Development of a portable animal ventilator for hyperpolarized 129Xe MRI and MRE at 9.4 Tesla

As a non-invasive and powerful method for assessing lung function, hyperpolarized (HP) 129Xe magnetic resonance (MR) imaging is increasingly being utilized in clinical settings to investigate various respiratory conditions. Concurrently, MR elastography (MRE) research holds promise in delivering crucial information regarding lung mechanical properties, particularly density and stiffness. Given the evolving nature of this field, numerous preclinical studies are still required. However, preclinical animal studies involving MRI and MRE encounter challenges such as the necessity for anesthesia, the need for precise delivery of very small tidal volumes (which affects gas administration accuracy), motion artifacts stemming from irregular breathing patterns during spontaneous respiration, and the demand for a high spatial resolution to detect regional changes. To surmount these limitations, this project proposes a portable HP gas ventilator that enables high-resolution 3D imaging of dissolved and gas-phase 129Xe in the lungs, compatible with a 9.4 Tesla MR system. The ventilator incorporates differential pressure transducers and a 3D-printed pneumotachometer, allowing for precise control of tidal volume, breathing cycles, and calibrated positive expiratory pressure in intubated animals. By leveraging low-cost microcontrollers, 3D-printed components, and open-source software, in addition to recapturing expelled HP gases, the overall cost per study is significantly reduced. The device is adaptable for use with various small animals, including rats, mice, guinea pigs, and rabbits, obviating the need for tracheotomy and substantially improving post-study survivability. Anesthesia is integrated into the oxygen supply, enabling prolonged testing durations while minimizing invasiveness. Future advancements will encompass the integration of the forced oscillation technique (FOT), thereby examining whether the combined utilization of MRI, MRE, and FOT can provide enhanced insights into complex lung function.

Come metodo non invasivo per valutare la funzione polmonare, l’imaging a risonanza magnetica (MR) con iperpolarizzazione del 129Xe è sempre più utilizzato in ambienti clinici per investigare diverse condizioni respiratorie. Allo stesso tempo, la ricerca sull’elastografia a risonanza magnetica (MRE) è in grado di fornire informazioni cruciali riguardo alle proprietà meccaniche dei polmoni, in particolare la densità e la rigidità. Dato il carattere in evoluzione di questo campo, sono ancora necessari numerosi studi preclinici. Tuttavia, gli studi preclinici sugli animali che coinvolgono la MRI e la MRE incontrano sfide come la necessità di anestesia, la precisa erogazione di volumi correnti molto piccoli (che influisce sull’accuratezza dell’administrazione di gas), artefatti dovuti a movimenti derivanti da pattern di respirazione irregolare durante la respirazione spontanea e l’esigenza di un’alta risoluzione spaziale per rilevare cambiamenti regionali. Per superare queste limitazioni, questo progetto propone un ventilatore portatile per gas iperpolarizzato che consente l’imaging 3D ad alta risoluzione del 129Xe disciolto e in fase gassosa nei polmoni, compatibile con un sistema MR da 9,4 Tesla. Il ventilatore incorpora trasduttori di pressione differenziale e un pneumotacometro stampato in 3D, consentendo un preciso controllo del volume corrente, dei cicli respiratori e della pressione espiratoria positiva calibrata negli animali intubati. Sfruttando microcontrollori a basso costo, componenti stampati in 3D e software open-source, oltre a catturare nuovamente i gas a iperpolarizzazione espulsi, il costo complessivo per studio viene significativamente ridotto. Il dispositivo è adattabile all’uso con vari piccoli animali, tra cui ratti, topi, porcellini d’India e conigli, evitando la necessità di tracheotomia e migliorando sostanzialmente la sopravvivenza post-studio. L’anestesia è integrata nell’apporto di ossigeno, consentendo durate di test prolungate riducendo al minimo l’invasività. Gli sviluppi futuri comprenderanno l’integrazione della tecnica di oscillazione forzata (FOT), esaminando quindi se l’utilizzo combinato di RM, MRE e FOT possa fornire approfondimenti migliorati sulla complessa funzione polmonare.