Feilsøking og kvalitetssikring i hyperpolarisert Xenon magnetisk resonansavbildning: Verktøy for bildeopptak av høy kvalitet

Summary

Her presenterer vi en protokoll for å oppnå hyperpolariserte xenon-129 magnetiske resonansbilder av høy kvalitet, som dekker maskinvare, programvare, datainnsamling, sekvensvalg, datahåndtering, k-space-utnyttelse og støyanalyse.

Abstract

Hyperpolarisert (HP) xenon magnetisk resonansavbildning (¹²⁹Xe MR) er en nylig føderal legemiddeladministrasjon (FDA) -godkjent bildebehandlingsmodalitet som produserer høyoppløselige bilder av et innåndet pust av xenongass for undersøkelse av lungefunksjon. Implementering av ¹²⁹Xe MR er imidlertid unikt utfordrende da det krever spesialisert maskinvare og utstyr for hyperpolarisering, anskaffelse av xenon-bildespoler og spoleprogramvare, utvikling og kompilering av multinukleære MR-avbildningssekvenser og rekonstruksjon/analyse av innsamlede data. Uten riktig ekspertise kan disse oppgavene være skremmende, og unnlatelse av å skaffe bilder av høy kvalitet kan være frustrerende og dyrt. Her presenterer vi noen kvalitetskontrollprotokoller (QC), feilsøkingspraksis og nyttige verktøy for¹²⁹Xe MR-nettsteder, som kan hjelpe til med å skaffe optimaliserte data av høy kvalitet og nøyaktige resultater. Diskusjonen vil begynne med en oversikt over prosessen for implementering av HP ¹²⁹Xe MR, inkludert krav til et hyperpolarisatorlaboratorium, kombinasjonen av ¹²⁹Xe MR-spole maskinvare/programvare, datainnsamling og sekvensbetraktninger, datastrukturer, k-space og bildeegenskaper, og målte signal- og støyegenskaper. Innenfor hvert av disse nødvendige trinnene ligger muligheter for feil, utfordringer og ugunstige hendelser som fører til dårlig bildekvalitet eller mislykket bildebehandling, og denne presentasjonen tar sikte på å løse noen av de vanligste problemene. Spesielt er identifisering og karakterisering av uregelmessige støymønstre i innhentede data nødvendig for å unngå bildeartefakter og bilder av lav kvalitet; Eksempler vil bli gitt, og avbøtende strategier vil bli diskutert. Vi tar sikte på å gjøre ¹²⁹Xe MR-implementeringsprosessen enklere for nye nettsteder, samtidig som vi gir noen retningslinjer og strategier for feilsøking i sanntid.

Introduction

I over et århundre har lungefunksjonsvurdering primært stått på globale målinger fra spirometri og kroppspletysmografi. Imidlertid er disse tradisjonelle lungefunksjonstestene (PFT) begrenset i deres evne til å fange opp tidlig stadium sykdommens regionale nyanser og subtile endringer i lungevev¹. Nukleærmedisin med inhalerte radiotracere har vært mye brukt for vurdering av ventilasjons-/perfusjonsavvik som vanligvis forbindes med lungeembolier, men dette innebærer ioniserende stråling og gir lavere oppløsning. I motsetning til dette har computertomografi (CT) dukket opp som gullstandarden for lungeavbildning, og tilbyr eksepsjonell romlig og tidsmessig klarhet sammenlignet med kjernefysisk avbildning². Mens lavdose CT-skanning kan redusere strålingseksponering, bør potensiell strålingsrisiko fortsatt vurderes ^3,4. Proton MR av lungen er uvanlig på grunn av lav vevstetthet i lungen og rask signalforfall fra lungevev, selv om nyere fremskritt gir funksjonell informasjon til tross for potensielt lavt signal. På den annen side er hyperpolarisert xenon magnetisk resonansavbildning (HP ¹²⁹Xe MR) en ikke-invasiv modalitet som muliggjør avbildning av lungefunksjon med regional spesifisitet ^5,6. Det produserer en høy ikke-likevekt kjernefysisk magnetisering av gassen i litermengder. Inertgassen inhaleres deretter av et motiv inne i MR-skanneren i et enkelt åndedrag og avbildes direkte av skanneren. Dermed blir den inhalerte gassen direkte avbildet i motsetning til selve vevet. Denne teknikken har blitt brukt til å vurdere lungeventilasjon på tvers av mange sykdommer, inkludert astma, kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS), cystisk fibrose, idiopatisk lungefibrose, koronavirussykdom 2019 (COVID-19) og mange andre³. I desember 2022 ble HP ¹²⁹Xe MR godkjent av USAs FDA som et MR-ventilasjonskontrastmiddel som skal brukes i USA (USA) hos voksne og pediatriske pasienter i alderen 12 år og eldre⁷. Leger kan nå bruke ¹²⁹Xe MR for å bedre ta vare på pasienter med forbedrede/personlige behandlingsplaner.

Historisk sett fokuserer klinisk MR utelukkende på avbildning av hydrogenkjerner (protoner) som er rikelig i nesten alle menneskelige innvoller. MR-skannerne, sekvensene og kvalitetskontrollen vedlikeholdes vanligvis av skannerprodusenten som en del av nettstedslisensen og garantien. Imidlertid krever ¹²⁹Xe en multinukleær MR-skanner og har krevd et dedikert forskerteam for å operasjonalisere hyperpolarisatoren, spesialbygde radiofrekvensspoler (RF), dedikerte pulssekvenser og offline rekonstruksjons- / analyseprogramvare. Hver av disse komponentene kan leveres av tredjepartsleverandører eller utvikles internt. Dermed hviler byrden av kvalitetskontroll generelt på ¹²⁹Xe-forskerteamet i motsetning til skannerprodusenten eller den enkelte tredjepart. Konsekvent innsamling av ¹²⁹Xe-data av høy kvalitet er derfor unikt utfordrende, da hver komponent i ¹²⁹Xe MR-prosessen introduserer potensialet for feil, som må overvåkes nøye av ¹²⁹Xe-teamet. Ikke bare kan disse situasjonene være ekstremt frustrerende ettersom forskere må feilsøke og undersøke mulige årsaker til eventuelle utfordringer som kan ha oppstått, men de kan være svært kostbare, da dette bremser pasientavbildning og fagrekruttering. Noen kostnader forbundet med feilsøking involverer MR-tidskostnader, hyperpolarisering av ¹²⁹Xe, som innebærer forbruk av forskjellige gasser og bruk av materialer. I tillegg, med den nylige FDA-godkjenningen og veksten i ¹²⁹Xe-bildebehandling, er det nødvendig å gi en standardisert protokoll for kvalitetskontroll for å unngå vanlige problemer og tilbakeslag i ¹²⁹Xe-operasjon ^8,9.

Her presenterer vi noen av de vanligste problemene i ¹²⁹Xe MR, inkludert RF-spolefeil, fremveksten av forskjellige støyprofiler som fører til lavt signal-støyforhold (SNR) og bilder av dårlig kvalitet¹⁰. Vi tar sikte på å gi noen konsise retningslinjer og protokoller for kvalitetskontroll (QC) for å sikre innhenting av bildedata av høy kvalitet og feilsøke noen av de vanligste problemene som kan oppstå i ¹²⁹Xe MR. Innsikten som gis her er også relevant for hyperpolarisert helium-3 feilsøking.

Protocol

Protokollen som er skissert nedenfor, overholder retningslinjene og standardene fastsatt av University of Missouri Human Research Ethics Committee, som sikrer den etiske gjennomføringen av studien og beskyttelsen av deltakernes rettigheter, sikkerhet og velvære.

MERK: For å sikre påliteligheten og nøyaktigheten av hyperpolariserte xenon MR-studier, er det avgjørende å utføre streng karakterisering av anskaffede bilder, følge en omfattende protokoll og bruke effektive feilsøkingsstrategier. Avbildningsøkten involverer flere trinn: gasshyperpolarisering, ¹²⁹Xe spole / skannerkommunikasjon, ¹²⁹Xe-spektroskopi, innhenting av data, datarekonstruksjon og bildeanalyse. Protokollen begynner med å diskutere disse trinnene i detalj og fremhever de nødvendige forholdsregler og feilsøkingsstrategier for å optimalisere bildeprosessen. Ved å følge disse prosedyrene og innlemme ekspertfeilsøkingsstrategier, kan forskere optimalisere bildebehandlingsprosessen og overvinne utfordringer som kan oppstå under hyperpolariserte xenon MR-studier. Deretter vil vi ta opp vanlige feilsøkingspraksiser som kan oppstå i flere tilfeller av suboptimale data.

1. Viktige trinn for en omfattende HPG MR-studie

Her presenterte vi en kort oversikt over prosesser involvert i en typisk hyperpolarisert ¹²⁹Xe bildebehandlingsøkt. Detaljerte protokollanbefalinger fra ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium er gitt i Niedbalski et ^al.11.

1. ¹²⁹Xe hyperpolarisering
   1. Forsikre deg om at ¹²⁹Xe hyperpolarisatoren er konfigurert og fungerer i henhold til produsentens retningslinjer eller laboratoriespesifikke protokoller for skreddersydde polarisatorer.
   2. Utfør T1-relaksasjonsmålinger ved hjelp av NMR-teknikken (kjernemagnetisk resonans) på en representativ prøve av HP ¹²⁹Xe-gassen på HP-målestasjonen. I et stabilt felt på 30 mT bør xenon i en 1 l gassdosepose ha en T1 på > 45 min.
      MERK: Etter at polarisasjonsmålingen er fullført, bør HP ¹²⁹Xe doseposen oppbevares i magnetfeltet til HP-målestasjonen for å opprettholde polarisasjonen til den er klar for transport til MR-skanneren. Polariseringen vil forfalle i henhold til¹²,
      (1.1)
      hvor P (t) er polarisering på tidspunkt t, P₀ er innledende polarisasjon, og T₁ er magnetiseringshenfallshastigheten (ikke vurderer polarisasjonstap på grunn av eksitasjon).
2. Måling av polarisasjonstap på grunn av gasstransport
   1. Sørg for en direkte og effektiv rute fra xenonoppsamlingspunktet til magnetrommet der avbildningen skal finne sted.
   2. Minimer eventuelle forsinkelser under HP xenon-transport for å opprettholde polarisasjon, da polarisasjonen vil forfalle raskt når dosen er utenfor det T1-bevarende magnetfeltet. Hvis polarisasjonen avtar med 20% eller mer under transport, bruk en magnetisk skjermet koffert.
   3. Unngå fremmede RF-signaler langs transportruten (f.eks. kortleser, laser, rustfritt stålbrett osv.), Da de kan bidra til polarisasjonstap.
   4. Mål opp startdoseekvivalenten (DE) av gassen fra HP ¹²⁹Xe før transport. DE er gitt av ¹¹,
      (1.2)
      hvor f₁₂₉ er den isotrope fraksjonen av ¹²⁹Xe, P₁₂₉ er ¹²⁹Xe kjernefysisk spinnpolarisasjon, og V_Xe er det totale volumet av xenongass.
   5. Transporter gassen fra målestasjonen inn i magnetboringen, og deretter tilbake langs samme rute til polarimetristasjonen. Mål DE igjen etter rundturen for å kvantifisere forventet signaltap under gasstransport. Hvis ingen ekstra RF-signaler forstyrrer transportruten, vil den estimerte polarisasjonen følge T1-forfallskurven som er skissert i ligning 1.1.
3. Multinukleær (¹²⁹Xe MR) spole
   1. Plasser ¹²⁹Xe-spolen riktig i magneten for å sikre riktig orientering. Hvis en kvadraturspole brukes, unngå anti-kvadratur eksitasjon, da det kan føre til et betydelig signalfall i midten av bildevolumet.
      MERK: Xenon-spole bør romme et bredt spekter av bryststørrelser for å imøtekomme variasjoner i spolejustering / belastning mellom og under forskjellige respirasjonsfaser, noe som fører til variable leverte flipvinkler over skanninger.
   2. Opprett en sikker fysisk forbindelse mellom spolepluggen og MR-systemet gjennom den angitte kontakten og konfigurer spoleprogramvaren til å spesifisere de tillatte kjernene (¹²⁹Xe i vårt tilfelle).
   3. Del den godt karakteriserte protonresonansfrekvensen på MR-skanneren med 3,61529 for å oppnå xenonfrekvensen¹¹.
   4. Karakteriser spoleparametrene (maksimal sendeamplitude, senderreferanseamplitude, spesifikk absorpsjonshastighet - SAR).
4. Måling ^{av 129}Xe spektroskopi
   1. Lag et termisk polarisert 129-xenon-fantom.
      1. Koble en glasstrykkbeholder til en xenongassfylt pose, og sørg for en passende posestørrelse og xenonvolum for å tilpasse seg fartøyets kapasitet.
      2. Senk trykkbeholderen i en liten mengde flytende nitrogen (LN₂) for å tillate xenondiffusjon og frysing (se figur 1).
      3. Forsegl fartøyet etter at xenonet har dannet frossen snø inni, og la det tine og trykk fartøyet. Beregn trykket i fartøyet: P = (_V-beholder +_V-pose)/_V-beholder der_V-beholder er volumet på fartøyet og_V-posen er volumet av xenonet i posen.
         MERK: I motsetning til hyperpolariserte gassposer (HPG), trenger ikke det termisk polariserte ¹²⁹Xe-fartøyet å bli renset for oksygen eller vakuum evakuert, da det ekstra oksygenet vil redusere xenon T₁ - en gunstig effekt i det termisk polariserte fantomet. Det er også viktig å sikre at gasstrykket i fartøyet ikke overskrider produsentens angitte trykkgrense. Med et fantom på ¹²⁹Xe-gass kan xenonfrekvensen måles på MR-konsollen. Kommersielle xenonfantomer for kvalitetssikring er også tilgjengelige¹³.
   2. Oppdag toppfrekvensen med et termisk polarisert xenonfantom.
      1. Sett xenonfantomet inne i ¹²⁹Xe-spolen og plasser det på samme måte som hos en lastet pasient, da forskjeller i spolegeometri kan endre den tilførte B1 til fantomet betydelig (figur 2).
         MERK: Det anbefales at et passende vannfantom også lastes for å laste spolen riktig.
      2. Utfør en skanning med protonfrekvens, da noen skannere kan tillate multinukleære skanninger uten en innledende protonfrekvenslokalisator.
      3. Bruk et eksperiment med bredbåndsoverføringspuls (hvis tilgjengelig), høy båndbredde og høyoppløselig avlesning for å oppdage xenonfrekvenstoppen nøyaktig. En bredbåndspuls vil eksitere et høyt frekvensområde, slik at xenon NMR kan detekteres.
      4. Når en veldefinert topp er oppdaget, registrerer du frekvensen med full presisjon og gjentar eksperimentet ved den nye frekvensen med lav båndbredde (~ 1000 Hz) for å maksimere signal-støy-forholdet (SNR) og toppfrekvenspresisjonen (figur 3).
      5. Når en tilfredsstillende, høy signaltopp er oppdaget, lagre protokollen for fremtidige QC-tester.
         MERK: Den nøyaktige geometriske plasseringen av spolen i skanneren gir en baseline spektroskopiskanning, som kan replikeres i fremtiden for å identifisere fremvoksende problemer hvis SNR ser ut til å forverres. Fantomet i seg selv kan avbildes direkte, selv om det kan kreve flere anskaffelser for å bygge nok signal for bilderekonstruksjon og kan ikke gi et rettferdig estimat av oppnåelig SNR, da høyere flipvinkler generelt kreves. En forberedt pose med hyperpolarisert xenon er det beste alternativet for å teste ønsket bildebehandlingsprotokoll med in vivo bildeparametere.
5. HP ¹²⁹Xe-avbildning med testveske
   1. Bruk en liten mengde HP ¹²⁹Xe (>300 ml) til avbildning, som er godt konsentrert og fri for oksygen.
   2. Mål ¹²⁹Xe DE nøyaktig umiddelbart før avbildning.
   3. Sett testavbildningsprotokollen til å gjenspeile ønskede in vivo-parametere så nært som mulig¹¹.
   4. Skaff og lagre bildet av xenonposen som et grunnleggende mål på skannerytelsen.
   5. Mål og registrer SNR for de oppkjøpte bildene sammen med alle skanneparametere og xenon DE. Den akseptable SNR for en 2D GRE-skanning kan variere fra sted til sted, men den bør vanligvis være rundt 30 eller høyere, med en minimumsterskel på 15 for påfølgende bildeanalyse¹¹.
   6. For måling av vendevinkel (FA) utfører α en ødelagt gradient-ekkoskanning med fullt volum der FOV avbildes to ganger etter hverandre (med FA ≈ 8-10°), ved hjelp av identiske sekvensparametere og uten mellomrom mellom slutten av det første bildet og starten på det andre. Mål SNR ved DC-forskyvningen av de to bildene, S0 og S1, tell antall fasekodetrinn, n, og beregn vendevinkelkartet som følger ¹⁴:
      (1.3)
      MERKNADER: Vanlige parametere for in vivo HP ¹²⁹Xe MR, samt en mer komplisert, men svært nøyaktig kalibreringsmetode for flip-vinkel (multi-shot pulse/acquire experiment), er gitt i Niedbalski et ^al.11.
6. In vivo HP ¹²⁹Xe-bildebehandling
   1. Gi emnet riktig opplæring i pusteteknikker og la forsøkspersonen øve på innåndingsprosedyren ved hjelp av en pose med luft før HP ¹²⁹Xe-posen introduseres.
   2. Be forsøkspersonen om å utføre en serie inn- og utåndinger med romluft, etterfulgt av en dyp innånding av HP ¹²⁹Xe-gass, pustehold og oppstart av skanningen (en vanlig brukt metode). Overvåk motivets brystbevegelse nøye for å sikre at pusten forblir synkronisert med instruksjonene.
      MERK: Ulike coaching metoder er for tiden ansatt for breath-hold prosedyrer, og en fremtidig konsortium papir vil trolig etablere en konsensus uttalelse om dette.
   3. Bruk neseklemmer for å forhindre nasal innånding av gassen under pusten.
   4. Etter avbildning av pusten, trener forsøkspersonene til å ta dype åndedrag for å fjerne xenon fra lungene og løse eventuelle midlertidige bivirkninger¹¹.
   5. For de som forfølger xenonavbildning i oppløst fase, må du være oppmerksom på at innåndingsvolumet sannsynligvis påvirker de innhentede dataene om oppløst fase betydelig¹⁵.
7. Datarekonstruksjon og analyse
   1. Eksporter "rå" data fra skanneren, vanligvis i form av en liste over komplekse data i rekkefølge av avlesningsinnhenting.
   2. For rettlinjet ervervede k-rombaner tilsvarer hvert komplekse datapunkt en heltallsfrekvens i todimensjonalt (2D) eller tredimensjonalt (3D) k-rom. Rekonstruer bildet ved hjelp av en enkel, rask Fourier-transformasjon (FFT) for rettlinjede baner.
   3. For ikke-rettlinjede baner (f.eks. radial- eller spiraldata), utfør data "gridding" for å interpolere eller convolve komplekse data til heltallsbeholdere før den påfølgende FFT. Undersøk dataene før du utfører rutenett, om nødvendig, for å sikre nøyaktighet og unngå potensielle artefakter.
      MERK: FFT av rå k-space-data kan gi bilder lignende, men ikke identiske med skannerrekonstruerte DICOM-bilder, siden skanneren korrigerer rekonstruerte bilder ytterligere basert på kjente ikke-lineariteter i gradientoppførsel. Disse effektene er generelt små, men de kan være mer uttalt i kantene av skannerens bildevolum, spesielt når store organer som lungene er avbildet. Det anbefales å bruke det skannerrekonstruerte bildet (hvis tilgjengelig) for etterbehandling.

2. Fremgangsmåte for feilsøking

MERK: Selv om protokollen skisserte noen prosedyrer for kvalitetskontroll (QC) i hyperpolarisert ¹²⁹Xe MR, kan feilsøking være nødvendig på grunn av akutte problemer, uregelmessigheter og utfordringer. Eventuelle feil eller feiltrinn i prosessen kan ha en krusningseffekt, påvirke påfølgende trinn og føre til problemer som manglende eller lave bilder med lav signalintensitet, høye støynivåer eller fullstendig signaltap. For å møte disse utfordringene bør strategiske tilnærminger brukes til å identifisere og undersøke problemene i detalj.

1. HP ¹²⁹Xe dosepose tilberedning for QC
   1. Brygg forsiktig en presis mengde xenongass for kontroll-xenonposen, og legg merke til nitrogen som er blandet med den.
   2. Avbilde xenonposen i MR-skanneren og utfør nøyaktige polarisasjonsmålinger før og etter bildeøkten for pålitelige sammenligninger.
   3. Bruk samme bildesekvens for alle QC-skanninger for å lette pålitelige sammenligninger.
   4. Legg merke til xenon DE-verdier før og etter at du har utført alle QC-skanninger for å muliggjøre fremtidige sammenligninger.
2. Systemisk støykarakterisering
   1. Opprett en kontrollstøyprofil for QC-formål. Bruk en spesifikk tilpasset 2D GRE-sekvens som inkluderer et høyt synsfelt (FOV; 400-500 mm) for å fange det maksimale signalet fra området, en høy båndbredde per piksel (maksimalt tilgjengelig eller minst >50 kHz) for å identifisere nærliggende støyresonanser, og lavest mulig repetisjonstid (TR) og ekkotid (TE) ^{11, 13}. Skaff deg QC for støyprofil ved hjelp av en xenonvest eller en sløyfespole.
   2. Få et bilde uten sampling (HP ¹²⁹Xe) i spolen. Dette bildet vil prege støyprofilen.
   3. Undersøk de innhentede støydataene, spesielt k-rommet, for ikke-gaussiske elementer som pigger, mønstre eller diskretiserte / binned verdier.
   4. Lag et QQ-plott ved å plotte de ervervede reelle / imaginære dataene mot et syntetisert gaussisk datasett (med passende tilfeldig tallgenereringsfunksjon) med identisk gjennomsnitt, standardavvik og vektorlengde, begge ordnet fra minste til største. Avvik fra linjen y = x i QQ-plottet indikerer tilstedeværelsen av ikke-gaussiske komponenter i de oppkjøpte dataene, noe som krever ytterligere undersøkelser. (Figur 4).
      MERK: Et kvantittil-kvantitt plott (QQ-plott) kan gi innsikt i om to datasett har lignende fordelinger. Ved å sammenligne dataene med et normalfordelt datasett kan man vurdere om fordelingen er gaussisk eller ikke. Protokollen antar at den reelle og imaginære delen av k-rommet tilnærmer seg en gaussisk fordeling i fravær av et utvalg.
   5. Identifiser støyfordelingsmønsteret og potensielle uteliggere med et passende plott av valg (bruk Chauvenets kriterium om nødvendig¹⁶).
   6. Kategoriser støy i vanlige og uregelmessige typer basert på dens egenskaper (se trinn 2.3 og 2.4).
      MERK: Regelmessig støy innebærer regelmessig å vises mønstre i avlesnings- eller k-space-dataene. Uregelmessig støy virker relativt tilfeldig og har ofte høy intensitet uten merkbart tidsmønster, men viser ikke en gaussisk profil som uunngåelig termisk støy.
3. Regelmessig støydeteksjon
   1. For å utelukke skanneren som en støykilde,skaff bilder ved hjelp av standard nettstedprotokoll med forskjellige pulssekvensparametere deaktivert og elektroniske komponenter slått av. For eksempel, hvis en bestemt gradientspole avgir støy, bør gradientene slås av før skanningen kjøres for å undersøke om støyen løser seg.
      MERK: Avslåing av gradienten krever vanligvis forhøyet tilgang til skannerkonsollen og kan kreve at en servicetekniker er til stede. Til syvende og sist er en sekvens der det multinukleære spektrometeret er aktivt, men ingen gradienter drives, og ingen RF levert skal være tilstrekkelig til å avgjøre om et støyproblem stammer fra disse komponentene.
   2. Eliminer støykilder fra rommet og identifiser deretter potensielle opprinnelser til vanlig støy.
      MERK: Støykilder kan omfatte elektroniske komponenter som kontrastinjektorer, kodeknapper, sensorer, vitalskiltmonitorer, skannerkomponenter (f.eks. posisjoneringslaser, sengemekanoelektronikk, vifter, lys) eller bølgeledere mellom konsoll-/magnetvegger.
   3. Bruk en enkel overflatesløyfespole innstilt på ¹²⁹Xe-frekvensen for å "snuse" rundt magnetrommet for støykilder. Plasser xenonspoleelementet fysisk i nærheten av potensielle problematiske enheter og kjør en testsekvens (se trinn 2.2.1) for å oppdage forsterket støy.
   4. Undersøk k-space og bildedata for å finne den nøyaktige kilden til koherensstøy.
   5. Hvis en bestemt kilde er identifisert, kan du prøve å deaktivere den eller dekke den med aluminiumsfolie / blinking eller et kobbernett for å redusere støy.
   6. Kjør skanningen på nytt etter at du har deaktivert eller dekket støykilder for å se om støyen løser seg. Fortsett denne prosessen til alle støykilder er eliminert, slik at bare lav rot gjennomsnittlig kvadrat (RMS) gaussisk støy.
4. Uregelmessig støydeteksjon
   1. Identifiser uregelmessig støy som høye signaltopper i individuelle k-space-piksler med unormalt høye eller lave signaler i de virkelige eller imaginære kanalene.
      MERK: K-space pigger resulterer ofte i bilder med stripe eller "corduroy" mønstre (figur 5). Tilstedeværelsen av høye verdier eller pigger i k-space-dataene kan ofte føre til forekomst av et stripet mønster i bilderommet. Dette fenomenet er ofte forbundet med gradientrelaterte problemer.
   2. Eliminer potensielle problemer med X-, Y- eller Z-gradienter ved å identifisere retningen som er ansvarlig for det stripete mønsteret (figur 5). Utfør avbildning i forskjellige fasekodingsretninger, inkludert fremre til bakre, hode til fot og venstre mot høyre.
   3. Undersøk systematisk de resulterende bildene i hver retning for å identifisere hvilken spesifikk gradientretning som bidrar til det stripete mønsteret. Hvis det er nødvendig, kontakt stedets kliniske ingeniør for å selektivt aktivere og deaktivere individuelle gradienter, slik at du kan identifisere kilden til eventuelle støytopper.
5. Ingen signal
   MERK: Når du støter på en situasjon der det ikke observeres noe signal etter oppkjøpet i HPG MR-studier, kan en systematisk feilsøkingstilnærming utføres. Her er noen anbefalinger for å løse dette problemet,
   1. Kontroller xenonspolen og tilkoblingen.
      1. Forsikre deg om at xenonspolen er valgt i MR-skanneren og riktig tilkoblet.
      2. Bevegelse av pasienten under skanningen kan føre til frakobling av spolen, så kontroller spoleforbindelsen nøye.
      3. Sjekk om døren til MR-skanneren er ordentlig lukket, da en åpen dør kan tillate utvendig RF inn i magnetrommet.
      4. Utføre spektroskopi på xenonfantomet (se pkt. 1.4.2) og verifisere Xenons topphøyde og støygulv fra spektroskopien. Bruk en 90° vippevinkel for å sikre tilstedeværelsen av en xenontopp. Beregn det maksimale signalet assosiert med 90 ° eksitasjon og sammenlign spenningen / effekten med QC-skanningsresultatene.
   2. Evaluer xenonspolen.
      1. Forbered en liten pose xenon og mål polarisasjonen på målestasjonen.
      2. Se for deg posen med en enkel 2D GRE-skanning på en HP ¹²⁹Xe-veske med følgende parametere: høyere vippevinkel på 90° (juster pulsvarigheten om nødvendig ettersom pulsvarigheten dikterer sendebåndbredden [BW]), bruk referansespenning basert på den forrige QC-en til et fantom, en høy FOV og lav BW, samtidig som baseoppløsningen er lav.
      3. Mål polarisasjonen igjen på målestasjonen. Hvis polarisasjonen ikke reduseres betydelig, antyder det et potensielt problem med xenonspolesenderen eller forsterkeren.
         MERK: Polarisasjonsnivået opplever en gradvis nedgang på grunn av T1-forfall gjennom hele denne prosessen, uavhengig av suksessen til eksitasjonspulser fra xenonvestspolen. Derfor foreslås en høy 90 ° FA for å observere et tilstrekkelig polarisasjonsforfall forårsaket av eksitasjonspulsen for å utelukke xenonspolesenderens funksjonalitetsproblem. Hvis polarisasjonen avtar betydelig, men det ikke oppdages noe signal i bildet, indikeres et problem med xenonspolemottakeren.
   3. Omfattende analyse
      1. Analyser både k-space og image space data for å undersøke eventuelle abnormiteter eller inkonsekvenser.
      2. Sammenlign de innhentede dataene med tidligere skanninger eller referansedata for å identifisere potensielle forskjeller eller avvik.
6. Diskretisering av dataene
   1. Se etter datadiskretisering (figur 6).
      MERK: Når spolespenninger registreres av skannerspektrometeret, forsterkes de til passende nivåer for å sikre at hele spektrometerets dynamiske område brukes og den høyeste gjengivelsen oppnås. Signalet diskretiseres temporalt i henhold til avlesningsbåndbredden, som er omvendt proporsjonal med datapunktoppholdstid, og de registrerte analoge spenningsverdiene digitaliseres til diskrete signalbeholdere bestemt av spektrometerbitdybden. Riktig forsterkning av det innkommende signalet for å spenne over hele bitdybden krever at brukeren har oppgitt riktige verdier for spolespenning / forsterkning / skalering. På noen skannere vil en bildeskanning ikke tillates før forberedelsespulser utføres ved målfrekvensen - en prosess som må unngås for hyperpolariserte studier, da den ekstra RF vil redusere polarisasjonen og øke pustetiden. Hvis spektrometeret er feil kalibrert eller ikke forsterker signalet tilstrekkelig, kan de registrerte dataene grovt diskretiseres - bare en liten prosentandel av amplitudehyllene er fylt med digitaliserte datapunkter. Datadiskretisering kan også påvirke informasjonsinnholdet ved å introdusere kvantiseringsfeil og tap av fine detaljer. Datadiskretisering kan også introdusere artefakter, kompromittere SNR, og begrense evnen til å analysere fysiologiske endringer nøyaktig. Det er viktig at grov diskretisering av k-space-data kanskje ikke forbyr produksjon av et tilsynelatende tilfredsstillende bilde (figur 6).
   2. Optimaliser innsamlingsparametrene og bruk passende rekonstruksjonsalgoritmer for å redusere datadiskretisering.
   3. Forbedre maskinvaren og bruk teknikker som høyere samplingsfrekvenser, avanserte interpoleringsmetoder og støyreduksjonsstrategier for å redusere de negative effektene av datadiskretisering.

Representative Results

Figur 4 viser resultatene av støykarakteriseringsanalysen som ble utført på støyskanningen. Plottet demonstrerer virkningen av både regelmessig og uregelmessig støy på k-rommet, hvor avviket fra den ideelle y = x referanselinjen observeres. Regelmessig støy fører til et kontinuerlig mønster i k-rommet, mens uregelmessig støy resulterer i uteliggere av høy verdi i QQ-plottet.

Videre til figur 5 presenteres en serie lungebilder tatt med HPG-MR. Den øverste raden viser eksempler i bilderommet, inkludert en referanseskanning, et lungebilde påvirket av regelmessig og/eller uregelmessig støy, og et bilde uten signal. Den nederste raden viser de tilsvarende k-space modulrepresentasjonene.

I figur 5A er et tydelig lyspunkt sentrert i k-rommet, noe som indikerer et klart lungesignal med lav støy. Omvendt viser figur 5B tilstedeværelsen av regelmessig støy (Gaussisk støy) spredt gjennom bildene. I figur 5C er uregelmessig støy tydelig, noe som forårsaker høyverdige pigger i k-rommet og resulterer i et stripemønster i bilderommet. Figur 5D illustrerer et scenario der både regelmessige og uregelmessige lyder er til stede samtidig, noe som påvirker lungebildet. Til slutt representerer figur 5E et tilfelle der det ikke oppdages noe signal i det ervervede lungebildet.

Figur 6 illustrerer et tilfelle av grov datadiskretisering sammenlignet med riktig skalerte k-space-data. Ved beregning av SNR, blir det tydelig at de diskretiserte dataene viser et lavt signalnivå.

Figur 1: Illustrasjon av oppretting av et xenonfantom. Trykkbeholderen er plassert i en liten mengde flytende nitrogen for å få xenonen til å fryse ved rundt -203,15 °C (70 K). En pose på ¹²⁹Xe er koblet direkte til fartøyet. Når xenonen diffunderer inn i fartøyet, fryser den ved berøring av de kalde veggene, og skaper en frossen snølignende struktur. Når det er helt frosset, er fartøyet forseglet, og xenonet får tine, noe som resulterer i økt trykk i karet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 2: Arrangement for spektroskopi. (A) 129-Xenon-fantomet plassert mellom to protonfantomer, alle innelukket i en ¹²⁹Xe vestspole. (B) Fest xenonvestspolen med stropper. (C) Sett enheten inn i magnetens boring for lokalisering. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 3: Signalrespons i forhold til eksitasjon med variabel båndbredde ved konstant xenonfrekvens (34 081 645 Hz). Økende båndbredde resulterer i et høyere støygulv. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 4: Tre typer støyskanning: akseptabel, regelmessig og uregelmessig støy. (A) Panel A viser k-space-modulrepresentasjonen av hvert støymønster, med vanlig støy som viser et stripemønster og uregelmessig støy som viser pigger (lyse flekker). (B) Histogram av de virkelige og imaginære delene av k-space-data for hver støyskanning. (C) QQ-plottet av de reelle/imaginære komponentene i k-space-data, som sammenligner det oppkjøpte datasettet med et normalfordelt datasett med likt gjennomsnitt og standardavvik i stigende rekkefølge. Den røde linjen representerer referanselinjen y = x. Avvik fra denne linjen indikerer tilstedeværelsen av ikke-gaussiske komponenter innenfor de oppkjøpte dataene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 5: Illustrasjon av ulike støymønstre ved HPG ¹²⁹Xe lungeavbildning. Den øverste raden viser eksempler på bildeplass, inkludert en referanseskanning, et lungebilde med regelmessig og/eller uregelmessig støy og et bilde uten signal. Den nederste raden viser de tilsvarende k-space modulrepresentasjonene. I bildet med signalet er et lyspunkt sentrert i k-rommet, som representerer lungesignalet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 6: Illustrasjon av effekten av høy / lav digital presisjon i ¹²⁹Xe test bag rekonstruerte data. For bildet med høy digital presisjon (øverste rad) har bildet en høy SNR på 600, og modulen på 55^{. rad med} K-space viser en jevn kurve som viser fine detaljer om dataene. I bildet med lav digital presisjon (nederste rad) blir imidlertid individuelle datapunkter "binned" til et begrenset antall digitale nivåer som dekker signalområdet, noe som resulterer i redusert SNR (SNR = 98) i det rekonstruerte bildet. Dette problemet kan bare identifiseres ved nøye undersøkelse av råsignaldataene, da det ikke forhindrer produksjonen av et tilsynelatende tilfredsstillende bilde. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

Muligheten til å feilsøke ¹²⁹Xe MR-problemer er en nødvendig ferdighet og kan bidra til å redusere problemer i sanntid. Inntil en hyperpolarisert gassinfrastruktur kan kjøpes fra en enkelt part og få støtte fra skannerprodusenter, er disse kvalitetskontrolloppgavene eneansvaret til de enkelte laboratoriene. Målet med dette manuskriptet er å gi leseren nyttig praksis og forslag til den uunngåelige hendelsen med dårlig datainnsamling. Selv om vi forsøker å løse så mange potensielle problemer som mulig, er mange andre utfordringer i ¹²⁹Xe MR spesifikke for skannerprodusenten og kan ikke diskuteres i detalj på grunn av begrensninger i immaterielle rettigheter. ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium, et fellesskap med det uttrykte målet om å utvikle multi-site studier ved hjelp av ¹²⁹Xe MR, består imidlertid av mange deltakere på stedet og veteraneksperter med erfaring med operasjonalisering av ¹²⁹Xe MR på flere plattformer og programvare¹⁷. Det anbefales å kontakte noen av deltakerne på nettstedet med implementerings- og / eller feilsøkingsspørsmål som ikke er adressert her.

Regelmessige ytelseskontroller av spolen bør utføres for å identifisere tidlige indikasjoner på signalreduksjon eller nye støyproblemer. Disse kontrollene innebærer å undersøke spolegrensesnittet og interne tilkoblinger, samt vurdere den potensielle effekten av fall eller overdreven vekt på spolen. I tillegg til fysiske inspeksjoner, kan sammenligning av spektroskopiskanningene ofte hjelpe til med å identifisere problemer med spolens ytelse. Siden den multinukleære funksjonaliteten til MR-systemet er en delt komponent med protonanlegget, bør alle nylig introduserte enheter eller utstyr i magnetrommet testes for å forhindre potensiell interferens i xenonfrekvensen. I tillegg til tekniske hensyn bør det tas hensyn til detaljer i eksperimentelle prosedyrer. Dette omfatter effektivt coaching, sikrer tydelig kommunikasjon med studiekoordinatorer, og presis posisjonering av xenonposen under QC-skanninger. Disse tilsynelatende små detaljene bør ikke overses, da de kan forbedre bildekvaliteten og de generelle studieresultatene betydelig.

Protokollen som presenteres i dette papiret, gir forskere et omfattende rammeverk for å identifisere og løse potensielle problemer under bildeprosessen. Ved systematisk å følge feilsøkingstrinnene kan forskere optimalisere bildekvaliteten, forbedre datanøyaktigheten og fremme feltet hyperpolarisert xenon-MR. Fortsatt forbedring og tilpasning av disse feilsøkingsstrategiene, kombinert med fremskritt innen bildebehandlingsteknologi, vil bidra til ytterligere forbedringer i kvaliteten og påliteligheten til hyperpolariserte xenon-MR-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