Fehlersuche und Qualitätssicherung in der hyperpolarisierten Xenon-Magnetresonanztomographie: Werkzeuge für eine hochwertige Bildaufnahme

Summary

Hier stellen wir ein Protokoll zur Gewinnung hochwertiger hyperpolarisierter Xenon-129-Magnetresonanzbilder vor, das Hardware, Software, Datenerfassung, Sequenzauswahl, Datenmanagement, k-Raumnutzung und Rauschanalyse umfasst.

Abstract

Die hyperpolarisierte (HP) Xenon-Magnetresonanztomographie (¹²⁹Xe MRT) ist ein kürzlich von der Federal Drug Administration (FDA) zugelassenes Bildgebungsverfahren, das hochauflösende Bilder eines eingeatmeten Xenon-Gases zur Untersuchung der Lungenfunktion liefert. Die Implementierung der ¹²⁹Xe-MRT ist jedoch eine besondere Herausforderung, da sie spezielle Hardware und Ausrüstung für die Hyperpolarisation, die Beschaffung von Xenon-Bildgebungsspulen und Spulensoftware, die Entwicklung und Zusammenstellung von multinuklearen MR-Bildgebungssequenzen und die Rekonstruktion/Analyse der erfassten Daten erfordert. Ohne entsprechendes Fachwissen können diese Aufgaben entmutigend sein, und es kann frustrierend und teuer sein, keine qualitativ hochwertigen Bilder zu erhalten. Hier stellen wir einige Qualitätskontrollprotokolle (QC), Fehlerbehebungspraktiken und hilfreiche Tools für¹²⁹Xe-MRT-Standorte vor, die bei der Erfassung optimierter, qualitativ hochwertiger Daten und genauer Ergebnisse helfen können. Die Diskussion beginnt mit einem Überblick über den Prozess zur Implementierung der HP ¹²⁹Xe MRT, einschließlich der Anforderungen an ein Hyperpolarisator-Labor, der Kombination von ¹²⁹Xe MRT-Spulenhardware/-software, Datenerfassungs- und Sequenzüberlegungen, Datenstrukturen, k-Raum- und Bildeigenschaften sowie gemessenen Signal- und Rauscheigenschaften. Jeder dieser notwendigen Schritte birgt Möglichkeiten für Fehler, Herausforderungen und ungünstige Vorkommnisse, die zu schlechter Bildqualität oder fehlgeschlagener Bildgebung führen, und diese Präsentation zielt darauf ab, einige der am häufigsten auftretenden Probleme anzugehen. Insbesondere die Identifizierung und Charakterisierung anomaler Rauschmuster in den erfassten Daten ist notwendig, um Bildartefakte und Bilder von geringer Qualität zu vermeiden. Es werden Beispiele gegeben und Minderungsstrategien diskutiert. Unser Ziel ist es, den ^{Implementierungsprozess der 129}Xe MRT für neue Standorte zu vereinfachen und gleichzeitig einige Richtlinien und Strategien für die Fehlerbehebung in Echtzeit bereitzustellen.

Introduction

Seit über einem Jahrhundert stützt sich die Beurteilung der Lungenfunktion in erster Linie auf globale Messungen aus der Spirometrie und der Körperplethysmographie. Diese herkömmlichen Lungenfunktionstests (PFTs) sind jedoch nur begrenzt in der Lage, die regionalen Nuancen und subtilen Veränderungen im Lungengewebe im Frühstadium der Erkrankung zu erfassen¹. Die Nuklearmedizin mit inhalativen Radiotracern wird häufig zur Beurteilung von Beatmungs-/Perfusionsstörungen eingesetzt, die häufig mit Lungenembolien verbunden sind, aber dies beinhaltet ionisierende Strahlung und führt zu einer geringeren Auflösung. Im Gegensatz dazu hat sich die Computertomographie (CT) zum Goldstandard für die Lungenbildgebung entwickelt und bietet im Vergleich zur nuklearen Bildgebung eine außergewöhnliche räumliche und zeitliche Klarheit². Obwohl Niedrigdosis-CT-Scans die Strahlenbelastung verringern können, sollte ein potenzielles Strahlenrisiko dennoch berücksichtigt werden ^3,4. Die Protonen-MRT der Lunge ist aufgrund der geringen Gewebedichte der Lunge und des schnellen Signalabfalls aus dem Lungengewebe ungewöhnlich, obwohl die jüngsten Fortschritte trotz potenziell niedrigem Signal funktionelle Informationen liefern. Andererseits ist die hyperpolarisierte Xenon-Magnetresonanztomographie (HP ¹²⁹Xe MRT) eine nicht-invasive Modalität, die eine Darstellung der Lungenfunktion mit regionaler Spezifität^{ermöglicht 5,6}. Es erzeugt eine hohe Nichtgleichgewichtsmagnetisierung des Gases in Litermengen. Das Inertgas wird dann von einer Person im MRT-Scanner für einen einzigen Atemzug eingeatmet und direkt vom Scanner abgebildet. Auf diese Weise wird das eingeatmete Gas direkt abgebildet, im Gegensatz zum Gewebe selbst. Diese Technik wurde zur Beurteilung der Lungenventilation bei vielen Krankheiten eingesetzt, darunter Asthma, chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), Mukoviszidose, idiopathische Lungenfibrose, Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) und viele andere³. Im Dezember 2022 wurde HP ¹²⁹Xe MRT von der US-amerikanischen FDA als MRT-Beatmungskontrastmittel für den Einsatz in den Vereinigten Staaten von Amerika (USA) bei Erwachsenen und pädiatrischen Patienten ab 12 Jahren zugelassen⁷. Ärzte können jetzt ¹²⁹Xe MRT verwenden, um Patienten mit verbesserten/personalisierten Behandlungsplänen besser zu versorgen.

Historisch gesehen konzentriert sich die klinische MRT ausschließlich auf die Abbildung von Wasserstoffkernen (Protonen), die in fast allen menschlichen Eingeweiden reichlich vorhanden sind. Die MRT-Scanner, -Sequenzen und die Qualitätskontrolle werden in der Regel vom Scannerhersteller im Rahmen der Standortlizenz und -garantie gewartet. ¹²⁹Xe erfordert jedoch einen multinuklearen MR-Scanner und ein engagiertes Forschungsteam, um den Hyperpolarisator, maßgeschneiderte Hochfrequenzspulen (RF), dedizierte Pulssequenzen und Offline-Rekonstruktions-/Analysesoftware zu operationalisieren. Jede dieser Komponenten kann von Drittanbietern geliefert oder selbst entwickelt werden. Daher liegt die Last der Qualitätskontrolle in der Regel beim ¹²⁹Xe-Forschungsteam und nicht beim Scannerhersteller oder einzelnen Dritten. Die konsistente Erfassung qualitativ hochwertiger ¹²⁹Xe-Daten ist daher eine besondere Herausforderung, da jede Komponente des ¹²⁹Xe-MRT-Prozesses ein Fehlerpotenzial mit sich bringt, das vom ¹²⁹Xe-Team genau überwacht werden muss. Diese Situationen können nicht nur extrem frustrierend sein, da Forscher mögliche Ursachen für eventuell aufgetretene Herausforderungen beheben und untersuchen müssen, sondern sie können auch sehr kostspielig sein, da dies die Patientenbildgebung und die Rekrutierung von Probanden verlangsamt. Zu den Kosten, die mit der Fehlersuche verbunden sind, gehören MRT-Zeitkosten, die Hyperpolarisation von ¹²⁹Xe, die den Verbrauch verschiedener Gase mit sich bringt, und der Einsatz von Materialien. Darüber hinaus ist mit der jüngsten FDA-Zulassung und dem Wachstum der ^{129-Xe-Bildgebung}die Bereitstellung eines standardisierten Protokolls für die Qualitätskontrolle erforderlich, um häufige Probleme und Rückschläge beim ^{129-Xe-Betrieb}zu vermeiden ^8,9.

Hier stellen wir einige der am häufigsten auftretenden Probleme in ^{der 129}Xe-MRT vor, darunter HF-Spulenausfälle, das Auftreten verschiedener Rauschprofile, die zu einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) führen, und Bilder von schlechter Qualität¹⁰. Unser Ziel ist es, einige präzise Richtlinien und Protokolle für die Qualitätskontrolle (QC) bereitzustellen, um die Erfassung qualitativ hochwertiger Bilddaten sicherzustellen und einige der häufigsten Probleme zu beheben, die bei ^{der 129}Xe-MRT auftreten können. Die hier gewonnenen Erkenntnisse sind auch für die Fehlersuche bei hyperpolarisiertem Helium-3 relevant.

Protocol

Das unten beschriebene Protokoll entspricht den Richtlinien und Standards, die von der Ethikkommission für Humanforschung der University of Missouri festgelegt wurden, um die ethische Durchführung der Studie und den Schutz der Rechte, der Sicherheit und des Wohlbefindens der Teilnehmer zu gewährleisten.

HINWEIS: Um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit von hyperpolarisierten Xenon-MRT-Studien zu gewährleisten, ist es von entscheidender Bedeutung, eine strenge Charakterisierung der aufgenommenen Bilder durchzuführen, ein umfassendes Protokoll zu befolgen und effektive Fehlerbehebungsstrategien anzuwenden. Die Bildgebungssitzung umfasst mehrere Schritte: Gashyperpolarisation, ^{Kommunikation zwischen 129}Xe-Spule und Scanner, ¹²⁹Xe-Spektroskopie, Datenerfassung, Datenrekonstruktion und Bildanalyse. Das Protokoll beginnt mit einer detaillierten Erörterung dieser Schritte und hebt die notwendigen Vorsichtsmaßnahmen und Fehlerbehebungsstrategien hervor, um den Bildgebungsprozess zu optimieren. Durch die Befolgung dieser Verfahren und die Einbeziehung von Expertenstrategien zur Fehlerbehebung können Forscher den Bildgebungsprozess optimieren und Herausforderungen meistern, die bei hyperpolarisierten Xenon-MRT-Studien auftreten können. Anschließend werden wir uns mit gängigen Fehlerbehebungspraktiken befassen, die in verschiedenen Fällen suboptimaler Daten auftreten können.

1. Wichtige Schritte für eine umfassende HPG-MRT-Studie

Hier haben wir einen kurzen Überblick über die Prozesse gegeben, die an einer typischen hyperpolarisierten ¹²⁹Xe-Bildgebungssitzung beteiligt sind. Detaillierte Protokollempfehlungen des ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium finden sich in Niedbalski et ^al.11.

1. ^{Nr. 129}Xe Hyperpolarisation
   1. Stellen Sie sicher, dass der ¹²⁹Xe-Hyperpolarisator gemäß den Richtlinien des Herstellers oder den laborspezifischen Protokollen für kundenspezifische Polarisatoren eingerichtet und betriebsbereit ist.
   2. Durchführung von T1-Relaxationsmessungen mit der Kernspinresonanztechnik (NMR) an einer repräsentativen Probe des Gases HP ¹²⁹Xe an der HP-Messstation. In einem stabilen Feld von 30 mT sollte Xenon in einem 1-Liter-Gasdosisbeutel einen T1 von > 45 min haben.
      HINWEIS: Nach Abschluss der Polarisationsmessung sollte der HP ¹²⁹Xe-Dosisbeutel innerhalb des Magnetfelds der HP-Messstation aufbewahrt werden, um seine Polarisation aufrechtzuerhalten, bis er für den Transport zum MRT-Scanner bereit ist. Die Polarisation wird nach¹² abfallen,
      (1.1)
      wobei P(t) die Polarisation zum Zeitpunkt t, P₀ die anfängliche Polarisation und T₁ die Magnetisierungsabklingrate ist (ohne Berücksichtigung von Polarisationsverlusten aufgrund von Anregung).
2. Messung von Polarisationsverlusten durch Gastransport
   1. Sorgen Sie für einen direkten und effizienten Weg von der Xenon-Sammelstelle zum Magnetraum, in dem die Bildgebung stattfinden soll.
   2. Minimieren Sie Verzögerungen während des HP-Xenon-Transports, um die Polarisation aufrechtzuerhalten, da die Polarisation schnell abfällt, sobald sich die Dosis außerhalb des T1-erhaltenden Magnetfelds befindet. Wenn die Polarisation während des Transports um 20 % oder mehr abnimmt, verwenden Sie einen magnetisch abgeschirmten Koffer.
   3. Vermeiden Sie fremde HF-Signale entlang des Transportwegs (z. B. Kartenleser, Laser, Edelstahlplatine usw.), da diese zum Polarisationsverlust beitragen können.
   4. Messen Sie die anfängliche Äquivalentdosis (DE) des HP ¹²⁹Xe-Gases vor dem Transport. DE ist gegeben durch ¹¹,
      (1.2)
      wobei f₁₂₉ die isotrope Fraktion von ¹²⁹Xe, P₁₂₉ die Kernspinpolarisation von ¹²⁹Xe und V_Xe das Gesamtvolumen von Xenongas ist.
   5. Transportieren Sie das Gas von der Messstation in die Magnetbohrung und dann auf dem gleichen Weg zurück zur Polarimetriestation. Messen Sie DE nach dem Roundtrip erneut, um den zu erwartenden Signalverlust während des Gastransports zu quantifizieren. Wenn keine zusätzlichen HF-Signale entlang des Transportweges interferieren, folgt die geschätzte Polarisation genau der T1-Abklingkurve, die in Gleichung 1.1 skizziert ist.
3. Multinukleare (¹²⁹Xe MRT) Spule
   1. Platzieren Sie die ¹²⁹Xe-Spule richtig im Magneten, um die richtige Ausrichtung zu gewährleisten. Wenn eine Quadraturspule verwendet wird, ist eine Anti-Quadratur-Anregung zu vermeiden, da dies zu einem erheblichen Signalabfall in der Mitte des Bildvolumens führen kann.
      HINWEIS: Die Xenon-Spule sollte für eine breite Palette von Brustgrößen geeignet sein, um Schwankungen in der Spulenabstimmung/-belastung zwischen den Probanden und während verschiedener Atmungsphasen auszugleichen, was zu unterschiedlichen Kippwinkeln über die Scans hinweg führt.
   2. Stellen Sie eine sichere physikalische Verbindung zwischen dem Spulenstecker und dem MR-System über die dafür vorgesehene Buchse her und konfigurieren Sie die Spulensoftware so, dass die zulässigen Kerne (in unserem Fall ¹²⁹Xe) angegeben werden.
   3. Teilen Sie die gut charakterisierte Protonenresonanzfrequenz des MR-Scanners durch 3,61529, um die Xenonfrequenz¹¹ zu erhalten.
   4. Charakterisierung der Spulenparameter (maximale Sendeamplitude, Senderreferenzamplitude, spezifische Absorptionsrate - SAR).
4. Messung ^{der 129}Xe-Spektroskopie
   1. Erstellen Sie ein thermisch polarisiertes 129-Xenon-Phantom.
      1. Schließen Sie einen Glasdruckbehälter an einen mit Xenon-Gas gefüllten Beutel an und stellen Sie sicher, dass die Beutelgröße und das Xenon-Volumen auf das Fassungsvermögen des Behälters abgestimmt sind.
      2. Tauchen Sie den Druckbehälter in eine kleine Menge flüssigen Stickstoffs (LN₂), um die Xenon-Diffusion und das Gefrieren zu ermöglichen (siehe Abbildung 1).
      3. Versiegeln Sie das Gefäß, nachdem das Xenon gefrorenen Schnee im Inneren gebildet hat, und lassen Sie es dann auftauen, wobei Sie den Behälter unter Druck setzen. Berechnen Sie den Druck im Behälter: P = (_V-Behälter +_V-Beutel)/_V-Behälter , wobei_V-Behälter das Volumen des Behälters und_V-Beutel das Volumen des Xenons im Beutel ist.
         HINWEIS: Im Gegensatz zu hyperpolarisierten Gasbeuteln (HPG) muss das thermisch polarisierte ¹²⁹Xe-Gefäß nicht von Sauerstoff gespült oder vakuumeviert werden, da der zusätzliche Sauerstoff das Xenon_T1 reduziert - ein günstiger Effekt im thermisch polarisierten Phantom. Außerdem ist darauf zu achten, dass der Gasdruck im Behälter die vom Hersteller angegebene Druckgrenze nicht überschreitet. Mit einem Phantom aus ¹²⁹Xe-Gas kann die Xenon-Frequenz auf der MRT-Konsole gemessen werden. Kommerzielle Xenon-Phantome für die Qualitätssicherung sind ebenfalls erhältlich¹³.
   2. Detektieren Sie die Spitzenfrequenz mit einem thermisch polarisierten Xenon-Phantom.
      1. Setzen Sie das Xenon-Phantom in die ¹²⁹Xe-Spule ein und platzieren Sie es ähnlich wie bei einem belasteten Patienten, da Unterschiede in der Spulengeometrie das dem Phantom zugeführte B1 erheblich verändern können (Abbildung 2).
         HINWEIS: Es wird empfohlen, auch ein geeignetes Wasserphantom zu laden, um die Spule richtig zu laden.
      2. Führen Sie einen Scan mit Protonenfrequenz durch, da einige Scanner mehrkernige Scans ohne einen anfänglichen Protonenfrequenz-Lokalisierer möglicherweise nicht zulassen.
      3. Verwenden Sie einen Breitband-Sendeimpuls (falls verfügbar), eine hohe Bandbreite und ein hochauflösendes Ausleseexperiment, um die Xenon-Frequenzspitze genau zu erkennen. Ein breitbandiger Puls regt einen hohen Frequenzbereich an und stellt sicher, dass die Xenon-NMR detektiert werden kann.
      4. Sobald ein genau definierter Peak erkannt wurde, zeichnen Sie die Frequenz mit voller Genauigkeit auf und wiederholen Sie das Experiment mit der neuen Frequenz mit geringer Bandbreite (~1000 Hz), um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die Genauigkeit der Spitzenfrequenz zu maximieren (Abbildung 3).
      5. Sobald ein zufriedenstellender Spitzenwert mit hohem Signal erkannt wurde, bewahren Sie das Protokoll für zukünftige QC-Tests auf.
         HINWEIS: Die präzise geometrische Platzierung der Spule im Scanner bietet einen Basis-Spektroskopie-Scan, der in Zukunft repliziert werden kann, um auftretende Probleme zu identifizieren, wenn sich das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert. Das Phantom selbst kann direkt abgebildet werden, obwohl es mehrere Aufnahmen erfordern kann, um genügend Signal für die Bildrekonstruktion zu erzeugen, und möglicherweise keine faire Schätzung des erreichbaren Signal-Rausch-Verhältnisses liefert, da im Allgemeinen höhere Flip-Winkel erforderlich sind. Ein präparierter Beutel mit hyperpolarisiertem Xenon ist die beste Option, um das gewünschte Bildgebungsprotokoll mit In-vivo-Bildgebungsparametern zu testen.
5. HP ¹²⁹Xe Bildgebung mit einem Testbeutel
   1. Verwenden Sie für die Bildgebung eine kleine Menge HP ¹²⁹Xe (>300 ml), die gut konzentriert und frei von Sauerstoff ist.
   2. Messen Sie den ¹²⁹Xe DE unmittelbar vor der Bildgebung genau.
   3. Stellen Sie das Testbildgebungsprotokoll so ein, dass es die gewünschten In-vivo-Parameter so genau wie möglich widerspiegelt¹¹.
   4. Erfassen und speichern Sie das Bild des Xenon-Beutels als Basismaß für die Scannerleistung.
   5. Messen und zeichnen Sie das Signal-Rausch-Verhältnis der aufgenommenen Bilder zusammen mit allen Scanparametern und Xenon DE auf. Das akzeptable Signal-Rausch-Verhältnis für einen 2D-GRE-Scan kann je nach Standort variieren, sollte aber in der Regel bei etwa 30 oder höher liegen, mit einem Mindestschwellenwert von 15 für die anschließende Bildanalyse¹¹.
   6. Für die Messung des Flip-Winkels (FA) wird α ein Gradienten-Echo-Scan mit vollem Volumen durchgeführt, bei dem das Sichtfeld zweimal hintereinander (mit FA ≈ 8-10°) unter Verwendung identischer Sequenzparameter und ohne Lücke zwischen dem Ende des ersten und dem Beginn des zweiten Bildes abgebildet wird. Messen Sie das Signal-Rausch-Verhältnis am DC-Offset der beiden Bilder S0 und S1, zählen Sie die Anzahl der Phasencodierungsschritte (n) und berechnen Sie die Umkehrwinkelkarte wie folgt ¹⁴:
      (1.3)
      ANMERKUNGEN: Gängige Parameter für die in vivo HP ¹²⁹Xe MRT sowie eine kompliziertere, aber hochgenaue Flip-Angle-Kalibrierungsmethode (Multi-Shot-Pulse/Acquire-Experiment) sind in Niedbalski et ^al.11 angegeben.
6. Im lebenden Organismus HP ¹²⁹Xe Bildverarbeitung
   1. Bieten Sie dem Probanden ein angemessenes Coaching in Bezug auf Techniken zum Anhalten des Atems an und lassen Sie den Probanden die Inhalationsprozedur mit einem Luftbeutel üben, bevor Sie den HP ¹²⁹Xe-Beutel einführen.
   2. Weisen Sie die Versuchsperson an, eine Reihe von Atemzügen mit Raumluft durchzuführen, gefolgt von einer tiefen Einatmung von HP ¹²⁹Xe-Gas, anhaltendem Atem und Beginn des Scans (eine häufig verwendete Methode). Überwachen Sie die Brustbewegung des Probanden genau, um sicherzustellen, dass die Atmung mit den Anweisungen synchronisiert bleibt.
      ANMERKUNG: Verschiedene Coaching-Methoden werden derzeit für Verfahren mit angehaltenem Atem eingesetzt, und ein zukünftiges Konsortialpapier wird wahrscheinlich eine Konsenserklärung dazu festlegen.
   3. Verwenden Sie Nasenklammern, um das Einatmen des Gases durch die Nase beim Anhalten des Atems zu verhindern.
   4. Nach der Bildgebung mit angehaltenem Atem atmen die Probanden tief durch, um Xenon aus der Lunge zu entfernen und vorübergehende Nebenwirkungen zu beseitigen¹¹.
   5. Diejenigen, die eine Xenon-Bildgebung in der gelösten Phase durchführen, sollten sich darüber im Klaren sein, dass das Inhalationsvolumen der Probanden die erfassten Daten zur gelösten Phase wahrscheinlich erheblich beeinflusst¹⁵.
7. Datenrekonstruktion und -analyse
   1. Exportieren Sie "Rohdaten" aus dem Scanner, in der Regel in Form einer Liste komplexer Daten in der Reihenfolge der Ausleseerfassung.
   2. Bei geradlinig erfassten k-Raum-Trajektorien entspricht jeder komplexe Datenpunkt einer ganzzahligen Frequenz im zweidimensionalen (2D) oder dreidimensionalen (3D) k-Raum. Rekonstruieren Sie das Bild mit einer einfachen, schnellen Fourier-Transformation (FFT) für geradlinige Trajektorien.
   3. Für nicht-geradlinige Trajektorien (z. B. radiale oder spiralförmige Daten) führen Sie ein Datenraster durch, um komplexe Daten vor der nachfolgenden FFT zu interpolieren oder in ganzzahlige Abschnitte zu wickeln. Untersuchen Sie die Daten, bevor Sie ggf. ein Raster durchführen, um die Genauigkeit sicherzustellen und potenzielle Artefakte zu vermeiden.
      ANMERKUNG: FFT von k-Raum-Rohdaten kann Bilder liefern, die ähnlich, aber nicht identisch mit Scanner-rekonstruierten DICOM-Bildern sind, da der Scanner rekonstruierte Bilder basierend auf bekannten Nichtlinearitäten im Gradientenverhalten weiter korrigiert. Diese Effekte sind im Allgemeinen gering, können aber an den Rändern des Scanner-Bildvolumens stärker ausgeprägt sein, insbesondere wenn große Organe wie die Lunge abgebildet werden. Es wird empfohlen, das mit dem Scanner rekonstruierte Bild (falls vorhanden) für die Nachbearbeitung zu verwenden.

2. Schritte zur Fehlerbehebung

HINWEIS: Während das Protokoll einige Verfahren zur Qualitätskontrolle (QC) in der hyperpolarisierten ¹²⁹Xe-MRT beschreibt, kann eine Fehlerbehebung aufgrund von auftretenden Problemen, Anomalien und Herausforderungen erforderlich sein. Fehler oder Fehltritte im Prozess können sich auf nachfolgende Schritte auswirken und zu Problemen wie fehlenden oder minderwertigen Bildern mit geringer Signalintensität, hohem Rauschpegel oder vollständigem Signalverlust führen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, sollten strategische Ansätze eingesetzt werden, um die Probleme im Detail zu identifizieren und zu untersuchen.

1. HP ¹²⁹Xe Dosisbeutelvorbereitung für die Qualitätskontrolle
   1. Eine genaue Menge Xenongas für den Kontroll-Xenon-Beutel vorsichtig aufbrühen und dabei auf den damit vermischten Stickstoff achten.
   2. Bilden Sie den Xenon-Beutel im MRT-Scanner ab und führen Sie vor und nach der Bildgebungssitzung genaue Polarisationsmessungen durch, um zuverlässige Vergleiche zu ermöglichen.
   3. Verwenden Sie für alle QC-Scans die gleiche Bildgebungssequenz, um zuverlässige Vergleiche zu ermöglichen.
   4. Notieren Sie sich die Xenon-DE-Werte vor und nach der Durchführung aller QC-Scans, um zukünftige Vergleiche zu ermöglichen.
2. Charakterisierung des systemischen Rauschens
   1. Erstellen Sie ein Kontrollgeräuschprofil für QC-Zwecke. Verwenden Sie eine spezielle benutzerdefinierte 2D-GRE-Sequenz, die ein hohes Sichtfeld (FOV; 400-500 mm) umfasst, um das maximale Signal aus dem Bereich zu erfassen, eine hohe Bandbreite pro Pixel (die maximal verfügbare oder mindestens >50 kHz) zur Identifizierung von Rauschresonanzen in der Nähe und die niedrigstmögliche Wiederholungszeit (TR) und Echozeit (TE)^{11, 13}. Anmelden Erfassen Sie die Qualitätskontrolle für das Geräuschprofil mit einer Xenon-Weste oder einer Loop-Spule.
   2. Erhalten Sie ein Bild ohne Probe (HP ¹²⁹Xe) in der Spule. Dieses Bild charakterisiert das Rauschprofil.
   3. Untersuchen Sie die erfassten Rauschdaten, insbesondere den k-Raum, auf nicht-Gaußsche Elemente wie Spitzen, Muster oder diskretisierte/klassifizierte Werte.
   4. Erstellen Sie ein QQ-Diagramm, indem Sie die erfassten Real-/Imaginärdaten gegen einen synthetisierten Gauß-Datensatz (mit entsprechender Zufallszahlengenerierungsfunktion) mit identischem Mittelwert, Standardabweichung und Vektorlänge darstellen, die beide vom kleinsten zum größten geordnet sind. Abweichungen von der Linie y = x im QQ-Diagramm deuten auf das Vorhandensein von nicht-Gaußschen Komponenten in den erfassten Daten hin, die weitere Untersuchungen erfordern. (Abbildung 4).
      HINWEIS: Ein Quantil-Quantil-Diagramm (QQ-Diagramm) kann Aufschluss darüber geben, ob zwei Datensätze ähnliche Verteilungen aufweisen. Durch den Vergleich der Daten mit einem normalverteilten Datensatz kann beurteilt werden, ob es sich um eine Gaußsche Verteilung handelt oder nicht. Das Protokoll geht davon aus, dass der Real- und der Imaginärteil des k-Raums in Abwesenheit einer Gaußschen Verteilung approximieren.
   5. Identifizieren Sie das Rauschverteilungsmuster und mögliche Ausreißer mit einem geeigneten Diagramm Ihrer Wahl (ggf. Chauvenet-Kriterium verwenden¹⁶).
   6. Kategorisieren Sie das Rauschen anhand seiner Eigenschaften in regelmäßige und unregelmäßige Typen (siehe Schritte 2.3 und 2.4).
      HINWEIS: Regelmäßiges Rauschen beinhaltet regelmäßig auftretende Muster in den Auslesungs- oder k-Raum-Daten. Unregelmäßiges Rauschen erscheint relativ zufällig und hat oft eine hohe Intensität ohne erkennbares Timing-Muster, zeigt aber kein Gauß-Profil wie unvermeidliches thermisches Rauschen.
3. Regelmäßige Geräuscherkennung
   1. Um den Scanner als Rauschquelle auszuschließen, nehmen Sie Bilder mit dem Standard-Standortprotokoll auf, wobei verschiedene Impulsfolgeparameter deaktiviert und elektronische Komponenten ausgeschaltet sind. Wenn z. B. eine bestimmte Gradientenspule Rauschen aussendet, sollten die Gradienten vor dem Ausführen des Scans heruntergefahren werden, um zu untersuchen, ob sich das Rauschen auflöst.
      HINWEIS: Das Herunterfahren des Gradienten erfordert in der Regel einen erhöhten Zugriff auf die Scannerkonsole und erfordert möglicherweise die Anwesenheit eines Servicetechnikers. Letztendlich sollte eine Sequenz, in der das multinukleare Spektrometer aktiv ist, aber keine Gradienten mit Strom versorgt werden und keine HF abgegeben wird, ausreichen, um festzustellen, ob ein Rauschproblem von diesen Komponenten ausgeht.
   2. Beseitigen Sie Lärmquellen aus dem Raum und identifizieren Sie anschließend mögliche Ursachen für regelmäßigen Lärm.
      HINWEIS: Zu den Rauschquellen können elektronische Komponenten wie Kontrastinjektoren, Codetasten, Sensoren, Vitalparametermonitore, Scannerkomponenten (z. B. Positionierungslaser, Bett-Mechanoelektronik, Lüfter, Leuchten) oder Wellenleiter zwischen Konsolen-/Magnetwänden gehören.
   3. Verwenden Sie eine einfache Oberflächenschleifenspule, die auf die Frequenz ¹²⁹Xe abgestimmt ist, um im Magnetraum nach Rauschquellen zu "schnüffeln". Platzieren Sie das Xenon-Spulenelement in der Nähe potenziell problematischer Geräte und führen Sie eine Testsequenz (siehe Schritt 2.2.1) durch, um verstärktes Rauschen zu erkennen.
   4. Untersuchen Sie den k-Raum und die Bilddaten, um die genaue Quelle des Kohärenzrauschens zu ermitteln.
   5. Wenn eine bestimmte Quelle identifiziert wird, versuchen Sie, sie zu deaktivieren oder sie mit Aluminiumfolie/Blinkblech oder einem Kupfergitter abzudecken, um das Rauschen zu reduzieren.
   6. Führen Sie den Scan erneut aus, nachdem Sie Rauschquellen deaktiviert oder abgedeckt haben, um zu sehen, ob das Rauschen verschwindet. Setzen Sie diesen Vorgang fort, bis alle Rauschquellen eliminiert sind und nur noch Gauß'sches Rauschen mit niedrigem Mittelwert (RMS) übrig bleibt.
4. Erkennung von unregelmäßigem Rauschen
   1. Identifizieren Sie unregelmäßiges Rauschen als hohe Signalspitzen in einzelnen k-Raum-Pixeln mit ungewöhnlich hohen oder niedrigen Signalen in den realen oder imaginären Kanälen.
      HINWEIS: K-Space-Spitzen führen häufig zu Bildern mit Streifen- oder "Cord"-Mustern (Abbildung 5). Das Vorhandensein hoher Werte oder Spitzen in den k-Raumdaten kann häufig zum Auftreten eines Streifenmusters im Bildraum führen. Dieses Phänomen wird häufig mit gradientenbedingten Problemen in Verbindung gebracht.
   2. Beseitigen Sie potenzielle Probleme mit X-, Y- oder Z-Farbverläufen, indem Sie die Richtung identifizieren, die für das Streifenmuster verantwortlich ist (Abbildung 5). Führen Sie die Bildgebung in verschiedenen Phasenkodierungsausrichtungen durch, einschließlich von vorne nach hinten, von Kopf zu Fuß und von links nach rechts.
   3. Untersuchen Sie systematisch die resultierenden Bilder in jeder Ausrichtung, um festzustellen, welche spezifische Verlaufsrichtung zum Streifenmuster beiträgt. Wenden Sie sich bei Bedarf an den klinischen Ingenieur des Standorts, um einzelne Gradienten selektiv zu aktivieren und zu deaktivieren, damit die Quelle von Rauschspitzen identifiziert werden kann.
5. Kein Signal
   HINWEIS: Wenn nach der Erfassung in HPG-MRT-Studien kein Signal beobachtet wird, kann ein systematischer Ansatz zur Fehlerbehebung durchgeführt werden. Hier sind einige Empfehlungen, um dieses Problem zu beheben:
   1. Überprüfen Sie die Xenonspule und den Anschluss.
      1. Stellen Sie sicher, dass die Xenonspule im MRT-Scanner ausgewählt und richtig angeschlossen ist.
      2. Eine Bewegung des Patienten während des Scans kann zum Trennen der Spule führen, daher sollten Sie die Spulenverbindung sorgfältig überprüfen.
      3. Überprüfen Sie, ob die Tür des MRT-Scanners sicher geschlossen ist, da eine offene Tür RF von außen in den Magnetraum lassen kann.
      4. Spektroskopie am Xenon-Phantom durchführen (siehe Abschnitt 1.4.2) und Xenon-Peakhöhe und Grundrauschen aus der Spektroskopie überprüfen. Verwenden Sie einen Neigungswinkel von 90°, um das Vorhandensein eines Xenon-Peaks sicherzustellen. Berechnen Sie das maximale Signal, das mit einer 90°-Anregung verbunden ist, und vergleichen Sie die Spannung/Leistung mit den Ergebnissen des QC-Scans.
   2. Bewerten Sie die Xenonspule.
      1. Bereiten Sie einen kleinen Beutel Xenon vor und messen Sie die Polarisation an der Messstation.
      2. Bilde den Beutel mit einem einfachen 2D-GRE-Scan auf einem HP ¹²⁹Xe-Beutel mit den folgenden Parametern ab: höherer Kippwinkel von 90° (passen Sie die Impulsdauer bei Bedarf an, da die Impulsdauer die Sendebandbreite [BW] bestimmt), verwenden Sie die Referenzspannung basierend auf der vorherigen QC eines Phantoms, ein hohes Sichtfeld und ein niedriges BW, während die Basisauflösung niedrig bleibt.
      3. Messen Sie die Polarisation erneut an der Messstation. Wenn die Polarisation nicht signifikant abnimmt, deutet dies auf ein potenzielles Problem mit dem Sender oder Verstärker der Xenonspule hin.
         ANMERKUNG: Das Polarisationsniveau erfährt während dieses Prozesses einen allmählichen Abfall aufgrund des T1-Zerfalls, unabhängig vom Erfolg der Anregungsimpulse von der Xenonspule. Daher wird ein hoher FA von 90° empfohlen, um einen ausreichenden Polarisationsabfall zu beobachten, der durch den Anregungsimpuls verursacht wird, um ein Problem mit der Funktionalität des Xenonspulensenders auszuschließen. Wenn die Polarisation deutlich abnimmt, aber kein Signal im Bild erkannt wird, liegt ein Problem mit dem Xenon-Spulenempfänger vor.
   3. Umfassende Analyse
      1. Analysieren Sie sowohl den k-Raum als auch die Bildraumdaten, um Anomalien oder Inkonsistenzen zu untersuchen.
      2. Vergleichen Sie die erfassten Daten mit früheren Scans oder Referenzdaten, um mögliche Unterschiede oder Abweichungen zu identifizieren.
6. Diskretisierung der Daten
   1. Überprüfen Sie, ob die Daten diskretisiert sind (Abbildung 6).
      HINWEIS: Wenn Spulenspannungen vom Scanner-Spektrometer aufgezeichnet werden, werden sie auf geeignete Pegel verstärkt, um sicherzustellen, dass der volle Dynamikbereich des Spektrometers genutzt wird und die höchste Genauigkeit erreicht wird. Das Signal wird zeitlich entsprechend der Auslesebandbreite diskretisiert, die umgekehrt proportional zur Verweilzeit des Datenpunkts ist, und die aufgezeichneten analogen Spannungswerte werden in diskrete Signal-"Bins" digitalisiert, die durch die Bittiefe des Spektrometers bestimmt werden. Für die korrekte Verstärkung des eingehenden Signals, um die volle Bittiefe zu erreichen, muss der Benutzer die korrekten Werte für Spulenspannung/Verstärkung/Skalierung angegeben haben. Bei einigen Scannern ist ein bildgebender Scan nicht zulässig, bis Präparationsimpulse mit der Zielfrequenz durchgeführt werden - ein Prozess, der bei hyperpolarisierten Studien vermieden werden muss, da die zusätzliche HF die Polarisation reduziert und die Atemanhaltezeit erhöht. Wenn das Spektrometer nicht richtig kalibriert ist oder das Signal nicht ausreichend verstärkt, können die aufgezeichneten Daten grob diskretisiert sein - nur ein kleiner Prozentsatz der Amplitudenabschnitte ist mit digitalisierten Datenpunkten gefüllt. Die Diskretisierung von Daten kann sich auch auf den Informationsgehalt auswirken, indem sie zu Quantisierungsfehlern und dem Verlust feiner Details führt. Die Diskretisierung von Daten kann auch zu Artefakten führen, das Signal-Rausch-Verhältnis beeinträchtigen und die Fähigkeit zur genauen Analyse physiologischer Veränderungen einschränken. Wichtig ist, dass die grobe Diskretisierung von k-Space-Daten die Produktion eines scheinbar zufriedenstellenden Bildes nicht verhindern darf (Abbildung 6).
   2. Optimieren Sie die Erfassungsparameter und setzen Sie geeignete Rekonstruktionsalgorithmen ein, um die Datendiskretisierung zu reduzieren.
   3. Verbessern Sie die Hardware und nutzen Sie Techniken wie höhere Abtastraten, fortschrittliche Interpolationsmethoden und Strategien zur Rauschunterdrückung, um die negativen Auswirkungen der Datendiskretisierung abzumildern.

Representative Results

Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse der Rauschcharakterisierungsanalyse, die auf dem Rauschscan durchgeführt wurde. Das Diagramm zeigt die Auswirkungen von regelmäßigem und unregelmäßigem Rauschen auf den k-Raum, in dem die Abweichung von der idealen y=x-Referenzlinie beobachtet wird. Regelmäßiges Rauschen führt zu einem kontinuierlichen Muster im k-Raum, während unregelmäßiges Rauschen zu hochwertigen Ausreißern im QQ-Diagramm führt.

In Abbildung 5 ist eine Reihe von Lungenbildern dargestellt, die mit HPG-MRT aufgenommen wurden. In der oberen Reihe sind Beispiele aus dem Bildraum zu sehen, darunter ein Referenzscan, ein Lungenbild, das von regelmäßigem und/oder unregelmäßigem Rauschen beeinflusst wird, und ein Bild ohne Signal. In der unteren Zeile werden die entsprechenden k-Raummodul-Darstellungen angezeigt.

In Abbildung 5A ist ein deutlicher heller Fleck im k-Raum zentriert, was auf ein klares Lungensignal mit geringem Rauschen hinweist. Umgekehrt zeigt Abbildung 5B das Vorhandensein von regelmäßigem Rauschen (Gauß'sches Rauschen), das über die Bilder verteilt ist. In Abbildung 5C ist ein unregelmäßiges Rauschen zu erkennen, das zu hochwertigen Spitzen im k-Raum und zu einem Streifenmuster im Bildraum führt. Abbildung 5D zeigt ein Szenario, in dem sowohl regelmäßige als auch unregelmäßige Geräusche gleichzeitig vorhanden sind, die das Lungenbild beeinträchtigen. Schließlich stellt Abbildung 5E einen Fall dar, in dem kein Signal in dem aufgenommenen Lungenbild detektiert wird.

Abbildung 6 zeigt eine Instanz der groben Datendiskretisierung im Vergleich zu ordnungsgemäß skalierten k-Raum-Daten. Bei der Berechnung des SNR wird deutlich, dass die diskretisierten Daten einen niedrigen Signalpegel aufweisen.

Abbildung 1: Illustration zur Erstellung eines Xenon-Phantoms. Der Druckbehälter wird in eine kleine Menge flüssigen Stickstoffs gelegt, um das Xenon bei etwa -203,15 °C (70 K) gefrieren zu lassen. Ein Beutel mit ¹²⁹Xe wird direkt an das Gefäß angeschlossen. Wenn das Xenon in das Gefäß diffundiert, gefriert es beim Berühren der kalten Wände und erzeugt eine gefrorene, schneeähnliche Struktur. Nach dem vollständigen Einfrieren wird der Behälter versiegelt und das Xenon kann auftauen, was zu einem erhöhten Druck im Behälter führt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Anordnung für die Spektroskopie. (A) 129-Xenon-Phantom zwischen zwei Protonenphantomen, die alle von einer 129-Xe-Spule umschlossen sind. (B) Befestigen Sie die Spule der Xenon-Weste mit Gurten. (C) Setzen Sie die Baugruppe zur Lokalisierung in die Bohrung des Magneten ein. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Signalantwort in Abhängigkeit von variabler Bandbreitenanregung bei konstanter Xenonfrequenz (34.081.645 Hz). Eine Erhöhung der Bandbreite führt zu einem höheren Grundrauschen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Drei Arten von Rauschscans: akzeptables, regelmäßiges und unregelmäßiges Rauschen. (A) Panel A zeigt die k-Raummodul-Darstellung jedes Rauschmusters, wobei normales Rauschen ein Streifenmuster aufweist und unregelmäßiges Rauschen Spitzen (helle Flecken) aufweist. (B) Histogramm der Real- und Imaginärteile der k-Raum-Daten für jeden Rausch-Scan. (C) Das QQ-Diagramm der realen/imaginären Komponenten von k-Raum-Daten, wobei der erfasste Datensatz mit einem normalverteilten Datensatz mit gleichem Mittelwert und Standardabweichung in aufsteigender Reihenfolge verglichen wird. Die rote Linie stellt die y = x Referenzlinie dar. Abweichungen von dieser Linie weisen auf das Vorhandensein von nicht-Gaußschen Komponenten in den erfassten Daten hin. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Illustration verschiedener Rauschmuster in der HPG ¹²⁹Xe-Lungenbildgebung. In der oberen Zeile werden Beispiele für den Bildraum angezeigt, darunter ein Referenzscan, ein Lungenbild mit regelmäßigem und/oder unregelmäßigem Rauschen und ein Bild ohne Signal. Die untere Zeile zeigt die entsprechenden k-Raummodul-Darstellungen. Im Bild mit dem Signal ist ein heller Fleck im k-Raum zentriert, der das Lungensignal darstellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 6: Illustration des Effekts von hoher/niedriger digitaler Präzision in ¹²⁹Xe-Testbeutel-rekonstruierten Daten. Für das Bild mit hoher digitaler Präzision (obere Reihe) hat das Bild ein hohes SNR von 600, und der Modul der 55^. Reihe des K-Raums zeigt eine glatte Kurve, die feine Details der Daten zeigt. Im Bild mit niedriger digitaler Genauigkeit (untere Reihe) werden jedoch einzelne Datenpunkte auf eine begrenzte Anzahl digitaler Pegel "geteilt", die den Signalbereich abdecken, was zu einem reduzierten SNR (SNR = 98) im rekonstruierten Bild führt. Dieses Problem kann nur durch eine sorgfältige Untersuchung der Rohsignaldaten identifiziert werden, da es die Produktion eines scheinbar zufriedenstellenden Bildes nicht verhindert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Die Fähigkeit, ¹²⁹Xe-MRT-Probleme zu beheben, ist eine notwendige Fähigkeit und kann dazu beitragen, Probleme in Echtzeit zu beheben. Bis eine hyperpolarisierte Gasinfrastruktur von einer einzigen Partei erworben und von den Scannerherstellern unterstützt werden kann, liegen diese Aufgaben der Qualitätskontrolle in der alleinigen Verantwortung der einzelnen Labore. Das Ziel dieses Manuskripts ist es, dem Leser hilfreiche Praktiken und Vorschläge für den unvermeidlichen Fall einer schlechten Datenerfassung an die Hand zu geben. Während wir versuchen, so viele potenzielle Probleme wie möglich zu lösen, sind viele andere Herausforderungen bei ^{der 129}Xe-MRT spezifisch für den Scannerhersteller und können aufgrund von Einschränkungen des geistigen Eigentums nicht im Detail besprochen werden. Das ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium, eine Gemeinschaft mit dem ausdrücklichen Ziel, Studien an mehreren Standorten mit ¹²⁹Xe MRT zu entwickeln, besteht jedoch aus vielen Standortteilnehmern und erfahrenen Experten mit Erfahrung in der Operationalisierung von ¹²⁹Xe MRT auf mehreren Plattformen und Software¹⁷. Es wird empfohlen, sich bei Fragen zur Implementierung und/oder Fehlerbehebung, die hier nicht behandelt werden, an einen der Teilnehmer der Website zu wenden.

Regelmäßige Leistungsüberprüfungen der Spule sollten durchgeführt werden, um frühzeitig Anzeichen für einen Signalabfall oder auftretende Rauschprobleme zu erkennen. Diese Überprüfungen umfassen die Untersuchung der Spulenschnittstelle und der internen Verbindungen sowie die Bewertung der möglichen Auswirkungen von Stürzen oder übermäßigem Gewicht auf die Spule. Zusätzlich zu den physischen Inspektionen kann der häufige Vergleich der Spektroskopie-Scans dazu beitragen, Probleme mit der Leistung der Spule zu identifizieren. Da die multinukleare Funktionalität des MRT-Systems eine gemeinsame Komponente mit der Protonenanlage ist, sollten alle neu eingeführten Geräte oder Geräte im magnetischen Raum getestet werden, um mögliche Interferenzen in der Xenon-Frequenz zu vermeiden. Zusätzlich zu den technischen Überlegungen sollte bei den experimentellen Verfahren auf Details geachtet werden. Dazu gehören ein effektives Coaching der Probanden, die Sicherstellung einer klaren Kommunikation mit den Studienkoordinatoren und die präzise Positionierung des Xenon-Beutels während der QC-Scans. Diese scheinbar unbedeutenden Details sollten nicht übersehen werden, da sie die Bildqualität und die Gesamtergebnisse der Studie erheblich verbessern können.

Das in diesem Artikel vorgestellte Protokoll bietet Forschern einen umfassenden Rahmen, um potenzielle Probleme während des Bildgebungsprozesses zu identifizieren und zu beheben. Durch die systematische Befolgung der Schritte zur Fehlerbehebung können Forscher die Bildqualität optimieren, die Datengenauigkeit verbessern und das Gebiet der hyperpolarisierten Xenon-MRT weiterentwickeln. Die kontinuierliche Verfeinerung und Anpassung dieser Fehlerbehebungsstrategien in Verbindung mit Fortschritten in der Bildgebungstechnologie wird zu weiteren Verbesserungen der Qualität und Zuverlässigkeit von hyperpolarisierten Xenon-MRT-Studien beitragen.

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