Fejlfinding og kvalitetssikring i hyperpolariseret xenon magnetisk resonansbilleddannelse: værktøjer til billedoptagelse i høj kvalitet

Summary

Her præsenterer vi en protokol til opnåelse af hyperpolariserede xenon-129 magnetiske resonansbilleder af høj kvalitet, der dækker hardware, software, dataindsamling, sekvensvalg, datastyring, k-space-udnyttelse og støjanalyse.

Abstract

Hyperpolariseret (HP) xenon magnetisk resonansbilleddannelse (¹²⁹Xe MRI) er en nyligt føderal lægemiddeladministration (FDA) -godkendt billeddannelsesmodalitet, der producerer billeder i høj opløsning af et inhaleret åndedræt af xenongas til undersøgelse af lungefunktionen. Imidlertid er implementering af ¹²⁹Xe MR unikt udfordrende, da det kræver specialiseret hardware og udstyr til hyperpolarisering, indkøb af xenonbilledspoler og spolesoftware, udvikling og kompilering af multinukleare MR-billeddannelsessekvenser og rekonstruktion / analyse af erhvervede data. Uden ordentlig ekspertise kan disse opgaver være skræmmende, og manglende erhvervelse af billeder i høj kvalitet kan være frustrerende og dyrt. Her præsenterer vi nogle kvalitetskontrolprotokoller (QC), fejlfindingspraksis og nyttige værktøjer til¹²⁹Xe MRI-steder, som kan hjælpe med at erhverve optimerede data af høj kvalitet og nøjagtige resultater. Diskussionen indledes med en oversigt over processen for implementering af HP ¹²⁹Xe MRI, herunder krav til et hyperpolarisatorlaboratorium, kombinationen af ¹²⁹Xe MRI-spolehardware/software, dataindsamling og sekvensovervejelser, datastrukturer, k-space- og billedegenskaber samt målte signal- og støjegenskaber. Inden for hvert af disse nødvendige trin ligger muligheder for fejl, udfordringer og ugunstige hændelser, der fører til dårlig billedkvalitet eller mislykket billeddannelse, og denne præsentation har til formål at løse nogle af de mere almindeligt forekommende problemer. Især er identifikation og karakterisering af uregelmæssige støjmønstre i erhvervede data nødvendige for at undgå billedartefakter og billeder af lav kvalitet; Der vil blive givet eksempler, og afbødningsstrategier vil blive diskuteret. Vi sigter mod at gøre ¹²⁹Xe MRI-implementeringsprocessen lettere for nye steder, samtidig med at vi giver nogle retningslinjer og strategier til fejlfinding i realtid.

Introduction

I over et århundrede har lungefunktionsvurdering primært været afhængig af globale målinger fra spirometri og kropsplethysmografi. Imidlertid er disse traditionelle lungefunktionstest (PFT'er) begrænsede i deres evne til at fange tidlige stadier af sygdommens regionale nuancer og subtile ændringer i lungevæv¹. Nuklearmedicin med inhalerede radiosporstoffer er blevet anvendt bredt til vurdering af ventilations-/perfusionsmisforhold, der almindeligvis er forbundet med lungeemboli, men dette indebærer ioniserende stråling og giver lavere opløsning. I modsætning hertil er computertomografi (CT) opstået som guldstandarden for lungebilleddannelse, hvilket giver enestående rumlig og tidsmæssig klarhed sammenlignet med nuklear billeddannelse². Mens lavdosis CT-scanninger kan afbøde strålingseksponering, bør potentiel strålingsrisiko stadig overvejes ^3,4. Proton MR i lungen er usædvanlig på grund af lav vævstæthed i lungen og hurtigt signalforfald fra lungevæv, selvom de seneste fremskridt tilbyder funktionel information på trods af potentielt lavt signal. På den anden side er hyperpolariseret xenon magnetisk resonansbilleddannelse (HP ¹²⁹Xe MRI) en ikke-invasiv modalitet, der muliggør billeddannelse af lungefunktion med regional specificitet ^5,6. Det producerer en høj uligevægt nuklear magnetisering af gassen i liter mængder. Den inaktive gas inhaleres derefter af et emne inde i MR-scanneren i et enkelt åndedrag og afbildes direkte af scanneren. Således er den inhalerede gas direkte afbildet i modsætning til selve vævet. Denne teknik er blevet brugt til at vurdere lungeventilation på tværs af mange sygdomme, herunder astma, kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL), cystisk fibrose, idiopatisk lungefibrose, coronavirussygdom 2019 (COVID-19) og mange andre³. I december 2022 blev HP ¹²⁹Xe MRI godkendt af USA's FDA som et MR-ventilationskontrastmiddel, der skal bruges i USA til voksne og pædiatriske patienter i alderen 12 år og ældre⁷. Læger kan nu bruge ¹²⁹Xe MR til bedre pleje af patienter med forbedrede / personlige behandlingsplaner.

Historisk set fokuserer klinisk MR udelukkende på billeddannelse af hydrogenkerner (protoner), som er rigelige i næsten alle menneskelige indvolde. MR-scannere, sekvenser og kvalitetskontrol vedligeholdes generelt af scannerproducenten som en del af webstedslicensen og garantien. Imidlertid kræver ¹²⁹Xe en multinuklear MR-scanner og har krævet et dedikeret forskerhold til at operationalisere hyperpolarisatoren, specialbyggede radiofrekvensspoler (RF), dedikerede pulssekvenser og offline rekonstruktion / analysesoftware. Hver af disse komponenter kan leveres af tredjepartsleverandører eller udvikles internt. Således hviler byrden ved kvalitetskontrol generelt på ¹²⁹Xe-forskerholdet i modsætning til scannerproducenten eller den enkelte tredjepart. Konsekvent erhvervelse af ¹²⁹Xe-data af høj kvalitet er derfor en unik udfordring, da hver komponent i ¹²⁹Xe MR-processen introducerer potentialet for fejl, som skal overvåges nøje af ¹²⁹Xe-teamet. Disse situationer kan ikke kun være ekstremt frustrerende, da forskere skal fejlfinde og undersøge mulige årsager til eventuelle udfordringer, der måtte være opstået, men de kan være meget dyre, da dette bremser patientbilleddannelse og rekruttering af emner. Nogle omkostninger forbundet med fejlfinding involverer MR-tidsomkostninger, hyperpolarisering af ¹²⁹Xe, hvilket indebærer forbrug af forskellige gasser og brug af materialer. Derudover er det med den nylige FDA-godkendelse og vækst i ¹²⁹Xe-billeddannelse nødvendigt at levere en standardiseret protokol til kvalitetskontrol for at undgå almindelige problemer og tilbageslag i ¹²⁹Xe-operation ^8,9.

Her præsenterer vi nogle af de mere almindeligt forekommende problemer i ¹²⁹Xe MR, herunder RF-spolefejl, fremkomsten af forskellige støjprofiler, der fører til lavt signal-støjforhold (SNR) og billeder af dårlig kvalitet¹⁰. Vi tilstræber at levere nogle præcise retningslinjer og protokoller for kvalitetskontrol (QC) for at sikre erhvervelse af billeddata af høj kvalitet og fejlfinding af nogle af de mere almindelige problemer, der kan opstå i ¹²⁹Xe MR. Den indsigt, der gives her, er også relevant for hyperpolariseret helium-3-fejlfinding.

Protocol

Protokollen skitseret nedenfor overholder de retningslinjer og standarder, der er fastlagt af University of Missouri Human Research Ethics Committee, hvilket sikrer undersøgelsens etiske adfærd og beskyttelsen af deltagernes rettigheder, sikkerhed og trivsel.

BEMÆRK: For at sikre pålideligheden og nøjagtigheden af hyperpolariserede xenon MR-undersøgelser er det afgørende at udføre streng karakterisering af erhvervede billeder, følge en omfattende protokol og anvende effektive fejlfindingsstrategier. Billedbehandlingssessionen involverer flere trin: gashyperpolarisering, ¹²⁹Xe spole / scannerkommunikation, ¹²⁹Xe spektroskopi, erhvervelse af data, datarekonstruktion og billedanalyse. Protokollen begynder med at diskutere disse trin i detaljer og fremhæver de nødvendige forholdsregler og fejlfindingsstrategier for at optimere billeddannelsesprocessen. Ved at følge disse procedurer og inkorporere ekspertfejlfindingsstrategier kan forskere optimere billeddannelsesprocessen og overvinde udfordringer, der kan opstå under hyperpolariserede xenon MR-undersøgelser. Derefter vil vi behandle almindelige fejlfindingspraksis, der kan opstå i flere tilfælde af suboptimale data.

1. Vigtige trin i en omfattende HPG MR-undersøgelse

Her præsenterede vi en kort oversigt over processer, der er involveret i en typisk hyperpolariseret ¹²⁹Xe-billeddannelsessession. Detaljerede protokolanbefalinger fra ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium findes i Niedbalski et ^al.11.

1. ¹²⁹Xe hyperpolarisering
   1. Sørg for, at ¹²⁹Xe hyperpolarisatoren er konfigureret og operationel i henhold til producentens retningslinjer eller laboratoriespecifikke protokoller for specialfremstillede polarisatorer.
   2. Udfør T1-afslapningsmålinger ved hjælp af NMR-teknikken (Nuclear Magnetic Resonance) på en repræsentativ prøve af HP ¹²⁹Xe-gassen på HP-målestationen. I et stabilt felt på 30 mT skal xenon i en 1 L gasdosispose have en T1 på > 45 min.
      BEMÆRK: Når polarisationsmålingen er afsluttet, skal HP ¹²⁹Xe-dosisposen opbevares inden for magnetfeltet på HP-målestationen for at opretholde polarisationen, indtil den er klar til transport til MR-scanneren. Polariseringen vil henfalde i henhold til¹²,
      (1.1)
      hvor P (t) er polarisering på tidspunktet t, P₀ er indledende polarisering, og T₁ er magnetiseringshenfaldshastigheden (ikke i betragtning af polarisationstab på grund af excitation).
2. Måling af polarisationstab på grund af gastransport
   1. Sørg for en direkte og effektiv rute fra xenonopsamlingsstedet til magnetrummet, hvor billeddannelsen finder sted.
   2. Minimer eventuelle forsinkelser under HP xenontransport for at opretholde polarisering, da polariseringen vil henfalde hurtigt, når dosis er uden for det T1-bevarende magnetfelt. Hvis polariseringen falder med 20% eller mere under transport, skal du bruge en magnetisk afskærmet kuffert.
   3. Undgå fremmede RF-signaler langs transportruten (f.eks. Kortlæser, laser, rustfrit stålkort osv.), Da de kan bidrage til polariseringstab.
   4. Mål den indledende dosisækvivalent (DE) af HP ¹²⁹Xe-gassen før transport. DE er givet ved ¹¹,
      (1.2)
      hvor f₁₂₉ er den isotrope fraktion af ¹²⁹Xe, P₁₂₉ er ¹²⁹Xe nuklear spinpolarisering, og V_Xe er det samlede volumen af xenongas.
   5. Transport gassen fra målestationen ind i magnetboringen og derefter tilbage ad samme rute til polarimetristationen. Mål DE igen efter rundrejsen for at kvantificere det forventede signaltab under gastransport. Hvis ingen yderligere RF-signaler forstyrrer transportruten, vil den estimerede polarisering nøje følge T1-henfaldskurven skitseret i ligning 1.1.
3. Multinuklear (¹²⁹Xe MRI) spole
   1. Placer ¹²⁹Xe-spolen korrekt i magneten for at sikre korrekt orientering. Hvis der anvendes en kvadraturspole, skal du undgå anti-kvadratur-excitation, da det kan forårsage et betydeligt signalfald i midten af billedvolumenet.
      BEMÆRK: Xenonspole skal rumme en bred vifte af bryststørrelser for at imødekomme variationer i spoleindstilling/belastning mellem forsøgspersoner og under forskellige respirationsfaser, hvilket fører til variable leverede vendevinkler på tværs af scanninger.
   2. Opret en sikker fysisk forbindelse mellem spoleproppen og MR-systemet gennem den udpegede stikkontakt, og konfigurer spolesoftwaren til at specificere de tilladte kerner (¹²⁹Xe i vores tilfælde).
   3. Den velkarakteriserede protonresonansfrekvens på MR-scanneren divideres med 3,61529 for at opnå xenonfrekvensen¹¹.
   4. Karakteriser spoleparametrene (maksimal transmissionsamplitude, transmitterreferenceamplitude, specifik absorptionshastighed - SAR).
4. Måling af ¹²⁹Xe spektroskopi
   1. Opret et termisk polariseret 129-xenon-fantom.
      1. Tilslut en glastrykbeholder til en xenongasfyldt pose, og sørg for en passende posestørrelse og xenonvolumen, der passer til beholderens kapacitet.
      2. Trykbeholderen nedsænkes i en lille mængde flydende nitrogen (LN₂) for at tillade xenondiffusion og frysning (se figur 1).
      3. Forsegl beholderen, efter at xenonen har dannet frossen sne indeni, og lad den tø op under tryk på beholderen. Beregn trykket i beholderen: P = (_V-beholder +_V-pose) /_V-beholder , hvor_V-beholder er beholderens volumen og_V-pose er rumfanget af xenonen i posen.
         BEMÆRK: I modsætning til hyperpolariserede gasposer (HPG) behøver det termisk polariserede ¹²⁹Xe-kar ikke at blive renset for ilt eller vakuumevakueret, da den ekstra ilt vil reducere xenon_T1- en gunstig effekt i det termisk polariserede fantom. Det er også vigtigt at sikre, at gastrykket i beholderen ikke overstiger producentens angivne trykgrænse. Med et fantombillede på ¹²⁹Xe-gas kan xenonfrekvensen måles på MR-konsollen. Kommercielle xenonfantomer til kvalitetssikring er også tilgængelige¹³.
   2. Registrer topfrekvensen med et termisk polariseret xenonfantom.
      1. Sæt xenonfantomet inde i ¹²⁹Xe-spolen, og placer det svarende til en belastet patients, da forskelle i spolegeometri i væsentlig grad kan ændre den leverede B1 til fantomet (figur 2).
         BEMÆRK: Det anbefales, at der også lægges et passende vandfantom, så spolen kan fyldes korrekt.
      2. Udfør en scanning med protonfrekvens, da nogle scannere muligvis ikke tillader multinukleare scanninger uden en indledende protonfrekvenslokalisering.
