A thermally polarized 129Xe phantom for MR imaging and elastography in 9.4T MRI system

Respiratory diseases account for three of the top ten causes of death worldwide, causing more than 8 million deaths per year. One of the ways to tackle the problem is the improvement of early-diagnostic techniques: it can be accomplished first by meeting the demand for high-quality images of the lungs' airways to identify airspace obstructions and secondly, by addressing the need for quantifying mechanical properties of the lung parenchyma, whose changes are often associated with disabling lung diseases. Magnetic resonance imaging with hyperpolarized 129Xe gas is a promising non-invasive imaging technique for high-resolution airspace imaging, and 129Xe magnetic resonance elastography (MRE) could be an interesting technique for estimating lung parenchyma mechanical properties. The presented study aimed to develop a 129Xe phantom for quality assessment in a pre-clinical MRI at 9.4 Tesla. With the developed phantom the goal is to assess the feasibility of 129Xe MR Elastography, for the first time. Given the transiency of gas polarization, in order to have a long-lasting phantom, 129Xe is highly pressurized instead of hyperpolarized: the SNR is improved just by increasing 129Xe density inside the phantom. We provide a method to create a 129Xe phantom with easily accessible materials both MRI-compatible and able to withstand high pressures. The phantom is filled with a customizable Xenon-Oxygen mixture to replicate different T1 relaxation times. Two versions of the phantom were tested out for the MRE experiments: a spiral-holed Ecoflex phantom, and an open cell polyurethane phantom. These materials were chosen to transmit the external vibrations to the gas. The experiments have shown that enough phase coherence is maintained during vibrations in the foam phantom, providing a promising starting point for the study of 129Xe MRE.

Le malattie respiratorie rappresentano tre delle dieci principali cause di morte nel mondo, con più di 8 milioni di decessi all'anno. Tra le possibili soluzioni per ridurre l'impatto delle malattie dei polmoni, c'è il miglioramento delle tecniche diagnostiche: in primo luogo, c'è il bisogno di migliorare tecniche di imaging non invasive che permettano di avere immagini ad alta risoluzione delle vie aeree, e, in secondo luogo, va affrontata la necessità di quantificare le proprietà meccaniche del parenchima polmonare, le cui modifiche sono spesso associate a malattie polmonari invalidanti. La risonanza magnetica (MRI) con 129Xe iperpolarizzato è una promettente tecnica di imaging non invasiva delle vie aeree. Inoltre, l'elastografia con 129Xe potrebbe essere una tecnica interessante per stimare le proprietà meccaniche del parenchima polmonare. Questo studio ha lo scopo di sviluppare un fantoccio contenente Xenon per studiare la fattibilità dell'MRE con Xenon in un sistema di MRI pre-clinico di 9.4 T. Dato il carattere transitorio della polarizzazione del gas, per avere un fantoccio a lunga durata, lo Xenon è altamente pressurizzato nel fantoccio, invece di essere iperpolarizzato: l'SNR viene migliorato aumentando la densità dello Xenon all'interno del fantoccio. Abbiamo proposto un semplice metodo per creare un fantoccio di Xenon con materiali facilmente accessibili, compatibili con la risonanza magnetica e in grado di resistere ad alte pressioni. Il fantoccio è riempito con una miscela personalizzabile di Xenon e ossigeno per replicare diverse T1. Sono state testate due diverse versioni del fantoccio per l'MRE: il primo contiene un gel di silicone chiamato Ecoflex con una cavità a spirale, e il secondo contiene una spugna a celle aperte in poliuretano. Questi materiali sono stati scelti per permettere la trasmissione della vibrazione esterna al gas. Gli esperimenti hanno dimostrato che abbastanza coerenza nella fase del segnale dell'MRI viene mantenuta durante la vibrazione, fornendo un punto di partenza promettente per lo studio della elastografia a risonanza magnetica con lo Xenon.