Xenon gas MRI
हाइपरपोलराइज्ड 129एक्सई गैस मैग्नेटिक रेज़ोनेन्स इमेजिंग (एमआरआई) एक मेडिकल इमेजिंग तकनीक है जिसका उपयोग शरीर के उन क्षेत्रों की शरीर रचना और शरीर विज्ञान की कल्पना करने के लिए किया जाता है जिन्हें मानक प्रोटॉन एमआरआई के साथ छवि बनाना मुश्किल होता है। विशेष रूप से, फेफड़े, जिसमें प्रोटॉन का पर्याप्त घनत्व नहीं होता है, विशेष रूप से 129Xe गैस एमआरआई के साथ कल्पना करने के लिए उपयोगी है। यह तकनीक पुरानी फेफड़ों की बीमारियों और विघटित गैसों पर निर्भर प्रक्रियाओं और संरचनाओं के लिए इमेजिंग तकनीक के लिए एक प्रारंभिक-पहचान तकनीक के रूप में काम करती है। 129Xe एक स्थिर, प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला ज़ेनॉन का समस्थानिक है जिसमें 26.44% समस्थानिक प्रचुरता है। यह 131Xe के साथ दो Xe समस्थानिकों में से एक है, जिसमें गैर-शून्य स्पिन है, जो चुंबकीय अनुनाद की अनुमति देता है। 129Xe का उपयोग एम. आर. आई. के लिए किया जाता है क्योंकि इसका बड़ा इलेक्ट्रॉन बादल अतिध्रुवीकरण और रासायनिक परिवर्तनों की एक विस्तृत श्रृंखला की अनुमति देता है। अतिध्रुवीकरण एक बड़ी संकेत तीव्रता पैदा करता है, और रासायनिक परिवर्तनों की विस्तृत श्रृंखला यह पहचानने की अनुमति देती है कि 129Xe हिमोग्लोबिन जैसे अणुओं के साथ कब जुड़ता है। एम. आर. आई. के लिए 131Xe की तुलना में 129Xe को प्राथमिकता दी जाती है क्योंकि 129Xe में स्पिन 1/2 (131Xe के लिए 3/2 की तुलना में), एक लंबा T1 और 3.4 गुना बड़ा जाइरोमैग्नेटिक अनुपात (11.78 MHz/T) होता है। उपयोग चिकित्सा ज़ेनॉन ज़े 129 हाइपरपोलराइज्ड का उपयोग करता है, जो ज़ेनोव्यू ब्रांड नाम के तहत बेचा जाता है, एक हाइपरपोलराइज्ड कंट्रास्ट एजेंट है जो फेफड़ों के वेंटिलेशन के मूल्यांकन के लिए चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) के साथ उपयोग के लिए संकेतित है, और 12 वर्ष और उससे अधिक आयु के लोगों के लिए अनुमोदित है। इसे 23 दिसंबर, 2022 को मंजूरी दी गई थी। यू. एस. फूड एंड ड्रग एडमिनिस्ट्रेशन (एफ. डी. ए.) इसे प्रथम श्रेणी की दवा मानता है। इतिहास हाइपरपोलराइज्ड 129Xe को स्पिन-एक्सचेंज ऑप्टिकल पंपिंग के माध्यम से प्राप्त किया जाता है, जो ग्रोवर एट अल द्वारा विकसित एक तकनीक है। 1978 में और हैपर एट अल द्वारा सुधार किया गया। 1984 में। 129Xe ध्रुवीकरण की मात्रा का वर्णन पहली बार 1982 में भास्कर और अन्य लोगों द्वारा किया गया था। एम. आर. आई. एक्स-विवो में अतिध्रुवीय 129Xe गैस के उपयोग का वर्णन सबसे पहले अल्बर्ट एट अल ने किया था। 1994 में एक्साइज्ड चूहे के फेफड़ों का उपयोग किया गया। 