Misura quantitativa della struttura e della funzione polmonare ottenuta dalla spettroscopia allo xeno iperpolarizzata

Riepilogo

Il manoscritto presenta un protocollo dettagliato per l'utilizzo del recupero della saturazione dello spostamento chimico iperpolarizzato dello xenon-129 (CSSR) per tracciare lo scambio gassoso polmonare, valutare lo spessore apparente della parete del setto alveolare e misurare il rapporto superficie-volume. Il metodo ha il potenziale per diagnosticare e monitorare le malattie polmonari.

Abstract

La risonanza magnetica (MRI) allo xenon-129 iperpolarizzato (HXe) fornisce strumenti per ottenere mappe bidimensionali o tridimensionali dei modelli di ventilazione polmonare, della diffusione dei gas, dell'assorbimento dello xeno da parte del parenchima polmonare e di altre metriche della funzione polmonare. Tuttavia, scambiando la risoluzione spaziale con quella temporale, consente anche di tracciare lo scambio gassoso polmonare allo xeno su una scala temporale di ms. Questo articolo descrive una di queste tecniche, la spettroscopia RM per il recupero della saturazione a spostamento chimico (CSSR). Illustra come può essere utilizzato per valutare il volume del sangue capillare, lo spessore della parete del setto e il rapporto superficie/volume negli alveoli. L'angolo di inversione degli impulsi a radiofrequenza (RF) applicati è stato accuratamente calibrato. Per la somministrazione del gas al soggetto sono stati impiegati protocolli di apnea monodose e respirazione libera multidose. Una volta che il gas Xenon inalato ha raggiunto gli alveoli, è stata applicata una serie di impulsi RF a 90° per garantire la massima saturazione della magnetizzazione Xenon accumulata nel parenchima polmonare. A seguito di un tempo di ritardo variabile, sono stati acquisiti spettri per quantificare la ricrescita del segnale Xenon dovuta allo scambio di gas tra il volume di gas alveolare e i compartimenti tissutali del polmone. Questi spettri sono stati poi analizzati adattando complesse funzioni pseudo-Voigt ai tre picchi dominanti. Infine, le ampiezze di picco dipendenti dal tempo di ritardo sono state adattate a un modello analitico unidimensionale di scambio gassoso per estrarre parametri fisiologici.

Introduzione

La risonanza magnetica (MRI) allo xenon-129 iperpolarizzato (HXe)¹ è una tecnica che offre informazioni uniche sulla struttura, la funzione e i processi di scambio gassoso dei polmoni. Amplificando notevolmente la magnetizzazione del gas Xenon attraverso il pompaggio ottico a scambio di spin, la risonanza magnetica HXe raggiunge un miglioramento dell'ordine di grandezza nel rapporto segnale/rumore rispetto alla risonanza magnetica allo xeno polarizzata termicamente 2,3,4,5,6.

Protocollo

NOTA: Sebbene la tecnica di spettroscopia MR Xenon-129 CSSR iperpolarizzata qui descritta sia comunemente utilizzata per l'imaging animale e umano, il protocollo seguente si riferisce solo agli studi sull'uomo. Tutti i protocolli di imaging hanno aderito ai limiti del tasso di assorbimento specifico (SAR) della FDA (4 W/kg) e sono stati approvati dall'Institutional Review Board dell'Università della Pennsylvania. Il consenso informato è stato ottenuto da ciascun soggetto.

1. Progettazione della sequenza di impulsi

1. Decidi se eseguire una sospensione del respiro o una misurazione della respirazione libera.
   NOTA: ....

Risultati

La Figura 2 illustra un tipico spettro di xeno osservato nel polmone umano durante un'apnea, dopo l'inalazione di 500 ml di dose di Xenon. Lo spettro mostra due regioni distinte, la risonanza GP intorno a 0 ppm e la regione DP, che consiste nel picco della membrana a circa 197 ppm e nel picco dei globuli rossi a circa 217 ppm. Le ampiezze di picco relative dipendono da una serie di fattori, tra cui la forma, la durata e la frequenza centrale dell'impulso di eccitazione RF, nonché il tempo d.......

Discussione

La spettroscopia RM HXe CSSR è una potente tecnica per valutare diverse metriche di funzionalità polmonare che sarebbero difficili o impossibili da quantificare in vivo utilizzando qualsiasi altra modalità diagnostica esistente²⁴. Tuttavia, l'acquisizione e la successiva analisi dei dati si basano su alcune ipotesi sulle condizioni fisiologiche e sui parametri tecnici che non sono mai del tutto raggiungibili nei soggetti viventi. Queste limitazioni e il loro impatto sull'interpretazion.......

Materiali

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