Поиск и устранение неисправностей и обеспечение качества гиперполяризованной ксеноновой магнитно-резонансной томографии: инструменты для получения высококачественных изображений

Summary

Здесь мы представляем протокол получения высококачественных гиперполяризованных изображений магнитного резонанса ксенона-129, охватывающий аппаратное и программное обеспечение, сбор данных, выбор последовательности, управление данными, использование k-пространства и анализ шума.

Abstract

Гиперполяризованная (HP) ксеноновая магнитно-резонансная томография (МРТ ¹²⁹Xe) — это недавно одобренный Федеральным управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) метод визуализации, который позволяет получать изображения высокого разрешения вдыхаемого ксенона газа для исследования функции легких. Тем не менее, внедрение МРТ ¹²⁹Xe представляет собой уникальную задачу, поскольку требует специализированного оборудования и оборудования для гиперполяризации, закупки ксеноновых и программного обеспечения для катушек, разработки и компиляции многоядерных последовательностей МРТ-изображений, а также реконструкции/анализа полученных данных. Без должного опыта эти задачи могут быть сложными, а неспособность получить высококачественные изображения может быть разочаровывающей и дорогостоящей. Здесь мы представляем некоторые протоколы контроля качества (QC), методы устранения неполадок и полезные инструменты для¹²⁹узлов МРТ Xe, которые могут помочь в получении оптимизированных, высококачественных данных и точных результатов. Обсуждение начнется с обзора процесса внедрения МРТ HP ¹²⁹Xe, включая требования к лаборатории гиперполяризатора, комбинацию аппаратного и программного обеспечения для МРТ-катушки ¹²⁹Xe, вопросы сбора данных и последовательности, структуры данных, свойства k-пространства и изображения, а также характеристики измеренного сигнала и шума. В рамках каждого из этих необходимых этапов кроются возможности для ошибок, проблем и неблагоприятных событий, приводящих к низкому качеству изображения или неудачной визуализации, и эта презентация направлена на решение некоторых из наиболее часто встречающихся проблем. В частности, идентификация и характеризация аномальных шумовых паттернов в полученных данных необходимы для того, чтобы избежать артефактов изображения и изображений низкого качества; Будут приведены примеры и обсуждены стратегии смягчения последствий. Мы стремимся упростить процесс внедрения ¹²⁹Xe MRI для новых объектов, предоставляя при этом некоторые рекомендации и стратегии для устранения неполадок в режиме реального времени.

Introduction

На протяжении более ста лет оценка функции легких в основном основывалась на глобальных измерениях спирометрии и бодиплетизмографии. Тем не менее, эти традиционные тесты функции легких (ПФТ) ограничены в своей способности выявлять региональные нюансы ранней стадии заболевания и тонкие изменения в легочной ткани¹. Ядерная медицина с ингаляционными радиоиндикаторами широко используется для оценки несоответствий вентиляции/перфузии, обычно связанных с тромбоэмболией легочной артерии, но при этом используется ионизирующее излучение и более низкое разрешение. В отличие от этого, компьютерная томография (КТ) стала золотым стандартом визуализации легких, обеспечивая исключительную пространственную и временную четкость по сравнению с ядерной визуализацией². Несмотря на то, что низкодозная компьютерная томография может смягчить лучевую нагрузку, потенциальный радиационный риск все же следует учитывать ^3,4. Протонная МРТ легких встречается редко из-за низкой плотности тканей легких и быстрого затухания сигнала от легочной ткани, хотя последние достижения предоставляют функциональную информацию, несмотря на потенциально низкий сигнал. С другой стороны, гиперполяризованная ксеноновая магнитно-резонансная томография (HP ¹²⁹Xe MRI) является неинвазивным методом, который позволяет визуализировать функцию легких с регионарной специфичностью ^5,6. Он дает высокую неравновесную ядерную намагниченность газа в литровых количествах. Затем инертный газ вдыхается испытуемым внутри МР-сканера в течение одного вдоха и непосредственно визуализируется сканером. Таким образом, вдыхаемый газ визуализируется напрямую, а не сама ткань. Этот метод использовался для оценки вентиляции легких при многих заболеваниях, включая астму, хроническую обструктивную болезнь легких (ХОБЛ), муковисцидоз, идиопатический легочный фиброз, коронавирусную болезнь 2019 г. (COVID-19) и^{многие другие.} В декабре 2022 года МРТ HP ¹²⁹Xe был одобрен FDA США в качестве контрастного вещества для вентиляции легких для МРТ для использования в Соединенных Штатах Америки (США) у взрослых и педиатрических пациентов в возрасте 12 лет и старше⁷. Теперь врачи могут использовать МРТ ¹²⁹Xe для улучшения ухода за пациентами с улучшенными/персонализированными планами лечения.

Исторически сложилось так, что клиническая МРТ фокусируется исключительно на визуализации ядер водорода (протонов), которые в изобилии присутствуют почти во всех внутренних органах человека. Магнитно-резонансные томографы, последовательности и контроль качества, как правило, обслуживаются производителем сканеров в рамках лицензии и гарантии. Тем не менее, ^{для 129}Xe требуется многоядерный МР-сканер и специальная исследовательская группа для ввода в эксплуатацию гиперполяризатора, специально разработанных радиочастотных (РЧ) катушек, специальных последовательностей импульсов и автономного программного обеспечения для реконструкции/анализа. Каждый из этих компонентов может поставляться сторонними поставщиками или разрабатываться собственными силами. Таким образом, бремя контроля качества, как правило, лежит на исследовательской группе ¹²⁹Xe, а не на производителе сканера или отдельной третьей стороне. Таким образом, последовательное получение высококачественных данных ¹²⁹Xe является уникальной задачей, поскольку каждый компонент процесса МРТ ¹²⁹Xe несет в себе возможность ошибки, которая должна тщательно отслеживаться командой ¹²⁹Xe. Эти ситуации могут быть не только чрезвычайно неприятными, поскольку исследователям приходится устранять неполадки и исследовать возможные причины любых проблем, которые могли возникнуть, но они могут быть очень дорогостоящими, поскольку это замедляет визуализацию пациентов и набор субъектов. Некоторые затраты, связанные с поиском и устранением неисправностей, связаны с временными затратами на МРТ, гиперполяризацией ¹²⁹Xe, которая связана с потреблением различных газов, и использованием материалов. Кроме того, в связи с недавним одобрением FDA и ростом числа изображений ¹²⁹Xe, необходимо обеспечить стандартизированный протокол контроля качества, чтобы избежать распространенных проблем и неудач в работе ^{с 129}Xe ^8,9.

Здесь мы представляем некоторые из наиболее часто встречающихся проблем при МРТ ¹²⁹Xe, включая отказы ВЧ-катушек, появление различных профилей шума, которые приводят к низкому отношению сигнал/шум (SNR), и низкое качество изображений¹⁰. Мы стремимся предоставить некоторые краткие рекомендации и протоколы контроля качества (QC), чтобы обеспечить получение высококачественных данных изображений и устранить некоторые из наиболее распространенных проблем, которые могут возникнуть при МРТ ¹²⁹Xe. Представленная здесь информация также актуальна для поиска и устранения неисправностей гиперполяризованного гелия-3.

Protocol

Протокол, изложенный ниже, соответствует руководящим принципам и стандартам, установленным Комитетом по этике исследований на людях Университета Миссури, обеспечивая этичное проведение исследования и защиту прав, безопасности и благополучия участников.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для обеспечения надежности и точности гиперполяризационных ксеноновых МРТ-исследований крайне важно выполнять строгую характеристику полученных изображений, следовать комплексному протоколу и использовать эффективные стратегии поиска и устранения неисправностей. Сеанс визуализации включает в себя несколько этапов: гиперполяризация газа, связь катушки ¹²⁹Xe со сканером, спектроскопия ¹²⁹Xe, сбор данных, реконструкция данных и анализ изображений. Протокол начинается с подробного обсуждения этих шагов и выделяет необходимые меры предосторожности и стратегии устранения неполадок для оптимизации процесса визуализации. Следуя этим процедурам и применяя экспертные стратегии поиска и устранения неисправностей, исследователи могут оптимизировать процесс визуализации и преодолеть проблемы, которые могут возникнуть во время гиперполяризованных ксеноновых МРТ-исследований. Затем мы рассмотрим распространенные методы устранения неполадок, которые могут возникнуть в нескольких случаях неоптимальных данных.

1. Основные этапы комплексного исследования МРТ ГПГ

Здесь мы представили краткий обзор процессов, участвующих в типичном сеансе гиперполяризованной визуализации ¹²⁹Xe. Подробные рекомендации по протоколу от ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium приведены в Niedbalski et ^al.11.

1. ^{до 129}Гиперполяризация Xe
   1. Убедитесь, что гиперполяризатор ¹²⁹Xe настроен и работает в соответствии с рекомендациями производителя или лабораторными протоколами для поляризаторов, изготовленных по индивидуальному заказу.
   2. Проведите измерения релаксации Т1 с помощью метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на репрезентативном образце газа HP ¹²⁹Xe на измерительной станции HP. В стабильном поле 30 мТл ксенон в газовом дозовом мешке объемом 1 л должен иметь T1 > 45 мин.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После завершения измерения поляризации дозирующий мешок HP ¹²⁹Xe следует держать в пределах магнитного поля измерительной станции HP для поддержания его поляризации до тех пор, пока он не будет готов к транспортировке к МР-сканеру. Поляризация будет затухать в соответствии с¹²,
      (1.1)
      где P(t) – поляризация в момент времени t, P₀ – начальная поляризация, а T₁ – скорость затухания намагниченности (без учета поляризационных потерь из-за возбуждения).
2. Измерение поляризационных потерь при транспортировке газа
   1. Обеспечьте прямой и эффективный маршрут от точки сбора ксенона до магнитной комнаты, где будет проводиться визуализация.
   2. Сведите к минимуму любые задержки во время транспортировки ксенона высокого давления, чтобы сохранить поляризацию, так как поляризация будет быстро затухать, как только доза окажется за пределами магнитного поля, сохраняющего T1. Если поляризация уменьшается на 20% и более во время транспортировки, используйте чемодан с магнитным экраном.
   3. Избегайте посторонних радиочастотных сигналов на пути транспортировки (например, считывателя карт, лазера, платы из нержавеющей стали и т. д.), так как они могут способствовать потерям поляризации.
   4. Перед транспортировкой измерьте начальную эквивалентную дозу (DE) газа HP ¹²⁹Xe. DE задается ^{числом 11},
      (1.2)
      где f₁₂₉ — изотропная доля ¹²⁹Xe, P₁₂₉ — спиновая поляризация ядра ¹²⁹Xe, V _Xe — общий объем газообразного ксенона.
   5. Транспортируйте газ с измерительной станции в отверстие магнита, а затем обратно по тому же маршруту на поляриметрическую станцию. Повторно измерьте DE после кругового отключения, чтобы количественно оценить ожидаемые потери сигнала во время транспортировки газа. Если дополнительные радиочастотные сигналы не создают помех вдоль маршрута транспортировки, то расчетная поляризация будет точно соответствовать кривой затухания T1, описанной в уравнении 1.1.
3. Многоядерная (¹²⁹Xe MRI) катушка
   1. Правильно поместите катушку ¹²⁹Xe в магнит, чтобы обеспечить правильную ориентацию. Если используется квадратурная катушка, избегайте антиквадратурного возбуждения, так как это может привести к значительному падению сигнала в центре объема изображения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Ксеноновая катушка должна вмещать широкий диапазон размеров грудной клетки, чтобы учесть различия в настройке/нагрузке катушки у разных субъектов и во время различных фаз дыхания, что приводит к различным углам переворота при сканировании.
   2. Установите надежное физическое соединение между вилкой катушки и системой MR через назначенный разъем и настройте программное обеспечение катушки для указания допустимых ядер (¹²⁹Xe в нашем случае).
   3. Разделите хорошо охарактеризованную резонансную частоту протонов на МР-сканере на 3,61529, чтобы получить частоту ксенона¹¹.
   4. Охарактеризуйте параметры катушки (максимальная амплитуда передачи, опорная амплитуда передатчика, удельный коэффициент поглощения - SAR).
4. Измерительная спектроскопия ¹²⁹Xe
   1. Создайте термически поляризованный 129-ксеноновый фантом.
      1. Подсоедините стеклянный сосуд под давлением к мешку, наполненному ксеноновым газом, обеспечив соответствующий размер мешка и объем ксенона в соответствии с вместимостью сосуда.
      2. Погрузите сосуд под давлением в небольшое количество жидкого азота (LN₂), чтобы обеспечить диффузию и замерзание ксенона (см. рисунок 1).
      3. Запечатайте сосуд после того, как ксенон образовал внутри замерзший снег, затем дайте ему оттаять, создавая давление в сосуде. Рассчитайте давление в сосуде: P = (V_сосуд +_{V мешок})/V_сосуд , где V_сосуд - это объем сосуда, а V_bag - объем ксенона в мешке.
         ПРИМЕЧАНИЕ: В отличие от мешков с гиперполяризованным газом (HPG), термически поляризованный сосуд ¹²⁹Xe не нуждается в продувке от кислорода или вакууме, так как дополнительный кислород уменьшит ксенон_T1 - благоприятный эффект для термически поляризованного фантома. Также важно следить за тем, чтобы давление газа в сосуде не превышало заявленный производителем предел давления. При фантоме газа ¹²⁹Xe частоту ксенона можно измерить на пульте МРТ. Коммерческие ксеноновые фантомы для обеспечения качества также доступны¹³.
   2. Определение пиковой частоты с помощью термополяризованного ксенонового фантома.
      1. Поместите ксеноновый фантом внутрь катушки ¹²⁹Xe и разместите ее так же, как и у нагруженного пациента, так как различия в геометрии катушки могут существенно изменить доставленный B1 в фантом (рис. 2).
         ПРИМЕЧАНИЕ: Для правильной загрузки змеевика рекомендуется также загрузить подходящий водяной фантом.
      2. Выполняйте сканирование с протонной частотой, так как некоторые сканеры могут запретить многоядерное сканирование без начального локализатора частоты протонов.
      3. Используйте эксперимент с широкополосным передающим импульсом (при наличии), высокой пропускной способностью и высоким разрешением, чтобы точно определить пик частоты ксенона. Широкополосный импульс возбуждает широкий диапазон частот, обеспечивая возможность обнаружения ксенонового ЯМР.
      4. После обнаружения четко определенного пика запишите частоту с полной точностью и повторите эксперимент на новой частоте с низкой полосой пропускания (~1000 Гц), чтобы максимизировать отношение сигнал/шум (SNR) и точность пиковой частоты (рис. 3).
      5. Как только будет обнаружен удовлетворительный пик высокого сигнала, сохраните протокол для будущих тестов контроля качества.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Точное геометрическое расположение катушки в сканере обеспечивает базовое спектроскопическое сканирование, которое может быть воспроизведено в будущем для выявления возникающих проблем в случае ухудшения отношения сигнал/шум. Сам фантом может быть непосредственно сфотографирован, хотя для создания достаточного количества сигнала для реконструкции изображения может потребоваться несколько съемок, и он может не дать справедливой оценки достижимого отношения сигнал/шум, поскольку обычно требуются более высокие углы переворота. Подготовленный пакет с гиперполяризованным ксеноном является лучшим вариантом для тестирования желаемого протокола визуализации с параметрами визуализации in vivo .
5. Визуализация HP ¹²⁹Xe с пакетом для тестирования
   1. Для визуализации используйте небольшое количество HP ¹²⁹Xe (>300 мл), которое хорошо концентрировано и не содержит кислорода.
   2. Точно измерьте ¹²⁹Xe DE непосредственно перед визуализацией.
   3. Настройте протокол тестовой визуализации таким образом, чтобы он как можно точнее отражал желаемые параметры in vivo ¹¹.
   4. Получение и сохранение изображения ксеноновой сумки в качестве базовой оценки производительности сканера.
   5. Измеряйте и записывайте отношение сигнал/шум полученных изображений вместе со всеми параметрами сканирования и ксеноновым DE. Приемлемое отношение сигнал/шум для 2D-сканирования GRE может варьироваться в зависимости от объекта, но, как правило, оно должно быть около 30 или выше, с минимальным пороговым значением 15 для последующего анализа изображений¹¹.
   6. Для измерения угла отражения (FA) α выполните полнообъемное испорченное градиентно-эхо-сканирование, при котором поле зрения изображается два раза подряд (с FA ≈ 8-10°), используя одинаковые параметры последовательности и без зазора между концом первого изображения и началом второго. Измерьте отношение сигнал/шум при смещении по постоянному току на двух изображениях, S0 и S1, подсчитайте количество шагов фазового кодирования, n, и рассчитайте карту угла отражения следующим образом ¹⁴:
      (1.3)
      ПРИМЕЧАНИЯ: Общие параметры для МРТ in vivo HP ¹²⁹Xe, а также более сложный, но высокоточный метод калибровки с перекидным углом (эксперимент с многоимпульсным захватом) приведены в работе Niedbalski et ^al.11.
6. In vivo Визуализация HP ¹²⁹Xe
   1. Обеспечьте испытуемому надлежащий инструктаж по технике задержки дыхания и позвольте ему попрактиковаться в процедуре ингаляции с использованием воздушного мешка, прежде чем вводить мешок HP ¹²⁹Xe.
   2. Попросите испытуемого сделать серию вдохов и выдохов с комнатным воздухом, после чего следует глубокий вдох газа HP ¹²⁹Xe, задержка дыхания и начало сканирования (широко используемый метод). Внимательно следите за движениями грудной клетки субъекта, чтобы убедиться, что дыхание синхронизировано с предоставленными инструкциями.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящее время для процедур задержки дыхания используются различные методы коучинга, и в будущем документе консорциума, скорее всего, будет достигнут консенсус по этому вопросу.
   3. Используйте зажимы для носа, чтобы предотвратить вдыхание газа носом во время задержки дыхания.
   4. После визуализации с задержкой дыхания испытуемые должны делать глубокие вдохи, чтобы удалить ксенон из легких и устранить любые временные побочные эффекты¹¹.
   5. Для тех, кто хочет получить визуализацию растворенной фазы ксенона, следует иметь в виду, что объем вдыхания субъекта, вероятно, существенно влияет на полученные данные о растворенной фазе¹⁵.
7. Реконструкция и анализ данных
   1. Экспорт «сырых» данных со сканера, как правило, в виде списка сложных данных в порядке считывания.
   2. Для прямолинейно полученных k-пространственных траекторий каждая комплексная точка данных соответствует целочисленной частоте в двумерном (2D) или трехмерном (3D) k-пространстве. Восстановите изображение с помощью простого быстрого преобразования Фурье (БПФ) для прямолинейных траекторий.
   3. Для непрямолинейных траекторий (например, радиальных или спиральных данных) выполните «сетку» данных, чтобы интерполировать или свернуть сложные данные в целочисленные ячейки перед последующим БПФ. При необходимости проверьте данные перед выполнением сетки, чтобы убедиться в точности и избежать потенциальных артефактов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: БПФ необработанных данных k-пространства может давать изображения, похожие, но не идентичные изображениям, реконструированным сканером DICOM, поскольку сканер дополнительно корректирует восстановленные изображения на основе известных нелинейностей в поведении градиента. Эти эффекты, как правило, небольшие, но они могут быть более выражены по краям объема изображения сканера, особенно при визуализации крупных органов, таких как легкие. Рекомендуется использовать реконструированное сканером изображение (при наличии) для постобработки.

2. Действия по устранению неполадок

ПРИМЕЧАНИЕ: Несмотря на то, что в протоколе описаны некоторые процедуры контроля качества (КК) в гиперполяризованной МРТ ¹²⁹Xe, устранение неполадок может потребоваться из-за возникающих проблем, аномалий и проблем. Любые ошибки или промахи в процессе могут иметь волновой эффект, влияя на последующие шаги и приводя к таким проблемам, как отсутствие или низкое качество изображений с низкой интенсивностью сигнала, высоким уровнем шума или полной потерей сигнала. Для решения этих проблем необходимо использовать стратегические подходы для выявления и детального изучения проблем.

1. Подготовка пакета для доз HP ¹²⁹Xe для контроля качества
   1. Осторожно заварите точное количество газа ксенона для контрольного ксенонового мешка, обращая внимание на любой азот, смешанный с ним.
   2. Визуализируйте ксеноновый мешок в МРТ-сканере и проводите точные измерения поляризации до и после сеанса визуализации для надежного сравнения.
   3. Используйте одну и ту же последовательность изображений для всех сканирований контроля качества, чтобы обеспечить надежное сравнение.
   4. Обратите внимание на значения ксенонового ДЭ до и после проведения всех проверок качества, чтобы можно было сравнивать их в будущем.
2. Определение характеристик системного шума
   1. Создайте профиль управляющего шума для целей контроля качества. Используйте специальную настраиваемую последовательность 2D GRE, которая включает в себя большое поле зрения (FOV; 400–500 мм) для захвата максимального сигнала из области, высокую полосу пропускания на пиксель (максимально доступную или не менее >50 кГц) для определения близлежащих шумовых резонансов, а также минимально возможное время повторения (TR) и время эха (TE)^{11, 13}. См. Получите контроль качества для шумового профиля с помощью ксенонового жилета или катушки с петлей.
   2. Получение изображения без образца (HP ¹²⁹Xe) в катушке. Это изображение будет характеризовать профиль шума.
   3. Изучите полученные данные шума, в частности, k-пространство, для негауссовых элементов, таких как пики, паттерны или дискретизированные/группированные значения.
   4. Создайте график КК, сопоставив полученные вещественные/мнимые данные с синтезированным гауссовским набором данных (с соответствующей функцией генерации случайных чисел) с одинаковым средним значением, стандартным отклонением и длиной вектора, упорядоченными от меньшего к большему. Отклонения от линии y = x на графике КК указывают на наличие в полученных данных негауссовских компонент, требующих дальнейшего изучения. (Рисунок 4).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Квантиль-квантильный график (график КК) может дать представление о том, демонстрируют ли два набора данных схожие распределения. Сравнение данных с нормально распределенным набором данных позволяет оценить, является ли распределение гауссовым. Протокол предполагает, что действительная и мнимая части k-пространства аппроксимируют распределение Гаусса при отсутствии выборки.
   5. Определите картину распределения шума и потенциальные выбросы с помощью подходящего графика по выбору (при необходимости используйте критерий Шовене¹⁶).
   6. Классифицируйте шум на регулярный и нерегулярный в зависимости от его характеристик (см. шаги 2.3 и 2.4).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Регулярный шум включает в себя регулярно появляющиеся паттерны в считывании или данных k-пространства. Нерегулярный шум выглядит относительно случайным и часто имеет высокую интенсивность без различимой временной картины, но не демонстрирует гауссов профиль, как неизбежный тепловой шум.
3. Обычное обнаружение шума
   1. Чтобы исключить сканер в качестве источника шума, получайте изображения по стандартному протоколу сайта с отключенными различными параметрами последовательности импульсов и выключенными электронными компонентами. Например, если определенная градиентная катушка излучает шум, градиенты должны быть выключены перед запуском сканирования, чтобы проверить, разрешается ли шум.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выключение градиента, как правило, требует повышенного доступа к консоли сканера и может потребовать присутствия сервисного инженера. В конечном счете, последовательность, в которой многоядерный спектрометр активен, но нет градиентов и не подается радиочастотный сигнал, должна быть достаточной для определения того, возникает ли проблема шума в этих компонентах.
   2. Устраните источники шума в помещении и определите потенциальные источники обычного шума.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Источниками шума могут быть электронные компоненты, такие как контрастные инжекторы, кодовые кнопки, датчики, мониторы жизненно важных показателей, компоненты сканера (например, лазер позиционирования, механоэлектроника кровати, вентиляторы, освещение) или волноводы между стенками консоли/магнита.
   3. Используйте простую катушку поверхностной петли, настроенную на частоту ¹²⁹Xe, чтобы «обнюхать» магнитную комнату на наличие источников шума. Физически поместите элемент ксеноновой катушки рядом с потенциально проблемными устройствами и выполните последовательность испытаний (см. шаг 2.2.1) для обнаружения усиленного шума.
   4. Изучайте данные k-пространства и изображения, чтобы точно определить источник шума когерентности.
   5. Если идентифицирован конкретный источник, попытайтесь отключить его или накрыть алюминиевой фольгой/прошивкой или медной сеткой для уменьшения шума.
   6. Повторите сканирование после отключения или перекрытия источников шума, чтобы проверить, исчезает ли шум. Продолжайте этот процесс до тех пор, пока не будут устранены все источники шума, оставив только гауссов шум с низким среднеквадратичным значением.
4. Обнаружение нерегулярного шума
   1. Идентификация нерегулярного шума как «всплесков» высокого сигнала в отдельных пикселях k-пространства с аномально высокими или низкими сигналами в реальном или воображаемом каналах.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Пики К-пространства часто приводят к изображениям с полосатыми или «вельветовыми» узорами (рис. 5). Наличие высоких значений или пиков в данных k-пространства часто может привести к возникновению полосатого узора в пространстве изображения. Это явление часто связано с проблемами, связанными с градиентом.
   2. Устраните потенциальные проблемы с градиентами X, Y или Z, определив направление, отвечающее за полосатый узор (рис. 5). Выполняйте визуализацию в различных ориентациях фазового кодирования, в том числе спереди назад, с головы на ногу и слева направо.
   3. Систематически изучайте полученные изображения в каждой ориентации, чтобы определить, какое конкретное направление градиента вносит свой вклад в полосатый узор. При необходимости обратитесь к клиническому инженеру объекта, чтобы выборочно включить и отключить отдельные градиенты, что позволит идентифицировать источник любых всплесков шума.
5. Нет сигнала
   ПРИМЕЧАНИЕ: При возникновении ситуации, когда при съемке МРТ HPG сигнал не наблюдается, можно применить систематический подход к устранению неполадок. Вот несколько рекомендаций по решению этой проблемы:
   1. Проверьте ксеноновую катушку и соединение.
      1. Убедитесь, что ксеноновая катушка выбрана в МРТ-сканере и правильно подключена.
      2. Движение пациента во время сканирования может привести к отключению катушки, поэтому внимательно осмотрите соединение катушки.
      3. Проверьте, надежно ли закрыта дверца МРТ-сканера, так как открытая дверь может пропускать посторонние радиочастотные сигналы в магнитную комнату.
      4. Выполните спектроскопию ксенонового фантома (см. раздел 1.4.2) и проверьте высоту пика ксенона и минимальный уровень шума с помощью спектроскопии. Используйте угол поворота 90°, чтобы убедиться в наличии ксенонового пика. Рассчитайте максимальный сигнал, связанный с возбуждением на 90°, и сравните напряжение/мощность с результатами сканирования контроля качества.
   2. Оцените ксеноновую катушку.
      1. Приготовьте небольшой мешочек с ксеноном и измерьте поляризацию на измерительной станции.
      2. Визуализируйте сумку с помощью простого 2D-сканирования GRE на сумке HP ¹²⁹Xe со следующими параметрами: больший угол поворота 90° (при необходимости отрегулируйте длительность импульса, так как длительность импульса диктует ширину полосы пропускания [ЧМ]), используйте опорное напряжение на основе предыдущего контроля качества фантома, высокое поле зрения и низкое ЧБ, сохраняя при этом базовое разрешение на низком уровне.
      3. Снова измерьте поляризацию на измерительной станции. Если поляризация значительно не уменьшается, это указывает на потенциальную проблему с передатчиком или усилителем с ксеноновой катушкой.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Уровень поляризации испытывает постепенное снижение из-за затухания Т1 на протяжении всего этого процесса, независимо от успеха импульсов возбуждения от катушки ксенонового жилета. Таким образом, предполагается, что высокий 90° FA наблюдает достаточный спад поляризации, вызванный импульсом возбуждения, чтобы исключить проблему с функциональностью передатчика с ксеноновой катушкой. Если поляризация значительно уменьшается, но сигнал на изображении не обнаруживается, это указывает на проблему с приемником ксеноновой катушки.
   3. Всесторонний анализ
      1. Проанализируйте данные как в k-пространстве, так и в пространстве изображений, чтобы изучить любые аномалии или несоответствия.
      2. Сравните полученные данные с предыдущими сканированиями или справочными данными, чтобы выявить потенциальные различия или отклонения.
6. Дискретизация данных
   1. Проверьте дискретизацию данных (рис. 6).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Когда напряжение катушки регистрируется сканером-спектрометром, оно усиливается до соответствующего уровня, чтобы обеспечить использование полного динамического диапазона спектрометра и достижение высочайшей точности. Сигнал дискретизируется во времени в соответствии с шириной полосы считывания, которая обратно пропорциональна времени задержки в точке данных, а записанные значения аналогового напряжения оцифровываются в дискретные сигнальные «бины», определяемые битовой глубиной спектрометра. Надлежащее усиление входящего сигнала для охвата всей битовой глубины требует, чтобы пользователь предоставил правильные значения напряжения/усиления/масштабирования катушки. На некоторых сканерах сканирование изображений будет запрещено до тех пор, пока не будут выполнены подготовительные импульсы на целевой частоте - процесс, которого следует избегать для гиперполяризационных исследований, поскольку дополнительный радиочастотный сигнал уменьшит поляризацию и увеличит время задержки дыхания. Если спектрометр неправильно откалиброван или не может адекватно усилить сигнал, записанные данные могут быть грубо дискретизированы - только небольшой процент амплитудных бинов заполнен оцифрованными точками данных. Дискретизация данных также может влиять на содержание информации, приводя к ошибкам квантования и потере мелких деталей. Дискретизация данных также может привести к появлению артефактов, снижению отношения сигнал/шум и ограничению возможности точного анализа физиологических изменений. Важно отметить, что грубая дискретизация данных k-пространства не может препятствовать получению внешне удовлетворительного изображения (рис. 6).
   2. Оптимизируйте параметры сбора данных и используйте соответствующие алгоритмы реконструкции, чтобы уменьшить дискретизацию данных.
   3. Улучшайте аппаратное обеспечение и используйте такие методы, как более высокая частота дискретизации, расширенные методы интерполяции и стратегии шумоподавления, чтобы смягчить негативные последствия дискретизации данных.

Representative Results

На рисунке 4 показаны результаты анализа характеристик шума, выполненного при сканировании шума. На графике показано влияние как регулярного, так и нерегулярного шума на k-пространство, где наблюдается отклонение от идеальной опорной линии y=x. Регулярный шум приводит к непрерывному паттерну в k-пространстве, в то время как нерегулярный шум приводит к выбросам с высокой ценностью на графике КК.

Переходя к рисунку 5, представлена серия изображений легких, полученных с помощью МРТ HPG. В верхней строке показаны примеры в пространстве изображения, в том числе эталонное сканирование, изображение легких с обычным и/или нерегулярным шумом, а также изображение без сигнала. В нижней строке отображаются соответствующие представления модуля k-пространства.

На рисунке 5А отчетливое яркое пятно находится в центре k-пространства, что указывает на четкий сигнал легких с низким уровнем шума. И наоборот, на рисунке 5B показано наличие регулярного шума (гауссовского шума), распространяющегося по всем изображениям. На рисунке 5C виден нерегулярный шум, вызывающий значительные пики в k-пространстве и приводящий к полосовому рисунку в пространстве изображения. На рисунке 5D показан сценарий, в котором одновременно присутствуют как регулярные, так и нерегулярные шумы, влияющие на изображение легких. Наконец, на рисунке 5E показан случай, когда на полученном изображении легких сигнал не обнаружен.

На рисунке 6 показан пример грубой дискретизации данных по сравнению с правильно масштабированными данными k-пространства. При расчете отношения сигнал/шум становится очевидным, что дискретизированные данные демонстрируют низкий уровень сигнала.

Рисунок 1: Иллюстрация создания ксенонового фантома. Сосуд под давлением помещается в небольшое количество жидкого азота, чтобы ксенон замерз при температуре около -203,15 °C (70 K). Мешок ¹²⁹Xe соединяется непосредственно с судном. По мере того, как ксенон диффундирует в сосуд, он замерзает при соприкосновении с холодными стенками, создавая замерзшую снежную структуру. После полного замораживания сосуд герметизируется, и ксенону дают оттаять, что приводит к повышению давления внутри сосуда. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Устройство для спектроскопии. (A) 129-ксеноновый фантом, расположенный между двумя протонными фантомами, заключенными в жилет ¹²⁹Xe. (B) Закрепите катушку ксенонового жилета ремнями. (C) Вставьте узел в отверстие магнита для локализации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Характеристика сигнала по отношению к возбуждению с переменной полосой пропускания при постоянной частоте ксенона (34 081 645 Гц). Увеличение пропускной способности приводит к более высокому уровню шума. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Три типа шума: допустимый, обычный и нерегулярный шум. (A) На панели A показано представление модуля k-пространства для каждого паттерна шума, где обычный шум демонстрирует полосатый рисунок, а нерегулярный шум показывает пики (яркие пятна). (B) Гистограмма действительной и мнимой частей данных k-пространства для каждого сканирования шума. (C) График QQ вещественных/мнимых компонентов данных k-пространства, сравнивающий полученный набор данных с нормально распределенным набором данных с равным средним значением и стандартным отклонением в порядке возрастания. Красная линия представляет собой опорную линию y = x. Отклонения от этой линии указывают на наличие в полученных данных негауссовских компонент. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Иллюстрация различных шумовых паттернов при визуализации легких HPG ¹²⁹Xe. В верхней строке отображаются примеры пространства изображений, включая эталонное сканирование, изображение легких с регулярным и/или нерегулярным шумом и изображение без сигнала. В нижней строке показаны соответствующие представления модуля k-пространства. На изображении с сигналом яркое пятно центрировано в k-пространстве, представляя сигнал легких. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Иллюстрация эффекта высокой/низкой цифровой точности в реконструированных данных тестового пакета ¹²⁹Xe. Для высокоточного цифрового изображения (верхняя строка) изображение имеет высокое отношение сигнал/шум 600, а модуль^55-й строки К-пространства показывает гладкую кривую, показывающую мелкие детали данных. Однако на изображении с низкой цифровой точностью (нижняя строка) отдельные точки данных «группируются» по ограниченному числу цифровых уровней, которые охватывают диапазон сигнала, что приводит к уменьшению отношения сигнал/шум (SNR = 98) в восстановленном изображении. Эта проблема может быть выявлена только при тщательном изучении исходных данных сигнала, так как она не препятствует получению внешне удовлетворительного изображения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Discussion

Способность устранять неполадки ¹²⁹Xe MRI является необходимым навыком и может помочь устранить проблемы в режиме реального времени. До тех пор, пока гиперполяризованная газовая инфраструктура не будет приобретена у одной стороны и не получит поддержку со стороны производителей сканеров, эти задачи контроля качества являются исключительной ответственностью отдельных лабораторий. Цель данной рукописи состоит в том, чтобы предоставить читателю полезные рекомендации и предложения на случай неизбежного некачественного сбора данных. Несмотря на то, что мы стараемся решить как можно больше потенциальных проблем, многие другие проблемы, связанные с МРТ ¹²⁹Xe, специфичны для производителя сканера и не могут быть подробно обсуждены из-за ограничений интеллектуальной собственности. Тем не менее, Консорциум клинических испытаний ¹²⁹Xe, сообщество, целью которого является разработка многоцентровых исследований с использованием МРТ ¹²⁹Xe, состоит из многих участников центра и опытных экспертов, имеющих опыт внедрения МРТ ¹²⁹Xe на различных платформах и программном обеспечении17. Рекомендуется обращаться к любому из участников сайта с любыми вопросами по внедрению и/или устранению неполадок, которые здесь не рассматриваются.

Необходимо проводить регулярные проверки работоспособности катушки для выявления ранних признаков снижения сигнала или возникающих проблем с шумом. Эти проверки включают в себя осмотр интерфейса катушки и внутренних соединений, а также оценку потенциального воздействия падений или чрезмерного веса на катушку. В дополнение к физическим осмотрам, частое сравнение спектроскопических сканов может помочь в выявлении проблем с производительностью катушки. Поскольку многоядерная функциональность системы МРТ является общим компонентом с протонной установкой, любые вновь вводимые устройства или оборудование в магнитной комнате должны проходить тестирование для предотвращения потенциальных помех на частоте ксенона. В дополнение к техническим соображениям, следует уделять внимание деталям в экспериментальных процедурах. Это включает в себя эффективное обучение испытуемых, обеспечение четкой коммуникации с координаторами исследования и точное позиционирование ксенонового мешка во время сканирования контроля качества. Эти, казалось бы, незначительные детали не следует упускать из виду, так как они могут существенно улучшить качество изображения и общие результаты исследования.

Протокол, представленный в этой статье, предлагает исследователям комплексную основу для выявления и устранения потенциальных проблем в процессе визуализации. Систематически следуя шагам по устранению неполадок, исследователи могут оптимизировать качество изображения, повысить точность данных и продвинуть область гиперполяризованной ксеноновой МРТ. Постоянное совершенствование и адаптация этих стратегий поиска и устранения неисправностей в сочетании с достижениями в области технологий визуализации будет способствовать дальнейшему повышению качества и надежности гиперполяризованных ксеноновых МРТ-исследований.

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