Mesures spectroscopiques RMN détaillées de la relaxation de la T1 83Kr en fonction du volume d’Inhalation
Sans détailler les aspects techniques de la production et de la manipulation des gaz HP 83Kr, il est important de noter que le développement continu de la méthodologie a permis d’affiner les expériences avec une meilleure qualité des données générées au fil du temps. De telles améliorations avaient permis une étude détaillée du 83Kr T1 dans le poumon, c’est-à-dire la source du contraste CARRÉ, présentée en détail dans la Réf. cela constituait un saut quantique par rapport à la configuration expérimentale rapportée précédemment dans Ref. , non seulement en raison de l’amélioration de la polarisation apparente de Papp = 0,5% à Papp = 1%, d’une meilleure manipulation des gaz et de bobines RMN plus grandes (car aucun gradient n’est nécessaire), mais aussi en raison d’un protocole amélioré pour les mesures de relaxation.
Le signal HP 83Kr a été mesuré en série de 32 spectres RMN à petit angle de retournement (12°) espacés de 0,2 s qui ont commencé avant l’inhalation avec HP 83Kr et ont duré plusieurs secondes après l’inhalation complète et la prise d’haleine. Au cours de la période initiale, l’absence de signal RMN détectable a démontré que HP 83Kr n’a pas été forcé dans le poumon lors du transfert initial de gaz dans le récipient de stockage VB. Environ 0,6 s après l’application d’un volume d’aspiration prédéterminé avec la seringue de ventilation, les poumons ont atteint le volume d’inhalation constant Vi respectif (c’est-à-dire la modélisation d’une respiration). Après un certain temps de tassement pulmonaire (généralement 0.2 s), le signal HP 83Kr observé présentait une décroissance de relaxation monoexponentielle (en plus de la décroissance du signal causée par les impulsions d’angle de retournement de 12°) et l’ajustement des données fournissait en conséquence les temps de relaxation T1 de 83Kr (voir Eq. 19.3). Aucune tentative n’a été faite pour résoudre spatialement les mesures de relaxation car d’autres améliorations de la technologie étaient nécessaires pour permettre un contraste carré IRM HP 83Kr significatif (voir la section « Contraste T1 CARRÉ HP 83Kr d’un modèle animal d’Emphysème”). Cependant, le protocole a fourni des données hautement reproductibles qui ont éliminé une grande partie de la diffusion précédente dans les temps T1 mesurés, car l’ensemble du processus d’inhalation a été surveillé et un bon point de référence pour la fin de la période d’inhalation a pu être déterminé à partir de la courbe d’intensité. Les données utilisées dans les raccords T1 se sont étendues pendant 2,6 s sans tenir compte des spectres recueillis après cette période en raison de l’écart observé par rapport au comportement de relaxation monoexponentielle qui était probablement causé par des différences substantielles de comportement de relaxation entre les zones respiratoires et les voies respiratoires plus grandes.
Les résultats des mesures de relaxation des courbes de désintégration HP 83Kr sont résumés à la Fig. 19.4 où les points de données affichent les valeurs de 83Kr T1 dans les poumons de rat en fonction du volume d’inhalation, allant de Vi = 3 à Vi = 20 mL. Les cercles remplis représentent des expériences où un volume Vi de mélange gazeux HP était le seul gaz inhalé (c.-à-d. schéma d’inhalation 1). Notez que chaque point de données est la moyenne des mesures de relaxation des poumons excisés de cinq rats individuels (âgés de 3 mois; 350-425 g) et d’au moins deux raccords T1 par volume d’inhalation et par échantillon. Les données de relaxation montrent un écart relativement faible entre les rats individuels (affiché sous forme de barres d’erreur indiquant l’écart type) soulignant la grande reproductibilité des expériences.
Figure 19.4. (A) Esquisse des différents schémas d’inhalation qui dirigent le HP 83Kr plus vers les voies respiratoires (schéma 2) ou vers la zone respiratoire haute S / V (schéma 3) par rapport à l’inhalation « simple” de HP 83Kr (schéma 1). Dans le schéma 2, les poumons inhalent d’abord le Vidark volumique de « gaz sombre » (i.e., gaz qui n’est pas détectable par IRM, typiquement de l’air ou du N2 — indiqué en rouge) suivi de HP 83Kr (représenté en bleu) résultant du volume total d’inhalation Vi. Le schéma 3 représente une expérience de type « chasseur d’azote” où l’inhalation de HP 83Kr est suivie d’un volume de N2, résultant à nouveau du volume total d’inhalation Vi. (B) Temps de relaxation T1 de 83Kr mesurés en fonction du volume d’inhalation Vi en utilisant des poumons ex vivo et le système de ventilation esquissé à la Fig. 19.3. Notez l’indépendance du volume d’inhalation de la relaxation 83Kr au-dessus de Vi = 10 mL avec les schémas 1 et 3.
Adapté avec la permission de Stupic KF, Elkins ND, Pavlovskaya GE, Repine JE, Meersmann T. Effets de l’inhalation pulmonaire sur la relaxation T-1 par résonance magnétique hyperpolarisée du krypton-83. Phys Med Biol 2011; 56 (13): 3731-48. doi:10.1088/0031-9155/56/13/001. PubMed PMID: ISI: 000291866800003.
Sur la base des résultats obtenus avec les surfaces du modèle, on prédirait naïvement qu’avec l’augmentation du volume d’inhalation, Vi, on trouverait que les temps T1 augmenteraient également car l’expansion des alvéoles provoquerait vraisemblablement une diminution du S / V. Cependant, les temps T1 observés sont devenus plus courts ou sont restés constants avec l’augmentation du volume d’inhalation. La baisse initiale des temps de relaxation peut s’expliquer par la contribution changeante des voies respiratoires (faible S / V) et des zones à S / V élevé telles que la région respiratoire (c’est-à-dire les canaux alvéolaires et les sacs alvéolaires), y compris peut-être les voies respiratoires plus distales telles que les bronchioles et les bronchies plus petites. À faible volume d’inhalation, les voies respiratoires contribuent à une fraction plus élevée du signal détecté par rapport aux grands volumes d’inhalation où le signal provient massivement de la zone alvéolaire. Le temps de relaxation mesuré peut être une moyenne » vraie » de la relaxation dans les différentes zones du fait de la diffusion de gaz provoquant des échanges rapides entre ces régions. Alternativement, les temps de relaxation dans les différentes zones peuvent simplement être suffisamment similaires pour créer l’impression d’une décroissance de signal monoexponentielle. Dans tous les cas, une seule constante de temps semble fournir une bonne description de la relaxation longitudinale 83Kr. Avec l’augmentation du volume d’inhalation, et donc de la contribution croissante de la zone alvéolaire, le S / V augmente et les constantes de temps T1 diminuent.
Cette interprétation est en outre étayée par les observations faites avec d’autres schémas d’inhalation où soit un gaz non HP (« sombre”) est d’abord inhalé qui ne peut pas être observé par IRM suivi d’un gaz HP (schéma d’inhalation 2) ou, inversement, où le gaz HP est suivi d’un gaz sombre et non détectable (c.-à-d., une expérience de chasse à l’azote – ou schéma d’inhalation 3). Le schéma d’inhalation 2 devrait réduire la quantité de HP 83Kr dans la région alvéolaire mais pas dans les voies respiratoires. En conséquence, on s’attendrait à observer des temps T1 plus longs avec le schéma d’inhalation 2 qu’avec le schéma 1. Ceci est en effet observé comme le montrent les points de données (triangles) de la Fig. 19.4. La réduction du temps de relaxation est plus prononcée pour Vidark = 12 mL que pour Vidark = 6 mL. De plus, les temps T1 du schéma 2 deviennent comparables à ceux du schéma 1 pour les volumes d’inhalation les plus élevés. Le schéma d’inhalation 3, effectué avec des volumes d’inhalation totaux Vi allant de 9 à 20 mL, a été conçu pour supprimer les signaux HP 83Kr des grandes voies respiratoires et pour augmenter la contribution du gaz HP de la région alvéolaire. Comme pour le schéma 1, les temps T1 diminuent initialement et finissent par se stabiliser à un volume total d’inhalation Vi d’environ 12 mL. Cependant, ce schéma conduit à des temps de relaxation plus rapides (cercles ouverts) avec T1≈1,0 s pour Vi≥12 mL par rapport à la valeur correspondante de T1≈1,3 s obtenue avec le schéma 1 pour le même volume d’inhalation. Notez que des expériences d’imagerie ultérieures ont trouvé une distribution bimodale des temps de relaxation avec une contribution de relaxation lente et rapide autour de 1 s et une distribution de relaxation plus lente autour d’environ 1,3 s (voir section « Contraste T1 CARRÉ HP 83Kr d’un modèle Animal d’Emphysème”).
Bien que la baisse initiale des temps de relaxation avec l’augmentation du volume d’inhalation puisse s’expliquer par un décalage de la contribution relative entre les voies respiratoires et la zone respiratoire, l’absence totale d’augmentation des temps de T1 de 83Kr avec l’augmentation de l’inhalation pulmonaire est remarquable. Le S / V dans le poumon devrait diminuer avec l’augmentation du volume d’inhalation. Cependant, le volume d’inhalation indépendant 83Kr T1 fois à des volumes d’inhalation élevés avec les schémas 1 et 3 indiquent une S / V constante dans la partie distale des voies respiratoires et les zones respiratoires. Remarquablement, à la suite d’observations antérieures dans les poumons canins, une découverte quelque peu similaire a été rapportée par Woods, Conradi, Yablonski et ses collègues dans la recherche 3He utilisant le travail sur le coefficient de diffusion apparent (ADC) dans les poumons humains. Les chercheurs ont conclu que les rayons du canal alvéolaire n’augmentent que légèrement avec l’inhalation et que l’augmentation du volume pulmonaire est causée en grande partie par le recrutement alvéolaire. Notez cependant que l’ADC est déterminé sur des échelles de temps typiquement de 1 à 3 ms qui sont beaucoup plus courtes que les mesures de relaxation sur une période de durée de 2,6 s rapportées ici et les mesures ADC sondent donc une région beaucoup plus petite. À 293K, la constante de diffusion varie de D = 0,63cm2/s (krypton dans l’hélium) à D = 0.15cm2/s (krypton dans l’azote) et, par conséquent, des mélanges gazeux de krypton diffusant librement présenteraient des déplacements moyens de la taille d’un centimètre pendant une période de temps de 2 à 3 s. L’indication que les dimensions alvéolaires sont largement indépendantes du volume d’inflation, fournie par deux méthodes différentes qui sondent des échelles de longueur très différentes, est remarquable et peut conduire à des informations sur le mécanisme de recrutement alvéolaire. En combinaison avec des mesures ADC et d’autres techniques, telles que les expériences en phase dissoute HP 129Xe, le contraste IRM CARRÉ HP 83Kr peut fournir d’autres indices à l’avenir. Pour l’instant, le résultat important de la Fig. 19.4 est que le contraste CARRÉ HP 83Kr, exploré dans la section suivante, est très reproductible avec peu de soucis pour de petites fluctuations du volume d’inhalation, au moins dans des poumons de rongeur sains (excisés) et tant que le volume d’inhalation est suffisamment important. L’expérience de chasse à l’azote (schéma d’inhalation 3) peut potentiellement améliorer le contraste CARRÉ car le HP 83Kr sera davantage dirigé vers les zones respiratoires.