²⁹Xe come descritto di seguito.
   1. Impostare la frequenza centrale iniziale ^{di 129}Xe dividendo la frequenza centrale di ¹H dal localizzatore per 3,61529 (il rapporto approssimativo dei rispettivi rapporti giromagnetici di ¹H e ¹²⁹Xe).
   2. Impostare l'impostazione iniziale del trasmettitore ¹²⁹Xe in base ai risultati della calibrazione di soggetti precedenti con habitus corporeo simile, alla scala in base alla tensione di riferimento di ¹H o al peso misurato del soggetto. I dettagli delle impostazioni del trasmettitore ¹²⁹Xe sono specifici per i produttori dello scanner e della bobina ¹²⁹Xe.
   3. Utilizzare le impostazioni di spessore predefinite dello scanner per tutte le ¹²⁹acquisizioni Xe.
5. Dopo aver eseguito le regolazioni pre-scansione sopra descritte, acquisire la scansione di calibrazione ¹²⁹Xe per trovare la frequenza centrale ¹²⁹Xe e le impostazioni del trasmettitore come descritto di seguito.
   1. Caricare la sequenza di calibrazione ¹²⁹Xe dal protocollo preparato. Assicurarsi che tutti i parametri della sequenza di impulsi siano quelli desiderati e impostare l'impostazione di esecuzione della scansione in modo che la scansione possa essere eseguita con un solo clic.
   2. Portare la sacca della dose ¹²⁹Xe destinata alla scansione di calibrazione ¹²⁹Xe dalla stazione di misurazione della polarizzazione nella sala scanner. Tenere o posizionare la bustina dosatrice a portata di mano vicino al soggetto; Evitare le regioni vicine all'apertura del foro in cui l'intensità del campo magnetico cambia rapidamente.
   3. Assistere il soggetto nell'inalazione della dose ^{di 129}Xe dalla sacca, seguendo la procedura di inalazione descritta al punto 4.
   4. Eseguire la scansione immediatamente dopo aver ascoltato Go! segnalato dall'individuo che assiste il soggetto.
   5. Monitorare il soggetto mentre la scansione procede. Se il soggetto espira visibilmente, tossisce, si muove, ecc., ripetere la scansione se possibile.
   6. Non appena la scansione termina, istruire il soggetto a espirare e respirare liberamente.
   7. Dopo la scansione, monitorare la frequenza cardiaca e la SpO₂ del soggetto utilizzando il pulsossimetro e monitorare gli effetti transitori del sistema nervoso centrale (come vertigini, stordimento, euforia e parestesia) tramite la comunicazione verbale con il soggetto.
      NOTA: Quasi tutti i soggetti sperimenteranno effetti molto lievi sul SNC che non richiedono alcun intervento, ad eccezione dei soggetti con basso contenuto di grasso corporeo, come indicato al punto 3.2.
   8. Attendere che eventuali deviazioni dal basale si dissolvano prima di somministrare un'altra dose di ¹²⁹Xe. Se non si verificano deviazioni significative dal basale, attendere almeno 2 minuti prima di somministrare un'altra dose di ¹²⁹Xe.
      NOTA: Un tipico decorso temporale della desaturazione e del recupero dell'ossigeno è il seguente: la desaturazione inizia 10-20 battiti cardiaci dopo aver completato l'inalazione di ¹²⁹Xe, il nadir si verifica 20-30 battiti cardiaci dopo aver completato l'inalazione e il recupero si verifica entro 45-50 battiti cardiaci dopo aver completato l'inalazione. La maggior parte della desaturazione si risolve entro 30 secondi dall'inalazione di ¹²⁹Xe e in genere ci si dovrebbe aspettare che si risolva completamente entro 2 minuti. Consultare un medico se la desaturazione persistente (superiore al 10% del basale del soggetto) continua oltre i 2 minuti, poiché potrebbe essere consigliabile evitare di somministrare ulteriori ^{dosi di 129}Xe e/o terminare lo studio.
6. Eseguire l'analisi di calibrazione ¹²⁹Xe come descritto di seguito (ad esempio, utilizzando uno strumento di analisi autonomo).
   1. Determinare la frequenza centrale ¹²⁹Xe utilizzando lo spettro dei primi FID in fase gassosa.
   2. Determinare la regolazione del trasmettitore ¹²⁹Xe come descritto di seguito.
      1. Adattare le intensità di picco dei 20 FID in fase gassosa alla seguente funzione³⁰ e risolvere l'angolo di inversione, α:
         
