Detaillierte NMR-spektroskopische Messungen der 83Kr T1-Relaxation als Funktion des Inhalationsvolumens
Ohne die technischen Aspekte der HP 83Kr-Produktion und des Gashandlings zu beschreiben, ist es wichtig zu beachten, dass die kontinuierliche Entwicklung der Methodik verfeinerte Experimente mit einer höheren Qualität der erzeugten Daten im Laufe der Zeit ermöglicht hat. Solche Verbesserungen hatten eine detaillierte Untersuchung von 83Kr T1 in der Lunge, d. H. Der Quelle des QUADRATISCHEN Kontrasts, ermöglicht, die im Detail in Ref. das stellte einen Quantensprung gegenüber dem experimentellen Aufbau dar, der zuvor in Ref. , nicht nur wegen der verbesserten scheinbaren Polarisation von Papp = 0,5% auf Papp = 1%, der besseren Gashandhabung und der größeren NMR-Spulen (da keine Gradienten erforderlich sind), sondern auch wegen des verbesserten Protokolls für Relaxationsmessungen.
Das HP 83Kr-Signal wurde in einer Reihe von 32 kleinen Flip-Angle (12 °) NMR-Spektren im Abstand von 0,2 s gemessen, die vor der Inhalation mit HP 83kr begannen und mehrere Sekunden nach vollständiger Inhalation und angehaltenem Atem anhielten. Während der anfänglichen Zeitspanne zeigte das Fehlen eines nachweisbaren NMR-Signals, dass HP 83Kr während des anfänglichen Gastransfers in den Vorratsbehälter VB nicht in die Lunge gedrückt wurde. Etwa 0,6 s nach Anlegen eines vorbestimmten Saugvolumens mit der Beatmungsspritze erreichten die Lungen das jeweilige stetige Inhalationsvolumen Vi (d.h. nach einem Atemstillstand). Nach einiger Zeit der Lungenabsenkung (typischerweise 0.2 s) zeigte das beobachtete HP 83Kr-Signal einen monoexponentiellen Relaxationsabfall (zusätzlich zu dem durch die 12°-Flipwinkelpulse verursachten Signalabfall), und die Datenanpassung lieferte dementsprechend die 83Kr T1-Relaxationszeiten (siehe Gl. 19.3). Es wurde kein Versuch unternommen, die Relaxationsmessungen räumlich aufzulösen, da weitere Verbesserungen der Technologie erforderlich waren, um einen aussagekräftigen HP 83Kr MRT-Quadratkontrast zu ermöglichen (siehe Abschnitt „HP 83Kr QUADRAT T1 Kontrast eines Tiermodells des Emphysems“). Das Protokoll lieferte jedoch hoch reproduzierbare Daten, die einen Großteil der vorherigen Streuung in den gemessenen T1-Zeiten eliminierten, da der gesamte Inhalationsprozess überwacht wurde und ein guter Referenzpunkt für das Ende der Inhalationsperiode aus der Intensitätskurve bestimmt werden konnte. Die in der T1-Studie verwendeten Daten wurden um 2,6 s verlängert, ohne die nach dieser Zeit gesammelten Spektren zu berücksichtigen, da eine Abweichung vom monoexponentiellen Relaxationsverhalten beobachtet wurde, die wahrscheinlich durch erhebliche Unterschiede im Relaxationsverhalten zwischen den Atemzonen und den größeren Atemwegen verursacht wurde.
Die Ergebnisse der Relaxationsmessungen aus den HP 83Kr-Zerfallskurven sind in Abb. 19.4 wobei die Datenpunkte die 83Kr-T1-Werte in Rattenlungen als Funktion des Inhalationsvolumens im Bereich von Vi = 3 bis Vi=20 ml anzeigen. Die ausgefüllten Kreise stellen Experimente dar, bei denen ein Volumen Vi des Gasgemisches das einzige eingeatmete Gas war (d. h. Inhalationsschema 1). Beachten Sie, dass jeder Datenpunkt der Durchschnitt der Relaxationsmessungen aus exzidierten Lungen von fünf einzelnen Ratten (3 Monate alt; 350-425 g) und von mindestens zwei T1-Fittings pro Inhalationsvolumen und Probe ist. Die Relaxationsdaten zeigen eine relativ geringe Abweichung zwischen den einzelnen Ratten (dargestellt als Fehlerbalken mit der Standardabweichung), was die hohe Reproduzierbarkeit der Experimente unterstreicht.
Abbildung 19.4. (A) Skizze der verschiedenen Inhalationsschemata, die entweder den HP 83Kr mehr in Richtung der Atemwege (Schema 2) oder in Richtung der hohen S / V-Atemzone (Schema 3) im Vergleich zur „einfachen“ HP 83KR-Inhalation (Schema 1) lenken. In Schema 2 inhalieren die Lungen zuerst das Volumen Vidark von „dunklem Gas“ (d.h., Gas, das nicht MRT-detektierbar ist, typischerweise Luft oder N2 — in roter Farbe angezeigt), gefolgt von HP 83Kr (in blauer Farbe angezeigt), was zu dem gesamten Inhalationsvolumen Vi führt. Schema 3 stellt einen „Stickstoff-Chaser“ -Experimenttyp dar, bei dem auf die Inhalation von HP 83KR ein Volumen von N2 folgt, was wiederum zu dem gesamten Inhalationsvolumen Vi führt. (B) Gemessene 83Kr T1-Relaxationszeiten als Funktion des Inhalationsvolumens Vi unter Verwendung von Ex-vivo-Lungen und dem in Fig. 19.3. Beachten Sie die Unabhängigkeit des Inhalationsvolumens der 83Kr-Relaxation über Vi = 10 ml mit Schema 1 und 3.
Angepasst mit Genehmigung von Stupic KF, Elkins ND, Pavlovskaya GE, Repine JE, Meersmann T. Auswirkungen der pulmonalen Inhalation auf die hyperpolarisierte Krypton-83-Magnetresonanz-T-1-Relaxation. Phys Med Biol 2011;56(13):3731-48. doi:10.1088/0031-9155/56/13/001. PubMed PMID: ISI:000291866800003.
Basierend auf den Ergebnissen mit Modelloberflächen würde man naiv vorhersagen, dass mit zunehmendem Inhalationsvolumen, Vi, auch die T1-Zeiten zunehmen würden, weil expandierende Alveolen vermutlich dazu führen, dass die S/ V abnimmt. Die beobachteten T1-Zeiten wurden jedoch entweder kürzer oder blieben mit zunehmendem Inhalationsvolumen konstant. Der anfängliche Abfall der Relaxationszeiten kann durch den sich ändernden Beitrag der Atemwege (niedriger S / V) und der Zonen mit hohem S / Vs wie der Atemregion (d. H. Der Alveolargänge und der Alveolarsäcke) erklärt werden, einschließlich möglicherweise der distaleren Atemwege wie Bronchiolen und kleinere Bronchien. Bei geringem Inhalationsvolumen tragen die Atemwege zu einem höheren Anteil zum detektierten Signal bei als bei großen Inhalationsvolumina, bei denen das Signal überwiegend aus der Alveolarzone stammt. Die gemessene Relaxationszeit kann ein „wahrer“ Mittelwert aus der Relaxation in den verschiedenen Zonen sein, da die Gasdiffusion einen schnellen Austausch zwischen diesen Bereichen verursacht. Alternativ können die Relaxationszeiten in den verschiedenen Zonen einfach so ähnlich sein, dass der Eindruck eines monoexponentiellen Signalabfalls entsteht. In jedem Fall scheint eine einzige Zeitkonstante eine gute Beschreibung der 83Kr-Längsrelaxation zu liefern. Mit zunehmendem Inhalationsvolumen und damit zunehmendem Beitrag der Alveolarzone nimmt der S / V zu und die T1-Zeitkonstanten nehmen ab.
Diese Interpretation wird weiter unterstützt durch die Beobachtungen mit alternativen Inhalationsschemata, bei denen entweder Nicht-HP („dunkles“) Gas zuerst inhaliert wird, das nicht durch MRT beobachtet werden kann, gefolgt von HP-Gas (Inhalationsschema 2) oder umgekehrt, wo HP-Gas von dunklem, nicht nachweisbarem Gas gefolgt wird (d.h., ein Stickstoff-Chaser-Experiment-oder Inhalationsschema 3). Es wird erwartet, dass das Inhalationsschema 2 die Menge an HP 83Kr in der Alveolarregion, jedoch nicht in den Atemwegen, reduziert. Infolgedessen würde man erwarten, dass bei Inhalationsschema 2 längere T1-Zeiten beobachtet werden als bei Schema 1. Dies wird tatsächlich beobachtet, wie die Datenpunkte (Dreiecke) in Fig. 19.4. Die Relaxationszeitverkürzung ist bei Vidark=12 ml ausgeprägter als bei Vidark=6 ml. Darüber hinaus werden die T1-Zeiten von Schema 2 mit denen von Inhalationsschema 1 bei den höchsten Inhalationsvolumina vergleichbar. Inhalationsschema 3, durchgeführt mit Gesamtinhalationsvolumina Vi im Bereich von 9 bis 20 ml, wurde entwickelt, um die HP 83Kr-Signale von den größeren Atemwegen zu unterdrücken und den Beitrag von HP-Gas aus der Alveolarregion zu erhöhen. Wie bei Schema 1 nehmen die T1-Zeiten anfänglich ab und stabilisieren sich schließlich bei einem Gesamtinhalationsvolumen Vi von etwa 12 ml. Dieses Schema führte jedoch zu schnelleren Relaxationszeiten (offene Kreise) mit T1≈ 1,0 s für Vi≥12 ml im Vergleich zum entsprechenden Wert von T1≈ 1,3 s, der mit Schema 1 für das gleiche Inhalationsvolumen erhalten wurde. Beachten Sie, dass spätere bildgebende Experimente eine bimodale Verteilung der Relaxationszeiten mit einem langsamen schnellen Relaxationsbeitrag um 1 s und einer langsameren Relaxationsverteilung um etwa 1,3 s fanden (siehe Abschnitt „HP 83Kr SQUARE T1 Kontrast eines Tiermodells von Emphysem“).
Obwohl der anfängliche Abfall der Relaxationszeiten mit zunehmendem Inhalationsvolumen durch eine Verschiebung des relativen Beitrags zwischen Atemwegen und Atemzone erklärt werden kann, ist das völlige Fehlen eines Anstiegs der 83Kr T1-Zeiten mit zunehmender Lungeninhalation bemerkenswert. Es wird erwartet, dass der S / V in der Lunge mit zunehmendem Inhalationsvolumen abnimmt. Das Inhalationsvolumen von 83Kr T1-Zeiten bei hohen Inhalationsvolumina mit Schema 1 und 3 zeigt jedoch konstante S / V im distalen Teil der Atemwege und der Atmungszonen an. Bemerkenswerterweise wurde nach früheren Beobachtungen in der Lunge von Hunden ein etwas ähnlicher Befund von Woods, Conradi, Yablonski und Mitarbeitern in der 3He-Forschung unter Verwendung des scheinbaren Diffusionskoeffizienten (ADC) in der menschlichen Lunge berichtet . Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Alveolarkanalradien mit der Inhalation nur geringfügig zunehmen und dass die Zunahme des Lungenvolumens weitgehend durch die Alveolarrekrutierung verursacht wird. Beachten Sie jedoch, dass der ADC auf Zeitskalen von typischerweise 1-3 ms bestimmt wird, die viel kürzer sind als die Relaxationsmessungen über einen Zeitraum von 2,6 s Dauer, die hier berichtet werden, und ADC-Messungen sind daher ein viel kleinerer Bereich . Bei 293K reicht die Diffusionskonstante von D = 0,63 cm2 / s (Krypton in Helium) bis D = 0.15cm2/s (Krypton in Stickstoff) und folglich frei diffundierende Kryptongasgemische würden zentimetergroße mittlere Verschiebungen während eines Zeitraums von 2-3 s aufweisen. Die Angabe, dass die Alveolardimensionen weitgehend inflationsvolumenunabhängig sind, bereitgestellt durch zwei verschiedene Methoden, die sehr unterschiedliche Längenskalen untersuchen, ist bemerkenswert und kann zu Einblicken in den Mechanismus der Alveolarrekrutierung führen. In Kombination mit ADC-Messungen und anderen Techniken wie HP 129Xe-Experimenten mit gelöster Phase kann der HP 83Kr-QUADRAT-MRT-Kontrast in Zukunft weitere Hinweise liefern. Das wichtige Ergebnis der Fig. 19.4 ist, dass der im folgenden Abschnitt untersuchte QUADRATISCHE HP 83Kr-Kontrast zumindest innerhalb gesunder (exzidierter) Nagetierlungen und solange das Inhalationsvolumen ausreichend groß ist, bei geringen Schwankungen des Inhalationsvolumens sehr gut reproduzierbar ist. Stickstoff-Chaser-Experiment (Inhalationsschema 3) kann möglicherweise den QUADRATISCHEN Kontrast verbessern, da der HP 83Kr stärker auf die Atmungszonen gerichtet ist.