Dépannage et assurance qualité dans l’imagerie par résonance magnétique au xénon hyperpolarisé : outils pour l’acquisition d’images de haute qualité

Summary

Nous présentons ici un protocole permettant d’obtenir des images de résonance magnétique au xénon-129 hyperpolarisé de haute qualité, couvrant le matériel, les logiciels, l’acquisition de données, la sélection de séquences, la gestion des données, l’utilisation de l’espace k et l’analyse du bruit.

Abstract

L’imagerie par résonance magnétique au xénon hyperpolarisé (HP) (IRM ¹²⁹Xe) est une modalité d’imagerie récemment approuvée par la Federal Drug Administration (FDA) qui produit des images haute résolution d’une respiration inhalée de gaz xénon pour l’étude de la fonction pulmonaire. Cependant, la mise en œuvre de l’IRM ¹²⁹Xe est particulièrement difficile car elle nécessite du matériel et de l’équipement spécialisés pour l’hyperpolarisation, l’acquisition de bobines d’imagerie au xénon et de logiciels de bobines, le développement et la compilation de séquences d’imagerie IRM multinucléaires, ainsi que la reconstruction et l’analyse des données acquises. Sans une expertise appropriée, ces tâches peuvent être intimidantes, et l’échec de l’acquisition d’images de haute qualité peut être frustrant et coûteux. Nous présentons ici des protocoles de contrôle de la qualité (CQ), des pratiques de dépannage et des outils utiles pour¹²⁹sites d’IRM Xe, qui peuvent aider à l’acquisition de données optimisées et de haute qualité et de résultats précis. La discussion commencera par un aperçu du processus de mise en œuvre de l’IRM HP ¹²⁹Xe, y compris les exigences d’un laboratoire d’hyperpolariseurs, la combinaison du matériel et du logiciel de la bobine d’IRM ¹²⁹Xe, les considérations relatives à l’acquisition et à la séquence des données, les structures de données, les propriétés de l’espace k et de l’image, ainsi que les caractéristiques mesurées du signal et du bruit. Dans chacune de ces étapes nécessaires se trouvent des possibilités d’erreurs, de défis et d’événements défavorables conduisant à une mauvaise qualité d’image ou à une imagerie défaillante, et cette présentation vise à aborder certains des problèmes les plus couramment rencontrés. En particulier, l’identification et la caractérisation des modèles de bruit anormaux dans les données acquises sont nécessaires pour éviter les artefacts d’image et les images de mauvaise qualité ; Des exemples seront donnés et des stratégies d’atténuation seront discutées. Notre objectif est de faciliter le processus de mise en œuvre de l’IRM ¹²⁹Xe pour les nouveaux sites, tout en fournissant des directives et des stratégies pour le dépannage en temps réel.

Introduction

Depuis plus d’un siècle, l’évaluation de la fonction pulmonaire repose principalement sur des mesures globales de spirométrie et de pléthysmographie corporelle. Cependant, ces tests traditionnels de la fonction pulmonaire (PFT) sont limités dans leur capacité à saisir les nuances régionales de la maladie à un stade précoce et les changements subtils dans le tissu pulmonaire¹. La médecine nucléaire avec des radiotraceurs inhalés a été largement utilisée pour l’évaluation des incompatibilités ventilation/perfusion couramment associées aux emboles pulmonaires, mais cela implique des rayonnements ionisants et donne une résolution plus faible. En revanche, la tomodensitométrie (TDM) s’est imposée comme l’étalon-or de l’imagerie pulmonaire, offrant une clarté spatiale et temporelle exceptionnelle par rapport à l’imagerie nucléaire². Bien que les tomodensitogrammes à faible dose puissent atténuer l’exposition aux rayonnements, les risques potentiels liés aux rayonnements doivent tout de même être pris en compte ^3,4. L’IRM à protons du poumon est rare en raison de la faible densité tissulaire du poumon et de la décroissance rapide du signal du tissu pulmonaire, bien que les progrès récents offrent des informations fonctionnelles malgré un signal potentiellement faible. D’autre part, l’imagerie par résonance magnétique au xénon hyperpolarisée (IRM HP ¹²⁹Xe) est une modalité non invasive qui permet d’obtenir une imagerie de la fonction pulmonaire avec une spécificité régionale^{de 5,6}. Il produit une aimantation nucléaire élevée hors équilibre du gaz en quantités de litres. Le gaz inerte est ensuite inhalé par un sujet à l’intérieur du scanner IRM pour une seule respiration et est directement imagé par le scanner. Ainsi, le gaz inhalé est directement imagé, par opposition au tissu lui-même. Cette technique a été utilisée pour évaluer la ventilation pulmonaire dans de nombreuses maladies, notamment l’asthme, la bronchopneumopathie chronique obstructive (MPOC), la fibrose kystique, la fibrose pulmonaire idiopathique, la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19) et bien d’autres³. En décembre 2022, l’IRM HP ¹²⁹Xe a été approuvée par la FDA des États-Unis en tant qu’agent de contraste de ventilation IRM à utiliser aux États-Unis d’Amérique (USA) chez les adultes et les patients pédiatriques âgés de 12 ans et plus⁷. Les médecins peuvent désormais utiliser l’IRM ¹²⁹Xe pour mieux soigner les patients grâce à des plans de traitement améliorés/personnalisés.

Historiquement, l’IRM clinique se concentre exclusivement sur l’imagerie des noyaux d’hydrogène (protons) qui sont abondants dans presque tous les viscères humains. Les scanners IRM, les séquences et le contrôle de la qualité sont généralement gérés par le fabricant du scanner dans le cadre de la licence et de la garantie du site. Cependant, ¹²⁹Xe nécessite un scanner IRM multinucléaire et a nécessité une équipe de recherche dédiée pour opérationnaliser l’hyperpolariseur, des bobines de radiofréquence (RF) sur mesure, des séquences d’impulsions dédiées et un logiciel de reconstruction/analyse hors ligne. Chacun de ces composants peut être fourni par des fournisseurs tiers ou développé en interne. Ainsi, la charge du contrôle de la qualité incombe généralement à l’équipe de recherche ^{de 129}Xe plutôt qu’au fabricant du scanner ou à un tiers individuel. L’acquisition cohérente de données ¹²⁹Xe de haute qualité est donc particulièrement difficile, car chaque composant du processus d’IRM ¹²⁹Xe introduit un potentiel d’erreur, qui doit être surveillé de près par l’équipe ¹²⁹Xe. Non seulement ces situations peuvent être extrêmement frustrantes, car les chercheurs doivent dépanner et rechercher les causes possibles de tout problème qui aurait pu survenir, mais elles peuvent être très coûteuses car cela ralentit l’imagerie des patients et le recrutement des sujets. Certains coûts associés au dépannage impliquent les coûts de temps d’IRM, l’hyperpolarisation du ¹²⁹Xe, qui implique la consommation de différents gaz, et l’utilisation de matériaux. De plus, avec l’approbation récente de la FDA et la croissance de l’imagerie ¹²⁹Xe, il est nécessaire de fournir un protocole standardisé pour le contrôle de la qualité afin d’éviter les problèmes et les contretemps courants dans l’opération ¹²⁹Xe ^8,9.

Ici, nous présentons certains des problèmes les plus fréquemment rencontrés dans l’IRM ¹²⁹Xe, y compris les défaillances de la bobine RF, l’émergence de divers profils de bruit qui conduisent à un faible rapport signal/bruit (SNR) et des images de mauvaise qualité¹⁰. Notre objectif est de fournir des directives et des protocoles concis de contrôle de la qualité (CQ) pour assurer l’acquisition de données d’image de haute qualité et résoudre certains des problèmes les plus courants qui peuvent survenir dans l’IRM ¹²⁹Xe. Les informations fournies ici sont également pertinentes pour le dépannage de l’hélium-3 hyperpolarisé.

Protocol

Le protocole décrit ci-dessous respecte les lignes directrices et les normes établies par le Comité d’éthique de la recherche humaine de l’Université du Missouri, garantissant la conduite éthique de l’étude et la protection des droits, de la sécurité et du bien-être des participants.

REMARQUE : Pour garantir la fiabilité et la précision des études d’IRM au xénon hyperpolarisé, il est essentiel d’effectuer une caractérisation rigoureuse des images acquises, de suivre un protocole complet et d’utiliser des stratégies de dépannage efficaces. La séance d’imagerie comprend plusieurs étapes : l’hyperpolarisation gazeuse, la communication bobine/scanner ¹²⁹Xe, la spectroscopie ¹²⁹Xe, l’acquisition de données, la reconstruction des données et l’analyse d’images. Le protocole commence par discuter en détail de ces étapes et met en évidence les précautions nécessaires et les stratégies de dépannage pour optimiser le processus d’imagerie. En suivant ces procédures et en intégrant des stratégies de dépannage expertes, les chercheurs peuvent optimiser le processus d’imagerie et surmonter les défis qui peuvent survenir lors d’études d’IRM au xénon hyperpolarisé. Ensuite, nous aborderons les pratiques de dépannage courantes qui peuvent survenir dans plusieurs cas de données sous-optimales.

1. Étapes clés d’une étude IRM HPG complète

Nous avons présenté ici un bref aperçu des processus impliqués dans une séance typique d’imagerie hyperpolarisée ¹²⁹Xe. Les recommandations détaillées du protocole du ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium sont données dans Niedbalski et ^al.11.

