Felsökning och kvalitetssäkring vid hyperpolariserad xenonmagnetisk resonanstomografi: Verktyg för högkvalitativ bildinsamling

Summary

Här presenterar vi ett protokoll för att erhålla högkvalitativa hyperpolariserade xenon-129 magnetiska resonansbilder, som täcker hårdvara, mjukvara, datainsamling, sekvensval, datahantering, k-space-användning och brusanalys.

Abstract

Hyperpolariserad (HP) xenonmagnetisk resonanstomografi (¹²⁹Xe MRI) är en nyligen godkänd avbildningsmodalitet som godkänts av Federal Drug Administration (FDA) och som producerar högupplösta bilder av en inhalerad andedräkt av xenongas för undersökning av lungfunktionen. Att implementera ¹²⁹Xe MRI är dock unikt utmanande eftersom det kräver specialiserad hårdvara och utrustning för hyperpolarisering, upphandling av xenonavbildningsspolar och spolprogramvara, utveckling och sammanställning av multinukleära MR-avbildningssekvenser och rekonstruktion/analys av insamlade data. Utan rätt expertis kan dessa uppgifter vara skrämmande, och att misslyckas med att skaffa bilder av hög kvalitet kan vara frustrerande och dyrt. Här presenterar vi några protokoll för kvalitetskontroll (QC), felsökningsmetoder och användbara verktyg för¹²⁹Xe MRI-platser, som kan hjälpa till att skaffa optimerade data av hög kvalitet och korrekta resultat. Diskussionen kommer att börja med en översikt över processen för att implementera HP ¹²⁹Xe MRI, inklusive krav på ett hyperpolarisatorlaboratorium, kombinationen av ¹²⁹Xe MRI-spole hårdvara/mjukvara, datainsamling och sekvensöverväganden, datastrukturer, k-utrymme och bildegenskaper samt uppmätta signal- och brusegenskaper. Inom vart och ett av dessa nödvändiga steg finns möjligheter till fel, utmaningar och ogynnsamma händelser som leder till dålig bildkvalitet eller misslyckad bildbehandling, och den här presentationen syftar till att ta itu med några av de vanligaste problemen. I synnerhet är identifiering och karakterisering av avvikande brusmönster i insamlade data nödvändiga för att undvika bildartefakter och bilder av låg kvalitet. Exempel kommer att ges och begränsningsstrategier kommer att diskuteras. Vi strävar efter att göra ^{implementeringsprocessen för 129}Xe MRI enklare för nya platser samtidigt som vi tillhandahåller några riktlinjer och strategier för felsökning i realtid.

Introduction

I över ett sekel har bedömning av lungfunktionen främst förlitat sig på globala mätningar från spirometri och kroppspletysmografi. Dessa traditionella lungfunktionstester (PFT) är dock begränsade i sin förmåga att fånga sjukdomens regionala nyanser i ett tidigt stadium och subtila förändringar i lungvävnad¹. Nuklearmedicin med inhalerade radioaktiva spårämnen har använts i stor utsträckning för bedömning av obalanser mellan ventilation och perfusion som vanligtvis förknippas med lungemboli, men detta innebär joniserande strålning och ger lägre upplösning. Däremot har datortomografi (CT) dykt upp som guldstandarden för lungavbildning, och erbjuder exceptionell rumslig och tidsmässig klarhet jämfört med nukleär avbildning². Även om datortomografi med låg dos kan minska strålningsexponeringen, bör potentiell strålningsrisk ändå beaktas ^3,4. Proton-MRT av lungan är ovanlig på grund av låg vävnadstäthet i lungan och snabbt signalförfall från lungvävnad, även om de senaste framstegen ger funktionell information trots potentiellt låg signal. Å andra sidan är hyperpolariserad xenonmagnetisk resonanstomografi (HP ¹²⁹Xe MRT) en icke-invasiv modalitet som möjliggör avbildning av lungfunktion med regional specificitet ^5,6. Det ger en hög icke-jämviktskärnmagnetisering av gasen i litermängder. Den inerta gasen andas sedan in av en person inuti MR-skannern under ett enda andetag och avbildas direkt av skannern. Således avbildas den inandade gasen direkt i motsats till själva vävnaden. Denna teknik har använts för att bedöma lungventilation vid många sjukdomar, inklusive astma, kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL), cystisk fibros, idiopatisk lungfibros, coronavirussjukdom 2019 (COVID-19) och många andra³. I december 2022 godkändes HP ¹²⁹Xe MR av amerikanska FDA som ett MR-ventilationskontrastmedel för användning i USA (USA) hos vuxna och pediatriska patienter i åldern 12 år och äldre⁷. Läkare kan nu använda ¹²⁹Xe MR för att bättre ta hand om patienter med förbättrade/personliga behandlingsplaner.

