פתרון בעיות ואבטחת איכות בדימות תהודה מגנטית קסנון היפר-מקוטב: כלים לרכישת תמונה באיכות גבוהה

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לקבלת תמונות תהודה מגנטית באיכות גבוהה מסוג קסנון היפרפולרי, המכסה חומרה, תוכנה, רכישת נתונים, בחירת רצפים, ניהול נתונים, ניצול מרחב k וניתוח רעשים.

Abstract

דימות תהודה מגנטית קסנון היפרפולרי (HP) (¹²⁹Xe MRI) הוא שיטת הדמיה שאושרה לאחרונה על ידי מנהל התרופות הפדרלי (FDA) המפיקה תמונות ברזולוציה גבוהה של נשימה בשאיפה של גז קסנון לחקר תפקוד הריאות. עם זאת, יישום ¹²⁹Xe MRI הוא מאתגר במיוחד מכיוון שהוא דורש חומרה וציוד מיוחדים להיפרפולריזציה, רכישת סלילי הדמיה קסנון ותוכנת סלילים, פיתוח והידור של רצפי דימות MR רב-גרעיניים, ושחזור/ניתוח של נתונים שנרכשו. ללא מומחיות מתאימה, משימות אלה יכולות להיות מרתיעות, וכישלון בהשגת תמונות באיכות גבוהה יכול להיות מתסכל ויקר. כאן, אנו מציגים כמה פרוטוקולי בקרת איכות (QC), שיטות פתרון בעיות וכלים מועילים עבור¹²⁹אתרי MRI Xe, שעשויים לסייע בהשגת נתונים אופטימליים באיכות גבוהה ותוצאות מדויקות. הדיון יתחיל בסקירה כללית של התהליך ליישום HP ¹²⁹Xe MRI, כולל דרישות למעבדת היפרפולרייזרים, שילוב חומרה/תוכנה של סליל MRI ¹²⁹Xe, שיקולי איסוף נתונים ורצף, מבני נתונים, מאפייני מרחב k ותמונה ומאפייני אות ורעש שנמדדו. בתוך כל אחד מהשלבים ההכרחיים הללו טמונות הזדמנויות לשגיאות, אתגרים והתרחשויות שליליות המובילות לאיכות תמונה ירודה או הדמיה כושלת, ומצגת זו נועדה לטפל בכמה מהבעיות הנפוצות יותר. בפרט, זיהוי ואפיון של דפוסי רעש חריגים בנתונים שנרכשו נחוצים כדי למנוע תוצרי תמונה ותמונות באיכות נמוכה; יינתנו דוגמאות, ויידונו אסטרטגיות מיתון. אנו שואפים להפוך את תהליך היישום של ¹²⁹Xe MRI לקל יותר עבור אתרים חדשים תוך מתן כמה הנחיות ואסטרטגיות לפתרון בעיות בזמן אמת.

Introduction

במשך יותר ממאה שנה, הערכת תפקודי ריאות הסתמכה בעיקר על מדידות גלובליות מספירומטריה ופלטיסמוגרפיה של הגוף. עם זאת, בדיקות תפקודי ריאות מסורתיות אלה (PFTs) מוגבלות ביכולתן ללכוד את הניואנסים האזוריים של המחלה בשלב מוקדם ושינויים עדינים ברקמת הריאה¹. רפואה גרעינית עם רדיוטרייסרים נשאפים נמצאת בשימוש נרחב להערכת אי התאמות אוורור / זילוח הקשורות בדרך כלל לאמבולי ריאתי, אך זה כרוך בקרינה מייננת ומניב רזולוציה נמוכה יותר. לעומת זאת, טומוגרפיה ממוחשבת (CT) התפתחה כתקן הזהב לדימות ריאות, ומציעה בהירות מרחבית וזמנית יוצאת דופן בהשוואה לדימות גרעיני². בעוד שסריקות CT במינון נמוך יכולות להפחית את החשיפה לקרינה, עדיין יש לשקול סיכון פוטנציאלי לקרינה ^3,4. MRI פרוטון של הריאה אינו שכיח עקב צפיפות רקמה נמוכה של הריאה ודעיכת אות מהירה מרקמת הריאה, אם כי ההתקדמות האחרונה מציעה מידע פונקציונלי למרות אות נמוך פוטנציאלי. מצד שני, דימות תהודה מגנטית קסנון היפרפולרי (HP ¹²⁹Xe MRI) הוא שיטה לא פולשנית המאפשרת הדמיה של תפקוד ריאות עם ספציפיות אזורית ^5,6. הוא מייצר מגנטיזציה גרעינית גבוהה של הגז בכמויות של ליטר. לאחר מכן הגז האינרטי נשאף על ידי נבדק בתוך סורק MR למשך נשימה אחת והוא מצולם ישירות על ידי הסורק. לפיכך, הגז הנשאף מצולם ישירות בניגוד לרקמה עצמה. טכניקה זו שימשה להערכת אוורור ריאות במחלות רבות, כולל אסטמה, מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD), סיסטיק פיברוזיס, פיברוזיס ריאתי אידיופתי, מחלת קורונה 2019 (COVID-19), ועוד^{רבים אחרים 3}. בדצמבר 2022, HP ¹²⁹Xe MRI אושר על ידי ה- FDA האמריקאי כחומר ניגוד אוורור MRI לשימוש בארצות הברית (ארה"ב) במבוגרים ובילדים בגילאי 12 שנים ומעלה⁷. רופאים יכולים כעת להשתמש ב- ¹²⁹Xe MRI כדי לטפל טוב יותר בחולים עם תוכניות טיפול משופרות / מותאמות אישית.

מבחינה היסטורית, MRI קליני מתמקד אך ורק בהדמיה של גרעיני מימן (פרוטונים) הנמצאים בשפע כמעט בכל הקרביים האנושיים. סורקי MRI, רצפים ובקרת איכות מתוחזקים בדרך כלל על ידי יצרן הסורק כחלק מרישיון האתר והאחריות. עם זאת, ¹²⁹Xe דורש סורק MR רב-גרעיני ודרש צוות מחקר ייעודי כדי להפעיל את ההיפרפולרייזר, סלילי גלי רדיו (RF) מותאמים אישית, רצפי פולסים ייעודיים ותוכנת שחזור/ניתוח לא מקוונת. כל אחד מהרכיבים הללו יכול להיות מסופק על ידי ספקי צד שלישי או מפותח בתוך החברה. לפיכך, נטל בקרת האיכות מוטל בדרך כלל על צוות המחקר של ¹²⁹Xe ולא על יצרן הסורק או צד שלישי בודד. רכישה עקבית של נתוני ¹²⁹Xe באיכות גבוהה היא אפוא מאתגרת באופן ייחודי, שכן כל רכיב בתהליך ¹²⁹Xe MRI מציג את הפוטנציאל לטעות, אשר חייב להיות במעקב צמוד על ידי צוות ¹²⁹Xe. לא רק שמצבים אלה יכולים להיות מתסכלים מאוד מכיוון שהחוקרים צריכים לפתור ולחקור סיבות אפשריות לכל אתגר שעשוי להתעורר, אלא שהם יכולים להיות יקרים מאוד מכיוון שזה מאט את הדימות של המטופלים ואת גיוס הנבדקים. חלק מהעלויות הכרוכות בפתרון בעיות כרוכות בעלויות זמן MRI, היפרפולריזציה של ¹²⁹Xe, הכוללת צריכת גזים שונים, ושימוש בחומרים. בנוסף, עם אישור ה- FDA האחרון והצמיחה בהדמיה ^{של 129}Xe, יש צורך במתן פרוטוקול סטנדרטי לבקרת איכות כדי למנוע בעיות נפוצות ועיכובים בפעולת ¹²⁹Xe ^8,9.

כאן, אנו מציגים כמה מהבעיות הנפוצות ביותר ב- ^{MRI 129}Xe, כולל כשלים בסליל RF, הופעתם של פרופילי רעש שונים המובילים ליחס אות לרעש נמוך (SNR), ותמונות באיכות ירודה¹⁰. אנו שואפים לספק כמה הנחיות ופרוטוקולים תמציתיים לבקרת איכות (QC) כדי להבטיח רכישה של נתוני תמונה באיכות גבוהה ולפתור כמה מהבעיות הנפוצות יותר שעלולות להתעורר ב- ¹²⁹Xe MRI. התובנות המובאות כאן רלוונטיות גם לפתרון בעיות בהליום-3 היפרפולרי.

Protocol

הפרוטוקול המתואר להלן עומד בהנחיות ובסטנדרטים שנקבעו על ידי ועדת האתיקה של המחקר האנושי באוניברסיטת מיזורי, ומבטיח את ההתנהגות האתית של המחקר ואת ההגנה על זכויות המשתתפים, בטיחותם ורווחתם.

הערה: כדי להבטיח את האמינות והדיוק של מחקרי MRI קסנון היפרפולרי, חיוני לבצע אפיון קפדני של תמונות שנרכשו, לעקוב אחר פרוטוקול מקיף ולהשתמש באסטרטגיות פתרון בעיות יעילות. מפגש ההדמיה כולל מספר שלבים: היפרפולריזציה של גזים, תקשורת סליל / סורק ¹²⁹Xe, ספקטרוסקופיית ¹²⁹Xe, השגת נתונים, שחזור נתונים וניתוח תמונה. הפרוטוקול מתחיל בדיון מפורט בשלבים אלה ומדגיש את אמצעי הזהירות הדרושים ואת אסטרטגיות פתרון הבעיות כדי לייעל את תהליך ההדמיה. על ידי ביצוע הליכים אלה ושילוב אסטרטגיות פתרון בעיות של מומחים, חוקרים יכולים לייעל את תהליך ההדמיה ולהתגבר על אתגרים שעלולים להתעורר במהלך מחקרי MRI קסנון היפרפולרי. לאחר מכן נתייחס לנוהלי פתרון בעיות נפוצים שעשויים להתעורר במספר מקרים של נתונים לא אופטימליים.

1. שלבים עיקריים למחקר מקיף של HPG MRI

כאן הצגנו סקירה קצרה של תהליכים המעורבים בסשן הדמיה טיפוסי של ¹²⁹Xe היפרפולרי. המלצות פרוטוקול מפורטות מקונסורציום ¹²⁹הניסויים הקליניים Xe ניתנות ב- Niedbalski et ^al.11.

1. ¹²⁹היפרפולריזציה Xe
   1. ודא שההיפרפולרייזר ¹²⁹Xe מוגדר ופועל בהתאם להנחיות היצרן או פרוטוקולים ספציפיים למעבדה עבור מקטבים בהתאמה אישית.
   2. בצע מדידות הרפיה מסוג T1 באמצעות טכניקת התהודה המגנטית הגרעינית (NMR) על מדגם מייצג של גז HP ¹²⁹Xe בתחנת המדידה של HP. בשדה יציב של 30 mT, קסנון בשקית מינון גז 1 L צריך להיות T1 של > 45 דקות.
      הערה: לאחר השלמת מדידת הקיטוב, יש לשמור את שקית המינון HP ¹²⁹Xe בתוך השדה המגנטי של תחנת המדידה של HP כדי לשמור על הקיטוב שלה עד שהיא מוכנה להובלה לסורק MR. הקיטוב יתפורר לפי¹²,
      (1.1)
      כאשר P(t) הוא קיטוב בזמן t, P₀ הוא קיטוב התחלתי, ו-T₁ הוא קצב דעיכת המגנטיזציה (ללא התחשבות בהפסדי קיטוב עקב עירור).
2. מדידת אובדן קיטוב כתוצאה מהובלת גז
   1. הקפידו על מסלול ישיר ויעיל מנקודת איסוף הקסנון לחדר המגנט שבו תתבצע ההדמיה.
   2. צמצם את כל העיכובים במהלך הובלת הקסנון של HP כדי לשמור על הקיטוב, מכיוון שהקיטוב ידעך במהירות ברגע שהמינון יהיה מחוץ לשדה המגנטי משמר T1. אם הקיטוב פוחת ב-20% או יותר במהלך ההובלה, השתמשו במזוודה עם מיגון מגנטי.
   3. הימנע מאותות RF חיצוניים לאורך נתיב התחבורה (למשל, קורא כרטיסים, לייזר, לוח נירוסטה וכו '), מכיוון שהם יכולים לתרום לאובדן קיטוב.
   4. מדוד את המינון המקביל (DE) הראשוני של גז HP ¹²⁹Xe לפני ההובלה. DE ניתן על ידי ¹¹,
      (1.2)
      כאשר f₁₂₉ הוא החלק האיזוטרופי של ¹²⁹Xe, P₁₂₉ הוא קיטוב ספין גרעיני ¹²⁹Xe, ו-V_Xe הוא הנפח הכולל של גז קסנון.
   5. העבירו את הגז מתחנת המדידה אל בור המגנט, ואז חזרו באותו מסלול לתחנת הפולרימטריה. מדוד DE שוב לאחר הנסיעה הלוך ושוב כדי לכמת את אובדן האות הצפוי במהלך הובלת הגז. אם לא יפריעו אותות RF נוספים לאורך נתיב התחבורה, הקיטוב המשוער יעקוב מקרוב אחר עקומת הדעיכה T1 המתוארת במשוואה 1.1.
3. סליל רב-גרעיני (¹²⁹Xe MRI)
   1. מקם את סליל ¹²⁹Xe כראוי במגנט כדי להבטיח התמצאות נכונה. אם משתמשים בסליל מרובע, הימנעו מעירור אנטי-ריבועי, מכיוון שהוא עלול לגרום לנשירת אות משמעותית במרכז נפח ההדמיה.
      הערה: סליל קסנון צריך להכיל מגוון רחב של גדלי חזה כדי להתאים לשינויים בכוונון/העמסת סליל בין נבדקים ובמהלך שלבי נשימה שונים, מה שמוביל לזוויות היפוך משתנות בין הסריקות.
   2. צור חיבור פיזי מאובטח בין תקע הסליל למערכת MR דרך השקע הייעודי והגדר את תוכנת הסליל כך שתציין את הגרעינים המותרים (¹²⁹Xe במקרה שלנו).
   3. חלק את תדר תהודת הפרוטונים המאופיין היטב בסורק MR ב- 3.61529 כדי לקבל את תדר הקסנון¹¹.
   4. אפיון פרמטרי הסליל (משרעת שידור מקסימלית, משרעת ייחוס משדר, קצב ספיגה ספציפי- SAR).
4. מדידת ספקטרוסקופיית Xe ¹²⁹
   1. צור פנטום 129 קסנון מקוטב תרמית.
      1. חבר כלי לחץ מזכוכית לשקית מלאה בגז קסנון כדי להבטיח גודל שקית מתאים ונפח קסנון כדי ליישר קו עם קיבולת הכלי.
      2. השקיעו את כלי הלחץ בכמות קטנה של חנקן נוזלי (LN₂) כדי לאפשר דיפוזיה והקפאה של קסנון (ראו איור 1).
      3. אטמו את הכלי לאחר שקסנון יצר שלג קפוא בפנים, ואז אפשרו לו להפשיר, תוך הפעלת לחץ על הכלי. חשב את הלחץ בכלי השיט: P = (_כלי V +_שקית V)/V_{כאשר כלי} V הוא נפח הכלי_ושקית V היא נפח הקסנון בשקית.
         הערה: שלא כמו שקיות גז היפרפולריזציה (HPG), כלי הדם ¹²⁹Xe המקוטב תרמית אינו צריך להיות מטוהר מחמצן או ואקום מפונה מכיוון שהחמצן הנוסף יפחית את הקסנון T₁ - השפעה חיובית בפנטום המקוטב תרמית. כמו כן, חשוב לוודא כי לחץ הגז בכלי לא יעלה על מגבלת הלחץ המוצהרת של היצרן. עם פנטום של גז Xe ¹²⁹, ניתן למדוד את תדר הקסנון בקונסולת MRI. פנטום קסנון מסחרי לאבטחת איכות זמין גם כן¹³.
   2. זהה את תדר השיא עם פנטום קסנון מקוטב תרמית.
      1. הכניסו את פנטום הקסנון לתוך סליל ¹²⁹Xe ומקמו אותו בדומה לזה של מטופל טעון, מאחר שהבדלים בגיאומטריית הסליל יכולים לשנות באופן משמעותי את ה-B1 המועבר לפנטום (איור 2).
         הערה: מומלץ להעמיס גם פנטום מים מתאים כדי לטעון כראוי את הסליל.
      2. בצע סריקה בתדר פרוטונים, מכיוון שסורקים מסוימים עשויים שלא לאפשר סריקות רב-גרעיניות ללא לוקלייזר ראשוני של תדר פרוטון.
      3. השתמש בפולס שידור בפס רחב (אם זמין), ברוחב פס גבוה ובניסוי קריאה ברזולוציה גבוהה כדי לזהות במדויק את שיא תדר הקסנון. פולס פס רחב יעורר טווח גבוה של תדרים, ויבטיח שניתן יהיה לזהות את NMR הקסנון.
      4. ברגע שמזוהה שיא מוגדר היטב, הקלט את התדר בדיוק מלא וחזור על הניסוי בתדר החדש עם רוחב פס נמוך (~1000 הרץ) כדי למקסם את יחס האות לרעש (SNR) ואת דיוק תדר השיא (איור 3).
      5. ברגע שמתגלה שיא משביע רצון בעל אות גבוה, שמור את הפרוטוקול לבדיקות QC עתידיות.
         הערה: המיקום הגיאומטרי המדויק של הסליל בסורק מספק סריקת ספקטרוסקופיה בסיסית, שניתן לשכפל בעתיד כדי לזהות בעיות חירום אם SNR נראה להחמיר. ניתן לצלם ישירות את הפנטום עצמו, אם כי ייתכן שיידרשו רכישות מרובות כדי לבנות מספיק אות לשחזור תמונה וייתכן שלא יספק הערכה הוגנת של SNR בר השגה מכיוון שזוויות היפוך גבוהות יותר נדרשות בדרך כלל. שקית מוכנה של קסנון היפרפולרי היא האפשרות הטובה ביותר לבדיקת פרוטוקול ההדמיה הרצוי עם פרמטרים של הדמיה in vivo .
5. הדמיה HP ¹²⁹Xe עם תיק בדיקה
   1. השתמש בכמות קטנה של HP ¹²⁹Xe (>300 מ"ל) להדמיה, מרוכזת היטב וללא חמצן.
   2. מדוד את ¹²⁹Xe DE במדויק מיד לפני ההדמיה.
   3. הגדר את פרוטוקול ההדמיה של הבדיקה כך שישקף את הפרמטרים הרצויים in vivo קרוב ככל האפשר¹¹.
   4. רכוש ושמור את התמונה של שקית הקסנון כמדד בסיסי לביצועי הסורק.
   5. מדוד והקלט את ה- SNR של התמונות שנרכשו לצד כל פרמטרי הסריקה ו- XENON DE. ה-SNR המקובל עבור סריקת GRE דו-ממדית עשוי להשתנות בהתאם לאתר, אך בדרך כלל הוא צריך להיות בסביבות 30 ומעלה, עם סף מינימלי של 15 לניתוח תמונה עוקב¹¹.
   6. למדידת זווית היפוך (FA), α, בצעו סריקת הד הדרגתי מקולקל בנפח מלא, שבה FOV מצולם פעמיים ברציפות (עם FA ≈ 8-10°), תוך שימוש בפרמטרי רצף זהים וללא רווח בין סוף התמונה הראשונה לתחילת השנייה. מדוד את ה- SNR בהסטת DC של שתי התמונות, S0 ו- S1, ספור את מספר שלבי קידוד הפאזה, n, וחשב את מפת זווית ההיפוך באופן הבא ¹⁴:
      (1.3)
      הערות: פרמטרים נפוצים עבור in vivo HP ¹²⁹Xe MRI, כמו גם שיטת כיול זווית היפוך מסובכת יותר אך מדויקת ביותר (multi-shot pulse/purchase experiment), ניתנים ב- Niedbalski et ^al.11.
6. In vivo הדמיה HP ¹²⁹Xe
   1. ספק הדרכה מתאימה לנבדק לגבי טכניקות עצירת נשימה ואפשר לנבדק לתרגל את הליך השאיפה באמצעות שקית אוויר לפני הצגת שקית HP ¹²⁹Xe.
   2. הנחו את הנבדק לבצע סדרה של נשימות פנימה והחוצה עם אוויר החדר, ולאחר מכן שאיפה עמוקה של גז HP ¹²⁹Xe, עצירת נשימה והתחלת הסריקה (שיטה נפוצה). עקוב מקרוב אחר תנועת החזה של הנבדק כדי לוודא שהנשימה נשארת מסונכרנת עם ההוראות שסופקו.
      הערה: שיטות אימון שונות משמשות כיום להליכי עצירת נשימה, ונייר קונסורציום עתידי צפוי לבסס הצהרת קונצנזוס על כך.
   3. השתמש אטבים לאף כדי למנוע שאיפת האף של הגז במהלך עצירת נשימה.
   4. לאחר הדמיית עצירת נשימה, מאמנים את הנבדקים לקחת נשימות עמוקות כדי להסיר קסנון מהריאות ולפתור תופעות לוואי זמניות¹¹.
   5. עבור אלה המחפשים הדמיית קסנון בשלב מומס, להיות מודעים לכך נפח שאיפת הנושא עשוי להשפיע על הנתונים שנרכשו שלב מומס באופן משמעותי¹⁵.
7. שחזור וניתוח נתונים
   1. ייצא נתונים 'גולמיים' מהסורק, בדרך כלל בצורה של רשימה של נתונים מורכבים לפי סדר רכישת הקריאה.
   2. עבור מסלולי k-space שנרכשו באופן רקטילינארי, כל נקודת נתונים מרוכבת מתאימה לתדר שלם במרחב k דו-ממדי (2D) או תלת-ממדי (3D). בנו מחדש את התמונה באמצעות המרת פורייה פשוטה ומהירה (FFT) למסלולים ישרים.
   3. עבור מסלולים לא ישרים (לדוגמה, נתונים רדיאליים או ספירליים), בצע 'רשת' נתונים כדי לבצע אינטרפולציה או לסובב נתונים מורכבים לסלים שלמים לפני ה- FFT הבא. בדוק את הנתונים לפני ביצוע רשת, במידת הצורך, כדי להבטיח דיוק ולהימנע מתוצרים פוטנציאליים.
      הערה: FFT של נתוני מרחב k גולמיים עשוי להפיק תמונות דומות אך לא זהות לתמונות DICOM ששוחזרו על-ידי סורק, מאחר שהסורק מתקן תמונות משוחזרות נוספות בהתבסס על אי-ליניאריות ידועה בהתנהגות מעבר צבע. השפעות אלה הן בדרך כלל קטנות, אך הן יכולות להיות בולטות יותר בקצוות נפח ההדמיה של הסורק, במיוחד כאשר איברים גדולים כמו ריאות מצולמים. מומלץ להשתמש בתמונה המשוחזרת בסורק (אם קיימת) לעיבוד שלאחר העיבוד.

2. שלבים לפתרון בעיות

הערה: בעוד שהפרוטוקול תיאר כמה הליכי בקרת איכות (QC) ב- MRI ¹²⁹Xe היפרפולרי, ייתכן שיהיה צורך בפתרון בעיות עקב בעיות חירום, אנומליות ואתגרים. שגיאות או טעויות בתהליך יכולות להשפיע על השלבים הבאים, להשפיע על השלבים הבאים ולהוביל לבעיות כגון תמונות חסרות או באיכות נמוכה עם עוצמת אות נמוכה, רמות רעש גבוהות או אובדן אות מלא. כדי להתמודד עם אתגרים אלה, יש להשתמש בגישות אסטרטגיות כדי לזהות ולחקור את הבעיות בפירוט.

1. הכנת שקית מינון HP ¹²⁹Xe עבור QC
   1. בזהירות לחלוט כמות מדויקת של גז קסנון עבור שקית קסנון הבקרה, לשים לב כל חנקן מעורבב עם זה.
   2. דמיינו את שקית הקסנון בסורק MRI ובצעו מדידות קיטוב מדויקות לפני ואחרי ההדמיה להשוואות אמינות.
   3. השתמש באותו רצף הדמיה עבור כל סריקות QC כדי להקל על השוואות אמינות.
   4. שים לב לערכי קסנון DE לפני ואחרי ביצוע כל סריקות QC כדי לאפשר השוואות עתידיות.
2. אפיון רעש מערכתי
   1. צור פרופיל רעש בקרה למטרות QC. השתמש ברצף GRE דו-ממדי מותאם אישית ספציפי הכולל שדה ראייה גבוה (FOV; 400-500 מ"מ) כדי ללכוד את האות המרבי מהאזור, רוחב פס גבוה לפיקסל (המרבי הזמין או לפחות >50 קילוהרץ) כדי לזהות תהודות רעש קרובות, וזמן החזרה (TR) וזמן ההד (TE)¹¹ הנמוך ביותר האפשרי^{, 13}. רכוש את QC עבור פרופיל רעש באמצעות אפוד קסנון או סליל לולאה.
   2. השג תמונה ללא דגימה (HP ¹²⁹Xe) בסליל. תמונה זו תאפיין את פרופיל הרעש.
   3. בחן את נתוני הרעש שנרכשו, במיוחד את מרחב k, עבור אלמנטים שאינם גאוסיים כגון קוצים, תבניות או ערכים דיסקרטיים/מאוגדים.
   4. צור תרשים QQ על ידי התוויית הנתונים הממשיים/דמיוניים שנרכשו כנגד מערך נתונים גאוסיאני מסונתז (עם פונקציית יצירת מספרים אקראיים מתאימה) עם ממוצע זהה, סטיית תקן ואורך וקטורי, שניהם מסודרים מהקטן ביותר לגדול ביותר. סטיות מהקו y = x בתרשים QQ מצביעות על נוכחותם של רכיבים שאינם גאוסיים בתוך הנתונים שנרכשו, ודורשים חקירה נוספת. (איור 4).
      הערה: תרשים כמותי-כמותי (תרשים QQ) יכול לספק תובנות לגבי האפשרות ששתי ערכות נתונים מציגות התפלגויות דומות. השוואת הנתונים עם מערך נתונים מבוזר בדרך כלל מאפשרת להעריך אם ההתפלגות היא גאוסיאנית או לא. הפרוטוקול מניח שהחלק האמיתי והדמיוני של מרחב k מתקרב להתפלגות גאוסית בהיעדר מדגם.
   5. זהה את דפוס פיזור הרעש ואת החריגים הפוטנציאליים עם תרשים מתאים לבחירה (השתמש בקריטריון של שובנט במידת הצורך¹⁶).
   6. סווג רעש לסוגים רגילים ולא סדירים בהתבסס על מאפייניו (ראה שלבים 2.3 ו- 2.4).
      הערה: רעש רגיל כרוך בדפוסים המופיעים באופן קבוע בנתוני הקריאה או במרחב k. רעש לא סדיר נראה אקראי יחסית ולעתים קרובות הוא בעל עוצמה גבוהה ללא דפוס תזמון מובחן, אך אינו מדגים פרופיל גאוסיאני, כמו רעש תרמי בלתי נמנע.
3. זיהוי רעשים קבוע
   1. כדי לשלול את הסורק כמקור רעש,רכוש תמונות באמצעות פרוטוקול האתר הסטנדרטי עם פרמטרים שונים של רצף פולסים מושבתים ורכיבים אלקטרוניים כבויים. לדוגמה, אם סליל שיפוע מסוים פולט רעש, יש לכבות את מעברי הצבע לפני הפעלת הסריקה כדי לבחון אם הרעש נפתר.
      הערה: כיבוי מעבר הצבע דורש בדרך כלל גישה מוגברת למסוף הסורק ועשוי לדרוש נוכחות של מהנדס שירות. בסופו של דבר, רצף שבו הספקטרומטר הרב-גרעיני פעיל, אך אין שיפועים מופעלים, ושום RF לא אמור להספיק כדי לקבוע אם בעיית רעש מקורה ברכיבים אלה.
   2. סלקו מקורות רעש מהחדר ולאחר מכן זהו מקורות פוטנציאליים לרעש רגיל.
      הערה: מקורות רעש עשויים לכלול רכיבים אלקטרוניים כגון מזרקי ניגודיות, לחצני קוד, חיישנים, צגי סימנים חיוניים, רכיבי סורק (לדוגמה, לייזר מיקום, מכנואלקטרוניקה למיטה, מאווררים, אורות) או מדריכי גל בין קירות קונסולה/מגנט.
   3. השתמש בסליל לולאת משטח פשוט המכוון לתדר ¹²⁹Xe כדי 'לרחרח' סביב חדר המגנט עבור מקורות רעש. מקם פיזית את אלמנט סליל הקסנון ליד התקנים בעייתיים פוטנציאליים והפעל רצף בדיקה (ראה שלב 2.2.1) כדי לזהות רעש מוגבר.
   4. בדוק את מרחב k ונתוני תמונה כדי לאתר את המקור המדויק לרעש קוהרנטיות.
   5. אם מזוהה מקור מסוים, נסו להשבית אותו או לכסות אותו ברדיד אלומיניום/מהבהב או ברשת נחושת כדי להפחית את הרעש.
   6. הפעל שוב את הסריקה לאחר השבתה או כיסוי של מקורות רעש כדי לראות אם הרעש נפתר. המשך בתהליך זה עד שכל מקורות הרעש יסולקו, והשאר רק רעש גאוסיאני ממוצע שורש נמוך (RMS).
4. זיהוי רעשים חריגים
   1. זהה רעש חריג כ'קוצים' של אות גבוה בפיקסלים בודדים במרחב k עם אותות גבוהים או נמוכים באופן חריג בערוצים האמיתיים או הדמיוניים.
      הערה: קוצים במרחב K יוצרים לעתים קרובות תמונות עם פסים או תבניות 'קורדרוי' (איור 5). נוכחות של ערכים גבוהים או קוצים בנתוני מרחב k יכולה לעתים קרובות להוביל להתרחשות של תבנית פסים במרחב התמונה. תופעה זו קשורה לעתים קרובות לבעיות הקשורות להדרגתיות.
   2. סלקו בעיות פוטנציאליות עם מעברי צבע X, Y או Z על-ידי זיהוי הכיוון האחראי לתבנית הפסים (איור 5). בצע הדמיה בכיווני קידוד פאזה שונים, כולל קדמי לאחורי, ראש לרגל ומשמאל לימין.
   3. בדקו באופן שיטתי את התמונות המתקבלות בכל כיוון כדי לזהות איזה כיוון מעבר צבע מסוים תורם לדוגמת הפסים. במידת הצורך, פנה למהנדס הקליני של האתר כדי להפעיל ולהשבית באופן סלקטיבי שיפועים בודדים, המאפשרים זיהוי המקור של כל דוקרנים לרעש.
5. אין אות
   הערה: כאשר נתקלים במצב שבו לא נצפה אות לאחר הרכישה במחקרי HPG MRI, ניתן לנקוט בגישה שיטתית לפתרון בעיות. הנה כמה המלצות לטיפול בבעיה זו,
   1. אמת את סליל הקסנון ואת החיבור.
      1. ודא שסליל הקסנון נבחר בסורק MRI ומחובר כראוי.
      2. תנועה של המטופל במהלך הסריקה עלולה לגרום לניתוק של הסליל, לכן בדוק היטב את חיבור הסליל.
      3. בדוק אם הדלת של סורק MRI סגורה היטב, כמו דלת פתוחה יכולה לאפשר RF חיצוני לתוך חדר המגנט.
      4. בצע ספקטרוסקופיה על פנטום הקסנון (ראה סעיף 1.4.2) ואמת את גובה שיא הקסנון ואת רצפת הרעש מהספקטרוסקופיה. השתמש בזווית היפוך של 90° כדי להבטיח נוכחות של פסגת קסנון. חשב את האות המרבי המשויך לעירור של 90° והשווה את המתח/הספק עם תוצאות סריקת QC.
   2. הערך את סליל הקסנון.
      1. הכינו שקית קטנה של קסנון ומדדו את הקיטוב בתחנת המדידה.
      2. צלם את התיק עם סריקת GRE דו-ממדית פשוטה בתיק HP ¹²⁹Xe עם הפרמטרים הבאים: זווית היפוך גבוהה יותר של 90° (התאם את משך הדופק במידת הצורך מכיוון שמשך הפולס מכתיב את רוחב הפס של השידור [BW]), השתמש במתח ייחוס המבוסס על QC קודם של פנטום, FOV גבוה ו-BW נמוך, תוך שמירה על רזולוציית בסיס נמוכה.
      3. מדדו שוב את הקיטוב בתחנת המדידה. אם הקיטוב אינו יורד באופן משמעותי, הדבר מצביע על בעיה פוטנציאלית במשדר או במגבר סליל הקסנון.
         הערה: רמת הקיטוב חווה ירידה הדרגתית עקב דעיכת T1 לאורך תהליך זה, ללא קשר להצלחת פעימות העירור מסליל אפוד הקסנון. לכן, מומלץ FA גבוה של 90° כדי לצפות בדעיכת קיטוב מספקת הנגרמת על ידי פולס העירור כדי לשלול בעיה בפונקציונליות משדר סליל הקסנון. אם הקיטוב פוחת באופן משמעותי, אך לא מזוהה אות בתמונה, מסומנת בעיה במקלט סליל קסנון.
   3. ניתוח מקיף
      1. נתח הן את נתוני מרחב k והן את נתוני מרחב התמונה כדי לבחון חריגות או חוסר עקביות.
      2. השווה את הנתונים שנרכשו עם סריקות קודמות או נתוני ייחוס כדי לזהות הבדלים או סטיות פוטנציאליים.
6. דיסקרטיזציה של הנתונים
   1. בדוק אם יש דיסקרטיזציה של נתונים (איור 6).
      הערה: כאשר מתחי סליל נרשמים על ידי ספקטרומטר הסורק, הם מוגברים לרמות מתאימות כדי להבטיח שימוש בטווח הדינמי המלא של הספקטרומטר והשגת הנאמנות הגבוהה ביותר. האות מחולק באופן זמני על פי רוחב הפס הקורא, שהוא ביחס הפוך לזמן השהייה של נקודת הנתונים, וערכי המתח האנלוגי המוקלטים עוברים דיגיטציה ל'פחים' של אותות בדידים הנקבעים על ידי עומק סיביות הספקטרומטר. הגברה נכונה של האות הנכנס כדי להתפרש על פני עומק הסיביות המלא דורשת מהמשתמש לספק ערכי מתח סליל/הגברה/קנה מידה נכונים. בחלק מהסורקים, סריקת הדמיה תיפסל עד לביצוע פעימות הכנה בתדר היעד - תהליך שיש להימנע ממנו במחקרים היפרפולריים מכיוון שה- RF הנוסף יפחית את הקיטוב ויגדיל את זמן עצירת הנשימה. אם הספקטרומטר אינו מכויל כראוי או אינו מגביר כראוי את האות, הנתונים המוקלטים עשויים להיות דיסקרטיים באופן גס - רק אחוז קטן מפחי המשרעת מאוכלסים בנקודות נתונים דיגיטליות. דיסקרטיזציה של נתונים יכולה גם להשפיע על תוכן המידע על ידי הצגת שגיאות קוונטיזציה ואובדן פרטים קטנים. דיסקרטיזציה של נתונים יכולה גם להציג ממצאים, לפגוע ב- SNR ולהגביל את היכולת לנתח במדויק שינויים פיזיולוגיים. חשוב לציין, דיסקרטיזציה גסה של נתוני מרחב k עשויה שלא למנוע הפקה של תמונה משביעת רצון לכאורה (איור 6).
   2. מטב את פרמטרי הרכישה והשתמש באלגוריתמים מתאימים לשחזור כדי להפחית את הדיסקרטיזציה של הנתונים.
   3. שפר את החומרה והשתמש בטכניקות כגון שיעורי דגימה גבוהים יותר, שיטות אינטרפולציה מתקדמות ואסטרטגיות להפחתת רעש כדי למתן את ההשפעות השליליות של דיסקרטיזציה של נתונים.

Representative Results

איור 4 מתאר את תוצאות ניתוח אפיון הרעש שבוצע בסריקת הרעש. העלילה מדגימה את ההשפעה של רעש רגיל ולא סדיר על מרחב k, שבו נצפתה סטייה מקו הייחוס האידיאלי y=x. רעש רגיל מוביל לתבנית רציפה במרחב k, בעוד רעש לא סדיר גורם לחריגות בעלות ערך גבוה בתרשים QQ.

בהמשך לאיור 5, מוצגת סדרה של תמונות ריאה שנרכשו באמצעות HPG MRI. השורה העליונה מציגה דוגמאות במרחב התמונה, כולל סריקת ייחוס, תמונת ריאות המושפעת מרעש רגיל ו/או לא סדיר, ותמונה ללא קליטה. השורה התחתונה מציגה את ייצוגי המודולוס המתאימים של מרחב k.

באיור 5A, נקודה בהירה ברורה ממורכזת במרחב k, מה שמצביע על אות ריאתי ברור עם רעש נמוך. לעומת זאת, איור 5B מראה נוכחות של רעש רגיל (רעש גאוסיאני) המפוזר לאורך התמונות. באיור 5C ניכר רעש לא סדיר, הגורם לקפיצות בעלות ערך גבוה במרחב k וכתוצאה מכך לתבנית פסים במרחב התמונה. איור 5D מדגים תרחיש שבו רעשים רגילים ולא סדירים נוכחים בו זמנית, ומשפיעים על תמונת הריאות. לבסוף, איור 5E מייצג מקרה שבו לא מזוהה אות בתמונת הריאה הנרכשת.

איור 6 מדגים מופע של דיסקרטיזציה גסה של נתונים בהשוואה לנתונים בקנה מידה תקין של מרחב k. עם חישוב SNR, מתברר כי הנתונים הדיסקרטיים מציגים רמת אות נמוכה.

איור 1: איור של יצירת פנטום קסנון. כלי הלחץ ממוקם בכמות קטנה של חנקן נוזלי כדי לגרום לקסנון לקפוא בסביבות -203.15 ° C (70 K). שקית של ¹²⁹Xe מחוברת ישירות לכלי. כאשר הקסנון מתפזר לתוך הכלי, הוא קופא כאשר הוא נוגע בקירות הקרים, ויוצר מבנה קפוא דמוי שלג. לאחר הקפאה מלאה, הכלי נאטם, ואת קסנון מותר להפשיר, וכתוצאה מכך לחץ מוגבר בתוך הכלי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: סידור ספקטרוסקופיה. (A) פנטום 129-קסנון הממוקם בין שני פנטומים של פרוטונים, כולם סגורים בתוך סליל אפוד ¹²⁹Xe. (B) אבטחו את סליל אפוד הקסנון באמצעות רצועות. (C) הכנס את המכלול לבור המגנט לצורך לוקליזציה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: תגובת אות ביחס לעירור רוחב פס משתנה בתדר קסנון קבוע (34,081,645 הרץ). הגדלת רוחב הפס גורמת לרצפת רעש גבוהה יותר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: שלושה סוגים של סריקות רעש: רעש מקובל, רעש רגיל ורעש לא סדיר. (A) לוח A מציג את ייצוג מודולוס מרחב k של כל תבנית רעש, כאשר רעש רגיל מציג תבנית פסים ורעש לא סדיר מציג קוצים (נקודות בהירות). (B) היסטוגרמה של החלקים האמיתיים והדמיוניים של נתוני מרחב k עבור כל סריקת רעש. (C) תרשים QQ של המרכיבים הממשיים/דמיוניים של נתוני מרחב k, תוך השוואת מערך הנתונים הנרכש עם מערך נתונים מבוזר בדרך כלל של ממוצע שווה וסטיית תקן בסדר עולה. הקו האדום מייצג את קו הייחוס y = x. סטיות מקו זה מצביעות על נוכחותם של רכיבים שאינם גאוסיים בתוך הנתונים שנרכשו. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: איור של דפוסי רעש שונים בהדמיית ריאות HPG ¹²⁹Xe. השורה העליונה מציגה דוגמאות למרחב תמונה, כולל סריקת ייחוס, תמונת ריאות עם רעש רגיל ו/או לא סדיר ותמונה ללא קליטה. השורה התחתונה מציגה את ייצוגי המודולוס המתאימים של מרחב k. בתמונה עם האות, נקודה בהירה ממורכזת במרחב k, המייצגת את אות הריאה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: המחשה של ההשפעה של דיוק דיגיטלי גבוה/נמוך בנתונים משוחזרים של ^{תיק בדיקה 129}Xe. עבור התמונה ברמת דיוק דיגיטלית גבוהה (שורה עליונה), לתמונה יש SNR גבוה של 600, והמודולוס^{של 55th} שורה של מרחב K מציג עקומה חלקה המציגה פרטים עדינים של הנתונים. עם זאת, בתמונה ברמת דיוק דיגיטלית נמוכה (שורה תחתונה), נקודות נתונים בודדות "נקשרות" למספר מוגבל של רמות דיגיטליות המכסות את טווח האות, וכתוצאה מכך SNR מופחת (SNR = 98) בתמונה המשוחזרת. בעיה זו יכולה להיות מזוהה רק באמצעות בחינה מדוקדקת של נתוני האות הגולמי, שכן זה לא מונע את הייצור של תמונה משביעת רצון לכאורה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

היכולת לפתור בעיות MRI ¹²⁹Xe היא מיומנות הכרחית ועשויה לסייע בהפחתת בעיות בזמן אמת. עד שניתן יהיה לרכוש תשתית גז היפרפולרית מגורם אחד ולזכות בתמיכה מיצרני סורקים, משימות בקרת איכות אלה הן באחריותן הבלעדית של המעבדות הבודדות. מטרתו של כתב יד זה היא לספק לקורא פרקטיקות מועילות והצעות לאירוע הבלתי נמנע של רכישת נתונים גרועה. בעוד אנו מנסים לטפל בכמה שיותר בעיות פוטנציאליות, אתגרים רבים אחרים ב- ¹²⁹Xe MRI הם ספציפיים ליצרן הסורק ולא ניתן לדון בהם בפירוט עקב מגבלות קניין רוחני. עם זאת, קונסורציום ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium, קהילה שמטרתה המוצהרת לפתח ניסויים מרובי אתרים באמצעות ¹²⁹Xe MRI, מורכבת ממשתתפי אתר רבים ומומחים ותיקים בעלי ניסיון בתפעול ¹²⁹Xe MRI על פלטפורמות ותוכנות^{מרובות 17}. מומלץ לפנות לכל אחד ממשתתפי האתר בכל שאלה בנושא יישום ו/או פתרון בעיות שאינה מטופלת כאן.

יש לבצע בדיקות ביצועים קבועות של הסליל כדי לזהות אינדיקציות מוקדמות לירידה באות או לבעיות רעש מתעוררות. בדיקות אלה כוללות בחינת ממשק הסליל והחיבורים הפנימיים, כמו גם הערכת ההשפעה הפוטנציאלית של נפילות או משקל מופרז על הסליל. בנוסף לבדיקות פיזיות, השוואת סריקות הספקטרוסקופיה לעתים קרובות יכולה לסייע בזיהוי בעיות בביצועי הסליל. מכיוון שהפונקציונליות הרב-גרעינית של מערכת ה-MRI היא רכיב משותף עם מתקן הפרוטון, כל מכשיר או ציוד חדש בחדר המגנטי צריך לעבור בדיקות כדי למנוע הפרעה פוטנציאלית בתדר הקסנון. בנוסף לשיקולים טכניים, יש לתת תשומת לב לפרטים בהליכים ניסיוניים. זה כולל אימון יעיל של הנבדקים, הבטחת תקשורת ברורה עם רכזי המחקר, ומיקום מדויק של שקית הקסנון במהלך סריקות QC. אין להתעלם מפרטים שוליים לכאורה אלה, מכיוון שהם יכולים לשפר באופן משמעותי את איכות התמונה ואת תוצאות המחקר הכוללות.

הפרוטוקול המוצג במאמר זה מציע לחוקרים מסגרת מקיפה לזיהוי וטיפול בבעיות פוטנציאליות במהלך תהליך ההדמיה. על ידי ביצוע שיטתי של שלבי פתרון הבעיות, חוקרים יכולים לייעל את איכות התמונה, לשפר את דיוק הנתונים ולקדם את תחום MRI קסנון היפרפולרי. המשך השכלול וההתאמה של אסטרטגיות פתרון בעיות אלה, יחד עם התקדמות בטכנולוגיית ההדמיה, יתרמו לשיפור נוסף באיכות ובאמינות של מחקרי MRI קסנון היפרפולרי.

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