Probleemoplossing en kwaliteitsborging bij hypergepolariseerde xenonbeeldvorming met magnetische resonantie: hulpmiddelen voor hoogwaardige beeldacquisitie

Samenvatting

Hier presenteren we een protocol voor het verkrijgen van hoogwaardige hypergepolariseerde xenon-129 magnetische resonantiebeelden, die hardware, software, data-acquisitie, sequentieselectie, databeheer, k-space-gebruik en ruisanalyse omvatten.

Samenvatting

Hypergepolariseerde (HP) xenon magnetische resonantiebeeldvorming (¹²⁹Xe MRI) is een onlangs door de Federal Drug Administration (FDA) goedgekeurde beeldvormingsmodaliteit die beelden met een hoge resolutie produceert van een ingeademde adem van xenongas voor onderzoek naar de longfunctie. Het implementeren van ¹²⁹Xe MRI is echter een unieke uitdaging omdat het gespecialiseerde hardware en apparatuur vereist voor hyperpolarisatie, aanschaf van xenonbeeldspoelen en spoelsoftware, ontwikkeling en compilatie van multinucleaire MR-beeldvormingssequenties en reconstructie/analyse van verkregen gegevens. Zonder de juiste expertise kunnen deze taken ontmoedigend zijn, en het niet verkrijgen van afbeeldingen van hoge kwaliteit kan frustrerend en duur zijn. Hier presenteren we enkele protocollen voor kwaliteitscontrole (QC), probleemoplossingspraktijken en handige hulpmiddelen voor¹²⁹Xe MRI-locaties, die kunnen helpen bij het verkrijgen van geoptimaliseerde, hoogwaardige gegevens en nauwkeurige resultaten. De discussie begint met een overzicht van het proces voor de implementatie van HP ¹²⁹Xe MRI, inclusief vereisten voor een hyperpolarisatielab, de combinatie van ¹²⁹Xe MRI-spoelhardware/software, data-acquisitie en sequentieoverwegingen, datastructuren, k-ruimte- en beeldeigenschappen en gemeten signaal- en ruiskarakteristieken. Binnen elk van deze noodzakelijke stappen liggen kansen voor fouten, uitdagingen en ongunstige gebeurtenissen die leiden tot een slechte beeldkwaliteit of mislukte beeldvorming, en deze presentatie is bedoeld om enkele van de meest voorkomende problemen aan te pakken. In het bijzonder is identificatie en karakterisering van afwijkende ruispatronen in verkregen gegevens noodzakelijk om beeldartefacten en beelden van lage kwaliteit te voorkomen; Er zullen voorbeelden worden gegeven en mitigatiestrategieën zullen worden besproken. We streven ernaar om het implementatieproces van ¹²⁹Xe MRI gemakkelijker te maken voor nieuwe locaties en tegelijkertijd enkele richtlijnen en strategieën te bieden voor het in realtime oplossen van problemen.

Inleiding

Al meer dan een eeuw is de beoordeling van de longfunctie voornamelijk gebaseerd op globale metingen van spirometrie en lichaamsplethysmografie. Deze traditionele longfunctietesten (PFT's) zijn echter beperkt in hun vermogen om de regionale nuances van de ziekte in een vroeg stadium en subtiele veranderingen in het longweefsel vast te leggen^. Nucleaire geneeskunde met geïnhaleerde radiotracers is op grote schaal gebruikt voor de beoordeling van ventilatie/perfusie-mismatches die vaak worden geassocieerd met longembolieën, maar dit omvat ioniserende straling en levert een lagere resolutie op. Computertomografie (CT) daarentegen is naar voren gekomen als de gouden standaard voor longbeeldvorming en biedt uitzonderlijke ruimtelijke en temporele helderheid in vergelijking met nucleaire beeldvorming². Hoewel CT-scans met een lage dosis de blootstelling aan straling kunnen verminderen, moet het potentiële stralingsrisico nog steeds worden overwogen ^3,4. Proton-MRI van de long is ongebruikelijk vanwege de lage weefseldichtheid van de long en het snelle signaalverval van longweefsel, hoewel recente ontwikkelingen functionele informatie bieden ondanks een potentieel laag signaal. Aan de andere kant is hypergepolariseerde xenon magnetische resonantiebeeldvorming (HP ¹²⁹Xe MRI) een niet-invasieve modaliteit die beeldvorming van de longfunctie mogelijk maakt met regionale specificiteit ^5,6. Het produceert een hoge niet-evenwichtskernmagnetisatie van het gas in literhoeveelheden. Het inerte gas wordt vervolgens ingeademd door een proefpersoon in de MR-scanner voor een enkele ademhaling en wordt direct in beeld gebracht door de scanner. Het ingeademde gas wordt dus direct in beeld gebracht in tegenstelling tot het weefsel zelf. Deze techniek is gebruikt om longventilatie te beoordelen bij vele ziekten, waaronder astma, chronische obstructieve longziekte (COPD), cystische fibrose, idiopathische longfibrose, coronavirusziekte 2019 (COVID-19) en vele andere³. In december 2022 werd HP ¹²⁹Xe MRI door de Amerikaanse FDA goedgekeurd als contrastmiddel voor MRI-ventilatie voor gebruik in de Verenigde Staten van Amerika (VS) bij volwassenen en pediatrische patiënten van 12 jaar en ouder⁷. Artsen kunnen nu ¹²⁹Xe MRI gebruiken om patiënten beter te verzorgen met verbeterde/gepersonaliseerde behandelplannen.

Historisch gezien richt klinische MRI zich uitsluitend op het in beeld brengen van waterstofkernen (protonen) die overvloedig aanwezig zijn in bijna alle menselijke ingewanden. De MRI-scanners, sequenties en kwaliteitscontrole worden over het algemeen onderhouden door de fabrikant van de scanner als onderdeel van de sitelicentie en garantie. ¹²⁹Xe vereist echter een multinucleaire MR-scanner en heeft een speciaal onderzoeksteam nodig om de hyperpolarisator, op maat gemaakte radiofrequentiespoelen (RF), speciale pulssequenties en offline reconstructie-/analysesoftware te operationaliseren. Elk van deze componenten kan worden geleverd door externe leveranciers of in eigen huis worden ontwikkeld. De last van de kwaliteitscontrole ligt dus over het algemeen bij het ¹²⁹Xe-onderzoeksteam en niet bij de fabrikant van de scanner of de individuele derde partij. Het consistent verkrijgen van ^{hoogwaardige 129}Xe-gegevens is daarom een unieke uitdaging, aangezien elk onderdeel van het ¹²⁹Xe MRI-proces de kans op fouten introduceert, die nauwlettend in de gaten moeten worden gehouden door het ¹²⁹Xe-team. Deze situaties kunnen niet alleen buitengewoon frustrerend zijn, omdat onderzoekers mogelijke oorzaken voor eventuele uitdagingen moeten oplossen en onderzoeken, maar ze kunnen ook erg kostbaar zijn omdat dit de beeldvorming van patiënten en de werving van proefpersonen vertraagt. Sommige kosten die verband houden met het oplossen van problemen hebben betrekking op MRI-tijdkosten, de hyperpolarisatie van ¹²⁹Xe, waarbij verschillende gassen worden verbruikt, en het gebruik van materialen. Bovendien, met de recente FDA-goedkeuring en groei in ¹²⁹Xe-beeldvorming, is het bieden van een gestandaardiseerd protocol voor kwaliteitscontrole noodzakelijk om veelvoorkomende problemen en tegenslagen bij ¹²⁹Xe-operatie ^8,9 te voorkomen.

Hier presenteren we enkele van de meest voorkomende problemen in ¹²⁹Xe MRI, waaronder storingen in RF-spoelen, het ontstaan van verschillende ruisprofielen die leiden tot een lage signaal-ruisverhouding (SNR) en beelden van slechte kwaliteit¹⁰. We streven ernaar om enkele beknopte richtlijnen en protocollen voor kwaliteitscontrole (QC) te bieden om de verwerving van beeldgegevens van hoge kwaliteit te garanderen en enkele van de meest voorkomende problemen op te lossen die zich kunnen voordoen bij ¹²⁹Xe MRI. De inzichten die hier worden gegeven, zijn ook relevant voor het oplossen van problemen met hypergepolariseerd helium-3.

Protocol

Het hieronder beschreven protocol voldoet aan de richtlijnen en normen die zijn opgesteld door de Human Research Ethics Committee van de University of Missouri en zorgt voor een ethische uitvoering van het onderzoek en de bescherming van de rechten, veiligheid en welzijn van de deelnemers.

OPMERKING: Om de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van hypergepolariseerde xenon MRI-onderzoeken te garanderen, is het van cruciaal belang om een rigoureuze karakterisering van de verkregen beelden uit te voeren, een uitgebreid protocol te volgen en effectieve strategieën voor probleemoplossing toe te passen. De beeldvormingssessie omvat verschillende stappen: gashyperpolarisatie, ¹²⁹Xe-spoel/scanner-communicatie, ¹²⁹Xe-spectroscopie, het verzamelen van gegevens, gegevensreconstructie en beeldanalyse. Het protocol begint met een gedetailleerde bespreking van deze stappen en belicht de nodige voorzorgsmaatregelen en strategieën voor probleemoplossing om het beeldvormingsproces te optimaliseren. Door deze procedures te volgen en deskundige strategieën voor probleemoplossing toe te passen, kunnen onderzoekers het beeldvormingsproces optimaliseren en uitdagingen overwinnen die zich kunnen voordoen tijdens hypergepolariseerde xenon MRI-onderzoeken. Vervolgens gaan we in op veelvoorkomende probleemoplossingspraktijken die zich kunnen voordoen in verschillende gevallen van suboptimale gegevens.

1. Belangrijkste stappen voor een uitgebreid HPG MRI-onderzoek

Hier presenteerden we een kort overzicht van processen die betrokken zijn bij een typische hypergepolariseerde ¹²⁹Xe-beeldvormingssessie. Gedetailleerde protocolaanbevelingen van het ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium worden gegeven in Niedbalski et ^al.11.

1. ¹²⁹Xe-hyperpolarisatie
   1. Zorg ervoor dat de ¹²⁹Xe-hyperpolarisator is ingesteld en operationeel is volgens de richtlijnen van de fabrikant of laboratoriumspecifieke protocollen voor op maat gemaakte polarisatoren.
   2. Voer T1-relaxatiemetingen uit met behulp van de nucleaire magnetische resonantie (NMR)-techniek op een representatief monster van het HP ¹²⁹Xe-gas in het HP-meetstation. In een stabiel veld van 30 mT moet xenon in een gaszak van 1 liter een T1 van > 45 minuten hebben.
      NOTITIE: Na voltooiing van de polarisatiemeting moet de HP ¹²⁹Xe-dosiszak binnen het magnetische veld van het HP-meetstation worden gehouden om de polarisatie te behouden totdat deze klaar is voor transport naar de MR-scanner. De polarisatie zal vervallen volgens¹²,
      (1.1)
      waarbij P(t) de polarisatie op tijdstip t is, P₀ de initiële polarisatie en T₁ de vervalsnelheid van de magnetisatie (zonder rekening te houden met polarisatieverliezen als gevolg van excitatie).
2. Meten van polarisatieverlies door gastransport
   1. Zorg voor een directe en efficiënte route van het xenon-verzamelpunt naar de magneetruimte waar de beeldvorming zal plaatsvinden.
   2. Minimaliseer eventuele vertragingen tijdens het transport van HP-xenon om de polarisatie te behouden, aangezien de polarisatie snel zal afnemen zodra de dosis zich buiten het T1-behoudende magnetische veld bevindt. Als de polarisatie tijdens het transport met 20% of meer afneemt, gebruik dan een magnetisch afgeschermde koffer.
   3. Vermijd vreemde RF-signalen langs de transportroute (bijv. kaartlezer, laser, roestvrijstalen bord enz.), omdat deze kunnen bijdragen aan polarisatieverlies.
   4. Meet het aanvangsdosisequivalent (DE) van het HP ¹²⁹Xe-gas vóór transport. DE wordt gegeven door ¹¹,
      (1.2)
      waarbij f₁₂₉ de isotrope fractie van ¹²⁹Xe is, P₁₂₉ de nucleaire spinpolarisatie van ¹²⁹Xe en V_Xe het totale volume xenongas.
   5. Transporteer het gas van het meetstation naar de magneetboring en vervolgens via dezelfde route terug naar het polarimetriestation. Meet DE opnieuw na de retourreis om het verwachte signaalverlies tijdens het gastransport te kwantificeren. Als er geen extra RF-signalen interfereren langs de transportroute, zal de geschatte polarisatie de T1-vervalcurve zoals beschreven in vergelijking 1.1 nauwlettend volgen.
3. Multinucleaire (¹²⁹Xe MRI) spoel
   1. Plaats de ¹²⁹Xe-spoel correct in de magneet om een goede oriëntatie te garanderen. Als een kwadratuurspoel wordt gebruikt, vermijd dan anti-kwadratuurexcitatie, omdat dit een aanzienlijke signaaluitval in het midden van het beeldvormingsvolume kan veroorzaken.
      OPMERKING: De xenonspoel moet geschikt zijn voor een breed scala aan borstmaten om variaties in de afstemming/belasting van de spoel tussen proefpersonen en tijdens verschillende ademhalingsfasen op te vangen, wat leidt tot variabele toegediende draaihoeken bij scans.
   2. Breng een veilige fysieke verbinding tot stand tussen de spoelstekker en het MR-systeem via de daarvoor bestemde aansluiting en configureer de spoelsoftware om de toegestane kernen te specificeren (¹²⁹Xe in ons geval).
   3. Deel de goed gekarakteriseerde protonresonantiefrequentie op de MR-scanner door 3.61529 om de xenonfrequentie¹¹ te verkrijgen.
   4. Karakteriseer de spoelparameters (maximale zendamplitude, referentieamplitude van de zender, specifieke absorptiesnelheid - SAR).
4. Meten ^{van 129}Xe spectroscopie
   1. Creëer een thermisch gepolariseerd 129-xenonfantoom.
      1. Sluit een glazen drukvat aan op een met xenongas gevulde zak en zorg ervoor dat de grootte van de zak en het xenonvolume geschikt zijn voor de capaciteit van het vat.
      2. Dompel het drukvat onder in een kleine hoeveelheid vloeibare stikstof (LN₂) om xenondiffusie en bevriezing mogelijk te maken (zie figuur 1).
      3. Sluit het vat af nadat het xenon bevroren sneeuw heeft gevormd en laat het vervolgens ontdooien, waarbij u het vat onder druk zet. Bereken de druk in het vat: P = (_V-vat +_V-zak)/V-vat waarbij_V-vat het volume van het vat is en_V-zak het volume van het xenon in de zak.
         OPMERKING: In tegenstelling tot zakken met hypergepolariseerd gas (HPG), hoeft het thermisch gepolariseerde ¹²⁹Xe-vat niet te worden gezuiverd van zuurstof of vacuüm te worden geëvacueerd, aangezien de extra zuurstof het xenon T₁ zal verminderen - een gunstig effect in het thermisch gepolariseerde fantoom. Het is ook belangrijk om ervoor te zorgen dat de gasdruk in het vat de door de fabrikant opgegeven druklimiet niet overschrijdt. Met een fantoom van ¹²⁹Xe-gas kan de xenonfrequentie worden gemeten op de MRI-console. Commerciële xenonfantomen voor kwaliteitsborging zijn ook beschikbaar¹³.
   2. Detecteer de piekfrequentie met een thermisch gepolariseerd xenonfantoom.
      1. Plaats het xenongantoom in de ¹²⁹Xe-spoel en plaats het op dezelfde manier als dat van een geladen patiënt, aangezien verschillen in spoelgeometrie de afgegeven B1 aan het fantoom aanzienlijk kunnen veranderen (Figuur 2).
         NOTITIE: Het wordt aanbevolen om ook een geschikt waterfantoom te laden om de spoel goed te laden.
      2. Voer een scan uit met protonfrequentie, aangezien sommige scanners multinucleaire scans zonder een initiële protonfrequentielokalisator niet toestaan.
      3. Gebruik een breedbandzendpuls (indien beschikbaar), een experiment met hoge bandbreedte en een uitleesfunctie met hoge resolutie om de xenonfrequentiepiek nauwkeurig te detecteren. Een breedbandpuls zal een hoog frequentiebereik opwekken, zodat de xenon NMR kan worden gedetecteerd.
      4. Zodra een goed gedefinieerde piek is gedetecteerd, neemt u de frequentie met volledige precisie op en herhaalt u het experiment op de nieuwe frequentie met een lage bandbreedte (~1000 Hz) om de signaal-ruisverhouding (SNR) en de precisie van de piekfrequentie te maximaliseren (Figuur 3).
      5. Zodra een bevredigende piek met een hoog signaal is gedetecteerd, slaat u het protocol op voor toekomstige QC-tests.
         OPMERKING: De precieze geometrische plaatsing van de spoel in de scanner zorgt voor een basisspectroscopiescan, die in de toekomst kan worden gerepliceerd om opkomende problemen te identificeren als SNR verslechtert. Het fantoom zelf kan direct in beeld worden gebracht, hoewel er mogelijk meerdere acquisities nodig zijn om voldoende signaal op te bouwen voor beeldreconstructie en mogelijk geen eerlijke schatting geeft van de haalbare SNR, aangezien over het algemeen hogere draaihoeken vereist zijn. Een geprepareerde zak hypergepolariseerd xenon is de beste optie voor het testen van het gewenste beeldvormingsprotocol met in vivo beeldvormingsparameters.
5. HP ¹²⁹Xe imaging met een testtas
   1. Gebruik een kleine hoeveelheid HP ¹²⁹Xe (>300 ml) voor beeldvorming, die goed geconcentreerd en zuurstofvrij is.
   2. Meet de ¹²⁹Xe DE nauwkeurig vlak voor de beeldvorming.
   3. Stel het testbeeldvormingsprotocol zo in dat het de gewenste in-vivoparameters zo goed mogelijk weergeeft¹¹.
   4. Verkrijg en bewaar de afbeelding van de xenonzak als basismeting van de scannerprestaties.
   5. Meet en registreer de SNR van de verkregen beelden naast alle scanparameters en xenon DE. De acceptabele SNR voor een 2D GRE-scan kan per locatie verschillen, maar moet doorgaans rond de 30 of hoger liggen, met een minimumdrempel van 15 voor latere beeldanalyse¹¹.
   6. Voor het meten van de fliphoek (FA) voert α u een bedorven gradiënt-echoscan met volledig volume uit waarin het gezichtsveld twee keer achter elkaar wordt afgebeeld (met FA ≈ 8-10°), met identieke sequentieparameters en zonder opening tussen het einde van het eerste beeld en het begin van het tweede. Meet de SNR bij de DC-offset van de twee afbeeldingen, S0 en S1, tel het aantal fasecoderingsstappen, n, en bereken de flip-hoekkaart als volgt ¹⁴:
      (1.3)
      OPMERKINGEN: Gemeenschappelijke parameters voor in vivo HP ¹²⁹Xe MRI, evenals een meer gecompliceerde maar zeer nauwkeurige flip-angle kalibratiemethode (multi-shot pulse/acqui-experiment), worden gegeven in Niedbalski et ^al.11.
6. In vivo HP ¹²⁹Xe beeldverwerking
   1. Zorg voor de juiste coaching van de proefpersoon met betrekking tot technieken om de adem in te houden en laat de proefpersoon de inhalatieprocedure oefenen met behulp van een zak met lucht voordat hij de HP ¹²⁹Xe-zak introduceert.
   2. Instrueer de proefpersoon om een reeks in- en uitademingen uit te voeren met kamerlucht, gevolgd door een diepe inademing van HP ¹²⁹Xe-gas, adem inhouden en starten van de scan (een veelgebruikte methode). Houd de beweging van de borstkas van de proefpersoon nauwlettend in de gaten om ervoor te zorgen dat de ademhaling gesynchroniseerd blijft met de verstrekte instructies.
      OPMERKING: Er worden momenteel verschillende coachingmethoden gebruikt voor procedures voor het inhouden van de adem, en een toekomstig consortiumdocument zal hierover waarschijnlijk een consensusverklaring afleggen.
   3. Gebruik neusklemmen om neusinademing van het gas tijdens het inhouden van de adem te voorkomen.
   4. Na beeldvorming met inhouding van de adem, coach proefpersonen om diep adem te halen om xenon uit de longen te verwijderen en eventuele tijdelijke bijwerkingen op te lossen¹¹.
   5. Voor degenen die xenonbeeldvorming in opgeloste fase nastreven, moet u zich ervan bewust zijn dat het inademingsvolume van de proefpersoon waarschijnlijk een aanzienlijke invloed heeft op de verkregen gegevens over de opgeloste fase¹⁵.
7. Reconstructie en analyse van gegevens
   1. Exporteer 'ruwe' gegevens van de scanner, meestal in de vorm van een lijst met complexe gegevens in volgorde van uitleesverwerving.
   2. Voor rechtlijnig verworven k-ruimtetrajecten komt elk complex datapunt overeen met een gehele frequentie in de tweedimensionale (2D) of driedimensionale (3D) k-ruimte. Reconstrueer het beeld met behulp van een eenvoudige, snelle Fouriertransformatie (FFT) voor rechtlijnige trajecten.
   3. Voor niet-rechtlijnige trajecten (bijv. radiale of spiraalgegevens) voert u gegevensrasters uit om complexe gegevens te interpoleren of samen te voegen in gehele getallen vóór de volgende FFT. Bestudeer de gegevens voordat u rasters uitvoert, indien nodig, om de nauwkeurigheid te garanderen en mogelijke artefacten te voorkomen.
      OPMERKING: FFT van onbewerkte k-ruimtegegevens kan afbeeldingen opleveren die vergelijkbaar zijn met, maar niet identiek zijn aan door de scanner gereconstrueerde DICOM-afbeeldingen, aangezien de scanner gereconstrueerde afbeeldingen verder corrigeert op basis van bekende niet-lineariteiten in gradiëntgedrag. Deze effecten zijn over het algemeen klein, maar ze kunnen meer uitgesproken zijn aan de randen van het beeldvormingsvolume van de scanner, vooral wanneer grote organen zoals longen in beeld worden gebracht. Het wordt aanbevolen om de door de scanner gereconstrueerde afbeelding (indien beschikbaar) te gebruiken voor nabewerking.

2. Stappen voor probleemoplossing

OPMERKING: Hoewel het protocol enkele procedures voor kwaliteitscontrole (QC) in hypergepolariseerde ¹²⁹Xe MRI schetste, kan het nodig zijn om problemen op te lossen vanwege opkomende problemen, anomalieën en uitdagingen. Eventuele fouten of misstappen in het proces kunnen een rimpeleffect hebben, dat van invloed is op de volgende stappen en leidt tot problemen zoals ontbrekende beelden of afbeeldingen van lage kwaliteit met een lage signaalintensiteit, hoge ruisniveaus of volledig signaalverlies. Om deze uitdagingen aan te pakken, moeten strategische benaderingen worden gebruikt om de problemen in detail te identificeren en te onderzoeken.

1. HP ¹²⁹Xe doseerzakvoorbereiding voor QC
   1. Brouw zorgvuldig een precieze hoeveelheid xenongas voor de controle xenonzak, let op eventuele stikstof die ermee is gemengd.
   2. Breng de xenonzak in beeld in de MRI-scanner en voer nauwkeurige polarisatiemetingen uit voor en na de beeldvormingssessie voor betrouwbare vergelijkingen.
   3. Gebruik dezelfde beeldvormingssequentie voor alle QC-scans om betrouwbare vergelijkingen mogelijk te maken.
   4. Noteer xenon DE-waarden voor en na het uitvoeren van alle QC-scans om toekomstige vergelijkingen mogelijk te maken.
2. Systemische ruiskarakterisering
   1. Maak een controlegeluidsprofiel voor QC-doeleinden. Gebruik een specifieke, aangepaste 2D GRE-sequentie met een hoog gezichtsveld (FOV; 400-500 mm) om het maximale signaal van het gebied vast te leggen, een hoge bandbreedte per pixel (het maximaal beschikbare of ten minste >50 kHz) om ruisresonanties in de buurt te identificeren, en de laagst mogelijke herhalingstijd (TR) en echotijd (TE)^{11, 13}. okt. Verkrijg de QC voor het geluidsprofiel met behulp van een xenonvest of een lusspoel.
   2. Verkrijg een beeld zonder monster (HP ¹²⁹Xe) in de spoel. Deze afbeelding zal het ruisprofiel karakteriseren.
   3. Onderzoek de verkregen ruisgegevens, met name de k-ruimte, op niet-Gaussiaanse elementen zoals pieken, patronen of gediscretiseerde/binned waarden.
   4. Maak een QQ-plot door de verkregen echte/denkbeeldige gegevens uit te zetten tegen een gesynthetiseerde Gaussiaanse dataset (met de juiste functie voor het genereren van willekeurige getallen) met identiek gemiddelde, standaarddeviatie en vectorlengte, beide geordend van klein naar groot. Afwijkingen van de lijn y = x in de QQ-grafiek duiden op de aanwezigheid van niet-Gaussiaanse componenten in de verkregen gegevens, die verder onderzoek vereisen. (Figuur 4).
      OPMERKING: Een kwantiel-kwantieldiagram (QQ-diagram) kan inzicht geven in de vraag of twee datasets vergelijkbare verdelingen vertonen. Door de gegevens te vergelijken met een normaal verdeelde dataset kan worden beoordeeld of de verdeling Gaussiaans is of niet. Het protocol gaat ervan uit dat het reële en imaginaire deel van de k-ruimte een Gaussiaanse verdeling benadert in afwezigheid van een steekproef.
   5. Identificeer het geluidsverdelingspatroon en mogelijke uitschieters met een geschikt perceel naar keuze (gebruik indien nodig het criterium van Chauvenet¹⁶).
   6. Categoriseer ruis in regelmatige en onregelmatige typen op basis van de kenmerken ervan (zie stappen 2.3 en 2.4).
      OPMERKING: Normale ruis houdt in dat er regelmatig patronen verschijnen in de uitlees- of k-ruimtegegevens. Onregelmatige ruis lijkt relatief willekeurig en heeft vaak een hoge intensiteit zonder waarneembaar timingpatroon, maar vertoont geen Gaussiaans profiel zoals onvermijdelijke thermische ruis.
3. Regelmatige geluidsdetectie
   1. Om uit te sluiten dat de scanner een ruisbron is, maakt u beelden met behulp van het standaard siteprotocol met verschillende pulsvolgordeparameters uitgeschakeld en elektronische componenten uitgeschakeld. Als een bepaalde gradiëntspoel bijvoorbeeld ruis uitzendt, moeten de gradiënten worden uitgeschakeld voordat de scan wordt uitgevoerd om te onderzoeken of de ruis verdwijnt.
      OPMERKING: Voor het uitschakelen van de helling is over het algemeen verhoogde toegang tot de scannerconsole vereist en kan het nodig zijn dat er een servicemonteur aanwezig is. Uiteindelijk zou een sequentie waarin de multinucleaire spectrometer actief is, maar geen gradiënten worden aangedreven en geen RF wordt afgeleverd, voldoende moeten zijn om te bepalen of een ruisprobleem zijn oorsprong vindt in deze componenten.
   2. Elimineer geluidsbronnen uit de kamer en identificeer vervolgens mogelijke oorzaken van normaal geluid.
      NOTITIE: Geluidsbronnen kunnen elektronische componenten zijn zoals contrastinjectoren, codeknoppen, sensoren, monitoren voor vitale functies, scannercomponenten (bijv. positioneringslaser, bedmechano-elektronica, ventilatoren, lampen) of golfgeleiders tussen console-/magneetwanden.
   3. Gebruik een eenvoudige oppervlaktelusspoel die is afgestemd op de ¹²⁹Xe-frequentie om in de magneetruimte te 'snuffelen' naar geluidsbronnen. Plaats het xenonspoelelement fysiek in de buurt van potentiële problematische apparaten en voer een testreeks uit (zie stap 2.2.1) om versterkte ruis te detecteren.
   4. Onderzoek k-ruimte en beeldgegevens om de exacte bron van coherentieruis te lokaliseren.
   5. Als een specifieke bron wordt geïdentificeerd, probeer deze dan uit te schakelen of af te dekken met aluminiumfolie/gootstuk of een koperen gaas om ruis te verminderen.
   6. Voer de scan opnieuw uit nadat u ruisbronnen hebt uitgeschakeld of afgedekt om te zien of de ruis is opgelost. Ga door met dit proces totdat alle ruisbronnen zijn geëlimineerd, zodat alleen de Gaussiaanse ruis met een laag wortelgemiddelde kwadraat (RMS) overblijft.
4. Detectie van onregelmatig geluid
   1. Identificeer onregelmatige ruis als hoge signaalpieken in individuele k-space-pixels met abnormaal hoge of lage signalen in de echte of denkbeeldige kanalen.
      OPMERKING: K-space spikes resulteren vaak in afbeeldingen met streep- of 'corduroy'-patronen (Figuur 5). De aanwezigheid van hoge waarden of pieken in de k-ruimtegegevens kan vaak leiden tot het optreden van een gestreept patroon in de afbeeldingsruimte. Dit fenomeen wordt vaak geassocieerd met gradiëntgerelateerde problemen.
   2. Elimineer mogelijke problemen met X-, Y- of Z-gradiënten door de richting te identificeren die verantwoordelijk is voor het gestreepte patroon (Afbeelding 5). Voer beeldvorming uit in verschillende fasecoderingsoriëntaties, van van voren naar achter, van hoofd naar voet en van links naar rechts.
   3. Bestudeer systematisch de resulterende afbeeldingen in elke oriëntatie om te bepalen welke specifieke gradiëntrichting bijdraagt aan het gestreepte patroon. Neem indien nodig contact op met de klinisch ingenieur van de locatie om selectief individuele gradiënten in en uit te schakelen, zodat de bron van eventuele geluidspieken kan worden geïdentificeerd.
5. Geen signaal
   OPMERKING: Bij het tegenkomen van een situatie waarin geen signaal wordt waargenomen na de acquisitie in HPG MRI-onderzoeken, kan een systematische aanpak voor probleemoplossing worden gevolgd. Hier zijn enkele aanbevelingen om dit probleem aan te pakken,
   1. Controleer de xenonspoel en aansluiting.
      1. Zorg ervoor dat de xenonspoel in de MRI-scanner is geselecteerd en correct is aangesloten.
      2. Beweging van de patiënt tijdens de scan kan leiden tot het loskoppelen van de spoel, dus inspecteer de aansluiting van de spoel zorgvuldig.
      3. Controleer of de deur van de MRI-scanner goed gesloten is, aangezien een open deur RF van buitenaf in de magneetkamer kan toelaten.
      4. Voer spectroscopie uit op het xenongantoom (zie punt 1.4.2) en controleer de Xenonpiekhoogte en de ruisvloer van de spectroscopie. Gebruik een draaihoek van 90° om de aanwezigheid van een xenonpiek te garanderen. Bereken het maximale signaal dat is gekoppeld aan 90° excitatie en vergelijk de spanning/het vermogen met de resultaten van de QC-scan.
   2. Evalueer de xenonspoel.
      1. Maak een zakje xenon klaar en meet de polarisatie op het meetstation.
      2. Breng de zak in beeld met een eenvoudige 2D GRE-scan op een HP ¹²⁹Xe-zak met de volgende parameters: hogere draaihoek van 90° (pas indien nodig de pulsduur aan omdat de pulsduur de zendbandbreedte [BW] dicteert), gebruik referentiespanning op basis van de vorige QC van een fantoom, een hoog gezichtsveld en een lage zwart-witopname, terwijl de basisresolutie laag blijft.
      3. Meet de polarisatie opnieuw op het meetstation. Als de polarisatie niet significant afneemt, suggereert dit een mogelijk probleem met de xenonspoelzender of -versterker.
         OPMERKING: Het polarisatieniveau vertoont een geleidelijke daling als gevolg van T1-verval tijdens dit proces, ongeacht het succes van excitatiepulsen van de xenonvestspoel. Daarom wordt een hoge FA van 90° voorgesteld om een voldoende polarisatieverval veroorzaakt door de excitatiepuls waar te nemen om een probleem met de functionaliteit van de xenonspoelzender uit te sluiten. Als de polarisatie aanzienlijk afneemt, maar er geen signaal in het beeld wordt gedetecteerd, wordt een probleem met de xenonspoelontvanger aangegeven.
   3. Uitgebreide analyse
      1. Analyseer zowel de k-ruimte- als de afbeeldingsruimtegegevens om eventuele afwijkingen of inconsistenties te onderzoeken.
      2. Vergelijk de verkregen gegevens met eerdere scans of referentiegegevens om mogelijke verschillen of afwijkingen te identificeren.
6. Discretisatie van de gegevens
   1. Controleer op gegevensdiscretisatie (Figuur 6).
      NOTITIE: Wanneer spoelspanningen worden geregistreerd door de scannerspectrometer, worden deze versterkt tot de juiste niveaus om ervoor te zorgen dat het volledige dynamische bereik van de spectrometer wordt gebruikt en de hoogste getrouwheid wordt bereikt. Het signaal wordt tijdelijk gediscretiseerd volgens de uitleesbandbreedte, die omgekeerd evenredig is met de verblijftijd van het datapunt, en de geregistreerde analoge spanningswaarden worden gedigitaliseerd in discrete signaalbakken die worden bepaald door de bitdiepte van de spectrometer. Voor een goede versterking van het inkomende signaal om de volledige bitdiepte te overspannen, moet de gebruiker de juiste spoelspanning/versterking/schaalwaarden hebben opgegeven. Op sommige scanners is een beeldvormende scan niet toegestaan totdat voorbereidingspulsen worden uitgevoerd op de doelfrequentie - een proces dat moet worden vermeden voor hypergepolariseerde onderzoeken, omdat de extra rf de polarisatie vermindert en de ademinhoudingstijd verlengt. Als de spectrometer niet goed is gekalibreerd of het signaal niet voldoende versterkt, kunnen de geregistreerde gegevens grof worden gediscretiseerd - slechts een klein percentage van de amplitudebakken is gevuld met gedigitaliseerde datapunten. Datadiscretisatie kan ook de informatie-inhoud beïnvloeden door kwantiseringsfouten en verlies van fijne details te introduceren. Gegevensdiscretisatie kan ook artefacten introduceren, de SNR in gevaar brengen en het vermogen beperken om fysiologische veranderingen nauwkeurig te analyseren. Belangrijk is dat grove discretisatie van k-ruimtegegevens de productie van een ogenschijnlijk bevredigend beeld niet verhindert (Figuur 6).
   2. Optimaliseer de acquisitieparameters en gebruik geschikte reconstructiealgoritmen om de discretisatie van gegevens te verminderen.
   3. Verbeter hardware en gebruik technieken zoals hogere bemonsteringsfrequenties, geavanceerde interpolatiemethoden en ruisonderdrukkingsstrategieën om de negatieve effecten van gegevensdiscretisatie te verminderen.

Resultaten

Figuur 4 toont de resultaten van de ruiskarakteriseringsanalyse die op de ruisscan is uitgevoerd. De grafiek toont de impact van zowel regelmatige als onregelmatige ruis op de k-ruimte, waar de afwijking van de ideale y=x-referentielijn wordt waargenomen. Regelmatige ruis leidt tot een continu patroon in de k-ruimte, terwijl onregelmatige ruis resulteert in hoogwaardige uitschieters in de QQ-plot.

In figuur 5 wordt een reeks longbeelden gepresenteerd die zijn gemaakt met behulp van HPG-MRI. De bovenste rij toont voorbeelden in de beeldruimte, waaronder een referentiescan, een longbeeld dat wordt beïnvloed door regelmatige en/of onregelmatige ruis en een afbeelding zonder signaal. De onderste rij toont de corresponderende representaties van de k-ruimtemodulus.

In figuur 5A is een duidelijke heldere vlek gecentreerd in de k-ruimte, wat wijst op een duidelijk longsignaal met weinig ruis. Omgekeerd toont figuur 5B de aanwezigheid van regelmatige ruis (Gaussiaanse ruis) verspreid over de beelden. In figuur 5C is onregelmatige ruis zichtbaar, wat leidt tot pieken met hoge waarden in de k-ruimte en resulteert in een streeppatroon in de beeldruimte. Figuur 5D illustreert een scenario waarin zowel regelmatige als onregelmatige geluiden tegelijkertijd aanwezig zijn, waardoor het longbeeld wordt beïnvloed. Ten slotte geeft figuur 5E een geval weer waarin geen signaal wordt gedetecteerd in het verkregen longbeeld.

Figuur 6 illustreert een voorbeeld van grove gegevensdiscretisatie in vergelijking met correct geschaalde k-ruimtegegevens. Bij het berekenen van de SNR wordt duidelijk dat de gediscretiseerde gegevens een laag signaalniveau vertonen.

Figuur 1: Illustratie van het maken van een xenonfantoom. Het drukvat wordt in een kleine hoeveelheid vloeibare stikstof geplaatst om het xenon te laten bevriezen bij ongeveer -203,15 °C (70 K). Een zak van ¹²⁹Xe wordt rechtstreeks op het schip aangesloten. Terwijl het xenon in het vat diffundeert, bevriest het bij het aanraken van de koude muren, waardoor een bevroren sneeuwachtige structuur ontstaat. Eenmaal volledig bevroren, wordt het vat verzegeld en laat men het xenon ontdooien, wat resulteert in een verhoogde druk in het vat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Opstelling voor spectroscopie. (A) 129-Xenon-fantoom gepositioneerd tussen twee protonfantomen, alle ingesloten in een ¹²⁹Xe-vestspoel. (B) Zet de spoel van het xenonvest vast met riemen. (C) Steek het geheel in de boring van de magneet voor lokalisatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Signaalrespons in relatie tot excitatie met variabele bandbreedte bij een constante xenonfrequentie (34.081.645 Hz). Het vergroten van de bandbreedte resulteert in een hogere ruisvloer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Drie soorten geluidsscans: acceptabel, regelmatig en onregelmatig geluid. (A) Paneel A toont de weergave van de k-ruimtemodulus van elk ruispatroon, waarbij normale ruis een streeppatroon vertoont en onregelmatige ruis pieken (heldere vlekken). (B) Histogram van de reële en imaginaire delen van k-ruimtegegevens voor elke ruisscan. (C) De QQ-plot van de reële/imaginaire componenten van k-ruimtegegevens, waarbij de verworven dataset wordt vergeleken met een normaal verdeelde dataset van gelijk gemiddelde en standaarddeviatie in oplopende volgorde. De rode lijn geeft de referentielijn y = x weer. Afwijkingen van deze lijn duiden op de aanwezigheid van niet-Gaussiaanse componenten in de verkregen gegevens. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5: Illustratie van verschillende ruispatronen in HPG ¹²⁹Xe longbeeldvorming. In de bovenste rij worden voorbeelden van beeldruimte weergegeven, waaronder een referentiescan, een longbeeld met regelmatige en/of onregelmatige ruis en een beeld zonder signaal. De onderste rij toont de corresponderende representaties van de k-ruimtemodulus. In de afbeelding met het signaal is een lichtpuntje gecentreerd in de k-ruimte, die het longsignaal voorstelt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6: Illustratie van het effect van hoge/lage digitale precisie in gereconstrueerde gegevens van ¹²⁹Xe-testzakken. Voor het hoge digitale precisiebeeld (bovenste rij) heeft het beeld een hoge SNR van 600 en de modulus van de 55e^rij K-ruimte toont een vloeiende curve met fijne details van de gegevens. In het lage digitale precisiebeeld (onderste rij) worden individuele datapunten echter "gebinned" naar een beperkt aantal digitale niveaus die het signaalbereik bestrijken, wat resulteert in een verminderde SNR (SNR = 98) in het gereconstrueerde beeld. Dit probleem kan alleen worden geïdentificeerd door zorgvuldig onderzoek van de ruwe signaalgegevens, omdat het de productie van een schijnbaar bevredigend beeld niet verhindert. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

Het vermogen om ¹²⁹Xe MRI-problemen op te lossen is een noodzakelijke vaardigheid en kan helpen om problemen in realtime te verminderen. Totdat een hypergepolariseerde gasinfrastructuur van één partij kan worden gekocht en steun kan krijgen van scannerfabrikanten, zijn deze kwaliteitscontroletaken uitsluitend de verantwoordelijkheid van de individuele laboratoria. Het doel van dit manuscript is om de lezer te voorzien van nuttige praktijken en suggesties voor het onvermijdelijke geval van slechte gegevensverzameling. Hoewel we proberen zoveel mogelijk potentiële problemen aan te pakken, zijn veel andere uitdagingen in ¹²⁹Xe MRI specifiek voor de scannerfabrikant en kunnen ze niet in detail worden besproken vanwege beperkingen op het gebied van intellectueel eigendom. Het ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium, een gemeenschap met het uitdrukkelijke doel om multi-site studies te ontwikkelen met behulp van ¹²⁹Xe MRI, bestaat echter uit veel deelnemers aan de locatie en ervaren experts met ervaring in het operationaliseren van ¹²⁹Xe MRI op meerdere platforms en software¹⁷. Het wordt aanbevolen om contact op te nemen met een van de deelnemers aan de site met vragen over implementatie en/of probleemoplossing die hier niet worden behandeld.

Regelmatige prestatiecontroles van de spoel moeten worden uitgevoerd om vroege aanwijzingen van signaalafname of opkomende ruisproblemen te identificeren. Deze controles omvatten het onderzoeken van de spoelinterface en interne verbindingen, evenals het beoordelen van de mogelijke impact van vallen of overmatig gewicht op de spoel. Naast fysieke inspecties kan het regelmatig vergelijken van de spectroscopiescans helpen bij het identificeren van problemen met de prestaties van de spoel. Aangezien de multinucleaire functionaliteit van het MRI-systeem een gedeeld onderdeel is met de protonenfaciliteit, moeten alle nieuw geïntroduceerde apparaten of apparatuur in de magnetische ruimte worden getest om mogelijke interferentie in de xenonfrequentie te voorkomen. Naast technische overwegingen moet aandacht worden besteed aan details in experimentele procedures. Dit omvat het effectief coachen van proefpersonen, het zorgen voor duidelijke communicatie met studiecoördinatoren en het nauwkeurig positioneren van de xenonzak tijdens QC-scans. Deze ogenschijnlijk kleine details mogen niet over het hoofd worden gezien, omdat ze de beeldkwaliteit en de algehele onderzoeksresultaten aanzienlijk kunnen verbeteren.

Het protocol dat in dit artikel wordt gepresenteerd, biedt onderzoekers een uitgebreid kader om potentiële problemen tijdens het beeldvormingsproces te identificeren en aan te pakken. Door systematisch de stappen voor probleemoplossing te volgen, kunnen onderzoekers de beeldkwaliteit optimaliseren, de nauwkeurigheid van de gegevens verbeteren en het gebied van hypergepolariseerde xenon-MRI bevorderen. Voortdurende verfijning en aanpassing van deze probleemoplossingsstrategieën, in combinatie met vooruitgang in beeldvormingstechnologie, zal bijdragen aan verdere verbeteringen in de kwaliteit en betrouwbaarheid van hypergepolariseerde xenon MRI-onderzoeken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Polarisatie meetstation	Polerean	42881	https://polarean.com/
Drukvat met plunjerklep	Ace glass	8648-85	https://www.aceglass.com/html/3dissues/Pressure_Vessels/offline/download.pdf
Tedlar zak	Jensen inert	GST381S-0707TJO	http://www.jenseninert.com/
Xenon Hyperpolarisator 9820	Polerean	49820	https://polarean.com/
Xenon lusspoel	Clinical MR Solutions	Aangepast apparaat	https://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc
Xenon vestspoel	Clinical MR Solutions	Aangepast apparaat	https://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc