이 연구는 미국 국립보건원(National Institutes of Health, 보조금 번호 R01-CA172595-01, R01-HL132177, R01-HL167202, S10-OD018079, UL1-TR003015)과 지멘스 메디컬 솔루션즈(Siemens Medical Solutions)의 지원을 받았습니다.

폐 기능을 연구하기 위한 과분극 129Xe MRI를 위한 표준화된 워크플로우

저자 J.F.M., J.P.M. 및 Y.M.S.는 Polarean, Inc.가 지원하는 임상시험에 참여하며, 저자 J.F.M. 및 Y.M.S.는 Polarean, Inc.에 컨설팅 서비스를 제공합니다($5000 미만). 저자 JPM은 Polarean, Inc.로부터 연구 지원을 받습니다.

위에서 설명한 환기 및 해부학적 MRI 접근법은 구현의 단순성을 유지하면서 이미지 품질과 SNR을 극대화하도록 설계되었으며, 이러한 시퀀스 프로토콜은 일반적으로 다핵 작동이 활성화된 경우 공급업체 제품 펄스 시퀀스에서 조정할 수 있으며 이미지는 스캐너 컴퓨터에서 자동으로 재구성됩니다. 여기에 설명된 2D 접근법의 한 가지 단점은 슬라이스 선택적 여기 RF 펄스를 사용한다는 것인데, 이?...

과분극 129Xe MRI는 폐 기능 1,2,3의 특정 측면에 대한 비침습적, 공간적으로 분해된 특성화 및 정량화를 위한 흥미로운 도구입니다. 해부학적 양성자 MRI에 사용된 것과 유사한 획득 및 재구성 접근법은 폐에서 흡입된 129Xe의 이미지를 생성하여 환기되지 않는 폐 영역의 시각화 및 환기 분포의 영역 분해 정량화를 가능하게 합니다 4,5,6,7,8 . 보다 발전된 펄스 시퀀스 및 분석 기술은 분광 MRI 9,10,11,12,13을 통한 폐포와 폐 모세혈관 간의 가스 교환 효능 정량화 및 확산 가중 MRI 14,15,16을 통한 폐포 미세구조 무결성 특성 분석을 포함한 추가 보완 정보를 제공합니다.
흡입 129Xe는 폐 질환 환자를 포함한 성인 및 소아 피험자에서 안전하고 내약성이 있는 것으로 입증되었습니다17,18. 129Xe MRI에서 유도된 폐 기능 측정은 만성 폐쇄성 폐질환 6,10,19, 낭포성 섬유증 20,21,22, 특발성 폐섬유증 23,24,25 및 천식 7,10을 포함한 많은 폐 질환 맥락에서 구조적 및 기능적 변화에 대한 민감도를 보여주었습니다 ,26. 129Xe MRI의 높은 안전성과 내약성을 감안할 때, 다른 일반적인 영상 접근법에 비해 MRI의 전리 방사선이 부족하고, 129Xe MRI 결과의 높은 재현성을 감안할 때27,28, 129Xe MRI는 특히 만성 폐 질환에 대한 치료 과정을 받는 개인의 정확한 연속 모니터링에 중요한 가능성을 가지고 있습니다.
129Xe MRI의 안전성과 임상적 약속은 2022년 12월 12세 이상29세의 폐 환기 영상에 대한 FDA 승인으로 이어졌습니다. 이를 감안할 때 129Xe MRI(현재 전 세계적으로 ~20개)를 수행할 수 있는 연구 및 임상 현장의 수가 향후 몇 년 동안 크게 증가할 것으로 예상됩니다. 129Xe MRI가 새로운 기관으로 확산됨에 따라, 시험기관에서 임상적으로 관련된 129Xe MRI 기술을 신속하게 구축하고 스캔을 수행하고 기존 시험기관과 거의 유사한 결과를 생성할 수 있도록 강력한 방법론적 리소스가 존재하는 것이 중요합니다.
이 연구에서는 129Xe MRI 임상시험 컨소시엄(Xe MRI CTC)의 회원 기관이 합의하고 최근 입장 보고서30에 요약된 인간 과분극 129Xe MRI의 폐 환기에 대한 현재 모범 사례를 간략하게 설명합니다. 주제에는 완전한 129Xe MRI 워크플로우에 이상적인 맞춤형 펄스 시퀀스 준비, 과분극 129Xe 가스의 준비 및 관리, 인간 129Xe MRI 세션에 최적화된 워크플로우, MRI 세션 중 피험자의 안전과 편안함을 모니터링하기 위한 모범 사례가 포함됩니다.

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

acquiring hyperpolarized 129xe magnetic resonance images of lung ventilation

과분극 129Xe MRI는 독특한 구조적, 기능적 폐 영상 기법으로 구성되어 있습니다. 최근 FDA가 129Xe를 MR 조영제로 승인하고 연구 및 임상 기관에서 129Xe MRI에 대한 관심이 증가함에 따라 기관 간 기술 표준화가 점점 더 중요해지고 있습니다. 129Xe MRI 임상시험 컨소시엄(Xe MRI CTC)의 회원들은 129Xe MRI 워크플로우의 각 주요 측면에 대한 모범 사례에 동의했으며, 이러한 권장 사항은 최근 간행물에 요약되어 있습니다. 이 작업은 Xe MRI CTC 권장 사항에 따라 폐 환기에 대한 129개의 Xe MR 이미지를 수집하기 위한 엔드 투 엔드 워크플로우를 개발하기 위한 실용적인 정보를 제공합니다. MR 연구를 위한 129Xe의 준비 및 투여는 전체 연구 및 개별 MR 스캔에 적합한 가스량 선택, 개별 129Xe 용량의 준비 및 전달, 연구 중 피험자 안전 및 129Xe 내약성을 모니터링하기 위한 모범 사례를 포함한 특정 주제와 함께 논의되고 시연됩니다. 펄스 시퀀스 유형 및 최적화된 매개변수, 129Xe 플립 각도 및 중심 주파수 보정, 129Xe MRI 환기 이미지 분석을 포함한 주요 MR 기술 고려 사항도 다룹니다.

Hyperpolarized 129Xe MRI is an exciting tool for non-invasive, spatially-resolved characterization and quantification of specific aspects of pulmonary function1,2,3. Acquisition and reconstruction approaches similar to those used in anatomical proton MRI yield images of inhaled 129Xe in the lungs, permitting visualization of non-ventilated lung regions and region-resolved quantification of ventilation distribution4,5,6,7,8. More advanced pulse sequence and analysis techniques yield further complementary information, including quantification of gas-exchange efficacy between alveoli and pulmonary capillaries via spectroscopic MRI9,10,11,12,13 and characterization of alveolar microstructure integrity via diffusion-weighted MRI14,15,16.
Inhaled 129Xe has been proven safe and tolerable in adult and pediatric subjects, including those with pulmonary disease17,18. Measurements of lung function derived from 129Xe MRI have shown sensitivity to structural and functional alterations in many pulmonary disease contexts, including chronic obstructive pulmonary disease6,10,19, cystic fibrosis20,21,22, idiopathic pulmonary fibrosis23,24,25, and asthma7,10,26. Given the high safety and tolerability of 129Xe MRI, the lack of ionizing radiation in MRI compared with other common imaging approaches, and the high reproducibility of 129Xe MRI results27,28, 129Xe MRI holds significant promise, in particular for precise serial monitoring of individuals receiving a time course of therapy for chronic pulmonary disease.
The safety and clinical promise of 129Xe MRI have led to its FDA approval in December 2022 for lung ventilation imaging in persons aged 12 years and older29. Given this, it is anticipated that the number of research and clinical sites capable of performing 129Xe MRI (currently ~20 worldwide) will increase significantly over the coming years. As 129Xe MRI spreads to new institutions, it is important that robust methodological resources exist to allow sites to build out clinically relevant 129Xe MRI techniques quickly and to perform scans and generate results that are closely comparable with those of existing sites.
In this work, we will outline the current best practices for human hyperpolarized 129Xe MRI of lung ventilation, as agreed upon by member institutions of the 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) and summarized in a recent position paper30. Topics will include the preparation of tailored pulse sequences ideal for a complete 129Xe MRI workflow, preparation, and administration of hyperpolarized 129Xe gas, an optimized workflow for human 129Xe MRI sessions, and best practices for monitoring subject safety and comfort during MRI sessions.

저자 스포트라이트: 129Xe MRI를 사용한 폐 영상 발전을 위한 표준화 및 모범 사례

폐 환기의 과분극 129Xe 자기 공명 이미지 획득

Our research seeks to establish Xenon MRI as a clinical tool for characterizing lung function. Xenon MRI allows us to directly visualize ventilation defects in patients with obstructive lung diseases like COPD, asthma, and cystic fibrosis. It offers information that can't be obtained from standard MRI and pulmonary function test.Xenon MRI was recently approved by the FDA for clinical evaluation of lung ventilation. This represents a culmination of a huge amount of effort by the people in our field and it's an exciting opportunity to show how Xenon MRI can improve patient care and outcomes in pulmonary disease. Xenon MRI is still a relatively new family of techniques, and standardization is still an ongoing process.This protocol distills the existing standards for Xenon ventilation MRI into a form that we hope will be useful to research in clinical sites who are trying to perform these scans for the first time. Common clinical readouts of lung function, like pulmonary function tests, only give a single number for the entire lung with no spatial information included. Xenon MRI can make regional assessments of several aspects of lung health and function, which we believe will be very useful in the clinic.Only a few institutions are currently performing Xenon MRI, but we expect there will be many more sites soon considering the recent FDA approval. We hope that this Xenon ventilation MRI protocol will serve as a blueprint for new sites and help em to ramp up their Xenon MRI operations more quickly.

그림 1 은 건강한 사람의 대표적인 환기 및 3면 로컬라이저 이미지를 보여줍니다. 높은 129Xe 신호는 환기 영상에서 폐 전체에서 관찰될 수 있으며, 이 사람에게서 환기 장애는 분명하지 않습니다.
그림 2, 그림 3 및 그림 4 는 질병에 걸린 개인의 대표적인 환기 및 해부학적 이미지?...

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과분극 129Xe 자기 공명 영상(MRI)은 폐 기능의 국소적으로 해결된 측면을 연구하는 방법입니다. 이 작업은 펄스 시퀀스 설계, 129Xe 선량 준비, 스캔 워크플로우 및 피험자 안전 모니터링을 위한 모범 사례에 특히 주의를 기울여 폐 환기의 과분극 129Xe MRI에 대한 엔드 투 엔드 표준화된 워크플로우를 제시합니다.

Hyperpolarized 129Xe MRI comprises a unique array of structural and functional lung imaging techniques. Technique standardization across sites is ...

우리의 연구는 제논 MRI를 폐 기능을 특성화하기 위한 임상 도구로 확립하고자 합니다. Xenon MRI를 사용하면 COPD, 천식 및 낭포성 섬유증과 같은 폐쇄성 폐 질환 환자의 환기 결함을 직접 시각화할 수 있습니다. 표준 MRI 및 폐 기능 검사에서 얻을 수 없는 정보를 제공합니다.제논 MRI는 최근 폐 환기의 임상 평가를 위해 FDA의 승인을 받았습니다. 이는 우리 분야의 사람들이 기울인 엄청난 노력의 정점을 나타내며 Xenon MRI가 폐 질환의 환자 치료와 결과를 개선할 수 있는 방법을 보여줄 수 있는 흥미로운 기회입니다. 크세논 MRI는 여전히 비교적 새로운 기술군이며, 표준화는 여전히 진행 중인 과정입니다.이 프로토콜은 크세논 인공호흡 MRI에 대한 기존 표준을 이러한 스캔을 처음 수행하려는 임상 현장의 연구에 유용할 것으로 기대되는 형태로 정제합니다. 폐 기능 검사와 같은 폐 기능에 대한 일반적인 임상 판독은 공간 정보가 포함되지 않은 전체 폐에 대한 단일 숫자만 제공합니다. 제논 MRI는 폐 건강 및 기능의 여러 측면에 대한 국소적 평가를 수행할 수 있으며, 이는 임상에서 매우 유용할 것으로 예상됩니다.현재 제논 MRI를 시행하고 있는 기관은 소수에 불과하지만, 최근 FDA 승인을 고려하면 조만간 더 많은 기관이 시행될 것으로 예상됩니다. 우리는 이 Xenon 환기 MRI 프로토콜이 새로운 현장의 청사진 역할을 하고 Xenon MRI 작업을 보다 신속하게 가속화하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

acquiring-hyperpolarized-129xe-magnetic-resonance-images-lung

Research

JoVE Journal

Medicine

Acquiring Hyperpolarized 129Xe Magnetic Resonance Images of Lung Ventilation

608 조회수.  University of Virginia. 우리의 연구는 제논 MRI를 폐 기능을 특성화하기 위한 임상 도구로 확립하고자 합니다. Xenon MRI를 사용하면 COPD, 천식 및 낭포성 섬유증과 같은 폐쇄성 폐 질환 환자의 환기 결함을 직접 시각화할 수 있습니다. 표준 MRI 및 폐 기능 검사에서 얻을 수 없는 정보를 제공합니다.제논 MRI는 최근 폐 환기의 임상 평가를 위해 FDA의 승인을 받았습니다. 이는 우리 분야의 사람들이 기...

비디오: 저자 스포트라이트: 129Xe MRI를 사용한 폐 영상 발전을 위한 표준화 및 모범 사례

Hyperpolarized 129Xe MRI comprises a unique array of structural and functional lung imaging techniques. Technique standardization across sites is increasingly important given the recent FDA approval of 129Xe as an MR contrast agent and as interest in 129Xe MRI increases among research and clinical institutions. Members of the 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) have agreed upon best practices for each of the key aspects of the 129Xe MRI workflow, and these recommendations are summarized in a recent publication. This work provides practical information to develop an end-to-end workflow for collecting 129Xe MR images of lung ventilation according to the Xe MRI CTC recommendations. Preparation and administration of 129Xe for MR studies will be discussed and demonstrated, with specific topics including choice of appropriate gas volumes for entire studies and for individual MR scans, preparation&#160;and delivery of individual 129Xe doses, and best practices for monitoring subject safety and 129Xe tolerability during studies. Key MR technical considerations will also be covered, including pulse sequence types and optimized parameters, calibration of 129Xe flip angle and center frequency, and 129Xe MRI ventilation image analysis.

Hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging (MRI) is a method for studying regionally resolved aspects of pulmonary function. This work presents an end-to-end standardized workflow for hyperpolarized 129Xe MRI of lung ventilation, with specific attention to pulse sequence design, 129Xe dose preparation, scan workflow, and best practices for subject safety monitoring.

연구

의학

Pre-Scan Preparation and Coaching of Subject for 129Xe MRI of Lung Ventilation

To begin, prepare one or more Tedlar bags, containing air, for the subject to practice outside the scanner. Use an air volume that matches the total volume of xenon and buffer gas to be inhaled from the bag during the actual study. Prepare nose clips for the subject to wear during breath hold scanning, fit the nose clips onto the subject's nose before the start of breath holds.Use one air-filled bag for each attempt to coach the subject. Before producing the bag, ask the subject to breathe in and breathe out regularly several times. During the procedure, monitor the subject's chest to confirm that they are executing the instructions properly.Next, place the tube attached to the Tedlar bag into the subject's mouth. Hold the bag such that the subject can inhale from it and open the valve. Ask the subject to breathe in, then ask the subject to hold their breath by saying, hold your breath.When practicing, wait for a count of 10 to 15 seconds, which is the approximate amount of time required for a typical xenon 129 scan to elapse. After that, ask the subject to exhale at this point and breathe. Coach the subject to take several deep breaths in and out for a quicker clearance of xenon 129 from the lungs and a quicker return to normal oxygen saturation levels.Verify that the subject is able to carry out the instructions reliably and consider excluding subjects who cannot do so during practice runs.

폐 환기의 129Xe MRI를 위한 피험자의 사전 스캔 준비 및 코칭

Preparation of MRI Scanner Room and Subject Positioning for 129Xe MRI of Lung Ventilation

To begin, ensure anyone entering the MRI scanner room has removed all metallic and electronic objects from their body or pockets. Prepare the Xenon 129 vest coil by plugging it into the scanner and placing it on the MRI scanner patient table. Instruct the subject to lie on the patient table in a feet first or head first supine position depending on the layout of the scanner room.Place pillows under the subject's head, knees, et cetera, as needed to ensure comfort during the procedure. Secure the Xenon 129 vest coil around the subject's chest while keeping the coil midline in the head-foot direction as close as possible to the expected midline of the subject's lungs when the subject is at a comfortable inflation level. Placing the coil to low on the subject may result in undesirable signal reductions at the periphery of the lungs.Set up an MRI safe pulse oximeter next to the patient table in the MRI scanner room and connect the pulse oximeter probe to the subject. Verify that the pulse oximeter is reading correctly. Place a nasal cannula in the subject's nose and connect it to an oxygen source to be used after dose inhalation if needed.Place the oxygen tank and regulator in an MRI safe manner based on local safety policy within reachable distance. Advance the patient table into the MRI scanner, aligning the midline of the coil or the subject's lungs to the scanner's isocenter. The images shown here represent the ventilation images from a study that was unknowingly performed using a Xenon 129 vest coil with a damaged cable.The right lung displays a lower signal-to-noise ratio than the left lung. The ventilation images from a study that was performed with the Xenon 129 vest coil placed too far toward the subject's feet are shown here. Artificially low Xenon 129 signal is observed in both lung apices due to the lack of receiver sensitivity there.

폐 환기의 129Xe MRI를 위한 MRI 스캐너 룸 및 피험자 위치 지정 준비

Performing 129Xe MRI Scan of Lung Ventilation to Assess Pulmonary Function

After making the final xenon-129 pre-scan adjustments and ensuring the subject is ready for the xenon-129 dose, proceed to perform the xenon-129 ventilation scan. First, load the xenon-129 ventilation sequence from the prepared protocol. Ensure all pulse sequence parameters are as desired and set proper scan execution settings.Select the field of view, or FOV size, and center location based on the localizer results. Aim for the center of the FOV to coincide with the center of the lungs in all three dimensions and the FOV to be large enough to comfortably contain the entire chest cavity, including the entirety of both lungs. Bring the xenon-129 dose bag intended for the ventilation scan from the polarization measurement station into the scanner room.Hold or place the dose bag near the subject. Avoid regions near the bore opening where the magnetic field strength changes rapidly. Assist the subject in inhaling the xenon-129 dose from the bag, following the already-coached inhalation procedure.Execute the scan immediately upon hearing the signal go"from the individual assisting the subject. Monitor the subject while the scan proceeds. Following the scan, monitor the subject's heart rate and SPO2 using the pulse oximeter and monitor for transient central nervous system effects via verbal communication with the subject.If no significant deviations from baseline occur, then after waiting for at least two minutes, another xenon-129 dose can be administered. The ventilation images from a healthy individual are shown here. A high xenon-129 signal can be observed throughout the lungs in these images, and no ventilation impairment is evident in this individual.This figure depicts an individual with alpha-1 antitrypsin deficiency in which severe ventilation impairment can be easily detected by observing the patchy appearance of the xenon-129 images. Similarly, severe ventilation impairment can be seen in this figure depicting an individual with severe cystic fibrosis. The images shown here depicts an individual with chronic obstructive pulmonary disease in which more subtle ventilation defects can be noted.