Summary

Adquisición de imágenes de resonancia magnética hiperpolarizada de 129X de ventilación pulmonar

Published: November 21, 2023
doi:

Summary

La resonancia magnética (RM) hiperpolarizada de 129X es un método para estudiar aspectos de la función pulmonar resueltos regionalmente. Este trabajo presenta un flujo de trabajo estandarizado de extremo a extremo para la resonancia magnética hiperpolarizada de 129Xe de ventilación pulmonar, con especial atención al diseño de la secuencia de pulsos, la preparación de la dosis de 129Xe, el flujo de trabajo de exploración y las mejores prácticas para el monitoreo de la seguridad de los sujetos.

Abstract

La resonancia magnética hiperpolarizada de 129Xe comprende una gama única de técnicas de imágenes pulmonares estructurales y funcionales. La estandarización de la técnica en todos los centros es cada vez más importante dada la reciente aprobación por parte de la FDA del 129Xe como agente de contraste para la RM y a medida que aumenta el interés en la RM con 129Xe entre las instituciones clínicas y de investigación. Los miembros del Consorcio de Ensayos Clínicos de Resonancia Magnética 129Xe (Xe MRI CTC) han acordado las mejores prácticas para cada uno de los aspectos clave del flujo de trabajo de la RM 129Xe, y estas recomendaciones se resumen en una publicación reciente. Este trabajo proporciona información práctica para desarrollar un flujo de trabajo de extremo a extremo para la recopilación de 129imágenes de RM Xe de ventilación pulmonar de acuerdo con las recomendaciones de CTC de RM Xe. Se discutirá y demostrará la preparación y administración de 129Xe para estudios de RM, con temas específicos que incluyen la elección de volúmenes de gas apropiados para estudios completos y para exploraciones de RM individuales, preparación y administración de dosis individuales de 129Xe y las mejores prácticas para monitorear la seguridad del sujeto y la tolerabilidad de 129Xe durante los estudios. También se cubrirán las consideraciones técnicas clave de la RM, incluidos los tipos de secuencia de pulsos y los parámetros optimizados, la calibración del ángulo de giro y la frecuencia central de 129Xe, y el análisis de imágenes de ventilación de RM de 129Xe.

Introduction

La resonancia magnética hiperpolarizada de 129Xe es una herramienta interesante para la caracterización y cuantificación no invasiva y resuelta espacialmente de aspectos específicos de la función pulmonar 1,2,3. Los enfoques de adquisición y reconstrucción similares a los utilizados en la RM anatómica de protones producen imágenes de 129Xe inhalados en los pulmones, lo que permite la visualización de las regiones pulmonares no ventiladas y la cuantificación de la distribución de la ventilación resuelta por la región 4,5,6,7,8 . Las técnicas más avanzadas de secuenciación y análisis de pulsos proporcionan más información complementaria, incluida la cuantificación de la eficacia del intercambio gaseoso entre los alvéolos y los capilares pulmonares mediante resonancia magnética espectroscópica 9,10,11,12,13 y la caracterización de la integridad de la microestructura alveolar mediante resonancia magnética ponderada por difusión 14,15,16.

Se ha demostrado que el 129Xe inhalado es seguro y tolerable en sujetos adultos y pediátricos, incluidos aquellos con enfermedad pulmonar17,18. Las mediciones de la función pulmonar derivadas de la RM con 129X han mostrado sensibilidad a las alteraciones estructurales y funcionales en muchos contextos de enfermedad pulmonar, incluida la enfermedad pulmonar obstructiva crónica 6,10,19, la fibrosis quística 20,21,22, la fibrosis pulmonar idiopática 23,24,25 y el asma 7,10,26. Dada la alta seguridad y tolerabilidad de la RM con 129Xe, la ausencia de radiación ionizante en la RM en comparación con otros enfoques de imagen comunes y la alta reproducibilidad de los resultados de la RM con 129Xe27,28, la RM con 129Xe es muy prometedora, en particular para la monitorización seriada precisa de las personas que reciben un curso temporal de tratamiento para la enfermedad pulmonar crónica.

