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Resolución de problemas y control de calidad en imágenes de resonancia magnética de xenón hiperpolarizado: herramientas para la adquisición de imágenes de alta calidad

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DOI:

10.3791/65972

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5 de enero de 2024

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1Roy Blunt NextGen Precision Health Center, University of Missouri, 2Chemical and Biomedical Engineering, University of Missouri, 3Radiology, School of Medicine, University of Missouri

En este artículo

Resumen

Aquí, presentamos un protocolo para obtener imágenes de resonancia magnética de xenón-129 hiperpolarizadas de alta calidad, que cubre hardware, software, adquisición de datos, selección de secuencias, gestión de datos, utilización del espacio k y análisis de ruido.

Resumen

La resonancia magnética de xenón hiperpolarizada (HP) (RM de 129Xe) es una modalidad de diagnóstico por imágenes recientemente aprobada por la Administración Federal de Medicamentos (FDA, por sus siglas en inglés) que produce imágenes de alta resolución de un aliento inhalado de gas xenón para la investigación de la función pulmonar. Sin embargo, la implementación de la RM 129Xe es un desafío único, ya que requiere hardware y equipos especializados para la hiperpolarización, la adquisición de bobinas de imágenes de xenón y software de bobinas, el desarrollo y la compilación de secuencias de imágenes de RM multinucleares y la reconstrucción/análisis de los datos adquiridos. Sin la experiencia adecuada, estas tareas pueden ser desalentadoras, y la falta de adquisición de imágenes de alta calidad puede ser frustrante y costosa. Aquí, presentamos algunos protocolos de control de calidad (QC), prácticas de resolución de problemas y herramientas útiles para129sitios de resonancia magnética Xe, que pueden ayudar en la adquisición de datos optimizados y de alta calidad y resultados precisos. El debate comenzará con una descripción general del proceso de implementación de la resonancia magnética HP 129Xe, incluidos los requisitos para un laboratorio de hiperpolarizadores, la combinación de hardware/software de la bobina de resonancia magnética 129Xe, la adquisición de datos y las consideraciones de secuencia, las estructuras de datos, el espacio k y las propiedades de la imagen, y las características de señal y ruido medidas. Dentro de cada uno de estos pasos necesarios se encuentran las oportunidades para errores, desafíos y sucesos desfavorables que conducen a una mala calidad de imagen o imágenes fallidas, y esta presentación tiene como objetivo abordar algunos de los problemas más comunes. En particular, la identificación y caracterización de los patrones de ruido anómalos en los datos adquiridos es necesaria para evitar artefactos de imagen e imágenes de baja calidad; Se darán ejemplos y se discutirán estrategias de mitigación. Nuestro objetivo es facilitar el proceso de implementación de la resonancia magnética 129Xe para los nuevos sitios, al tiempo que proporcionamos algunas pautas y estrategias para la resolución de problemas en tiempo real.

Introducción

Durante más de un siglo, la evaluación de la función pulmonar se ha basado principalmente en mediciones globales de espirometría y pletismografía corporal. Sin embargo, estas pruebas tradicionales de función pulmonar (PFP) tienen una capacidad limitada para captar los matices regionales de la enfermedad en estadio temprano y los cambios sutiles en el tejido pulmonar1. La medicina nuclear con radiotrazadores inhalados se ha utilizado ampliamente para la evaluación de los desajustes de ventilación/perfusión comúnmente asociados con los émbolos pulmonares, pero esto implica radiación ionizante y produce una resolución más baja. Por el contrario, la tomografía computarizada (TC) se ha convertido en el estándar de oro para la obtención de imágenes pulmonares, ya que ofrece una claridad espacial y temporal excepcional en comparación con las imágenes nucleares2. Si bien las tomografías computarizadas de baja dosis pueden mitigar la exposición a la radiación, aún se debe considerar el riesgo potencial de radiación 3,4. La resonancia magnética de protones del pulmón es poco frecuente debido a la baja densidad tisular del pulmón y a la rápida disminución de la señal del tejido pulmonar, aunque los avances recientes ofrecen información funcional a pesar de la posible baja señal. Por otro lado, la resonancia magnética de xenón hiperpolarizada (HP 129Xe MRI) es una modalidad no invasiva que permite obtener imágenes de la función pulmonar con especificidad regional 5,6. Produce una alta magnetización nuclear en desequilibrio del gas en cantidades de litros. A continuación, el gas inerte es inhalado por un sujeto dentro del escáner de RM durante una sola respiración y el escáner obtiene imágenes directamente de él. Por lo tanto, el gas inhalado se visualiza directamente en lugar del tejido en sí. Esta técnica se ha utilizado para evaluar la ventilación pulmonar en muchas enfermedades, como el asma, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), la fibrosis quística, la fibrosis pulmonar idiopática, la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19) y muchas otras3. En diciembre de 2022, la FDA de los Estados Unidos aprobó la resonancia magnética HP 129Xe como agente de contraste de ventilación por resonancia magnética para su uso en los Estados Unidos de América (EE. UU.) en adultos y pacientes pediátricos a partir de los 12 años7. Los médicos ahora pueden usar la resonancia magnética 129Xe para brindar una mejor atención a los pacientes con planes de tratamiento mejorados o personalizados.

Históricamente, la resonancia magnética clínica se centra exclusivamente en obtener imágenes de núcleos de hidrógeno (protones) que abundan en casi todas las vísceras humanas. Los escáneres de resonancia magnética, las secuencias y el control de calidad generalmente son mantenidos por el fabricante del escáner como parte de la licencia y garantía del sitio. Sin embargo, 129Xe requiere un escáner de RM con capacidad multinuclear y ha requerido un equipo de investigación dedicado para poner en funcionamiento el hiperpolarizador, bobinas de radiofrecuencia (RF) hechas a medida, secuencias de pulsos dedicadas y software de reconstrucción/análisis fuera de línea. Cada uno de estos componentes puede ser suministrado por proveedores externos o desarrollado internamente. Por lo tanto, la carga del control de calidad generalmente recae en el equipo de investigación de 129Xe y no en el fabricante del escáner o en un tercero individual. Por lo tanto, la adquisición constante de datos de alta calidad de 129Xe es un desafío único, ya que cada componente del proceso de resonancia magnética de 129Xe presenta el potencial de error, que debe ser monitoreado de cerca por el equipo de 129Xe. Estas situaciones no solo pueden ser extremadamente frustrantes, ya que los investigadores tienen que solucionar e investigar las posibles causas de cualquier desafío que pueda haber surgido, sino que pueden ser muy costosas, ya que esto ralentiza las imágenes de los pacientes y el reclutamiento de sujetos. Algunos costos asociados con la resolución de problemas incluyen los costos de tiempo de resonancia magnética, la hiperpolarización de 129Xe, que implica el consumo de diferentes gases, y el uso de materiales. Además, con la reciente aprobación de la FDA y el crecimiento de las imágenes de 129Xe, es necesario proporcionar un protocolo estandarizado para el control de calidad a fin de evitar problemas y contratiempos comunes en la operación de 129Xe 8,9.

Aquí, presentamos algunos de los problemas más comunes que se encuentran en la resonancia magnética 129Xe, incluidas las fallas de la bobina de RF, la aparición de varios perfiles de ruido que conducen a una baja relación señal-ruido (SNR) e imágenes de mala calidad10. Nuestro objetivo es proporcionar algunas pautas y protocolos de control de calidad (QC) concisos para garantizar la adquisición de datos de imágenes de alta calidad y solucionar algunos de los problemas más comunes que pueden surgir en la resonancia magnética de 129Xe. La información proporcionada aquí también es relevante para la resolución de problemas de helio-3 hiperpolarizado.

Protocolo

El protocolo que se describe a continuación se adhiere a las pautas y estándares establecidos por el Comité de Ética de Investigación Humana de la Universidad de Missouri, lo que garantiza la realización ética del estudio y la protección de los derechos, la seguridad y el bienestar de los participantes.

NOTA: Para garantizar la fiabilidad y precisión de los estudios de resonancia magnética de xenón hiperpolarizado, es crucial realizar una caracterización rigurosa de las imágenes adquiridas, seguir un protocolo integral y emplear estrategias eficaces de resolución de problemas. La sesión de imágenes implica varios pasos: hiperpolarización de gas, comunicación bobina/escáner 129Xe, espectroscopía 129Xe, adquisición de datos, reconstrucción de datos y análisis de imágenes. El protocolo comienza discutiendo estos pasos en detalle y destaca las precauciones necesarias y las estrategias de solución de problemas para optimizar el proceso de obtención de imágenes. Al seguir estos procedimientos e incorporar estrategias expertas de resolución de problemas, los investigadores pueden optimizar el proceso de obtención de imágenes y superar los desafíos que pueden surgir durante los estudios de resonancia magnética de xenón hiperpolarizado. A continuación, abordaremos las prácticas comunes de solución de problemas que pueden surgir en varios casos de datos subóptimos.

1. Pasos clave para un estudio completo de resonancia magnética HPG

Aquí presentamos una breve descripción de los procesos involucrados en una sesión típica de imágenes de 129X hiperpolarizadas. Las recomendaciones detalladas del protocolo del 129Xe Clinical Trials Consortium se encuentran en Niedbalski et al.11.

  1. Artículo 129Hiperpolarización Xe
    1. Asegúrese de que el hiperpolarizador 129Xe esté configurado y operativo de acuerdo con las pautas del fabricante o los protocolos específicos del laboratorio para polarizadores hechos a medida.
    2. Realice mediciones de relajación T1 utilizando la técnica de resonancia magnética nuclear (RMN) en una muestra representativa del gas HP 129Xe en la estación de medición HP. En un campo estable de 30 mT, el xenón en una bolsa de dosis de gas de 1 L debe tener una T1 de > 45 min.
      NOTA: Después de completar la medición de polarización, la bolsa de dosis HP 129Xe debe mantenerse dentro del campo magnético de la estación de medición HP para mantener su polarización hasta que esté lista para su transporte al escáner de RMN. La polarización decaerá de acuerdo con12,
      figure-protocol-1(1.1)
      donde P(t) es la polarización en el tiempo t, P0 es la polarización inicial y T1 es la tasa de decaimiento de la magnetización (sin considerar las pérdidas de polarización debidas a la excitación).
  2. Medición de la pérdida de polarización debida al transporte de gas
    1. Garantice una ruta directa y eficiente desde el punto de recogida de xenón hasta la sala de imanes donde se realizarán las imágenes.
    2. Minimice los retrasos durante el transporte de xenón HP para mantener la polarización, ya que la polarización decaerá rápidamente una vez que la dosis esté fuera del campo magnético que preserva la T1. Si la polarización disminuye en un 20% o más durante el transporte, utilice una maleta con blindaje magnético.
    3. Evite las señales de RF extrañas a lo largo de la ruta de transporte (por ejemplo, lector de tarjetas, láser, placa de acero inoxidable, etc.), ya que pueden contribuir a la pérdida de polarización.
    4. Mida la dosis inicial equivalente (DE) del gas HP 129Xe antes del transporte. DE viene dado por 11,
      figure-protocol-2(1.2)
      donde f129 es la fracción isotrópica de 129Xe, P129 es la polarización del espín nuclear de 129Xe y VXe es el volumen total de gas xenón.
    5. Transportar el gas desde la estación de medición hasta el orificio del imán y, a continuación, de vuelta por la misma ruta hasta la estación de polarimetría. Mida DE nuevamente después del viaje de ida y vuelta para cuantificar la pérdida de señal anticipada durante el transporte de gas. Si no interfieren señales de RF adicionales a lo largo de la ruta de transporte, la polarización estimada seguirá de cerca la curva de decaimiento T1 descrita en la ecuación 1.1.
  3. Bobina multinuclear (resonancia magnética de 129Xe)
    1. Coloque la bobina 129Xe correctamente en el imán para asegurar una orientación adecuada. Si se utiliza una bobina de cuadratura, evite la excitación anticuadratura, ya que puede causar una caída significativa de la señal en el centro del volumen de imagen.
      NOTA: La bobina de xenón debe adaptarse a una amplia gama de tamaños de tórax para adaptarse a las variaciones en el ajuste/carga de la bobina entre los sujetos y durante las diferentes fases de la respiración, lo que lleva a ángulos de giro variables en las exploraciones.
    2. Establezca una conexión física segura entre el enchufe de la bobina y el sistema MR a través del zócalo designado y configure el software de la bobina para especificar los núcleos permitidos (129Xe en nuestro caso).
    3. Divida la frecuencia de resonancia de protones bien caracterizada en el escáner de RM por 3,61529 para obtener la frecuencia de xenón11.
    4. Caracterizar los parámetros de la bobina (amplitud máxima de transmisión, amplitud de referencia del transmisor, tasa de absorción específica- SAR).
  4. Espectroscopía de medición de 129Xe
    1. Cree un fantasma de 129-xenón polarizado térmicamente.
      1. Conecte un recipiente a presión de vidrio a una bolsa llena de gas xenón, asegurando un tamaño de bolsa y un volumen de xenón adecuados para alinearse con la capacidad del recipiente.
      2. Sumerja el recipiente a presión en una pequeña cantidad de nitrógeno líquido (LN2) para permitir la difusión y congelación del xenón (consulte la Figura 1).
      3. Selle el recipiente después de que el xenón haya formado nieve congelada en el interior, luego deje que se descongele, presurizando el recipiente. Calcule la presión en el recipiente: P = (recipiente V +bolsa V)/recipiente V donde Vrecipiente es el volumen del recipiente y Vbolsa es el volumen del xenón en el saco.
        NOTA: A diferencia de las bolsas de gas hiperpolarizado (HPG), el recipiente 129Xe polarizado térmicamente no necesita ser purgado de oxígeno ni evacuado al vacío, ya que el oxígeno adicional reducirá el xenón T1, un efecto favorable en el maniquí polarizado térmicamente. Además, es importante asegurarse de que la presión del gas en el recipiente no exceda el límite de presión establecido por el fabricante. Con un maniquí de gas 129Xe, la frecuencia de xenón se puede medir en la consola de resonancia magnética. También están disponibles maniquíes de xenón comerciales para el control de calidad13.
    2. Detecte la frecuencia máxima con un maniquí de xenón polarizado térmicamente.
      1. Coloque el maniquí de xenón dentro de la bobina 129Xe y colóquelo de manera similar a la de un paciente cargado, ya que las diferencias en la geometría de la bobina pueden alterar sustancialmente el B1 entregado al maniquí (Figura 2).
        NOTA: Se recomienda que también se cargue un maniquí de agua adecuado para cargar correctamente la bobina.
      2. Realice una exploración con frecuencia de protones, ya que algunos escáneres pueden no permitir exploraciones multinucleares sin un localizador inicial de frecuencia de protones.
      3. Utilice un experimento de transmisión de banda ancha (si está disponible), de gran ancho de banda y lectura de alta resolución para detectar con precisión el pico de frecuencia de xenón. Un pulso de banda ancha excitará un alto rango de frecuencias, lo que garantiza que se pueda detectar la RMN de xenón.
      4. Una vez que se detecta un pico bien definido, registre la frecuencia con total precisión y repita el experimento en la nueva frecuencia con un ancho de banda bajo (~1000 Hz) para maximizar la relación señal-ruido (SNR) y la precisión de la frecuencia máxima (Figura 3).
      5. Una vez que se detecta un pico satisfactorio de alta señal, guarde el protocolo para futuras pruebas de control de calidad.
        NOTA: La ubicación geométrica precisa de la bobina en el escáner proporciona un escaneo de espectroscopia de referencia, que se puede replicar en el futuro para identificar problemas emergentes si se observa que la SNR empeora. El fantasma en sí mismo puede ser fotografiado directamente, aunque puede requerir múltiples adquisiciones para construir suficiente señal para la reconstrucción de la imagen y puede no proporcionar una estimación justa de la SNR alcanzable, ya que generalmente se requieren ángulos de giro más altos. Una bolsa preparada de xenón hiperpolarizado es la mejor opción para probar el protocolo de imagen deseado con parámetros de imagen in vivo .
  5. Obtención de imágenes de HP 129Xe con una bolsa de prueba
    1. Utilice una pequeña cantidad de HP 129Xe (>300 ml) para la obtención de imágenes, que esté bien concentrada y libre de oxígeno.
    2. Mida el 129Xe DE con precisión inmediatamente antes de la obtención de imágenes.
    3. Ajuste el protocolo de imagen de prueba para reflejar lo más fielmente posible los parámetros in vivo deseados11.
    4. Adquiera y guarde la imagen de la bolsa de xenón como medida de referencia del rendimiento del escáner.
    5. Mida y registre la SNR de las imágenes adquiridas junto con todos los parámetros de escaneo y el DE de xenón. La SNR aceptable para un escaneo GRE 2D puede variar según el sitio, pero normalmente debe ser de alrededor de 30 o más, con un umbral mínimo de 15 para el análisis de imágenes posterior11.
    6. Para medir el ángulo de giro (FA), α, realice un escaneo de eco de gradiente estropeado a volumen completo en el que se visualice el campo de visión dos veces seguidas (con FA ≈ 8-10°), utilizando parámetros de secuencia idénticos y sin espacio entre el final de la primera imagen y el comienzo de la segunda. Mida la SNR en el desplazamiento de CC de las dos imágenes, S0 y S1, cuente el número de pasos de codificación de fase, n, y calcule el mapa de ángulo de volteo de la siguiente manera 14:
      figure-protocol-3(1.3)
      NOTAS: Los parámetros comunes para la resonancia magnética in vivo HP 129Xe, así como un método de calibración de ángulo de giro más complicado pero muy preciso (experimento de pulso/adquisición de disparos múltiples), se dan en Niedbalski et al.11.
  6. In vivo Imágenes de HP 129Xe
    1. Proporcione un entrenamiento adecuado al sujeto con respecto a las técnicas de contención de la respiración y permita que el sujeto practique el procedimiento de inhalación usando una bolsa de aire antes de introducir la bolsa HP 129Xe.
    2. Instruya al sujeto para que realice una serie de inhalaciones y exhalaciones con aire ambiente, seguidas de una inhalación profunda de gas HP 129Xe, contención de la respiración e inicio de la exploración (un método comúnmente utilizado). Vigile de cerca el movimiento del pecho del sujeto para asegurarse de que la respiración permanezca sincronizada con las instrucciones proporcionadas.
      NOTA: Actualmente se emplean varios métodos de entrenamiento para los procedimientos de apnea, y es probable que un futuro documento del consorcio establezca una declaración de consenso al respecto.
    3. Use pinzas nasales para evitar la inhalación nasal del gas durante la retención de la respiración.
    4. Después de las imágenes de apnea, instruya a los sujetos para que respiren profundamente para eliminar el xenón de los pulmones y resolver cualquier efecto secundario temporal11.
    5. Para aquellos que buscan imágenes de xenón en fase disuelta, tenga en cuenta que el volumen de inhalación del sujeto probablemente afecta sustancialmente los datos adquiridos de fase disuelta15.
  7. Reconstrucción y análisis de datos
    1. Exporte datos "sin procesar" desde el escáner, generalmente en forma de una lista de datos complejos en orden de adquisición de lectura.
    2. Para trayectorias de espacio k adquiridas rectilinamente, cada punto de datos complejo corresponde a una frecuencia entera en el espacio k bidimensional (2D) o tridimensional (3D). Reconstruya la imagen utilizando una transformada de Fourier (FFT) simple y rápida para trayectorias rectilíneas.
    3. En el caso de trayectorias no rectilíneas (por ejemplo, datos radiales o espirales), realice una "cuadrícula" de datos para interpolar o convolucionar datos complejos en bins enteros antes de la FFT posterior. Examine los datos antes de realizar la cuadrícula, si es necesario, para garantizar la precisión y evitar posibles artefactos.
      NOTA: La FFT de los datos sin procesar del espacio k puede producir imágenes similares, pero no idénticas, a las imágenes DICOM reconstruidas por el escáner, ya que el escáner corrige aún más las imágenes reconstruidas en función de las no linealidades conocidas en el comportamiento del gradiente. Estos efectos son generalmente pequeños, pero pueden ser más pronunciados en los bordes del volumen de imágenes del escáner, especialmente cuando se obtienen imágenes de órganos grandes como los pulmones. Se recomienda utilizar la imagen reconstruida por escáner (si está disponible) para el procesamiento posterior.

2. Pasos para la solución de problemas

NOTA: Si bien el protocolo describe algunos procedimientos de control de calidad (QC) en la RMN hiperpolarizada de 129Xe, es posible que sea necesario solucionar problemas debido a problemas, anomalías y desafíos emergentes. Cualquier error o paso en falso en el proceso puede tener un efecto dominó, afectando a los pasos posteriores y dando lugar a problemas como imágenes faltantes o de baja calidad con baja intensidad de señal, altos niveles de ruido o pérdida completa de la señal. Para hacer frente a estos desafíos, se deben emplear enfoques estratégicos para identificar e investigar los problemas en detalle.

  1. Preparación de la bolsa de dosis HP 129Xe para control de calidad
    1. Prepare con cuidado una cantidad precisa de gas xenón para la bolsa de xenón de control, tomando nota del nitrógeno mezclado con ella.
    2. Tome imágenes de la bolsa de xenón en el escáner de resonancia magnética y realice mediciones precisas de polarización antes y después de la sesión de imágenes para obtener comparaciones confiables.
    3. Utilice la misma secuencia de imágenes para todas las exploraciones de control de calidad para facilitar comparaciones fiables.
    4. Tenga en cuenta los valores de DE de xenón antes y después de realizar todos los escaneos de control de calidad para permitir futuras comparaciones.
  2. Caracterización del ruido sistémico
    1. Cree un perfil de ruido de control para fines de control de calidad. Utilice una secuencia GRE 2D personalizada específica que incluya un alto campo de visión (FOV; 400-500 mm) para capturar la señal máxima del área, un ancho de banda alto por píxel (el máximo disponible o al menos >50 kHz) para identificar las resonancias de ruido cercanas y el menor tiempo de repetición (TR) y tiempo de eco (TE) posibles11, 13. Adquiera el control de calidad para el perfil de ruido utilizando un chaleco de xenón o una bobina de bucle.
    2. Obtenga una imagen sin muestra (HP 129Xe) en la bobina. Esta imagen caracterizará el perfil de ruido.
    3. Examine los datos de ruido adquiridos, en particular el espacio k, en busca de elementos no gaussianos, como picos, patrones o valores discretizados/agrupados.
    4. Cree un gráfico QQ representando los datos reales/imaginarios adquiridos con un conjunto de datos gaussianos sintetizado (con la función de generación de números aleatorios adecuada) con la media, la desviación estándar y la longitud del vector idénticas, ambas ordenadas de menor a mayor. Las desviaciones de la línea y = x en el gráfico QQ indican la presencia de componentes no gaussianos dentro de los datos adquiridos, lo que requiere una mayor investigación. (Figura 4).
      NOTA: Un diagrama cuantil-cuantil (diagrama QQ) puede proporcionar información sobre si dos conjuntos de datos exhiben distribuciones similares. La comparación de los datos con un conjunto de datos distribuidos normalmente permite evaluar si la distribución es gaussiana o no. El protocolo asume que la parte real e imaginaria del espacio-k se aproxima a una distribución gaussiana en ausencia de una muestra.
    5. Identifique el patrón de distribución del ruido y los posibles valores atípicos con un gráfico de elección adecuado (utilice el criterio de Chauvenet si es necesario16).
    6. Clasifique el ruido en tipos regulares e irregulares en función de sus características (véanse los pasos 2.3 y 2.4).
      NOTA: El ruido normal implica patrones que aparecen regularmente en la lectura o en los datos del espacio k. El ruido irregular parece relativamente aleatorio y, a menudo, tiene una alta intensidad sin un patrón de tiempo discernible, pero no demuestra un perfil gaussiano como el inevitable ruido térmico.
  3. Detección de ruido regular
    1. Para descartar el escáner como fuente de ruido, adquiera imágenes utilizando el protocolo de sitio estándar con varios parámetros de secuencia de pulsos desactivados y los componentes electrónicos apagados. Por ejemplo, si una bobina de gradiente en particular emite ruido, los gradientes deben apagarse antes de ejecutar el escaneo para examinar si el ruido se resuelve.
      NOTA: Por lo general, el apagado del gradiente requiere un acceso elevado a la consola del escáner y puede requerir la presencia de un ingeniero de servicio. En última instancia, una secuencia en la que el espectrómetro multinuclear está activo, pero no se alimentan gradientes y no se suministra RF debería ser suficiente para determinar si se origina un problema de ruido dentro de estos componentes.
    2. Elimine las fuentes de ruido de la habitación y, posteriormente, identifique los posibles orígenes del ruido regular.
      NOTA: Las fuentes de ruido pueden incluir componentes electrónicos como inyectores de contraste, botones de código, sensores, monitores de signos vitales, componentes del escáner (p. ej., láser de posicionamiento, mecanoelectrónica de cama, ventiladores, luces) o guías de ondas entre las paredes de la consola/imán.
    3. Utilice una bobina de bucle de superficie simple sintonizada a la frecuencia 129Xe para "olfatear" alrededor de la sala de imanes en busca de fuentes de ruido. Coloque físicamente el elemento de la bobina de xenón cerca de dispositivos potencialmente problemáticos y ejecute una secuencia de prueba (consulte el paso 2.2.1) para detectar ruido amplificado.
    4. Examine el espacio k y los datos de la imagen para identificar la fuente exacta del ruido de coherencia.
    5. Si se identifica una fuente específica, intente desactivarla o cúbrala con papel de aluminio/tapajuntas o una malla de cobre para reducir el ruido.
    6. Vuelva a ejecutar el análisis después de deshabilitar o cubrir las fuentes de ruido para ver si el ruido se resuelve. Continúe este proceso hasta que se eliminen todas las fuentes de ruido, dejando solo el ruido gaussiano de raíz cuadrada media (RMS) bajo.
  4. Detección de ruido irregular
    1. Identifique el ruido irregular como "picos" de señal alta en píxeles individuales del espacio k con señales anormalmente altas o bajas en los canales reales o imaginarios.
      NOTA: Los picos del espacio K a menudo dan como resultado imágenes con patrones de rayas o "pana" (Figura 5). La presencia de valores altos o picos en los datos del espacio k a menudo puede conducir a la aparición de un patrón de rayas en el espacio de la imagen. Este fenómeno se asocia con frecuencia con problemas relacionados con el gradiente.
    2. Elimine los posibles problemas con los degradados X, Y o Z identificando la dirección responsable del patrón de rayas (Figura 5). Realice imágenes en diferentes orientaciones de codificación de fase, incluidas las de anterior a posterior, de la cabeza a los pies y de izquierda a derecha.
    3. Examine sistemáticamente las imágenes resultantes en cada orientación para identificar qué dirección de degradado específica está contribuyendo al patrón de rayas. Si es necesario, póngase en contacto con el ingeniero clínico del centro para activar y desactivar selectivamente los gradientes individuales, lo que permite identificar la fuente de cualquier pico de ruido.
  5. Sin señal
    NOTA: Cuando se encuentra una situación en la que no se observa ninguna señal después de la adquisición en estudios de resonancia magnética HPG, se puede llevar a cabo un enfoque sistemático de solución de problemas. Aquí hay algunas recomendaciones para abordar este problema,
    1. Verifique la bobina de xenón y la conexión.
      1. Asegúrese de que la bobina de xenón esté seleccionada en el escáner de resonancia magnética y conectada correctamente.
      2. El movimiento del paciente durante la exploración puede provocar la desconexión de la bobina, así que inspeccione cuidadosamente la conexión de la bobina.
      3. Compruebe si la puerta del escáner de resonancia magnética está bien cerrada, ya que una puerta abierta puede permitir que la RF externa entre en la sala de imanes.
      4. Realice una espectroscopia en el maniquí de xenón (ver sección 1.4.2) y verifique la altura del pico de xenón y el umbral de ruido de la espectroscopia. Utilice un ángulo de giro de 90° para garantizar la presencia de un pico de xenón. Calcule la señal máxima asociada con la excitación de 90° y compare el voltaje/potencia con los resultados del escaneo de control de calidad.
    2. Evalúe la bobina de xenón.
      1. Prepare una pequeña bolsa de xenón y mida la polarización en la estación de medición.
      2. Imagine la bolsa con un simple escaneo GRE 2D en una bolsa HP 129Xe con los siguientes parámetros: ángulo de giro más alto de 90° (ajuste la duración del pulso si es necesario a medida que la duración del pulso dicte el ancho de banda de transmisión [BW]), use voltaje de referencia basado en el control de calidad anterior de un maniquí, un campo de visión alto y un blanco profundo bajo, mientras mantiene baja la resolución base.
      3. Mida la polarización de nuevo en la estación de medición. Si la polarización no disminuye significativamente, sugiere un problema potencial con el transmisor o amplificador de la bobina de xenón.
        NOTA: El nivel de polarización experimenta una disminución gradual debido a la desintegración de T1 a lo largo de este proceso, independientemente del éxito de los pulsos de excitación de la bobina del chaleco de xenón. Por lo tanto, se sugiere un FA alto de 90 ° para observar una disminución de polarización suficiente causada por el pulso de excitación para descartar el problema de funcionalidad del transmisor de bobina de xenón. Si la polarización disminuye significativamente, pero no se detecta ninguna señal en la imagen, se indica un problema con el receptor de la bobina de xenón.
    3. Análisis exhaustivo
      1. Analice los datos del espacio k y del espacio de imagen para examinar cualquier anomalía o inconsistencia.
      2. Compare los datos adquiridos con escaneos anteriores o datos de referencia para identificar posibles diferencias o desviaciones.
  6. Discretización de los datos
    1. Compruebe la discretización de los datos (Figura 6).
      NOTA: Cuando los voltajes de la bobina son registrados por el espectrómetro del escáner, se amplifican a niveles apropiados para garantizar que se emplee el rango dinámico completo del espectrómetro y se logre la más alta fidelidad. La señal se discretiza temporalmente de acuerdo con el ancho de banda de lectura, que es inversamente proporcional al tiempo de permanencia del punto de datos, y los valores de voltaje analógico registrados se digitalizan en "contenedores" de señal discretos determinados por la profundidad de bits del espectrómetro. La amplificación adecuada de la señal entrante para abarcar toda la profundidad de bits requiere que el usuario haya proporcionado los valores correctos de voltaje/amplificación/escala de la bobina. En algunos escáneres, no se permitirá un escaneo de imágenes hasta que se realicen pulsos de preparación a la frecuencia objetivo, un proceso que debe evitarse para estudios hiperpolarizados, ya que la RF adicional reducirá la polarización y aumentará el tiempo de retención de la respiración. Si el espectrómetro está mal calibrado o no amplifica adecuadamente la señal, los datos registrados pueden discretizarse de forma gruesa: solo un pequeño porcentaje de los intervalos de amplitud se rellenan con puntos de datos digitalizados. La discretización de datos también puede afectar al contenido de la información mediante la introducción de errores de cuantificación y la pérdida de detalles finos. La discretización de datos también puede introducir artefactos, comprometer la SNR y limitar la capacidad de analizar con precisión los cambios fisiológicos. Es importante destacar que la discretización gruesa de los datos del espacio k puede no prohibir la producción de una imagen aparentemente satisfactoria (Figura 6).
    2. Optimice los parámetros de adquisición y emplee algoritmos de reconstrucción adecuados para reducir la discretización de los datos.
    3. Mejore el hardware y utilice técnicas como frecuencias de muestreo más altas, métodos avanzados de interpolación y estrategias de reducción de ruido para mitigar los efectos negativos de la discretización de datos.

Resultados

La Fig. 4 muestra los resultados del análisis de caracterización de ruido realizado en el escaneo de ruido. El gráfico muestra el impacto del ruido regular e irregular en el espacio k, donde se observa la desviación de la línea de referencia ideal y=x. El ruido regular conduce a un patrón continuo en el espacio k, mientras que el ruido irregular da como resultado valores atípicos de alto valor en el gráfico QQ.

Pasando a la Figura 5, se presenta una serie de imágenes pulmonares adquiridas mediante RM HPG. La fila superior muestra ejemplos en el espacio de la imagen, incluido un escaneo de referencia, una imagen pulmonar afectada por ruido regular y/o irregular y una imagen sin señal. La fila inferior muestra las representaciones correspondientes del módulo del espacio k.

En la Figura 5A, un punto brillante distintivo está centrado en el espacio k, lo que indica una señal pulmonar clara con poco ruido. Por el contrario, la Figura 5B muestra la presencia de ruido regular (ruido gaussiano) repartido por todas las imágenes. En la Figura 5C, el ruido irregular es evidente, lo que provoca picos de alto valor en el espacio k y da lugar a un patrón de rayas en el espacio de la imagen. La figura 5D ilustra un escenario en el que los ruidos regulares e irregulares están presentes simultáneamente, lo que afecta a la imagen pulmonar. Por último, la figura 5E representa un caso en el que no se detecta ninguna señal en la imagen pulmonar adquirida.

La figura 6 ilustra un ejemplo de discretización de datos gruesos en comparación con datos de espacio k escalados correctamente. Al calcular la SNR, se hace evidente que los datos discretizados exhiben un nivel de señal bajo.

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Figura 1: Ilustración de la creación de un maniquí de xenón. El recipiente a presión se coloca en una pequeña cantidad de nitrógeno líquido para que el xenón se congele a unos -203,15 °C (70 K). Una bolsa de 129Xe está conectada directamente al recipiente. A medida que el xenón se difunde en el recipiente, se congela al tocar las paredes frías, creando una estructura congelada similar a la nieve. Una vez que está completamente congelado, el recipiente se sella y se permite que el xenón se descongele, lo que resulta en un aumento de la presión dentro del recipiente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 2: Disposición para espectroscopia. (A) Maniquí de 129-xenón colocado entre dos maniquíes de protones, todos encerrados dentro de una bobina de chaleco de 129Xe. (B) Asegure la bobina del chaleco de xenón con correas. (C) Inserte el conjunto en el orificio del imán para su localización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 3: Respuesta de la señal en relación con la excitación de ancho de banda variable a una frecuencia de xenón constante (34.081.645 Hz). El aumento del ancho de banda da como resultado un piso de ruido más alto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 4: Tres tipos de escaneos de ruido: ruido aceptable, regular e irregular. (A) El panel A muestra la representación del módulo del espacio k de cada patrón de ruido, con el ruido normal que muestra un patrón de rayas y el ruido irregular que muestra picos (puntos brillantes). (B) Histograma de las partes real e imaginaria de los datos del espacio k para cada exploración de ruido. (C) El gráfico QQ de los componentes reales/imaginarios de los datos del espacio k, comparando el conjunto de datos adquirido con un conjunto de datos distribuido normalmente de igual media y desviación estándar en orden ascendente. La línea roja representa la línea de referencia y = x. Las desviaciones de esta línea indican la presencia de componentes no gaussianos dentro de los datos adquiridos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 5: Ilustración de diferentes patrones de ruido en imágenes pulmonares HPG 129Xe. La fila superior muestra ejemplos del espacio de imagen, incluida una exploración de referencia, una imagen pulmonar con ruido regular y/o irregular y una imagen sin señal. La fila inferior muestra las representaciones correspondientes del módulo del espacio k. En la imagen con la señal, un punto brillante está centrado en el espacio k, que representa la señal pulmonar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 6: Ilustración del efecto de la precisión digital alta/baja en los datos reconstruidos de la bolsa de prueba 129Xe. Para la imagen de alta precisión digital (fila superior), la imagen tiene una SNR alta de 600, y el módulo dela fila 55 del espacio K muestra una curva suave que muestra detalles finos de los datos. Sin embargo, en la imagen de baja precisión digital (fila inferior), los puntos de datos individuales se "agrupan" a un número limitado de niveles digitales que cubren el rango de la señal, lo que da como resultado una reducción de la SNR (SNR = 98) en la imagen reconstruida. Este problema solo puede identificarse mediante un examen cuidadoso de los datos de la señal en bruto, ya que no impide la producción de una imagen aparentemente satisfactoria. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discusión

La capacidad de solucionar problemas de resonancia magnética 129Xe es una habilidad necesaria y puede ayudar a mitigar los problemas en tiempo real. Hasta que se pueda comprar una infraestructura de gas hiperpolarizado a una sola parte y obtener el apoyo de los fabricantes de escáneres, estas tareas de control de calidad son responsabilidad exclusiva de los laboratorios individuales. El objetivo de este manuscrito es proporcionar al lector prácticas y sugerencias útiles para el inevitable evento de una mala adquisición de datos. Si bien intentamos abordar tantos problemas potenciales como sea posible, muchos otros desafíos en la resonancia magnética 129Xe son específicos del fabricante del escáner y no se pueden discutir en detalle debido a restricciones de propiedad intelectual. Sin embargo, el Consorcio de Ensayos Clínicos de 129Xe, una comunidad con el objetivo expreso de desarrollar ensayos multicéntricos utilizando la resonancia magnética de 129Xe, está formado por muchos participantes en el centro y expertos veteranos con experiencia en la puesta en marcha de la resonancia magnética de 129Xe en múltiples plataformas y software17. Se recomienda ponerse en contacto con cualquiera de los participantes del sitio con cualquier pregunta sobre la implementación y/o la solución de problemas que no se aborde aquí.

Se deben realizar comprobaciones periódicas del rendimiento de la bobina para identificar indicios tempranos de disminución de la señal o problemas de ruido emergentes. Estas comprobaciones implican el examen de la interfaz de la bobina y las conexiones internas, así como la evaluación del impacto potencial de las caídas o el peso excesivo en la bobina. Además de las inspecciones físicas, comparar los escaneos de espectroscopia con frecuencia puede ayudar a identificar problemas con el rendimiento de la bobina. Dado que la funcionalidad multinuclear del sistema de resonancia magnética es un componente compartido con la instalación de protones, cualquier dispositivo o equipo recién introducido en la sala magnética debe someterse a pruebas para evitar posibles interferencias en la frecuencia de xenón. Además de las consideraciones técnicas, debe prestarse atención a los detalles en los procedimientos experimentales. Esto abarca el entrenamiento eficaz de los sujetos, la garantía de una comunicación clara con los coordinadores del estudio y el posicionamiento preciso de la bolsa de xenón durante los escaneos de control de calidad. Estos detalles aparentemente menores no deben pasarse por alto, ya que pueden mejorar sustancialmente la calidad de la imagen y los resultados generales del estudio.

El protocolo presentado en este artículo ofrece a los investigadores un marco integral para identificar y abordar posibles problemas durante el proceso de obtención de imágenes. Al seguir sistemáticamente los pasos de solución de problemas, los investigadores pueden optimizar la calidad de la imagen, mejorar la precisión de los datos y avanzar en el campo de la resonancia magnética de xenón hiperpolarizada. El refinamiento y la adaptación continuos de estas estrategias de resolución de problemas, junto con los avances en la tecnología de imágenes, contribuirán a mejorar aún más la calidad y la fiabilidad de los estudios de resonancia magnética de xenón hiperpolarizado.

Divulgaciones

Robert Thomen ha brindado consultoría a Polarean, LLC.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Estación de medición de polarización Polerean42881https://polarean.com/
Recipiente a presión con válvula de émboloAce glass8648-85https://www.aceglass.com/html/3dissues/Pressure_Vessels/offline/download.pdf
Bolsa TedlarJensen inerteGST381S-0707TJO   http://www.jenseninert.com/
Hiperpolarizador de xenón 9820Polerean49820https://polarean.com/
Bobina de bucle de xenónSoluciones clínicas de resonanciamagnética Dispositivo personalizadohttps://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc
Bobina de chaleco de xenónSoluciones clínicas de resonanciamagnética Dispositivo personalizadohttps://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc

Referencias

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  16. Ni, W., Qi, J., Liu, L., Li, S. A pulse signal preprocessing method based on the Chauvenet criterion. Computational and Mathematical Methods in Medicine. 2019, 2067196(2019).
  17. 129Xe MRI Clinical Trials Consortium. , https://www.129xectc.org (2023).

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