Gedetailleerde NMR Spectroscopische Metingen van 83Kr T1 Relaxatie als een Functie van de Inademing Volume
Zonder details over de technische aspecten van de HP 83Kr productie en gas omgaan, is het belangrijk op te merken dat de voortdurende ontwikkeling van de methodiek zijn ingeschakeld verfijnde experimenten met een hogere kwaliteit van de gegenereerde data naarmate de tijd vorderde. Dergelijke verbeteringen hadden een gedetailleerde studie van 83Kr T1 in de long, dat wil zeggen, de bron van het vierkante contrast, in detail gepresenteerd in Ref. dat vormde een kwantumsprong over de experimentele opstelling die eerder in Ref. , niet alleen vanwege de verbeterde schijnbare polarisatie van Papp = 0,5% naar Papp = 1%, betere gasbehandeling en grotere NMR spoelen (als geen gradiënten waar nodig), maar ook vanwege verbeterde protocol voor relaxatie metingen.
het HP 83Kr-signaal werd gemeten in een reeks van 32 NMR-spectra met een kleine flip-Hoek (12°), verdeeld over 0,2 s van elkaar, die begon vóór inhalatie met HP 83Kr en enkele seconden duurde na volledige inhalatie en inademing. Tijdens de initiële tijdspanne toonde de afwezigheid van detecteerbaar NMR-signaal aan dat HP 83Kr niet in de long werd geforceerd tijdens de eerste gasoverdracht naar opslagcontainer VB. Ongeveer 0,6 s nadat met de ventilatiespuit een vooraf bepaald zuigvolume was aangebracht, bereikten de longen het respectievelijke constante inhalatievolume Vi (d.w.z. het modelleren van een adempauze). Na enige tijd van longafwikkeling (meestal 0.2 s), vertoonde het waargenomen HP 83Kr-signaal een mono-exponentieel relaxatieverval (naast signaalverval veroorzaakt door de 12° flip angle pulsen) en de gegevensaansluiting leverde dienovereenkomstig de 83kr T1 relaxatietijden op (Zie Eq. 19.3). Er werd geen poging gedaan om de ontspanningsmetingen ruimtelijk op te lossen aangezien verdere verbeteringen van de technologie nodig waren om zinvol HP 83Kr MRI vierkant contrast mogelijk te maken (zie paragraaf “HP 83Kr vierkant T1 Contrast van een diermodel van emfyseem”). Het protocol leverde echter zeer reproduceerbare gegevens op waardoor een groot deel van de vorige verstrooiing in de gemeten T1-tijden werd geëlimineerd omdat het hele inhalatieproces werd bewaakt en een goed referentiepunt voor het einde van de inhalatieperiode kon worden bepaald aan de hand van de intensiteitscurve. Gegevens gebruikt in de T1 fittingen uitgebreid voor 2,6 s zonder rekening spectra verzameld na deze tijd als gevolg van waargenomen afwijking van mono-exponentieel relaxatie gedrag dat waarschijnlijk werd veroorzaakt door aanzienlijke verschillen in relaxatie gedrag tussen de respiratoire zones en de grotere luchtwegen.
de resultaten van de ontspanningsmetingen van de HP 83Kr-vervalcurven zijn samengevat in Fig. 19.4 wanneer op de gegevenspunten de 83Kr T1-waarden in ratlongen worden weergegeven als functie van het inhalatievolume, variërend van Vi=3 tot Vi=20 mL. De gevulde cirkels zijn experimenten waarbij een volume Vi van HP gasmengsel het enige geïnhaleerde gas was (d.w.z. inhalatieschema 1). Elk gegevenspunt is het gemiddelde van de relaxatiemetingen van uitgesneden longen van vijf individuele ratten (3 maanden oud; 350-425 g) en van ten minste twee T1-hulpstukken per inhalatievolume en monster. De relaxatiegegevens tonen een relatief kleine afwijking tussen individuele ratten (weergegeven als foutbalken die de standaardafwijking weergeven), wat de hoge reproduceerbaarheid van de experimenten onderstreept.
figuur 19.4. (A) schets van de verschillende inhalatieschema ‘ s die ofwel de HP 83Kr meer naar de luchtwegen leiden (schema 2) of naar de hoge S/V-ademhalingszone (schema 3) in vergelijking met de “gewone” HP 83Kr-inhalatie (schema 1). In Schema 2 inhaleren de longen eerst het volume Vidark van “donker gas” (d.w.z., gas dat niet MRI—detecteerbaar is, meestal lucht of N2-aangegeven in rode kleur) gevolgd door HP 83Kr (weergegeven in blauwe kleur) resulterend in het totale inhalatievolume Vi. schema 3 is een “stikstof-chaser” type experiment waarbij de inhalatie van HP 83Kr wordt gevolgd door een volume N2, opnieuw resulterend in het totale inhalatievolume Vi. (B) gemeten 83Kr T1 relaxatietijd als functie van inhalatievolume Vi met behulp van ex vivo longen en het ventilatiesysteem geschetst in Fig. 19.3. Let op de onafhankelijkheid van het inhalatievolume van de 83kr-ontspanning boven Vi = 10 mL met Schema 1 en 3.
Adapted with permission from Stupic KF, Elkins ND, Pavlovskaya GE, Repine je, Meersmann T. Effects of pulmonary inhalation on hyperpolarized krypton-83 magnetic resonance T-1 relaxation. Phys Med Biol 2011; 56 (13):3731-48. doi:10.1088/0031-9155/56/13/001. PubMed PMID: isi: 000291866800003.
Op basis van de resultaten met modeloppervlakken zou men naïef voorspellen dat met een toenemend inhalatievolume, Vi, men zou vinden dat de T1 keer ook zal toenemen omdat het uitbreiden van alveoli vermoedelijk zal leiden tot een afname van de S/V. De waargenomen T1-tijden werden echter korter of bleven constant met een toenemend inhalatievolume. De aanvankelijke daling van de ontspanningstijden kan worden verklaard door de veranderende bijdrage van luchtwegen (lage S/V) en van zones met hoge S/V zoals het ademhalingsgebied (d.w.z. de alveolaire kanalen en de alveolaire zakken), waaronder misschien de meer distale luchtwegen zoals bronchiolen en kleinere bronchiën. Bij een laag inhalatievolume dragen de luchtwegen bij tot een hogere fractie van het gedetecteerde signaal in vergelijking met grote inhalatievolumes waar het signaal overwegend uit de alveolaire zone ontstaat. De gemeten relaxatietijd kan een “waar” gemiddelde zijn van de relaxatie in de verschillende zones als gevolg van gasdiffusie die een snelle uitwisseling tussen deze regio ‘ s veroorzaakt. Als alternatief kunnen de ontspanningstijden in de verschillende zones gewoon voldoende vergelijkbaar zijn om de indruk te wekken van een mono-exponentieel signaalverval. In ieder geval lijkt een enkele tijdsconstante een goede beschrijving te geven van de 83Kr longitudinale ontspanning. Met een toenemend inhalatievolume, en dus een toenemende bijdrage van de alveolaire zone, neemt de S/V toe en nemen de T1-tijdconstanten af.
deze interpretatie wordt verder ondersteund door de waarnemingen met alternatieve inhalatieschema ‘ s waarbij ofwel niet-HP (“donker”) gas eerst wordt ingeademd dat niet kan worden waargenomen met MRI gevolgd door HP gas (inhalatieschema 2) of, vice versa, waarbij HP gas wordt gevolgd door donker, niet-detecteerbaar gas (d.w.z., een stikstof-chaser experiment-of inhalatieschema 3). Inhalatieschema 2 zal naar verwachting de hoeveelheid HP 83Kr in de alveolaire regio verminderen, maar niet in de luchtwegen. Als gevolg hiervan zou men verwachten dat men bij inhalatieschema 2 langere T1-tijden zou waarnemen dan bij Schema 1. Dit wordt inderdaad waargenomen zoals blijkt uit de datapunten (driehoeken) in Fig. 19.4. De vermindering van de ontspanningstijd is meer uitgesproken voor Vidark = 12 mL dan voor Vidark = 6 mL. Bovendien worden de T1-tijden van Schema 2 vergelijkbaar met die van inhalatieschema 1 bij de hoogste inhalatievolumes. Inhalatieschema 3, uitgevoerd met totale inhalatievolumes Vi variërend van 9 tot 20 mL, was ontworpen om de HP 83Kr-signalen van de grotere luchtwegen te onderdrukken en de bijdrage van HP-gas uit het alveolaire gebied te verhogen. Net als bij Schema 1 neemt de T1-maal aanvankelijk af en stabiliseert deze zich uiteindelijk bij een totaal inhalatievolume Vi van ongeveer 12 mL. Dit schema leidt echter tot snellere ontspanningstijden (open cirkels) met T1≈1,0 s voor Vi≥12 mL in vergelijking met de overeenkomstige waarde van T1≈1,3 s verkregen met Schema 1 voor hetzelfde inhalatievolume. Merk op dat latere beeldvormingsexperimenten een bimodale verdeling van de ontspanningstijden vonden met een langzame, snelle ontspannende bijdrage van ongeveer 1 s en een langzamere relaxatieverdeling van ongeveer 1,3 s (zie rubriek “HP 83Kr vierkant T1 Contrast van een diermodel van emfyseem”).
hoewel de aanvankelijke daling van de ontspanningstijden bij toenemend inhalatievolume kan worden verklaard door een verschuiving in de relatieve bijdrage tussen luchtwegen en ademhalingszone, is de volledige afwezigheid van een toename in 83Kr T1-tijden bij toenemende longinademing Opmerkelijk. De S / V in de Long zal naar verwachting afnemen met een toenemend inhalatievolume. Echter, het inhalatievolume onafhankelijk 83Kr T1 keer bij hoge inhalatievolumes volgens schema 1 en 3 geeft constante S/V aan in het distale deel van de luchtwegen en de ademhalingszones. Opmerkelijk, na eerdere waarnemingen in hondenlongen, is een enigszins vergelijkbare bevinding gemeld door Woods, Conradi, Yablonski, en collega ‘ s in het onderzoek met behulp van schijnbare diffusiecoëfficiënt (ADC) werk in menselijke longen . De onderzoekers concludeerden dat de alveolaire kanaalradii slechts licht toenemen bij inademing en dat de toename van het longvolume grotendeels wordt veroorzaakt door alveolaire rekrutering. Merk echter op dat de ADC wordt bepaald op tijdschalen van meestal 1-3 ms die veel korter zijn dan de relaxatiemetingen over een periode van 2,6 s duur hier gerapporteerd en ADC metingen sonde daarom een veel kleiner gebied . Bij 293K varieert de diffusieconstante van D = 0, 63cm2/s (krypton in helium) tot D=0.15cm2 / s (krypton in stikstof) en, bijgevolg, het vrij verspreiden van krypton gasmengsels zou centimeters gemiddelde verplaatsingen vertonen gedurende een periode van 2-3 s. De indicatie dat alveolaire dimensies grotendeels onafhankelijk zijn van het inflatievolume, geleverd door twee verschillende methoden die enorm verschillende lengteschalen onderzoeken, is opmerkelijk en kan leiden tot inzichten in het mechanisme van alveolaire rekrutering. In combinatie met ADC metingen en andere technieken, zoals HP 129Xe opgeloste fase experimenten, HP 83Kr vierkante MRI contrast kan verdere aanwijzingen in de toekomst. Voor nu, de belangrijke uitkomst van Fig. 19.4 is dat HP 83Kr vierkant contrast, onderzocht in de volgende paragraaf, is zeer reproduceerbaar met weinig zorgen voor kleine schommelingen in het inhalatievolume, ten minste binnen gezonde (uitgesneden) knaagdier longen en zolang het inhalatievolume voldoende groot is. Stikstof-chaser-experiment (inhalatieschema 3) kan mogelijk het vierkante contrast verbeteren omdat de HP 83Kr meer naar de ademhalingszones zal worden gericht.