Summary

Solução de problemas e garantia de qualidade em imagens de ressonância magnética de xenônio hiperpolarizado: ferramentas para aquisição de imagens de alta qualidade

Published: January 05, 2024
doi:

Summary

Aqui, apresentamos um protocolo para obtenção de imagens de ressonância magnética hiperpolarizada de alta qualidade de xenônio-129, abrangendo hardware, software, aquisição de dados, seleção de sequência, gerenciamento de dados, utilização do espaço k e análise de ruído.

Abstract

A ressonância magnética de xenônio hiperpolarizada (HP) (RM de 129Xe) é uma modalidade de imagem recentemente aprovada pela Federal Drug Administration (FDA) que produz imagens de alta resolução de uma respiração inalatória de gás xenônio para investigação da função pulmonar. No entanto, a implementação da RM 129Xe é um desafio único, pois requer hardware e equipamentos especializados para hiperpolarização, aquisição de bobinas de imagem de xenônio e software de bobinas, desenvolvimento e compilação de sequências de imagens de RM multinucleares e reconstrução/análise de dados adquiridos. Sem a devida experiência, essas tarefas podem ser assustadoras, e a falha em adquirir imagens de alta qualidade pode ser frustrante e cara. Aqui, apresentamos alguns protocolos de controle de qualidade (CQ), práticas de solução de problemas e ferramentas úteis para129sites de RM Xe, que podem ajudar na aquisição de dados otimizados e de alta qualidade e resultados precisos. A discussão começará com uma visão geral do processo de implementação da ressonância magnética HP 129Xe, incluindo requisitos para um laboratório de hiperpolarizador, a combinação de hardware/software de bobina de ressonância magnética de 129Xe, considerações de aquisição e sequência de dados, estruturas de dados, espaço k e propriedades de imagem, e características de sinal e ruído medidos. Dentro de cada uma dessas etapas necessárias estão oportunidades para erros, desafios e ocorrências desfavoráveis que levam à baixa qualidade da imagem ou falha na imagem, e esta apresentação visa abordar alguns dos problemas mais comumente encontrados. Em particular, a identificação e caracterização de padrões anômalos de ruído nos dados adquiridos são necessárias para evitar artefatos de imagem e imagens de baixa qualidade; exemplos serão dados e estratégias de mitigação serão discutidas. Nosso objetivo é tornar o processo de implementação da RM 129Xe mais fácil para novos sites, fornecendo algumas diretrizes e estratégias para solução de problemas em tempo real.

Introduction

Por mais de um século, a avaliação da função pulmonar baseou-se principalmente em medidas globais da espirometria e da pletismografia corporal. No entanto, esses testes tradicionais de função pulmonar (TFP) são limitados em sua capacidade de captar as nuances regionais da doença em estágio inicial e alterações sutis no tecido pulmonar1. A medicina nuclear com radiotraçadores inalatórios tem sido amplamente utilizada para a avaliação de incompatibilidades ventilação/perfusão comumente associadas a embolia pulmonar, mas envolve radiação ionizante e apresenta menor resolução. Em contraste, a tomografia computadorizada (TC) emergiu como o padrão-ouro para imagem pulmonar, oferecendo excepcional clareza espacial e temporal em comparação com a imagem nuclear2. Embora a TC de baixa dose possa atenuar a exposição à radiação, o risco potencial de radiação ainda deve ser considerado 3,4. A RM de prótons do pulmão é incomum devido à baixa densidade tecidual do pulmão e ao rápido decaimento do sinal do tecido pulmonar, embora avanços recentes ofereçam informações funcionais, apesar do potencial baixo sinal. Por outro lado, a ressonância magnética com xenônio hiperpolarizado (RM HP 129Xe) é uma modalidade não invasiva que permite a obtenção de imagens da função pulmonar com especificidade regional 5,6. Produz uma alta magnetização nuclear fora do equilíbrio do gás em quantidades de litros. O gás inerte é então inalado por um sujeito dentro do scanner de RM para uma única respiração e é diretamente fotografado pelo scanner. Assim, o gás inalado é diretamente imageado, em oposição ao tecido em si. Esta técnica tem sido usada para avaliar a ventilação pulmonar em muitas doenças, incluindo asma, doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC), fibrose cística, fibrose pulmonar idiopática, doença 2019 do coronavirus (COVID-19), e muitos outros3. Em dezembro de 2022, a ressonância magnética HP 129Xe foi aprovada pelo FDA dos Estados Unidos como um agente de contraste de ventilação por RM para uso nos Estados Unidos da América (EUA) em adultos e pacientes pediátricos com 12 anos ou mais7. Os médicos agora podem usar a ressonância magnética 129Xe para cuidar melhor dos pacientes com planos de tratamento aprimorados/personalizados.

Historicamente, a RM clínica se concentra exclusivamente na imagem de núcleos de hidrogênio (prótons) que são abundantes em quase todas as vísceras humanas. Os scanners de ressonância magnética, sequências e controle de qualidade são geralmente mantidos pelo fabricante do scanner como parte da licença e garantia do site. No entanto, o 129Xe requer um scanner de RM com capacidade multinuclear e exigiu uma equipe de pesquisa dedicada para operacionalizar o hiperpolarizador, bobinas de radiofrequência (RF) personalizadas, sequências de pulso dedicadas e software de reconstrução/análise off-line. Cada um desses componentes pode ser fornecido por fornecedores terceirizados ou desenvolvido internamente. Assim, o ônus do controle de qualidade geralmente recai sobre a equipe de pesquisa do 129Xe, em oposição ao fabricante do scanner ou a terceiros individuais. A aquisição consistente de dados 129Xe de alta qualidade é, portanto, um desafio único, pois cada componente do processo de RM 129Xe introduz o potencial de erro, que deve ser monitorado de perto pela equipe do 129Xe. Essas situações não apenas podem ser extremamente frustrantes, pois os pesquisadores precisam solucionar problemas e investigar possíveis causas para quaisquer desafios que possam ter surgido, mas também podem ser muito caras, pois isso retarda a imagem do paciente e o recrutamento de sujeitos. Alguns custos associados à solução de problemas envolvem o tempo de RM, a hiperpolarização do 129Xe, que envolve o consumo de diferentes gases, e o uso de materiais. Além disso, com a recente aprovação do FDA e o crescimento da imagem de 129Xe, o fornecimento de um protocolo padronizado para controle de qualidade é necessário para evitar problemas comuns e contratempos na operação de 129Xe 8,9.

Aqui, apresentamos alguns dos problemas mais comumente encontrados na RM de 129Xe, incluindo falhas na bobina de RF, o surgimento de vários perfis de ruído que levam a uma baixa relação sinal-ruído (SNR) e imagens de baixa qualidade10. Nosso objetivo é fornecer algumas diretrizes e protocolos concisos de controle de qualidade (CQ) para garantir a aquisição de dados de imagem de alta qualidade e solucionar alguns dos problemas mais comuns que podem surgir na RM de 129Xe. Os insights fornecidos aqui também são relevantes para a solução de problemas de hélio-3 hiperpolarizado.

Protocol

O protocolo descrito abaixo segue as diretrizes e padrões estabelecidos pelo Comitê de Ética em Pesquisa com Seres Humanos da Universidade de Missouri, garantindo a condução ética do estudo e a proteção dos direitos, segurança e bem-estar dos participantes. NOTA: Para garantir a confiabilidade e a precisão dos estudos de RM de xenônio hiperpolarizado, é crucial realizar uma caracterização rigorosa das imagens adquiridas, seguir um protocolo abrangente e empregar estratégias efic…

Representative Results

A Figura 4 apresenta os resultados da análise de caracterização do ruído realizada no exame de ruído. O gráfico demonstra o impacto do ruído regular e irregular no espaço k, onde o desvio da linha de referência y=x ideal é observado. O ruído regular leva a um padrão contínuo no espaço k, enquanto o ruído irregular resulta em outliers de alto valor no gráfico QQ. Passando para a Figura 5, uma série de imagens pulmonare…

Discussion

A capacidade de solucionar problemas de ressonância magnética 129Xe é uma habilidade necessária e pode ajudar a mitigar problemas em tempo real. Até que uma infraestrutura de gás hiperpolarizado possa ser comprada de uma única parte e obter apoio dos fabricantes de scanners, essas tarefas de controle de qualidade são de responsabilidade exclusiva dos laboratórios individuais. O objetivo deste manuscrito é fornecer ao leitor práticas úteis e sugestões para o evento inevitável de má aquisição de…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nenhum.

Materials

Polarization measurement station  Polerean 42881 https://polarean.com/
Pressure vessele with plunger valve Ace glass 8648-85 https://www.aceglass.com/html/3dissues/Pressure_Vessels/offline/download.pdf
Tedlar bag Jensen inert GST381S-0707TJO   http://www.jenseninert.com/
Xenon Hyperpolarizer 9820 Polerean 49820 https://polarean.com/
Xenon loop coil Clinical MR Solutions Custom device https://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc
Xenon vest coil Clinical MR Solutions Custom device https://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc

Referências

  1. Pellegrino, R., et al. Interpretative strategies for lung function tests. European Respiratory Journal. 26 (5), 948-968 (2005).
  2. Ebner, L., et al. 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. Investigative Radiology. 52 (2), 120-127 (2017).
  3. Abuelhia, E., Alghamdi, A. Evaluation of arising exposure of ionizing radiation from computed tomography and the associated health concerns. Journal of Radiation Research and Applied Sciences. 13 (1), 295-300 (2020).
  4. Kern, A. L., Vogel-Claussen, J. Hyperpolarized gas MRI in pulmonology. The British Journal of Radiology. 91 (1084), 20170647 (2018).
  5. Möller, H. E., et al. MRI of the lungs using hyperpolarized noble gases. Magnetic Resonance in Medicine. 47 (6), 1029-1051 (2002).
  6. Salerno, M., Altes, T. A., Mugler, J. P., Nakatsu, M., Hatabu, H., de Lange, E. E. Hyperpolarized noble gas MR imaging of the lung: Potential clinical applications. European Journal of Radiology. 40 (1), 33-44 (2001).
  7. . New Drug Therapy Approvals at 2022 Available from: https://www.fda.gov/drugs/new-drugs-fda-cders-new-molecular-entities-and-new-therapeutic-biological-products/new-drug-therapy-approvals-2022 (2023)
  8. Nikolaou, P., et al. Near-unity nuclear polarization with an open-source 129Xe hyperpolarizer for NMR and MRI. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (35), 14150-14155 (2013).
  9. Birchall, J. R., et al. XeUS: A second-generation automated open-source batch-mode clinical-scale hyperpolarizer. Journal of Magnetic Resonance. 319, 106813 (2020).
  10. He, M., Zha, W., Tan, F., Rankine, L., Fain, S., Driehuys, B. A comparison of two hyperpolarized 129Xe MRI ventilation quantification pipelines: The effect of signal to noise ratio. Academic Radiology. 26 (7), 949-959 (2019).
  11. Niedbalski, P. J., et al. 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. Magnetic Resonance in Medicine. 86 (6), 2966-2986 (2021).
  12. Möller, H. E., et al. MRI of the lungs using hyperpolarized noble gases. Magnetic Resonance in Medicine. 47 (6), 1029-1051 (2002).
  13. Bier, E. A., et al. A thermally polarized 129Xe phantom for quality assurance in multi-center hyperpolarized gas MRI studies. Magnetic Resonance in Medicine. 82 (5), 1961-1968 (2019).
  14. Wild, J. M., et al. Comparison between 2D and 3D gradient-echo sequences for MRI of human lung ventilation with hyperpolarized 3He. Magnetic Resonance in Medicine. 52 (3), 673-678 (2004).
  15. Garrison, W. J., et al. Lung volume dependence and repeatability of hyperpolarized 129Xe MRI gas uptake metrics in healthy volunteers and participants with COPD. Radiology: Cardiothoracic Imaging. 5 (3), e220096 (2023).
  16. Ni, W., Qi, J., Liu, L., Li, S. A pulse signal preprocessing method based on the Chauvenet criterion. Computational and Mathematical Methods in Medicine. 2019, 2067196 (2019).
  17. . Available from: https://www.129xectc.org (2023)

Play Video

Citar este artigo
Shammi, U. A., Garcίa Delgado, G. M., Thomen, R. Troubleshooting and Quality Assurance in Hyperpolarized Xenon Magnetic Resonance Imaging: Tools for High-Quality Image Acquisition. J. Vis. Exp. (203), e65972, doi:10.3791/65972 (2024).

View Video