La seguridad y la promesa clínica de la resonancia magnética con 129Xe han llevado a su aprobación por parte de la FDA en diciembre de 2022 para la obtención de imágenes de ventilación pulmonar en personas de 12 años o más29. Teniendo en cuenta esto, se prevé que el número de centros clínicos y de investigación capaces de realizar 129Xe MRI (actualmente ~20 en todo el mundo) aumentará significativamente en los próximos años. A medida que la RM 129Xe se extiende a nuevas instituciones, es importante que existan recursos metodológicos sólidos para permitir que los centros desarrollen rápidamente técnicas de RM 129Xe clínicamente relevantes, así como que realicen exploraciones y generen resultados que sean muy comparables con los de los centros existentes.

En este trabajo, describiremos las mejores prácticas actuales para la resonancia magnética hiperpolarizada humana de 129Xe de ventilación pulmonar, según lo acordado por las instituciones miembros del Consorcio de Ensayos Clínicos de 129Xe XI (XE RMI CTC) y resumido en un documento de posición reciente30. Los temas incluirán la preparación de secuencias de pulso personalizadas ideales para un flujo de trabajo completo de resonancia magnética de 129Xe, la preparación y administración de gas hiperpolarizado de 129Xe, un flujo de trabajo optimizado para sesiones de resonancia magnética de 129Xe humanas y las mejores prácticas para monitorear la seguridad y la comodidad de los sujetos durante las sesiones de resonancia magnética.

Protocol

Toda investigación que involucre sujetos humanos debe ser aprobada por una junta de revisión institucional (IRB, por sus siglas en inglés). La participación de la IRB no es necesaria para el uso clínico aprobado por la normativa de la RM con 129Xe. Antes de participar en un estudio de investigación, los posibles sujetos deben recibir un documento de consentimiento informado aprobado. La persona que obtiene el consentimiento debe explicar el contenido del documento, incluido el propósito, los procedimien…

Representative Results

La Figura 1 muestra imágenes representativas de ventilación y localizador de tres planos de un individuo sano. En las imágenes de ventilación se puede observar una señal alta de 129Xe en todos los pulmones, y no se evidencia ningún deterioro de la ventilación en este individuo. Las figuras 2, 3 y 4 muestran imágenes anatómicas y de ventilación representat…

Discussion

Los enfoques de ventilación y resonancia magnética anatómica descritos anteriormente están diseñados para maximizar la calidad de la imagen y la SNR, al tiempo que mantienen la simplicidad de implementación: estos protocolos de secuencia se pueden adaptar en general a partir de secuencias de pulsos de productos del proveedor, siempre que se habilite la operación multinuclear y las imágenes se reconstruyan automáticamente en la computadora del escáner. Una desventaja de los enfoques 2D descritos aquí es el uso …

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud (números de subvención R01-CA172595-01, R01-HL132177, R01-HL167202, S10-OD018079 y UL1-TR003015) y por Siemens Medical Solutions.

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)

Referencias

  1. Roos, J. E., McAdams, H. P., Kaushik, S. S., Driehuys, B. Hyperpolarized gas MRI: Technique and applications. Magn Reson Imaging Clin N Am. 23 (2), 217-229 (2015).
  2. Mugler, J. P., Altes, T. A. Hyperpolarized 129Xe MRI of the human lung. J Magn Reson Imaging. 37 (2), 313-331 (2013).
  3. Ebner, L., et al. The role of hyperpolarized 129xenon in MR imaging of pulmonary function. Eur J Radiol. 86, 343-352 (2017).
  4. He, M., Driehuys, B., Que, L. G., Huang, Y. C. T. Using hyperpolarized 129Xe MRI to quantify the pulmonary ventilation distribution. Acad Radiol. 23 (12), 1521-1531 (2016).
  5. Walkup, L. L., et al. Xenon-129 MRI detects ventilation deficits in paediatric stem cell transplant patients unable to perform spirometry. Eur Respir J. 53 (5), 1801779 (2019).
  6. Virgincar, R. S., et al. Quantitative analysis of hyperpolarized 129Xe ventilation imaging in healthy volunteers and subjects with chronic obstructive pulmonary disease. NMR Biomed. 26 (4), 424-435 (2013).
  7. Ebner, L., et al. Hyperpolarized 129Xenon magnetic resonance imaging to quantify regional ventilation differences in mild to moderate Asthma: A prospective comparison between semiautomated ventilation defect percentage calculation and pulmonary function tests. Invest Radiol. 52 (2), 120-127 (2017).
  8. Woodhouse, N., et al. Combined helium-3/proton magnetic resonance imaging measurement of ventilated lung volumes in smokers compared to never-smokers. J Magn Reson Imaging. 21 (4), 365-369 (2005).
  9. Mugler, J. P., et al. Simultaneous magnetic resonance imaging of ventilation distribution and gas uptake in the human lung using hyperpolarized xenon-129. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (50), 21707-21712 (2010).
  10. Qing, K., et al. Assessment of lung function in asthma and COPD using hyperpolarized 129Xe chemical shift saturation recovery spectroscopy and dissolved-phase MRI. NMR Biomed. 27 (12), 1490-1501 (2014).
  11. Cleveland, Z. I., et al. Hyperpolarized 129Xe MR imaging of alveolar gas uptake in humans. PLoS One. 5 (8), 12192 (2010).
  12. Wang, Z., et al. Using hyperpolarized 129Xe gas-exchange MRI to model the regional airspace, membrane, and capillary contributions to diffusing capacity. J Appl Physiol. 130 (5), 1398-1409 (2021).
  13. Guan, S., et al. 3D single-breath chemical shift imaging hyperpolarized Xe-129 MRI of healthy, CF, IPF, and COPD subjects. Tomography. 8 (5), 2574-2587 (2022).
  14. Ouriadov, A., et al. Lung morphometry using hyperpolarized (129) Xe apparent diffusion coefficient anisotropy in chronic obstructive pulmonary disease. Magn Reson Med. 70 (129), 1699-1706 (2013).
  15. Yablonskiy, D. A., Sukstanskii, A. L., Quirk, J. D., Woods, J. C., Conradi, M. S. Probing lung microstructure with hyperpolarized noble gas diffusion MRI: theoretical models and experimental results. Magn Reson Med. 71 (2), 486-505 (2014).
  16. Chan, H. F., Stewart, N. J., Norquay, G., Collier, G. J., Wild, J. M. 3D diffusion-weighted 129 Xe MRI for whole lung morphometry. Magn Reson Med. 79 (6), 2986-2995 (2018).
  17. Walkup, L. L., et al. tolerability and safety of pediatric hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in healthy volunteers and children with cystic fibrosis. Pediatr Radiol. 46 (12), 1651-1662 (2016).
  18. Driehuys, B., et al. Chronic obstructive pulmonary disease: safety and tolerability of hyperpolarized 129Xe MR imaging in healthy volunteers and patients. Radiology. 262 (1), 279-289 (2012).
  19. Myc, L., et al. Characterisation of gas exchange in COPD with dissolved-phase hyperpolarised xenon-129 MRI. Thorax. 76 (2), 178-181 (2021).
  20. Kaushik, S. S., et al. Measuring diffusion limitation with a perfusion-limited gas-Hyperpolarized 129Xe gas-transfer spectroscopy in patients with idiopathic pulmonary fibrosis. J Appl Physiol. 117 (6), 577-585 (2014).
  21. Dournes, G., et al. The clinical use of lung MRI in cystic fibrosis: What, now, how. Chest. 159 (6), 2205-2217 (2021).
  22. Thomen, R. P., et al. Hyperpolarized 129Xe for investigation of mild cystic fibrosis lung disease in pediatric patients. J Cyst Fibros. 16 (2), 275-282 (2017).
  23. Mammarappallil, J. G., Rankine, L., Wild, J. M., Driehuys, B. New developments in imaging idiopathic pulmonary fibrosis with hyperpolarized xenon magnetic resonance imaging. J Thorac Imaging. 34 (2), 136-150 (2019).
  24. Rankine, L. J., et al. 129Xenon gas exchange magnetic resonance imaging as a potential prognostic marker for progression of idiopathic pulmonary fibrosis. Ann Am Thorac. 17 (1), 121-125 (2020).
  25. Mata, J., et al. Evaluation of regional lung function in pulmonary fibrosis with xenon-129 MRI. Tomography. 7 (3), 452-465 (2021).
  26. Svenningsen, S., et al. Hyperpolarized (3) He and (129) Xe MRI: Differences in asthma before bronchodilation. J Magn Reson Imaging. 38 (3), 1521-1530 (2013).
  27. Stewart, N. J., et al. Comparison of 3He and 129Xe MRI for evaluation of lung microstructure and ventilation at 1.5T. J Magn Reson Imaging. 48 (3), 632-642 (2018).
  28. Hughes, P. J. C., et al. Assessment of the influence of lung inflation state on the quantitative parameters derived from hyperpolarized gas lung ventilation MRI in healthy volunteers. J Appl Physiol. 126 (1), 183-192 (2019).
  29. Polarean. . FDA Approves Polarean’s XENOVIEWTM (xenon Xe 129 hyperpolarized) for use with MRI for the evaluation of lung ventilation. , (2022).
  30. Niedbalski, P. J., et al. Protocols for multi-site trials using hyperpolarized 129Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the 129Xe MRI clinical trials consortium. Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).
  31. Bier, E. A., et al. A thermally polarized 129 Xe phantom for quality assurance in multi-center hyperpolarized gas MRI studies. Magn Reson Med. 82 (5), 1961-1968 (2019).
  32. He, M., et al. Dose and pulse sequence considerations for hyperpolarized 129Xe ventilation MRI. Magn Reson Imaging. 33 (7), 877-885 (2015).
  33. Tustison, N. J., et al. Image- versus histogram-based considerations in semantic segmentation of pulmonary hyperpolarized gas images. Magn Reson Med. 86 (5), 2822-2836 (2021).
  34. Tustison, N. J., et al. Convolutional neural networks with template-based data augmentation for functional lung image quantification. Acad Radiol. 26 (3), 412-423 (2019).
  35. Wild, J. M., et al. Comparison between 2D and 3D gradient-echo sequences for MRI of human lung ventilation with hyperpolarized 3He. Magn Reson Med. 52 (3), 673-678 (2004).
  36. Willmering, M. M., et al. Improved pulmonary 129 Xe ventilation imaging via 3D-spiral UTE MRI. Magn Reson Med. 84 (1), 312-320 (2020).
  37. Collier, G. J., et al. Single breath-held acquisition of coregistered 3D 129 Xe lung ventilation and anatomical proton images of the human lung with compressed sensing. Magn Reson Med. 82 (1), 342-347 (2019).
  38. Zha, W., et al. Semiautomated ventilation defect quantification in exercise-induced bronchoconstriction using hyperpolarized helium-3 magnetic resonance imaging: a repeatability study. Acad Radiol. 23 (9), 1104-1114 (2016).
  39. Ray, N., Acton, S. T., Altes, T. A., de Lange, E. E., Brookeman, J. R. Merging parametric active contours within homogeneous image regions for MRI-based lung segmentation. IEEE Trans Med Imaging. 22 (2), 189-199 (2003).
  40. Hughes, P. J. C., et al. Spatial fuzzy c-means thresholding for semiautomated calculation of percentage lung ventilated volume from hyperpolarized gas and 1 H MRI. J Magn Reson Imaging. 47 (3), 640-646 (2018).
  41. Tustison, N. J., et al. Ventilation-based segmentation of the lungs using hyperpolarized (3)He MRI. J Magn Reson Imaging. 34 (3), 831-841 (2011).
  42. Kanhere, N., et al. Correlation of lung clearance index with hyperpolarized 129Xe magnetic resonance imaging in pediatric subjects with cystic fibrosis. Am J Respir Crit Care Med. 196 (8), 1073-1075 (2017).
  43. Rayment, J. H., et al. Hyperpolarised 129Xe magnetic resonance imaging to monitor treatment response in children with cystic fibrosis. Eur Respir J. 53 (5), 1802188 (2019).

Play Video

Citar este artículo
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).

View Video