過偏波キセノン磁気共鳴画像法におけるトラブルシューティングと品質保証:高品質画像取得のためのツール

Summary

ここでは、ハードウェア、ソフトウェア、データ収集、シーケンス選択、データ管理、k空間利用、ノイズ解析など、高品質の超偏波キセノン129磁気共鳴画像を取得するためのプロトコルを紹介します。

Abstract

過偏波(HP)キセノン磁気共鳴画像法(¹²⁹Xe MRI)は、最近連邦医薬品局(FDA)が承認した画像モダリティであり、肺機能を調べるためにキセノンガスの吸入呼の高解像度画像を生成します。しかし、 ¹²⁹Xe MRIの実装には、過偏波のための特殊なハードウェアと機器、キセノンイメージングコイルとコイルソフトウェアの調達、多核MRイメージングシーケンスの開発と編集、および取得したデータの再構成/解析が必要になるため、他に類を見ない困難があります。適切な専門知識がなければ、これらの作業は困難になる可能性があり、高品質の画像を取得できないと、イライラし、費用がかかる可能性があります。ここでは、最適化された高品質のデータと正確な結果の取得に役立つ^{可能性のある、129}のXe MRIサイトの品質管理(QC)プロトコル、トラブルシューティング方法、および役立つツールを紹介します。まず、HP ¹²⁹Xe MRIの実装プロセスの概要について、ハイパーポラライザーラボの要件、 ¹²⁹Xe MRIコイルのハードウェア/ソフトウェアの組み合わせ、データ収集とシーケンスに関する考慮事項、データ構造、k空間と画像特性、測定された信号とノイズの特性などについて説明します。これらの必要な各ステップの中には、画質の低下やイメージングの失敗につながるエラー、課題、および好ましくない出来事の可能性があり、このプレゼンテーションは、より一般的に遭遇する問題のいくつかに対処することを目的としています。特に、画像アーチファクトや低品質の画像を回避するために、取得したデータ内の異常なノイズパターンの識別と特性評価が必要です。例を挙げ、緩和戦略について議論します。私たちは、 ¹²⁹Xe MRIの導入プロセスを新しい施設でより簡単にすると同時に、リアルタイムのトラブルシューティングのためのガイドラインと戦略を提供することを目指しています。

Introduction

100年以上にわたり、肺機能評価は、主にスパイロメトリーと身体プレチスモグラフィーによる全体的な測定に依存してきました。しかし、これらの従来の肺機能検査(PFT)では、初期段階の疾患の局所的なニュアンスや肺組織の微妙な変化を捉える能力に限界があります¹。肺塞栓症によく見られる換気/灌流ミスマッチの評価には、吸入放射性トレーサーを用いた核医学が広く用いられているが、これは電離放射線を伴い、分解能が低くなる。対照的に、コンピュータ断層撮影(CT)は、肺画像診断のゴールドスタンダードとして浮上しており、核画像^{と比較して}並外れた空間的および時間的明瞭さを提供します2。低線量CTスキャンは放射線被曝を軽減できますが、潜在的な放射線リスクを考慮する必要があります^3,4。肺の陽子線MRIは、肺の組織密度が低く、肺組織からの信号が急速に減衰するため、まれですが、最近の進歩により、信号が低い可能性があるにもかかわらず機能情報が提供されます。一方、過分極キセノン磁気共鳴画像法(HP ¹²⁹Xe MRI)は、局所特^異性5,6で肺機能のイメージングを可能にする非侵襲的なモダリティです。それはリットル量でガスの高い非平衡核磁化を生成します。不活性ガスは、MRスキャナー内の被験者によって1回の呼吸で吸入され、スキャナーによって直接画像化されます。したがって、吸入されたガスは、組織自体とは対照的に直接画像化されます。この技術は、喘息、慢性閉塞性肺疾患(COPD)、嚢胞性線維症、特発性肺線維症、コロナウイルス病2019(COVID-19)など、多くの疾患で肺換気を評価するために^{使用されています3。}2022年12月、HP ¹²⁹Xe MRIは、米国(USA)で12歳以上の成人および小児患者に使用されるMRI換気造影剤として米国FDAによって承認されました⁷。医師は^、129Xe MRIを使用して、改善/パーソナライズされた治療計画で患者をより適切にケアできるようになりました。

歴史的に、臨床MRIは、ほぼすべてのヒト内臓に豊富に存在する水素原子核(陽子)のイメージングにのみ焦点を当てています。MRIスキャナー、シーケンス、および品質管理は、通常、サイトのライセンスと保証の一部としてスキャナーの製造元によって維持されます。しかし、¹²⁹Xeには多核対応のMRスキャナーが必要であり、ハイパーポラライザ、特注の無線周波数(RF)コイル、専用のパルスシーケンス、オフライン再構成/分析ソフトウェアを運用するための専任の研究チームが必要でした。これらの各コンポーネントは、サードパーティベンダーから供給することも、社内で開発することもできます。したがって、品質管理の負担は、スキャナーメーカーや個々のサードパーティではなく、¹²⁹Xe研究チームにあるのが一般的です。したがって、高品質の¹²⁹Xeデータを一貫して取得することは、¹²⁹Xe MRIプロセスの各コンポーネントがエラーの可能性をもたらすため、¹²⁹Xeチームが綿密に監視する必要があるため、他に類を見ないほど困難です。このような状況は、研究者が発生した可能性のある課題のトラブルシューティングと考えられる原因の調査を行う必要があるため、非常に苛立たしいだけでなく、患者の画像診断と被験者の募集が遅くなるため、非常にコストがかかる可能性があります。トラブルシューティングに関連するコストには、MRIの時間コスト、さまざまなガスの消費を伴う¹²⁹Xeの過分極、および材料の使用が含まれます。さらに、最近のFDAの承認と¹²⁹Xeイメージングの成長に伴い、¹²⁹Xe^{操作における}一般的な問題や挫折を回避するために、品質管理のための標準化されたプロトコルを提供する必要があります^8,9。

ここでは、RFコイルの故障、低信号対雑音比(SNR)につながるさまざまなノイズプロファイルの出現、低品質の画像など、 ¹²⁹Xe MRIでより一般的に発生する問題のいくつかを紹介します¹⁰。私たちは、高品質の画像データを確実に取得し、 ¹²⁹Xe MRIで発生する可能性のあるより一般的な問題のいくつかをトラブルシューティングするために、いくつかの簡潔な品質管理(QC)ガイドラインとプロトコルを提供することを目指しています。ここで紹介する洞察は、過偏波ヘリウム 3 のトラブルシューティングにも関連しています。

Protocol

以下に概説するプロトコルは、ミズーリ大学ヒト研究倫理委員会によって確立されたガイドラインと基準に準拠しており、研究の倫理的実施と参加者の権利、安全、および幸福の保護を保証します。

注:偏光キセノンMRI検査の信頼性と精度を確保するには、取得した画像の厳密な特性評価を行い、包括的なプロトコルに従い、効果的なトラブルシューティング戦略を採用することが重要です。イメージングセッションには、ガス過分極、 ¹²⁹Xeコイル/スキャナー通信、 ¹²⁹Xe分光法、データの取得、データ再構成、画像解析など、いくつかのステップが含まれます。このプロトコルでは、まずこれらの手順を詳細に説明し、イメージングプロセスを最適化するために必要な予防措置とトラブルシューティング戦略を強調します。これらの手順に従い、専門家によるトラブルシューティング戦略を組み込むことで、研究者はイメージングプロセスを最適化し、過偏波キセノンMRI研究中に発生する可能性のある課題を克服することができます。次に、最適でないデータのいくつかのケースで発生する可能性のある一般的なトラブルシューティング手法について説明します。

1. 包括的なHPG MRI検査のための重要なステップ

ここでは、典型的な過偏波 ¹²⁹Xeイメージングセッションに関与するプロセスの概要を紹介しました。 ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium からの詳細なプロトコルの推奨事項は、Niedbalski et ^al.11 に記載されています。

1. ¹²⁹名Xe過偏波
   1. ¹²⁹Xe偏光板が、メーカーのガイドラインまたはカスタムメイド偏光板のラボ固有のプロトコルに従ってセットアップされ、動作していることを確認します。
   2. HP測定ステーションで、HP ¹²⁹Xeガスの代表的なサンプルに対して、核磁気共鳴(NMR)技術を使用してT1緩和測定を実施します。30 mT の安定した磁場では、1 L のガス投与バッグ中のキセノンの T1 は 45 分>である必要があります。
      注意: 偏光測定が完了したら、HP ¹²⁹Xe線量バッグをHP測定ステーションの磁場内に保管して、MRスキャナーへの輸送の準備が整うまで偏光を維持する必要があります。偏光は¹²に従って減衰します。
      (1.1)
      ここで、P(t) は時間 t における分極、P₀ は初期分極、T₁ は磁化減衰率です (励起による分極損失は考慮しません)。
2. ガス輸送による分極損失の測定
   1. キセノン収集ポイントからイメージングが行われるマグネットルームまでの直接的かつ効率的なルートを確保します。
   2. HPキセノン輸送中の遅延を最小限に抑えて、線量がT1保存磁界の外に出ると分極が急速に減衰するため、分極を維持します。.輸送中に偏光が20%以上低下する場合は、磁気シールド付きのスーツケースをご使用ください。
   3. 輸送ルート上の無関係なRF信号(カードリーダー、レーザー、ステンレス鋼板など)は、偏光損失の原因となる可能性があるため、避けてください。
   4. 輸送前にHP ¹²⁹Xeガスの初期線量当量(DE)を測定します。DE は ¹¹ で与えられ、
      (1.2)
      ここで、 f₁₂₉ は ¹²⁹Xe の等方性分率、 P₁₂₉ は ¹²⁹Xe 核スピン偏極、 V_Xe はキセノンガスの総体積である。
   5. ガスを測定ステーションからマグネットボアに輸送し、同じルートで偏光ステーションに戻します。往復後にDEを再度測定して、ガス輸送中に予想される信号損失を定量化します。伝送経路に沿って追加のRF信号が干渉しない場合、推定される偏波は式1.1で概説されるT1減衰曲線に厳密に従います。
3. 多核(¹²⁹Xe MRI)コイル
   1. ¹²⁹Xeコイルを磁石に正しく配置して、正しい向きを確保します。直交コイルを使用する場合は、結像体積の中心で大きな信号低下を引き起こす可能性があるため、逆直交励起は避けてください。
      注:キセノンコイルは、被験者間および異なる呼吸段階でのコイルの調整/負荷の変動に対応するために、幅広い胸のサイズに対応する必要があり、スキャン間でさまざまなフリップ角度が配信されます。
   2. 指定されたソケットを介してコイルプラグとMRシステムの間に安全な物理的接続を確立し、許容核(この例では¹²⁹Xe)を指定するようにコイルソフトウェアを構成します。
   3. MRスキャナーで十分に特性化されたプロトン共鳴周波数を3.61529で割って、キセノン周波数¹¹を取得します。
   4. コイルのパラメータ(最大送信振幅、送信機の基準振幅、比吸収率-SAR)の特性評価を行います。
4. ¹²⁹Xe分光法の測定
   1. 熱偏極 129-キセノンファントムを作成します。
      1. ガラス製の圧力容器をキセノンガス充填バッグに接続し、容器の容量に合わせて適切なバッグサイズとキセノン容量を確保します。
      2. 圧力容器を少量の液体窒素(LN₂)に浸して、キセノンの拡散と凍結を可能にします( 図1を参照)。
      3. キセノンが内部で凍った雪を形成した後、容器を密封し、解凍して容器を加圧します。容器内の圧力を計算します:P =(V_容器 + V_バッグ)/ V_容器 ここで、V_容器 は容器の体積、V_バッグ はバッグ内のキセノンの体積です。
         注:過分極ガス(HPG)バッグとは異なり、熱分極された ¹²⁹Xe容器は、追加の酸素がキセノンT₁-を減少させるため、酸素をパージしたり真空排気したりする必要はありません。また、容器内のガス圧がメーカーの規定の圧力限界を超えないようにすることが重要です。 ¹²⁹Xeガスのファントムでは、キセノン周波数をMRIコンソールで測定できます。品質保証用の市販のキセノンファントムも入手可能です¹³。
   2. 熱偏光キセノンファントムでピーク周波数を検出します。
      1. コイル形状の違いにより、ファントムに供給されるB1が大幅に変化する可能性があるため、キセノンファントムを ¹²⁹Xeコイル内に置き、装填した患者のコイルと同じように配置します(図2)。
         注意: コイルを適切にロードするために、適切なウォーターファントムもロードすることをお勧めします。
      2. 一部のスキャナーでは、初期陽子周波数ローカライザーなしで多核スキャンが許可されない場合があるため、陽子周波数でスキャンを実行します。
      3. 広帯域送信パルス(利用可能な場合)、高帯域幅、高分解能の読み出し実験を使用して、キセノン周波数のピークを正確に検出します。広帯域パルスは高範囲の周波数を励起し、キセノンNMRを確実に検出することができます。
      4. 明確に定義されたピークが検出されたら、周波数を完全な精度で記録し、信号対雑音比(SNR)とピーク周波数精度を最大化するために、低帯域幅(~1000 Hz)の新しい周波数で実験を繰り返します(図3)。
      5. 満足のいく高シグナルピークが検出されたら、将来のQCテストのためにプロトコルを保存します。
         注:スキャナー内のコイルの正確な幾何学的配置は、ベースライン分光法スキャンを提供し、SNRが悪化していることがわかった場合に、将来再現して緊急の問題を特定できます。ファントム自体は直接画像化できますが、画像再構成に十分な信号を生成するために複数回の取得が必要になる場合があり、一般的により高いフリップ角度が必要なため、達成可能なSNRの公正な推定値が得られない可能性があります。過分極キセノンの調製バッグは、 in vivo イメージングパラメータで目的のイメージングプロトコルをテストするための最良の選択肢です。
5. HP ¹²⁹Xeイメージング(テストバッグ付き)
   1. イメージングには、濃度が高く酸素を含まない少量のHP ¹²⁹Xe(>300 mL)を使用してください。
   2. イメージングの直前に ¹²⁹Xe DEを正確に測定します。
   3. 試験イメージングプロトコルは、所望の in vivo パラメータをできるだけ反映するように設定する¹¹.
   4. キセノンバッグの画像を取得して保存し、スキャナー性能のベースライン測定値として使用します。
   5. 取得した画像のSNRを、すべてのスキャンパラメータとキセノンDEとともに測定し、記録します。2D GREスキャンの許容可能なSNRはサイトによって異なるが、通常は約30以上であり、その後の画像解析の最小閾値は15である¹¹。
   6. αフリップ角度(FA)を測定するには、FOVを2回連続して(FA≈8〜10°で)画像化し、同一のシーケンスパラメータを使用し、最初の画像の終わりと2番目の画像の開始の間にギャップがないフルボリュームのスポイルグラジエントエコースキャンを実行します。2 つのイメージ S0 と S1 の DC オフセットで SNR を測定し、位相エンコード ステップ数 n をカウントし、次のようにフリップ角度マップを計算します ¹⁴。
      (1.3)
      注: in vivo HP ¹²⁹Xe MRIの一般的なパラメータ、およびより複雑だが高精度のフリップ角度キャリブレーション法(マルチショットパルス/取得実験)は、Niedbalskiらに示されています¹¹。
6. 生体内 HP ¹²⁹Xeイメージング
   1. 息止め技術に関する適切な指導を被験者に提供し、HP ¹²⁹Xeバッグを導入する前に、被験者が空気の入ったバッグを使用して吸入手順を練習できるようにします。
   2. 室内の空気で一連の息を吸ったり吐いたりした後、HP ¹²⁹Xeガスを深く吸い込み、息を止め、スキャンを開始する(一般的に使用される方法)ように被験者に指示します。被験者の胸の動きを注意深く監視し、呼吸が提供された指示と同期していることを確認します。
      注:現在、息を止める手順にはさまざまなコーチング方法が採用されており、将来のコンソーシアムの論文では、これに関するコンセンサスステートメントが確立される可能性があります。
   3. 息止め中に鼻からガスを吸い込まないように、ノーズクリップを使用してください。
   4. 息止めイメージング後、被験者に深呼吸をして肺からキセノンを除去し、一時的な副作用を解決するように指導します¹¹。
   5. 溶存相キセノンイメージングを追求する場合、被験者の吸入量は、取得した溶存相データに実質的に影響を与える可能性があることに注意してください¹⁵。
7. データの再構築と分析
   1. スキャナーから「生」データをエクスポートし、通常は読み出し取得順に複雑なデータのリストの形式でエクスポートします。
   2. 直線的に集録された k 空間軌跡の場合、各複素データ点は 2 次元 (2D) または 3 次元 (3D) の k 空間の整数周波数に対応します。直線軌道の単純で高速なフーリエ変換 (FFT) を使用してイメージを再構成します。
   3. 非直線的な軌跡(放射状またはらせん状のデータなど)の場合は、データの「グリッディング」を実行して、後続のFFTの前に複素データを整数ビンに補間または畳み込みます。必要に応じて、グリッディングを実行する前にデータを調べて、精度を確保し、潜在的なアーティファクトを回避します。
      注:生のk空間データのFFTは、スキャナーが勾配動作の既知の非線形性に基づいて再構成された画像をさらに補正するため、スキャナーで再構成されたDICOM画像と類似しているが同一ではない画像を生成する場合があります。これらの影響は一般的に小さいですが、特に肺などの大きな臓器を画像化する場合、スキャナーの画像ボリュームの端でより顕著になることがあります。後処理には、スキャナーで再構成された画像(利用可能な場合)を使用することをお勧めします。

2. トラブルシューティングの手順

注:プロトコルでは、過偏波 ¹²⁹Xe MRIの品質管理(QC)手順の概要が説明されていますが、緊急の問題、異常、および課題により、トラブルシューティングが必要になる場合があります。プロセスにエラーやミスがあると、波及効果が波及し、後続のステップに影響を与え、信号強度が低い、ノイズレベルが高い、または完全な信号損失を伴う画像の欠落や低品質などの問題につながる可能性があります。これらの課題に対処するには、戦略的アプローチを採用して問題を詳細に特定し、調査する必要があります。

1. HP ¹²⁹Xe ドーズバッグ調製(QC)
   1. コントロールキセノンバッグ用の正確な量のキセノンガスを慎重に醸造し、窒素が混ざっていないかに注意してください。
   2. MRIスキャナーでキセノンバッグを画像化し、イメージングセッションの前後に正確な偏光測定を行い、信頼性の高い比較を行います。
   3. すべてのQCスキャンに同じイメージングシーケンスを使用して、信頼性の高い比較を容易にします。
   4. 将来の比較を可能にするために、すべてのQCスキャンを実施する前後のキセノンDE値に注意してください。
2. システムノイズの特性評価
   1. QC用の制御ノイズプロファイルを作成します。エリアからの最大信号をキャプチャするための高視野(FOV、400-500 mm)、近くのノイズ共振を識別するためのピクセルあたりの高い帯域幅(利用可能な最大または少なくとも>50 kHz)、および可能な限り低い繰り返し時間(TR)とエコー時間(TE)を含む特定のカスタマイズされた2D GREシーケンスを使用します^11。13.キセノンベストまたはループコイルを使用してノイズプロファイルのQCを取得します。
   2. コイルにサンプル(HP ¹²⁹Xe)を含まない画像を取得します。この画像は、ノイズプロファイルを特徴付けます。
   3. 取得したノイズ データ (特に k 空間) で、スパイク、パターン、離散化/ビン化値などの非ガウス要素を調べます。
   4. 取得した実数/虚数データを、平均、標準偏差、ベクトル長が同一で、小さいものから大きいものの順に合成されたガウスデータセット(適切な乱数生成関数を使用)に対してプロットして、QQプロットを作成します。QQプロットのy = x線からの偏差は、集録データ内に非ガウス成分が存在することを示しており、さらなる調査が必要です。(図4)。
      注:分位点-分位点プロット(QQプロット)は、2つのデータセットが類似した分布を示しているかどうかについての洞察を提供することができます。正規分布のデータセットと比較することで、分布がガウス分布かどうかを評価できます。プロトコルは、k空間の実数部と虚数部がサンプルがない場合のガウス分布に近似することを前提としています。
   5. ノイズ分布パターンと潜在的な外れ値を適切なプロットで特定します (必要に応じてショーヴネの基準を使用します¹⁶)。
   6. ノイズをその特性に基づいて規則的なタイプと不規則なタイプに分類します (手順 2.3 と 2.4 を参照)。
      注意: 通常のノイズには、読み出しまたはk空間データに定期的に現れるパターンが含まれます。不規則なノイズは比較的ランダムに見え、多くの場合、識別可能なタイミングパターンのない高強度ですが、避けられない熱ノイズのようなガウスプロファイルを示しません。
3. 定期的なノイズ検出
   1. スキャナーをノイズ源として除外するには、さまざまなパルスシーケンスパラメータを無効にし、電子部品の電源をオフにした状態で、標準のサイトプロトコルを使用して画像を取得します。たとえば、特定のグラジエントコイルからノイズが放出されている場合は、スキャンを実行する前にグラジエントの電源を切って、ノイズが解消されるかどうかを確認する必要があります。
      メモ: グラジエントの電源を下げるには、通常、スキャナーコンソールへの昇格アクセスが必要であり、サービスエンジニアの立ち会いが必要な場合があります。最終的には、多核分光計がアクティブであるが、グラジエントに電力が供給されず、RFが供給されないシーケンスは、ノイズの問題がこれらのコンポーネント内で発生しているかどうかを判断するのに十分であるはずです。
   2. 部屋から騒音源を排除し、その後、通常の騒音の潜在的な発生源を特定します。
      注意: ノイズ源には、造影剤インジェクター、コードボタン、センサー、バイタルサインモニターなどの電子部品、スキャナーコンポーネント(ポジショニングレーザー、ベッドメカノエレクトロニクス、ファン、ライトなど)、またはコンソール/マグネットウォール間の導波管が含まれる場合があります。
   3. ¹²⁹Xe周波数に調整されたシンプルな表面ループコイルを使用して、マグネットルームの周りをノイズ源を「嗅ぎ分け」ます。キセノンコイル素子を問題のある可能性のあるデバイスの近くに物理的に配置し、テストシーケンス(ステップ2.2.1を参照)を実行して増幅されたノイズを検出します。
   4. k 空間データとイメージ データを調べて、コヒーレンス ノイズの正確な発生源を特定します。
   5. 特定の発生源が特定された場合は、それを無効にするか、アルミホイル/フラッシングまたは銅メッシュで覆ってノイズを減らします。
   6. ノイズ源を無効化またはカバーした後、スキャンを再実行して、ノイズが解決するかどうかを確認します。すべてのノイズ源が除去され、低い二乗平均平方根(RMS)ガウスノイズのみが残るまで、このプロセスを続けます。
4. 不規則なノイズ検出
   1. 不規則なノイズを、個々の k 空間ピクセルで高い信号「スパイク」として識別し、実数チャネルまたは虚数チャネルで異常に高い信号または低い信号を示します。
      注:Kスペーススパイクは、多くの場合、ストライプまたは「コーデュロイ」パターンの画像になります(図5)。k-空間データに高い値またはスパイクが存在すると、多くの場合、画像空間に縞模様が発生する可能性があります。この現象は、多くの場合、勾配関連の問題に関連しています。
   2. X、Y、Zのグラデーションに関する潜在的な問題を解消するには、縞模様の原因となる方向を特定します(図5)。前部から後部、頭から足、左から右など、さまざまな位相エンコード方向でイメージングを実行します。
   3. 各方向で得られた画像を体系的に調べて、どの特定のグラデーション方向が縞模様に寄与しているかを特定します。必要に応じて、施設の臨床工学技士に連絡して、個々のグラジエントを選択的に有効または無効にし、ノイズスパイクの発生源を特定できるようにします。
5. 信号なし
   注:HPG MRI研究で取得後に信号が観察されない状況に遭遇した場合は、体系的なトラブルシューティングアプローチを行うことができます。この問題に対処するための推奨事項を次に示します。
   1. キセノンコイルと接続を確認します。
      1. MRIスキャナーでキセノンコイルが選択され、正しく接続されていることを確認します。
      2. スキャン中の患者の動きにより、コイルが断線する可能性があるため、コイルの接続を注意深く検査してください。
      3. ドアが開いていると、マグネットルームに外部のRFが入る可能性があるため、MRIスキャナーのドアがしっかりと閉まっているかどうかを確認します。
      4. キセノンファントムで分光法を実行し(セクション1.4.2を参照)、分光法からキセノンのピーク高さとノイズフロアを確認します。フリップ角度を90°にして、キセノンピークが存在することを確認します。90°励起に関連する最大信号を計算し、電圧/電力をQCスキャン結果と比較します。
   2. キセノンコイルを評価します。
      1. キセノンの小袋を用意し、測定ステーションで偏光を測定します。
      2. HP ¹²⁹Xeバッグのシンプルな2D GREスキャンで、90°のフリップ角度(パルス幅によって送信帯域幅[BW]が決まるため、必要に応じてパルス幅を調整)、ファントムの以前のQCに基づく基準電圧の使用、基本分解能を低く保ちながら、高FOVと低BWのパラメータでバッグを画像化します。
      3. 測定ステーションで偏光を再度測定します。偏波が大幅に減少しない場合は、キセノンコイルトランスミッターまたはアンプに問題がある可能性があります。
         注:分極レベルは、キセノンベストコイルからの励起パルスの成功に関係なく、このプロセス全体でT1減衰により徐々に低下します。したがって、90°のFAが高いと、励起パルスによって引き起こされる十分な偏波減衰を観察して、キセノンコイルトランスミッタの機能の問題を除外することが提案されます。偏光が大幅に減少しているのに、画像で信号が検出されない場合は、キセノンコイルレシーバーの問題が示されています。
   3. 包括的な分析
      1. k空間と画像空間の両方のデータを解析して、異常や不整合を調べます。
      2. 取得したデータを以前のスキャンまたは参照データと比較して、潜在的な差異や偏差を特定します。
6. データの離散化
   1. データの離散化を確認します(図6)。
      注:コイル電圧がスキャナー分光器によって記録されると、分光器の全ダイナミックレンジが採用され、最高の忠実度が達成されるように、コイル電圧は適切なレベルに増幅されます。信号は、データポイントの滞留時間に反比例する読み出し帯域幅に従って時間的に離散化され、記録されたアナログ電圧値は、分光器のビット深度によって決定される離散信号「ビン」にデジタル化されます。入力信号を適切に増幅してビット深度全体に広げるには、正しいコイル電圧/増幅/スケーリング値を指定する必要があります。一部のスキャナーでは、ターゲット周波数で前処理パルスが実行されるまでイメージングスキャンは許可されません - 追加のRFは偏光を減らし、息止め時間を増加させるため、過分極研究では避けなければならないプロセスです。分光器の校正が不適切であったり、信号を適切に増幅できなかったりすると、記録されたデータが粗く離散化される可能性があり、振幅ビンのごく一部にデジタル化されたデータポイントが入力されます。データの離散化は、量子化エラーや細部の損失を引き起こすことで、情報の内容にも影響を与える可能性があります。また、データの離散化は、アーティファクトを導入し、SNR を損ない、生理学的変化を正確に分析する能力を制限する可能性があります。重要なことは、k空間データの粗い離散化は、一見満足のいく画像の生成を妨げない可能性があるということです(図6)。
   2. 集録パラメータを最適化し、適切な再構成アルゴリズムを使用してデータの離散化を減らします。
   3. ハードウェアを改善し、より高いサンプリングレート、高度な補間方法、ノイズリダクション戦略などの手法を利用して、データの離散化の悪影響を軽減します。

Representative Results

図4は、ノイズスキャンで実行したノイズ特性解析の結果を示しています。このプロットは、理想的な y=x 基準線からの偏差が観測される k 空間に対する規則的ノイズと不規則ノイズの両方の影響を示しています。規則的なノイズは k 空間に連続的なパターンをもたらし、不規則なノイズは QQ プロットに高い値の外れ値をもたらします。

図5に移ると、HPG MRIを使用して取得した一連の肺画像が示されています。一番上の行には、リファレンススキャン、規則的および/または不規則なノイズの影響を受ける肺画像、信号のない画像など、画像空間の例が示されています。一番下の行には、対応する k 空間モジュラス表現が表示されます。

図5Aでは、k空間の中心に明瞭な輝点があり、低ノイズで明瞭な肺信号を示しています。逆に、図5Bは、画像全体に広がる規則的なノイズ(ガウスノイズ)の存在を示しています。図5Cでは、不規則なノイズが明らかであり、k空間に高い値のスパイクを引き起こし、画像空間にストライプパターンが生じています。図5Dは、規則的なノイズと不規則なノイズの両方が同時に存在し、肺画像に影響を与えるシナリオを示しています。最後に、図5Eは、取得した肺画像に信号が検出されない場合を表しています。

図 6 は、適切にスケーリングされた k 空間データと比較した粗いデータの離散化の例を示しています。S/N比を計算すると、離散化されたデータの信号レベルが低いことが明らかになります。

図1:キセノンファントムの作成イメージ。 圧力容器を少量の液体窒素に入れて、キセノンを約-203.15°C(70K)で凍結させます。 ¹²⁹Xeの袋は容器に直接接続されています。キセノンが容器内に拡散すると、冷たい壁に触れると凍りつき、凍った雪のような構造になります。完全に凍結したら、容器を密封し、キセノンを解凍して、容器内の圧力を高めます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図2:分光法の配置。 (A) 129-キセノンファントムは、2つの陽子ファントムの間にあり、すべて ¹²⁹Xeベストコイルに収められています。(B)キセノンベストコイルをストラップで固定します。(C)アセンブリを磁石の穴に挿入して位置を特定します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図3:一定のキセノン周波数(34,081,645 Hz)での可変帯域幅励起に対する信号応答。 帯域幅を大きくすると、ノイズフロアが高くなります。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図4:3種類のノイズスキャン:許容ノイズ、規則的ノイズ、不規則ノイズ。 (A)パネルAは、各ノイズパターンのk空間モジュラス表現を表示し、通常のノイズはストライプパターンを示し、不規則なノイズはスパイク(輝点)を示します。(B) 各ノイズスキャンのk空間データの実数部と虚数部のヒストグラム。 (C)取得したデータセットを、平均と標準偏差が等しい正規分布データセットと昇順で比較した、k空間データの実数/虚数成分のQQプロット。赤い線は、y = x の基準線を表します。この線からの偏差は、集録されたデータ内に非ガウス成分が存在することを示します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図5:HPG ¹²⁹Xe肺イメージングにおけるさまざまなノイズパターンの図。 一番上の行には、リファレンススキャン、規則的および/または不規則なノイズのある肺画像、信号のない画像など、画像空間の例が表示されます。一番下の行は、対応する k 空間モジュラス表現を示しています。信号のある画像では、明るいスポットが k 空間の中心にあり、肺信号を表しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図6: ¹²⁹個のXeテストバッグの再構成データにおけるデジタル精度の高低の影響の図。 デジタル精度の高い画像(上段)では、画像のSNRは600と高く、K空間の55行^目の モジュラスは、データの細部を示す滑らかな曲線を示しています。しかし、デジタル精度の低い画像(下段)では、個々のデータポイントが信号範囲をカバーする限られた数のデジタルレベルに「ビニング」され、その結果、再構成された画像のSNR(SNR = 98)が低下します。この問題は、一見満足のいく画像の生成を妨げるものではないため、生の信号データを注意深く調べることによってのみ特定できます。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

Discussion

¹²⁹の Xe MRI の問題をトラブルシューティングする能力は必要なスキルであり、リアルタイムで問題を軽減するのに役立つ可能性があります。超分極ガスインフラを1つの当事者から購入し、スキャナーメーカーからサポートを得るまでは、これらの品質管理作業は個々のラボの責任となります。この原稿の目的は、データ取得が不十分であるという避けられないイベントに役立つプラクティスと提案を読者に提供することです。私たちはできるだけ多くの潜在的な問題に対処しようとしていますが、¹²⁹Xe MRIの他の多くの課題はスキャナーメーカーに固有のものであり、知的財産の制限により詳細に議論することはできません。しかし、¹²⁹Xe MRIを使用したマルチサイト試験の開発という明確な目標を持つコミュニティである¹²⁹Xe Clinical Trials Consortiumは、多くのサイト参加者と、複数のプラットフォームとソフトウェアで¹²⁹Xe MRIを運用した経験を持つベテランの専門家で構成されています¹⁷。ここで取り上げられていない実装やトラブルシューティングに関する質問については、サイト参加者に連絡することをお勧めします。

コイルの定期的な性能チェックを実行して、信号の低下や新たなノイズの問題の兆候を早期に特定する必要があります。これらのチェックには、コイルのインターフェースと内部接続の検査、およびコイルへの落下や過度の重量の潜在的な影響の評価が含まれます。物理的な検査に加えて、分光スキャンを頻繁に比較することで、コイルの性能に関する問題を特定することができます。MRIシステムの多核機能は陽子線施設と共有されているコンポーネントであるため、磁気室に新しく導入されたデバイスまたは機器は、キセノン周波数の潜在的な干渉を防ぐためにテストを受ける必要があります。技術的な考慮事項に加えて、実験手順の細部に注意を払う必要があります。これには、被験者の効果的なコーチング、研究コーディネーターとの明確なコミュニケーションの確保、QCスキャン中のキセノンバッグの正確な配置が含まれます。これらの一見些細なディテールは、画質と全体的な研究結果を大幅に向上させる可能性があるため、見落とすべきではありません。

この論文で紹介するプロトコールは、イメージングプロセス中の潜在的な問題を特定して対処するための包括的なフレームワークを研究者に提供します。トラブルシューティングの手順を体系的に実行することで、研究者は画質を最適化し、データの精度を高め、過偏光キセノンMRIの分野を前進させることができます。これらのトラブルシューティング戦略の継続的な改良と適応は、イメージング技術の進歩と相まって、過分極キセノンMRI研究の質と信頼性のさらなる向上に貢献します。

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