Rozwiązywanie problemów i zapewnienie jakości w hiperspolaryzowanym ksenonowym rezonansie magnetycznym: narzędzia do pozyskiwania wysokiej jakości obrazów

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół uzyskiwania wysokiej jakości hiperpolaryzowanych obrazów rezonansu magnetycznego ksenonu-129, obejmujący sprzęt, oprogramowanie, akwizycję danych, wybór sekwencji, zarządzanie danymi, wykorzystanie przestrzeni k i analizę szumów.

Streszczenie

Hiperspolaryzowany (HP) rezonans magnetyczny ksenonu (¹²⁹Xe MRI) to niedawno zatwierdzona przez federalną agencję ds. leków (FDA) metoda obrazowania, która tworzy obrazy o wysokiej rozdzielczości wdychanego gazu ksenonowego w celu zbadania funkcji płuc. Jednak wdrożenie ¹²⁹Xe MRI jest wyjątkowo trudne, ponieważ wymaga specjalistycznego sprzętu i sprzętu do hiperpolaryzacji, zakupu ksenonowych cewek obrazujących i oprogramowania do cewki, opracowania i kompilacji wielojądrowych sekwencji obrazowania MR oraz rekonstrukcji/analizy uzyskanych danych. Bez odpowiedniej wiedzy specjalistycznej zadania te mogą być zniechęcające, a brak uzyskania wysokiej jakości obrazów może być frustrujący i kosztowny. W tym miejscu przedstawiamy kilka protokołów kontroli jakości (QC), praktyk rozwiązywania problemów i pomocnych narzędzi dla¹²⁹lokalizacji Xe MRI, które mogą pomóc w uzyskaniu zoptymalizowanych, wysokiej jakości danych i dokładnych wyników. Dyskusja rozpocznie się od omówienia procesu wdrażania rezonansu magnetycznego HP ¹²⁹Xe, w tym wymagań dotyczących laboratorium hiperpolaryzatora, połączenia sprzętu/oprogramowania cewki ¹²⁹Xe MRI, zagadnień związanych z akwizycją danych i sekwencją, struktur danych, właściwości k-przestrzeni i obrazu oraz zmierzonych charakterystyk sygnału i szumu. W każdym z tych niezbędnych kroków kryje się możliwość wystąpienia błędów, wyzwań i niekorzystnych zdarzeń prowadzących do niskiej jakości obrazu lub nieudanego obrazowania, a niniejsza prezentacja ma na celu rozwiązanie niektórych z najczęściej spotykanych problemów. W szczególności identyfikacja i charakterystyka anomalnych wzorców szumów w pozyskanych danych jest konieczna, aby uniknąć artefaktów obrazu i obrazów o niskiej jakości; Podane zostaną przykłady i omówione zostaną strategie łagodzenia skutków. Naszym celem jest ułatwienie procesu wdrażania ¹²⁹Xe MRI w nowych lokalizacjach, zapewniając jednocześnie pewne wskazówki i strategie rozwiązywania problemów w czasie rzeczywistym.

Wprowadzenie

Przez ponad sto lat ocena funkcji płuc opierała się głównie na globalnych pomiarach ze spirometrii i pletyzmografii ciała. Jednak te tradycyjne testy czynnościowe płuc (PFT) mają ograniczoną zdolność do uchwycenia regionalnych niuansów choroby we wczesnym stadium i subtelnych zmian w tkance płucnej¹. Medycyna nuklearna z wziewnymi radioznacznikami jest szeroko stosowana do oceny niedopasowań wentylacji/perfuzji powszechnie związanych z zatorowością płucną, ale wiąże się to z promieniowaniem jonizującym i daje niższą rozdzielczość. W przeciwieństwie do tego, tomografia komputerowa (CT) stała się złotym standardem w obrazowaniu płuc, oferując wyjątkową przejrzystość przestrzenną i czasową w porównaniu z obrazowaniem jądrowym². Chociaż niskodawkowa tomografia komputerowa może zmniejszyć narażenie na promieniowanie, potencjalne ryzyko promieniowania powinno być nadal brane pod uwagę^3,4. Protonowy rezonans magnetyczny płuc jest rzadki ze względu na niską gęstość tkanki płuc i szybki zanik sygnału z tkanki płucnej, chociaż ostatnie postępy dostarczają informacji funkcjonalnych pomimo potencjalnie niskiego sygnału. Z drugiej strony, hiperspolaryzowany ksenonowy rezonans magnetyczny (HP ¹²⁹Xe MRI) jest nieinwazyjną modalnością, która pozwala na obrazowanie funkcji płuc ze swoistością regionalną^5,6. Wytwarza wysokie nierównowagowe namagnesowanie jądrowe gazu w ilościach litrowych. Gaz obojętny jest następnie wdychany przez osobę znajdującą się wewnątrz skanera MR przez pojedynczy oddech i jest bezpośrednio obrazowany przez skaner. W ten sposób wdychany gaz jest obrazowany bezpośrednio, w przeciwieństwie do samej tkanki. Technika ta została wykorzystana do oceny wentylacji płuc w wielu chorobach, w tym astmie, przewlekłej obturacyjnej chorobie płuc (POChP), mukowiscydozie, idiopatycznym zwłóknieniu płuc, chorobie koronawirusowej 2019 (COVID-19) i wielu innych³. W grudniu 2022 r. HP ¹²⁹Xe MRI został zatwierdzony przez amerykańską FDA jako środek kontrastowy do wentylacji MRI do stosowania w Stanach Zjednoczonych Ameryki (USA) u dorosłych i pacjentów pediatrycznych w wieku 12 lat i starszych⁷. Lekarze mogą teraz korzystać z ^{rezonansu magnetycznego 129}Xe, aby lepiej opiekować się pacjentami z ulepszonymi/spersonalizowanymi planami leczenia.

Historycznie, kliniczny rezonans magnetyczny skupia się wyłącznie na obrazowaniu jąder wodoru (protonów), które są obfite w prawie wszystkich ludzkich wnętrznościach. Skanery MRI, sekwencje i kontrola jakości są zazwyczaj konserwowane przez producenta skanera w ramach licencji i gwarancji na witrynę. Jednak ¹²⁹Xe wymaga wielojądrowego skanera MR i potrzebował dedykowanego zespołu badawczego do operacjonalizacji hiperpolaryzatora, specjalnie zbudowanych cewek o częstotliwości radiowej (RF), dedykowanych sekwencji impulsów oraz oprogramowania do rekonstrukcji/analizy offline. Każdy z tych komponentów może być dostarczony przez dostawców zewnętrznych lub opracowany we własnym zakresie. W związku z tym ciężar kontroli jakości spoczywa zazwyczaj na zespole badawczym ¹²⁹Xe, a nie na producencie skanera lub indywidualnej stronie trzeciej. Konsekwentne pozyskiwanie wysokiej jakości danych ¹²⁹Xe jest zatem wyjątkowo trudne, ponieważ każdy element procesu rezonansu magnetycznego ¹²⁹Xe wiąże się z potencjalnym błędem, który musi być ściśle monitorowany przez zespół ¹²⁹Xe. Sytuacje te mogą być nie tylko niezwykle frustrujące, ponieważ badacze muszą rozwiązywać problemy i badać możliwe przyczyny wszelkich wyzwań, które mogły się pojawić, ale mogą być bardzo kosztowne, ponieważ spowalniają obrazowanie pacjentów i rekrutację pacjentów. Niektóre koszty związane z rozwiązywaniem problemów obejmują koszty czasu rezonansu magnetycznego, hiperpolaryzację ¹²⁹Xe, która wiąże się ze zużyciem różnych gazów i użyciem materiałów. Dodatkowo, wraz z niedawnym zatwierdzeniem przez FDA i rozwojem obrazowania ¹²⁹Xe, zapewnienie ustandaryzowanego protokołu kontroli jakości jest konieczne, aby uniknąć typowych problemów i niepowodzeń w ¹²⁹Xe operation^8,9.

Tutaj prezentujemy niektóre z najczęściej spotykanych problemów w ¹²⁹Xe MRI, w tym awarie cewek RF, pojawienie się różnych profili szumów, które prowadzą do niskiego stosunku sygnału do szumu (SNR) oraz słabej jakości obrazów¹⁰. Naszym celem jest zapewnienie zwięzłych wytycznych i protokołów kontroli jakości (QC), aby zapewnić pozyskiwanie wysokiej jakości danych obrazowych i rozwiązać niektóre z najczęstszych problemów, które mogą wystąpić w ¹²⁹Xe MRI. Przedstawione tutaj informacje są również istotne dla rozwiązywania problemów z hiperspolaryzowanym helem-3.

Protokół

Protokół opisany poniżej jest zgodny z wytycznymi i standardami ustanowionymi przez Komisję Etyki Badań nad Ludźmi Uniwersytetu Missouri, co zapewnia etyczny przebieg badania oraz ochronę praw, bezpieczeństwa i dobrostanu uczestników.

UWAGA: Aby zapewnić niezawodność i dokładność badań MRI z wykorzystaniem hiperpolaryzowanego ksenonu, kluczowe jest przeprowadzenie rygorystycznej charakterystyki uzyskanych obrazów, przestrzeganie kompleksowego protokołu oraz stosowanie skutecznych strategii rozwiązywania problemów. Sesja obrazowania składa się z kilku etapów: hiperpolaryzacji gazu, komunikacji między cewką a skanerem ¹²⁹Xe, spektroskopii ¹²⁹Xe, akwizycji danych, rekonstrukcji danych oraz analizy obrazów. Protokół rozpoczyna się od szczegółowego omówienia tych kroków i podkreśla niezbędne środki ostrożności oraz strategie rozwiązywania problemów w celu optymalizacji procesu obrazowania. Postępując zgodnie z tymi procedurami i wdrażając eksperckie metody rozwiązywania problemów, badacze mogą zoptymalizować proces obrazowania i przezwyciężyć trudności, które mogą wystąpić podczas badań MRI z hiperpolaryzowanym ksenonem. Następnie omówimy powszechne praktyki rozwiązywania problemów, które mogą być stosowane w kilku przypadkach uzyskania danych o suboptymalnej jakości.

1. Kluczowe etapy kompleksowego badania MRI osi HPG

W niniejszym materiale przedstawiono zwięzły przegląd procesów związanych z typową sesją obrazowania hiperpolaryzowanym ¹²⁹Xe. Szczegółowe zalecenia dotyczące protokołu opracowane przez ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium zostały przedstawione w pracy Niedbalski et al.¹¹.

1. ¹²⁹Hiperpolaryzacja ksenonu
   1. Upewnij się, że ¹²⁹Hiperpolaryzator Xe został skonfigurowany i uruchomiony zgodnie z wytycznymi producenta lub protokołami laboratoryjnymi dla polaryzatorów wykonanych na zamówienie.
   2. Przeprowadź pomiary relaksacji T1 z wykorzystaniem techniki magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) na reprezentatywnej próbce HP ¹²⁹Gaz Xe w stacji pomiarowej HP. W stabilnym polu o natężeniu 30 mT ksenon w 1-litrowym worku z dawką gazu powinien mieć czas T1 wynoszący > 45 min.
      UWAGA: Po zakończeniu pomiaru polaryzacji, HP ¹²⁹Worek z dawką Xe należy przechowywać w polu magnetycznym stacji pomiarowej HP, aby utrzymać polaryzację do momentu przygotowania do transportu do skanera MR. Polaryzacja będzie zanikać zgodnie z¹²,
           (1.1)
      gdzie P(t) to polaryzacja w czasie t, P₀ jest polaryzacją początkową oraz T₁ jest szybkością zaniku namagnesowania (bez uwzględnienia strat polaryzacji wynikających z wzbudzenia).
2. Pomiar strat polaryzacyjnych wynikających z transportu gazu
   1. Należy zapewnić bezpośrednią i wydajną drogę z punktu gromadzenia ksenonu do pomieszczenia z magnesem, w którym zostanie przeprowadzone obrazowanie.
   2. Należy zminimalizować wszelkie opóźnienia podczas transportu hiperpolaryzowanego (HP) ksenonu w celu utrzymania polaryzacji, ponieważ ulegnie ona szybkiemu spadkowi po wyniesieniu dawki poza pole magnetyczne zachowujące czas T1. Jeśli polaryzacja spadnie o 20% lub więcej podczas transportu, należy zastosować walizkę z osłoną magnetyczną.
   3. Należy unikać zbędnych sygnałów RF wzdłuż trasy transportu (np. czytników kart, laserów, płyt ze stali nierdzewnej itp.), ponieważ mogą one przyczyniać się do strat polaryzacyjnych.
   4. Zmierz początkową równoważną dawkę (DE) HP ¹²⁹gaz Xe przed transportem. DE jest podawane przez ¹¹,
           (1.2)
      gdzie f₁₂₉ czy frakcja izotropowaของ ¹²⁹Ksenon, P₁₂₉ jest ¹²⁹polaryzacja spinowa jąder Xe i V_Ksenon jest całkowitą objętością gazowego ksenonu.
   5. Przetransportuj gaz ze stacji pomiarowej do otworu magnesu, a następnie z powrotem tą samą drogą do stacji polarymetrycznej. Po wykonaniu tego cyklu ponownie zmierz DE, aby określić przewidywaną utratę sygnału podczas transportu gazu. Jeśli na trasie transportu nie wystąpią żadne dodatkowe sygnały RF, szacowana polaryzacja będzie ściśle odpowiadać krzywej zaniku T1 opisanej w równaniu 1.1.
3. Wielojądrowy (¹²⁹cewka do MRI z wykorzystaniem ksenonu (Xe MRI)
   1. Umieść ¹²⁹Umieść cewkę Xe prawidłowo w magnesie, aby zapewnić odpowiednią orientację. W przypadku zastosowania cewki kwadraturowej należy unikać wzbudzenia antykwadraturowego, ponieważ może ono spowodować znaczny spadek sygnału w centrum objętości obrazowania.
      UWAGA: Cewka ksenonowa powinna być dostosowana do szerokiego zakresu rozmiarów klatki piersiowej, aby uwzględnić różnice w strojeniu i obciążeniu cewki między badanymi oraz w różnych fazach oddychania, co prowadzi do zmienności kątów przechyłu (flip angles) w poszczególnych skanach.
   2. Należy ustanowić bezpieczne połączenie fizyczne między wtyczką cewki a systemem MR poprzez wyznaczone gniazdo, a następnie skonfigurować oprogramowanie cewki w celu określenia dopuszczalnych jąder (¹²⁹(w naszym przypadku Xe).
   3. Podziel dobrze znaną częstotliwość rezonansu protonów w skanerze MR przez 3,61529, aby uzyskać częstotliwość ksenonu.¹¹.
   4. Określ parametry cewki (maksymalną amplitudę nadawczą, amplitudę referencyjną nadajnika, swoisty współczynnik pochłaniania – SAR).
4. Pomiar ¹²⁹Spektroskopia Xe
   1. Przygotowanie fantoma z termicznie spolaryzowanym 129-ksenonem.
      1. Podłącz szklane naczynie ciśnieniowe do worka wypełnionego ksenonem, upewniając się, że rozmiar worka i objętość ksenonu są odpowiednie i zgodne z pojemnością naczynia.
      2. Zanurz naczynie ciśnieniowe w niewielkiej ilości ciekłego azotu (LN2)₂) aby umożliwić dyfuzję ksenonu i zamrażanie (patrz Rycina 1).
      3. Zamknij szczelnie naczynie po tym, jak ksenon utworzy w jego wnętrzu mroźny śnieg, a następnie pozwól mu odtajać, doprowadzając do wzrostu ciśnienia w naczyniu. Oblicz ciśnienie w naczyniu: P = (V_naczynie + V_workek)/V_naczynie gdzie V_naczynie objętość naczynia i V_torebka jest objętość ksenonu w worku.
         UWAGA: W przeciwieństwie do worków z gazem hiperpolaryzowanym (HPG), worki polaryzowane termicznie ¹²⁹Naczynie z ksenonem nie wymaga usuwania tlenu ani próżniowania, ponieważ dodatkowy tlen obniży temperaturę ksenonu.₁- korzystny efekt w fantomie spolaryzowanym termicznie. Ważne jest również upewnienie się, że ciśnienie gazu w naczyniu nie przekroczy granicy ciśnienia określonej przez producenta. W przypadku fantomu o ¹²⁹W przypadku gazu Xe częstotliwość ksenonu można zmierzyć na konsoli MRI. Dostępne są również komercyjne fantomy ksenonowe do kontroli jakości.¹³.
   2. Wykrywanie częstotliwości szczytowej z wykorzystaniem fantoma z termicznie spolaryzowanym ksenonem.
      1. Umieść fantom ksenonowy wewnątrz ¹²⁹cewkę Xe i umieścić ją w pozycji odpowiadającej ułożeniu pacjenta, ponieważ różnice w geometrii cewki mogą istotnie zmienić wartość dostarczonego pola B1 do fantomu (Rysunek 2).
         UWAGA: Zaleca się również załadowanie odpowiedniego fantoma wodnego w celu prawidłowego dostrojenia cewki.
      2. Wykonaj skan z częstotliwością protonów, ponieważ niektóre skanery mogą uniemożliwiać skanowanie wielojądrowe bez wstępnego lokalizatora częstotliwości protonów.
      3. Aby dokładnie wykryć piki częstotliwości ksenonu, należy zastosować szerokopasmowy impuls nadawczy (jeśli jest dostępny) oraz eksperyment odczytu o wysokiej szerokości pasma i wysokiej rozdzielczości. Impuls szerokopasmowy wzbudzi szeroki zakres częstotliwości, co zapewni wykrycie sygnału NMR ksenonu.
      4. Po wykryciu wyraźnego piku należy zapisać częstotliwość z pełną precyzją, a następnie powtórzyć eksperyment przy nowej częstotliwości z niską szerokością pasma (~1000 Hz), aby zmaksymalizować stosunek sygnału do szumu (SNR) oraz precyzję częstotliwości piku.Rysunek 3).
      5. Po wykryciu satysfakcjonującego piku o wysokim sygnale należy zapisać protokół do przyszłych testów kontroli jakości.
         UWAGA: Precyzyjne rozmieszczenie geometryczne cewki w skanerze pozwala na wykonanie bazowego skanu spektroskopowego, który może zostać powtórzony w przyszłości w celu zidentyfikowania pojawiających się problemów w przypadku pogorszenia stosunku sygnału do szumu (SNR). Sam fantom może być obrazowany bezpośrednio, choć może to wymagać wielokrotnych akwizycji w celu uzyskania sygnału wystarczającego do rekonstrukcji obrazu i może nie dostarczyć rzetelnej oceny osiągalnego SNR, ponieważ zazwyczaj wymagane są większe kąty odchylenia (flip angles). Najlepszą opcją do przetestowania pożądanego protokołu obrazowania jest przygotowany worek z hiperpolaryzowanym ksenonem. in vivo parametry obrazowania.
5. HP ¹²⁹Obrazowanie ksenonem z użyciem worka testowego
   1. Użyć niewielkiej ilości HP ¹²⁹Ksenon (>300 ml) do obrazowania, który jest odpowiednio stężony i pozbawiony tlenu.
   2. Zmierz ¹²⁹Xe DE precyzyjnie bezpośrednio przed obrazowaniem.
   3. Ustaw protokół obrazowania testowego zgodnie z oczekiwaniami in vivo parametry tak dokładnie, jak to możliwe¹¹.
   4. Należy pozyskać i zapisać obraz worka z ksenonem jako pomiar bazowy wydajności skanera.
   5. Należy zmierzyć i zapisać stosunek sygnału do szumu (SNR) uzyskanych obrazów wraz ze wszystkimi parametrami skanowania oraz DE ksenonu. Akceptowalna wartość SNR dla skanu 2D GRE może różnić się w zależności od ośrodka, jednak zazwyczaj powinna wynosić około 30 lub więcej, przy minimalnym progu wynoszącym 15 w celu przeprowadzenia dalszej analizy obrazu.¹¹.
   6. W celu pomiaru kąta odchylenia (FA), α, należy przeprowadzić pełnowolumenowe skanowanie gradientowym echem z niszczeniem magnesu podłużnego (spoiled gradient-echo), w którym pole widzenia (FOV) jest obrazowane dwukrotnie z rzędu (z FA ≈ 8-10°), stosując identyczne parametry sekwencji i bez przerwy między końcem pierwszego obrazu a początkiem drugiego. Należy zmierzyć stosunek sygnału do szumu (SNR) dla przesunięcia składowej stałej (DC offset) obu obrazów, S0 i S1, zliczyć liczbę kroków kodowania fazy, n, a następnie obliczyć mapę kąta odchylenia w następujący sposób ¹⁴:
            (1.3)
      UWAGI: Wspólne parametry dla in vivo HP ¹²⁹MRI z użyciem ksenonu (Xe), a także bardziej skomplikowana, lecz wysoce dokładna metoda kalibracji kąta przejścia (eksperyment multi-shot pulse/acquire), zostały opisane w pracy Niedbalski et al.¹¹.
6. In vivo HP ¹²⁹Obrazowanie ksenonem
   1. Przeszkolić badanego w zakresie technik wstrzymywania oddechu i umożliwić mu przećwiczenie procedury inhalacji z wykorzystaniem worka z powietrzem przed wprowadzeniem HP ¹²⁹Worek z ksenonem.
   2. Poleć badanemu wykonanie serii wdechów i wydechów powietrzem pokojowym, a następnie głęboki wdech HP ¹²⁹Gaz ksenonowy, wstrzymanie oddechu i rozpoczęcie skanowania (metoda powszechnie stosowana). Należy ściśle monitorować ruchy klatki piersiowej badanego, aby upewnić się, że oddychanie pozostaje zsynchronizowane z przekazywanymi instrukcjami.
      UWAGA: Obecnie stosuje się różne metody instruktażu podczas procedur wstrzymywania oddechu; w przyszłości prawdopodobnie zostanie opublikowany artykuł konsorcjum zawierający oświadczenie konsensusowe w tej sprawie.
   3. Należy użyć klipsów do nosa, aby zapobiec wdychaniu gazu przez nos podczas wstrzymania oddechu.
   4. Po obrazowaniu z wstrzymaniem oddechu poprowadzić badanych przez serię głębokich wdechów i wydechów w celu usunięcia ksenonu z płuc i zniesienia ewentualnych tymczasowych efektów ubocznych¹¹.
   5. W przypadku obrazowania ksenonu w fazie rozpuszczonej należy pamiętać, że objętość ksenonu wdychana przez badanego prawdopodobnie ma istotny wpływ na pozyskane dane dotyczące fazy rozpuszczonej.¹⁵.
7. Rekonstrukcja i analiza danych
   1. Wyeksportuj „surowe” dane ze skanera, zazwyczaj w formie listy danych zespolonych w kolejności akwizycji odczytu.
   2. W przypadku trajektorii przestrzeni k nabywanych liniowo, każdy złożony punkt danych odpowiada liczbie całkowitej częstotliwości w dwuwymiarowej (2D) lub trójwymiarowej (3D) przestrzeni k. Odtwórz obraz, stosując prostą, szybką transformatę Fouriera (FFT) dla trajektorii liniowych.
   3. W przypadku trajektorii nieliniowych (np. danych radialnych lub spiralnych) należy przeprowadzić tzw. gridding danych, aby zinterpolować lub splotować złożone dane do binów całkowitoliczbowych przed kolejnym etapem FFT. Przed przeprowadzeniem griddingu należy, jeśli to konieczne, sprawdzić dane, aby zapewnić dokładność i uniknąć potencjalnych artefaktów.
      UWAGA: Szybka transformata Fouriera (FFT) surowych danych przestrzeni k może generować obrazy podobne, lecz nie identyczne z obrazami DICOM zrekonstruowanymi przez skaner, ponieważ skaner dodatkowo koryguje zrekonstruowane obrazy w oparciu o znane nieliniowości w zachowaniu gradientów. Efekty te są zazwyczaj niewielkie, ale mogą być bardziej wyraźne na krawędziach objętości obrazowania skanera, zwłaszcza podczas obrazowania dużych narządów, takich jak płuca. Do postprocesingu zaleca się stosowanie obrazu zrekonstruowanego przez skaner (jeśli jest dostępny).

2. Kroki rozwiązywania problemów

UWAGA: Choć w protokole opisano niektóre procedury kontroli jakości (QC) w hiperpolaryzowanym MRI ¹²⁹Xe, konieczne może być rozwiązywanie problemów w przypadku wystąpienia nieprzewidzianych kwestii, anomalii i trudności. Wszelkie błędy lub pomyłki w procesie mogą wywołać efekt domina, wpływając na kolejne etapy i prowadząc do problemów takich jak brak obrazów lub obrazy niskiej jakości o niskiej intensywności sygnału, wysokim poziomie szumów lub całkowitej utracie sygnału. Aby rozwiązać te problemy, należy zastosować strategiczne podejścia w celu szczegółowej identyfikacji i zbadania przyczyn.

1. Przygotowanie worka z dawką HP ¹²⁹Xe do kontroli jakości (QC)
   1. Uważnie przygotuj precyzyjną ilość gazu ksenonowego do kontrolnego worka z ksenonem, odnotowując ewentualną domieszkę azotu.
   2. Wykonaj obrazowanie worka z ksenonem w skanerze MRI i przeprowadź dokładne pomiary polaryzacji przed i po sesji obrazowania w celu uzyskania wiarygodnych porównań.
   3. Stosuj tę samą sekwencję obrazowania dla wszystkich skanów QC, aby ułatwić wiarygodne porównania.
   4. Zanotuj wartości DE ksenonu przed i po przeprowadzeniu wszystkich skanów QC, aby umożliwić przyszłe porównania.
2. Charakterystyka szumów systemowych
   1. Stwórz kontrolny profil szumów do celów QC. Użyj specjalnej, dostosowanej sekwencji 2D GRE, która obejmuje szerokie pole widzenia (FOV; 400-500 mm) w celu przechwycenia maksymalnego sygnału z obszaru, wysoką szerokość pasma na piksel (maksymalną dostępną lub co najmniej >50 kHz), aby zidentyfikować pobliskie rezonanse szumów, oraz najkrótszy możliwy czas powtarzania (TR) i czas echa (TE)^11,13. Pozyskaj dane QC dla profilu szumów, używając kamizelki ksenonowej lub cewki pętlowej.
   2. Uzyskaj obraz bez próbki (HP ¹²⁹Xe) w cewce. Obraz ten będzie charakteryzował profil szumów.
   3. Przeanalizuj pozyskane dane o szumach, w szczególności przestrzeń k, pod kątem elementów niegaussowskich, takich jak impulsy (spikes), wzorce lub wartości dyskretne/pogrupowane.
   4. Stwórz wykres QQ, nanosząc pozyskane dane rzeczywiste/urojone względem syntetycznego zbioru danych Gaussa (z odpowiednią funkcją generowania liczb losowych) o identycznej średniej, odchyleniu standardowym i długości wektora, oba uporządkowane od najmniejszej do największej wartości. Odchylenia od linii y = x na wykresie QQ wskazują na obecność komponentów niegaussowskich w pozyskanych danych, co wymaga dalszego zbadania. (Rysunek 4).
      UWAGA: Wykres kwantyli (wykres QQ) pozwala ocenić, czy dwa zbiory danych wykazują podobne rozkłady. Porównanie danych z zbiorem o rozkładzie normalnym umożliwia ocenę, czy rozkład jest gaussowski czy nie. Protokół zakłada, że część rzeczywista i urojona przestrzeni k wykazuje przybliżony rozkład Gaussa w przypadku braku próbki.
   5. Zidentyfikuj wzorzec rozkładu szumów i potencjalne wartości odstające za pomocą odpowiedniego wykresu (w razie potrzeby zastosuj kryterium Chauveneta¹⁶).
   6. Skategoryzuj szumy na typy regularne i nieregularne na podstawie ich charakterystyki (patrz kroki 2.3 i 2.4).
      UWAGA: Szumy regularne objawiają się jako powtarzające się wzorce w danych odczytu lub w przestrzeni k. Szumy nieregularne wydają się stosunkowo losowe i często mają wysoką intensywność bez rozpoznawalnego wzorca czasowego, ale nie wykazują profilu Gaussa, typowego dla nieuniknionych szumów termicznych.
3. Wykrywanie szumów regularnych
   1. Aby wykluczyć skaner jako źródło szumów, wykonaj obrazowanie zgodnie ze standardowym protokołem ośrodka, wyłączając różne parametry sekwencji impulsów i odłączając zasilanie komponentów elektronicznych. Na przykład, jeśli konkretna cewka gradientowa emituje szumy, gradienty powinny zostać wyłączone przed uruchomieniem skanu, aby sprawdzić, czy szumy ustąpiły.
      UWAGA: Wyłączenie gradientów zazwyczaj wymaga uprawnień administratora konsoli skanera i może wymagać obecności inżyniera serwisu. Ostatecznie sekwencja, w której aktywny jest spektrometr wielojądrowy, ale gradienty nie są zasilane i nie dostarczane są impulsy RF, powinna być wystarczająca do ustalenia, czy problem z szumami pochodzi z tych komponentów.
   2. Wyeliminuj źródła szumów z pomieszczenia, a następnie zidentyfikuj potencjalne źródła szumów regularnych.
      UWAGA: Źródła szumów mogą obejmować komponenty elektroniczne, takie jak wtryskiwacze kontrastu, przyciski sterujące, czujniki, monitory funkcji życiowych, elementy skanera (np. laser pozycjonujący, mechatronika stołu, wentylatory, lampy) lub falowody między konsolą a ścianami magnesu.
   3. Użyj prostej cewki pętlowej powierzchniowej nastrojonej na częstotliwość ¹²⁹Xe do „wykrywania” źródeł szumów w pomieszczeniu z magnesem. Umieść fizycznie element cewki ksenonowej w pobliżu potencjalnie problematycznych urządzeń i uruchom sekwencję testową (patrz krok 2.2.1), aby wykryć wzmocnione szumy.
   4. Przeanalizuj przestrzeń k i dane obrazowe, aby precyzyjnie wskazać źródło szumu koherentnego.
   5. Jeśli zidentyfikowano konkretne źródło, spróbuj je wyłączyć lub osłonić folią aluminiową/obróbką aluminiową lub miedzianą siatką w celu redukcji szumów.
   6. Powtórz skan po wyłączeniu lub osłonięciu źródeł szumów, aby sprawdzić, czy szumy ustąpiły. Kontynuuj ten proces, aż wszystkie źródła szumów zostaną wyeliminowane, pozostawiając jedynie niski szum gaussowski o niskiej wartości skutecznej (RMS).
4. Wykrywanie szumów nieregularnych
   1. Zidentyfikuj szumy nieregularne jako „piki” o wysokim sygnale w pojedynczych pikselach przestrzeni k z nienaturalnie wysokimi lub niskimi sygnałami w kanałach rzeczywistych lub urojonych.
      UWAGA: Piki w przestrzeni k często skutkują obrazami z wzorami pasowymi lub „prążkowanymi” (Rysunek 5). Obecność wysokich wartości lub pików w danych przestrzeni k często prowadzi do wystąpienia prążkowanego wzorca w przestrzeni obrazu. Zjawisko to jest często związane z problemami z gradientami.
   2. Wyeliminuj potencjalne problemy z gradientami X, Y lub Z, identyfikując kierunek odpowiedzialny za prążkowany wzorzec (Rysunek 5). Wykonaj obrazowanie w różnych orientacjach kodowania fazowego, w tym od przodu do tyłu, od głowy do stóp oraz od lewej do prawej strony.
   3. Systematycznie analizuj uzyskane obrazy w każdej orientacji, aby zidentyfikować, który konkretny kierunek gradientu przyczynia się do powstania prążkowanego wzorca. W razie potrzeby skontaktuj się z inżynierem klinicznym ośrodka, aby selektywnie włączać i wyłączać poszczególne gradienty, co pozwoli na zidentyfikowanie źródła poszczególnych pików szumu.
5. Brak sygnału
   UWAGA: W sytuacji, gdy po akwizycji w badaniach HPG MRI nie obserwuje się sygnału, można zastosować systematyczne podejście do rozwiązywania problemów. Oto zalecenia dotyczące tego problemu:
   1. Zweryfikuj cewkę ksenonową i połączenie.
      1. Upewnij się, że w skanerze MRI wybrano cewkę ksenonową i jest ona prawidłowo podłączona.
      2. Ruch pacjenta podczas skanu może spowodować rozłączenie cewki, dlatego dokładnie sprawdź połączenie cewki.
      3. Sprawdź, czy drzwi skanera MRI są szczelnie zamknięte, ponieważ otwarte drzwi mogą wpuścić fale RF z zewnątrz do pomieszczenia z magnesem.
      4. Wykonaj spektroskopię fantomu ksenonowego (patrz sekcja 1.4.2) i zweryfikuj wysokość piku ksenonu oraz poziom szumów w spektroskopii. Użyj kąta odchylenia 90°, aby zapewnić obecność piku ksenonu. Oblicz maksymalny sygnał związany z pobudzeniem 90° i porównaj napięcie/moc z wynikami skanu QC.
   2. Oceń cewkę ksenonową.
      1. Przygotuj mały worek z ksenonem i zmierz polaryzację na stacji pomiarowej.
      2. Wykonaj obrazowanie worka za pomocą prostego skanu 2D GRE na worku z HP ¹²⁹Xe z następującymi parametrami: większy kąt odchylenia 90° (w razie potrzeby dostosuj czas trwania impulsu, ponieważ czas trwania impulsu determinuje szerokość pasma nadawczego [BW]), użyj napięcia referencyjnego opartego na poprzednim QC fantomu, wysokie FOV i niskie BW, przy jednoczesnym zachowaniu niskiej rozdzielczości bazowej.
      3. Ponownie zmierz polaryzację na stacji pomiarowej. Jeśli polaryzacja nie spadła znacząco, sugeruje to potencjalny problem z nadajnikiem lub wzmacniaczem cewki ksenonowej.
         UWAGA: Poziom polaryzacji stopniowo spada z powodu rozpadu T1 w trakcie tego procesu, niezależnie od sukcesu impulsów pobudzenia z cewki kamizelki ksenonowej. Dlatego sugerowany jest wysoki kąt odchylenia FA 90°, aby zaobserwować wystarczający spadek polaryzacji spowodowany impulsem pobudzenia, co pozwoli wykluczyć problem z funkcjonalnością nadajnika cewki ksenonowej. Jeśli polaryzacja spada znacząco, ale w obrazie nie wykryto sygnału, wskazuje to na problem z odbiornikiem cewki ksenonowej.
   3. Kompleksowa analiza
      1. Przeanalizuj dane z przestrzeni k i przestrzeni obrazu w celu zbadania wszelkich anomalii lub niespójności.
      2. Porównaj pozyskane dane z poprzednimi skanami lub danymi referencyjnymi, aby zidentyfikować potencjalne różnice lub odchylenia.
6. Dyskretyzacja danych
   1. Sprawdź, czy występuje dyskretyzacja danych (Rysunek 6).
      UWAGA: Gdy napięcia cewek są rejestrowane przez spektrometr skanera, są one wzmacniane do odpowiednich poziomów, aby zapewnić wykorzystanie pełnej dynamiki spektrometru i osiągnąć najwyższą wierność. Sygnał jest dyskretyzowany czasowo zgodnie z szerokością pasma odczytu, która jest odwrotnie proporcjonalna do czasu przebywania punktu danych (dwell time), a zarejestrowane analogowe wartości napięcia są digitalizowane w dyskretne „koszyki” sygnału określone przez głębokość bitową spektrometru. Prawidłowe wzmocnienie sygnału wejściowego w celu objęcia pełnej głębokości bitowej wymaga od użytkownika podania poprawnych wartości napięcia/wzmocnienia/skalowania cewki. W niektórych skanerach skan obrazowy będzie zablokowany do momentu wykonania impulsów przygotowawczych na docelowej częstotliwości – procesu, którego należy unikać w badaniach hiperpolaryzowanych, ponieważ dodatkowe RF zmniejszy polaryzację i wydłuży czas wstrzymania oddechu. Jeśli spektrometr jest niewłaściwie skalibrowany lub nie wzmacnia sygnału w odpowiedni sposób, zarejestrowane dane mogą być grubo zdyskretyzowane – tylko niewielki procent koszyków amplitudy zostanie wypełniony zdigitalizowanymi punktami danych. Dyskretyzacja danych może również wpływać na zawartość informacji poprzez wprowadzanie błędów kwantyzacji i utratę drobnych szczegółów. Może ona również wprowadzać artefakty, pogarszać SNR i ograniczać możliwość dokładnej analizy zmian fizjologicznych. Co ważne, gruba dyskretyzacja danych przestrzeni k może nie uniemożliwić uzyskania obrazu, który wydaje się zadowalający (Rysunek 6).
   2. Zoptymalizuj parametry akwizycji i zastosuj odpowiednie algorytmy rekonstrukcji, aby zmniejszyć dyskretyzację danych.
   3. Udoskonal sprzęt i wykorzystaj techniki takie jak wyższe częstotliwości próbkowania, zaawansowane metody interpolacji oraz strategie redukcji szumów, aby złagodzić negatywne skutki dyskretyzacji danych.

Wyniki

Rysunek 4 przedstawia wyniki analizy charakterystyki szumów przeprowadzonej na skanie szumów. Wykres obrazuje wpływ szumów regularnych i nieregularnych na przestrzeń k, gdzie widoczne jest odchylenie od idealnej linii odniesienia y=x. Szum regularny prowadzi do powstania ciągłego wzorca w przestrzeni k, podczas gdy szum nieregularny skutkuje wystąpieniem wartości odstających o wysokich wartościach na wykresie QQ.

Przechodząc do Rysunku 5, przedstawiono serię obrazów płuc uzyskanych za pomocą HPG MRI. Górny rząd prezentuje przykłady w przestrzeni obrazu, w tym skan referencyjny, obraz płuc z regularnym i/lub nieregularnym szumem oraz obraz bez sygnału. Dolny rząd wyświetla odpowiadające im reprezentacje modułu w przestrzeni k.

Na Rysunku 5A w centrum przestrzeni k widoczny jest wyraźny jasny punkt, co wskazuje na czysty sygnał płuc przy niskim poziomie szumów. Z kolei Rysunek 5B pokazuje obecność regularnego szumu (szumu Gaussa) rozproszonego w obrębie obrazów. Na Rysunku 5C widoczny jest szum nieregularny, powodujący występowanie wartości szczytowych w przestrzeni k, co skutkuje powstaniem wzoru pasowego w przestrzeni obrazu. Rysunek 5D ilustruje scenariusz, w którym jednocześnie występują szumy regularne i nieregularne, wpływając na obraz płuc. Na koniec, Rysunek 5E przedstawia przypadek, w którym w uzyskanym obrazie płuc nie wykryto żadnego sygnału.

Rycina 6 przedstawia przykład grubej dyskretyzacji danych w porównaniu z odpowiednio przeskalowanymi danymi w przestrzeni k. Po obliczeniu SNR staje się jasne, że dane zdyskretyzowane wykazują niski poziom sygnału.

Rycina 1: Ilustracja procesu tworzenia fantomu ksenonowego. Naczynie ciśnieniowe umieszcza się w niewielkiej ilości ciekłego azotu, aby ksenon zamarzł w temperaturze około -203.15 °C (70 K). Worek z ¹²⁹Xe jest podłączony bezpośrednio do naczynia. W miarę jak ksenon dyfunduje do wnętrza naczynia, zamarza w kontakcie z zimnymi ściankami, tworząc zamrożoną strukturę przypominającą śnieg. Po całkowitym zamrożeniu naczynie zostaje zamknięte, a ksenonowi pozwala się odtajać, co prowadzi do wzrostu ciśnienia wewnątrz naczynia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 2: Układ do spektroskopii. (A) Fantom 129-ksenonu umieszczony pomiędzy dwoma fantomami protonowymi, wszystkie zamknięte w cewce w formie kamizelki do ¹²⁹Xe. (B) Zabezpieczenie kamizelki z cewką ksenonową za pomocą pasów. (C) Wprowadzenie całego zestawu do otworu magnesu w celu lokalizacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Odpowiedź sygnału w relacji do wzbudzenia o zmiennej szerokości pasma przy stałej częstotliwości ksenonu (34,081,645 Hz). Zwiększenie szerokości pasma skutkuje wyższym poziomem szumów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Trzy rodzaje skanów szumów: szum akceptowalny, regularny i nieregularny. (A) Panel A przedstawia reprezentację modułu przestrzeni k dla każdego wzorca szumów, gdzie szum regularny wykazuje wzór pasmowy, a szum nieregularny wykazuje skoki (jasne plamki). (B) Histogram części rzeczywistej i urojonej danych przestrzeni k dla każdego skanu szumów. (C) Wykres QQ komponentów rzeczywistych/urojonych danych przestrzeni k, porównujący pozyskany zestaw danych z zestawem danych o rozkładzie normalnym o tej samej średniej i odchyleniu standardowym w kolejności rosnącej. Czerwona linia reprezentuje linię referencyjną y = x. Odchylenia od tej linii wskazują na obecność komponentów niegaussowskich w pozyskanych danych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 5: Ilustracja różnych wzorców szumu w obrazowaniu płuc HPG ¹²⁹Xe. Górny rząd przedstawia przykłady w przestrzeni obrazu, w tym skan referencyjny, obraz płuc z szumem regularnym i/lub nieregularnym oraz obraz bez sygnału. Dolny rząd pokazuje odpowiadające im reprezentacje modułów w przestrzeni k. Na obrazie z sygnałem w centrum przestrzeni k znajduje się jasny punkt, reprezentujący sygnał z płuc. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 6: Ilustracja wpływu wysokiej i niskiej precyzji cyfrowej na dane zrekonstruowane z worka testowego z ¹²⁹Xe. W przypadku obrazu o wysokiej precyzji cyfrowej (górny rząd), obraz posiada wysoki SNR wynoszący 600, a moduł 55.^th rzędu przestrzeni K przedstawia gładką krzywą ukazującą szczegóły danych. Jednak w obrazie o niskiej precyzji cyfrowej (dolny rząd), poszczególne punkty danych są „grupowane” do ograniczonej liczby poziomów cyfrowych obejmujących zakres sygnału, co skutkuje obniżeniem SNR (SNR = 98) w zrekonstruowanym obrazie. Problem ten można zidentyfikować jedynie poprzez dokładną analizę surowych danych sygnałowych, ponieważ nie uniemożliwia on uzyskania obrazu, który wydaje się zadowalający. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dyskusja

Umiejętność rozwiązywania problemów z rezonansem magnetycznym ¹²⁹Xe jest niezbędną umiejętnością i może pomóc w łagodzeniu problemów w czasie rzeczywistym. Dopóki infrastruktura gazu hiperpolaryzacyjnego nie zostanie zakupiona od jednej strony i nie uzyska wsparcia od producentów skanerów, zadania związane z kontrolą jakości będą wyłącznie odpowiedzialne za poszczególne laboratoria. Celem tego manuskryptu jest dostarczenie czytelnikowi pomocnych praktyk i sugestii dotyczących nieuniknionego zdarzenia złego pozyskiwania danych. Chociaż staramy się rozwiązać jak najwięcej potencjalnych problemów, wiele innych wyzwań związanych z ¹²⁹Xe MRI jest specyficznych dla producenta skanera i nie można ich szczegółowo omówić ze względu na ograniczenia dotyczące własności intelektualnej. Jednak ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium, społeczność, której wyraźnym celem jest opracowanie wieloośrodkowych badań klinicznych z wykorzystaniem ¹²⁹Xe MRI, składa się z wielu uczestników ośrodka i doświadczonych ekspertów z doświadczeniem w operacjonalizacji ¹²⁹Xe MRI na wielu platformach i oprogramowaniu¹⁷. Zaleca się skontaktowanie się z którymkolwiek z uczestników witryny w przypadku jakichkolwiek pytań dotyczących wdrażania i/lub rozwiązywania problemów, które nie zostały tutaj omówione.

Należy przeprowadzać regularne kontrole działania cewki w celu zidentyfikowania wczesnych oznak spadku sygnału lub pojawiających się problemów z szumami. Kontrole te obejmują zbadanie interfejsu cewki i połączeń wewnętrznych, a także ocenę potencjalnego wpływu upadków lub nadmiernego ciężaru na cewkę. Oprócz kontroli fizycznych, częste porównywanie skanów spektroskopii może pomóc w zidentyfikowaniu problemów z wydajnością cewki. Ze względu na to, że wielojądrowa funkcjonalność systemu MRI jest wspólnym komponentem z obiektem protonowym, wszelkie nowo wprowadzone urządzenia lub wyposażenie w pomieszczeniu magnetycznym powinny być poddawane testom, aby zapobiec potencjalnym zakłóceniom częstotliwości ksenonowej. Oprócz względów technicznych należy zwrócić uwagę na szczegóły procedur eksperymentalnych. Obejmuje to skuteczne szkolenie uczestników, zapewnienie jasnej komunikacji z koordynatorami badania oraz precyzyjne pozycjonowanie worka ksenonowego podczas skanowania QC. Nie należy zapominać o tych pozornie drobnych szczegółach, ponieważ mogą one znacznie poprawić jakość obrazu i ogólne wyniki badania.

Protokół przedstawiony w tym artykule oferuje naukowcom kompleksowe ramy do identyfikowania i rozwiązywania potencjalnych problemów podczas procesu obrazowania. Systematycznie postępując zgodnie z krokami rozwiązywania problemów, naukowcy mogą zoptymalizować jakość obrazu, zwiększyć dokładność danych i posunąć naprzód w dziedzinie hiperspolaryzowanego ksenonowego rezonansu magnetycznego. Ciągłe udoskonalanie i dostosowywanie tych strategii rozwiązywania problemów, w połączeniu z postępem w technologii obrazowania, przyczyni się do dalszej poprawy jakości i wiarygodności badań hiperspolaryzowanego ksenonowego rezonansu magnetycznego.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Stacja pomiaru polaryzacji	Polerean	42881	https://polarean.com/
Zbiornik ciśnieniowy z zaworem nurnikowym	Ace glass	8648-85	https://www.aceglass.com/html/3dissues/Pressure_Vessels/offline/download.pdf
Torba Tedlar	Jensen	inert GST381S-0707TJO	http://www.jenseninert.com/
Hiperpolaryzator ksenonowy 9820	Polerean	49820	https://polarean.com/
Cewka pętli ksenonowej	Clinical MR Solutions	Niestandardowe urządzenie	https://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc
cewką kamizelki ksenonowej	Clinical MR Solutions	Niestandardowe urządzenie	https://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc