超极化氙磁共振成像中的故障排除与质量保证：高质量图像采集的工具

在超极化氙气磁共振成像中，可直接对实际吸入的气体进行成像。该气体在健康个体的肺部中均匀分布，但在患有哮喘、慢性阻塞性肺疾病（COPD）或囊性纤维化等肺部疾病的患者中则分布不均。我们旨在利用这一技术更深入地理解这些疾病。

X射线计算机断层扫描（CT）目前是肺部结构成像的临床标准，但涉及电离辐射，且仅能显示肺组织，无法显示吸入的气体。通过吸入或注射放射性示踪剂的核医学成像也可用于评估肺通气和灌注，但同样具有电离辐射，且分辨率相对较低。然而，氙气磁共振成像（Xenon MRI）能够提供个体肺通气及气体交换的高分辨率图像。

实施氙磁共振成像具有独特挑战性，需要专用硬件、氙成像线圈以及序列开发。但这还远未结束，所获取的数据必须经过细致的重建与分析。

如果没有适当的专业知识，这些任务可能会令人望而生畏，导致令人沮丧且代价高昂的结果。本方案提供了关于氙-129磁共振成像（Xe MRI）站点的质量控制、故障排除及工具使用的深入指导。我们探讨了超极化设备实验室的搭建、磁共振线圈的选择、数据采集的注意事项以及图像特性。

我们的目标是引导观众了解可能影响图像质量或实验结果的潜在错误、挑战和各种情况。解决氙-129 MRI 中出现的问题对于应对实际应用中的各种困难至关重要。由于目前缺乏专用的超极化气体基础设施，且扫描仪制造商提供的支持有限，质量控制任务完全由各个实验室独立承担。

本视频旨在为观众提供实用建议，以应对挑战并确保成功获取数据。首先，应按照制造商的指南设置并启动氙-129超极化仪。接下来，在超极化或超极化测量工作站使用核磁共振（NMR）对具有代表性的超极化氙-129气体样品进行T1弛豫时间测量。

确保从氙气收集点到指定用于成像的磁体室之间具有直接且高效的路径，以尽量减少氙气运输过程中的延迟。在运输前，使用所示公式测量超极化氙-129气体的初始剂量当量（DE）。应避免沿途存在额外的射频信号，因为这些信号可能导致极化度损失。

完成气体从测量站经磁体孔径往返运输至偏振测量站的整个过程后，再次测量DE，以量化气体运输过程中预期的信号损失。首先制备一个热极化的129Xe模体。为此，将一个玻璃压力容器连接至装有氙气的气袋，气袋的尺寸和体积应与容器的容量相匹配。

然后将压力容器浸入少量液氮中，使氙气扩散并冻结。待氙气在容器内部形成固态雪状物后，密封容器。在计算容器内压力之前，使其在加压条件下解冻。

为了检测峰值频率，将模体放入氙-129线圈内，并将其放置位置调整至与受检患者相似的状态。首先进行质子频率扫描，因为某些扫描仪在未执行初始质子频率定位扫描的情况下，可能不允许进行多核扫描。若条件允许，使用宽带发射脉冲，采用高带宽、高分辨率的读出实验，以精确定位氙的频率峰值。

当检测到一个清晰明确的峰时，应完整记录其频率值。在新的频率下重复实验，使用约1000赫兹的低带宽，以最大化信噪比（SNR）和峰频率的精确度。当检测到满意的高信号峰时，保存该实验方案，用于未来的质量控制测试。

使用少量高极化氙-129进行成像，该气体应高度浓缩且无氧。在成像前立即准确测量氙-129的剂量当量（DE）。设置测试成像方案，使其尽可能接近预期的体内参数。

获取并保存氙气袋的图像，作为扫描仪性能的基线测量值。测量并记录所获取图像的信噪比（SNR），同时记录所有扫描参数和氙气DE。为测量翻转角α，执行一次完整的容积扰相梯度回波扫描，使用相同的序列参数连续成像两次视野（FOV）。测量两幅图像在直流偏置处的信噪比S0和S1。统计相位编码步数n，并计算翻转角。

首先，为质量控制（QC）目的创建一个对照噪声谱。使用一种特定的定制二维梯度回波（2D GRE）序列，包括较大的视野以捕获该区域的最大信号，较高的每像素带宽以识别邻近的噪声共振，以及尽可能低的重复时间（TR）和回波时间（TE）。使用氙气背心或环形线圈采集噪声谱的质量控制图像，在线圈中不放置超极化氙-129样品的情况下获取图像。

该图像将用于表征噪声特征。检查所获取的噪声数据，特别是K空间中的非高斯元素，例如尖峰、模式或离散化或分箱的数值。通过将获取的实部或虚部数据与一个具有相同均值、标准差和向量长度的合成高斯数据集进行对比绘图，创建分位-分位（Q-Q）图，两者均按从小到大的顺序排列。

Q-Q 图中偏离直线 y 等于 x 的情况表明所获取的数据中存在非高斯成分，需要进一步调查。请选用合适的图表来识别噪声分布模式及潜在的离群值。为排除扫描仪作为噪声源的可能性，应采用标准站点协议获取图像，同时禁用各种脉冲序列参数并关闭电子组件。

请参考屏幕上的列表以查找可能的噪声源。为消除房间内的噪声源，可使用一个调谐至氙-129频率的简单表面环形线圈，在磁体室内仔细探测噪声来源。将氙线圈元件物理靠近可能存在故障的设备，并运行测试序列以检测被放大的噪声。

检查K空间和图像数据，以精确定位相干噪声的来源。若已确定具体来源，可尝试将其关闭，或使用铝箔、导电材料或铜网覆盖，以降低噪声。在关闭或屏蔽噪声源后重新进行扫描，观察噪声是否消除。

继续此过程，直至所有噪声源均被消除，仅保留低均方根高斯噪声。将不规则噪声识别为基于单个样本的像素中出现的高信号尖峰，这些尖峰在实部或虚部通道中表现出异常高或异常低的信号。在不同的相位编码方向上进行成像，包括前到后、头到脚以及左到右。

通过选择性启用或禁用各个梯度，消除 X、Y 或 Z 梯度可能引起的问题。系统性地检查所得图像，以确定是哪个特定梯度方向导致了噪声。在噪声扫描上进行的噪声特征分析结果表明，常规噪声和不规则噪声均对 K 空间产生了影响。

规律性噪声在K空间中产生连续的模式，而不规则噪声则在Q-Q图中表现为高值离群点。一系列采用HPG MRI获取的肺部图像显示，K空间中心出现明显的亮点，表明肺部信号清晰且噪声较低；相反，规律性噪声在图像中呈弥散分布。

不规则噪声明显导致K空间出现高值尖峰，并在图像空间中形成条纹状图案。当规则噪声和不规则噪声同时存在时，也会影响肺部图像。