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

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 129}Xe) 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 129}Xe 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 129}Xe, 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 129}Xe, 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 129}Xe. 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 eficazes de solução de problemas. A sessão de imagem envolve várias etapas: hiperpolarização gasosa, comunicação bobina/scanner ¹²⁹Xe, espectroscopia ¹²⁹Xe, aquisição de dados, reconstrução de dados e análise de imagens. O protocolo começa discutindo essas etapas em detalhes e destaca as precauções necessárias e estratégias de solução de problemas para otimizar o processo de imagem. Seguindo esses procedimentos e incorporando estratégias de solução de problemas especializadas, os pesquisadores podem otimizar o processo de imagem e superar os desafios que podem surgir durante os estudos de RM de xenônio hiperpolarizado. Em seguida, abordaremos práticas comuns de solução de problemas que podem surgir em vários casos de dados abaixo do ideal.

1. Principais passos para um estudo abrangente de RM de HPG

Aqui apresentamos uma breve visão geral dos processos envolvidos em uma típica sessão de imagem hiperpolarizada ^{de 129}Xe. Recomendações detalhadas de protocolos do ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium são dadas em Niedbalski et ^al.11.

1. ¹²⁹Hiperpolarização Xe
   1. Certifique-se de que o hiperpolarizador ¹²⁹Xe esteja configurado e operacional de acordo com as diretrizes do fabricante ou protocolos específicos de laboratório para polarizadores personalizados.
   2. Realizar medições de relaxação T1 usando a técnica de ressonância magnética nuclear (RMN) em uma amostra representativa do gás HP ¹²⁹Xe na estação de medição HP. Em um campo estável de 30 mT, o xenônio em uma bolsa de dose de gás de 1 L deve ter um T1 de > 45 min.
      NOTA: Após a conclusão da medição de polarização, a bolsa dosadora HP ¹²⁹Xe deve ser mantida dentro do campo magnético da estação de medição HP para manter sua polarização até que esteja pronta para ser transportada para o scanner de RM. A polarização decairá de acordo com¹²,
      (1.1)
      onde P(t) é a polarização no tempo t, P₀ é a polarização inicial e T₁ é a taxa de decaimento da magnetização (não considerando as perdas de polarização devido à excitação).
2. Medição da perda de polarização devido ao transporte de gás
   1. Garanta uma rota direta e eficiente do ponto de coleta de xenônio até a sala de ímãs onde a imagem ocorrerá.
   2. Minimize quaisquer atrasos durante o transporte de xenônio HP para manter a polarização, pois a polarização decairá rapidamente quando a dose estiver fora do campo magnético que preserva T1. Se a polarização diminuir em 20% ou mais durante o transporte, use uma mala com blindagem magnética.
   3. Evite sinais de RF estranhos ao longo da rota de transporte (por exemplo, leitor de cartão, laser, placa de aço inoxidável etc.), pois eles podem contribuir para a perda de polarização.
   4. Medir o equivalente de dose inicial (DE) do gás HP ¹²⁹Xe antes do transporte. DE é dado por ¹¹,
      (1.2)
      onde f₁₂₉ é a fração isotrópica de ¹²⁹Xe, P₁₂₉ é a polarização de spin nuclear de ¹²⁹Xe e V_Xe é o volume total de gás xenônio.
   5. Transporte o gás da estação de medição para o furo do ímã e, em seguida, de volta pela mesma rota até a estação de polarimetria. Meça novamente a DE após a viagem de ida e volta para quantificar a perda de sinal prevista durante o transporte de gás. Se nenhum sinal de RF adicional interferir ao longo da rota de transporte, a polarização estimada seguirá de perto a curva de decaimento T1 descrita na equação 1.1.
3. Bobina multinuclear (¹²⁹Xe MRI)
   1. Coloque a bobina ¹²⁹Xe corretamente no ímã para garantir a orientação adequada. Se uma bobina de quadratura for usada, evite a excitação anti-quadratura, pois pode causar uma queda significativa de sinal no centro do volume de imagem.
      NOTA: A bobina de xenônio deve acomodar uma ampla gama de tamanhos de tórax para acomodar variações no ajuste/carregamento da bobina entre os indivíduos e durante diferentes fases de respiração, levando a ângulos de inclinação variáveis ao longo das varreduras.
   2. Estabeleça uma conexão física segura entre o plugue da bobina e o sistema MR através do soquete designado e configure o software da bobina para especificar os núcleos permitidos (¹²⁹Xe no nosso caso).
   3. Divida a frequência de ressonância de prótons bem caracterizada no aparelho de RM por 3,61529 para obter a frequência de xenônio¹¹.
   4. Caracterizar os parâmetros da bobina (amplitude máxima de transmissão, amplitude de referência do transmissor, taxa de absorção específica - SAR).
4. Medição por espectroscopia ¹²⁹Xe
   1. Crie um fantasma de 129 xenônios polarizado termicamente.
      1. Conecte um vaso de pressão de vidro a um saco cheio de gás xenônio, garantindo um tamanho de saco e volume de xenônio adequados para se alinhar com a capacidade do recipiente.
      2. Submergir o vaso de pressão em uma pequena quantidade de nitrogênio líquido (LN₂) para permitir a difusão e o congelamento do xenônio (ver Figura 1).
      3. Sele o vaso depois que o xenônio formou neve congelada em seu interior, em seguida, deixe-o descongelar, pressurizando o vaso. Calcule a pressão no vaso: P = (_vaso V +_saco V)/_vaso V_{vaso onde vaso} V é o volume do vaso_{e saco} V é o volume do xenônio no saco.
         NOTA: Ao contrário dos sacos de gás hiperpolarizado (HPG), o vaso ¹²⁹Xe polarizado termicamente não precisa ser purgado de oxigênio ou evacuado a vácuo, pois o oxigênio adicional reduzirá o xenônio T₁- um efeito favorável no simulador polarizado termicamente. Além disso, é importante garantir que a pressão do gás no recipiente não exceda o limite de pressão declarado pelo fabricante. Com um fantasma de ^{gás 129}Xe, a frequência de xenônio pode ser medida no console de ressonância magnética. Simuladores comerciais de xenônio para garantia de qualidade também estão disponíveis¹³.
   2. Detecte a frequência de pico com um fantoma de xenônio polarizado termicamente.
      1. Coloque o simulador de xenônio dentro da bobina ^{de 129}Xe e coloque-o semelhante ao de um paciente carregado, pois diferenças na geometria da bobina podem alterar substancialmente o B1 entregue ao simulador (Figura 2).
         NOTA: Recomenda-se que um simulador de água adequado seja carregado também para carregar corretamente a bobina.
      2. Execute uma varredura com frequência de prótons, pois alguns scanners podem não permitir varreduras multinucleares sem um localizador inicial de frequência de prótons.
      3. Use um pulso de transmissão de banda larga (se disponível), alta largura de banda e experimento de leitura de alta resolução para detectar com precisão o pico de frequência de xenônio. Um pulso de banda larga excitará uma alta faixa de frequências, garantindo que a RMN de xenônio possa ser detectada.
      4. Uma vez detectado um pico bem definido, registre a frequência com precisão total e repita o experimento na nova frequência com baixa largura de banda (~1000 Hz) para maximizar a relação sinal-ruído (SNR) e a precisão da frequência de pico (Figura 3).
      5. Uma vez detectado um pico satisfatório de alto sinal, guarde o protocolo para futuros testes de CQ.
         NOTA: O posicionamento geométrico preciso da bobina no scanner fornece uma varredura de espectroscopia de linha de base, que pode ser replicada no futuro para identificar problemas emergentes se a SNR piorar. O simulador em si pode ser diretamente fotografado, embora possa exigir múltiplas aquisições para construir sinal suficiente para a reconstrução da imagem e pode não fornecer uma estimativa justa de SNR alcançável, já que ângulos de inclinação mais altos são geralmente necessários. Uma bolsa preparada de xenônio hiperpolarizado é a melhor opção para testar o protocolo de imagem desejado com parâmetros de imagem in vivo .
5. Imagem HP ¹²⁹Xe com uma bolsa de ensaio
   1. Use uma pequena quantidade de HP ¹²⁹Xe (>300 mL) para exames de imagem, que é bem concentrado e livre de oxigênio.
   2. Meça o ¹²⁹Xe DE com precisão imediatamente antes da aquisição de imagens.
   3. Defina o protocolo de imagem de teste para refletir os parâmetros in vivo desejados o mais próximo possível¹¹.
   4. Adquira e salve a imagem da bolsa de xenônio como uma medida de linha de base do desempenho do scanner.
   5. Meça e registre a SNR das imagens adquiridas ao lado de todos os parâmetros de varredura e xenônio DE. A relação S/R aceitável para um exame GRE 2D pode variar de acordo com o local, mas normalmente deve ser em torno de 30 ou mais, com um limite mínimo de 15 para análise de imagem subsequente¹¹.
   6. Para medir o ângulo de inclinação (AF), α, execute uma varredura gradiente-eco estragada de volume total na qual o FOV é fotografado duas vezes seguidas (com FA ≈ 8-10°), usando parâmetros de sequência idênticos e sem intervalo entre o final da primeira imagem e o início da segunda. Meça a SNR no deslocamento DC das duas imagens, S0 e S1, conte o número de etapas de codificação de fase, n, e calcule o mapa de ângulo de inversão da seguinte forma ¹⁴:
      (1.3)
      NOTAS: Parâmetros comuns para RM HP ¹²⁹Xe in vivo, bem como um método de calibração flip-angle mais complicado, mas altamente preciso (experimento multi-shot pulse/acquire), são dados em Niedbalski et al.11.
6. In vivo Imagem HP ¹²⁹Xe
   1. Fornecer treinamento adequado ao sujeito em relação às técnicas de apneia e permitir que o sujeito pratique o procedimento de inalação usando uma bolsa de ar antes de introduzir a bolsa HP ¹²⁹Xe.
   2. Instrua o indivíduo a realizar uma série de inspirações com ar ambiente, seguidas de uma inspiração profunda do gás HP ¹²⁹Xe, apneia e início da varredura (um método comumente usado). Monitore de perto o movimento do peito do sujeito para garantir que a respiração permaneça sincronizada com as instruções fornecidas.
      NOTA: Vários métodos de coaching são atualmente empregados para procedimentos de apneia, e um futuro documento de consórcio provavelmente estabelecerá uma declaração de consenso sobre isso.
   3. Use clipes nasais para evitar a inalação nasal do gás durante a apneia.
   4. Após a realização de imagens em apneia, o treinador deve respirar profundamente para remover o xenônio dos pulmões e resolver quaisquer efeitos colaterais temporários¹¹.
   5. Para aqueles que buscam imagens de xenônio em fase dissolvida, esteja ciente de que o volume inalatório do indivíduo provavelmente afeta substancialmente os dados adquiridos da fase dissolvida¹⁵.
7. Reconstrução e análise dos dados
   1. Exporte dados "brutos" do scanner, normalmente na forma de uma lista de dados complexos em ordem de aquisição de leitura.
   2. Para trajetórias de espaço k adquiridas de retilinagem, cada ponto de dados complexo corresponde a uma frequência inteira no espaço k bidimensional (2D) ou tridimensional (3D). Reconstrua a imagem usando uma transformada de Fourier simples e rápida (FFT) para trajetórias retilíneas.
   3. Para trajetórias não retilíneas (por exemplo, dados radiais ou espirais), execute o "gridding" de dados para interpolar ou envolver dados complexos em compartimentos inteiros antes do FFT subsequente. Examine os dados antes de executar a grade, se necessário, para garantir a precisão e evitar possíveis artefatos.
      NOTA: FFT de dados brutos do espaço k pode produzir imagens semelhantes, mas não idênticas às imagens DICOM reconstruídas pelo scanner, uma vez que o scanner corrige ainda mais as imagens reconstruídas com base em não-linearidades conhecidas no comportamento do gradiente. Esses efeitos são geralmente pequenos, mas podem ser mais pronunciados nas bordas do volume de imagem do scanner, especialmente quando grandes órgãos, como pulmões, são fotografados. Recomenda-se o uso da imagem reconstruída pelo scanner (se disponível) para pós-processamento.

2. Etapas de solução de problemas

NOTA: Embora o protocolo tenha delineado alguns procedimentos de controle de qualidade (CQ) na RM hiperpolarizada ^{de 129}Xe, a solução de problemas pode ser necessária devido a problemas emergentes, anomalias e desafios. Quaisquer erros ou erros no processo podem ter um efeito cascata, afetando as etapas subsequentes e levando a problemas como imagens ausentes ou de baixa qualidade com baixa intensidade de sinal, altos níveis de ruído ou perda completa de sinal. Para enfrentar esses desafios, abordagens estratégicas devem ser empregadas para identificar e investigar os problemas em detalhes.

1. Preparação da bolsa doseadora HP ¹²⁹Xe para CQ
   1. Prepare cuidadosamente uma quantidade precisa de gás xenônio para o saco de xenônio de controle, tomando nota de qualquer nitrogênio misturado com ele.
   2. Obtenha imagens da bolsa de xenônio no scanner de ressonância magnética e realize medições precisas de polarização antes e depois da sessão de imagem para comparações confiáveis.
   3. Use a mesma sequência de imagens para todos os exames de CQ para facilitar comparações confiáveis.
   4. Observe os valores de DE de xenônio antes e depois de realizar todas as varreduras de CQ para permitir comparações futuras.
2. Caracterização do ruído sistêmico
   1. Crie um perfil de ruído de controle para fins de CQ. Use uma sequência GRE 2D personalizada específica que inclua um alto campo de visão (FOV; 400-500 mm) para capturar o sinal máximo da área, uma alta largura de banda por pixel (o máximo disponível ou pelo menos >50 kHz) para identificar ressonâncias de ruído próximas e o menor tempo de repetição (TR) e tempo de eco (TE) ^{possíveis11, 13º}. Adquira o CQ para perfil de ruído usando um colete de xenônio ou uma bobina de laço.
   2. Obtenha uma imagem sem amostra (HP ¹²⁹Xe) na bobina. Esta imagem irá caracterizar o perfil de ruído.
   3. Examine os dados de ruído adquiridos, particularmente o espaço k, para elementos não-gaussianos, como picos, padrões ou valores discretizados/encadernados.
   4. Crie um gráfico QQ plotando os dados reais/imaginários adquiridos contra um conjunto de dados gaussianos sintetizados (com função de geração de números aleatórios apropriada) com média, desvio padrão e comprimento vetorial idênticos, ambos ordenados do menor para o maior. Desvios da linha y = x no gráfico QQ indicam a presença de componentes não-gaussianos dentro dos dados adquiridos, necessitando de maiores investigações. (Figura 4).
      NOTA: Um gráfico quantil-quantil (gráfico QQ) pode fornecer informações sobre se dois conjuntos de dados exibem distribuições semelhantes. A comparação dos dados com um conjunto de dados normalmente distribuído permite avaliar se a distribuição é gaussiana ou não. O protocolo assume que a parte real e imaginária do espaço k se aproxima de uma distribuição gaussiana na ausência de uma amostra.
   5. Identificar o padrão de distribuição de ruído e potenciais outliers com um gráfico adequado de escolha (use o critério de Chauvenet, se necessário¹⁶).
   6. Categorizar o ruído em tipos regulares e irregulares com base nas suas características (ver passos 2.3 e 2.4).
      NOTA: O ruído regular envolve padrões que aparecem regularmente nos dados de leitura ou no espaço k. O ruído irregular parece relativamente aleatório e muitas vezes tem alta intensidade sem padrão de temporização discernível, mas não demonstra um perfil gaussiano como ruído térmico inevitável.
3. Detecção de ruído regular
   1. Para descartar o scanner como fonte de ruído, adquira imagens usando o protocolo de local padrão com vários parâmetros de sequência de pulso desativados e componentes eletrônicos desligados. Por exemplo, se uma bobina de gradiente específica estiver emitindo ruído, os gradientes devem ser desligados antes de executar a varredura para examinar se o ruído é resolvido.
      NOTA: Desligar o gradiente geralmente requer acesso elevado ao console do scanner e pode exigir a presença de um engenheiro de serviço. Em última análise, uma sequência na qual o espectrômetro multinuclear está ativo, mas nenhum gradiente é alimentado, e nenhum RF fornecido deve ser suficiente para determinar se um problema de ruído se origina dentro desses componentes.
   2. Elimine as fontes de ruído da sala e, posteriormente, identifique as possíveis origens do ruído regular.
      NOTA: As fontes de ruído podem incluir componentes eletrônicos como injetores de contraste, botões de código, sensores, monitores de sinais vitais, componentes de scanner (por exemplo, laser de posicionamento, mecanoeletrônica de cama, ventiladores, luzes) ou guias de onda entre as paredes do console/ímã.
   3. Use uma bobina de loop de superfície simples sintonizada com a frequência ^{de 129}Xe para "farejar" ao redor da sala do ímã em busca de fontes de ruído. Coloque fisicamente o elemento da bobina de xenônio perto de potenciais dispositivos problemáticos e execute uma sequência de teste (ver etapa 2.2.1) para detectar o ruído amplificado.
   4. Examine o espaço k e os dados da imagem para identificar a fonte exata do ruído de coerência.
   5. Se uma fonte específica for identificada, tente desativá-la ou cobri-la com papel alumínio/piscando ou uma malha de cobre para reduzir o ruído.
   6. Execute novamente a verificação depois de desativar ou cobrir as fontes de ruído para ver se o ruído resolve. Continue este processo até que todas as fontes de ruído sejam eliminadas, deixando apenas o ruído gaussiano de raiz baixa média quadrada (RMS).
4. Detecção de ruído irregular
   1. Identifique o ruído irregular como "picos" de sinal alto em pixels individuais do espaço k com sinais anormalmente altos ou baixos nos canais reais ou imaginários.
      NOTA: Os picos do espaço K geralmente resultam em imagens com padrões de listras ou 'corduroy' (Figura 5). A presença de valores altos ou picos nos dados do espaço k pode muitas vezes levar à ocorrência de um padrão listrado no espaço da imagem. Esse fenômeno é frequentemente associado a problemas relacionados ao gradiente.
   2. Elimine possíveis problemas com gradientes X, Y ou Z identificando a direção responsável pelo padrão listrado (Figura 5). Realizar imagens em diferentes orientações de codificação de fase, incluindo anterior para posterior, cabeça para pé e da esquerda para direita.
   3. Examine sistematicamente as imagens resultantes em cada orientação para identificar qual direção específica do gradiente está contribuindo para o padrão listrado. Se necessário, entre em contato com o engenheiro clínico do local para ativar e desativar seletivamente gradientes individuais, permitindo a identificação da fonte de quaisquer picos de ruído.
5. Sem sinal
   NOTA: Ao encontrar uma situação em que nenhum sinal é observado após a aquisição em estudos de RM de HPG, uma abordagem sistemática de solução de problemas pode ser realizada. Aqui estão algumas recomendações para resolver esse problema,
   1. Verifique a bobina de xenônio e a conexão.
      1. Certifique-se de que a bobina de xenônio esteja selecionada no scanner de ressonância magnética e conectada corretamente.
      2. O movimento do paciente durante o exame pode causar desconexão da bobina, portanto, inspecione cuidadosamente a conexão da bobina.
      3. Verifique se a porta do scanner de ressonância magnética está fechada com segurança, pois uma porta aberta pode permitir a entrada de RF externo na sala do ímã.
      4. Efectuar espectroscopia no simulador de xenónio (ver secção 1.4.2) e verificar a altura do pico de xenónio e o nível de ruído a partir da espectroscopia. Use um ângulo de inversão de 90° para garantir a presença de um pico de xenônio. Calcule o sinal máximo associado à excitação de 90° e compare a tensão/potência com os resultados da varredura QC.
   2. Avalie a bobina de xenônio.
      1. Prepare um pequeno saco de xenônio e meça a polarização na estação de medição.
      2. Imagine a bolsa com uma varredura GRE 2D simples em uma bolsa HP ¹²⁹Xe com os seguintes parâmetros: maior ângulo de inclinação de 90° (ajuste a duração do pulso, se necessário, pois a duração do pulso dita a largura de banda de transmissão [BW]), use tensão de referência com base no QC anterior de um simulador, um FOV alto e BW baixo, mantendo a resolução base baixa.
      3. Meça a polarização novamente na estação de medição. Se a polarização não diminuir significativamente, isso sugere um problema potencial com o transmissor ou amplificador da bobina de xenônio.
         NOTA: O nível de polarização experimenta um declínio gradual devido ao decaimento de T1 ao longo deste processo, independentemente do sucesso dos pulsos de excitação da bobina do colete de xenônio. Portanto, sugere-se que um alto FA de 90° observe um decaimento de polarização suficiente causado pelo pulso de excitação para descartar o problema de funcionalidade do transmissor da bobina de xenônio. Se a polarização diminuir significativamente, mas nenhum sinal for detectado na imagem, um problema no receptor de bobina de xenônio é indicado.
   3. Análise abrangente
      1. Analise os dados do espaço k e do espaço da imagem para examinar quaisquer anormalidades ou inconsistências.
      2. Compare os dados adquiridos com varreduras anteriores ou dados de referência para identificar possíveis diferenças ou desvios.
6. Discretização dos dados
   1. Verifique se há discretização dos dados (Figura 6).
      NOTA: Quando as tensões da bobina são registradas pelo espectrômetro do scanner, elas são amplificadas para níveis apropriados para garantir que toda a faixa dinâmica do espectrômetro seja empregada e a mais alta fidelidade seja alcançada. O sinal é discretizado temporalmente de acordo com a largura de banda de leitura, que é inversamente proporcional ao tempo de permanência do ponto de dados, e os valores de tensão analógica registrados são digitalizados em 'bins' de sinal discretos determinados pela profundidade de bits do espectrômetro. A amplificação adequada do sinal de entrada para abranger toda a profundidade de bits requer que o usuário tenha fornecido valores corretos de tensão/amplificação/dimensionamento da bobina. Em alguns scanners, um exame de imagem será proibido até que os pulsos de preparação sejam realizados na frequência alvo - um processo que deve ser evitado para estudos hiperpolarizados, pois o RF adicional reduzirá a polarização e aumentará o tempo de apneia. Se o espectrômetro estiver calibrado incorretamente ou não amplificar adequadamente o sinal, os dados gravados podem ser grosseiramente discretizados - apenas uma pequena porcentagem dos compartimentos de amplitude são preenchidos com pontos de dados digitalizados. A discretização de dados também pode afetar o conteúdo das informações, introduzindo erros de quantização e perda de detalhes finos. A discretização de dados também pode introduzir artefatos, comprometer a SNR e limitar a capacidade de analisar com precisão as alterações fisiológicas. É importante ressaltar que a discretização grosseira dos dados do espaço k pode não proibir a produção de uma imagem aparentemente satisfatória (Figura 6).
   2. Otimizar os parâmetros de aquisição e empregar algoritmos de reconstrução apropriados para reduzir a discretização dos dados.
   3. Melhore o hardware e utilize técnicas como taxas de amostragem mais altas, métodos avançados de interpolação e estratégias de redução de ruído para mitigar os efeitos negativos da discretização de dados.

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 pulmonares obtidas por RM por HPG é apresentada. A linha superior mostra exemplos no espaço da imagem, incluindo uma varredura de referência, uma imagem pulmonar afetada por ruído regular e/ou irregular e uma imagem sem sinal. A linha inferior exibe as representações de módulo de espaço k correspondentes.

Na Figura 5A, um ponto luminoso distinto está centrado no espaço k, indicando um sinal pulmonar claro com baixo ruído. Por outro lado, a Figura 5B mostra a presença de ruído regular (Gaussian) espalhado pelas imagens. Na Figura 5C, o ruído irregular é evidente, causando picos de alto valor no espaço k e resultando em um padrão de listras no espaço da imagem. A Figura 5D ilustra um cenário em que ruídos regulares e irregulares estão presentes simultaneamente, afetando a imagem pulmonar. Por fim, a Figura 5E representa um caso em que nenhum sinal é detectado na imagem pulmonar adquirida.

A Figura 6 ilustra uma instância de discretização de dados grosseiros em comparação com dados de espaço k dimensionados corretamente. Ao calcular a relação S/R, fica evidente que os dados discretizados apresentam baixo nível de sinal.

Figura 1: Ilustração da criação de um fantasma de xenônio. O vaso de pressão é colocado em uma pequena quantidade de nitrogênio líquido para fazer o xenônio congelar em torno de -203,15 °C (70 K). Um saco de ¹²⁹Xe é conectado diretamente à embarcação. À medida que o xenônio se difunde na embarcação, ele congela ao tocar as paredes frias, criando uma estrutura congelada semelhante à neve. Uma vez totalmente congelado, o vaso é selado e o xenônio é deixado descongelar, resultando em aumento da pressão dentro do vaso. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Arranjo para espectroscopia. (A) Simulador de 129-Xenônio posicionado entre dois simuladores de prótons, todos fechados dentro de uma bobina de colete ^{de 129}Xe. (B) Fixe a bobina do colete de xenônio com alças. (C) Insira o conjunto no furo do ímã para localização. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Resposta do sinal em relação à excitação da largura de banda variável a uma frequência constante de xenônio (34.081.645 Hz). O aumento da largura de banda resulta em um nível de ruído mais alto. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Três tipos de varreduras de ruído: ruído aceitável, regular e irregular. (A) O Painel A exibe a representação do módulo de espaço k de cada padrão de ruído, com ruído regular exibindo um padrão de listras e ruído irregular mostrando picos (pontos brilhantes). (B) Histograma das partes reais e imaginárias dos dados do espaço k para cada varredura de ruído. (C) O gráfico QQ dos componentes reais/imaginários dos dados do espaço k, comparando o conjunto de dados adquirido com um conjunto de dados normalmente distribuído de média e desvio padrão iguais em ordem crescente. A linha vermelha representa a linha de referência y = x. Desvios dessa linha indicam a presença de componentes não-gaussianos nos dados adquiridos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Ilustração de diferentes padrões de ruído em imagens pulmonares HPG ¹²⁹Xe. A linha superior exibe exemplos de espaço de imagem, incluindo uma varredura de referência, uma imagem pulmonar com ruído regular e/ou irregular e uma imagem sem sinal. A linha inferior mostra as representações correspondentes do módulo k-space. Na imagem com o sinal, um ponto brilhante está centrado no espaço k, representando o sinal pulmonar. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Ilustração do efeito da alta/baixa precisão digital em dados reconstruídos com bolsa de teste ^{de 129}Xe. Para a imagem de alta precisão digital (linha superior), a imagem tem um SNR alto de 600, e o módulo da^55ª linha do espaço K mostra uma curva suave mostrando detalhes finos dos dados. No entanto, na imagem de baixa precisão digital (linha inferior), pontos de dados individuais são "ligados" a um número limitado de níveis digitais que cobrem a faixa do sinal, resultando em redução da SNR (SNR = 98) na imagem reconstruída. Essa questão só pode ser identificada através do exame cuidadoso dos dados brutos do sinal, pois não impede a produção de uma imagem aparentemente satisfatória. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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 dados. Embora tentemos abordar o maior número possível de problemas potenciais, muitos outros desafios na RM ¹²⁹Xe são específicos do fabricante do scanner e não podem ser discutidos em detalhes devido a restrições de propriedade intelectual. No entanto, o ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium, uma comunidade com o objetivo expresso de desenvolver ensaios em vários locais usando ¹²⁹Xe MRI, consiste de muitos participantes do local e especialistas veteranos com experiência em operacionalizar ¹²⁹Xe MRI em múltiplas plataformas e software¹⁷. Recomenda-se entrar em contato com qualquer um dos participantes do site com quaisquer perguntas de implementação e/ou solução de problemas que não sejam abordadas aqui.

Verificações regulares de desempenho da bobina devem ser realizadas para identificar indícios precoces de diminuição do sinal ou problemas de ruído emergentes. Essas verificações envolvem examinar a interface da bobina e as conexões internas, bem como avaliar o impacto potencial de quedas ou peso excessivo na bobina. Além das inspeções físicas, comparar as varreduras de espectroscopia com frequência pode ajudar a identificar problemas com o desempenho da bobina. Como a funcionalidade multinuclear do sistema de ressonância magnética é um componente compartilhado com a instalação de prótons, quaisquer dispositivos ou equipamentos recém-introduzidos na sala magnética devem ser submetidos a testes para evitar possíveis interferências na frequência do xenônio. Além das considerações técnicas, deve-se dar atenção aos detalhes nos procedimentos experimentais. Isso engloba o treinamento eficaz dos sujeitos, garantindo uma comunicação clara com os coordenadores do estudo e o posicionamento preciso da bolsa de xenônio durante as varreduras de CQ. Esses detalhes aparentemente menores não devem ser negligenciados, pois podem melhorar substancialmente a qualidade da imagem e os resultados gerais do estudo.

O protocolo apresentado neste artigo oferece aos pesquisadores uma estrutura abrangente para identificar e abordar possíveis problemas durante o processo de aquisição de imagens. Ao seguir sistematicamente as etapas de solução de problemas, os pesquisadores podem otimizar a qualidade da imagem, melhorar a precisão dos dados e avançar o campo da ressonância magnética de xenônio hiperpolarizado. O contínuo refinamento e adaptação dessas estratégias de solução de problemas, juntamente com os avanços na tecnologia de imagem, contribuirão para melhorar ainda mais a qualidade e a confiabilidade dos exames de RM com xenônio hiperpolarizado.

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