Historiskt sett har klinisk MRT uteslutande fokuserat på avbildning av vätekärnor (protoner) som finns rikligt i nästan alla mänskliga inälvor. MR-skannrar, sekvenser och kvalitetskontroller underhålls i allmänhet av skannertillverkaren som en del av platslicensen och garantin. ¹²⁹Xe kräver dock en multinukleär MR-skanner och har krävt ett dedikerat forskarteam för att operationalisera hyperpolarisatorn, specialbyggda radiofrekvensspolar (RF), dedikerade pulssekvenser och offline-rekonstruktions-/analysprogramvara. Var och en av dessa komponenter kan levereras av tredjepartsleverantörer eller utvecklas internt. Således vilar bördan för kvalitetskontrollen i allmänhet på ¹²⁹Xe-forskargruppen i motsats till skannertillverkaren eller enskilda tredje parter. Konsekvent insamling av ^{högkvalitativa 129}Xe-data är därför en unik utmaning eftersom varje komponent i ¹²⁹Xe MRI-processen medför en risk för fel, vilket måste övervakas noggrant av ¹²⁹Xe-teamet. Dessa situationer kan inte bara vara extremt frustrerande eftersom forskare måste felsöka och undersöka möjliga orsaker till eventuella utmaningar som kan ha uppstått, utan de kan också vara mycket kostsamma eftersom detta saktar ner patientavbildning och rekrytering av försökspersoner. Vissa kostnader i samband med felsökning involverar MRT-tidskostnader, hyperpolarisering av ¹²⁹Xe, vilket innebär förbrukning av olika gaser, och användning av material. Dessutom, med det senaste FDA-godkännandet och tillväxten i ¹²⁹Xe-avbildning, är det nödvändigt att tillhandahålla ett standardiserat protokoll för kvalitetskontroll för att undvika vanliga problem och bakslag i ¹²⁹Xe-drift ^8,9.

Här presenterar vi några av de vanligaste problemen i ¹²⁹Xe MRT, inklusive RF-spolfel, uppkomsten av olika brusprofiler som leder till lågt signal-brusförhållande (SNR) och bilder av dålig kvalitet¹⁰. Vi strävar efter att tillhandahålla några kortfattade riktlinjer och protokoll för kvalitetskontroll (QC) för att säkerställa insamling av bilddata av hög kvalitet och felsöka några av de vanligaste problemen som kan uppstå i ¹²⁹Xe MRT. Insikterna som ges här är också relevanta för felsökning av hyperpolariserat helium-3.

Protocol

Protokollet som beskrivs nedan följer de riktlinjer och standarder som fastställts av University of Missouri Human Research Ethics Committee, vilket säkerställer det etiska genomförandet av studien och skyddet av deltagarnas rättigheter, säkerhet och välbefinnande.

OBS: För att säkerställa tillförlitligheten och noggrannheten hos hyperpolariserade xenon MRT-studier är det avgörande att utföra rigorös karakterisering av insamlade bilder, följa ett omfattande protokoll och använda effektiva felsökningsstrategier. Avbildningssessionen omfattar flera steg: gashyperpolarisering, ¹²⁹Xe-spole/skannerkommunikation, ¹²⁹Xe-spektroskopi, insamling av data, datarekonstruktion och bildanalys. Protokollet börjar med att diskutera dessa steg i detalj och belyser nödvändiga försiktighetsåtgärder och felsökningsstrategier för att optimera avbildningsprocessen. Genom att följa dessa procedurer och införliva expertfelsökningsstrategier kan forskare optimera avbildningsprocessen och övervinna utmaningar som kan uppstå under hyperpolariserade xenon-MRI-studier. Sedan kommer vi att ta upp vanliga felsökningsmetoder som kan uppstå i flera fall av suboptimala data.

1. Viktiga steg för en omfattande HPG MR-studie

Här presenterade vi en kort översikt över processer som är involverade i en typisk hyperpolariserad ¹²⁹Xe-avbildningssession. Detaljerade protokollrekommendationer från ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium ges i Niedbalski et ^al.11.

1. ¹²⁹Xe hyperpolarisering
   1. Se till att ¹²⁹Xe hyperpolarisator är konfigurerad och fungerar enligt tillverkarens riktlinjer eller laboratoriespecifika protokoll för skräddarsydda polarisatorer.
   2. Utför T1-relaxationsmätningar med hjälp av kärnmagnetisk resonansteknik (NMR) på ett representativt prov av HP ¹²⁹Xe-gasen vid HP-mätstationen. I ett stabilt fält på 30 mT bör xenon i en 1 L gasdospåse ha en T1-halt på > 45 minuter.
      OBS: Efter att polarisationsmätningen har slutförts ska dospåsen HP ¹²⁹Xe hållas inom magnetfältet på HP-mätstationen för att bibehålla polarisationen tills den är redo för transport till MR-skannern. Polarisationen kommer att avta enligt¹²,
      (1.1)
      där P(t) är polarisation vid tiden t, P₀ är initial polarisation och T₁ är magnetiseringens avklingningshastighet (utan hänsyn till polarisationsförluster på grund av excitation).
2. Mätning av polarisationsförlust på grund av gastransport
   1. Säkerställ en direkt och effektiv väg från xenonuppsamlingsplatsen till magnetrummet där avbildningen kommer att äga rum.
   2. Minimera eventuella förseningar under HP-xenontransport för att bibehålla polariseringen, eftersom polarisationen kommer att avta snabbt när dosen är utanför det T1-bevarande magnetfältet. Om polarisationen minskar med 20 % eller mer under transporten, använd en magnetiskt skyddad resväska.
   3. Undvik främmande RF-signaler längs transportvägen (t.ex. kortläsare, laser, skiva i rostfritt stål etc.), eftersom de kan bidra till polarisationsförlust.
   4. Mät den initiala dosekvivalenten (DE) för HP ¹²⁹Xe-gasen före transport. DE ges av ¹¹,
      (1.2)
      där f₁₂₉ är den isotropa fraktionen av ¹²⁹Xe, P₁₂₉ är ¹²⁹Xe kärnspinnpolarisation och V_Xe är den totala volymen xenongas.
   5. Transportera gasen från mätstationen in i magnethålet och sedan tillbaka längs samma väg till polarimetristationen. Mät DE igen efter tur och retur för att kvantifiera den förväntade signalförlusten under gastransporten. Om inga ytterligare RF-signaler stör längs transportvägen kommer den uppskattade polarisationen att nära följa T1-sönderfallskurvan som beskrivs i ekvation 1.1.
3. Multinukleär spole (¹²⁹Xe MRI)
   1. Placera ¹²⁹Xe-spolen korrekt i magneten för att säkerställa korrekt orientering. Om en kvadraturspole används, undvik antikvadraturexcitation, eftersom det kan orsaka ett betydande signalbortfall i mitten av bildvolymen.
      OBS: Xenon-spolen bör rymma ett brett utbud av bröststorlekar för att tillgodose variationer i spolinställning/belastning mellan försökspersoner och under olika andningsfaser, vilket leder till variabla levererade vändningsvinklar över skanningar.
   2. Upprätta en säker fysisk anslutning mellan spolkontakten och MR-systemet genom det avsedda uttaget och konfigurera spolprogramvaran för att specificera de tillåtna kärnorna (¹²⁹Xe i vårt fall).
   3. Dela den välkarakteriserade protonresonansfrekvensen på MR-skannern med 3,61529 för att erhålla xenonfrekvensen¹¹.
   4. Karakterisera spolparametrarna (maximal sändningsamplitud, sändarens referensamplitud, specifik absorptionshastighet - SAR).
4. Mätning ^{av 129}Xe-spektroskopi
   1. Skapa en termiskt polariserad 129-xenonfantom.
      1. Anslut ett glastryckkärl till en xenongasfylld påse, se till att påsens storlek och xenonvolym är i linje med kärlets kapacitet.
      2. Sänk ner tryckkärlet i en liten mängd flytande kväve (LN₂) för att tillåta xenondiffusion och frysning (se figur 1).
      3. Försegla kärlet efter att xenonet har bildat frusen snö inuti, låt det sedan tina och trycksätta kärlet. Beräkna trycket i kärlet: P = (_V-kärl + V-säck)/_V-kärl där _V-kärl är kärlets volym och_V-påse är volymen av xenonet i säcken.
         OBS: Till skillnad från hyperpolariserade gaspåsar (HPG) behöver det termiskt polariserade ¹²⁹Xe-kärlet inte rensas från syre eller vakuumevakueras eftersom det extra syret kommer att minska xenon T₁ - en gynnsam effekt i det termiskt polariserade fantomen. Det är också viktigt att se till att gastrycket i kärlet inte överstiger tillverkarens angivna tryckgräns. Med en fantom på ¹²⁹Xe-gas kan xenonfrekvensen mätas på MR-konsolen. Kommersiella xenonfantomer för kvalitetssäkring finns också tillgängliga¹³.
   2. Detektera toppfrekvensen med ett termiskt polariserat xenonfantom.
      1. Placera xenonfantomen inuti ¹²⁹Xe-spolen och placera den på samma sätt som en laddad patient, eftersom skillnader i spolgeometri kan ändra den levererade B1 till fantomen avsevärt (figur 2).
         OBS: Det rekommenderas att en lämplig vattenfantom också laddas för att ladda spolen ordentligt.
      2. Utför en skanning med protonfrekvens, eftersom vissa skannrar kan neka multinukleära skanningar utan en initial protonfrekvenslokaliserare.
      3. Använd en bredbandssändningspuls (om tillgängligt), hög bandbredd och högupplöst avläsningsexperiment för att exakt detektera xenonfrekvenstoppen. En bredbandspuls kommer att excitera ett högt frekvensområde, vilket säkerställer att xenon-NMR kan detekteras.
      4. När en väldefinierad topp har upptäckts, registrera frekvensen med full precision och upprepa experimentet vid den nya frekvensen med låg bandbredd (~1000 Hz) för att maximera signal-brusförhållandet (SNR) och toppfrekvensprecisionen (figur 3).
      5. När en tillfredsställande högsignaltopp har upptäckts, spara protokollet för framtida QC-tester.
         OBS: Den exakta geometriska placeringen av spolen i skannern ger en baslinjespektroskopiskanning, som kan replikeras i framtiden för att identifiera framväxande problem om SNR ses förvärras. Fantomen i sig kan avbildas direkt, även om det kan krävas flera förvärv för att bygga tillräckligt med signal för bildrekonstruktion och kanske inte ger en rättvis uppskattning av uppnåelig SNR eftersom högre vändningsvinklar i allmänhet krävs. En förberedd påse med hyperpolariserat xenon är det bästa alternativet för att testa det önskade avbildningsprotokollet med in vivo-avbildningsparametrar .
5. HP ¹²⁹Xe-bildbehandling med en testväska
   1. Använd en liten mängd HP ¹²⁹Xe (>300 ml) för bildbehandling, som är välkoncentrerad och fri från syre.
   2. Mät ¹²⁹Xe DE noggrant omedelbart före avbildning.
   3. Ställ in testavbildningsprotokollet så att det återspeglar önskade in vivo-parametrar så nära som^{möjligt 11}.
   4. Hämta och spara bilden av xenonpåsen som ett baslinjemått på skannerns prestanda.
   5. Mät och registrera SNR för de tagna bilderna tillsammans med alla skanningsparametrar och xenon DE. Den acceptabla SNR för en 2D GRE-skanning kan variera beroende på plats, men den bör vanligtvis vara cirka 30 eller högre, med ett lägsta tröskelvärde på 15 för efterföljande bildanalys¹¹.
   6. För att mäta vippvinkel (FA), α, utför en bortskämd gradientekoskanning i full volym där synfältet avbildas två gånger i följd (med FA ≈ 8-10°), med identiska sekvensparametrar och utan mellanrum mellan slutet av den första bilden och början av den andra. Mät SNR vid DC-förskjutningen för de två bilderna, S0 och S1, räkna antalet faskodningssteg, n, och beräkna vändningsvinkelkartan enligt följande ¹⁴:
      (1.3)
      ANMÄRKNINGAR: Vanliga parametrar för in vivo HP ¹²⁹Xe MRT, liksom en mer komplicerad men mycket noggrann flip-angle-kalibreringsmetod (multi-shot pulse/acquire experiment), ges i Niedbalski et ^al.11.
6. In vivo HP ¹²⁹Xe bildbehandling
   1. Ge lämplig coachning till försökspersonen om andningstekniker och låt försökspersonen öva på inandningsproceduren med hjälp av en påse luft innan du introducerar HP ¹²⁹Xe-påsen.
   2. Instruera försökspersonen att utföra en serie andetag in och ut med rumsluft, följt av en djup inandning av HP ¹²⁹Xe-gas, hålla andan och initiera skanningen (en vanlig metod). Övervaka noggrant försökspersonens bröströrelser för att säkerställa att andningen förblir synkroniserad med medföljande instruktioner.
      OBS: Olika coachningsmetoder används för närvarande för andningsuppehållsprocedurer, och ett framtida konsortiumdokument kommer sannolikt att upprätta ett konsensusuttalande om detta.
   3. Använd näsklämmor för att förhindra näsinandning av gasen under andan.
   4. Efter att ha hållit andan ska du coacha försökspersonerna att ta djupa andetag för att ta bort xenon från lungorna och lösa eventuella tillfälliga biverkningar¹¹.
   5. För dem som strävar efter xenonavbildning i upplöst fas, var medveten om att försökspersonens inhalationsvolym sannolikt påverkar de inhämtade data från upplöst fas avsevärt¹⁵.
7. Rekonstruktion och analys av data
   1. Exportera "rådata" från skannern, vanligtvis i form av en lista med komplexa data i den ordning de hämtats från avläsningen.
   2. För rektorialt förvärvade k-rumsbanor motsvarar varje komplex datapunkt en heltalsfrekvens i tvådimensionellt (2D) eller tredimensionellt (3D) k-rum. Rekonstruera bilden med hjälp av en enkel, snabb Fouriertransform (FFT) för rätlinjiga banor.
   3. För icke-rätlinjiga trajektorier (t.ex. radiella eller spiralformade data), utför data "gridding" för att interpolera eller konvolvera komplexa data till heltalsfack före den efterföljande FFT. Undersök data innan du utför rutnät, om det behövs, för att säkerställa noggrannhet och undvika potentiella artefakter.
      FFT för råa k-space-data kan ge bilder som liknar men inte är identiska med skannerrekonstruerade DICOM-bilder eftersom skannern ytterligare korrigerar rekonstruerade bilder baserat på kända icke-linjäriteter i toningsbeteende. Dessa effekter är i allmänhet små, men de kan vara mer uttalade vid kanterna av skannerns bildvolym, särskilt när stora organ som lungor avbildas. Vi rekommenderar att du använder den skannerrekonstruerade bilden (om tillgänglig) för efterbehandling.

2. Steg för felsökning

OBS: Även om protokollet beskrev vissa procedurer för kvalitetskontroll (QC) i hyperpolariserad ¹²⁹Xe MRT, kan felsökning vara nödvändig på grund av framväxande problem, anomalier och utmaningar. Eventuella fel eller felsteg i processen kan ha en dominoeffekt, påverka efterföljande steg och leda till problem som saknade eller lågkvalitativa bilder med låg signalintensitet, höga brusnivåer eller fullständig signalförlust. För att ta itu med dessa utmaningar bör strategiska metoder användas för att identifiera och undersöka problemen i detalj.

1. HP ¹²⁹Xe dospåseförberedelse för QC
   1. Brygg försiktigt en exakt mängd xenongas för kontrollxenonpåsen, notera eventuellt kväve som blandas med den.
   2. Ta en bild av xenonpåsen i MR-skannern och utför noggranna polarisationsmätningar före och efter bildtagningen för tillförlitliga jämförelser.
   3. Använd samma bildsekvens för alla QC-skanningar för att underlätta tillförlitliga jämförelser.
   4. Notera xenon DE-värden före och efter att alla QC-skanningar har utförts för att möjliggöra framtida jämförelser.
2. Systemisk bruskarakterisering
   1. Skapa en kontrollbrusprofil för QC-ändamål. Använd en specifik anpassad 2D GRE-sekvens som inkluderar ett högt synfält (FOV; 400-500 mm) för att fånga den maximala signalen från området, en hög bandbredd per pixel (den maximala tillgängliga eller minst >50 kHz) för att identifiera närliggande brusresonanser, och den lägsta möjliga repetitionstiden (TR) och ekotiden (TE)^{11, 13}. veckor Skaffa QC för buller profile med hjälp av en xenonväst eller en slingspole.
   2. Få en bild utan sample (HP ¹²⁹Xe) i spolen. Denna bild kommer att karakterisera brusprofilen.
   3. Undersök inhämtade brusdata, särskilt k-utrymmet, för icke-gaussiska element som toppar, mönster eller diskretiserade/diskretiserade värden.
   4. Skapa ett QQ-diagram genom att plotta de inhämtade verkliga/imaginära data mot en syntetiserad Gaussisk datauppsättning (med lämplig slumptalsgenereringsfunktion) med identiskt medelvärde, standardavvikelse och vektorlängd, båda ordnade från minsta till största. Avvikelser från linjen y = x i QQ-diagrammet indikerar närvaron av icke-gaussiska komponenter i de insamlade data, vilket kräver ytterligare undersökning. (Figur 4).
      Ett kvantil-kvantildiagram (QQ-diagram) kan ge insikter om huruvida två datauppsättningar uppvisar liknande fördelningar. Genom att jämföra data med en normalfördelad datamängd kan man bedöma om fördelningen är gaussisk eller inte. Protokollet antar att den reella och imaginära delen av k-rummet approximerar en Gaussisk fördelning i frånvaro av ett prov.
   5. Identifiera brusfördelningsmönstret och potentiella extremvärden med ett lämpligt val av diagram (använd Chauvenets kriterium om det behövs¹⁶).
   6. Kategorisera brus i regelbundna och oregelbundna typer baserat på dess egenskaper (se steg 2.3 och 2.4).
      OBS: Vanligt brus innebär att regelbundet uppträder mönster i avläsnings- eller k-space-data. Oregelbundet brus verkar relativt slumpmässigt och har ofta hög intensitet utan något märkbart tidsmönster, men uppvisar inte en gaussisk profil som oundvikligt termiskt brus.
3. Regelbunden bullerdetektering
   1. För att utesluta skannern som en bruskälla,ta bilder med hjälp av standardprotokollet för plats med olika pulssekvensparametrar inaktiverade och elektroniska komponenter avstängda. Till exempelample, om en viss gradientspole avger brus, bör gradienterna stängas av innan skanningen körs för att undersöka om bruset försvinner.
      OBS: Att stänga av lutningen kräver i allmänhet förhöjd åtkomst till skannerkonsolen och kan kräva att en servicetekniker är närvarande. I slutändan bör en sekvens där den multinukleära spektrometern är aktiv, men inga gradienter drivs och ingen RF levereras, vara tillräcklig för att avgöra om ett brusproblem har sitt ursprung i dessa komponenter.
   2. Eliminera bullerkällor från rummet och identifiera därefter potentiella orsaker till regelbundet buller.
      OBS: Bullerkällor kan inkludera elektroniska komponenter som kontrastinjektorer, kodknappar, sensorer, monitorer för vitala tecken, skannerkomponenter (t.ex. positioneringslaser, bäddmekanoelektronik, fläktar, lampor) eller vågledare mellan konsol-/magnetväggar.
   3. Använd en enkel ytslingspole som är inställd på ¹²⁹Xe-frekvensen för att "sniffa" runt i magnetrummet efter bruskällor. Placera xenonspolelementet fysiskt nära potentiellt problematiska enheter och kör en testsekvens (se steg 2.2.1) för att upptäcka förstärkt brus.
   4. Undersök k-utrymme och bilddata för att hitta den exakta källan till koherensbrus.
   5. Om en specifik källa identifieras, försök att inaktivera den eller täck den med aluminiumfolie/blinkning eller ett kopparnät för att minska bruset.
   6. Kör skanningen igen efter att ha inaktiverat eller täckt över bruskällor för att se om bruset försvinner. Fortsätt denna process tills alla bruskällor har eliminerats och endast det Gaussiska bruset med låg rotmedelkvadrat (RMS) återstår.
4. Detektering av oregelbundet brus
   1. Identifiera oregelbundet brus som höga signalspikar i enskilda k-space-pixlar med onormalt höga eller låga signaler i de verkliga eller imaginära kanalerna.
      OBS: K-space-spikar resulterar ofta i bilder med randiga eller "manchester"-mönster (Figur 5). Förekomsten av höga värden eller toppar i k-space-data kan ofta leda till att det uppstår ett randigt mönster i bildutrymmet. Detta fenomen är ofta förknippat med gradientrelaterade problem.
   2. Eliminera potentiella problem med X-, Y- eller Z-gradienter genom att identifiera riktningen som är ansvarig för det randiga mönstret (bild 5). Utför avbildning i olika faskodningsorienteringar, inklusive främre till bakre riktning, huvud till fot och vänster till höger.
   3. Undersök systematiskt de resulterande bilderna i varje orientering för att identifiera vilken specifik gradientriktning som bidrar till det randiga mönstret. Om det behövs, kontakta platsens kliniska ingenjör för att selektivt aktivera och inaktivera individuella gradienter, vilket gör det möjligt att identifiera källan till eventuella bullertoppar.
5. Ingen signal
   OBS: När man stöter på en situation där ingen signal observeras efter insamlingen i HPG MRT-studier, kan en systematisk felsökningsmetod användas. Här är några rekommendationer för att lösa det här problemet,
   1. Kontrollera xenonspolen och anslutningen.
      1. Se till att xenonspolen är vald i MR-skannern och korrekt ansluten.
      2. Patientens rörelse under skanningen kan orsaka frånkoppling av spolen, så inspektera spolanslutningen noggrant.
      3. Kontrollera om dörren till MR-skannern är ordentligt stängd, eftersom en öppen dörr kan släppa in RF utifrån i magnetrummet.
      4. Utför spektroskopi på xenonfantomen (se avsnitt 1.4.2) och kontrollera xenontopphöjden och brusgolvet från spektroskopin. Använd en 90° vändvinkel för att säkerställa närvaron av en xenontopp. Beräkna den maximala signalen associerad med 90° excitation och jämför spänningen/effekten med QC-skanningsresultaten.
   2. Utvärdera xenonspolen.
      1. Förbered en liten påse xenon och mät polarisationen vid mätstationen.
      2. Föreställ dig väskan med en enkel 2D GRE-skanning på en HP ¹²⁹Xe-väska med följande parametrar: högre vippvinkel på 90° (justera pulslängden vid behov eftersom pulslängden dikterar sändningsbandbredden [BW]), använd referensspänning baserad på den tidigare QC för en fantom, en hög FOV och låg BW, samtidigt som basupplösningen hålls låg.
      3. Mät polarisationen igen vid mätstationen. Om polarisationen inte minskar avsevärt tyder det på ett potentiellt problem med xenonspolsändaren eller förstärkaren.
         OBS: Polarisationsnivån upplever en gradvis nedgång på grund av T1-sönderfall under hela denna process, oavsett framgången för excitationspulser från xenonvästspolen. Därför föreslås en hög 90° FA för att observera ett tillräckligt polarisationsförfall orsakat av excitationspulsen för att utesluta problem med xenonspolens sändarfunktion. Om polarisationen minskar avsevärt, men ingen signal detekteras i bilden, indikeras ett problem med xenonspolmottagaren.
   3. Omfattande analys
      1. Analysera både k-utrymmes- och bildrymdsdata för att undersöka eventuella avvikelser eller inkonsekvenser.
      2. Jämför insamlade data med tidigare skanningar eller referensdata för att identifiera potentiella skillnader eller avvikelser.
6. Diskretisering av data
   1. Kontrollera om data är diskretiserade (bild 6).
      OBS: När spolspänningar registreras av skannerspektrometern, är de amplifierade till lämpliga nivåer för att säkerställa att spektrometerns fulla dynamiska omfång används och högsta trohet uppnås. Signalen diskretiseras tidsmässigt enligt avläsningsbandbredden, som är omvänt proportionell mot datapunktens uppehållstid, och de inspelade analoga spänningsvärdena digitaliseras i diskreta signalfack som bestäms av spektrometerns bitdjup. Korrekt amplifiering av den inkommande signalen för att spänna över hela bitdjupet kräver att användaren har tillhandahållit korrekt spolvolymtage/amplifiering/skalningsvärden. På vissa skannrar kommer en bildskanning inte att tillåtas förrän preparationspulser utförs vid målfrekvensen - en process som måste undvikas för hyperpolariserade studier eftersom den extra rf kommer att minska polariseringen och öka andningstiden. Om spektrometern är felaktigt kalibrerad eller misslyckas med att amplifiera signalen på ett adekvat sätt, kan den inspelade datan vara grovt diskretiserad - endast en liten andel av amplitudfacken är fyllda med digitaliserade datapunkter. Datadiskretisering kan också påverka informationsinnehållet genom att införa kvantiseringsfel och förlust av fina detaljer. Diskretisering av data kan också introducera artefakter, äventyra SNR och begränsa möjligheten att noggrant analysera fysiologiska förändringar. Det är viktigt att notera att grov diskretisering av k-space-data inte kan förhindra produktionen av en till synes tillfredsställande bild (figur 6).
   2. Optimera insamlingsparametrarna och använd lämpliga rekonstruktionsalgoritmer för att minska diskretiseringen av data.
   3. Förbättra hårdvaran och använd tekniker som högre samplingsfrekvenser, avancerade interpolationsmetoder och brusreduceringsstrategier för att mildra de negativa effekterna av diskretisering av data.

Representative Results

Figur 4 visar resultaten av den bullerkarakteriseringsanalys som utfördes på bullerskanningen. Diagrammet visar effekten av både regelbundet och oregelbundet brus på k-rummet, där avvikelsen från den ideala y=x-referenslinjen observeras. Regelbundet brus leder till ett kontinuerligt mönster i k-utrymmet, medan oregelbundet brus resulterar i högvärdiga extremvärden i QQ-diagrammet.

Om vi går vidare till figur 5 presenteras en serie lungbilder som tagits med hjälp av HPG MRT. Den översta raden visar exempel i bildrymden, inklusive en referensskanning, en lungbild som påverkas av regelbundet och/eller oregelbundet brus och en bild utan signal. Den nedersta raden visar motsvarande k-rumsmodulrepresentationer.

I figur 5A är en distinkt ljuspunkt centrerad i k-rummet, vilket indikerar en tydlig lungsignal med lågt brus. Omvänt visar figur 5B förekomsten av regelbundet brus (Gaussiskt brus) spridd över bilderna. I figur 5C är oregelbundet brus uppenbart, vilket orsakar högvärdiga toppar i k-utrymmet och resulterar i ett randmönster i bildrymden. Figur 5D illustrerar ett scenario där både regelbundna och oregelbundna ljud förekommer samtidigt, vilket påverkar lungbilden. Slutligen visar figur 5E ett fall där ingen signal detekteras i den erhållna lungbilden.

Figur 6 illustrerar ett exempel på grov datadiskretisering jämfört med korrekt skalade k-space-data. Vid beräkning av SNR blir det uppenbart att diskretiserade data uppvisar en låg signalnivå.

Figur 1: Illustration av att skapa en xenonfantom. Tryckkärlet placeras i en liten mängd flytande kväve för att få xenonet att frysa vid cirka -203,15 °C (70 K). En säck med ¹²⁹Xe ansluts direkt till fartyget. När xenonet diffunderar in i kärlet fryser det när det rör vid de kalla väggarna, vilket skapar en frusen snöliknande struktur. När kärlet är helt fruset förseglas det och xenonet får tina, vilket resulterar i ökat tryck i kärlet. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 2: Arrangemang för spektroskopi. (A) 129-Xenon-fantomen placerad mellan två protonfantomer, alla inneslutna i en ¹²⁹Xe västspole. (B) Fäst xenonvästspolen med remmar. (C) Sätt in enheten i magnetens hål för lokalisering. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 3: Signalsvar i förhållande till excitation med variabel bandbredd vid en konstant xenonfrekvens (34 081 645 Hz). Ökad bandbredd resulterar i ett högre brusgolv. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 4: Tre typer av brusskanningar: acceptabelt, regelbundet och oregelbundet brus. (A) Panel A visar k-utrymmesmodulrepresentationen för varje brusmönster, med vanligt brus som uppvisar ett randmönster och oregelbundet brus som visar spikar (ljusa fläckar). (B) Histogram av de verkliga och imaginära delarna av k-space-data för varje brusskanning. (C) QQ-diagrammet för de verkliga/imaginära komponenterna i k-space-data, som jämför den inhämtade datamängden med en normalfördelad datamängd med samma medelvärde och standardavvikelse i stigande ordning. Den röda linjen representerar referenslinjen y = x. Avvikelser från denna linje indikerar närvaron av icke-gaussiska komponenter i insamlade data. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 5: Illustration av olika ljudmönster i HPG ¹²⁹Xe lungavbildning. Den översta raden visar exempel på bildutrymme, inklusive en referensskanning, en lungbild med regelbundet och/eller oregelbundet brus och en bild utan signal. Den nedersta raden visar motsvarande representationer av k-rumsmoduler. I bilden med signalen är en ljus punkt centrerad i k-rummet, som representerar lungsignalen. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 6: Illustration av effekten av hög/låg digital precision i rekonstruerade data från ¹²⁹Xe-testpåsar. För den höga digitala precisionsbilden (översta raden) har bilden en hög SNR på 600, och modulen på den 55^:e raden i K-utrymmet visar en jämn kurva som visar fina detaljer i data. Men i bilden med låg digital precision (nedersta raden) är enskilda datapunkter "binnedade" till ett begränsat antal digitala nivåer som täcker signalområdet, vilket resulterar i minskad SNR (SNR = 98) i den rekonstruerade bilden. Detta problem kan endast identifieras genom noggrann undersökning av råsignaldata, eftersom det inte förhindrar produktionen av en till synes tillfredsställande bild. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Discussion

Möjligheten att felsöka ¹²⁹Xe MRT-problem är en nödvändig färdighet och kan hjälpa till att mildra problem i realtid. Fram till dess att en hyperpolariserad gasinfrastruktur kan köpas från en enda part och få stöd från skannertillverkare, är dessa kvalitetskontrolluppgifter de enskilda laboratoriernas eget ansvar. Målet med detta manuskript är att ge läsaren användbara metoder och förslag för den oundvikliga händelsen av dålig datainsamling. Vi försöker ta itu med så många potentiella problem som möjligt, men många andra utmaningar inom ¹²⁹Xe MR är specifika för skannertillverkaren och kan inte diskuteras i detalj på grund av begränsningar i immateriella rättigheter. ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium, en gemenskap med det uttalade målet att utveckla prövningar på flera platser med hjälp av ¹²⁹Xe MRI, består dock av många platsdeltagare och erfarna experter med erfarenhet av att operationalisera ¹²⁹Xe MRI på flera plattformar och programvara¹⁷. Vi rekommenderar att du kontaktar någon av webbplatsdeltagarna med implementerings- och/eller felsökningsfrågor som inte tas upp här.

Regelbundna prestandakontroller av spolen bör utföras för att identifiera tidiga indikationer på signalminskning eller nya brusproblem. Dessa kontroller innebär att man undersöker spolens gränssnitt och interna anslutningar, samt bedömer den potentiella effekten av fall eller övervikt på spolen. Förutom fysiska inspektioner kan jämförelse av spektroskopiskanningarna ofta hjälpa till att identifiera problem med spolens prestanda. Eftersom MRI-systemets multinukleära funktionalitet är en komponent som delas med protonanläggningen, bör alla nyligen introducerade enheter eller utrustning i det magnetiska rummet genomgå tester för att förhindra potentiell interferens i xenonfrekvensen. Förutom tekniska överväganden bör man vara noga med detaljerna i försöksmetoderna. Detta omfattar effektiv coachning av försökspersoner, säkerställande av tydlig kommunikation med studiesamordnare och exakt positionering av xenonpåsen under QC-skanningar. Dessa till synes små detaljer bör inte förbises, eftersom de avsevärt kan förbättra bildkvaliteten och de övergripande studieresultaten.

Protokollet som presenteras i detta dokument erbjuder forskare ett omfattande ramverk för att identifiera och ta itu med potentiella problem under avbildningsprocessen. Genom att systematiskt följa felsökningsstegen kan forskare optimera bildkvaliteten, förbättra datanoggrannheten och främja området hyperpolariserad xenon-MRI. Fortsatt förfining och anpassning av dessa felsökningsstrategier, i kombination med framsteg inom bildteknik, kommer att bidra till ytterligare förbättringar av kvaliteten och tillförlitligheten hos hyperpolariserade xenon-MRI-studier.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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