1. ¹²⁹Hyperpolarisation Xe
   1. Assurez-vous que l’hyperpolariseur ¹²⁹Xe est configuré et opérationnel conformément aux directives du fabricant ou aux protocoles spécifiques au laboratoire pour les polariseurs sur mesure.
   2. Effectuer des mesures de relaxation T1 à l’aide de la technique de résonance magnétique nucléaire (RMN) sur un échantillon représentatif du gaz HP ¹²⁹Xe à la station de mesure HP. Dans un champ stable de 30 mT, le xénon dans un sac de dose de gaz de 1 L devrait avoir une T1 de > 45 min.
      REMARQUE : Après avoir terminé la mesure de polarisation, le sac de dose HP ¹²⁹Xe doit être maintenu dans le champ magnétique de la station de mesure HP pour maintenir sa polarisation jusqu’à ce qu’il soit prêt à être transporté vers le scanner IRM. La polarisation diminuera selon¹²,
      (1.1)
      où P(t) est la polarisation à l’instant t, P₀ est la polarisation initiale et T₁ est le taux de décroissance de l’aimantation (sans tenir compte des pertes de polarisation dues à l’excitation).
2. Mesure de la perte de polarisation due au transport de gaz
   1. Assurez un itinéraire direct et efficace entre le point de collecte du xénon et la salle des aimants où l’imagerie aura lieu.
   2. Minimisez les retards pendant le transport du xénon HP pour maintenir la polarisation, car la polarisation diminuera rapidement une fois que la dose sera en dehors du champ magnétique préservant T1. Si la polarisation diminue de 20 % ou plus pendant le transport, utilisez une valise à blindage magnétique.
   3. Évitez les signaux RF parasites le long de l’itinéraire de transport (par exemple, lecteur de carte, laser, carte en acier inoxydable, etc.), car ils peuvent contribuer à la perte de polarisation.
   4. Mesurer l’équivalent de dose initial (DE) du gaz HP ¹²⁹Xe avant le transport. DE est donné par ¹¹,
      (1.2)
      où f₁₂₉ est la fraction isotrope de ¹²⁹Xe, P₁₂₉ est la polarisation de spin nucléaire ¹²⁹Xe et V_Xe est le volume total du gaz xénon.
   5. Transportez le gaz de la station de mesure dans l’alésage de l’aimant, puis revenez par le même itinéraire jusqu’à la station de polarimétrie. Mesurez à nouveau le DE après l’aller-retour pour quantifier la perte de signal anticipée pendant le transport du gaz. Si aucun signal RF supplémentaire n’interfère le long de la voie de transport, la polarisation estimée suivra de près la courbe de décroissance T1 décrite dans l’équation 1.1.
3. Bobine multinucléaire (¹²⁹Xe IRM)
   1. Placez correctement la bobine ¹²⁹Xe dans l’aimant pour assurer une orientation correcte. Si une bobine en quadrature est utilisée, évitez l’excitation anti-quadrature, car elle peut provoquer une perte de signal importante au centre du volume d’imagerie.
      REMARQUE : La bobine de xénon doit s’adapter à une large gamme de tailles de poitrine pour s’adapter aux variations de réglage / charge de la bobine entre les sujets et pendant les différentes phases de respiration, ce qui conduit à des angles de retournement variables d’un balayage à l’autre.
   2. Établissez une connexion physique sécurisée entre la fiche de la bobine et le système MR via la prise désignée et configurez le logiciel de la bobine pour spécifier les noyaux autorisés (¹²⁹Xe dans notre cas).
   3. Divisez la fréquence de résonance protonique bien caractérisée sur le scanner IRM par 3,61529 pour obtenir la fréquence xénon¹¹.
   4. Caractériser les paramètres de la bobine (amplitude maximale d’émission, amplitude de référence de l’émetteur, débit d’absorption spécifique - DAS).
4. Spectroscopie de mesure ¹²⁹Xe
   1. Créez un fantôme de xénon 129 à polarisation thermique.
      1. Connectez un récipient sous pression en verre à un sac rempli de gaz xénon, en veillant à ce que la taille du sac et le volume de xénon soient appropriés pour s’aligner sur la capacité du récipient.
      2. Immergez le récipient sous pression dans une petite quantité d’azote liquide (LN₂) pour permettre la diffusion et la congélation du xénon (voir Figure 1).
      3. Scellez le récipient après que le xénon a formé de la neige gelée à l’intérieur, puis laissez-le dégeler, pressurisant le navire. Calculer la pression dans le récipient : P = (_récipient en V +_sac en V)/_récipient en V où le_récipient en V est le volume du récipient et le_sac en V est le volume du xénon dans le sac.
         REMARQUE : Contrairement aux sacs de gaz hyperpolarisés (HPG), le récipient ¹²⁹Xe polarisé thermiquement n’a pas besoin d’être purgé de l’oxygène ou évacué sous vide car l’oxygène supplémentaire réduira le xénon T₁ - un effet favorable dans le fantôme polarisé thermiquement. De plus, il est important de s’assurer que la pression du gaz dans le récipient ne dépassera pas la limite de pression indiquée par le fabricant. Avec un fantôme de ^{gaz 129}Xe, la fréquence du xénon peut être mesurée sur la console d’IRM. Des fantômes au xénon commerciaux pour l’assurance qualité sont également disponibles¹³.
   2. Détectez la fréquence de crête à l’aide d’un fantôme au xénon polarisé thermiquement.
      1. Placez le fantôme de xénon à l’intérieur de la bobine ¹²⁹Xe et placez-le de la même manière que celui d’un patient chargé, car les différences de géométrie de la bobine peuvent modifier considérablement le B1 délivré au fantôme (Figure 2).
         REMARQUE : Il est recommandé de charger également un fantôme d’eau approprié pour charger correctement le serpentin.
      2. Effectuez un balayage avec la fréquence des protons, car certains scanners peuvent interdire les balayages multinucléaires sans un localisateur de fréquence des protons initial.
      3. Utilisez une expérience d’impulsion de transmission à large bande (si disponible), à large bande passante et à haute résolution pour détecter avec précision le pic de fréquence au xénon. Une impulsion à large bande excitera une gamme élevée de fréquences, garantissant que la RMN au xénon peut être détectée.
      4. Une fois qu’un pic bien défini est détecté, enregistrez la fréquence avec une précision maximale et répétez l’expérience à la nouvelle fréquence avec une faible bande passante (~1000 Hz) pour maximiser le rapport signal/bruit (SNR) et la précision de la fréquence de crête (Figure 3).
      5. Une fois qu’un pic satisfaisant à signal élevé est détecté, enregistrez le protocole pour les futurs tests de contrôle qualité.
         REMARQUE : Le placement géométrique précis de la bobine dans le scanner fournit un balayage spectroscopique de base, qui peut être reproduit à l’avenir pour identifier les problèmes émergents si le SNR s’aggrave. Le fantôme lui-même peut être directement imagé, bien qu’il puisse nécessiter plusieurs acquisitions pour construire suffisamment de signal pour la reconstruction de l’image et peut ne pas fournir une estimation juste du rapport signal/bruit réalisable car des angles de retournement plus élevés sont généralement nécessaires. Un sac préparé de xénon hyperpolarisé est la meilleure option pour tester le protocole d’imagerie souhaité avec des paramètres d’imagerie in vivo .
5. Imagerie HP ¹²⁹Xe avec sac de test
   1. Utilisez une petite quantité de HP ¹²⁹Xe (>300 ml) pour l’imagerie, qui est bien concentrée et exempte d’oxygène.
   2. Mesurez le ¹²⁹Xe DE avec précision immédiatement avant l’imagerie.
   3. Réglez le protocole d’imagerie de test pour refléter le plus fidèlement possible les paramètres in vivo souhaités¹¹.
   4. Acquérez et enregistrez l’image du sac de xénon en tant que mesure de référence des performances du scanner.
   5. Mesurez et enregistrez le rapport signal/bruit des images acquises ainsi que tous les paramètres de numérisation et le DE au xénon. Le rapport signal/bruit acceptable pour un scan GRE 2D peut varier d’un site à l’autre, mais il doit généralement être d’environ 30 ou plus, avec un seuil minimum de 15 pour l’analyse d’image ultérieure¹¹.
   6. Pour mesurer l’angle de retournement (FA), α, effectuez un balayage d’écho de gradient gâté sur tout le volume dans lequel le champ de vision est imagé deux fois de suite (avec FA ≈ 8-10°), en utilisant des paramètres de séquence identiques et sans intervalle entre la fin de la première image et le début de la seconde. Mesurez le rapport signal/bruit au décalage CC des deux images, S0 et S1, comptez le nombre de pas d’encodage de phase, n, et calculez la carte d’angle de retournement comme suit ¹⁴ :
      (1.3)
      NOTES : Les paramètres communs pour l’IRM in vivo HP ¹²⁹Xe, ainsi qu’une méthode d’étalonnage à angle inversé plus compliquée mais très précise (expérience d’impulsion/acquisition multi-coups), sont donnés dans Niedbalski et al.11.
6. In vivo Imagerie HP ¹²⁹Xe
   1. Fournir un encadrement approprié au sujet concernant les techniques d’apnée et permettre au sujet de pratiquer la procédure d’inhalation à l’aide d’une poche d’air avant d’introduire la poche HP ¹²⁹Xe.
   2. Demandez au sujet d’inspirer et d’expirer avec de l’air ambiant, suivies d’une profonde inhalation du gaz HP ¹²⁹Xe, d’une apnée et d’une initiation du balayage (une méthode couramment utilisée). Surveillez de près les mouvements thoraciques du sujet pour vous assurer que la respiration reste synchronisée avec les instructions fournies.
      REMARQUE : Diverses méthodes d’accompagnement sont actuellement employées pour les procédures d’apnée, et un futur document du consortium établira probablement une déclaration consensuelle à ce sujet.
   3. Utilisez des pince-nez pour empêcher l’inhalation nasale du gaz pendant l’apnée.
   4. Après l’imagerie de l’apnée, entraînez les sujets à prendre de grandes respirations pour éliminer le xénon des poumons et résoudre les effets secondaires temporaires¹¹.
   5. Pour ceux qui poursuivent l’imagerie au xénon en phase dissoute, sachez que le volume d’inhalation du sujet a probablement un impact substantiel sur les données acquises sur la phase dissoute¹⁵.
7. Reconstruction et analyse des données
   1. Exportez les données « brutes » du scanner, généralement sous la forme d’une liste de données complexes dans l’ordre d’acquisition de la lecture.
   2. Pour les trajectoires d’espace k acquises de manière rectiligne, chaque point de données complexe correspond à une fréquence entière dans un espace k bidimensionnel (2D) ou tridimensionnel (3D). Reconstruisez l’image à l’aide d’une transformée de Fourier simple et rapide (FFT) pour les trajectoires rectilignes.
   3. Pour les trajectoires non rectilignes (par exemple, les données radiales ou en spirale), effectuez un « quadrillage » des données pour interpoler ou convoluer des données complexes dans des groupes entiers avant la FFT suivante. Examinez les données avant d’effectuer le quadrillage, si nécessaire, pour vous assurer de l’exactitude et éviter les artefacts potentiels.
      REMARQUE : La FFT des données brutes de l’espace k peut produire des images similaires, mais non identiques, aux images DICOM reconstruites par scanner, car le scanner corrige davantage les images reconstruites en fonction des non-linéarités connues dans le comportement du gradient. Ces effets sont généralement faibles, mais ils peuvent être plus prononcés sur les bords du volume d’imagerie du scanner, en particulier lorsque de grands organes comme les poumons sont imagés. Il est recommandé d’utiliser l’image reconstruite par scanner (si disponible) pour le post-traitement.

2. Étapes de dépannage

REMARQUE : Bien que le protocole décrive certaines procédures de contrôle de la qualité (CQ) dans l’IRM ¹²⁹Xe hyperpolarisée, un dépannage peut être nécessaire en raison de problèmes, d’anomalies et de défis émergents. Toute erreur ou faux pas dans le processus peut avoir un effet d’entraînement, avoir un impact sur les étapes suivantes et entraîner des problèmes tels que des images manquantes ou de mauvaise qualité avec une faible intensité de signal, des niveaux de bruit élevés ou une perte complète du signal. Pour relever ces défis, des approches stratégiques devraient être employées afin d’identifier et d’étudier les problèmes en détail.

1. Préparation du sac de dosage HP ¹²⁹Xe pour le contrôle qualité
   1. Préparez soigneusement une quantité précise de gaz xénon pour le sac de xénon de contrôle, en prenant note de tout azote mélangé avec celui-ci.
   2. Imagez le sac de xénon dans le scanner IRM et effectuez des mesures de polarisation précises avant et après la séance d’imagerie pour des comparaisons fiables.
   3. Utilisez la même séquence d’imagerie pour tous les scans de contrôle qualité afin de faciliter des comparaisons fiables.
   4. Notez les valeurs de xénon DE avant et après avoir effectué tous les balayages de contrôle qualité pour permettre des comparaisons futures.
2. Caractérisation du bruit systémique
   1. Créez un profil de bruit de contrôle à des fins de contrôle qualité. Utilisez une séquence GRE 2D personnalisée spécifique qui comprend un champ de vision élevé (FOV ; 400-500 mm) pour capturer le signal maximal de la zone, une bande passante élevée par pixel (le maximum disponible ou au moins >50 kHz) pour identifier les résonances de bruit à proximité, et le temps de répétition (TR) et le temps d’écho (^{TE) (}TE) les plus bas possibles ^{Débloquer le niveau 13}. Acquérez le QC pour le profil de bruit à l’aide d’un gilet au xénon ou d’une bobine de boucle.
   2. Obtenir une image sans échantillon (HP ¹²⁹Xe) dans la bobine. Cette image caractérisera le profil de bruit.
   3. Examinez les données de bruit acquises, en particulier l’espace k, à la recherche d’éléments non gaussiens tels que des pics, des motifs ou des valeurs discrétisées/regroupées.
   4. Créez un diagramme QQ en traçant les données réelles/imaginaires acquises par rapport à un jeu de données gaussienne synthétisé (avec la fonction de génération de nombres aléatoires appropriée) avec une moyenne, un écart-type et une longueur vectorielle identiques, tous deux classés du plus petit au plus grand. Les écarts par rapport à la droite y = x dans le diagramme QQ indiquent la présence de composantes non gaussiennes dans les données acquises, ce qui nécessite une enquête plus approfondie. (Graphique 4).
      REMARQUE : Un tracé quantile-quantile (tracé QQ) peut fournir des informations permettant de déterminer si deux jeux de données présentent des distributions similaires. La comparaison des données avec un jeu de données normalement distribué permet d’évaluer si la distribution est gaussienne ou non. Le protocole suppose que la partie réelle et imaginaire de l’espace k se rapproche d’une distribution gaussienne en l’absence d’échantillon.
   5. Identifiez le modèle de distribution du bruit et les valeurs aberrantes potentielles à l’aide d’un tracé approprié (utilisez le critère de Chauvenet si nécessaire¹⁶).
   6. Classez le bruit en types réguliers et irréguliers en fonction de ses caractéristiques (voir les étapes 2.3 et 2.4).
      REMARQUE : Le bruit régulier implique l’apparition régulière de motifs dans les données de lecture ou d’espace k. Le bruit irrégulier semble relativement aléatoire et a souvent une intensité élevée sans motif de synchronisation discernable, mais ne démontre pas un profil gaussien comme le bruit thermique inévitable.
3. Détection régulière du bruit
   1. Pour exclure le scanner en tant que source de bruit, acquérez des images à l’aide du protocole de site standard avec divers paramètres de séquence d’impulsions désactivés et les composants électroniques éteints. Par exemple, si une bobine de gradient particulière émet du bruit, les gradients doivent être mis hors tension avant d’exécuter l’analyse pour vérifier si le bruit se résout.
      REMARQUE : La mise sous tension de la pente nécessite généralement un accès élevé à la console du scanner et peut nécessiter la présence d’un technicien de maintenance. En fin de compte, une séquence dans laquelle le spectromètre multinucléaire est actif, mais où aucun gradient n’est alimenté et où aucune RF n’est délivrée devrait suffire à déterminer si un problème de bruit provient de ces composants.
   2. Éliminez les sources de bruit de la pièce et identifiez ensuite les origines potentielles des bruits réguliers.
      REMARQUE : Les sources de bruit peuvent inclure des composants électroniques tels que des injecteurs de contraste, des boutons de code, des capteurs, des moniteurs de signes vitaux, des composants de scanner (par exemple, un laser de positionnement, une mécanoélectronique de lit, des ventilateurs, des lumières) ou des guides d’ondes entre les parois de la console ou de l’aimant.
   3. Utilisez une simple bobine de boucle de surface réglée sur la fréquence ¹²⁹Xe pour « renifler » les sources de bruit dans la salle de l’aimant. Placez physiquement l’élément de bobine de xénon à proximité d’appareils potentiellement problématiques et exécutez une séquence de test (voir l’étape 2.2.1) pour détecter le bruit amplifié.
   4. Examinez les données de l’espace k et de l’image pour identifier la source exacte du bruit de cohérence.
   5. Si une source spécifique est identifiée, essayez de la désactiver ou de la recouvrir d’une feuille d’aluminium/d’un solin ou d’un treillis de cuivre pour réduire le bruit.
   6. Relancez l’analyse après avoir désactivé ou couvert les sources de bruit pour voir si le bruit se résout. Continuez ce processus jusqu’à ce que toutes les sources de bruit soient éliminées, ne laissant que le bruit gaussien quadratique moyen (RMS) faible.
4. Détection de bruit irrégulier
   1. Identifiez le bruit irrégulier comme des « pics » de signal élevés dans les pixels individuels de l’espace k avec des signaux anormalement élevés ou faibles dans les canaux réels ou imaginaires.
      REMARQUE : Les pics de l’espace K donnent souvent lieu à des images avec des motifs de rayures ou de « velours côtelé » (Figure 5). La présence de valeurs élevées ou de pics dans les données de l’espace k peut souvent conduire à l’apparition d’un motif rayé dans l’espace image. Ce phénomène est souvent associé à des problèmes liés au gradient.
   2. Éliminez les problèmes potentiels liés aux dégradés X, Y ou Z en identifiant la direction responsable du motif rayé (Figure 5). Effectuez des images dans différentes orientations d’encodage de phase, y compris antérieure à postérieure, de la tête aux pieds et de gauche à droite.
   3. Examinez systématiquement les images résultantes dans chaque orientation pour identifier la direction spécifique du dégradé qui contribue au motif rayé. Si nécessaire, contactez l’ingénieur clinicien du site pour activer et désactiver sélectivement les gradients individuels, ce qui permet d’identifier la source des pics de bruit.
5. Pas de signal
   REMARQUE : Lorsque vous rencontrez une situation où aucun signal n’est observé après l’acquisition dans les études d’IRM HPG, une approche de dépannage systématique peut être entreprise. Voici quelques recommandations pour résoudre ce problème,
   1. Vérifiez la bobine au xénon et la connexion.
      1. Assurez-vous que la bobine de xénon est sélectionnée dans le scanner IRM et correctement connectée.
      2. Le mouvement du patient pendant l’examen peut provoquer la déconnexion de la bobine, alors inspectez soigneusement la connexion de la bobine.
      3. Vérifiez si la porte du scanner IRM est bien fermée, car une porte ouverte peut permettre à l’extérieur des RF d’entrer dans la salle des aimants.
      4. Effectuer la spectroscopie sur le fantôme de xénon (voir section 1.4.2) et vérifier la hauteur de crête du xénon et le bruit de fond à partir de la spectroscopie. Utilisez un angle de retournement de 90° pour assurer la présence d’un pic au xénon. Calculez le signal maximal associé à une excitation à 90° et comparez la tension/puissance avec les résultats de l’analyse QC.
   2. Évaluez la bobine de xénon.
      1. Préparez un petit sachet de xénon et mesurez la polarisation à la station de mesure.
      2. Imaginez le sac avec un simple scan GRE 2D sur un sac HP ¹²⁹Xe avec les paramètres suivants : angle de retournement plus élevé de 90° (ajustez la durée de l’impulsion si nécessaire car la durée de l’impulsion dicte la bande passante d’émission [BW]), utilisez une tension de référence basée sur le contrôle qualité précédent d’un fantôme, un champ de vision élevé et un BW faible, tout en maintenant la résolution de base basse.
      3. Mesurez à nouveau la polarisation à la station de mesure. Si la polarisation ne diminue pas de manière significative, cela suggère un problème potentiel avec l’émetteur ou l’amplificateur à bobine de xénon.
         REMARQUE : Le niveau de polarisation subit une baisse progressive en raison de la désintégration de T1 tout au long de ce processus, quel que soit le succès des impulsions d’excitation de la bobine de gilet au xénon. Par conséquent, une FA élevée de 90° est suggérée pour observer une décroissance de polarisation suffisante causée par l’impulsion d’excitation pour exclure un problème de fonctionnalité de l’émetteur à bobine de xénon. Si la polarisation diminue de manière significative, mais qu’aucun signal n’est détecté dans l’image, un problème de récepteur à bobine de xénon est indiqué.
   3. Analyse complète
      1. Analysez à la fois les données de l’espace k et de l’espace image pour examiner toute anomalie ou incohérence.
      2. Comparez les données acquises avec les analyses précédentes ou les données de référence pour identifier les différences ou les écarts potentiels.
6. Discrétisation des données
   1. Vérifiez la discrétisation des données (Figure 6).
      REMARQUE : Lorsque les tensions de bobine sont enregistrées par le spectromètre à scanner, elles sont amplifiées à des niveaux appropriés pour garantir que toute la plage dynamique du spectromètre est utilisée et que la plus haute fidélité est atteinte. Le signal est discrétisé temporellement en fonction de la bande passante de lecture, qui est inversement proportionnelle au temps de séjour du point de données, et les valeurs de tension analogiques enregistrées sont numérisées en « bins » de signaux discrets déterminés par la profondeur de bits du spectromètre. Une amplification correcte du signal entrant pour couvrir toute la profondeur de bits nécessite que l’utilisateur ait fourni des valeurs correctes de tension/amplification/mise à l’échelle de la bobine. Sur certains scanners, un balayage d’imagerie sera interdit jusqu’à ce que les impulsions de préparation soient effectuées à la fréquence cible - un processus qui doit être évité pour les études hyperpolarisées car la rf supplémentaire réduira la polarisation et augmentera le temps d’apnée. Si le spectromètre n’est pas correctement calibré ou ne parvient pas à amplifier correctement le signal, les données enregistrées peuvent être grossièrement discrétisées - seul un faible pourcentage des groupes d’amplitude est rempli de points de données numérisés. La discrétisation des données peut également affecter le contenu de l’information en introduisant des erreurs de quantification et une perte de détails fins. La discrétisation des données peut également introduire des artefacts, compromettre le rapport signal/bruit et limiter la capacité d’analyser avec précision les changements physiologiques. Il est important de noter que la discrétisation grossière des données de l’espace k peut ne pas empêcher la production d’une image apparemment satisfaisante (Figure 6).
   2. Optimisez les paramètres d’acquisition et utilisez des algorithmes de reconstruction appropriés pour réduire la discrétisation des données.
   3. Améliorez le matériel et utilisez des techniques telles que des taux d’échantillonnage plus élevés, des méthodes d’interpolation avancées et des stratégies de réduction du bruit pour atténuer les effets négatifs de la discrétisation des données.

Representative Results

La figure 4 illustre les résultats de l’analyse de caractérisation du bruit effectuée sur le balayage du bruit. Le graphique montre l’impact du bruit régulier et irrégulier sur l’espace k, où l’écart par rapport à la droite de référence idéale y=x est observé. Le bruit régulier conduit à un motif continu dans l’espace k, tandis que le bruit irrégulier entraîne des valeurs aberrantes de grande valeur dans le diagramme QQ.

Passons à la figure 5, une série d’images pulmonaires acquises à l’aide de l’IRM HPG est présentée. La rangée du haut présente des exemples dans l’espace image, y compris un balayage de référence, une image pulmonaire affectée par un bruit régulier et/ou irrégulier et une image sans signal. La ligne du bas affiche les représentations correspondantes du module de l’espace k.

Sur la figure 5A, un point lumineux distinct est centré dans l’espace k, indiquant un signal pulmonaire clair avec un faible bruit. À l’inverse, la figure 5B montre la présence d’un bruit régulier (bruit gaussien) réparti sur l’ensemble des images. Dans la figure 5C, un bruit irrégulier est évident, provoquant des pics de grande valeur dans l’espace k et entraînant un motif de bande dans l’espace image. La figure 5D illustre un scénario où des bruits réguliers et irréguliers sont présents simultanément, affectant l’image pulmonaire. Enfin, la figure 5E représente un cas où aucun signal n’est détecté dans l’image pulmonaire acquise.

La figure 6 illustre un exemple de discrétisation grossière des données par rapport aux données de l’espace k correctement mises à l’échelle. Lors du calcul du rapport signal/bruit, il devient évident que les données discrétisées présentent un faible niveau de signal.

Figure 1 : Illustration de la création d’un fantôme au xénon. Le récipient sous pression est placé dans une petite quantité d’azote liquide pour faire geler le xénon à environ -203,15 °C (70 K). Un sac de ¹²⁹Xe est relié directement au navire. Lorsque le xénon se diffuse dans le récipient, il gèle au contact des parois froides, créant une structure gelée semblable à de la neige. Une fois complètement congelé, le récipient est scellé et le xénon est autorisé à dégeler, ce qui entraîne une augmentation de la pression à l’intérieur du récipient. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Disposition pour la spectroscopie. (A) Fantôme de 129-Xénon positionné entre deux fantômes de protons, le tout enfermé dans une bobine de gilet ¹²⁹Xe. (B) Fixez la bobine du gilet au xénon avec des sangles. (C) Insérez l’ensemble dans l’alésage de l’aimant pour la localisation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Réponse du signal en relation avec une excitation à largeur de bande variable à une fréquence de xénon constante (34 081 645 Hz). L’augmentation de la bande passante entraîne un bruit de fond plus élevé. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Trois types d’analyses de bruit : bruit acceptable, bruit régulier et bruit irrégulier. (A) Le panneau A affiche la représentation du module k-space de chaque motif de bruit, avec un bruit régulier présentant un motif de rayures et un bruit irrégulier montrant des pics (points lumineux). (B) Histogramme des parties réelles et imaginaires des données de l’espace k pour chaque balayage du bruit. (C) Le tracé QQ des composantes réelles/imaginaires des données de l’espace k, comparant l’ensemble de données acquis avec un ensemble de données normalement distribué de moyenne égale et d’écart-type dans l’ordre croissant. La ligne rouge représente la ligne de référence y = x. Les écarts par rapport à cette ligne indiquent la présence de composantes non gaussiennes dans les données acquises. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Illustration de différents modèles de bruit dans l’imagerie pulmonaire HPG ¹²⁹Xe. La ligne du haut affiche des exemples d’espace image, y compris un balayage de référence, une image pulmonaire avec un bruit régulier et/ou irrégulier et une image sans signal. La ligne du bas montre les représentations correspondantes du module de l’espace k. Dans l’image avec le signal, un point lumineux est centré dans l’espace k, représentant le signal pulmonaire. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Illustration de l’effet de la précision numérique haute/faible dans les données reconstruites du sac de test ¹²⁹Xe. Pour l’image numérique de haute précision (rangée du haut), l’image a un rapport signal/bruit élevé de 600, et le module de la 55e^rangée de l’espace K montre une courbe lisse montrant les détails fins des données. Cependant, dans l’image numérique à faible précision (rangée du bas), les points de données individuels sont « regroupés » à un nombre limité de niveaux numériques qui couvrent la plage du signal, ce qui entraîne une réduction du rapport signal/bruit (SNR = 98) dans l’image reconstruite. Ce problème ne peut être identifié que par un examen minutieux des données brutes du signal, car il n’empêche pas la production d’une image apparemment satisfaisante. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

La capacité à résoudre les problèmes d’IRM ¹²⁹Xe est une compétence nécessaire et peut aider à atténuer les problèmes en temps réel. Jusqu’à ce qu’une infrastructure de gaz hyperpolarisée puisse être achetée auprès d’une seule partie et obtenir le soutien des fabricants de scanners, ces tâches de contrôle de la qualité relèvent de la seule responsabilité des laboratoires individuels. L’objectif de ce manuscrit est de fournir au lecteur des pratiques et des suggestions utiles pour l’éventualité inévitable d’une mauvaise acquisition de données. Bien que nous tentions de résoudre autant de problèmes potentiels que possible, de nombreux autres défis liés à l’IRM ¹²⁹Xe sont spécifiques au fabricant du scanner et ne peuvent pas être discutés en détail en raison de restrictions de propriété intellectuelle. Cependant, le ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium, une communauté dont l’objectif explicite est de développer des essais multisites utilisant l’IRM ¹²⁹Xe, se compose de nombreux participants sur le site et d’experts chevronnés ayant de l’expérience dans l’opérationnalisation de l’IRM ¹²⁹Xe sur plusieurs plates-formes et logiciels¹⁷. Il est recommandé de contacter l’un des participants au site pour toute question relative à la mise en œuvre et/ou au dépannage qui n’est pas abordée ici.

Des contrôles réguliers des performances de la bobine doivent être effectués pour identifier les signes précoces d’une diminution du signal ou de problèmes de bruit émergents. Ces vérifications impliquent l’examen de l’interface de la bobine et des connexions internes, ainsi que l’évaluation de l’impact potentiel des chutes ou d’un poids excessif sur la bobine. En plus des inspections physiques, la comparaison fréquente des scans spectroscopiques peut aider à identifier les problèmes de performance de la bobine. Étant donné que la fonctionnalité multinucléaire du système d’IRM est un composant partagé avec l’installation de protons, tout dispositif ou équipement nouvellement introduit dans la salle magnétique doit être soumis à des tests pour éviter les interférences potentielles dans la fréquence du xénon. En plus des considérations techniques, il convient d’accorder une attention particulière aux détails dans les procédures expérimentales. Il s’agit notamment d’encadrer efficacement les sujets, d’assurer une communication claire avec les coordinateurs de l’étude et de positionner avec précision le sac de xénon lors des scans de contrôle qualité. Ces détails apparemment mineurs ne doivent pas être négligés, car ils peuvent améliorer considérablement la qualité de l’image et les résultats globaux de l’étude.

Le protocole présenté dans cet article offre aux chercheurs un cadre complet pour identifier et résoudre les problèmes potentiels au cours du processus d’imagerie. En suivant systématiquement les étapes de dépannage, les chercheurs peuvent optimiser la qualité de l’image, améliorer la précision des données et faire progresser le domaine de l’IRM au xénon hyperpolarisé. Le perfectionnement et l’adaptation continus de ces stratégies de dépannage, associés aux progrès de la technologie d’imagerie, contribueront à améliorer davantage la qualité et la fiabilité des études d’IRM au xénon hyperpolarisé.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polarization measurement station	Polerean	42881	https://polarean.com/
Pressure vessele with plunger valve	Ace glass	8648-85	https://www.aceglass.com/html/3dissues/Pressure_Vessels/offline/download.pdf
Tedlar bag	Jensen inert	GST381S-0707TJO	http://www.jenseninert.com/
Xenon Hyperpolarizer 9820	Polerean	49820	https://polarean.com/
Xenon loop coil	Clinical MR Solutions	Custom device	https://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc
Xenon vest coil	Clinical MR Solutions	Custom device	https://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc