כאן, אנו מציגים פרוטוקול לקבלת תמונות תהודה מגנטית באיכות גבוהה מסוג קסנון היפרפולרי, המכסה חומרה, תוכנה, רכישת נתונים, בחירת רצפים, ניהול נתונים, ניצול מרחב k וניתוח רעשים.
מאמר שיטה
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לקבלת תמונות תהודה מגנטית באיכות גבוהה מסוג קסנון היפרפולרי, המכסה חומרה, תוכנה, רכישת נתונים, בחירת רצפים, ניהול נתונים, ניצול מרחב k וניתוח רעשים.
דימות תהודה מגנטית קסנון היפרפולרי (HP) (129Xe MRI) הוא שיטת הדמיה שאושרה לאחרונה על ידי מנהל התרופות הפדרלי (FDA) המפיקה תמונות ברזולוציה גבוהה של נשימה בשאיפה של גז קסנון לחקר תפקוד הריאות. עם זאת, יישום 129Xe MRI הוא מאתגר במיוחד מכיוון שהוא דורש חומרה וציוד מיוחדים להיפרפולריזציה, רכישת סלילי הדמיה קסנון ותוכנת סלילים, פיתוח והידור של רצפי דימות MR רב-גרעיניים, ושחזור/ניתוח של נתונים שנרכשו. ללא מומחיות מתאימה, משימות אלה יכולות להיות מרתיעות, וכישלון בהשגת תמונות באיכות גבוהה יכול להיות מתסכל ויקר. כאן, אנו מציגים כמה פרוטוקולי בקרת איכות (QC), שיטות פתרון בעיות וכלים מועילים עבור129אתרי MRI Xe, שעשויים לסייע בהשגת נתונים אופטימליים באיכות גבוהה ותוצאות מדויקות. הדיון יתחיל בסקירה כללית של התהליך ליישום HP 129Xe MRI, כולל דרישות למעבדת היפרפולרייזרים, שילוב חומרה/תוכנה של סליל MRI 129Xe, שיקולי איסוף נתונים ורצף, מבני נתונים, מאפייני מרחב k ותמונה ומאפייני אות ורעש שנמדדו. בתוך כל אחד מהשלבים ההכרחיים הללו טמונות הזדמנויות לשגיאות, אתגרים והתרחשויות שליליות המובילות לאיכות תמונה ירודה או הדמיה כושלת, ומצגת זו נועדה לטפל בכמה מהבעיות הנפוצות יותר. בפרט, זיהוי ואפיון של דפוסי רעש חריגים בנתונים שנרכשו נחוצים כדי למנוע תוצרי תמונה ותמונות באיכות נמוכה; יינתנו דוגמאות, ויידונו אסטרטגיות מיתון. אנו שואפים להפוך את תהליך היישום של 129Xe MRI לקל יותר עבור אתרים חדשים תוך מתן כמה הנחיות ואסטרטגיות לפתרון בעיות בזמן אמת.
במשך יותר ממאה שנה, הערכת תפקודי ריאות הסתמכה בעיקר על מדידות גלובליות מספירומטריה ופלטיסמוגרפיה של הגוף. עם זאת, בדיקות תפקודי ריאות מסורתיות אלה (PFTs) מוגבלות ביכולתן ללכוד את הניואנסים האזוריים של המחלה בשלב מוקדם ושינויים עדינים ברקמת הריאה1. רפואה גרעינית עם רדיוטרייסרים נשאפים נמצאת בשימוש נרחב להערכת אי התאמות אוורור / זילוח הקשורות בדרך כלל לאמבולי ריאתי, אך זה כרוך בקרינה מייננת ומניב רזולוציה נמוכה יותר. לעומת זאת, טומוגרפיה ממוחשבת (CT) התפתחה כתקן הזהב לדימות ריאות, ומציעה בהירות מרחבית וזמנית יוצאת דופן בהשוואה לדימות גרעיני2. בעוד שסריקות CT במינון נמוך יכולות להפחית את החשיפה לקרינה, עדיין יש לשקול סיכון פוטנציאלי לקרינה 3,4. MRI פרוטון של הריאה אינו שכיח עקב צפיפות רקמה נמוכה של הריאה ודעיכת אות מהירה מרקמת הריאה, אם כי ההתקדמות האחרונה מציעה מידע פונקציונלי למרות אות נמוך פוטנציאלי. מצד שני, דימות תהודה מגנטית קסנון היפרפולרי (HP 129Xe MRI) הוא שיטה לא פולשנית המאפשרת הדמיה של תפקוד ריאות עם ספציפיות אזורית 5,6. הוא מייצר מגנטיזציה גרעינית גבוהה של הגז בכמויות של ליטר. לאחר מכן הגז האינרטי נשאף על ידי נבדק בתוך סורק MR למשך נשימה אחת והוא מצולם ישירות על ידי הסורק. לפיכך, הגז הנשאף מצולם ישירות בניגוד לרקמה עצמה. טכניקה זו שימשה להערכת אוורור ריאות במחלות רבות, כולל אסטמה, מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD), סיסטיק פיברוזיס, פיברוזיס ריאתי אידיופתי, מחלת קורונה 2019 (COVID-19), ועודרבים אחרים 3. בדצמבר 2022, HP 129Xe MRI אושר על ידי ה- FDA האמריקאי כחומר ניגוד אוורור MRI לשימוש בארצות הברית (ארה"ב) במבוגרים ובילדים בגילאי 12 שנים ומעלה7. רופאים יכולים כעת להשתמש ב- 129Xe MRI כדי לטפל טוב יותר בחולים עם תוכניות טיפול משופרות / מותאמות אישית.
מבחינה היסטורית, MRI קליני מתמקד אך ורק בהדמיה של גרעיני מימן (פרוטונים) הנמצאים בשפע כמעט בכל הקרביים האנושיים. סורקי MRI, רצפים ובקרת איכות מתוחזקים בדרך כלל על ידי יצרן הסורק כחלק מרישיון האתר והאחריות. עם זאת, 129Xe דורש סורק MR רב-גרעיני ודרש צוות מחקר ייעודי כדי להפעיל את ההיפרפולרייזר, סלילי גלי רדיו (RF) מותאמים אישית, רצפי פולסים ייעודיים ותוכנת שחזור/ניתוח לא מקוונת. כל אחד מהרכיבים הללו יכול להיות מסופק על ידי ספקי צד שלישי או מפותח בתוך החברה. לפיכך, נטל בקרת האיכות מוטל בדרך כלל על צוות המחקר של 129Xe ולא על יצרן הסורק או צד שלישי בודד. רכישה עקבית של נתוני 129Xe באיכות גבוהה היא אפוא מאתגרת באופן ייחודי, שכן כל רכיב בתהליך 129Xe MRI מציג את הפוטנציאל לטעות, אשר חייב להיות במעקב צמוד על ידי צוות 129Xe. לא רק שמצבים אלה יכולים להיות מתסכלים מאוד מכיוון שהחוקרים צריכים לפתור ולחקור סיבות אפשריות לכל אתגר שעשוי להתעורר, אלא שהם יכולים להיות יקרים מאוד מכיוון שזה מאט את הדימות של המטופלים ואת גיוס הנבדקים. חלק מהעלויות הכרוכות בפתרון בעיות כרוכות בעלויות זמן MRI, היפרפולריזציה של 129Xe, הכוללת צריכת גזים שונים, ושימוש בחומרים. בנוסף, עם אישור ה- FDA האחרון והצמיחה בהדמיה של 129Xe, יש צורך במתן פרוטוקול סטנדרטי לבקרת איכות כדי למנוע בעיות נפוצות ועיכובים בפעולת 129Xe 8,9.
כאן, אנו מציגים כמה מהבעיות הנפוצות ביותר ב- MRI 129Xe, כולל כשלים בסליל RF, הופעתם של פרופילי רעש שונים המובילים ליחס אות לרעש נמוך (SNR), ותמונות באיכות ירודה10. אנו שואפים לספק כמה הנחיות ופרוטוקולים תמציתיים לבקרת איכות (QC) כדי להבטיח רכישה של נתוני תמונה באיכות גבוהה ולפתור כמה מהבעיות הנפוצות יותר שעלולות להתעורר ב- 129Xe MRI. התובנות המובאות כאן רלוונטיות גם לפתרון בעיות בהליום-3 היפרפולרי.