129Xe एम. आर. आई. के साथ पहला इन-विवो मानव अध्ययन मुगलर एट अल द्वारा प्रकाशित किया गया था। 1997 में। 129एक्सई एमआरआई ने काफी हद तक 3एचई गैस एमआरआई को बदलना शुरू कर दिया है, एक बहुत ही समान तकनीक जो 129एक्सई के बजाय हाइपरपोलराइज्ड 3एचई अणुओं का उपयोग करती है। ग्रॉसमैन एट अल। 1996 में 3एचई एमआरआई के लिए मानव नैदानिक परीक्षण शुरू किए गए। 3 उसे मूल रूप से अतिध्रुवीय गैस एम. आर. आई. के लिए बेहतर गैस के रूप में जाना जाता था क्योंकि यह अधिक ध्रुवीकरण योग्य है और शरीर पर इसका कोई प्रभाव नहीं पड़ता है। हालाँकि, 3H ज्यादातर ट्रिटियम (3H) के बीटा क्षय द्वारा उत्पादित होता है, जो परमाणु वारहेड उत्पादन का एक उत्पाद है। इसके अतिरिक्त, 3He का व्यापक रूप से अमेरिकी सेना द्वारा तस्करी किए गए प्लूटोनियम का पता लगाने के लिए उपयोग किया जाता है। बढ़ती कमी और बढ़ती मांग के इन संयोजन ने मिलकर 3एचई को अत्यधिक महंगा बना दिया है, जो प्रति लीटर 1000 डॉलर से अधिक है। सेफ्टी 129Xe एक निष्क्रिय, गैर-रेडियोधर्मी, गैर-विषाक्त और गैर-टेराटोजेनिक अणु है जिसने एम. आर. इमेजिंग के लिए साँस लेने पर कोई महत्वपूर्ण प्रतिकूल स्वास्थ्य प्रभाव नहीं दिखाया है। चिंता का एक संभावित क्षेत्र 129Xe के संवेदनाहारी गुण हैं जब एक बड़ी मात्रा में साँस ली जाती है। ज़ेनॉन रक्त और ऊतक की घुलनशीलता दिखाता है जो इसे फेफड़ों की झिल्ली के माध्यम से फैलाने और तंत्रिका तंत्र को प्रभावित करने की अनुमति देता है। मोटर प्रतिक्रिया के 50 प्रतिशत के लिए न्यूनतम वायुकोशीय सांद्रता 0.71 है, जो इमेजिंग के दौरान नहीं पहुंचती है। आगे के अध्ययनों से पता चला है कि यह रक्त में घुलने पर अच्छी परिसंचरण स्थिरता प्रदान करता है और शरीर के तापमान को प्रभावित नहीं करता है। हाइपरपोलराइजेशन गैस पर बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को लागू करते समय, गैस परमाणुओं के परमाणु स्पिन का आधा हिस्सा चुंबकीय क्षेत्र की दिशा की ओर इंगित करता है जबकि दूसरा आधा विपरीत दिशा में इंगित करता है। यह चुंबकीय क्षेत्र के साथ संरेखित होने के लिए थोड़ा अधिक ऊर्जावान रूप से अनुकूल है, जिसका अर्थ है कि एक स्पिन अवस्था दूसरे से थोड़ी अधिक है। इस अधिकता का मतलब है कि दोनों स्पिन-स्टेट एक-दूसरे को पूरी तरह से रद्द नहीं करते हैं, जिससे एक चुंबकीय संकेत बनता है जिसे एम. आर. आई. के साथ देखा जा सकता है। हालांकि, पारंपरिक 1एच एमआरआई के लिए, केवल 4 पीपीएम स्पिन अवस्थाएं रद्द नहीं होती हैं, इसलिए संकेत विशेष रूप से मजबूत नहीं होता है। इसका मतलब है कि केवल प्रोटॉन के उच्च घनत्व वाले क्षेत्रों जैसे मांसपेशियों के ऊतकों को देखा जा सकता है। हाइपरपोलराइजेशन एक ही स्पिन अवस्था के लिए अधिक परमाणुओं को फ़्लिप करने का एक साधन है ताकि कम स्पिन अवस्थाएँ एक दूसरे को रद्द कर दें। 129Xe के मामले में, यह संकेत शक्ति में 104-105 सुधार की ओर ले जाता है। 129Xe का अतिध्रुवीकरण आमतौर पर परमाणुओं की कोणीय गति जोड़ने के लिए गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश का उपयोग करके स्पिन-एक्सचेंज ऑप्टिकल पंपिंग (एस. ई. ओ. पी.) का उपयोग करके किया जाता है। हालांकि, ध्रुवीकृत प्रकाश सीधे गैस नाभिक में कोणीय संवेग को स्थानांतरित नहीं कर सकता है, इस प्रकार, एक क्षार धातु परमाणु का उपयोग मध्यस्थ के रूप में किया जाता है। रूबिडियम का उपयोग अक्सर इसे पूरा करने के लिए किया जाता है, जहां ध्रुवीकृत प्रकाश को रूबिडियम के संयोजकता इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करने के लिए बिल्कुल आवश्यक ऊर्जा प्रदान करने के लिए ट्यून किया जाता है। इस प्रक्रिया को ऑप्टिकल पंपिंग कहा जाता है। अगले चरण में, स्पिन एक्सचेंज, गैस नाभिक को प्रणाली में पेश किया जाता है और रूबिडियम से टकरा जाता है। वे रूबिडियम संयोजकता इलेक्ट्रॉनों के साथ टकराव में कोणीय संवेग प्राप्त करते हैं, जो कोणीय संवेग के संरक्षण से रूबिडियम के समान दिशा में होता है। इसलिए, 129Xe अतिध्रुवीकृत हो जाता है क्योंकि दूसरी की तुलना में एक स्पिन अवस्था की बड़ी अधिकता होती है। इसके बाद, 129Xe निकाला जाता है, रूबिडियम फिर से ध्रुवीकृत हो जाता है, और चक्र जारी रहता है। 129Xe का पता लगाने के लिए पारंपरिक एम. आर. आई. पारंपरिक एम. आर. स्कैनरों में आवश्यक संशोधनों को संशोधित करने की आवश्यकता है, क्योंकि 129Xe में प्रोटॉन, 42.5 मेगाहर्ट्ज/टी की तुलना में 11.77 मेगाहर्ट्ज/टी का जाइरोमैग्नेटिक अनुपात कम है। इस प्रकार, 129Xe की लार्मर आवृत्ति बहुत कम है, जिसे प्रोटॉन की लार्मर आवृत्ति पर सेट किए गए पारंपरिक नैरो-बैंड आर. एफ. एम्पलीफायरों से पता लगाना मुश्किल है। इसलिए, उत्तेजना और प्राप्त करने दोनों के लिए एक ब्रॉड-बैंड आर. एफ. एम्पलीफायर की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, नाड़ी अनुक्रम को ऊष्मीय-ध्रुवीकृत प्रोटॉन और ध्रुवीकृत 129Xe में अंतर को भी समायोजित करना चाहिए। प्रोटॉन एम. आर. आई. में, एक विशिष्ट नाड़ी अनुक्रम में एक 90° पल्प और फिर बाद में बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के लिए एक अनुदैर्ध्य टी1 विश्राम शामिल होगा। अतिध्रुवीय गैस में टी1 विश्राम में चुंबकत्व का क्षय शामिल होता है न कि बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में वापसी, जैसा कि ऊष्मीय-ध्रुवीकृत प्रोटॉन में होता है। इसलिए, 90° फ़्लिप के बाद, एक अतिध्रुवीय गैस नाभिक का अनुदैर्ध्य विश्राम नगण्य होता है, जिससे फ़्लिप के बाद अनुदैर्ध्य चुंबकत्व शून्य रहता है। नतीजतन, पारंपरिक 90° और 180° आर. एफ. दालें वांछनीय नहीं हैं। इसलिए एक निम्न-कोण आर. एफ. पल्स का उपयोग हाइपरपोलराइज्ड 129Xe गैस के कुल उपलब्ध चुंबकत्व के केवल एक हिस्से को हटाने के लिए किया जाता है। यह प्रोटॉन और 129Xe गैस के बीच तुलनीय अनुदैर्ध्य चुंबकत्व उत्पन्न करता है। इसके अलावा, जैसा कि एक छवि को सांस-पकड़ के भीतर प्राप्त करने की आवश्यकता होती है, के-स्पेस का पर्याप्त रूप से नमूना लेने के लिए एक तेज पल्स-अनुक्रम, या तेज-ग्रेडिएंट इकोस का उपयोग किया जाता है। विशेष रूप से, जब फेफड़े फैलते हैं और सिकुड़ते हैं तो बड़ी मात्रा में गति होती है। यह गति उच्च गुणवत्ता वाली छवि प्राप्त करने से रोकती है। इस समस्या को कम करने के लिए, पूर्ण स्कैन को 10-15 सेकंड ब्रीद होल्ड के भीतर पूरा किया जाना चाहिए, इसलिए 129Xe गैस एमआरआई स्कैन कभी-कभी नैदानिक मानक की तुलना में कम रिज़ॉल्यूशन के होते हैं। इसके अतिरिक्त, एक अन्य बाधा यह है कि बी1 प्रवणता के साथ प्रोटॉनों को फ़्लिप करना प्रोटॉन एमआरआई की गति के लगभग एक चौथाई पर होता है। यह लार्मर आवृत्तियों के बीच अंतर के कारण होता है। अंततः, इन छवियों के समय की बाधाओं के लिए अलग और नए एमआरआई अनुक्रम डिजाइन की आवश्यकता होती है। अनुप्रयोग वेंटिलेशन एम. आर. आई. एक रोगी द्वारा अतिध्रुवीय गैस को साँस लेने के बाद, गैस फेफड़ों के भीतर वायुमार्ग से गुजरती है। एक स्वस्थ फेफड़े में, गैस पूरे फेफड़ों में यात्रा करने में सक्षम होती है। हालांकि, एक ऐसी बीमारी में जो वायुमार्ग को बाधित करती है, जैसे कि क्रोनिक ऑब्सट्रक्टिव पल्मोनरी डिजीज (सीओपीडी), अस्थमा और सिस्टिक फाइब्रोसिस, हाइपरपोलराइज्ड गैस फेफड़ों के भीतर कुछ क्षेत्रों तक पहुंचने में असमर्थ है। इस प्रकार, एक स्पिन-घनत्व भारित छवि सामान्य क्षेत्रों से उच्च संकेत और रोगग्रस्त क्षेत्रों से कम संकेत उत्पन्न करेगी। 3He का उपयोग मूल रूप से इस प्रकार की छवि के लिए किया गया था, लेकिन हाल ही में इसकी उपलब्धता और सस्ती कीमत के कारण 129Xe की ओर रुख किया गया है। हाइपरपोलराइज्ड 3एचई ने ऐतिहासिक रूप से बेहतर छवियों का उत्पादन किया है क्योंकि हाइपरपोलराइज करना आसान है, लेकिन वर्तमान तकनीक ने 129एक्सई के गैस ध्रुवीकरण में उस बिंदु तक सुधार किया है जहां छवि की गुणवत्ता समान है। इसके अलावा, 129Xe बाधाओं के प्रति अधिक संवेदनशील है क्योंकि यह 3He की तुलना में एक बड़ा परमाणु है। इसके अलावा, 129Xe की बढ़ी हुई साँस की मात्रा के परिणामस्वरूप 3He की तुलना में 1 बनाम 0.1-0.3 लीटर तक तुलनीय SNR होता है। प्रसार एम. आर. आई. प्रसार एम. आर. आई. में अतिध्रुवीय गैस के स्पष्ट प्रसार गुणांक (ए. डी. सी.) की गणना शामिल है। ए. डी. सी. की गणना करने के लिए प्रसार आधारित क्षीणन को प्रेरित करने के लिए प्रसार-संवेदी प्रवणताएं लागू की जाती हैं। इन प्रवणताओं का एक संबद्ध बी-मान होता है, जो प्रवणताओं की ताकत और अवधि का प्रतिनिधित्व करता है। ए. डी. सी. की गणना करने के लिए कम से कम 2 अलग-अलग बी-मान प्रवणताओं का उपयोग किया जाता है। ए. डी. सी. इस बारे में जानकारी प्रदान करता है कि फेफड़ों की संरचना हाइपरपोलराइज्ड गैस प्रसार को कैसे प्रतिबंधित करती है। ए. डी. सी. का मूल्य बढ़े हुए स्थान वाले क्षेत्रों में बढ़ता है। उदाहरण के लिए, स्वस्थ फेफड़ों में, 129Xe का उपयोग करने वाला ADC लगभग 0.14 cm2/s हो सकता है जबकि एक खुली जगह में 129Xe के लिए ADC लगभग 0.14 cm2/s हो सकता है। वातस्फीति में, जहाँ वायुकोशीय संरचनाएँ बढ़ती हैं, गैस अधिक स्वतंत्र रूप से फैलने में सक्षम होती है, जिसके परिणामस्वरूप रोग क्षेत्रों की जानकारी प्रदान करने वाले सामान्य क्षेत्रों की तुलना में उच्च एडीसी होता है। अंततः, यह 129Xe एम. आर. आई. द्वारा सक्षम एक नया इमेजिंग तरीका है, और इसके उपयोग की जांच क्रोनिक ऑब्सट्रक्टिव पल्मोनरी डिजीज, अस्थमा, सिस्टिक फाइब्रोसिस, लॉन्ग-कोविड-19 और अन्य बीमारियों के लिए की जा रही है। ऑक्सीजन का आंशिक दबाव अतिध्रुवीय गैस का अनुदैर्ध्य विश्राम (टी1) फेफड़ों में ऑक्सीजन की सांद्रता के व्युत्क्रमानुपाती होता है। पैरामैग्नेटिक ऑक्सीजन के बीच बातचीत विश्राम के समय को काफी कम कर देती है, जो फेफड़ों के क्षेत्रों के भीतर ऑक्सीजन (पी. ओ. 2) के आंशिक दबाव में अंतर्दृष्टि प्रदान करती है। इसके अतिरिक्त, वेंटिलेशन और परफ्यूजन अनुपात की गणना इन छवियों से की जा सकती है। अधिकांश शोध ने 3He को नियोजित किया है, लेकिन 129Xe का उपयोग करते समय बेहतर तकनीक ने तुलनीय परिणामों की अनुमति दी है। हालाँकि, 129Xe के ग्रहण के कारण, इसका विश्राम 3He की तुलना में बहुत तेज़ है जिसके परिणामस्वरूप अधिक स्पष्ट पी. ओ. 2 होता है यदि इसे बिना हिसाब के छोड़ दिया जाता है। अनुसंधान 129Xe गैस एम. आर. आई. पर सी. ओ. पी. डी., अस्थमा और वातस्फीति जैसे श्वसन रोगों के नैदानिक परीक्षण के रूप में शोध किया जा रहा है। वर्तमान में, फेफड़ों के कार्य की स्थिति निर्धारित करने के लिए स्पाइरोमेट्री फुफ्फुसीय कार्य परीक्षणों का उपयोग किया जाता है। हालाँकि, यह फेफड़ों के कार्य का एक काफी बुनियादी, वैश्विक मूल्यांकन है जो फेफड़ों की संरचना और शरीर विज्ञान के बारे में विशिष्ट जानकारी प्रदान नहीं करता है। संरचनात्मक जानकारी के लिए, एक्स-रे सीटी का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है, लेकिन यह रोगी को आयनीकरण विकिरण की उच्च खुराक के लिए उजागर करता है और यह कोई कार्यात्मक जानकारी प्रदान नहीं करता है पारंपरिक 1एच एमआरआई न्यूनतम प्रोटॉन घनत्व के कारण फेफड़ों के हवाई क्षेत्र में प्रभावी नहीं है। 129एक्सई गैस एमआरआई फेफड़ों की संरचना और कार्य के बारे में विस्तृत, विशिष्ट जानकारी प्रदान करता है जो मौजूदा प्रौद्योगिकियों द्वारा सुरक्षित या कुशलता से प्राप्त नहीं की जा सकती है। एफडीए अनुमोदन 129एक्सई गैस एमआरआई ने पोलेरियन, इंक के नेतृत्व में चरण I, II और III नैदानिक परीक्षणों को पूरा कर लिया है। ज़ेनॉन में उच्च खुराक में वितरित होने पर संवेदनाहारी गुण होते हैं; इसलिए, इसकी जांच एक उपकरण के रूप में नहीं, बल्कि एक दवा के रूप में की जा रही है। इस अंतर ने क्लिनिक में 129Xe गैस एम. आर. आई. को अपनाने को बहुत धीमा कर दिया है, लेकिन सुरक्षा की गारंटी के लिए महत्वपूर्ण है। अक्टूबर 2020 में, पोलेरियन ने अनुमोदन के लिए प्रस्तुत किया, लेकिन एफडीए ने उनके एनडीए को अस्वीकार कर दिया। पोलेरियन ने तब से अपना आवेदन फिर से जमा कर दिया है, 2021 की शुरुआत में प्रतिक्रिया का अगला दौर निर्धारित किया गया है। अंततः, 129Xe गैस एम. आर. आई. की भविष्य की अधिकांश उपयोगिता इसके एफ. डी. ए. अनुमोदन प्राप्त करने पर निर्भर करेगी। गैर-फेफड़े के ऊतकों की कल्पना करना 129Xe गैस का उपयोग आमतौर पर फेफड़े की कल्पना करने के लिए किया जाता है क्योंकि यह एक गैस है। हालांकि, ज़ेनॉन गैस के छोटे बुलबुले एल्वियोली में रक्तप्रवाह में घुलने में सक्षम होते हैं। जैसे-जैसे ये बुलबुले शरीर के चारों ओर घूमते हैं, उनका उपयोग शरीर के अन्य क्षेत्रों में अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है। 129Xe गैस रक्त मस्तिष्क बाधा को पार करने में सक्षम है, जिससे मस्तिष्क perfusion.r हाइपरपोलराइजेशन की मात्रा में सुधार के नए अध्ययन की अनुमति मिलती है। फेफड़ों की छवि बनाने के लिए हाइपरपोलराइज्ड गैस का उपयोग करना विशेष रूप से नया नहीं है, क्योंकि 3He का उपयोग 2000 के दशक की शुरुआत में स्थापित किया गया था। 3 उसे मूल रूप से चुना गया था क्योंकि यह आसानी से बहुत बड़ी मात्रा में अतिध्रुवीकृत था, और इसलिए एक बहुत मजबूत संकेत उत्पन्न किया। हाल ही में, हाइपरपोलराइजेशन तकनीकों में सुधार अधिक हाइपरपोलराइज्ड 129Xe उत्पन्न करने में सक्षम हुए हैं, जिससे यह 3He के साथ तुलनीय छवियां उत्पन्न करने में सक्षम हो गया है। संदर्भ चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग एम. आर. आई. कंट्रास्ट एजेंट