      3. Brug et bredbåndstransmissionspuls (hvis tilgængeligt), udlæsningseksperiment med høj båndbredde og høj opløsning til nøjagtigt at registrere xenonfrekvenstoppen. En bredbåndspuls vil excitere et højt frekvensområde, hvilket sikrer, at xenon NMR kan detekteres.
      4. Når en veldefineret top er detekteret, registreres frekvensen med fuld præcision, og eksperimentet gentages ved den nye frekvens med lav båndbredde (~1000 Hz) for at maksimere signal-støj-forholdet (SNR) og spidsfrekvenspræcision (figur 3).
      5. Når der er registreret en tilfredsstillende top med højt signal, skal du gemme protokollen til fremtidige QC-tests.
         BEMÆRK: Den præcise geometriske placering af spolen i scanneren giver en baseline spektroskopiscanning, som kan replikeres i fremtiden for at identificere nye problemer, hvis SNR ses at forværres. Selve fantomet kan afbildes direkte, selvom det kan kræve flere erhvervelser for at opbygge nok signal til billedrekonstruktion og muligvis ikke giver et rimeligt skøn over opnåelig SNR, da højere flipvinkler generelt er påkrævet. En forberedt pose hyperpolariseret xenon er den bedste mulighed for at teste den ønskede billeddannelsesprotokol med in vivo-billeddannelsesparametre.
5. HP ¹²⁹Xe-billedbehandling med testpose
   1. Brug en lille mængde HP ¹²⁹Xe (>300 ml) til billeddannelse, som er velkoncentreret og fri for ilt.
   2. Mål ¹²⁹Xe DE nøjagtigt umiddelbart før billeddannelsen.
   3. Indstil testbilleddannelsesprotokollen, så den afspejler de ønskede in vivo-parametre så tæt som muligt¹¹.
   4. Hent og gem billedet af xenonposen som et grundlæggende mål for scannerens ydeevne.
   5. Mål og registrer SNR for de erhvervede billeder sammen med alle scanningsparametre og xenon DE. Den acceptable SNR for en 2D GRE-scanning kan variere fra sted til sted, men den skal typisk være omkring 30 eller højere, med en minimumstærskel på 15 for efterfølgende billedanalyse¹¹.
   6. Til måling af vendevinkel (FA) skal du α udføre en fuldvolumen-forkælet gradient-ekko-scanning, hvor synsfeltet afbildes to gange efter hinanden (med FA ≈ 8-10°) ved hjælp af identiske sekvensparametre og uden mellemrum mellem slutningen af det første billede og starten af det andet. Mål SNR ved DC-forskydningen af de to billeder, S0 og S1, tæl antallet af fasekodningstrin, n, og beregn vendevinkelkortet som følger ¹⁴:
      (1.3)
      BEMÆRK: Almindelige parametre for in vivo HP ¹²⁹Xe MR samt en mere kompliceret, men meget nøjagtig flipvinkelkalibreringsmetode (multi-shot pulse/acquire experiment) er angivet i Niedbalski et ^al.11.
6. In vivo HP ¹²⁹Xe-billedbehandling
   1. Giv emnet korrekt vejledning om åndedrætsteknikker, og lad forsøgspersonen øve inhalationsproceduren ved hjælp af en pose luft, før HP ¹²⁹Xe-posen introduceres.
   2. Instruer forsøgspersonen i at udføre en række indåndinger ind og ud med rumluft efterfulgt af en dyb indånding af HP ¹²⁹Xe-gas, åndedrætshold og initiering af scanningen (en almindeligt anvendt metode). Overvåg nøje motivets brystbevægelse for at sikre, at vejrtrækningen forbliver synkroniseret med de medfølgende instruktioner.
      BEMÆRK: Forskellige coachingmetoder anvendes i øjeblikket til åndedrætsprocedurer, og et fremtidigt konsortiepapir vil sandsynligvis etablere en konsensuserklæring om dette.
   3. Brug næseklemmer til at forhindre nasal indånding af gassen under vejrtrækning.
   4. Efter billeddannelse af åndedrættet træner forsøgspersoner til at tage dybe indåndinger for at fjerne xenon fra lungerne og løse eventuelle midlertidige bivirkninger¹¹.
   5. For dem, der forfølger xenonbilleddannelse i opløst fase, skal du være opmærksom på, at forsøgspersonens inhalationsvolumen sandsynligvis påvirker de erhvervede opløste fasedata væsentligt¹⁵.
7. Rekonstruktion og analyse af data
   1. Eksportér 'rå' data fra scanneren, typisk i form af en liste over komplekse data i rækkefølge efter udlæsningsanskaffelse.
   2. For retlinede erhvervede k-rumbaner svarer hvert komplekst datapunkt til en heltalsfrekvens i todimensionelt (2D) eller tredimensionelt (3D) k-rum. Rekonstruer billedet ved hjælp af en enkel, hurtig Fourier-transformation (FFT) til retlinede baner.
   3. For ikke-retlinede baner (f.eks. radiale eller spiraldata) skal du udføre datagitter for at interpolere eller vikle komplekse data i heltalsbakker før den efterfølgende FFT. Undersøg dataene, før du udfører gitter, om nødvendigt for at sikre nøjagtighed og undgå potentielle artefakter.
      BEMÆRK: FFT af rå k-space-data kan give billeder, der ligner, men ikke er identiske med scannerrekonstruerede DICOM-billeder, da scanneren yderligere korrigerer rekonstruerede billeder baseret på kendte ikke-lineariteter i gradientadfærd. Disse virkninger er generelt små, men de kan være mere udtalte i kanterne af scannerens billeddannelsesvolumen, især når store organer som lunger er afbildet. Det anbefales at bruge det scannerrekonstruerede billede (hvis tilgængeligt) til efterbehandling.

2. Trin til fejlfinding

BEMÆRK: Mens protokollen skitserede nogle kvalitetskontrolprocedurer (QC) i hyperpolariseret ¹²⁹Xe MR, kan fejlfinding være nødvendig på grund af nye problemer, uregelmæssigheder og udfordringer. Eventuelle fejl eller fejltrin i processen kan have en krusningseffekt, der påvirker efterfølgende trin og fører til problemer såsom manglende billeder eller billeder af lav kvalitet med lav signalintensitet, høje støjniveauer eller fuldstændigt signaltab. For at imødegå disse udfordringer bør der anvendes strategiske tilgange til at identificere og undersøge problemerne i detaljer.

1. HP ¹²⁹Xe dosispose forberedelse til QC
   1. Bryg omhyggeligt en præcis mængde xenongas til kontrolxenonposen, og vær opmærksom på eventuelt nitrogen, der blandes med den.
   2. Tag billeder af xenonposen i MR-scanneren, og udfør nøjagtige polarisationsmålinger før og efter billeddannelsessessionen for pålidelige sammenligninger.
   3. Brug den samme billedsekvens til alle QC-scanninger for at lette pålidelige sammenligninger.
   4. Bemærk xenon DE-værdier før og efter udførelse af alle QC-scanninger for at muliggøre fremtidige sammenligninger.
2. Systemisk støjkarakterisering
   1. Opret en kontrolstøjprofil til QC-formål. Brug en specifik tilpasset 2D GRE-sekvens, der inkluderer et højt synsfelt (FOV; 400-500 mm) til at fange det maksimale signal fra området, en høj båndbredde pr. pixel (det maksimalt tilgængelige eller mindst >50 kHz) til at identificere støjresonanser i nærheden og den lavest mulige gentagelsestid (TR) og ekkotid (TE)^{11, 13}. Anskaf QC til støjprofil ved hjælp af en xenonvest eller en loopspole.
   2. Få et billede uden prøve (HP ¹²⁹Xe) i spolen. Dette billede karakteriserer støjprofilen.
   3. Undersøg de erhvervede støjdata, især k-rummet, for ikke-gaussiske elementer såsom pigge, mønstre eller diskretiserede / binnede værdier.
   4. Opret et QQ-plot ved at plotte de erhvervede reelle/imaginære data mod et syntetiseret Gaussisk datasæt (med passende funktion til generering af tilfældige tal) med identisk middelværdi, standardafvigelse og vektorlængde, begge ordnet fra mindste til største. Afvigelser fra linjen y = x i QQ-plottet indikerer tilstedeværelsen af ikke-gaussiske komponenter inden for de erhvervede data, hvilket kræver yderligere undersøgelse. (Figur 4).
      BEMÆRK: Et kvantil-kvantil-plot (QQ-plot) kan give indsigt i, om to datasæt udviser lignende fordelinger. Sammenligning af dataene med et normalt distribueret datasæt muliggør vurdering af, om distributionen er gaussisk eller ej. Protokollen antager, at den virkelige og imaginære del af k-rummet tilnærmer sig en gaussisk fordeling i fravær af en prøve.
   5. Identificer støjfordelingsmønsteret og potentielle afvigende værdier med et passende udvalg (brug om nødvendigt Chauvenets kriterium¹⁶).
   6. Kategoriser støj i regelmæssige og uregelmæssige typer baseret på dens egenskaber (se trin 2.3 og 2.4).
      BEMÆRK: Regelmæssig støj involverer regelmæssigt forekommende mønstre i udlæsnings- eller k-space-dataene. Uregelmæssig støj forekommer relativt tilfældig og har ofte høj intensitet uden noget mærkbart timingmønster, men viser ikke en gaussisk profil som uundgåelig termisk støj.
3. Regelmæssig støjregistrering
   1. For at udelukke scanneren som støjkilde skal du erhverve billeder ved hjælp af standardwebstedsprotokollen med forskellige pulssekvensparametre deaktiveret og elektroniske komponenter slukket. Hvis en bestemt gradientspole f.eks. udsender støj, skal gradienterne slukkes, før scanningen køres, for at undersøge, om støjen løser.
      BEMÆRK: At slukke gradienten kræver generelt forhøjet adgang til scannerkonsollen og kan kræve, at der er en servicetekniker til stede. I sidste ende bør en sekvens, hvor det multinukleare spektrometer er aktivt, men ingen gradienter er drevet, og ingen RF leveret, være tilstrækkelig til at afgøre, om et støjproblem stammer fra disse komponenter.
   2. Fjern støjkilder fra rummet og identificer derefter potentielle oprindelser af regelmæssig støj.
      BEMÆRK: Støjkilder kan omfatte elektroniske komponenter som kontrastinjektorer, kodeknapper, sensorer, vitaltegnmonitorer, scannerkomponenter (f.eks. Positioneringslaser, sengemekanoelektronik, ventilatorer, lys) eller bølgeledere mellem konsol-/magnetvægge.
   3. Brug en simpel overflade loop spole indstillet til ¹²⁹Xe frekvensen til at 'snuse' rundt magnetrummet for støjkilder. Placer xenonspoleelementet fysisk i nærheden af potentielt problematiske enheder, og kør en testsekvens (se trin 2.2.1) for at detektere forstærket støj.
   4. Undersøg k-space og billeddata for at lokalisere den nøjagtige kilde til kohærensstøj.
   5. Hvis en bestemt kilde identificeres, skal du forsøge at deaktivere den eller dække den med aluminiumsfolie / blinkende eller et kobbernet for at reducere støj.
   6. Kør scanningen igen efter deaktivering eller tildækning af støjkilder for at se, om støjen løser. Fortsæt denne proces, indtil alle støjkilder er elimineret, så der kun er lav rodmiddelkvadrat (RMS) Gaussisk støj tilbage.
4. Uregelmæssig registrering af støj
   1. Identificer uregelmæssig støj som høje signalspidser i individuelle k-space-pixels med unormalt høje eller lave signaler i de virkelige eller imaginære kanaler.
      BEMÆRK: K-mellemrum spidser resulterer ofte i billeder med striber eller 'fløjlsmønstre' (figur 5). Tilstedeværelsen af høje værdier eller spidser i k-space-dataene kan ofte føre til forekomsten af et stribet mønster i billedrummet. Dette fænomen er ofte forbundet med gradientrelaterede problemer.
   2. Fjern potentielle problemer med X-, Y- eller Z-forløb ved at identificere den retning, der er ansvarlig for det stribede mønster (figur 5). Udfør billeddannelse i forskellige fasekodningsretninger, herunder forreste til bageste, hoved til fod og venstre mod højre.
   3. Undersøg systematisk de resulterende billeder i hver retning for at identificere, hvilken specifik gradientretning der bidrager til det stribede mønster. Kontakt om nødvendigt stedets kliniske ingeniør for selektivt at aktivere og deaktivere individuelle gradienter, hvilket gør det muligt at identificere kilden til eventuelle støjspidser.
5. Intet signal
   BEMÆRK: Når man støder på en situation, hvor der ikke observeres noget signal efter erhvervelsen i HPG MR-studier, kan der foretages en systematisk fejlfindingsmetode. Her er nogle anbefalinger til at løse dette problem,
   1. Kontroller xenonspolen og forbindelsen.
      1. Sørg for, at xenonspolen er valgt i MR-scanneren og korrekt tilsluttet.
      2. Bevægelse af patienten under scanningen kan forårsage afbrydelse af spolen, så inspicer omhyggeligt spoleforbindelsen.
      3. Kontroller, om døren til MR-scanneren er sikkert lukket, da en åben dør kan tillade udenfor RF ind i magnetrummet.
      4. Udfør spektroskopi på xenonfantomet (se punkt 1.4.2), og kontroller xenontophøjden og støjgulvet fra spektroskopien. Brug en 90° vendevinkel for at sikre tilstedeværelsen af en xenontop. Beregn det maksimale signal, der er forbundet med 90 ° excitation, og sammenlign spændingen / effekten med QC-scanningsresultaterne.
   2. Evaluer xenonspolen.
      1. Forbered en lille pose xenon og mål polariseringen ved målestationen.
      2. Billede posen med en simpel 2D GRE-scanning på en HP ¹²⁹Xe-taske med følgende parametre: højere vendevinkel på 90° (juster pulsvarigheden, hvis det er nødvendigt, da pulsvarigheden dikterer transmissionsbåndbredden [BW]), brug referencespænding baseret på den tidligere QC for et fantom, et højt synsfelt og lavt BW, samtidig med at basisopløsningen holdes lav.
      3. Mål polariseringen igen ved målestationen. Hvis polariseringen ikke falder markant, antyder det et potentielt problem med xenonspolesenderen eller forstærkeren.
         BEMÆRK: Polarisationsniveauet oplever et gradvist fald på grund af T1-henfald gennem hele denne proces, uanset succesen med excitationsimpulser fra xenonvestspolen. Derfor foreslås en høj 90 ° FA for at observere et tilstrækkeligt polarisationshenfald forårsaget af excitationspulsen til at udelukke xenonspoletransmitterens funktionalitetsproblem. Hvis polariseringen falder markant, men der ikke registreres noget signal på billedet, indikeres et problem med xenonspolemodtageren.
   3. Omfattende analyse
      1. Analyser både k-space og billedrumsdata for at undersøge eventuelle abnormiteter eller uoverensstemmelser.
      2. Sammenlign de indsamlede data med tidligere scanninger eller referencedata for at identificere potentielle forskelle eller afvigelser.
6. Diskretisering af dataene
   1. Kontroller, om der er datadiskretisering (figur 6).
      BEMÆRK: Når spolespændinger registreres af scannerspektrometeret, forstærkes de til passende niveauer for at sikre, at spektrometerets fulde dynamiske område anvendes, og at den højeste nøjagtighed opnås. Signalet diskretiseres tidsmæssigt i henhold til udlæsningsbåndbredden, som er omvendt proportional med datapunktets opholdstid, og de registrerede analoge spændingsværdier digitaliseres til diskrete signalbakker bestemt af spektrometerbitdybden. Korrekt forstærkning af det indgående signal for at spænde over den fulde bitdybde kræver, at brugeren har angivet korrekte spolespændings-/forstærknings-/skaleringsværdier. På nogle scannere vil en billedscanning ikke være tilladt, indtil præparationsimpulser udføres ved målfrekvensen - en proces, der skal undgås for hyperpolariserede undersøgelser, da den ekstra rf vil reducere polarisering og øge åndedrætstiden. Hvis spektrometeret er forkert kalibreret eller ikke forstærker signalet tilstrækkeligt, kan de registrerede data diskretiseres groft - kun en lille procentdel af amplitudebakkerne er befolket med digitaliserede datapunkter. Datadiskretisering kan også påvirke informationsindholdet ved at indføre kvantiseringsfejl og tab af fine detaljer. Datadiskretisering kan også introducere artefakter, kompromittere SNR og begrænse evnen til nøjagtigt at analysere fysiologiske ændringer. Det er vigtigt, at grov diskretisering af k-space-data muligvis ikke forhindrer produktionen af et tilsyneladende tilfredsstillende billede (figur 6).
   2. Optimer anskaffelsesparametrene, og anvend passende rekonstruktionsalgoritmer for at reducere datadiskretisering.
   3. Forbedre hardware og udnytte teknikker som højere samplingshastigheder, avancerede interpolationsmetoder og støjreduktionsstrategier for at afbøde de negative virkninger af datadiskretisering.

Representative Results

Figur 4 viser resultaterne af støjkarakteriseringsanalysen udført på støjscanningen. Plottet viser virkningen af både regelmæssig og uregelmæssig støj på k-rummet, hvor afvigelsen fra den ideelle y = x referencelinje observeres. Regelmæssig støj fører til et kontinuerligt mønster i k-rummet, mens uregelmæssig støj resulterer i afvigende værdier i QQ-plottet.

Når vi går videre til figur 5, præsenteres en række lungebilleder erhvervet ved hjælp af HPG MR. Den øverste række viser eksempler i billedrummet, herunder en referencescanning, et lungebillede, der er påvirket af regelmæssig og/eller uregelmæssig støj, og et billede uden signal. Den nederste række viser de tilsvarende k-space-modulrepræsentationer.

I figur 5A er et tydeligt lyspunkt centreret i k-rummet, hvilket indikerer et klart lungesignal med lav støj. Omvendt viser figur 5B tilstedeværelsen af regelmæssig støj (gaussisk støj) spredt gennem billederne. I figur 5C er uregelmæssig støj tydelig, hvilket forårsager spidser af høj værdi i k-rummet og resulterer i et stribemønster i billedrummet. Figur 5D illustrerer et scenarie, hvor både regelmæssige og uregelmæssige lyde er til stede samtidigt, hvilket påvirker lungebilledet. Endelig repræsenterer figur 5E et tilfælde, hvor der ikke detekteres noget signal i det erhvervede lungebillede.

Figur 6 illustrerer et eksempel på grov datadiskretisering sammenlignet med korrekt skalerede k-space-data. Ved beregning af SNR bliver det tydeligt, at de diskretiserede data udviser et lavt signalniveau.

Figur 1: Illustration af at skabe et xenonfantom. Trykbeholderen anbringes i en lille mængde flydende nitrogen for at få xenonen til at fryse ved omkring -203,15 °C (70 K). En pose på ¹²⁹Xe er forbundet direkte til fartøjet. Når xenonen diffunderer ind i fartøjet, fryser den ved berøring af de kolde vægge, hvilket skaber en frossen snelignende struktur. Når den er helt frossen, forsegles beholderen, og xenonen får lov til at tø op, hvilket resulterer i øget tryk i beholderen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2: Arrangement for spektroskopi. (A) 129-Xenon fantomer placeret mellem to protonfantomer, alle indesluttet i en ¹²⁹Xe vestspole. (B) Fastgør xenonvestspolen med stropper. (C) Indsæt enheden i magnetens boring til lokalisering. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 3: Signalrespons i forhold til excitation med variabel båndbredde ved en konstant xenonfrekvens (34.081.645 Hz). Øget båndbredde resulterer i et højere støjgulv. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 4: Tre typer støjscanninger: acceptabel, regelmæssig og uregelmæssig støj. (A) Panel A viser k-space-modulets repræsentation af hvert støjmønster, hvor regelmæssig støj udviser et stribemønster og uregelmæssig støj viser pigge (lyse pletter). (B) Histogram af de reelle og imaginære dele af k-space-data for hver støjscanning. (C) QQ-plottet af de reelle/imaginære komponenter i k-space-data, idet det erhvervede datasæt sammenlignes med et normalt fordelt datasæt med samme middelværdi og standardafvigelse i stigende rækkefølge. Den røde linje repræsenterer referencelinjen y = x. Afvigelser fra denne linje indikerer tilstedeværelsen af ikke-gaussiske komponenter inden for de erhvervede data. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 5: Illustration af forskellige støjmønstre i HPG ¹²⁹Xe lungebilleddannelse. Den øverste række viser eksempler på billedrum, herunder en referencescanning, et lungebillede med regelmæssig og/eller uregelmæssig støj og et billede uden signal. Den nederste række viser de tilsvarende k-rummodulrepræsentationer. På billedet med signalet er et lyspunkt centreret i k-rummet, der repræsenterer lungesignalet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 6: Illustration af effekten af høj/lav digital præcision i ¹²⁹Xe testpose rekonstruerede data. For billedet med høj digital præcision (øverste række) har billedet en høj SNR på 600, og modulet for 55^{. række} K-rum viser en jævn kurve, der viser fine detaljer om dataene. I billedet med lav digital præcision (nederste række) "binnes" individuelle datapunkter imidlertid til et begrænset antal digitale niveauer, der dækker signalområdet, hvilket resulterer i reduceret SNR (SNR = 98) i det rekonstruerede billede. Dette problem kan kun identificeres ved omhyggelig undersøgelse af de rå signaldata, da det ikke forhindrer produktionen af et tilsyneladende tilfredsstillende billede. Klik her for at se en større version af denne figur.

Discussion

Evnen til at fejlfinde ¹²⁹Xe MR-problemer er en nødvendig færdighed og kan hjælpe med at afbøde problemer i realtid. Indtil en hyperpolariseret gasinfrastruktur kan købes fra en enkelt part og opnå støtte fra scannerproducenter, er disse kvalitetskontrolopgaver alene de enkelte laboratoriers ansvar. Målet med dette manuskript er at give læseren nyttige fremgangsmåder og forslag til det uundgåelige tilfælde af dårlig dataindsamling. Mens vi forsøger at løse så mange potentielle problemer som muligt, er mange andre udfordringer i ¹²⁹Xe MR specifikke for scannerproducenten og kan ikke diskuteres i detaljer på grund af begrænsninger i immaterielle rettigheder. Imidlertid består ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium, et fællesskab med det udtrykkelige mål at udvikle multi-site forsøg ved hjælp af ¹²⁹Xe MR, af mange webstedsdeltagere og veteraneksperter med erfaring i operationalisering af ¹²⁹Xe MR på flere platforme og software¹⁷. Det anbefales at kontakte en af webstedsdeltagerne med eventuelle implementerings- og/eller fejlfindingsspørgsmål, der ikke behandles her.

Der bør udføres regelmæssig ydelseskontrol af spolen for at identificere tidlige indikationer på signalfald eller nye støjproblemer. Disse kontroller omfatter undersøgelse af spolegrænsefladen og interne forbindelser samt vurdering af den potentielle indvirkning af fald eller overdreven vægt på spolen. Ud over fysiske inspektioner kan sammenligning af spektroskopiscanningerne ofte hjælpe med at identificere problemer med spolens ydeevne. Da MR-systemets multinukleare funktionalitet er en delt komponent med protonanlægget, bør alle nyligt introducerede enheder eller udstyr i magnetrummet gennemgå test for at forhindre potentiel interferens i xenonfrekvensen. Ud over tekniske overvejelser bør der lægges vægt på detaljer i forsøgsprocedurer. Dette omfatter effektiv coaching af emner, sikring af klar kommunikation med studiekoordinatorer og præcis positionering af xenonposen under QC-scanninger. Disse tilsyneladende mindre detaljer bør ikke overses, da de i væsentlig grad kan forbedre billedkvaliteten og de samlede undersøgelsesresultater.

Protokollen, der præsenteres i dette papir, giver forskere en omfattende ramme til at identificere og løse potentielle problemer under billeddannelsesprocessen. Ved systematisk at følge fejlfindingstrinnene kan forskere optimere billedkvaliteten, forbedre datanøjagtigheden og fremme området for hyperpolariseret xenon MR. Fortsat forfining og tilpasning af disse fejlfindingsstrategier kombineret med fremskridt inden for billedteknologi vil bidrage til yderligere forbedringer i kvaliteten og pålideligheden af hyperpolariserede xenon-MRI-undersøgelser.

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