Quantitative Measure of Lung Structure and Function Obtained from Hyperpolarized Xenon Spectroscopy(과분극 크세논 분광법에서 얻은 폐 구조 및 기능의 정량적 측정)

요약

이 원고는 과분극 Xenon-129 화학적 이동 포화 회복(CSSR)을 사용하여 폐 가스 교환을 추적하고, 겉보기 폐포 중격 벽 두께를 평가하고, 표면 대 부피 비율을 측정하기 위한 자세한 프로토콜을 제시합니다. 이 방법은 폐 질환을 진단하고 모니터링할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

초록

과분극 제논-129(HXe) 자기 공명 영상(MRI)은 폐 환기 패턴, 가스 확산, 폐 실질에 의한 크세논 흡수 및 기타 폐 기능 지표에 대한 2차원 또는 3차원 지도를 얻기 위한 도구를 제공합니다. 그러나 시간적 해상도를 위해 공간적 변환기를 사용함으로써 ms 시간 척도에서 폐 크세논 가스 교환을 추적할 수도 있습니다. 이 기사에서는 이러한 기술 중 하나인 CSSR(Chemical Shift Saturation Recovery) MR 분광법에 대해 설명합니다. 이는 모세혈관 혈액량, 중격벽 두께 및 폐포의 표면 대 부피 비율을 평가하는 데 어떻게 사용할 수 있는지 보여줍니다. 적용된 무선 주파수 펄스(RF)의 플립 각도는 신중하게 보정되었습니다. 피험자에게 가스를 투여하기 위해 단일 용량 숨 참기 및 다중 용량 자유 호흡 프로토콜이 사용되었습니다. 흡입된 크세논 가스가 허파꽈리에 도달하면 일련의 90° RF 펄스가 적용되어 폐 실질에서 축적된 크세논 자화의 최대 포화를 보장했습니다. 가변적인 지연 시간에 따라, 폐포 가스 부피와 폐의 조직 구획 사이의 가스 교환으로 인한 크세논 신호의 재성장을 정량화하기 위해 스펙트럼을 획득했습니다. 그런 다음 이러한 스펙트럼은 복잡한 pseudo-Voigt 함수를 3개의 주요 피크에 피팅하여 분석되었습니다. 마지막으로, 지연 시간 종속 피크 진폭을 1차원 분석 가스 교환 모델에 장착하여 생리학적 매개변수를 추출했습니다.

서문

과분극 제논-129(HXe) 자기 공명 영상(MRI)¹은 폐 구조, 기능 및 가스 교환 과정에 대한 고유한 통찰력을 제공하는 기술입니다. 스핀 교환 광학 펌핑을 통해 크세논 가스의 자화를 극적으로 증폭시킴으로써 HXe MRI는 열 편광 된 크세논 MRI 2,3,4,5,6에 비해 신호 대 잡음비에서 큰 개선을 달성합니다. 이러한 과분극은 기존의 열분극 MRI⁷로는 검출할 수 없는 폐 조직과 혈액으로의 크세논 가스 흡수를 직접 시각화하고 정량화할 수 있습니다.

화학적 이동 포화 회복 (CSSR) MR 분광법 8,9,10,11,12,13은 가장 가치있는 HXe MRI 기술 중 하나로 입증되었습니다. CSSR은 주파수 특정 무선 주파수(RF) 펄스를 사용하여 폐 조직과 혈액에 용해된 크세논의 자화를 선택적으로 포화시키는 것을 포함합니다. ms 단위의 시간 척도로 영공에서 새로운 과분극된 크세논 가스와 교환할 때 용해상(DP) 신호의 후속 복구는 폐 실질에 대한 중요한 기능 정보를 제공합니다.

2000 년대 초반의 개발 이후 CSSR 분광법의 기술은 점진적으로 개선되었습니다 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. 또한, 크세논 흡수 곡선 모델링의 발전으로 폐포벽 두께 및 폐 통과 시간 10,24,25,26과 같은 특정 생리학적 매개변수를 추출할 수 있게 되었습니다. 연구에 따르면 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)18,27,28, 섬유증²⁹ 및 방사선 유발 폐 손상^30,31을 포함한 다양한 폐 질환뿐만 아니라 임상적으로 건강한 흡연자²⁷에서 발견되는 폐 이상 형태의 폐 미세 구조 및 가스 교환 효율의 미묘한 변화에 대한 CSSR의 민감성이 나타났습니다. CSSR 분광법은 또한 심장 주기(³²) 동안 박동성 혈류에 해당하는 DP 신호의 진동을 감지하기 위해 민감한 것으로 입증되었다.

상당한 진전이 이루어졌지만 임상 MRI 시스템에 CSSR 분광법을 구현하는 데 실질적인 어려움이 남아 있습니다. 10초에 가까운 1회 투여 호흡 유지를 요구하는 스캔 시간은 소아 피험자^33,34 또는 중증 폐 질환 환자^35,36에게 너무 길 수 있다. 또한, 이 기술은 포화 지연 시간의 순서 또는 용해 위상 포화의 효율과 같은 획득 파라미터가 적절하게 최적화되지 않은 경우 측정 편향에 취약합니다²¹. 이러한 한계를 해결하고 더 광범위한 연구 커뮤니티에서 CSSR에 더 쉽게 접근할 수 있도록 하려면 현재 개발 중인 기존의 숨참기 및 자유 호흡 획득 모두에 대한 명확한 단계별 프로토콜이 필요합니다.

이 논문의 목적은 HXe 가스를 사용하여 최적화된 CSSR MR 분광법을 수행하기 위한 자세한 방법론을 제시하는 것입니다. 이 프로토콜은 제논 가스의 분극 및 전달, RF 펄스 교정, 시퀀스 파라미터 선택, 피사체 준비, 데이터 수집 및 데이터 분석의 주요 단계를 다룹니다. 실험 결과의 예가 제공됩니다. 이 포괄적인 가이드가 여러 기관에 걸친 CSSR 구현의 기초 역할을 하고 다양한 폐 질환에서 폐 미세 구조 변화를 정량화하기 위한 이 기술의 잠재력을 최대한 실현하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

프로토콜

참고: 여기에 설명된 과분극 Xenon-129 CSSR MR 분광법 기술은 동물 및 인간 이미징에 일반적으로 사용되지만 아래 프로토콜은 인간 연구만 참조합니다. 모든 이미징 프로토콜은 FDA 특정 흡수율(SAR) 제한(4W/kg)을 준수했으며 University of Pennsylvania의 Institutional Review Board에서 승인했습니다. 각 피험자로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다.

1. 펄스 시퀀스 설계

1. 숨 참기 또는 자유 호흡 측정을 수행할지 여부를 결정합니다.
   참고: 숨참기 획득은 HXe 가스를 1회 투여(500 - 1000mL)만 흡입한 후 MRI 데이터가 수집되는 동안 10초 동안 숨을 참기만 하면 되기 때문에 기술적으로 더 간단합니다. 그러나 비협조적인 피험자(예: 어린이) 또는 중증 폐 질환 환자는 이렇게 오래 숨을 참지 못할 수 있으므로 몇 분 동안 여러 번의 소량(~50mL)의 흡입을 수반하는 자유 호흡 습득이 권장될 수 있습니다.
2. 숨 참기 CSSR MR 분광법 연구의 경우 유연성을 극대화하기 위해 가변 지연 시간을 사용하고 최대 신호 대 잡음비를 위해 최대 90°의 높은 여기 플립 각도를 사용하십시오(그림 1A).
   1. 1.5T MRI 스캐너에서 DP 자화를 포화시키려면 중심 주파수, 지속 시간이 198ppm, 2.5ms 및 218ppm, 2.5개 펄스 및 중심 주파수에 대해 2.5ms, 나머지 3개 펄스에 대해 208ppm, 2.0ms인 5개의 직사각형 90° 무선 주파수(RF) 펄스를 적용합니다. RF 전력 증폭기에 의해 허용되는 경우 더 높은 전계 강도에서 측정하기 위해 RF 펄스의 지속 시간을 줄입니다.
   2. 모든 RF 펄스를 x축, y축, z축을 따라 번갈아 가며 1ms 그래디언트 스포일러로 분리합니다(200 μs 램프 시간, 600 μs 안정 시간, 20 mT/m).
   3. 마지막 포화 펄스 후 지연 시간 τi를 기다립니다. 여기서 i는 호흡 참기에서 i번째 측정을 나타냅니다. 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, 400ms 순서로 지연 시간을 사용합니다.
   4. 208ppm을 중심으로 1.2ms 가우스 RF 여기 펄스를 적용합니다. 플립 각도를 90°로 설정합니다. RF 증폭기가 이를 허용하지 않는 경우 증폭기가 허용하는 최대 플립 각도를 사용하십시오. 고자기장 스캐너에서 측정하기 위해 전계 강도에 반비례하는 RF 여기 펄스의 길이를 조정합니다.
   5. 30.72ms(1024 샘플링 포인트) 동안 자유 유도 감쇠를 샘플링합니다. 1.5T에서 기체상 T2*는 약 15ms 정도이지만, 처리 전에 추가 신호 아포다이제이션이 필요 없이 더 높은 전계 강도에서 샘플링 시간을 크게 줄일 수 있습니다.
   6. x축을 따라 5ms 그래디언트 스포일러 적용: 200 μs 램프 시간, 4.6 ms 안정 시간, 20 mT/m.
   7. 1.2.1단계에서 설명한 대로 1.2.3단계에서 설명한 대로 동일한 숨 참기 동안 다른 τi로 1.2.6 40x 단계를 반복합니다.
   8. 자유 호흡 CSSR MR 분광법 연구의 경우 할당된 HXe 가스 부피가 소진되면 획득을 더 일찍 종료할 수 있지만 약 3분 동안 다음 측정을 계속 수행하십시오(그림 1B).
   9. 1.2.1 및 1.2.2 단계를 반복합니다. 플립 각도를 1.2.4°로 하여 7단계를 반복합니다. 10.24ms(512 샘플링 포인트) 동안 자유 유도 감쇠를 샘플링합니다.
   10. x축을 따라 1ms 그래디언트 스포일러를 적용합니다: 200ms 램프 시간, 600ms 안정 시간, 20mT/m. 1.2.3 - 1.2.5 단계를 40x 반복 시간 12.6ms로 반복합니다.
   11. 연구가 끝날 때까지 1.2.1 - 1.2.6 단계를 반복하십시오.

2. 환자 진찰 준비

1. 각 연구 전에 깨끗한 안면 마스크가 준비되어 있고 얇고 유연한 튜브를 사용하여 가스 전달 동기화 장치에 연결되어 있는지 확인하십시오.
2. 자유 호흡 연구의 경우, 유량 측정을 위해 양방향 뉴모타크를 부착하십시오.
3. 적절한 가스 주입을 확인하기 위해 호흡을 모방하기 위해 유리 주사기를 사용하여 일상적인 테스트를 수행합니다. 가스 전달 장치는 기압의 유량 측정에서 흡입 시작을 감지하여 마스크에 가스를 주입할 수 있어야 합니다.
4. 이미징 중 호흡 곡선(유량 및 부피)과 실시간 가스 분석(O₂ 및 CO₂)을 기록하는 선택적 생리학적 모니터링 시스템을 설정합니다.
5. 들숨-날숨 오디오 녹음을 사용하여 피험자를 안내하는 오디오 신호와 함께 MRI 룸 헤드폰을 연결하고 테스트합니다. 각 피사체의 정상적인 호흡 속도에 따라 오디오 트랙의 재생 속도를 조정합니다.
6. 깨끗한 머리 받침대, 다리 받침대, 베개 및 담요를 준비합니다.
7. 고정되지 않은 Xenon-129 가슴 조끼 코일을 MRI 스캐너의 테이블에 놓습니다. 코일의 커넥터 플러그를 삽입하고 MR 스캐너가 코일을 인식하는지 확인합니다.

3. 주제 준비 및 모니터링

1. 피험자가 이미징 시설에 도착하면 IRB 승인 동의서를 사용하여 서면 동의서를 받습니다. 동의를 얻으면 MRI 안전성 설문지와 금속 탐지기를 사용하여 피험자를 선별합니다.
2. 피험자에게 자신의 몸에 있는 금속이나 장신구를 제거하고 환자 가운으로 갈아입으라고 요청한다.
3. 선택한 호흡 프로토콜(숨 참기 또는 자유 호흡)을 따르도록 피험자를 훈련시킨다.
4. 자유 호흡 연구를 위해 이미징 중에 재생될 들숨-날숨 음성 녹음을 피험자에게 소개하고 호흡을 동기화해야 합니다.
5. 피험자를 MRI실로 안내하고 스캐너 침대에 놓습니다: 열린 크세논 조끼 코일 위에 눕습니다.
6. 피험자의 위치가 잡히면 벨크로 스트랩을 조여 조끼 코일이 닫히지만 피험자의 가슴을 조이지 않도록 합니다.
7. 자유로운 호흡 연구를 위해 폐렴이 있는 안면 마스크를 환자의 얼굴에 대고 마스크가 너무 꽉 조이지 않고 코와 입에 꼭 맞도록 스트랩을 조입니다. 착용 후 마스크를 제거하고 나중을 위해 따로 보관하고 스트랩은 피사체의 머리 뒤에 남겨 둡니다.
8. 연구 기간 동안 심박수와 혈중 산소 포화도(SPO₂)를 지속적으로 모니터링하고 기록하기 위해 피험자의 오른쪽 및 왼쪽 검지 손가락에 각각 두 개의 맥박 산소 측정기를 놓습니다.
9. MRI 호환 헤드폰을 피사체의 귀에 착용합니다.
10. MRI 스캐너 테이블을 자석 구멍으로 이동하여 피사체의 폐가 시야의 중앙에 위치하도록 합니다.

4. 과분극 크세논-129 분극(교정 가스)

알림: 다음은 당사의 편광 장치를 사용하여 Xenon-129 가스를 분극하기 위한 프로토콜 단계입니다. 설치된 가스 편광판에 대한 공급업체별 작동 지침에 따라 조정하십시오.

1. 연구가 시작되기 약 2.5시간 전에 Xenon 편광자를 가열합니다. 특히 농축된 >85% Xenon-129 가스는 매우 비싸고(현재 L당 ~$500) 한 번 편광되면 다시 포집할 수 없기 때문에 피사체가 이미징 장소에 도착한 후에만 편광 과정을 시작해야 합니다.
2. 250mL 특수 PVF 백의 커넥터 튜브를 밀봉 클립에 끼웁니다. 클립이 튜브를 조이지 않도록 하십시오.
3. 특수 PVF 백을 사용 가능한 4개의 편광판 투약 포트 중 하나에 부착합니다.
4. 편광판 터치 스크린에서 enriched Xenon 탱크를 선택하고 유속을 중간으로 설정하고 편광 부피를 250mL로 설정합니다.
5. 시작 버튼을 눌러 편광 과정을 시작합니다. 실제 분극 절차인 크세논 동결, 해동 및 특수 PVF 백에 분배하는 작업은 완전 자동이며 250mL의 크세논에 대해 약 15분이 소요됩니다.
6. 편광된 크세논 가스가 주입되면 편광판은 이제 백을 제거할 수 있다는 메시지를 터치 스크린에 표시합니다.
7. 밀봉 클립으로 닫은 특수 PVF 백의 커넥터 튜브를 집습니다. 특수 PVF 백을 분리하고 MRI 스캐너의 보어 내부에 빠르게 넣어 급격한 가스 탈분극을 방지합니다.

5. 보정을 위한 과분극 크세논-129 흡입

1. 입으로 호흡하는 것을 개선하기 위해 피험자의 코에 코 클립을 놓습니다.
2. 정상적인 만료가 끝나면 제논 백의 마우스피스를 피험자의 입에 삽입한다.
3. 피험자가 봉지에서 250mL의 크세논을 흡입한 후, 마우스피스를 제거하고 폐가 가득 찰 때까지 실내 공기를 계속 흡입하도록 지시한다.
4. 영감이 떠오르면 피험자에게 엄지손가락을 치켜들도록 요청하고, 간호사 코디네이터는 이 정보를 스캐너 작업자에게 구두로 전달하여 맥박 순서를 시작하도록 요청합니다.
5. 숨을 참을 수 없는 피험자의 경우, 간호사 코디네이터에게 피험자의 가슴 움직임을 관찰하고 피험자가 숨을 내쉬고 영감을 받기 시작하면 조작자에게 알려달라고 요청한다. 이 접근 방식은 흡기된 크세논 가스의 부분적인 호기로 인해 측정 신호를 감소시키지만, 보정 데이터를 획득하는 동안 피험자의 폐 내 크세논 부피가 상당히 일정하게 유지되도록 합니다.
6. 데이터 수집 기간(~5초)이 끝나면 피험자에게 다시 정상적으로 호흡하도록 지시한다.

6. 가스 주파수 및 무선 주파수 펄스 전압 교정

참고: 펄스 시퀀스를 실행하기 전에 최신 MRI 스캐너는 일반적으로 MR 신호의 온 공진 주파수와 송신 RF 코일에 적용될 전압을 보정하여 여기 펄스에 대해 원하는 플립 각도를 얻습니다. 기존의 양성자 MRI에서 이 보정 프로세스는 자동이며 일반적으로 사용자에게 투명합니다. 그러나 이 자동 보정은 열평형 상태에서는 신호 소스가 없기 때문에 과분극 Xenon-129 연구에서는 실현 가능하지 않습니다. 대신, RF 펄스의 주파수와 전압은 수동으로 보정해야 합니다. 여기에 사용된 MRI 스캐너에서 이 수동 보정은 기준 전압을 공급하여 수행되며, 스캐너의 소프트웨어는 이를 사용하여 모든 후속 RF 펄스에 대한 적절한 전압을 계산합니다. MRI 시스템에 대한 공급업체별 작동 지침을 참조하여 이 보정 데이터를 측정 소프트웨어에 입력하는 방법을 이해하십시오.

1. proton scout 펄스 시퀀스를 로드합니다. 400mm의 시야를 선택합니다. 10개의 코로나 슬라이스(10mm 슬라이스 두께, 20% 간격)를 획득합니다.
2. 양성자 이미지를 검토하고 피험자의 폐가 시야의 중앙에 있는지 확인합니다. 필요한 경우 피사체의 위치를 변경하고 1단계를 반복합니다.
3. 교정 펄스 시퀀스를 로드합니다. 가장 최근의 인간 스캔의 HXe 기체 상태(GP) 주파수를 수신기 주파수의 시작 추정치로 사용합니다.
4. 교정 시퀀스로 획득한 첫 번째 스펙트럼과 마지막 스펙트럼 사이의 GP 신호가 대부분의 피험자에 대해 약 70% - 80% 감소하는 값으로 기준 전압을 설정합니다. 흉부 RF 코일의 경우 초기 기준 전압을 75V로 설정합니다.
5. 피험자가 HXe 보정 용량을 흡입하고 숨을 참을 때 또는 숨을 참을 수 없는 경우 피험자가 호흡 주기의 종료 호기 시점을 지났을 때 시퀀스를 시작합니다.
   1. 0ppm을 중심으로 1.2ms 가우스 RF 여기 펄스를 적용합니다. 공칭 플립 각도를 90°로 설정합니다. 그러나 초기 레퍼런스 전압이 실제 값보다 훨씬 낮게 설정되기 때문에 실제로 적용되는 플립 각도는 약 15°입니다.
   2. 30.72ms(1024 샘플링 포인트) 동안 자유 유도 감쇠를 샘플링합니다. x축을 따라 20ms 그래디언트 스포일러를 적용합니다: 500ms 램프 시간, 19ms 안정 시간, 20mT/m. 이러한 그래디언트 사양은 최적화되지 않았으며, 더 짧은 그래디언트 지속 시간으로 충분할 수 있습니다.
   3. 6.5.1.-6.5.2단계를 반복합니다. 55ms의 반복 시간으로 16회. 다시 6.5.1-6.5.2 단계를 반복합니다. 220ms의 반복 시간으로 16회.
6. 데이터 수집이 완료되면, 피험자에게 정상적인 호흡으로 돌아가도록 지시한다.
7. SPO₂ 수준을 확인하여 피험자의 웰빙을 평가하고 잠재적인 부작용에 대해 질문합니다.
8. 측정된 교정 데이터를 USB 드라이브에 다운로드한 다음 추가 분석을 위해 노트북으로 전송합니다.
9. MATLAB 스크립트를 사용하여 GP 피크의 중심 주파수, RF 여기 펄스의 플립 각도 및 폐 내부의 HXe 가스 T1을 추출합니다.
   1. 교정 시퀀스에서 획득한 32개의 FID를 로드합니다. 고속 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 FID를 스펙트럼으로 변환합니다.
   2. GP의 위상 피크를 0차로 위상화합니다. 의사 보이그트(pseudo-Voigt) 선 형태를 GP 피크의 위상 실수 성분에 피팅합니다.
   3. GP 주파수를 처음 10개 피팅의 중심 주파수에 대한 평균으로 계산하는데, 이 피팅들은 신호 대 잡음비가 가장 높기 때문입니다. 화면에 주파수 평균을 출력합니다.
   4. 모든 GP 피크 아래의 영역을 적분합니다. mono-exponential decay 함수를 처음 16 GP 및 두 번째 16 GP 피크 영역에 피팅합니다.
   5. 두 개의 피팅된 감쇠 곡선에서 GP T1과 적용된 플립 각도를 추출합니다.

7. 과분극 크세논-129 분극(측정 가스)

1. 측정 가스를 분극화하려면 다음 수정 사항과 함께 4.2 - 4.7 단계를 따르십시오.
   1. 250mL 백 대신 500mL 특수 PVF 백을 사용하십시오.
   2. 분극 부피를 250mL 대신 500mL로 설정합니다. 분극 과정은 500mL의 경우 약 20분이 소요됩니다.

8. 측정을 위한 과분극 Xenon-129 흡입(호흡 참기)

1. 입으로 호흡하는 것을 개선하기 위해 피험자의 코에 코 클립을 놓습니다.
2. 기능적 잔류 용량에 대한 정상적인 만료가 끝나면 Xenon 백의 마우스피스를 피험자의 입에 삽입합니다.
3. 피험자가 제논 백에서 500mL의 크세논 가스를 흡입하면 마우스피스를 제거하고 폐가 가득 찰 때까지 실내 공기를 계속 흡입하도록 지시한다.
4. 영감이 떠오르면 피험자에게 엄지손가락을 치켜들도록 요청하고, 간호사 코디네이터는 이 정보를 스캐너 작업자에게 구두로 전달하여 맥박 순서를 시작하도록 요청합니다.
5. 데이터 수집 기간(~8초)이 끝나면 피험자에게 다시 정상적으로 숨을 쉬도록 요청하십시오.

9. 측정을 위한 과분극 Xenon-129 흡입(자유 호흡)

1. 측정 스캔을 위해 피험자를 MRI 스캐너에서 빼내고 안면 마스크를 코와 입에 대고 머리 뒤에서 미리 장착된 스트랩을 마스크에 연결하여 마스크를 제자리에 고정합니다. 마스크의 폐렴은 피험자의 연속적인 들숨과 날숨을 감지하고 흡입이 감지되면 가스 전달 시스템이 가스를 분사하도록 트리거합니다.
2. 피사체를 스캐너 내부의 원래 위치로 다시 이동합니다.
3. 피험자가 호흡 패턴을 호흡 프로토콜과 동기화할 수 있도록 들숨-날숨 오디오 녹음을 재생합니다.
4. 피험자가 호흡 프로토콜에 리듬을 맞추면 간호사 코디네이터에게 MRI 운영자에게 데이터 수집을 시작하도록 알려달라고 요청하십시오. 간호사 코디네이터가 가스 전달 시스템의 밸브를 열고 피험자는 호흡 마스크 내부의 공기 흐름과 혼합된 50mL의 과분극 제논-129를 흡입하기 시작한다.
5. 환자에게 이미징 프로토콜에 대한 Xenon 가스 부피가 소진될 때까지 약 10회 호흡을 계속하도록 요청합니다.

10. 측정 데이터 수집 (숨 참기)

1. 1.2단계에 설명된 대로 숨 참기를 위한 CSSR 펄스 시퀀스를 로드합니다. 6단계의 보정 스캔 중에 결정된 HXe GP 주파수에 따라 획득 주파수를 설정합니다.
2. 6단계에서 설명한 교정 스캔에서 얻은 값과 일치하도록 기준 전압을 조정합니다.
3. 시스템 공급업체의 운영 지침에 따라 시퀀스 실행을 위해 Wait for User(사용자 대기 ) 옵션 또는 이와 동등한 옵션을 선택합니다.
4. 시퀀스를 시작합니다. MRI 스캐너는 염기서열 준비를 완료한 다음 사용자가 데이터 수집을 시작할 때까지 일시 중지하고 기다립니다.
5. 피험자가 HXe 측정 용량을 흡입하고, 폐가 채워질 때까지 실내 공기를 계속 흡입하여 기도를 세척하고, 숨을 참기 시작했을 때 데이터 수집을 시작합니다. 후자는 간호사 코디네이터의 지시에 따라 수행해야 하며 5단계와 8단계에 설명되어 있어야 합니다.
6. 데이터 수집이 완료되면, 피험자에게 정상적인 호흡으로 돌아가도록 지시한다.
7. SPO₂ 수준을 확인하고 잠재적인 부작용에 대해 질문하여 피험자의 건강 상태를 평가합니다.
8. 측정된 CSSR 데이터를 USB 드라이브에 다운로드한 다음 추가 분석을 위해 노트북으로 전송합니다.

11. 측정 데이터 수집 (자유 호흡)

1. 1.3단계에 설명된 대로 자유 호흡을 위해 CSSR 펄스 시퀀스를 로드합니다.
2. 6단계의 보정 스캔 중에 결정된 HXe GP 주파수에 따라 획득 주파수를 설정합니다.
3. 6단계에서 설명한 교정 스캔에서 얻은 값과 일치하도록 기준 전압을 조정합니다.
4. 시스템 공급업체의 운영 지침에 따라 시퀀스 실행을 위해 Wait for User(사용자 대기 ) 옵션 또는 이와 동등한 옵션을 선택합니다.
5. 시퀀스를 시작합니다. MRI 스캐너는 염기서열 준비를 완료한 다음 사용자가 데이터 수집을 시작할 때까지 일시 중지하고 기다립니다.
6. 간호사 코디네이터가 9.4단계에서 설명한 대로 실내 공기에서 HXe 가스/공기 혼합물로 전환할 준비가 되면 데이터 수집을 시작합니다. 피험자가 첫 번째 용량의 크세논 가스를 흡입하기 전에 염기서열이 이미 실행 중인지 확인하십시오.
7. 측정 3분이 끝날 때 데이터 수집이 완료되거나 HXe 가스가 모두 사용되었을 때 종료되면 MRI 스캐너에서 피사체를 제거합니다.
8. SPO₂ 수준을 확인하고 잠재적인 부작용에 대해 질문하여 피험자의 건강 상태를 평가합니다.
9. 측정된 CSSR 데이터를 USB 드라이브에 다운로드한 다음 추가 분석을 위해 노트북으로 전송합니다.

12. CSSR 데이터 분석

참고: 수집된 데이터는 N x 40 자유 유도 감쇠로 구성되며, 여기서 N은 DP 자화의 포화 후 다른 지연 시간으로 수집이 반복된 횟수입니다. CSSR 측정이 숨 참기 또는 자유 호흡 연구로 수행되었는지 여부에 따라 N은 각각 1 또는 획득이 반복된 횟수이며 총 측정 시간(s)의 약 2배여야 합니다. 그러나 MATLAB 스크립트를 통한 두 시나리오에 대한 후속 데이터 분석은 표시된 경우를 제외하고는 본질적으로 동일합니다.

1. CSSR 시퀀스에서 획득한 FID를 로드합니다. 고속 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 FID를 스펙트럼으로 변환합니다.
2. GP의 위상 피크를 0차로 위상화합니다. DP 피크를 1차로 위상화합니다.
3. 의사 보이그트(pseudo-Voigt) 선 형태를 GP 피크의 위상 실수 성분에 피팅합니다.
4. 자유 호흡 측정의 경우 모든 스펙트럼을 피팅된 GP 피크 아래 영역으로 나눕니다. 동일한 지연 시간으로 모든 스펙트럼의 평균을 구합니다.
5. 모든 스펙트럼에서 두 개의 pseudo-Voigt 라인 모양을 멤브레인 피크 ~196ppm 및 적혈구 피크 ~217ppm의 위상 실제 구성 요소에 맞춥니다.
6. 피팅된 DP 피크 아래 영역을 통합합니다.
7. 숨 참기 측정의 경우 50ms 지연 시간 측정을 반복적으로 획득하면(1.2.8단계 참조) GP 신호로 정규화하는 것보다 더 정확한 감쇠 보정이 가능합니다.
8. exponential decay function을 acquisition index의 함수로 membrane peak 신호에 맞춥니다.
9. 모든 멤브레인 및 적혈구 피크 신호에 각 획득 지수에 대한 적합된 지수 붕괴 함수의 역수를 곱합니다.
10. 보정된 멤브레인 및 적혈구 신호를 지연 시간의 함수로 Xenon 가스 흡수 모델에 맞춥니다. 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 모델은 Patz et ^al.24 및 Chang et al.25,37,38이 제안한 모델입니다. 우리는 일반적으로 Patz 모델을 사용하여 데이터를 분석합니다.
11. 두 모델 중 하나에 맞추어 폐포 표면 대 부피 비율, 겉보기 폐포 중격 벽 두께 및 모세관 통과 시간을 얻습니다. 또한, Chang et al.이 제안한 크세논 교환 모델(MOXE)은 혈관 사이의 장벽과 폐포 부피 사이의 두께와 헤마토크릿을 산출합니다.

결과

그림 2는 500mL의 제논 용량을 흡입한 후 숨을 참는 동안 인간의 폐에서 관찰되는 전형적인 제논 스펙트럼을 보여줍니다. 스펙트럼은 약 0ppm의 GP 공명과 약 197ppm의 막 피크와 약 217ppm의 적혈구 피크로 구성된 DP 영역의 두 가지 별개의 영역을 표시합니다. 상대적 피크 진폭은 RF 여기 펄스의 모양, 지속 시간, 중심 주파수, 포화와 여기 사이의 지연 시간을 포함한 여러 요인에 따?...

토론

HXe CSSR MR 분광법은 기존의 다른 진단 양식(²⁴)을 사용하여 생체 내에서 정량화하기 어렵거나 불가능한 여러 폐 기능 지표를 평가하기 위한 강력한 기술이다. 그럼에도 불구하고, 획득 및 후속 데이터 분석은 살아있는 피험자에서 완전히 달성할 수 없는 생리학적 조건 및 기술적 매개변수에 대한 특정 가정을 기반으로 합니다. 이러한 제한 사항과 추출된 메트릭의 해석에 미...

자료

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