Summary

Aufnahme von hyperpolarisierten 129Xe-Magnetresonanzbildern der Lungenbeatmung

Published: November 21, 2023
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Summary

Die hyperpolarisierte 129Xe-Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine Methode zur Untersuchung regional aufgelöster Aspekte der Lungenfunktion. Diese Arbeit stellt einen standardisierten End-to-End-Workflow für hyperpolarisierte 129Xe-MRT der Lungenbeatmung vor, mit besonderem Augenmerk auf das Design der Pulssequenz, die 129Xe-Dosisvorbereitung, den Scan-Workflow und Best Practices für die Überwachung der Probandensicherheit.

Abstract

Die hyperpolarisierte 129Xe-MRT umfasst eine einzigartige Palette struktureller und funktioneller Lungenbildgebungstechniken. Die Standardisierung der Technik über Standorte hinweg wird angesichts der kürzlich erfolgten FDA-Zulassung von 129Xe als MR-Kontrastmittel und des zunehmenden Interesses an 129Xe MRT in Forschung und klinischen Einrichtungen immer wichtiger. Die Mitglieder des 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) haben sich auf Best Practices für jeden der Schlüsselaspekte des 129Xe MRT-Workflows geeinigt, und diese Empfehlungen sind in einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung zusammengefasst. Diese Arbeit liefert praktische Informationen zur Entwicklung eines End-to-End-Workflows für die Erfassung von 129Xe-MRT-Bildern der Lungenbeatmung gemäß den Xe-MRT-CTC-Empfehlungen. Die Vorbereitung und Verabreichung von 129Xe für MR-Studien wird diskutiert und demonstriert, wobei spezifische Themen wie die Auswahl geeigneter Gasvolumina für gesamte Studien und für einzelne MR-Scans, die Vorbereitung und Verabreichung einzelner 129Xe-Dosen sowie bewährte Verfahren zur Überwachung der Sicherheit der Probanden und der 129Xe-Verträglichkeit während der Studien behandelt werden. Wichtige technische Überlegungen zur MR werden ebenfalls behandelt, einschließlich Pulssequenztypen und optimierter Parameter, Kalibrierung des 129Xe-Flip-Winkels und der Mittenfrequenz sowie 129Xe-MRT-Beatmungsbildanalyse.

Introduction

Die hyperpolarisierte 129Xe-MRT ist ein spannendes Werkzeug für die nicht-invasive, ortsaufgelöste Charakterisierung und Quantifizierung spezifischer Aspekte der Lungenfunktion 1,2,3. Erfassungs- und Rekonstruktionsansätze, die denen der anatomischen Protonen-MRT ähneln, liefern Bilder von inhaliertem 129Xe in der Lunge, die eine Visualisierung von nicht beatmeten Lungenregionen und eine regionsaufgelöste Quantifizierung der Beatmungsverteilung ermöglichen 4,5,6,7,8 . Fortschrittlichere Pulssequenz- und Analysetechniken liefern weitere ergänzende Informationen, einschließlich der Quantifizierung der Gasaustauscheffizienz zwischen Alveolen und Lungenkapillaren mittels spektroskopischer MRT 9,10,11,12,13 und Charakterisierung der Integrität der alveolären Mikrostruktur mittels diffusionsgewichteter MRT 14,15,16.

Inhaliertes 129Xe hat sich bei erwachsenen und pädiatrischen Probanden, einschließlich Patienten mit Lungenerkrankungen, als sicher und verträglich erwiesen17,18. Messungen der Lungenfunktion, die aus 129Xe-MRT abgeleitet wurden, haben eine Empfindlichkeit gegenüber strukturellen und funktionellen Veränderungen in vielen pulmonalen Krankheitskontexten gezeigt, einschließlich chronisch obstruktiver Lungenerkrankung 6,10,19, Mukoviszidose 20,21,22, idiopathischer Lungenfibrose 23,24,25 und Asthma 7,10,26. Angesichts der hohen Sicherheit und Verträglichkeit der 129-Xe-MRT, des Fehlens ionisierender Strahlung in der MRT im Vergleich zu anderen gängigen Bildgebungsansätzen und der hohen Reproduzierbarkeit der 129-Xe-MRT-Ergebnisse27,28 ist die 129-Xe-MRTvielversprechend, insbesondere für die präzise serielle Überwachung von Personen, die einen zeitlichen Therapieverlauf für chronische Lungenerkrankungen erhalten.

Die Sicherheit und das klinische Versprechen der 129Xe-MRT haben im Dezember 2022 zu ihrer FDA-Zulassung für die Lungenbeatmungsbildgebung bei Personen ab29 Jahren geführt. Vor diesem Hintergrund wird erwartet, dass die Anzahl der Forschungs- und klinischen Standorte, die 129Xe-MRT durchführen können (derzeit ~20 weltweit), in den kommenden Jahren erheblich zunehmen wird. Da sich die 129Xe MRT auf neue Einrichtungen ausbreitet, ist es wichtig, dass robuste methodische Ressourcen vorhanden sind, die es den Standorten ermöglichen, klinisch relevante 129Xe MRT-Techniken schnell aufzubauen und Scans durchzuführen und Ergebnisse zu erzielen, die mit denen bestehender Standorte vergleichbar sind.

In dieser Arbeit werden wir die aktuellen Best Practices für die humane hyperpolarisierte 129Xe MRT der Lungenbeatmung skizzieren, wie sie von den Mitgliedsinstitutionen des 129Xe MRI Clinical Trials Consortium (Xe MRI CTC) vereinbart und in einem kürzlich erschienenen Positionspapierzusammengefasst wurden 30. Zu den Themen gehören die Vorbereitung maßgeschneiderter Pulssequenzen, die sich ideal für einen vollständigen 129-Xe-MRT-Workflow eignen, die Vorbereitung und Verabreichung von hyperpolarisiertem 129-Xe-Gas, ein optimierter Workflow für menschliche 129-Xe-MRT-Sitzungenund Best Practices für die Überwachung der Sicherheit und des Komforts von Probanden während MRT-Sitzungen.

Protocol

Alle Forschungen am Menschen müssen von einem institutionellen Prüfungsausschuss (IRB) genehmigt werden. Die Beteiligung des IRB ist für die behördlich zugelassene klinische Verwendung der 129-Xe-MRT nicht erforderlich. Vor der Teilnahme an einer Forschungsstudie müssen potenzielle Probanden eine genehmigte Einwilligungserklärung erhalten. Die Person, die die Einwilligung einholt, muss den Inhalt des Dokuments erläutern, einschließlich des Zwecks, der Verfahren, des Nutzens und der Risiken der Studie, …

Representative Results

Abbildung 1 zeigt repräsentative Beatmungs- und Drei-Ebenen-Lokalisierungsbilder eines gesunden Individuums. In den Beatmungsbildern kann ein hohes 129Xe-Signal in der gesamten Lunge beobachtet werden, und bei dieser Person ist keine Beatmungsstörung erkennbar. Abbildung 2, Abbildung 3 und Abbildung 4 zeigen repräsentative Beatmungs- und anatomische Bilder von e…

Discussion

Die oben beschriebenen Beatmungs- und anatomischen MRT-Ansätze sind so konzipiert, dass sie die Bildqualität und das SNR maximieren und gleichzeitig die Einfachheit der Implementierung beibehalten – diese Sequenzprotokolle können im Allgemeinen an die Impulssequenzen der Herstellerprodukte angepasst werden, sofern der multinukleare Betrieb aktiviert ist, und die Bilder werden automatisch auf dem Scannercomputer rekonstruiert. Ein Nachteil der hier beschriebenen 2D-Ansätze ist die Verwendung von schnittselektiven Anre…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health (Fördernummern R01-CA172595-01, R01-HL132177, R01-HL167202, S10-OD018079 und UL1-TR003015) und von Siemens Medical Solutions finanziert.

Materials

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

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Garrison, W. J., Mugler III, J. P., Mata, J. F., Nunoo-Asare, R. N., Shim, Y. M., Miller, G. W. Acquiring Hyperpolarized 129Xe Magnetic Resonance Images of Lung Ventilation. J. Vis. Exp. (201), e65982, doi:10.3791/65982 (2023).

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