         dove S_i è l'entità dell'intensità del segnale risultante dall'i-esima eccitazione, S₀ è l'entità dell'intensità del segnale dalla prima eccitazione e C è un parametro di offset del rumore.
      2. Una volta ottenuto α , ridimensionare l'impostazione iniziale del trasmettitore ¹²⁹Xe per le scansioni successive di 20°/α, supponendo che sia stato utilizzato 20° come angolo di inversione di calibrazione previsto, come raccomandato nella Tabella 1.
7. Una volta effettuate le regolazioni finali della pre-scansione ¹²⁹Xe e il soggetto è pronto per la dose successiva di ¹²⁹Xe, eseguire la scansione della ventilazione ¹²⁹Xe come descritto di seguito.
   1. Caricare la sequenza di ventilazione ¹²⁹Xe dal protocollo preparato. Assicurarsi che tutti i parametri della sequenza di impulsi siano quelli desiderati e impostare l'impostazione di esecuzione della scansione in modo che la scansione inizi immediatamente dopo un singolo clic.
   2. Selezionare le dimensioni del campo visivo e la posizione centrale in base ai risultati del localizzatore. Fate in modo che il centro del campo visivo coincida con il centro dei polmoni in tutte e tre le dimensioni e che il campo visivo sia abbastanza grande da contenere comodamente l'intera cavità toracica, compresa la totalità di entrambi i polmoni.
   3. Portare la sacca dosatrice ¹²⁹Xe destinata alla scansione di ventilazione ¹²⁹Xe dalla stazione di misurazione della polarizzazione nella sala scanner. Tenere o posizionare la bustina dosatrice a portata di mano vicino al soggetto; Evitare le regioni vicine all'apertura del foro in cui l'intensità del campo magnetico cambia rapidamente.
   4. Assistere il soggetto nell'inalazione della dose ^{di 129}Xe dalla sacca, seguendo la procedura di inalazione descritta al punto 4.
   5. Eseguire la scansione immediatamente dopo aver ascoltato Go! segnalato dall'individuo che assiste il soggetto.
   6. Monitorare il soggetto mentre la scansione procede. Se il soggetto espira visibilmente, tossisce, si muove, ecc., ripetere la scansione se possibile.
   7. Non appena la scansione termina, istruire il soggetto a espirare e respirare liberamente.
   8. Dopo la scansione, monitorare la frequenza cardiaca e la SpO₂ del soggetto utilizzando il pulsossimetro e monitorare gli effetti transitori del sistema nervoso centrale (come vertigini, stordimento, euforia e parestesia) tramite la comunicazione verbale con il soggetto.
   9. Attendere che eventuali deviazioni dal basale si dissolvano prima di somministrare un'altra dose di ¹²⁹Xe. Se non si verificano deviazioni significative dal basale, attendere almeno 2 minuti prima di somministrare un'altra dose di ¹²⁹Xe.
8. Eseguire la scansione anatomica ^{di 1}ora come descritto di seguito.
   1. Caricare la sequenza anatomica di ¹H dal protocollo preparato. Assicurarsi che tutti i parametri della sequenza di impulsi siano quelli desiderati e impostare l'impostazione di esecuzione della scansione in modo che la scansione possa essere eseguita con un solo clic.
   2. Portare la sacca dosatrice piena d'aria e abbinata al volume della sacca dosatrice utilizzata per la scansione di ventilazione ¹²⁹Xe nella stanza dello scanner.
   3. Assistere il soggetto nell'inalazione della dose d'aria dalla sacca, seguendo la procedura di inalazione descritta al punto 4.
   4. Eseguire la scansione immediatamente dopo aver ascoltato Go! segnalato dall'individuo che assiste il soggetto.
   5. Monitorare il soggetto mentre la scansione procede. Se il soggetto espira visibilmente, tossisce, si muove, ecc., ripetere la scansione se possibile.
   6. Non appena la scansione termina, istruire il soggetto a espirare e respirare liberamente.

7. Procedure post-scansione

1. Effettuare le misurazioni dei parametri vitali del soggetto nello stesso modo in cui lo si faceva prima della procedura di scansione. Se alcuni parametri vitali diventano anormali, istruire il soggetto ad attendere 30-60 minuti e/o fino a quando i parametri vitali non tornano quasi alla linea di base prima di partire.

8. Analisi dei dati di ventilazione di ¹²⁹Xe MRI

NOTA: Le immagini di ventilazione ¹²⁹Xe e anatomiche ¹H acquisite devono essere ricostruite automaticamente sul computer scanner MRI utilizzando la pipeline di ricostruzione delle immagini predefinita del fornitore.

1. Esporta le scansioni di ventilazione ¹²⁹Xe ^{e 1}H anatomiche come file di immagine DICOM utilizzando il livello minimo di interpolazione consentito (idealmente nessuna).
2. Calcolare la percentuale di difetto di ventilazione (VDP) con un software di programmazione o di analisi delle immagini utilizzando la seguente equazione⁸:
   
   1. Determinare il volume ventilato segmentando le scansioni di ventilazione ¹²⁹Xe, manualmente o utilizzando uno dei numerosi approcci automatizzati esistenti³³.
      NOTA: Un metodo semplice per la segmentazione binaria di ¹²⁹immagini Xe utilizza una soglia definita come segue⁸:
      
      dove "Segnale medio" è la media dell'intensità del segnale ¹²⁹Xe all'interno di una regione di interesse definita dall'utente del forte segnale ¹²⁹Xe all'interno dei polmoni e "SD(Rumore)" è la deviazione standard dell'intensità del segnale ¹²⁹Xe all'interno di una regione vicino al bordo del campo visivo situato lontano dai polmoni o dalla trachea.
   2. Determinare il volume polmonare totale segmentando le scansioni anatomiche di ¹H, manualmente o utilizzando gli approcci automatizzati esistenti³⁴.
   3. Una volta eseguite queste segmentazioni, calcola i volumi corrispondenti come il numero di voxel segmentati moltiplicato per il volume del voxel dell'immagine (tenendo conto di qualsiasi interpolazione eseguita durante la conversione delle immagini in file DICOM).

Risultati

La Figura 1 mostra le immagini rappresentative della ventilazione e del localizzatore a tre piani di un individuo sano. Nelle immagini di ventilazione si può osservare un elevato segnale di ¹²⁹Xe in tutti i polmoni e in questo individuo non è evidente alcuna compromissione della ventilazione.

La Figura 2, la Figura 3 e la Figura 4 mostrano immagini rappresentativ...

Discussione

Gli approcci di ventilazione e risonanza magnetica anatomica sopra descritti sono progettati per massimizzare la qualità dell'immagine e l'SNR mantenendo la semplicità di implementazione: questi protocolli di sequenza possono in generale essere adattati dalle sequenze di impulsi dei prodotti del fornitore, a condizione che il funzionamento multinucleare sia abilitato e che le immagini vengano ricostruite automaticamente sul computer dello scanner. Uno svantaggio degli approcci 2D qui descritti è l'uso di impulsi RF di...

Materiali

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)