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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.
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.
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. Questa iperpolarizzazione consente la visualizzazione e la quantificazione diretta dell'assorbimento di gas Xenon nel tessuto polmonare e nel sangue, che altrimenti non sarebbe rilevabile con la risonanza magnetica 7 convenzionale polarizzatatermicamente.
La spettroscopia RM per il recupero della saturazione a spostamento chimico (CSSR) 8,9,10,11,12,13 ha dimostrato di essere una delle tecniche di risonanza magnetica HXe più preziose. La CSSR consiste nel saturare selettivamente la magnetizzazione dello xeno disciolto nel tessuto polmonare e nel sangue utilizzando impulsi a radiofrequenza (RF) specifici per frequenza. Il successivo recupero del segnale in fase disciolta (DP) mentre scambia con il nuovo gas Xenon iperpolarizzato negli spazi aerei su una scala temporale di ms offre importanti informazioni funzionali sul parenchima polmonare.
Dal suo sviluppo nei primi anni 2000, le tecniche alla base della spettroscopia CSSR sono state progressivamente affinate 14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Inoltre, i progressi nella modellazione delle curve di captazione dello xeno hanno permesso l'estrazione di parametri fisiologici specifici, come lo spessore della parete alveolare e i tempi di transito polmonare 10,24,25,26. Gli studi hanno dimostrato la sensibilità della CSSR a sottili cambiamenti nella microstruttura polmonare e nell'efficienza dello scambio gassoso sotto forma di anomalie polmonari riscontrate in fumatori clinicamente sani27, nonché in una serie di malattie polmonari, tra cui la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) 18,27,28, la fibrosi 29 e il danno polmonare indotto dalle radiazioni30,31. È stato anche dimostrato che la spettroscopia CSSR è sensibile nel rilevare oscillazioni nel segnale DP corrispondente al flusso sanguigno pulsatile durante il ciclo cardiaco32.
Sebbene siano stati compiuti progressi significativi, rimangono sfide pratiche nell'implementazione della spettroscopia CSSR sui sistemi di risonanza magnetica clinica. I tempi di scansione che richiedono apnee a dose singola che si avvicinano a 10 s possono essere troppo lunghi per i soggetti pediatrici33,34 o per i pazienti con grave malattia polmonare35,36. Inoltre, la tecnica è suscettibile di distorsioni di misura se i parametri di acquisizione come l'ordine dei tempi di ritardo della saturazione o l'efficacia della saturazione in fase disciolta non sono adeguatamente ottimizzati21. Per affrontare queste limitazioni e rendere il CSSR più accessibile alla più ampia comunità di ricerca, sono necessari protocolli chiari e graduali sia per l'apnea convenzionale che per le acquisizioni di respirazione libera, attualmente in fase di sviluppo.
L'obiettivo di questo articolo è quello di presentare una metodologia dettagliata per l'esecuzione di spettroscopia RM CSSR ottimizzata utilizzando il gas HXe. Il protocollo riguarderà la polarizzazione e l'erogazione del gas xenon, la calibrazione degli impulsi RF, la selezione dei parametri di sequenza, la preparazione del soggetto, l'acquisizione dei dati e i passaggi chiave nell'analisi dei dati. Verranno forniti esempi di risultati sperimentali. Si spera che questa guida completa serva come base per le implementazioni CSSR in tutti i siti e aiuti a realizzare il pieno potenziale di questa tecnica per quantificare i cambiamenti microstrutturali polmonari in una serie di malattie polmonari.
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
2. Preparazione per l'esame del paziente
3. Preparazione e monitoraggio dei soggetti
4. Polarizzazione iperpolarizzata dello xenon-129 (gas di calibrazione)
NOTA: Di seguito sono riportati i passaggi del protocollo per polarizzare il gas Xenon-129 utilizzando il nostro dispositivo di polarizzazione. Regolare in base alle istruzioni per l'uso specifiche del fornitore per il polarizzatore di gas installato.
5. Inalazione di xenon-129 iperpolarizzato per la calibrazione
6. Calibrazione della frequenza del gas e della tensione degli impulsi a radiofrequenza
NOTA: Prima di eseguire una sequenza di impulsi, i moderni scanner MRI di solito calibrano la frequenza di risonanza del segnale RM e la tensione da applicare alla bobina RF di trasmissione per ottenere l'angolo di inversione desiderato per gli impulsi di eccitazione. Nella risonanza magnetica protonica convenzionale, questo processo di calibrazione è automatico e in genere trasparente per l'utente. Tuttavia, questa calibrazione automatica non è fattibile per gli studi con Xenon-129 iperpolarizzato, poiché non è disponibile alcuna sorgente di segnale all'equilibrio termico. Invece, la frequenza e la tensione per gli impulsi RF devono essere calibrate manualmente. Sullo scanner MRI utilizzato in questo caso, questa calibrazione manuale viene eseguita fornendo una tensione di riferimento, che il software dello scanner utilizza quindi per calcolare la tensione appropriata per tutti gli impulsi RF successivi. Consultare le istruzioni per l'uso specifiche del fornitore del sistema MRI per capire come inserire questi dati di calibrazione nel software di misurazione.
7. Polarizzazione iperpolarizzata dello xenon-129 (gas di misura)
8. Inalazione di xenon-129 iperpolarizzato per la misurazione (apnea)
9. Inalazione di xenon-129 iperpolarizzato per la misurazione (respirazione libera)
10. Acquisizione dei dati di misurazione (apnea)
11. Acquisizione dei dati di misura (respirazione libera)
12. Analisi dei dati CSSR
NOTA: I dati acquisiti sono costituiti da N x 40 decadimenti a induzione libera, dove N è il numero di volte in cui l'acquisizione è stata ripetuta con tempi di ritardo diversi dopo la saturazione della magnetizzazione DP. A seconda che la misurazione CSSR sia stata eseguita come apnea o come studio di respirazione libera, N è 1 o il numero di volte in cui l'acquisizione è stata ripetuta, rispettivamente, e dovrebbe ammontare a circa 2 volte il tempo di misurazione in s. Tuttavia, la successiva analisi dei dati per entrambi gli scenari tramite script MATLAB è sostanzialmente identica, tranne dove indicato.
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...
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...
Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.
Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni NIH R01HL159898 e R01HL142258.
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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