הפרוטוקול המתואר להלן עומד בהנחיות ובסטנדרטים שנקבעו על ידי ועדת האתיקה של המחקר האנושי באוניברסיטת מיזורי, ומבטיח את ההתנהגות האתית של המחקר ואת ההגנה על זכויות המשתתפים, בטיחותם ורווחתם.
הערה: כדי להבטיח את האמינות והדיוק של מחקרי MRI קסנון היפרפולרי, חיוני לבצע אפיון קפדני של תמונות שנרכשו, לעקוב אחר פרוטוקול מקיף ולהשתמש באסטרטגיות פתרון בעיות יעילות. מפגש ההדמיה כולל מספר שלבים: היפרפולריזציה של גזים, תקשורת סליל / סורק 129Xe, ספקטרוסקופיית 129Xe, השגת נתונים, שחזור נתונים וניתוח תמונה. הפרוטוקול מתחיל בדיון מפורט בשלבים אלה ומדגיש את אמצעי הזהירות הדרושים ואת אסטרטגיות פתרון הבעיות כדי לייעל את תהליך ההדמיה. על ידי ביצוע הליכים אלה ושילוב אסטרטגיות פתרון בעיות של מומחים, חוקרים יכולים לייעל את תהליך ההדמיה ולהתגבר על אתגרים שעלולים להתעורר במהלך מחקרי MRI קסנון היפרפולרי. לאחר מכן נתייחס לנוהלי פתרון בעיות נפוצים שעשויים להתעורר במספר מקרים של נתונים לא אופטימליים.
1. שלבים עיקריים למחקר מקיף של HPG MRI
כאן הצגנו סקירה קצרה של תהליכים המעורבים בסשן הדמיה טיפוסי של 129Xe היפרפולרי. המלצות פרוטוקול מפורטות מקונסורציום 129הניסויים הקליניים Xe ניתנות ב- Niedbalski et al.11.
(1.1)
(1.2)
(1.3)2. שלבים לפתרון בעיות
הערה: בעוד שהפרוטוקול תיאר כמה הליכי בקרת איכות (QC) ב- MRI 129Xe היפרפולרי, ייתכן שיהיה צורך בפתרון בעיות עקב בעיות חירום, אנומליות ואתגרים. שגיאות או טעויות בתהליך יכולות להשפיע על השלבים הבאים, להשפיע על השלבים הבאים ולהוביל לבעיות כגון תמונות חסרות או באיכות נמוכה עם עוצמת אות נמוכה, רמות רעש גבוהות או אובדן אות מלא. כדי להתמודד עם אתגרים אלה, יש להשתמש בגישות אסטרטגיות כדי לזהות ולחקור את הבעיות בפירוט.
איור 4 מתאר את תוצאות ניתוח אפיון הרעש שבוצע בסריקת הרעש. העלילה מדגימה את ההשפעה של רעש רגיל ולא סדיר על מרחב k, שבו נצפתה סטייה מקו הייחוס האידיאלי y=x. רעש רגיל מוביל לתבנית רציפה במרחב k, בעוד רעש לא סדיר גורם לחריגות בעלות ערך גבוה בתרשים QQ.
בהמשך לאיור 5, מוצגת סדרה של תמונות ריאה שנרכשו באמצעות HPG MRI. השורה העליונה מציגה דוגמאות במרחב התמונה, כולל סריקת ייחוס, תמונת ריאות המושפעת מרעש רגיל ו/או לא סדיר, ותמונה ללא קליטה. השורה התחתונה מציגה את ייצוגי המודולוס המתאימים של מרחב k.
באיור 5A, נקודה בהירה ברורה ממורכזת במרחב k, מה שמצביע על אות ריאתי ברור עם רעש נמוך. לעומת זאת, איור 5B מראה נוכחות של רעש רגיל (רעש גאוסיאני) המפוזר לאורך התמונות. באיור 5C ניכר רעש לא סדיר, הגורם לקפיצות בעלות ערך גבוה במרחב k וכתוצאה מכך לתבנית פסים במרחב התמונה. איור 5D מדגים תרחיש שבו רעשים רגילים ולא סדירים נוכחים בו זמנית, ומשפיעים על תמונת הריאות. לבסוף, איור 5E מייצג מקרה שבו לא מזוהה אות בתמונת הריאה הנרכשת.
איור 6 מדגים מופע של דיסקרטיזציה גסה של נתונים בהשוואה לנתונים בקנה מידה תקין של מרחב k. עם חישוב SNR, מתברר כי הנתונים הדיסקרטיים מציגים רמת אות נמוכה.

איור 1: איור של יצירת פנטום קסנון. כלי הלחץ ממוקם בכמות קטנה של חנקן נוזלי כדי לגרום לקסנון לקפוא בסביבות -203.15 ° C (70 K). שקית של 129Xe מחוברת ישירות לכלי. כאשר הקסנון מתפזר לתוך הכלי, הוא קופא כאשר הוא נוגע בקירות הקרים, ויוצר מבנה קפוא דמוי שלג. לאחר הקפאה מלאה, הכלי נאטם, ואת קסנון מותר להפשיר, וכתוצאה מכך לחץ מוגבר בתוך הכלי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: סידור ספקטרוסקופיה. (A) פנטום 129-קסנון הממוקם בין שני פנטומים של פרוטונים, כולם סגורים בתוך סליל אפוד 129Xe. (B) אבטחו את סליל אפוד הקסנון באמצעות רצועות. (C) הכנס את המכלול לבור המגנט לצורך לוקליזציה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: תגובת אות ביחס לעירור רוחב פס משתנה בתדר קסנון קבוע (34,081,645 הרץ). הגדלת רוחב הפס גורמת לרצפת רעש גבוהה יותר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: שלושה סוגים של סריקות רעש: רעש מקובל, רעש רגיל ורעש לא סדיר. (A) לוח A מציג את ייצוג מודולוס מרחב k של כל תבנית רעש, כאשר רעש רגיל מציג תבנית פסים ורעש לא סדיר מציג קוצים (נקודות בהירות). (B) היסטוגרמה של החלקים האמיתיים והדמיוניים של נתוני מרחב k עבור כל סריקת רעש. (C) תרשים QQ של המרכיבים הממשיים/דמיוניים של נתוני מרחב k, תוך השוואת מערך הנתונים הנרכש עם מערך נתונים מבוזר בדרך כלל של ממוצע שווה וסטיית תקן בסדר עולה. הקו האדום מייצג את קו הייחוס y = x. סטיות מקו זה מצביעות על נוכחותם של רכיבים שאינם גאוסיים בתוך הנתונים שנרכשו. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: איור של דפוסי רעש שונים בהדמיית ריאות HPG 129Xe. השורה העליונה מציגה דוגמאות למרחב תמונה, כולל סריקת ייחוס, תמונת ריאות עם רעש רגיל ו/או לא סדיר ותמונה ללא קליטה. השורה התחתונה מציגה את ייצוגי המודולוס המתאימים של מרחב k. בתמונה עם האות, נקודה בהירה ממורכזת במרחב k, המייצגת את אות הריאה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: המחשה של ההשפעה של דיוק דיגיטלי גבוה/נמוך בנתונים משוחזרים של תיק בדיקה 129Xe. עבור התמונה ברמת דיוק דיגיטלית גבוהה (שורה עליונה), לתמונה יש SNR גבוה של 600, והמודולוסשל 55th שורה של מרחב K מציג עקומה חלקה המציגה פרטים עדינים של הנתונים. עם זאת, בתמונה ברמת דיוק דיגיטלית נמוכה (שורה תחתונה), נקודות נתונים בודדות "נקשרות" למספר מוגבל של רמות דיגיטליות המכסות את טווח האות, וכתוצאה מכך SNR מופחת (SNR = 98) בתמונה המשוחזרת. בעיה זו יכולה להיות מזוהה רק באמצעות בחינה מדוקדקת של נתוני האות הגולמי, שכן זה לא מונע את הייצור של תמונה משביעת רצון לכאורה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
היכולת לפתור בעיות MRI 129Xe היא מיומנות הכרחית ועשויה לסייע בהפחתת בעיות בזמן אמת. עד שניתן יהיה לרכוש תשתית גז היפרפולרית מגורם אחד ולזכות בתמיכה מיצרני סורקים, משימות בקרת איכות אלה הן באחריותן הבלעדית של המעבדות הבודדות. מטרתו של כתב יד זה היא לספק לקורא פרקטיקות מועילות והצעות לאירוע הבלתי נמנע של רכישת נתונים גרועה. בעוד אנו מנסים לטפל בכמה שיותר בעיות פוטנציאליות, אתגרים רבים אחרים ב- 129Xe MRI הם ספציפיים ליצרן הסורק ולא ניתן לדון בהם בפירוט עקב מגבלות קניין רוחני. עם זאת, קונסורציום 129Xe Clinical Trials Consortium, קהילה שמטרתה המוצהרת לפתח ניסויים מרובי אתרים באמצעות 129Xe MRI, מורכבת ממשתתפי אתר רבים ומומחים ותיקים בעלי ניסיון בתפעול 129Xe MRI על פלטפורמות ותוכנותמרובות 17. מומלץ לפנות לכל אחד ממשתתפי האתר בכל שאלה בנושא יישום ו/או פתרון בעיות שאינה מטופלת כאן.
יש לבצע בדיקות ביצועים קבועות של הסליל כדי לזהות אינדיקציות מוקדמות לירידה באות או לבעיות רעש מתעוררות. בדיקות אלה כוללות בחינת ממשק הסליל והחיבורים הפנימיים, כמו גם הערכת ההשפעה הפוטנציאלית של נפילות או משקל מופרז על הסליל. בנוסף לבדיקות פיזיות, השוואת סריקות הספקטרוסקופיה לעתים קרובות יכולה לסייע בזיהוי בעיות בביצועי הסליל. מכיוון שהפונקציונליות הרב-גרעינית של מערכת ה-MRI היא רכיב משותף עם מתקן הפרוטון, כל מכשיר או ציוד חדש בחדר המגנטי צריך לעבור בדיקות כדי למנוע הפרעה פוטנציאלית בתדר הקסנון. בנוסף לשיקולים טכניים, יש לתת תשומת לב לפרטים בהליכים ניסיוניים. זה כולל אימון יעיל של הנבדקים, הבטחת תקשורת ברורה עם רכזי המחקר, ומיקום מדויק של שקית הקסנון במהלך סריקות QC. אין להתעלם מפרטים שוליים לכאורה אלה, מכיוון שהם יכולים לשפר באופן משמעותי את איכות התמונה ואת תוצאות המחקר הכוללות.
הפרוטוקול המוצג במאמר זה מציע לחוקרים מסגרת מקיפה לזיהוי וטיפול בבעיות פוטנציאליות במהלך תהליך ההדמיה. על ידי ביצוע שיטתי של שלבי פתרון הבעיות, חוקרים יכולים לייעל את איכות התמונה, לשפר את דיוק הנתונים ולקדם את תחום MRI קסנון היפרפולרי. המשך השכלול וההתאמה של אסטרטגיות פתרון בעיות אלה, יחד עם התקדמות בטכנולוגיית ההדמיה, יתרמו לשיפור נוסף באיכות ובאמינות של מחקרי MRI קסנון היפרפולרי.
רוברט תומן סיפק ייעוץ לחברת Polarean, LLC.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| תחנת מדידת קיטוב | פולרי | 42881 | |
| https://polarean.com/ לחץ עם שסתום בוכנה | אייס זכוכית | 8648-85 | |
| https://www.aceglass.com/html/3dissues/Pressure_Vessels/offline/download.pdf תיק טדלר | ג'נסן אינרטי | GST381S-0707TJO | http://www.jenseninert.com/ |
| קסנון היפרפולרייזר 9820 | פולרי | 49820 | https://polarean.com/ |
| סליל לולאת קסנון | פתרונות MR קליני | מכשיר מותאם אישית https://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc | |
| סליל אפוד קסנון | MR קליניים | מכשיר מותאם אישית | https://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc |