Name: Rozwiązywanie problemów i zapewnienie jakości w hiperspolaryzowanym ksenonowym rezonansie magnetycznym: narzędzia do pozyskiwania wysokiej jakości obrazów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-01-05T14:10:00.000+00:00
Duration: 9 min 55 s
Description: Poznaj protokół uzyskiwania wysokiej jakości obrazów w hiperspolaryzowanym rezonansie magnetycznym ksenonu-129. Metoda ta umożliwia nieinwazyjną ocenę wentylacji płuc i wymiany gazowej bez promieniowania jonizującego.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Obtaining High-Quality Hyperpolarized Xenon-129 Magnetic Resonance Images

<ol><li>Pellegrino, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interpretative+strategies+for+lung+function+tests%5BTitle%5D)+AND+%22European+Respiratory+Journal%22%5BJournal%5D)">Interpretative strategies for lung function tests.</a> European Respiratory Journal. 26 (5), 948-968 (2005).</li>
<li>Ebner, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyperpolarized+129Xenon+MRI+to+quantify+regional+ventilation+differences+in+mild+to+moderate+asthma%3A+A+prospective+comparison+between+semi-automated+ventilation+defect+percentage+calculation+and+pulmonary+function+tests%5BTitle%5D)+AND+%22Investigative+Radiology%22%5BJournal%5D)">Hyperpolarized 129Xenon MRI to quantify regional ventilation differences in mild to moderate asthma: A prospective comparison between semi-automated ventilation defect percentage calculation and pulmonary function tests.</a> Investigative Radiology. 52 (2), 120-127 (2017).</li>
<li>Abuelhia, E., Alghamdi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+arising+exposure+of+ionizing+radiation+from+computed+tomography+and+the+associated+health+concerns%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Radiation+Research+and+Applied+Sciences%22%5BJournal%5D)">Evaluation of arising exposure of ionizing radiation from computed tomography and the associated health concerns.</a> Journal of Radiation Research and Applied Sciences. 13 (1), 295-300 (2020).</li>
<li>Kern, A. L., Vogel-Claussen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyperpolarized+gas+MRI+in+pulmonology%5BTitle%5D)+AND+%22The+British+Journal+of+Radiology%22%5BJournal%5D)">Hyperpolarized gas MRI in pulmonology.</a> The British Journal of Radiology. 91 (1084), 20170647(2018).</li>
<li>Möller, H. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MRI+of+the+lungs+using+hyperpolarized+noble+gases%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">MRI of the lungs using hyperpolarized noble gases.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 47 (6), 1029-1051 (2002).</li>
<li>Salerno, M., Altes, T. A., Mugler, J. P., Nakatsu, M., Hatabu, H., de Lange, E. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyperpolarized+noble+gas+MR+imaging+of+the+lung%3A+Potential+clinical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Radiology%22%5BJournal%5D)">Hyperpolarized noble gas MR imaging of the lung: Potential clinical applications.</a> European Journal of Radiology. 40 (1), 33-44 (2001).</li>
<li>US FDA. New Drug Therapy Approvals at 2022. , https://www.fda.gov/drugs/new-drugs-fda-cders-new-molecular-entities-and-new-therapeutic-biological-products/new-drug-therapy-approvals-2022 (2023).</li>
<li>Nikolaou, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Near-unity+nuclear+polarization+with+an+open-source+129Xe+hyperpolarizer+for+NMR+and+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Near-unity nuclear polarization with an open-source 129Xe hyperpolarizer for NMR and MRI.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (35), 14150-14155 (2013).</li>
<li>Birchall, J. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((XeUS%3A+A+second-generation+automated+open-source+batch-mode+clinical-scale+hyperpolarizer%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Magnetic+Resonance%22%5BJournal%5D)">XeUS: A second-generation automated open-source batch-mode clinical-scale hyperpolarizer.</a> Journal of Magnetic Resonance. 319, 106813(2020).</li>
<li>He, M., Zha, W., Tan, F., Rankine, L., Fain, S., Driehuys, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+comparison+of+two+hyperpolarized+129Xe+MRI+ventilation+quantification+pipelines%3A+The+effect+of+signal+to+noise+ratio%5BTitle%5D)+AND+%22Academic+Radiology%22%5BJournal%5D)">A comparison of two hyperpolarized 129Xe MRI ventilation quantification pipelines: The effect of signal to noise ratio.</a> Academic Radiology. 26 (7), 949-959 (2019).</li>
<li>Niedbalski, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protocols+for+multi-site+trials+using+hyperpolarized+129+Xe+MRI+for+imaging+of+ventilation%2C+alveolar-airspace+size%2C+and+gas+exchange%3A+A+position+paper+from+the+129+Xe+MRI+clinical+trials+consortium%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Protocols for multi-site trials using hyperpolarized 129 Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the 129 Xe MRI clinical trials consortium.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 86 (6), 2966-2986 (2021).</li>
<li>Möller, H. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MRI+of+the+lungs+using+hyperpolarized+noble+gases%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">MRI of the lungs using hyperpolarized noble gases.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 47 (6), 1029-1051 (2002).</li>
<li>Bier, E. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+thermally+polarized+129Xe+phantom+for+quality+assurance+in+multi-center+hyperpolarized+gas+MRI+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">A thermally polarized 129Xe phantom for quality assurance in multi-center hyperpolarized gas MRI studies.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 82 (5), 1961-1968 (2019).</li>
<li>Wild, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+between+2D+and+3D+gradient-echo+sequences+for+MRI+of+human+lung+ventilation+with+hyperpolarized+3He%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Comparison between 2D and 3D gradient-echo sequences for MRI of human lung ventilation with hyperpolarized 3He.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 52 (3), 673-678 (2004).</li>
<li>Garrison, W. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lung+volume+dependence+and+repeatability+of+hyperpolarized+129Xe+MRI+gas+uptake+metrics+in+healthy+volunteers+and+participants+with+COPD%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%3A+Cardiothoracic+Imaging%22%5BJournal%5D)">Lung volume dependence and repeatability of hyperpolarized 129Xe MRI gas uptake metrics in healthy volunteers and participants with COPD.</a> Radiology: Cardiothoracic Imaging. 5 (3), e220096(2023).</li>
<li>Ni, W., Qi, J., Liu, L., Li, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+pulse+signal+preprocessing+method+based+on+the+Chauvenet+criterion%5BTitle%5D)+AND+%22Computational+and+Mathematical+Methods+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">A pulse signal preprocessing method based on the Chauvenet criterion.</a> Computational and Mathematical Methods in Medicine. 2019, 2067196(2019).</li>
<li>129Xe MRI Clinical Trials Consortium. , https://www.129xectc.org (2023).</li>
</ol>

Robert Thomen świadczył usługi konsultingowe dla firmy Polarean, LLC.

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.

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 uwagę3,4. 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 regionalną5,6. 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 129Xe, 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 operation8,9.
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.

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

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

Troubleshooting and Quality Assurance in Hyperpolarized Xenon Magnetic Resonance Imaging: Tools for High-Quality Image Acquisition

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.

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.
<img alt="Układ do napowietrzania gazem ksenonowym, szklana rurka w naczyniu Dewar z LN2, schemat i zdjęcie, technika chemiczna." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65972/65972fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 1"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65972/65972fig01large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Układ do spektroskopii MRI z fantomami ¹H i ¹²⁹Xe, cewką w formie kamizelki; stosowany w badaniach obrazowych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65972/65972fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 2"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65972/65972fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Analiza sygnału, wzbudzenie o zmiennej szerokości pasma, wykres odpowiedzi częstotliwościowej, porównanie 4000-12000 Hz." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65972/65972fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 3"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65972/65972fig03large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Analiza szumów: diagram przestrzeni k, histogram, wykres QQ przedstawiający poziomy szumów; wyniki dopasowania danych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65972/65972fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 4"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65972/65972fig04large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wpływ szumu na skany MRI; schemat porównawczy z analizą danych w przestrzeni k." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65972/65972fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rycina 5"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65972/65972fig05large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Diagram przestrzeni K z określonym stosunkiem sygnału do szumu, analizujący wpływ precyzji cyfrowej na obrazy MR." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65972/65972fig06.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Rysunek 6"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65972/65972fig06large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

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.

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

Hyperpolarized (HP) xenon magnetic resonance imaging (129Xe MRI) is a recently federal drug administration (FDA)-approved imaging modality that produces ...

W hiperspolaryzowanym ksenonowym rezonansie magnetycznym rzeczywisty wdychany gaz jest bezpośrednio obrazowany. Gaz równomiernie rozprowadza się w płucach zdrowych osób, ale u osób z chorobami płuc, takimi jak astma, POChP lub mukowiscydoza, nie rozprowadza się. Naszym celem jest lepsze zrozumienie tych chorób za pomocą tej technologii.Rentgenowska tomografia komputerowa (CT) stanowi obecny standard kliniczny w obrazowaniu strukturalnym płuc, ale obejmuje promieniowanie jonizujące i pokazuje tylko tkankę płucną, a nie wdychany gaz. Medycyna nuklearna za pomocą wdychanych lub wstrzykiwanych radioznaczników może być również stosowana do oceny wentylacji i obfitości płuc, ale jest jonizująca i ma stosunkowo niską rozdzielczość. Ksenonowy rezonans magnetyczny zapewnia jednak obraz wentylacji płuc i wymiany gazowej w wysokiej rozdzielczości.Wdrożenie ksenonowego rezonansu magnetycznego jest wyjątkowo trudne, wymaga specjalistycznego sprzętu, ksenonowych cewek obrazujących i opracowania sekwencji. Na tym podróż się nie kończy. Pozyskane dane muszą zostać poddane skrupulatnej rekonstrukcji i analizie.Bez odpowiedniej wiedzy specjalistycznej zadania te mogą być zniechęcające, prowadząc do frustrujących i kosztownych wyników. Protokół ten zapewnia wgląd w kontrolę jakości, rozwiązywanie problemów i narzędzia dla lokalizacji ksenonowego rezonansu magnetycznego. Zbadaliśmy konfigurację laboratoriów hiperpolaryzatorów, oparcie się na cewkach MRI, rozważania dotyczące pozyskiwania danych i właściwości obrazu.Naszym celem jest przeprowadzenie widzów przez potencjalne błędy, wyzwania i zdarzenia, które mogą mieć wpływ na jakość obrazu lub wyniki. Rozwiązywanie problemów z ksenonowym rezonansem magnetycznym jest konieczne, aby złagodzić problemy w prawdziwym życiu. Biorąc pod uwagę brak dedykowanej infrastruktury gazów hiperpolaryzacyjnych i ograniczone wsparcie ze strony producentów skanerów, zadania związane z kontrolą jakości spoczywają wyłącznie na poszczególnych laboratoriach.Ten film ma na celu wyposażenie widzów w praktyczne wskazówki, jak radzić sobie z wyzwaniami i zapewnić skuteczne pozyskiwanie danych. Aby rozpocząć, upewnij się, że hiperpolaryzator ksenon-129 jest skonfigurowany i działa zgodnie z wytycznymi producenta. Następnie użyj NMR na stacji pomiaru hiperpolaryzacji lub HP, aby przeprowadzić pomiary relaksacji T1 na reprezentatywnej próbce gazu ksenon-129 HP.Zapewnij bezpośrednią i wydajną trasę z punktu zbiórki ksenonów do pomieszczenia magnetycznego przeznaczonego do obrazowania, aby zminimalizować opóźnienia podczas transportu ksenonów. Zmierz początkowy ekwiwalent dawki (DE) hiperspolaryzowanego gazu ksenon-129 przed transportem, korzystając z wyświetlonego równania. Unikaj obcych sygnałów o częstotliwości radiowej na trasie, ponieważ mogą one przyczynić się do utraty polaryzacji.Po zakończeniu podróży w obie strony poprzez przetransportowanie gazu ze stacji pomiarowej do otworu magnesu, a następnie z powrotem tą samą trasą do stacji polarymetrycznej, ponownie zmierz DE, aby określić ilościowo przewidywaną utratę sygnału podczas transportu gazu. Zacznij od stworzenia termicznie spolaryzowanego fantomu ksenonowego 129. W tym celu należy podłączyć szklane naczynie ciśnieniowe do worka wypełnionego gazem ksenonowym, o odpowiednim rozmiarze i objętości dostosowanej do pojemności zbiornika.Następnie zanurz zbiornik ciśnieniowy w niewielkiej ilości ciekłego azotu, aby umożliwić dyfuzję i zamrożenie ksenonu. Zamknij naczynie po tym, jak ksenon utworzy w środku zamarznięty śnieg. Pozwól mu się rozmrozić podczas zwiększania ciśnienia w naczyniu przed obliczeniem ciśnienia w naczyniu.Aby wykryć częstotliwość szczytową, umieść fantom w cewce ksenonowej-129 i umieść ją podobnie jak u pacjenta obciążonego. Wykonaj skanowanie z częstotliwością protonów, ponieważ niektóre skanery mogą nie zezwalać na skanowanie wielojądrowe bez początkowego lokalizatora częstotliwości protonów. Użyj szerokopasmowego impulsu nadawczego, jeśli jest dostępny, eksperymentu z odczytem o dużej przepustowości i wysokiej rozdzielczości, aby dokładnie wykryć szczyt częstotliwości ksenonowej.Po wykryciu dobrze zdefiniowanego piku rejestruj częstotliwość z pełną precyzją. Powtórz nowy eksperyment na nowej częstotliwości z niską szerokością pasma około 1000 herców, aby zmaksymalizować stosunek sygnału do szumu (SNR) i precyzję częstotliwości szczytowej. Po wykryciu zadowalającego wysokiego piku sygnału zachowaj protokół do przyszłych testów kontroli jakości.Użyj niewielkiej ilości hiperspolaryzowanego ksenonu-129, który jest dobrze skoncentrowany i wolny od tlenu do obrazowania. Zmierz dokładnie równoważnik dawki ksenonu-129 lub DE bezpośrednio przed obrazowaniem. Ustaw protokół obrazowania testowego tak, aby jak najdokładniej odzwierciedlał pożądane parametry in vivo.Pozyskaj i zapisz obraz worka ksenonowego jako podstawową miarę wydajności skanera. Zmierz i zapisz SNR uzyskanych obrazów wraz ze wszystkimi parametrami skanowania i ksenonowym DE. Aby zmierzyć alfa, kąt odwrócenia, wykonaj skanowanie echa gradientowego z upsuciem pełnej objętości, w którym pole widzenia jest obrazowane dwa razy z rzędu przy użyciu identycznych parametrów sekwencji. Zmierz współczynnik SNR przy przesunięciu DC dwóch obrazów, S0 i S1. Policz liczbę kroków kodowania fazy, n, i oblicz kąt odwrócenia.Zacznij od utworzenia profilu hałasu kontrolnego na potrzeby kontroli jakości lub kontroli jakości. Użyj specjalnej, dostosowanej sekwencji GRE 2D, w tym wysokiego pola widzenia, aby przechwycić maksymalny sygnał z obszaru, wysokiej szerokości pasma na piksel w celu identyfikacji pobliskich rezonansów szumów oraz najniższego możliwego czasu powtarzania (TR) i czasu echa (TE). Uzyskaj kontrolę jakości dla profilu hałasu za pomocą kamizelki ksenonowej lub cewki pętlowej. Uzyskaj obraz bez hiperspolaryzowanej próbki ksenonu-129 w cewce.Ten obraz scharakteryzuje profil hałasu. Zbadaj uzyskane dane dotyczące szumu, w szczególności przestrzeń K, pod kątem elementów niegaussowskich, takich jak spajki, wzorce lub wartości dyskretne lub podzielone na grupy. Utwórz kwantyl kwantylowy lub wykres Q-Q, wykreślając uzyskane dane rzeczywiste lub urojone na podstawie zsyntetyzowanego zestawu danych Gaussa z identyczną średnią, odchyleniem standardowym i długością wektora, uporządkowanymi od najmniejszego do największego.Odchylenia od linii y są równe x na wykresie Q-Q wskazują na obecność składowych niegaussowskich w pozyskanych danych wymagających dalszych badań. Przystąp do identyfikacji wzorca rozkładu szumu i potencjalnych wartości odstających za pomocą odpowiedniego wykresu. Aby wykluczyć skaner jako źródło szumów, należy uzyskać obrazy za pomocą standardowego protokołu lokalizacji z wyłączonymi różnymi parametrami sekwencji impulsów i wyłączonymi komponentami elektronicznymi.Zapoznaj się z listą na ekranie, aby zapoznać się z możliwymi źródłami hałasu. Aby wyeliminować źródła hałasu z pomieszczenia, użyj prostej cewki pętli powierzchniowej dostrojonej do częstotliwości ksenonu-129, aby obwąchać pomieszczenie magnetyczne w poszukiwaniu źródeł hałasu. Fizycznie umieść cewkę ksenonową w pobliżu potencjalnie problematycznych urządzeń i uruchom sekwencję testową w celu wykrycia wzmocnionego szumu.Zbadaj przestrzeń K i dane obrazu, aby wskazać dokładne źródło szumu koherencji. Jeśli zidentyfikowane zostanie określone źródło, spróbuj je wyłączyć lub przykryć folią aluminiową, miąższem lub miedzianą siatką, aby zmniejszyć szumy. Uruchom ponownie skanowanie po wyłączeniu lub zakryciu źródeł szumów, aby sprawdzić, czy szum zostanie rozwiązany.Kontynuuj ten proces, aż wszystkie źródła hałasu zostaną wyeliminowane, pozostawiając tylko niski szum gaussowski o średniej kwadratowej. Identyfikuj nieregularne szumy jako wysokie skoki sygnału w pojedynczych pikselach opartych na wielkości liter z nienormalnie wysokimi lub niskimi sygnałami w kanałach rzeczywistych lub wyimaginowanych. Wykonuj obrazowanie w różnych orientacjach kodowania fazy, w tym od przodu do tyłu, od głowy do stopy i od lewej do prawej.Wyeliminuj potencjalne problemy z gradientami X-Y lub Z, selektywnie włączając lub wyłączając poszczególne gradienty. Systematycznie badaj powstałe obrazy, aby określić, który konkretny kierunek gradientu przyczynia się do szumu. Wyniki analizy charakterystyki hałasu przeprowadzonej na skanowaniu hałasu wykazały wpływ zarówno regularnego, jak i nieregularnego hałasu na przestrzeń K.Regularny szum prowadził do ciągłego wzorca w przestrzeni K, podczas gdy nieregularny szum skutkował wartościami odstającymi o wysokiej wartości na wykresie Q-Q. Seria obrazów płuc uzyskanych za pomocą rezonansu magnetycznego HPG wykazała, że wyraźny jasny punkt wyśrodkowany w przestrzeni K wskazywał na wyraźny sygnał płucny o niskim poziomie szumów. I odwrotnie, obecność regularnego szumu była rozłożona na wszystkich obrazach.Nieregularny szum ewidentnie powodował wysokie skoki wartości w przestrzeni K i skutkował wzorem pasków w przestrzeni obrazu. Scenariusz, w którym zarówno regularne, jak i nieregularne dźwięki były obecne jednocześnie, również wpłynął na obraz płuc.

troubleshooting-quality-assurance-hyperpolarized-xenon-magnetic

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Opisano proces wytwarzania hiperpolaryzowanego ksenonu za pomocą optycznego pompowania wymiany spinowej (SEOP). Metoda ta pozwala na ok. 10000-krotne zwiększenie polaryzacji spinu jądrowego Xe-129 i znajduje zastosowanie w spektroskopii oraz obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego jąder. Przedstawiono przykłady eksperymentów w fazie gazowej oraz w stanie roztworu.

Hiperpolaryzowany ksenon w zastosowaniach NMR i MRI

Hiperspolaryzowany rezonans magnetyczny 129Xe (MRI) to metoda badania regionalnie rozdzielonych aspektów funkcji płuc. Praca ta przedstawia kompleksowy, ustandaryzowany przepływ pracy dla hiperspolaryzowanego rezonansu magnetycznego 129Xe wentylacji płuc, ze szczególnym uwzględnieniem projektowania sekwencji impulsów, przygotowania dawki 129Xe, przebiegu skanowania i najlepszych praktyk w zakresie monitorowania bezpieczeństwa pacjenta.

Pozyskiwanie hiperspolaryzowanych obrazów rezonansu magnetycznego 129xe wentylacji płuc

Rękopis przedstawia szczegółowy protokół użycia hiperspolaryzowanego odzyskiwania nasycenia chemicznego ksenonu-129 (CSSR) do śledzenia wymiany gazowej w płucach, oceny pozornej grubości ściany przegrody pęcherzykowej i pomiaru stosunku powierzchni do objętości. Metoda ta może pomóc w diagnozowaniu i monitorowaniu chorób płuc.

Ilościowa miara struktury i funkcji płuc uzyskana z hiperpolaryzowanej spektroskopii ksenonowej

Wizualizacja próbek białek za pomocą elektronowej mikroskopii transmisyjnej (EM) z barwieniem negatywowym stała się popularną metodą analizy strukturalnej. Jest ona przydatna zarówno do ilościowej analizy struktury, np. obliczania rekonstrukcji 3D badanych cząsteczek, jak i do jakościowej oceny czystości preparatów białkowych. W niniejszym artykule przedstawiamy szczegółowe protokoły przygotowania siatek do EM, barwienia próbki oraz wizualizacji próbki w mikroskopie elektronowym. Początkujący...

Wizualizacja białek i kompleksów makromolekularnych za pomocą EM z barwieniem negatywowym: od przygotowania siatki do akwizycji obrazów

Prąd stosowany do wewnątrznaczyniowego mikrocewnika z końcówką mikrocewki wykonaną za pomocą litografii tokarki laserowej może osiągać kontrolowane odchylenia pod kontrolą rezonansu magnetycznego (MR), co może poprawić szybkość i skuteczność nawigacji naczyń krwionośnych podczas różnych zabiegów wewnątrznaczyniowych.

Magnetycznie wspomagane, zdalnie sterowane ugięcie końcówki mikrocewnika w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego

Ten artykuł opisuje wewnętrzne procedury konstruowania przedklinicznego fantomu multimodalnego wykonanego z materiałów naśladujących tkanki (TM) do zapewnienia jakości (QA) pomiaru wielkości guza w metodach obrazowania zwierząt, takich jak ultrasonografia (US), tomografia komputerowa (CT) i rezonans magnetyczny (MRI).

Budowa przedklinicznego fantomu multimodalnego z wykorzystaniem materiałów naśladujących tkanki w celu zapewnienia jakości w pomiarze wielkości guza

Opisujemy protokół obrazowania hybrydowego, łączący tomografię za pośrednictwem fluorescencji (FMT) z mikrotomografią komputerową (μCT). Po fuzji i rekonstrukcji przeprowadzamy interaktywną segmentację narządów w celu wyodrębnienia ilościowych pomiarów rozkładu fluorescencji.

Hybrydowe obrazowanie μCT-FMT i analiza obrazu

AN został opracowany specjalnie zaprojektowany laserowy aparat grzewczy kompatybilny z MRI, aby zapewnić miejscowe ogrzewanie guzów podskórnych w celu aktywacji uwalniania czynników z termoczułych liposomów, szczególnie w obszarze guza.

Specjalnie zaprojektowane laserowe urządzenie grzewcze do wyzwalanego uwalniania cisplatyny z termoczułych liposomów z prowadzeniem obrazu rezonansu magnetycznego

Nowa metoda elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR), rapid scan EPR (RS-EPR), została zademonstrowana do przestrzennego obrazowania spektralnego 2D, która jest lepsza od tradycyjnej techniki ciągłej fali (CW) i otwiera nowe możliwości obrazowania in vivo. Wyniki są demonstrowane na częstotliwości 250 MHz, ale technika ta ma zastosowanie na dowolnej częstotliwości.

Szybki skan elektronowy rezonansu paramagnetycznego otwiera nowe możliwości obrazowania fizjologicznie ważnych parametrów in vivo

Obecny protokół opisuje metodę, dzięki której użytkownicy mogą utrzymać żywotność ostrych preparatów wycinków hipokampa i kory mózgowej podczas zbierania danych z mikroskopii rezonansu magnetycznego.

Wspomaganie metaboliczne wyciętych, żywych tkanek mózgowych podczas akwizycji pod mikroskopią rezonansu magnetycznego

Poznaj protokół uzyskiwania wysokiej jakości obrazów w hiperspolaryzowanym rezonansie magnetycznym ksenonu-129. Metoda ta umożliwia nieinwazyjną ocenę wentylacji płuc i wymiany gazowej bez promieniowania jonizującego.

Rozwiązywanie problemów i zapewnienie jakości w hiperspolaryzowanym ksenonowym rezonansie magnetycznym: narzędzia do pozyskiwania wysokiej jakości obrazów (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów