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Method Article
この原稿では、過分極Xenon-129化学シフト飽和回復法(CSSR)を使用して肺ガス交換を追跡し、見かけ上の肺胞中隔壁の厚さを評価し、表面と体積の比率を測定するための詳細なプロトコルを示しています。この方法は、肺疾患の診断と監視の可能性を秘めています。
過分極キセノン-129(HXe)磁気共鳴画像法(MRI)は、肺の換気パターン、ガス拡散、肺実質によるキセノン取り込み、およびその他の肺機能指標の2次元または3次元マップを取得するためのツールを提供します。しかし、空間的な解像度と時間的な解像度をトレードすることで、肺キセノンガス交換をミリ秒単位で追跡することも可能になります。この記事では、そのような手法の1つである化学シフト飽和回復(CSSR)MR分光法について説明します。これは、毛細血管の血液量、中隔壁の厚さ、および肺胞の表面と体積の比率を評価するためにどのように使用できるかを示しています。印加された無線周波パルス(RF)のフリップ角度は、慎重に較正されました。被験者にガスを投与するために、単回投与の息止めおよび複数回の自由呼吸プロトコルが採用されました。吸入されたキセノンガスが肺胞に到達すると、一連の90°RFパルスが印加され、肺実質に蓄積されたキセノン磁化が最大限に飽和するようにしました。可変遅延時間の後、スペクトルを取得して、肺胞ガス量と肺の組織コンパートメントとの間のガス交換によるキセノン信号の再成長を定量化しました。次に、これらのスペクトルを、複雑な疑似Voigt関数を3つの主要なピークに当てはめることによって分析しました。最後に、遅延時間依存のピーク振幅を1次元の分析ガス交換モデルに当てはめて、生理学的パラメータを抽出しました。
過分極キセノン-129(HXe)磁気共鳴画像法(MRI)1は、肺の構造、機能、およびガス交換プロセスに関する独自の洞察を提供する技術です。HXe MRIは、スピン交換光ポンピングによってキセノンガスの磁化を劇的に増幅することにより、熱偏光キセノンMRIと比較して、信号対雑音比を桁違いに改善します2,3,4,5,6。この過分極により、従来の熱分極MRI7では検出できなかった、肺組織や血液へのキセノンガスの取り込みを直接可視化し、定量化することができます。
化学シフト飽和回復(CSSR)MR分光法8,9,10,11,12,13は、最も価値のあるHXe MRI技術の1つであることが証明されています。CSSRは、周波数特異的な高周波(RF)パルスを使用して、肺組織や血液に溶解したキセノンの磁化を選択的に飽和させることを含みます。その後、溶存相(DP)信号が空域内の新鮮な過分極キセノンガスとミリ秒の時間スケールで交換されるときに回復することは、肺実質に関する重要な機能情報を提供します。
2000年代初頭に開発されて以来、CSSR分光法の背後にある技術は、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23に徐々に洗練されてきました。さらに、キセノン取り込み曲線のモデリングの進歩により、肺胞壁の厚さや肺通過時間10,24,25,26などの特定の生理学的パラメータの抽出が可能になりました。研究によると、臨床的に健康な喫煙者27、慢性閉塞性肺疾患(COPD)18,27,28、線維症29、放射線誘発性肺損傷30,31を含むさまざまな肺疾患に見られる肺の異常の形で、肺の微細構造とガス交換効率の微妙な変化に対するCSSRの感受性が示されています.CSSR分光法は、心周期32中の拍動性血流に対応するDP信号の振動を検出するためにも感度が高いことが実証されています。
大きな進歩が見られた一方で、臨床MRIシステムにCSSR分光法を実装するには、実際的な課題が残っています。10秒に近づく単回投与の息止めを必要とするスキャン時間は、小児被験者33,34または重度の肺疾患患者35,36には長すぎる可能性があります。さらに、飽和遅延時間の順序や溶解相飽和の有効性などの取得パラメータが適切に最適化されていない場合、この手法は測定バイアスの影響を受けやすい21。これらの制限に対処し、CSSRをより広範な研究コミュニティが利用できるようにするには、現在開発中の従来の息止めと自由呼吸の取得の両方について、明確で段階的なプロトコルが必要です。
この論文の目的は、HXeガスを使用して最適化されたCSSR MR分光法を実行するための詳細な方法論を提示することです。このプロトコルでは、キセノンガスの分極と送達、RFパルスキャリブレーション、シーケンスパラメータの選択、被験者の準備、データ取得、およびデータ解析の主要なステップについて説明します。実験結果の例を掲載します。この包括的なガイドが、サイト間でのCSSR実装の基盤として機能し、さまざまな肺疾患における肺の微細構造変化を定量化するこの手法の可能性を最大限に引き出すのに役立つことが期待されています。
注:ここで説明する過分極Xenon-129 CSSR MR分光法は、動物やヒトのイメージングに一般的に使用されていますが、以下のプロトコルはヒトの研究のみを対象としています。すべてのイメージングプロトコルは、FDAの比吸収率(SAR)制限(4 W / kg)に準拠しており、ペンシルベニア大学の治験審査委員会によって承認されました。インフォームドコンセントは各被験者から得られました。
1. パルスシーケンス設計
2. 患者様の診察の準備
3. 被験者の準備とモニタリング
4. 過分極キセノン-129分極(キャリブレーションガス)
注:以下は、偏光デバイスを使用してXenon-129ガスを偏光するためのプロトコル手順です。設置されているガス偏光子のベンダー固有の操作手順に従って調整します。
5. キャリブレーションのための過分極キセノン-129吸入
6.ガス周波数と無線周波数パルス電圧の校正
注:パルスシーケンスを実行する前に、最新のMRIスキャナーは通常、MR信号のオン共振周波数と送信RFコイルに印加される電圧を校正して、励起パルスの目的のフリップ角度を実現します。従来の陽子線MRIでは、このキャリブレーションプロセスは自動で行われ、通常はユーザーに対して透過的です。ただし、この自動キャリブレーションは、熱平衡状態の信号源が利用できないため、過分極Xenon-129研究には適していません。代わりに、RFパルスの周波数と電圧を手動で校正する必要があります。ここで使用するMRIスキャナーでは、この手動キャリブレーションは基準電圧を供給することによって行われ、スキャナーのソフトウェアはそれを使用して、後続のすべてのRFパルスの適切な電圧を計算します。このキャリブレーションデータを測定ソフトウェアに入力する方法を理解するには、MRIシステムのベンダー固有の操作手順を参照してください。
7. 過分極キセノン-129分極(測定ガス)
8. 過分極キセノン-129による測定吸入(息止め)
9. 測定のための過分極キセノン-129吸入(自由呼吸)
10. 測定データ取得(息止め)
11. 測定データ取得(自由呼吸)
12. CSSRデータ解析
注:取得したデータは、N x 40の自由誘導減衰で構成され、NはDP磁化の飽和後に異なる遅延時間で取得が繰り返された回数です。CSSR測定が息止めとして行われたか、自由呼吸研究として行われたかによって、Nはそれぞれ1または取得が繰り返された回数のいずれかであり、合計は測定時間の約2倍(s)である必要があります。ただし、MATLAB スクリプトを使用したその後の MATLAB シナリオのデータ解析は、特に明記されていない限り、基本的に同じです。
図2は、500mLのキセノン用量を吸入した後、息止め中にヒトの肺で観察される典型的なキセノンスペクトルを示しています。スペクトルは、0 ppm付近のGP共鳴と、約197 ppmの膜ピークと約217 ppmの赤血球ピークで構成されるDP領域の2つの異なる領域を示します。相対的なピーク振幅は、RF励起パルスの形状、持続時間、中心周波数、飽和と励起の間の遅延時間など、さまざま?...
HXe CSSR MR分光法は、他の既存の診断モダリティ24を使用してin vivoで定量化することが困難または不可能ないくつかの肺機能指標を評価するための強力な技術です。それにもかかわらず、取得とその後のデータ分析は、生きている被験者では決して完全に達成できない生理学的条件と技術的パラメータに関する特定の仮定に基づいています。これらの制限と、抽出され?...
著者には、開示すべき利益相反はありません。
この研究は、NIHの助成金R01HL159898およびR01HL142258によって支援されました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Bi-directional Pneumotach | B&B Medical AccutachTM | ||
Chest Vest Coil | Clinical MR Solutions | Adult Size | |
Face Mask | Hans Rudolph | 7450 | |
Matlab | Mathworks | Release 2018a | Optimization Toolbox required |
Physiological Monitoring System | BIOPAC Systems Inc | ||
Tedlar Bag | Jensen Inert Products | 250-mL and 500-mL; specialised PVF bag | |
Xenon Polarizer | Xemed LLC | X-box E10 | |
Whole-body MRI Scanner | Siemens | 1.5 T Avanto |
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