本文介绍了一种获取高质量超极化氙-129磁共振图像的实验方案,涵盖硬件、软件、数据采集、序列选择、数据管理、k空间利用以及噪声分析。
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本文介绍了一种获取高质量超极化氙-129磁共振图像的实验方案,涵盖硬件、软件、数据采集、序列选择、数据管理、k空间利用以及噪声分析。
超极化(HP)氙磁共振成像(129Xe MRI)是一种近期获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准的成像技术,可通过吸入氙气产生高分辨率图像,用于肺功能研究。然而,129Xe MRI 的实施具有独特挑战性,因其需要专门的超极化硬件与设备、氙成像线圈及其配套软件、多核磁共振成像序列的开发与编译,以及所采集数据的重建与分析。若缺乏足够的专业知识,这些任务可能令人望而生畏,且无法获取高质量图像的情况不仅令人沮丧,而且代价高昂。 本文介绍了一些适用于 129Xe MRI 实施单位的质量控制(QC)规程、故障排查方法以及实用工具,有助于获取优化的高质量数据和准确结果。本文首先概述实施 HP 129Xe MRI 的整体流程,包括超极化实验室的建设要求、129Xe MRI 线圈硬件与软件的配置、数据采集与序列设计的考虑因素、数据结构、k空间与图像特性,以及信号与噪声特性的测量。在上述每个必要步骤中,均可能存在导致图像质量下降或成像失败的错误、挑战和不利情况,本论述旨在解决其中一些常见问题。特别是,识别并表征所采集数据中的异常噪声模式对于避免图像伪影和低质量图像至关重要;本文将提供实例,并讨论相应的缓解策略。我们的目标是为新开展 129Xe MRI 的单位简化实施过程,同时提供一些实时故障排查的指导原则与策略。
一个多世纪以来,肺功能评估主要依赖于肺量计和体描法提供的整体测量指标。然而,这些传统的肺功能检查(PFTs)在捕捉早期疾病区域特征及肺组织细微变化方面存在局限性1。利用吸入放射性示踪剂的核医学技术已广泛用于评估常与肺栓塞相关的通气/灌注不匹配情况,但该方法涉及电离辐射,且分辨率较低。相比之下,计算机断层扫描(CT)已成为肺部成像的金标准,其空间和时间分辨率明显优于核成像2。尽管低剂量CT扫描可降低辐射暴露,但仍需考虑潜在的辐射风险3,4。由于肺组织密度低且信号衰减迅速,质子磁共振成像(MRI)在肺部应用较少,尽管近期技术进展可在信号可能较弱的情况下仍提供功能信息。另一方面,超极化氙磁共振成像(HP 129Xe MRI)是一种非侵入性成像方式,可实现具有区域特异性的肺功能成像5,6。该技术可使升量级的气体产生高度非平衡的核磁化。随后,受试者在磁共振扫描仪内单次吸入这种惰性气体,并由扫描仪直接成像。因此,成像对象是吸入的气体本身,而非肺组织。该技术已被用于评估多种疾病的肺通气情况,包括哮喘、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、囊性纤维化、特发性肺纤维化、2019冠状病毒病(COVID-19)等3。2022年12月,HP 129Xe MRI获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准,作为磁共振成像通气对比剂,用于美国12岁及以上成人和儿科患者7。目前,临床医生可利用129Xe MRI为患者制定更优或个体化的治疗方案,从而提升诊疗水平。
传统上,临床磁共振成像(MRI)仅专注于成像在几乎所有人体内脏中大量存在的氢核(质子)。MRI 扫描仪、成像序列及质量控制通常由扫描仪制造商根据现场许可和保修条款负责维护。然而,129Xe 成像需要具备多核功能的磁共振扫描仪,并且需要专门的研究团队来运行超极化设备、定制的射频(RF)线圈、专用脉冲序列以及离线重建/分析软件。这些组件可由第三方供应商提供,也可由研究机构自行研发。因此,质量控制的责任通常落在 129Xe 研究团队身上,而非扫描仪制造商或个别第三方。因此,持续获取高质量的 129Xe 数据具有独特挑战性,因为 129Xe MRI 流程中的每个组件都可能引入误差,必须由 129Xe 团队密切监控。这些情况不仅令研究人员极为困扰——他们必须排查并调查可能出现问题的各种原因,而且可能带来高昂成本,因为这会减缓患者成像和受试者招募的进度。与故障排查相关的成本包括 MRI 使用时间费用、129Xe 的超极化过程(涉及多种气体的消耗)以及材料的使用。此外,随着近期美国食品药品监督管理局(FDA)的批准以及 129Xe 成像技术的发展,制定标准化的质量控制方案对于避免 129Xe 操作中的常见问题和延误显得尤为必要8,9。
本文介绍129Xe MRI中一些较为常见的问题,包括射频线圈故障、出现多种导致信噪比(SNR)降低的噪声模式,以及图像质量差等问题10。我们旨在提供一些简明的质量控制(QC)指南和操作规程,以确保获得高质量的图像数据,并解决129Xe MRI中可能出现的一些常见问题。本文提供的见解同样适用于超极化氦-3成像问题的排查。
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以下方案遵循密苏里大学人类研究伦理委员会制定的指南和标准,确保研究的伦理实施以及参与者的权利、安全和福祉得到保护。
注意:为确保超极化氙气磁共振成像研究的可靠性和准确性,必须对所获得的图像进行严格表征,遵循全面的实验方案,并采用有效的故障排除策略。成像过程包含多个步骤:气体超极化、129Xe 线圈/扫描仪通信、129Xe 波谱分析、数据采集、数据重建以及图像分析。本方案首先详细讨论这些步骤,并强调为优化成像过程所必需的注意事项和故障排除策略。通过遵循这些操作流程并结合专家级的故障排除方法,研究人员可优化成像过程,并克服在超极化氙气磁共振成像研究中可能出现的各种挑战。随后,我们将探讨在多种数据欠佳情况下常见的故障处理方法。
1. 全面进行下丘脑-垂体-性腺轴 MRI 研究的关键步骤
本文简要概述了典型的超极化129Xe成像检查过程中涉及的步骤。129Xe临床试验联盟的详细操作规范见Niedbalski等人的研究11。
(1.1)
(1.2)
(1.3)2. 故障排除步骤
注意:尽管本方案概述了超极化129Xe MRI 中的一些质量控制(QC)步骤,但由于可能出现的突发问题、异常情况和挑战,仍可能需要进行故障排查。流程中的任何错误或操作失误都可能产生连锁效应,影响后续步骤,导致图像缺失或图像质量低下,表现为信号强度低、噪声水平高,甚至完全无信号。为应对这些挑战,应采用系统性的策略,对问题进行详细识别和深入分析。
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图4展示了在噪声扫描上进行的噪声表征分析结果。该图显示了规则噪声和不规则噪声对k空间的影响,其中可观察到与理想参考线y=x的偏离情况。规则噪声在k空间中形成连续的模式,而不规则噪声则在QQ图中产生高值离群点。
接下来介绍图5,该图展示了使用HPG MRI获取的一系列肺部图像。上排显示了图像空间中的示例,包括参考扫描图像、受规则和/或不规则噪声影响的肺部图像,以及无信号的图像。下排展示了相应的k空间模量表示。
在图5A中,k空间中心出现一个明显的亮斑,表明肺部信号清晰且噪声较低。相反,图5B显示图像中分布有规则的噪声(高斯噪声)。在图5C中,可见不规则噪声,在k空间中产生高幅值尖峰,并在图像空间中形成条纹状图案。
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解决问题的能力 129Xe MRI 质量控制是一项必要技能,有助于实时缓解问题。在能够从单一供应商获得超极化气体基础设施并得到扫描仪制造商支持之前,这些质量控制任务完全由各独立实验室自行负责。本文旨在为读者提供在数据采集不理想这一不可避免情况下可采用的实用操作建议。尽管我们力求涵盖尽可能多的潜在问题,但仍存在许多其他挑战 129Xe MRI 与扫描仪制造商特定相关,由于知识产权限制,无法详细讨论。然而, 129Xe临床试验联盟,一个旨在开展多中心试验的科研社区 129Xe MRI,包含多个参与机构以及在实施操作方面富有经验的资深专家 129多平台与多软件环境下的氙磁共振成像17建议就本文未涵盖的任何实施和/或故障排除问题,联系任一参与该站点的人员。
应定期对线圈进行性能检查,以早期发现信号减弱或噪声增加的迹象。这些检查包括检查线圈接口和内部连接,以及评估跌落或过重压力对线圈可能造成的影响。除了物理检查外,频繁比较波谱扫描结果也...
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