Hiperpolarize Ksenon Manyetik Rezonans Görüntülemede Sorun Giderme ve Kalite Güvencesi: Yüksek Kaliteli Görüntü Elde Etme Araçları

Summary

Burada, donanım, yazılım, veri toplama, dizi seçimi, veri yönetimi, k-alanı kullanımı ve gürültü analizini kapsayan yüksek kaliteli hiperpolarize ksenon-129 manyetik rezonans görüntüleri elde etmek için bir protokol sunuyoruz.

Abstract

Hiperpolarize (HP) ksenon manyetik rezonans görüntüleme (¹²⁹Xe MRG), akciğer fonksiyonunun araştırılması için solunan bir ksenon gazı nefesinin yüksek çözünürlüklü görüntülerini üreten, yakın zamanda federal ilaç idaresi (FDA) onaylı bir görüntüleme yöntemidir. Bununla birlikte, ¹²⁹Xe MRG'nin uygulanması, hiperpolarizasyon, ksenon görüntüleme bobinlerinin ve bobin yazılımının tedariki, çok çekirdekli MR görüntüleme dizilerinin geliştirilmesi ve derlenmesi ve elde edilen verilerin yeniden yapılandırılması/analizi için özel donanım ve ekipman gerektirdiğinden benzersiz bir şekilde zordur. Uygun uzmanlık olmadan, bu görevler göz korkutucu olabilir ve yüksek kaliteli görüntüler elde edememek sinir bozucu ve pahalı olabilir. Burada,¹²⁹Xe MRI sitesi için optimize edilmiş, yüksek kaliteli verilerin ve doğru sonuçların elde edilmesine yardımcı olabilecek bazı kalite kontrol (QC) protokolleri, sorun giderme uygulamaları ve yardımcı araçlar sunuyoruz. Tartışma, hiperpolarizör laboratuvarı gereksinimleri, ¹²⁹Xe MRI bobini donanımı/yazılımı kombinasyonu, veri toplama ve sekans hususları, veri yapıları, k-alanı ve görüntü özellikleri ve ölçülen sinyal ve gürültü özellikleri dahil olmak üzere HP ¹²⁹Xe MRG'yi uygulama sürecine genel bir bakışla başlayacaktır. Bu gerekli adımların her birinde, düşük görüntü kalitesine veya başarısız görüntülemeye yol açan hatalar, zorluklar ve olumsuz olaylar için fırsatlar yatmaktadır ve bu sunum, daha sık karşılaşılan sorunlardan bazılarını ele almayı amaçlamaktadır. Özellikle, elde edilen verilerdeki anormal gürültü modellerinin tanımlanması ve karakterizasyonu, görüntü artefaktlarından ve düşük kaliteli görüntülerden kaçınmak için gereklidir; Örnekler verilecek ve azaltma stratejileri tartışılacaktır. Gerçek zamanlı sorun giderme için bazı yönergeler ve stratejiler sağlarken, ¹²⁹Xe MRI uygulama sürecini yeni tesisler için kolaylaştırmayı amaçlıyoruz.

Introduction

Yüzyılı aşkın bir süredir, akciğer fonksiyon değerlendirmesi öncelikle spirometri ve vücut pletismografisinden elde edilen küresel ölçümlere dayanıyordu. Bununla birlikte, bu geleneksel solunum fonksiyon testleri (PFT'ler), erken evre hastalığın bölgesel nüanslarını ve akciğer dokusundaki ince değişiklikleri yakalama yetenekleri bakımından sınırlıdır¹. İnhale radyoizleyicilerle nükleer tıp, pulmoner emboli ile yaygın olarak ilişkili ventilasyon/perfüzyon uyumsuzluklarının değerlendirilmesi için yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak bu iyonlaştırıcı radyasyonu içerir ve daha düşük çözünürlük sağlar. Buna karşılık, bilgisayarlı tomografi (BT), akciğer görüntülemede altın standart olarak ortaya çıkmıştır ve nükleer görüntülemeye kıyasla olağanüstü uzamsal ve zamansal netlik sunmaktadır². Düşük doz BT taramaları radyasyona maruz kalmayı azaltabilirken, potansiyel radyasyon riski yine de göz önünde bulundurulmalıdır ^3,4. Akciğerin düşük doku yoğunluğu ve akciğer dokusundan hızlı sinyal bozulması nedeniyle akciğerin proton MRG'si nadirdir, ancak son gelişmeler potansiyel düşük sinyale rağmen fonksiyonel bilgi sunmaktadır. Öte yandan, hiperpolarize ksenon manyetik rezonans görüntüleme (HP ¹²⁹Xe MRG), akciğer fonksiyonunun bölgesel özgüllükle^{görüntülenmesine} olanak tanıyan non-invaziv bir yöntemdir ^5,6. Litre miktarlarında gazın yüksek dengesiz nükleer manyetizasyonunu üretir. İnert gaz daha sonra MR tarayıcısının içindeki bir denek tarafından tek bir nefes için solunur ve doğrudan tarayıcı tarafından görüntülenir. Böylece, solunan gaz, dokunun kendisinin aksine doğrudan görüntülenir. Bu teknik, astım, kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH), kistik fibroz, idiyopatik pulmoner fibroz, koronavirüs hastalığı 2019 (COVID-19) ve diğerleri dahil olmak üzere birçok hastalıkta akciğer ventilasyonunu değerlendirmek için kullanılmıştır³. Aralık 2022'de HP ¹²⁹Xe MRI, Amerika Birleşik Devletleri FDA tarafından Amerika Birleşik Devletleri'nde (ABD) 12 yaş ve üzeri yetişkinlerde ve pediatrik hastalarda kullanılmak üzere MRI ventilasyon kontrast maddesi olarak onaylanmıştır⁷. Doktorlar artık geliştirilmiş/kişiselleştirilmiş tedavi planları olan hastalara daha iyi bakım sağlamak için ¹²⁹Xe MRG'yi kullanabilir.

Tarihsel olarak, klinik MRG, yalnızca neredeyse tüm insan iç organlarında bol miktarda bulunan hidrojen çekirdeklerinin (protonlar) görüntülenmesine odaklanır. MRI tarayıcıları, dizileri ve kalite kontrolü genellikle tarayıcı üreticisi tarafından site lisansı ve garantisinin bir parçası olarak korunur. Bununla birlikte, ¹²⁹Xe, çok çekirdekli yetenekli bir MR tarayıcı gerektirir ve hiperpolarizörü, özel yapım radyo frekansı (RF) bobinlerini, özel darbe dizilerini ve çevrimdışı yeniden yapılandırma/analiz yazılımını çalışır hale getirmek için özel bir araştırma ekibi gerektirir. Bu bileşenlerin her biri üçüncü taraf satıcılar tarafından sağlanabilir veya şirket içinde geliştirilebilir. Bu nedenle, kalite kontrol yükü genellikle tarayıcı üreticisinin veya bireysel üçüncü tarafın aksine ¹²⁹Xe araştırma ekibine aittir. Bu nedenle, yüksek kaliteli ¹²⁹Xe verilerinin tutarlı bir şekilde elde edilmesi, ¹²⁹Xe MRI sürecinin her bir bileşeninin ¹²⁹Xe ekibi tarafından yakından izlenmesi gereken hata potansiyeli sunması nedeniyle benzersiz bir şekilde zordur. Araştırmacıların ortaya çıkabilecek herhangi bir zorluğun olası nedenlerini gidermek ve araştırmak zorunda oldukları için bu durumlar son derece sinir bozucu olmakla kalmaz, aynı zamanda hasta görüntülemeyi ve denek alımını yavaşlattığı için çok maliyetli olabilir. Sorun giderme ile ilgili bazı maliyetler, MRI zaman maliyetlerini, farklı gazların tüketimini içeren ¹²⁹Xe'nin hiperpolarizasyonunu ve malzemelerin kullanımını içerir. Ek olarak, ¹²⁹Xe görüntülemedeki son FDA onayı ve büyümesiyle, ¹²⁹Xe operasyonunda yaygın sorunları ve aksaklıkları önlemek için kalite kontrol için standartlaştırılmış bir protokol sağlamak^{gerekir 8,9}.

Burada, RF bobin arızaları, düşük sinyal-gürültü oranına (SNR) yol açan çeşitli gürültü profillerinin ortaya çıkması ve düşük kaliteli görüntüler dahil olmak üzere ¹²⁹Xe MRG'de daha sık karşılaşılan sorunlardan bazılarını sunuyoruz¹⁰. Yüksek kaliteli görüntü verilerinin elde edilmesini sağlamak ve ¹²⁹Xe MRG'de ortaya çıkabilecek daha yaygın sorunlardan bazılarını gidermek için bazı kısa kalite kontrol (QC) yönergeleri ve protokolleri sağlamayı amaçlıyoruz. Burada sağlanan bilgiler, hiperpolarize helyum-3 sorun giderme ile de ilgilidir.

Protocol

Aşağıda özetlenen protokol, Missouri Üniversitesi İnsan Araştırmaları Etik Komitesi tarafından belirlenen yönergelere ve standartlara uyarak, çalışmanın etik olarak yürütülmesini ve katılımcıların haklarının, güvenliğinin ve esenliğinin korunmasını sağlar.

NOT: Hiperpolarize ksenon MRG çalışmalarının güvenilirliğini ve doğruluğunu sağlamak için, elde edilen görüntülerin titiz bir şekilde karakterizasyonunu yapmak, kapsamlı bir protokol izlemek ve etkili sorun giderme stratejileri kullanmak çok önemlidir. Görüntüleme oturumu birkaç adımdan oluşur: gaz hiperpolarizasyonu, ¹²⁹Xe bobin/tarayıcı iletişimi, ¹²⁹Xe spektroskopisi, veri toplama, veri yeniden yapılandırma ve görüntü analizi. Protokol, bu adımları ayrıntılı olarak tartışarak başlar ve görüntüleme sürecini optimize etmek için gerekli önlemleri ve sorun giderme stratejilerini vurgular. Araştırmacılar, bu prosedürleri izleyerek ve uzman sorun giderme stratejilerini dahil ederek, görüntüleme sürecini optimize edebilir ve hiperpolarize ksenon MRI çalışmaları sırasında ortaya çıkabilecek zorlukların üstesinden gelebilir. Ardından, birkaç optimal olmayan veri durumunda ortaya çıkabilecek yaygın sorun giderme uygulamalarını ele alacağız.

1. Kapsamlı bir HPG MRG çalışması için temel adımlar

Burada, tipik bir hiperpolarize ¹²⁹Xe görüntüleme seansında yer alan süreçlere kısa bir genel bakış sunduk. ¹²⁹Xe Klinik Araştırmalar Konsorsiyumu'ndan ayrıntılı protokol önerileri Niedbalski ve ^ark.11'de verilmiştir.

1. ¹²⁹Xe Hiperpolarizasyonu
   1. ¹²⁹Xe hiperpolarizörün, özel yapım polarizörler için üreticinin yönergelerine veya laboratuvara özel protokollere göre kurulduğundan ve çalıştığından emin olun.
   2. HP ölçüm istasyonunda HP ¹²⁹Xe gazının temsili bir numunesi üzerinde nükleer manyetik rezonans (NMR) tekniğini kullanarak T1 gevşeme ölçümleri gerçekleştirin. 30 mT'lik stabil bir alanda, 1 L'lik bir gaz doz torbasındaki ksenon, > 45 dakikalık bir T1'e sahip olmalıdır.
      NOT: Polarizasyon ölçümü tamamlandıktan sonra, HP ¹²⁹Xe doz torbası, MR tarayıcıya taşınmaya hazır olana kadar polarizasyonunu korumak için HP ölçüm istasyonunun manyetik alanı içinde tutulmalıdır. Polarizasyon^12'ye göre bozulacak,
      (1.1)
      burada P(t) t zamanında polarizasyondur, P₀ ilk polarizasyondur ve T₁ manyetizasyon bozunma hızıdır (uyarılmadan kaynaklanan polarizasyon kayıpları dikkate alınmaz).
2. Gaz taşınımından kaynaklanan polarizasyon kaybının ölçülmesi
   1. Ksenon toplama noktasından görüntülemenin yapılacağı mıknatıs odasına doğrudan ve verimli bir rota sağlayın.
   2. Doz T1 koruyucu manyetik alanın dışına çıktığında polarizasyon hızla bozulacağından, polarizasyonu korumak için HP xenon nakliyesi sırasında gecikmeleri en aza indirin. Taşıma sırasında polarizasyon %20 veya daha fazla azalırsa, manyetik korumalı bir bavul kullanın.
   3. Polarizasyon kaybına katkıda bulunabileceğinden, taşıma yolu boyunca yabancı RF sinyallerinden (örn. kart okuyucu, lazer, paslanmaz çelik levha vb.) kaçının.
   4. Taşımadan önce HP ¹²⁹Xe gazının başlangıç doz eşdeğerini (DE) ölçün. DE ¹¹ ile verilir,
      (1.2)
      burada f₁₂₉ , ¹²⁹Xe'nin izotropik fraksiyonudur, P₁₂₉, ¹²⁹Xe nükleer spin polarizasyonudur ve V_Xe , ksenon gazının toplam hacmidir.
   5. Gazı ölçüm istasyonundan mıknatıs deliğine, ardından aynı rota boyunca polarimetri istasyonuna geri taşıyın. Gaz nakliyesi sırasında beklenen sinyal kaybını ölçmek için gidiş-dönüşten sonra DE'yi tekrar ölçün. Taşıma yolu boyunca hiçbir ek RF sinyali müdahale etmezse, tahmini polarizasyon, denklem 1.1'de özetlenen T1 bozunma eğrisini yakından takip edecektir.
3. Multinükleer (¹²⁹Xe MRI) bobin
   1. Doğru yönlendirmeyi sağlamak için ¹²⁹Xe bobinini mıknatısa doğru şekilde yerleştirin. Karesel bir bobin kullanılıyorsa, görüntüleme hacminin merkezinde önemli bir sinyal düşüşüne neden olabileceğinden, dörtlü uyarım önleyiciden kaçının.
      NOT: Xenon bobini, denekler arasında ve farklı solunum aşamaları sırasında bobin ayarı/yüklemesindeki değişikliklere uyum sağlamak için çok çeşitli göğüs boyutlarına uyum sağlamalıdır ve bu da taramalar arasında değişken dönüş açılarına yol açmalıdır.
   2. Bobin fişi ile MR sistemi arasında belirlenen soket aracılığıyla güvenli bir fiziksel bağlantı kurun ve bobin yazılımını izin verilen çekirdekleri (bizim durumumuzda ¹²⁹Xe) belirtecek şekilde yapılandırın.
   3. Ksenon frekansı^11'i elde etmek için MR tarayıcıdaki iyi karakterize edilmiş proton rezonans frekansını 3.61529'a bölün.
   4. Bobin parametrelerini karakterize edin (maksimum iletim genliği, verici referans genliği, özgül absorpsiyon oranı- SAR).
4. ¹²⁹Xe spektroskopisinin ölçülmesi
   1. Termal olarak polarize edilmiş bir 129-xenon fantom oluşturun.
      1. Bir cam basınçlı kabı ksenon gazı dolu bir torbaya bağlayın ve kabın kapasitesiyle uyumlu olması için uygun bir torba boyutu ve ksenon hacmi sağlayın.
      2. Ksenon difüzyonuna ve donmasına izin vermek için basınçlı kabı az miktarda sıvı nitrojene (LN₂) daldırın (bkz. Şekil 1).
      3. Ksenon içinde donmuş kar oluşturduktan sonra kabı kapatın, ardından kabı basınçlandırarak çözülmesine izin verin. Kaptaki basıncı hesaplayın: P = (V_kabı + V_torbası)/V_kabı , burada V_kabı kabın hacmi ve V_torbası , torbadaki ksenonun hacmidir.
         NOT: Hiperpolarize gaz (HPG) torbalarından farklı olarak, termal olarak polarize edilmiş ¹²⁹Xe kabının oksijenden arındırılmasına veya vakumla boşaltılmasına gerek yoktur, çünkü ek oksijen, termal olarak polarize fantomda olumlu bir etki olan ksenon_T1'i azaltacaktır. Ayrıca, kaptaki gaz basıncının üreticinin belirttiği basınç sınırını aşmamasını sağlamak önemlidir. ¹²⁹Xe gazının fantomu ile ksenon frekansı MRI konsolunda ölçülebilir. Kalite güvencesi için ticari xenon fantomları da mevcuttur¹³.
   2. Termal olarak polarize edilmiş bir ksenon fantom ile tepe frekansını tespit edin.
      1. Ksenon fantomu ¹²⁹Xe bobininin içine yerleştirin ve yüklü bir hastanınkine benzer şekilde yerleştirin, çünkü bobin geometrisindeki farklılıklar fantoma iletilen B1'i önemli ölçüde değiştirebilir (Şekil 2).
         NOT: Bobini düzgün bir şekilde yüklemek için uygun bir su fantomunun da yüklenmesi önerilir.
      2. Bazı tarayıcılar ilk proton frekansı yerelleştiricisi olmadan çok çekirdekli taramalara izin vermeyebileceğinden, proton frekansı ile bir tarama gerçekleştirin.
      3. Ksenon frekans tepe noktasını doğru bir şekilde tespit etmek için geniş bant iletim darbesi (varsa), yüksek bant genişliği ve yüksek çözünürlüklü okuma deneyi kullanın. Geniş bantlı bir darbe, yüksek bir frekans aralığını uyararak ksenon NMR'nin algılanabilmesini sağlar.
      4. İyi tanımlanmış bir tepe noktası tespit edildiğinde, frekansı tam hassasiyetle kaydedin ve sinyal-gürültü oranını (SNR) ve tepe frekans hassasiyetini en üst düzeye çıkarmak için deneyi düşük bant genişliğiyle (~1000 Hz) yeni frekansta tekrarlayın (Şekil 3).
      5. Tatmin edici, yüksek sinyalli bir tepe noktası tespit edildiğinde, protokolü gelecekteki QC testleri için saklayın.
         NOT: Bobinin tarayıcıya hassas geometrik yerleşimi, SNR'nin kötüleştiği görülürse ortaya çıkan sorunları belirlemek için gelecekte tekrarlanabilecek bir temel spektroskopi taraması sağlar. Fantomun kendisi doğrudan görüntülenebilir, ancak görüntünün yeniden yapılandırılması için yeterli sinyal oluşturmak için birden fazla alım gerektirebilir ve genellikle daha yüksek çevirme açıları gerektiğinden, ulaşılabilir SNR'nin adil bir tahminini sağlamayabilir. Hazırlanmış bir hiperpolarize ksenon torbası, istenen görüntüleme protokolünü in vivo görüntüleme parametreleriyle test etmek için en iyi seçenektir.
5. HP ¹²⁹Xe test çantası ile görüntüleme
   1. Görüntüleme için az miktarda HP ¹²⁹Xe (>300 mL) kullanın, bu da iyi konsantre edilmiş ve oksijensizdir.
   2. ^{Görüntülemeden hemen önce 129}Xe DE'yi doğru bir şekilde ölçün.
   3. Test görüntüleme protokolünü, istenen in vivo parametreleri mümkün olduğunca yakından yansıtacak şekilde ayarlayın¹¹.
   4. Tarayıcı performansının temel ölçüsü olarak xenon torbanın görüntüsünü alın ve kaydedin.
   5. Elde edilen görüntülerin SNR'sini tüm tarama parametreleri ve xenon DE ile birlikte ölçün ve kaydedin. 2D GRE taraması için kabul edilebilir SNR siteye göre değişebilir, ancak tipik olarak yaklaşık 30 veya daha yüksek olmalıdır ve sonraki görüntü analizi için minimum eşik^{15 olmalıdır 11}.
   6. α çevirme açısını (FA) ölçmek için, FOV'un art arda iki kez (FA ≈ 8-10° ile), aynı dizi parametrelerini kullanarak ve ilk görüntünün sonu ile ikincinin başlangıcı arasında boşluk olmadan görüntülendiği tam hacimli bir bozulma gradyan yankı taraması gerçekleştirin. SNR'yi iki görüntünün, S0 ve S1'in DC ofsetinde ölçün, faz kodlama adımlarının sayısını sayın, n ve çevirme açısı haritasını aşağıdaki gibi hesaplayın ¹⁴:
      (1.3)
      NOTLAR: İn vivo HP ¹²⁹Xe MRI için ortak parametrelerin yanı sıra daha karmaşık ancak son derece hassas bir çevirme açısı kalibrasyon yöntemi (çoklu atış darbesi/elde etme deneyi) Niedbalski ve ^ark.11'de verilmiştir.
6. İn vivo HP ¹²⁹Xe görüntüleme
   1. Deneğe nefes tutma teknikleri konusunda uygun eğitimi verin ve HP ¹²⁹Xe torbasını kullanmadan önce deneğin bir hava torbası kullanarak soluma prosedürünü uygulamasına izin verin.
   2. Deneğe oda havasıyla bir dizi nefes alıp vermesini, ardından HP ¹²⁹Xe gazını derin bir şekilde solumasını, nefesini tutmasını ve taramayı başlatmasını (yaygın olarak kullanılan bir yöntem) söyleyin. Solunumun verilen talimatlarla senkronize kalmasını sağlamak için deneğin göğüs hareketini yakından izleyin.
      NOT: Şu anda nefes tutma prosedürleri için çeşitli koçluk yöntemleri kullanılmaktadır ve gelecekteki bir konsorsiyum belgesi muhtemelen bu konuda bir fikir birliği beyanı oluşturacaktır.
   3. Nefes tutma sırasında gazın burundan solunmasını önlemek için burun klipsleri kullanın.
   4. Nefes tutma görüntülemesinden sonra, deneklere ksenonu akciğerlerden çıkarmak ve geçici yan etkileri gidermek için derin nefes almaları için koçluk yapın¹¹.
   5. Çözünmüş faz ksenon görüntülemeyi takip edenler için, denek inhalasyon hacminin elde edilen çözünmüş faz verilerini önemli ölçüde etkilediğini unutmayın¹⁵.
7. Verilerin yeniden yapılandırılması ve analizi
   1. Tarayıcıdan 'ham' verileri, tipik olarak okuma alma sırasına göre karmaşık verilerin bir listesi biçiminde dışa aktarın.
   2. Doğrusal olarak elde edilen k-uzayı yörüngeleri için, her karmaşık veri noktası, iki boyutlu (2B) veya üç boyutlu (3B) k-uzayında bir tamsayı frekansına karşılık gelir. Doğrusal yörüngeler için basit, hızlı bir Fourier dönüşümü (FFT) kullanarak görüntüyü yeniden oluşturun.
   3. Doğrusal olmayan yörüngeler için (örneğin, radyal veya spiral veriler), sonraki FFT'den önce karmaşık verileri enterpolasyon yapmak veya tamsayı bölmelerine birleştirmek için veri 'ızgaralama' gerçekleştirin. Doğruluğu sağlamak ve olası artefaktları önlemek için gerekirse ızgara gerçekleştirmeden önce verileri inceleyin.
      NOT: Ham k-uzayı verilerinin FFT'si, tarayıcı tarafından yeniden oluşturulmuş DICOM görüntülerine benzer ancak aynı olmayan görüntüler verebilir, çünkü tarayıcı, gradyan davranışındaki bilinen doğrusal olmayanlara dayalı olarak yeniden oluşturulmuş görüntüleri daha da düzeltir. Bu etkiler genellikle küçüktür, ancak özellikle akciğerler gibi büyük organlar görüntülendiğinde, tarayıcı görüntüleme hacminin kenarlarında daha belirgin olabilirler. Son işlem için tarayıcı tarafından yeniden oluşturulmuş görüntünün (varsa) kullanılması önerilir.

2. Sorun giderme adımları

NOT: Protokol, hiperpolarize ¹²⁹Xe MRG'de bazı kalite kontrol (QC) prosedürlerini özetlemiş olsa da, ortaya çıkan sorunlar, anormallikler ve zorluklar nedeniyle sorun giderme gerekli olabilir. İşlemdeki herhangi bir hata veya yanlış adım, sonraki adımları etkileyen ve düşük sinyal yoğunluğuna sahip eksik veya düşük kaliteli görüntüler, yüksek gürültü seviyeleri veya tam sinyal kaybı gibi sorunlara yol açan bir dalgalanma etkisine sahip olabilir. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, sorunları ayrıntılı olarak tanımlamak ve araştırmak için stratejik yaklaşımlar kullanılmalıdır.

1. Kalite kontrol için HP ¹²⁹Xe doz torbası hazırlama
   1. Kontrol ksenon torbası için hassas miktarda ksenon gazını dikkatlice demleyin ve onunla karıştırılan nitrojeni not edin.
   2. Xenon torbasını MRI tarayıcıda görüntüleyin ve güvenilir karşılaştırmalar için görüntüleme seansından önce ve sonra doğru polarizasyon ölçümleri yapın.
   3. Güvenilir karşılaştırmaları kolaylaştırmak için tüm QC taramaları için aynı görüntüleme dizisini kullanın.
   4. Gelecekteki karşılaştırmaları mümkün kılmak için tüm QC taramalarını gerçekleştirmeden önce ve sonra xenon DE değerlerini not edin.
2. Sistemik gürültü karakterizasyonu
   1. Kalite kontrol amaçları için bir kontrol gürültüsü profili oluşturun. Alandan maksimum sinyali yakalamak için yüksek görüş alanı (FOV; 400-500 mm), yakındaki gürültü rezonanslarını belirlemek için piksel başına yüksek bir Bant Genişliği (mevcut maksimum veya en az >50 kHz) ve mümkün olan en düşük tekrarlama süresi (TR) ve yankı süresi (TE) ^{11, 13}. Bir xenon yelek veya bir döngü bobini kullanarak gürültü profili için QC'yi edinin.
   2. Bobinde örnek (HP ¹²⁹Xe) olmayan bir görüntü elde edin. Bu görüntü gürültü profilini karakterize edecektir.
   3. Sivri uçlar, desenler veya ayrıklaştırılmış/gruplanmış değerler gibi Gauss dışı öğeler için elde edilen gürültü verilerini, özellikle k-uzayını inceleyin.
   4. Elde edilen gerçek/hayali verileri, her ikisi de en küçükten en büyüğe sıralanmış, aynı ortalama, standart sapma ve vektör uzunluğuna sahip sentezlenmiş bir Gauss veri kümesine (uygun rastgele sayı üretme işleviyle) karşı çizerek bir QQ grafiği oluşturun. QQ grafiğindeki y = x çizgisinden sapmalar, elde edilen veriler içinde Gauss olmayan bileşenlerin varlığını gösterir ve daha fazla araştırma gerektirir. (Şekil 4).
      NOT: Kantil-kantil grafiği (QQ grafiği), iki veri kümesinin benzer dağılımlar sergileyip sergilemediğine ilişkin içgörüler sağlayabilir. Verilerin normal dağılımlı bir veri kümesiyle karşılaştırılması, dağılımın Gauss olup olmadığının değerlendirilmesini sağlar. Protokol, k-uzayının gerçek ve sanal kısmının, bir örneğin yokluğunda bir Gauss dağılımına yaklaştığını varsayar.
   5. Gürültü dağılım modelini ve potansiyel aykırı değerleri uygun bir seçim grafiği ile tanımlayın (gerekirse Chauvenet kriterini kullanın¹⁶).
   6. Gürültüyü, özelliklerine göre düzenli ve düzensiz türler olarak sınıflandırın (bkz. adım 2.3 ve 2.4).
      NOT: Düzenli gürültü, okuma veya k-boşluğu verilerinde düzenli olarak görünen kalıpları içerir. Düzensiz gürültü nispeten rastgele görünür ve genellikle fark edilebilir bir zamanlama modeli olmadan yüksek yoğunluğa sahiptir, ancak kaçınılmaz termal gürültü gibi bir Gauss profili göstermez.
3. Düzenli gürültü algılama
   1. Tarayıcıyı bir gürültü kaynağı olarak ekarte etmek için, çeşitli darbe dizisi parametreleri devre dışı bırakılmış ve elektronik bileşenler kapalıyken standart site protokolünü kullanarak görüntüler elde edin. Örneğin, belirli bir gradyan bobini gürültü yayıyorsa, gürültünün çözülüp çözülmediğini incelemek için taramayı çalıştırmadan önce gradyanlar kapatılmalıdır.
      NOT: Gradyayı kapatmak genellikle tarayıcı konsoluna daha yüksek erişim gerektirir ve bir servis mühendisinin hazır bulunmasını gerektirebilir. Sonuç olarak, çok çekirdekli spektrometrenin aktif olduğu, ancak hiçbir gradyana güç verilmediği ve hiçbir RF'nin iletilmediği bir dizi, bu bileşenlerden bir gürültü sorununun kaynaklanıp kaynaklanmadığını belirlemek için yeterli olmalıdır.
   2. Odadaki gürültü kaynaklarını ortadan kaldırın ve ardından normal gürültünün olası kaynaklarını belirleyin.
      NOT: Gürültü kaynakları, kontrast enjektörleri, kod düğmeleri, sensörler, hayati işaret monitörleri, tarayıcı bileşenleri (örn. konumlandırma lazeri, yatak mekaniği, fanlar, ışıklar) veya konsol/mıknatıs duvarları arasındaki dalga kılavuzları gibi elektronik bileşenleri içerebilir.
   3. Gürültü kaynakları için mıknatıs odasının etrafını 'koklamak' için ¹²⁹Xe frekansına ayarlanmış basit bir yüzey döngü bobini kullanın. Xenon bobin elemanını potansiyel sorunlu cihazların yakınına fiziksel olarak yerleştirin ve güçlendirilmiş gürültüyü tespit etmek için bir test dizisi çalıştırın (bkz. adım 2.2.1).
   4. Tutarlılık gürültüsünün tam kaynağını belirlemek için k-uzayı ve görüntü verilerini inceleyin.
   5. Belirli bir kaynak tanımlanırsa, gürültüyü azaltmak için onu devre dışı bırakmaya veya alüminyum folyo/yanıp sönen veya bakır bir ağ ile kapatmaya çalışın.
   6. Gürültünün çözülüp çözülmediğini görmek için gürültü kaynaklarını devre dışı bıraktıktan veya kapattıktan sonra taramayı yeniden çalıştırın. Tüm gürültü kaynakları ortadan kaldırılana kadar bu işleme devam edin, geriye yalnızca düşük köklü ortalama kare (RMS) Gauss gürültüsü kalır.
4. Düzensiz gürültü algılama
   1. Düzensiz gürültüyü, gerçek veya hayali kanallarda anormal derecede yüksek veya düşük sinyallere sahip tek tek k-uzay piksellerinde yüksek sinyal 'artışları' olarak tanımlayın.
      NOT: K-boşluğu sivri uçları genellikle şeritli veya 'kadife' desenli görüntülere neden olur (Şekil 5). K-space verilerinde yüksek değerlerin veya ani artışların varlığı, genellikle görüntü uzayında çizgili bir desenin oluşmasına neden olabilir. Bu fenomen sıklıkla gradyanla ilgili sorunlarla ilişkilendirilir.
   2. Çizgili desenden sorumlu yönü belirleyerek X, Y veya Z gradyanlarıyla ilgili olası sorunları ortadan kaldırın (Şekil 5). Önden arkaya, baştan ayağa ve soldan sağa dahil olmak üzere farklı faz kodlama yönlerinde görüntüleme gerçekleştirin.
   3. Çizgili desene hangi belirli gradyan yönünün katkıda bulunduğunu belirlemek için her yönde ortaya çıkan görüntüleri sistematik olarak inceleyin. Gerekirse, herhangi bir gürültü artışının kaynağının belirlenmesine izin vererek, bireysel gradyanları seçici olarak etkinleştirmek ve devre dışı bırakmak için sitenin klinik mühendisiyle iletişime geçin.
5. Sinyal yok
   NOT: HPG MRG çalışmalarında edinimden sonra herhangi bir sinyalin gözlenmediği bir durumla karşılaşıldığında, sistematik bir sorun giderme yaklaşımı gerçekleştirilebilir. İşte bu sorunu çözmek için bazı öneriler,
   1. Xenon bobinini ve bağlantısını doğrulayın.
      1. MRI tarayıcısında ksenon bobininin seçildiğinden ve doğru şekilde bağlandığından emin olun.
      2. Tarama sırasında hastanın hareketi bobinin bağlantısının kesilmesine neden olabilir, bu nedenle bobin bağlantısını dikkatlice inceleyin.
      3. MRI tarayıcısının kapısının güvenli bir şekilde kapatılıp kapatılmadığını kontrol edin, çünkü açık bir kapı mıknatıs odasına dışarıdan RF'ye izin verebilir.
      4. Ksenon fantom üzerinde spektroskopi yapın (bkz. bölüm 1.4.2) ve spektroskopiden Xenon tepe yüksekliğini ve gürültü tabanını doğrulayın. Bir xenon tepe noktasının varlığından emin olmak için 90° çevirme açısı kullanın. 90° uyarma ile ilişkili maksimum sinyali hesaplayın ve voltajı/gücü QC tarama sonuçlarıyla karşılaştırın.
   2. Xenon bobinini değerlendirin.
      1. Küçük bir ksenon torbası hazırlayın ve ölçüm istasyonundaki polarizasyonu ölçün.
      2. Aşağıdaki parametrelere sahip bir HP ¹²⁹Xe çantasında basit bir 2D GRE taraması ile çantayı görüntüleyin: 90°'lik daha yüksek çevirme açısı (darbe süresi iletim bant genişliğini [BW] belirlediği için gerekirse darbe süresini ayarlayın), temel çözünürlüğü düşük tutarken bir fantomun önceki QC'sine, yüksek FOV'a ve düşük BW'ye dayalı referans voltajı kullanın.
      3. Polarizasyonu ölçüm istasyonunda tekrar ölçün. Polarizasyon önemli ölçüde azalmazsa, ksenon bobin vericisi veya amplifikatörü ile ilgili potansiyel bir sorun olduğunu gösterir.
         NOT: Polarizasyon seviyesi, ksenon yelek bobininden gelen uyarma darbelerinin başarısından bağımsız olarak, bu işlem boyunca T1 bozunması nedeniyle kademeli bir düşüş yaşar. Bu nedenle, ksenon bobin verici işlevsellik sorununu ortadan kaldırmak için uyarma darbesinin neden olduğu yeterli bir polarizasyon bozulmasını gözlemlemek için yüksek bir 90 ° FA önerilir. Polarizasyon önemli ölçüde azalırsa, ancak görüntüde sinyal algılanmazsa, bir xenon bobin alıcısı sorunu gösterilir.
   3. Kapsamlı analiz
      1. Herhangi bir anormalliği veya tutarsızlığı incelemek için hem k-alanı hem de görüntü alanı verilerini analiz edin.
      2. Potansiyel farklılıkları veya sapmaları belirlemek için elde edilen verileri önceki taramalarla veya referans verilerle karşılaştırın.
6. Verilerin ayrıklaştırılması
   1. Veri ayrıklaştırmasını kontrol edin (Şekil 6).
      NOT: Bobin voltajları tarayıcı spektrometresi tarafından kaydedildiğinde, spektrometrenin tam dinamik aralığının kullanılmasını ve en yüksek doğruluğun elde edilmesini sağlamak için uygun seviyelere yükseltilir. Sinyal, veri noktası bekleme süresiyle ters orantılı olan okuma bant genişliğine göre zamansal olarak ayrıklaştırılır ve kaydedilen analog voltaj değerleri, spektrometre bit derinliği tarafından belirlenen ayrık sinyal 'kutularına' sayısallaştırılır. Gelen sinyalin tam bit derinliğini kapsayacak şekilde uygun şekilde yükseltilmesi, kullanıcının doğru bobin voltajı/amplifikasyon/ölçekleme değerleri sağlamış olmasını gerektirir. Bazı tarayıcılarda, hedef frekansta hazırlık darbeleri gerçekleştirilene kadar bir görüntüleme taramasına izin verilmeyecektir - ek rf polarizasyonu azaltacağından ve nefes tutma süresini artıracağından hiperpolarize çalışmalar için kaçınılması gereken bir işlemdir. Spektrometre yanlış kalibre edilirse veya sinyali yeterince yükseltemezse, kaydedilen veriler kabaca ayrıklaştırılabilir - genlik kutularının yalnızca küçük bir yüzdesi sayısallaştırılmış veri noktalarıyla doldurulur. Veri ayrıklaştırma, niceleme hatalarına ve ince ayrıntıların kaybına neden olarak bilgi içeriğini de etkileyebilir. Veri ayrıklaştırma ayrıca artefaktları ortaya çıkarabilir, SNR'yi tehlikeye atabilir ve fizyolojik değişiklikleri doğru bir şekilde analiz etme yeteneğini sınırlayabilir. Daha da önemlisi, k-uzayı verilerinin kaba ayrıklaştırılması, görünüşte tatmin edici bir görüntünün üretilmesini yasaklamayabilir (Şekil 6).
   2. Alım parametrelerini optimize edin ve veri ayrıklaşmasını azaltmak için uygun yeniden yapılandırma algoritmalarını kullanın.
   3. Donanımı geliştirin ve veri ayrıklaştırmanın olumsuz etkilerini azaltmak için daha yüksek örnekleme oranları, gelişmiş enterpolasyon yöntemleri ve gürültü azaltma stratejileri gibi tekniklerden yararlanın.

Representative Results

Şekil 4, gürültü taramasında gerçekleştirilen gürültü karakterizasyon analizinin sonuçlarını göstermektedir. Grafik, hem düzenli hem de düzensiz gürültünün, ideal y=x referans çizgisinden sapmanın gözlemlendiği k-uzayı üzerindeki etkisini göstermektedir. Düzenli gürültü, k uzayında sürekli bir modele yol açarken, düzensiz gürültü, QQ grafiğinde yüksek değerli aykırı değerlere neden olur.

Şekil 5'e geçildiğinde, HPG MRG kullanılarak elde edilen bir dizi akciğer görüntüsü sunulmuştur. En üst satırda, referans taraması, düzenli ve/veya düzensiz gürültüden etkilenen bir akciğer görüntüsü ve sinyalsiz bir görüntü dahil olmak üzere görüntü alanındaki örnekler sergilenir. Alt satır, karşılık gelen k-uzayı modülü temsillerini görüntüler.

Şekil 5A'da, k-boşluğunda ortalanmış belirgin bir parlak nokta, düşük gürültülü net bir akciğer sinyalini gösterir. Tersine, Şekil 5B, görüntüler boyunca yayılmış düzenli gürültünün (Gauss gürültüsü) varlığını göstermektedir. Şekil 5C'de, k-uzayında yüksek değerli ani artışlara neden olan ve görüntü uzayında bir şerit desenine neden olan düzensiz gürültü belirgindir. Şekil 5D, akciğer görüntüsünü etkileyen hem düzenli hem de düzensiz seslerin aynı anda mevcut olduğu bir senaryoyu göstermektedir. Son olarak, Şekil 5E, elde edilen akciğer görüntüsünde hiçbir sinyalin tespit edilmediği bir durumu temsil etmektedir.

Şekil 6, uygun şekilde ölçeklendirilmiş k-uzayı verileriyle karşılaştırıldığında kaba veri ayrıklaştırmasının bir örneğini göstermektedir. SNR'yi hesapladıktan sonra, ayrık verilerin düşük bir sinyal seviyesi sergilediği ortaya çıkar.

Resim 1: Bir xenon fantomu oluşturma çizimi. Basınçlı kap, ksenonun yaklaşık -203.15 °C'de (70 K) donmasını sağlamak için az miktarda sıvı nitrojen içine yerleştirilir. ¹²⁹Xe'lik bir torba doğrudan gemiye bağlanır. Ksenon kabın içine yayılırken, soğuk duvarlara dokunduğunda donar ve donmuş kar benzeri bir yapı oluşturur. Tamamen dondurulduktan sonra, kap kapatılır ve ksenonun çözülmesine izin verilir, bu da kap içindeki basıncın artmasına neden olur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Spektroskopi düzenlemesi. (A) İki proton fantomu arasına yerleştirilmiş 129-Xenon fantom, tümü bir ¹²⁹Xe yelek bobini içine alınmıştır. (B) Xenon yelek bobinini kayışlarla sabitleyin. (C) Yerleşimi bulmak için düzeneği mıknatısın deliğine yerleştirin. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Sabit bir ksenon frekansında (34,081,645 Hz) değişken bant genişliği uyarımına göre sinyal yanıtı. Bant genişliğinin artırılması daha yüksek bir gürültü tabanı ile sonuçlanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Üç tür gürültü taraması: kabul edilebilir, düzenli ve düzensiz gürültü. (A) Panel A, her bir gürültü modelinin k-uzay modülü temsilini görüntüler, normal gürültü bir şerit deseni sergiler ve düzensiz gürültü sivri uçlar (parlak noktalar) gösterir. (B) Her gürültü taraması için k-uzayı verilerinin gerçek ve sanal kısımlarının histogramı. (C) Elde edilen veri kümesini, artan sırada eşit ortalama ve standart sapmaya sahip normal dağılımlı bir veri kümesiyle karşılaştırarak, k-uzayı verilerinin gerçek/sanal bileşenlerinin QQ grafiği. Kırmızı çizgi, y = x referans çizgisini temsil eder. Bu çizgiden sapmalar, elde edilen veriler içinde Gauss olmayan bileşenlerin varlığını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: HPG ¹²⁹Xe akciğer görüntülemesinde farklı gürültü modellerinin gösterimi. Üst satırda, referans taraması, düzenli ve/veya düzensiz parazitli bir akciğer görüntüsü ve sinyalsiz bir görüntü dahil olmak üzere görüntü alanı örnekleri görüntülenir. Alt satır, karşılık gelen k-uzay modülü temsillerini gösterir. Sinyalli görüntüde, akciğer sinyalini temsil eden k-boşluğunda ortalanmış parlak bir nokta vardır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: ¹²⁹Xe test torbası yeniden yapılandırılmış verilerde yüksek/düşük dijital hassasiyetin etkisinin gösterimi. Yüksek dijital hassasiyetli görüntü (üst sıra) için, görüntünün 600'lük yüksek bir SNR'si vardır ve 55^. K-uzayı sırasının modülü, verilerin ince ayrıntılarını gösteren düzgün bir eğri gösterir. Bununla birlikte, düşük dijital hassasiyetli görüntüde (alt sıra), tek tek veri noktaları, sinyal aralığını kapsayan sınırlı sayıda dijital seviyeye "bağlanır" ve bu da yeniden oluşturulan görüntüde SNR'nin (SNR = 98) azalmasına neden olur. Bu sorun, görünüşte tatmin edici bir görüntünün üretilmesini engellemediğinden, yalnızca ham sinyal verilerinin dikkatli bir şekilde incelenmesiyle tespit edilebilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

¹²⁹Xe MRI sorunlarını giderme yeteneği gerekli bir beceridir ve sorunları gerçek zamanlı olarak azaltmaya yardımcı olabilir. Hiperpolarize bir gaz altyapısı tek bir taraftan satın alınana ve tarayıcı üreticilerinden destek alınana kadar, bu kalite kontrol görevleri yalnızca laboratuvarların sorumluluğundadır. Bu makalenin amacı, okuyucuya kaçınılmaz zayıf veri toplama olayı için yararlı uygulamalar ve öneriler sunmaktır. Mümkün olduğunca çok sayıda potansiyel sorunu ele almaya çalışsak da, ¹²⁹Xe MRG'deki diğer birçok zorluk tarayıcı üreticisine özgüdür ve fikri mülkiyet kısıtlamaları nedeniyle ayrıntılı olarak tartışılamaz. Bununla birlikte, ¹²⁹Xe MRI kullanarak çok bölgeli denemeler geliştirme hedefine sahip bir topluluk olan ¹²⁹Xe Klinik Araştırmalar Konsorsiyumu, ¹²⁹Xe MRG'yi birden fazla platformda ve yazılımda¹⁷ operasyonel hale getirme deneyimine sahip birçok saha katılımcısı ve deneyimli uzmandan oluşmaktadır. Burada ele alınmayan herhangi bir uygulama ve/veya sorun giderme sorusu için site katılımcılarından herhangi biriyle iletişime geçmeniz önerilir.

Sinyal düşüşünün veya ortaya çıkan gürültü sorunlarının erken belirtilerini belirlemek için bobinin düzenli performans kontrolleri yapılmalıdır. Bu kontroller, bobin arayüzünün ve dahili bağlantıların incelenmesinin yanı sıra düşmelerin veya aşırı ağırlığın bobin üzerindeki potansiyel etkisinin değerlendirilmesini içerir. Fiziksel incelemelere ek olarak, spektroskopi taramalarını sık sık karşılaştırmak, bobinin performansıyla ilgili sorunların belirlenmesine yardımcı olabilir. MRI sisteminin çok çekirdekli işlevselliği proton tesisi ile paylaşılan bir bileşen olduğundan, manyetik odaya yeni tanıtılan herhangi bir cihaz veya ekipman, ksenon frekansında potansiyel paraziti önlemek için teste tabi tutulmalıdır. Teknik hususlara ek olarak, deneysel prosedürlerde detaylara dikkat edilmelidir. Bu, deneklere etkili bir şekilde koçluk yapmayı, çalışma koordinatörleriyle net iletişim kurmayı ve QC taramaları sırasında xenon torbasının hassas bir şekilde konumlandırılmasını kapsar. Görüntü kalitesini ve genel çalışma sonuçlarını önemli ölçüde iyileştirebilecekleri için bu görünüşte küçük ayrıntılar göz ardı edilmemelidir.

Bu yazıda sunulan protokol, araştırmacılara görüntüleme işlemi sırasında olası sorunları belirlemek ve ele almak için kapsamlı bir çerçeve sunmaktadır. Araştırmacılar, sorun giderme adımlarını sistematik olarak izleyerek görüntü kalitesini optimize edebilir, veri doğruluğunu artırabilir ve hiperpolarize ksenon MRI alanını ilerletebilir. Bu sorun giderme stratejilerinin sürekli iyileştirilmesi ve uyarlanması, görüntüleme teknolojisindeki gelişmelerle birleştiğinde, hiperpolarize ksenon MRG çalışmalarının kalitesinde ve güvenilirliğinde daha fazla iyileşmeye katkıda bulunacaktır.

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