Risoluzione dei problemi e garanzia di qualità nella risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzato: strumenti per l'acquisizione di immagini di alta qualità

Summary

Qui, presentiamo un protocollo per ottenere immagini di risonanza magnetica xenon-129 iperpolarizzate di alta qualità, che copre hardware, software, acquisizione dati, selezione della sequenza, gestione dei dati, utilizzo dello spazio k e analisi del rumore.

Abstract

La risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzata (HP) (¹²⁹Xe MRI) è una modalità di imaging recentemente approvata dalla Federal Drug Administration (FDA) che produce immagini ad alta risoluzione di un respiro inalato di gas xeno per lo studio della funzione polmonare. Tuttavia, l'implementazione della risonanza magnetica ¹²⁹Xe è particolarmente impegnativa in quanto richiede hardware e apparecchiature specializzate per l'iperpolarizzazione, l'approvvigionamento di bobine di imaging allo xeno e software per bobine, lo sviluppo e la compilazione di sequenze di imaging RM multinucleare e la ricostruzione/analisi dei dati acquisiti. Senza un'adeguata esperienza, queste attività possono essere scoraggianti e la mancata acquisizione di immagini di alta qualità può essere frustrante e costosa. Qui, presentiamo alcuni protocolli di controllo della qualità (QC), pratiche di risoluzione dei problemi e strumenti utili per¹²⁹siti di risonanza magnetica Xe, che possono aiutare nell'acquisizione di dati ottimizzati e di alta qualità e risultati accurati. La discussione inizierà con una panoramica del processo di implementazione di HP ¹²⁹Xe MRI, inclusi i requisiti per un laboratorio di iperpolarizzazione, la combinazione di hardware/software della bobina ¹²⁹Xe MRI, considerazioni sull'acquisizione e la sequenza dei dati, le strutture dei dati, lo spazio k e le proprietà dell'immagine e le caratteristiche del segnale e del rumore misurate. All'interno di ciascuno di questi passaggi necessari si trovano opportunità di errori, sfide e eventi sfavorevoli che portano a una scarsa qualità dell'immagine o a un imaging non riuscito, e questa presentazione mira ad affrontare alcuni dei problemi più comunemente riscontrati. In particolare, l'identificazione e la caratterizzazione di pattern di rumore anomali nei dati acquisiti sono necessarie per evitare artefatti di immagine e immagini di bassa qualità; Verranno forniti esempi e verranno discusse strategie di mitigazione. Il nostro obiettivo è quello di semplificare il processo di implementazione della risonanza magnetica ¹²⁹Xe per i nuovi siti, fornendo al contempo alcune linee guida e strategie per la risoluzione dei problemi in tempo reale.

Introduction

Per oltre un secolo, la valutazione della funzionalità polmonare si è basata principalmente su misurazioni globali provenienti dalla spirometria e dalla pletismografia corporea. Tuttavia, questi tradizionali test di funzionalità polmonare (PFT) sono limitati nella loro capacità di catturare le sfumature regionali della malattia in fase iniziale e i sottili cambiamenti nel tessuto polmonare¹. La medicina nucleare con radiotraccianti per via inalatoria è stata ampiamente utilizzata per la valutazione dei disallineamenti di ventilazione/perfusione comunemente associati agli emboli polmonari, ma ciò comporta radiazioni ionizzanti e produce una risoluzione inferiore. Al contrario, la tomografia computerizzata (TC) è emersa come il gold standard per l'imaging polmonare, offrendo un'eccezionale chiarezza spaziale e temporale rispetto all'imaging nucleare². Sebbene le scansioni TC a basso dosaggio possano mitigare l'esposizione alle radiazioni, il potenziale rischio di radiazioni dovrebbe comunque essere considerato ^3,4. La risonanza magnetica protonica del polmone è rara a causa della bassa densità tissutale del polmone e del rapido decadimento del segnale dal tessuto polmonare, sebbene i recenti progressi offrano informazioni funzionali nonostante il potenziale basso segnale. D'altra parte, la risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzato (HP ¹²⁹Xe MRI) è una modalità non invasiva che consente l'imaging della funzione polmonare con specificità regionale ^5,6. Produce un'elevata magnetizzazione nucleare di non equilibrio del gas in quantità litri. Il gas inerte viene quindi inalato da un soggetto all'interno dello scanner RM per un singolo respiro e viene ripreso direttamente dallo scanner. Pertanto, il gas inalato viene visualizzato direttamente al contrario del tessuto stesso. Questa tecnica è stata utilizzata per valutare la ventilazione polmonare in molte malattie, tra cui l'asma, la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO), la fibrosi cistica, la fibrosi polmonare idiopatica, la malattia da coronavirus 2019 (COVID-19) e molte altre³. Nel dicembre 2022, HP ¹²⁹Xe MRI è stato approvato dalla FDA degli Stati Uniti come agente di contrasto per la ventilazione MRI da utilizzare negli Stati Uniti d'America (USA) negli adulti e nei pazienti pediatrici di età pari o superiore a 12 anni⁷. I medici possono ora utilizzare la risonanza magnetica ¹²⁹Xe per prendersi cura meglio dei pazienti con piani di trattamento migliorati/personalizzati.

Storicamente, la risonanza magnetica clinica si concentra esclusivamente sull'imaging dei nuclei di idrogeno (protoni) che sono abbondanti in quasi tutti i visceri umani. Gli scanner MRI, le sequenze e il controllo qualità sono generalmente gestiti dal produttore dello scanner come parte della licenza e della garanzia del sito. Tuttavia, ¹²⁹Xe richiede uno scanner RM multinucleare e ha richiesto un team di ricerca dedicato per rendere operativo l'iperpolarizzatore, bobine a radiofrequenza (RF) personalizzate, sequenze di impulsi dedicate e software di ricostruzione/analisi offline. Ognuno di questi componenti può essere fornito da fornitori terzi o sviluppato internamente. Pertanto, l'onere del controllo di qualità ricade generalmente sul team di ricerca ¹²⁹Xe e non sul produttore dello scanner o su singole terze parti. L'acquisizione coerente di dati ¹²⁹Xe di alta qualità è quindi una sfida unica, poiché ogni componente del processo di risonanza magnetica ¹²⁹Xe introduce il potenziale di errore, che deve essere attentamente monitorato dal team ¹²⁹Xe. Non solo queste situazioni possono essere estremamente frustranti in quanto i ricercatori devono risolvere i problemi e indagare sulle possibili cause di eventuali sfide che potrebbero essere emerse, ma possono essere molto costose in quanto ciò rallenta l'imaging dei pazienti e il reclutamento dei soggetti. Alcuni costi associati alla risoluzione dei problemi riguardano i costi del tempo di risonanza magnetica, l'iperpolarizzazione di ¹²⁹Xe, che comporta il consumo di gas diversi, e l'uso di materiali. Inoltre, con la recente approvazione della FDA e la crescita dell'imaging ¹²⁹Xe, è necessario fornire un protocollo standardizzato per il controllo della qualità per evitare problemi comuni e battute d'arresto nell'operazione ¹²⁹Xe ^8,9.

In questo articolo, presentiamo alcuni dei problemi più comuni riscontrati nella risonanza magnetica ¹²⁹Xe, tra cui i guasti della bobina RF, l'emergere di vari profili di rumore che portano a un basso rapporto segnale/rumore (SNR) e immagini di scarsa qualità¹⁰. Il nostro obiettivo è quello di fornire alcune linee guida e protocolli concisi per il controllo della qualità (QC) per garantire l'acquisizione di dati di immagine di alta qualità e risolvere alcuni dei problemi più comuni che possono sorgere nella risonanza magnetica ¹²⁹Xe. Le informazioni fornite qui sono rilevanti anche per la risoluzione dei problemi relativi all'elio-3 iperpolarizzato.

Protocol

Il protocollo delineato di seguito aderisce alle linee guida e agli standard stabiliti dal Comitato etico per la ricerca umana dell'Università del Missouri, garantendo la conduzione etica dello studio e la protezione dei diritti, della sicurezza e del benessere dei partecipanti.

NOTA: Per garantire l'affidabilità e l'accuratezza degli studi di risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzato, è fondamentale eseguire una caratterizzazione rigorosa delle immagini acquisite, seguire un protocollo completo e impiegare strategie efficaci per la risoluzione dei problemi. La sessione di imaging prevede diverse fasi: iperpolarizzazione del gas, comunicazione bobina ¹²⁹Xe/scanner, spettroscopia ¹²⁹Xe, acquisizione dei dati, ricostruzione dei dati e analisi delle immagini. Il protocollo inizia discutendo in dettaglio questi passaggi ed evidenzia le precauzioni necessarie e le strategie di risoluzione dei problemi per ottimizzare il processo di imaging. Seguendo queste procedure e incorporando strategie di risoluzione dei problemi esperte, i ricercatori possono ottimizzare il processo di imaging e superare le sfide che possono sorgere durante gli studi di risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzato. Verranno quindi illustrate le procedure comuni di risoluzione dei problemi che possono verificarsi in diversi casi di dati non ottimali.

1. Passaggi chiave per uno studio completo di risonanza magnetica HPG

Qui abbiamo presentato una breve panoramica dei processi coinvolti in una tipica sessione di imaging ^{iperpolarizzato 129}Xe. Le raccomandazioni dettagliate del protocollo del ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium sono riportate in Niedbalski et ^al.11.

1. ¹²⁹Iperpolarizzazione Xe
   1. Assicurarsi che l'iperpolarizzatore ¹²⁹Xe sia configurato e operativo secondo le linee guida del produttore o i protocolli specifici del laboratorio per i polarizzatori personalizzati.
   2. Eseguire misurazioni di rilassamento T1 utilizzando la tecnica di risonanza magnetica nucleare (NMR) su un campione rappresentativo del gas HP ¹²⁹Xe presso la stazione di misura HP. In un campo stabile di 30 mT, lo xeno in una sacca dosatrice di gas da 1 L dovrebbe avere un T1 di > 45 min.
      NOTA: Dopo aver completato la misurazione della polarizzazione, la sacca dosatrice HP ¹²⁹Xe deve essere mantenuta all'interno del campo magnetico della stazione di misurazione HP per mantenere la polarizzazione fino a quando non è pronta per il trasporto allo scanner RM. La polarizzazione decadrà secondo¹²,
      (1.1)
      dove P(t) è la polarizzazione al tempo t, P₀ è la polarizzazione iniziale e T₁ è la velocità di decadimento della magnetizzazione (senza considerare le perdite di polarizzazione dovute all'eccitazione).
2. Misurazione della perdita di polarizzazione dovuta al trasporto di gas
   1. Garantire un percorso diretto ed efficiente dal punto di raccolta dello xeno alla stanza magnetica in cui avverrà l'imaging.
   2. Ridurre al minimo eventuali ritardi durante il trasporto allo xeno HP per mantenere la polarizzazione, poiché la polarizzazione decade rapidamente una volta che la dose è al di fuori del campo magnetico che preserva il T1. Se la polarizzazione diminuisce del 20% o più durante il trasporto, utilizzare una valigia con schermatura magnetica.
   3. Evitare segnali RF estranei lungo il percorso di trasporto (ad es. lettore di schede, laser, scheda in acciaio inossidabile, ecc.), in quanto possono contribuire alla perdita di polarizzazione.
   4. Misurare la dose iniziale equivalente (DE) del gas HP ¹²⁹Xe prima del trasporto. DE è dato da ¹¹,
      (1.2)
      dove f₁₂₉ è la frazione isotropa di ¹²⁹Xe, P₁₂₉ è la polarizzazione di spin nucleare ^{di 129}Xe e V_Xe è il volume totale del gas xeno.
   5. Trasportare il gas dalla stazione di misura nel foro magnetico, quindi tornare indietro lungo lo stesso percorso fino alla stazione di polarimetria. Misurare nuovamente DE dopo il viaggio di andata e ritorno per quantificare la perdita di segnale prevista durante il trasporto del gas. Se nessun segnale RF aggiuntivo interferisce lungo il percorso di trasporto, la polarizzazione stimata seguirà da vicino la curva di decadimento T1 delineata nell'equazione 1.1.
3. Bobina multinucleare (¹²⁹Xe MRI)
   1. Posizionare correttamente la bobina ¹²⁹Xe nel magnete per garantire il corretto orientamento. Se si utilizza una bobina in quadratura, evitare l'eccitazione anti-quadratura, in quanto può causare un calo significativo del segnale al centro del volume di imaging.
      NOTA: La bobina allo xeno deve adattarsi a un'ampia gamma di dimensioni del torace per adattarsi alle variazioni nella sintonizzazione/caricamento della bobina tra i soggetti e durante le diverse fasi della respirazione, portando a angoli di capovolgimento variabili tra le scansioni.
   2. Stabilire una connessione fisica sicura tra la spina della bobina e il sistema RM attraverso la presa designata e configurare il software della bobina per specificare i nuclei consentiti (¹²⁹Xe nel nostro caso).
   3. Dividi la frequenza di risonanza protonica ben caratterizzata sullo scanner RM per 3,61529 per ottenere la frequenza dello xeno¹¹.
   4. Caratterizzare i parametri della bobina (ampiezza massima di trasmissione, ampiezza di riferimento del trasmettitore, tasso di assorbimento specifico - SAR).
4. Misurazione della spettroscopia ¹²⁹Xe
   1. Crea un fantoccio allo xeno a 129 polarizzazioni termiche.
      1. Collegare un recipiente a pressione di vetro a un sacchetto riempito di gas xeno, assicurandosi che le dimensioni del sacchetto e il volume di xeno siano appropriati per allinearsi alla capacità del serbatoio.
      2. Immergere il recipiente a pressione in una piccola quantità di azoto liquido (LN₂) per consentire la diffusione e il congelamento dello xeno (vedere la Figura 1).
      3. Sigillare il recipiente dopo che lo xeno ha formato neve congelata all'interno, quindi lasciarlo scongelare, pressurizzando il recipiente. Calcolare la pressione nel recipiente: P = (_{V vessel} +_{V bag})/V_vessel dove V_vessel è il volume del vessel e V_bag è il volume dello xeno nel sacchetto.
         NOTA: A differenza delle sacche di gas iperpolarizzato (HPG), il recipiente ¹²⁹Xe polarizzato termicamente non ha bisogno di essere spurgato dall'ossigeno o evacuato sotto vuoto poiché l'ossigeno aggiuntivo ridurrà lo xeno T₁ - un effetto favorevole nel fantasma polarizzato termicamente. Inoltre, è importante assicurarsi che la pressione del gas nel recipiente non superi il limite di pressione dichiarato dal produttore. Con un fantoccio di gas ¹²⁹Xe, la frequenza dello xeno può essere misurata sulla console MRI. Sono disponibili anche fantocci allo xeno commerciali per la garanzia della qualit๳.
   2. Rileva la frequenza di picco con un fantoccio allo xeno polarizzato termicamente.
      1. Inserire il fantoccio allo xeno all'interno della bobina ¹²⁹Xe e posizionarlo in modo simile a quello di un paziente carico, poiché le differenze nella geometria della bobina possono alterare sostanzialmente il B1 erogato al fantoccio (Figura 2).
         NOTA: Si consiglia di caricare anche un fantoccio d'acqua adatto per caricare correttamente la bobina.
      2. Eseguire una scansione con frequenza protonica, poiché alcuni scanner potrebbero non consentire scansioni multinucleari senza un localizzatore di frequenza protonica iniziale.
      3. Utilizzare un impulso di trasmissione a banda larga (se disponibile), un'elevata larghezza di banda e un esperimento di lettura ad alta risoluzione per rilevare con precisione il picco di frequenza allo xeno. Un impulso a banda larga ecciterà un'ampia gamma di frequenze, garantendo che l'NMR allo xeno possa essere rilevato.
      4. Una volta rilevato un picco ben definito, registrare la frequenza con la massima precisione e ripetere l'esperimento alla nuova frequenza con larghezza di banda ridotta (~1000 Hz) per massimizzare il rapporto segnale/rumore (SNR) e la precisione della frequenza di picco (Figura 3).
      5. Una volta rilevato un picco di segnale elevato soddisfacente, salvare il protocollo per futuri test di controllo qualità.
         NOTA: Il preciso posizionamento geometrico della bobina nello scanner fornisce una scansione spettroscopica di base, che può essere replicata in futuro per identificare i problemi emergenti se si osserva un peggioramento dell'SNR. Il fantoccio stesso può essere ripreso direttamente, anche se può richiedere più acquisizioni per costruire un segnale sufficiente per la ricostruzione dell'immagine e potrebbe non fornire una stima equa dell'SNR ottenibile poiché sono generalmente richiesti angoli di capovolgimento più elevati. Una sacca preparata di xeno iperpolarizzato è l'opzione migliore per testare il protocollo di imaging desiderato con parametri di imaging in vivo .
5. Imaging HP ¹²⁹Xe con una borsa di prova
   1. Utilizzare una piccola quantità di HP ¹²⁹Xe (>300 mL) per l'imaging, che è ben concentrato e privo di ossigeno.
   2. Misurare accuratamente il ¹²⁹Xe DE immediatamente prima dell'imaging.
   3. Impostare il protocollo di imaging del test in modo che rifletta il più fedelmente possibile i parametri in vivo desiderati¹¹.
   4. Acquisire e salvare l'immagine della sacca allo xeno come misura di base delle prestazioni dello scanner.
   5. Misura e registra l'SNR delle immagini acquisite insieme a tutti i parametri di scansione e allo xeno DE. L'SNR accettabile per una scansione GRE 2D può variare in base al sito, ma in genere dovrebbe essere di circa 30 o superiore, con una soglia minima di 15 per la successiva analisi dell'immagine¹¹.
   6. Per misurare l'angolo di inversione (FA), α, eseguire una scansione gradiente-eco a tutto volume in cui il FOV viene ripreso due volte di seguito (con FA ≈ 8-10°), utilizzando parametri di sequenza identici e senza spazi vuoti tra la fine della prima immagine e l'inizio della seconda. Misurare l'SNR all'offset CC delle due immagini, S0 e S1, contare il numero di passi di codifica di fase, n, e calcolare la mappa dell'angolo di inversione come segue ¹⁴:
      (1.3)
      NOTE: I parametri comuni per la risonanza magnetica HP ¹²⁹Xe in vivo, così come un metodo di calibrazione dell'angolo di capovolgimento più complicato ma altamente accurato (esperimento multi-shot pulse/acquire), sono riportati in Niedbalski et al.11.
6. In vivo Imaging HP ¹²⁹Xe
   1. Fornire un'adeguata formazione al soggetto per quanto riguarda le tecniche di apnea e consentire al soggetto di praticare la procedura di inalazione utilizzando una sacca d'aria prima di introdurre la sacca HP ¹²⁹Xe.
   2. Istruire il soggetto a eseguire una serie di inspirazioni ed espirazioni con l'aria ambiente, seguite da un'inalazione profonda di gas HP ¹²⁹Xe, trattenendo l'apnea e avviando la scansione (un metodo comunemente usato). Monitorare attentamente il movimento del torace del soggetto per assicurarsi che la respirazione rimanga sincronizzata con le istruzioni fornite.
      NOTA: Vari metodi di coaching sono attualmente impiegati per le procedure di apnea e un futuro documento del consorzio probabilmente stabilirà una dichiarazione di consenso su questo.
   3. Utilizzare clip per il naso per prevenire l'inalazione nasale del gas durante l'apnea.
   4. Dopo l'imaging in apnea, istruire i soggetti a fare respiri profondi per rimuovere lo xeno dai polmoni e risolvere eventuali effetti collaterali temporanei¹¹.
   5. Per coloro che perseguono l'imaging allo xeno in fase disciolta, devono essere consapevoli del fatto che il volume di inalazione del soggetto probabilmente influisce in modo sostanziale sui dati acquisiti in fase disciolta¹⁵.
7. Ricostruzione e analisi dei dati
   1. Esporta i dati "grezzi" dallo scanner, in genere sotto forma di un elenco di dati complessi in ordine di acquisizione della lettura.
   2. Per le traiettorie dello spazio k acquisite rettili, ogni punto dati complesso corrisponde a una frequenza intera nello spazio k bidimensionale (2D) o tridimensionale (3D). Ricostruisci l'immagine utilizzando una trasformata di Fourier (FFT) semplice e veloce per traiettorie rettilinee.
   3. Per le traiettorie non rettilinee (ad esempio, dati radiali o a spirale), eseguire il "gridding" dei dati per interpolare o convolgere dati complessi in contenitori interi prima della FFT successiva. Esaminare i dati prima di eseguire la griglia, se necessario, per garantire l'accuratezza ed evitare potenziali artefatti.
      NOTA: La FFT dei dati grezzi dello spazio k può produrre immagini simili ma non identiche alle immagini DICOM ricostruite dallo scanner, poiché lo scanner corregge ulteriormente le immagini ricostruite in base a non linearità note nel comportamento del gradiente. Questi effetti sono generalmente piccoli, ma possono essere più pronunciati ai bordi del volume di imaging dello scanner, specialmente quando vengono ripresi organi di grandi dimensioni come i polmoni. Si consiglia di utilizzare l'immagine ricostruita dallo scanner (se disponibile) per la post-elaborazione.

2. Passaggi per la risoluzione dei problemi

NOTA: Sebbene il protocollo delineasse alcune procedure di controllo della qualità (QC) nella risonanza magnetica ^{iperpolarizzata 129}Xe, la risoluzione dei problemi potrebbe essere necessaria a causa di problemi, anomalie e sfide emergenti. Eventuali errori o passi falsi nel processo possono avere un effetto a catena, influenzando i passaggi successivi e portando a problemi come immagini mancanti o di bassa qualità con bassa intensità del segnale, livelli di rumore elevati o perdita completa del segnale. Per affrontare queste sfide, dovrebbero essere impiegati approcci strategici per identificare e indagare i problemi in dettaglio.

1. Preparazione della sacca dosatrice HP ¹²⁹Xe per il CQ
   1. Preparare con cura una quantità precisa di gas xeno per il sacchetto di xeno di controllo, prendendo nota dell'eventuale azoto miscelato con esso.
   2. Acquisisci l'immagine della sacca di xeno nello scanner MRI ed esegui misurazioni accurate della polarizzazione prima e dopo la sessione di imaging per confronti affidabili.
   3. Utilizzare la stessa sequenza di imaging per tutte le scansioni QC per facilitare confronti affidabili.
   4. Annotare i valori DE allo xeno prima e dopo aver eseguito tutte le scansioni QC per consentire confronti futuri.
2. Caratterizzazione del rumore sistemico
   1. Creare un profilo di rumore di controllo per scopi di controllo qualità. Utilizzare una specifica sequenza GRE 2D personalizzata che includa un campo visivo elevato (FOV; 400-500 mm) per catturare il segnale massimo dall'area, un'elevata larghezza di banda per pixel (la massima disponibile o almeno >50 kHz) per identificare le risonanze del rumore vicine e il tempo di ripetizione (TR) e il tempo di eco (TE) più bassi ^{possibili11, Ore 13}. Acquisire il controllo di qualità per il profilo di rumore utilizzando un giubbotto allo xeno o una bobina ad anello.
   2. Ottenere un'immagine senza campione (HP ¹²⁹Xe) nella bobina. Questa immagine caratterizzerà il profilo di disturbo.
   3. Esaminare i dati di rumore acquisiti, in particolare lo spazio k, per elementi non gaussiani come picchi, pattern o valori discretizzati/binned.
   4. Creare un grafico QQ tracciando i dati reali/immaginari acquisiti rispetto a un set di dati gaussiani sintetizzato (con un'appropriata funzione di generazione di numeri casuali) con media, deviazione standard e lunghezza del vettore identici, entrambi ordinati dal più piccolo al più grande. Le deviazioni dalla linea y = x nel grafico QQ indicano la presenza di componenti non gaussiane all'interno dei dati acquisiti, che richiedono ulteriori indagini. (Figura 4).
      NOTA: un grafico quantile-quantile (grafico QQ) può fornire informazioni sul fatto che due set di dati mostrino distribuzioni simili. Il confronto dei dati con un set di dati normalmente distribuito consente di valutare se la distribuzione è gaussiana o meno. Il protocollo presuppone che la parte reale e immaginaria dello spazio k si avvicini a una distribuzione gaussiana in assenza di un campione.
   5. Identificare il modello di distribuzione del rumore e i potenziali valori anomali con un grafico adatto a scelta (utilizzare il criterio di Chauvenet se necessario¹⁶).
   6. Classificare il rumore in tipi regolari e irregolari in base alle sue caratteristiche (vedere i passaggi 2.3 e 2.4).
      NOTA: Il rumore regolare comporta la comparsa regolare di modelli nella lettura o nei dati dello spazio k. Il rumore irregolare appare relativamente casuale e spesso ha un'intensità elevata senza un modello temporale distinguibile, ma non dimostra un profilo gaussiano come il rumore termico inevitabile.
3. Rilevamento regolare del rumore
   1. Per escludere lo scanner come fonte di rumore, acquisire le immagini utilizzando il protocollo standard del sito con vari parametri di sequenza degli impulsi disabilitati e componenti elettronici spenti. Ad esempio, se una particolare bobina di gradiente emette rumore, i gradienti devono essere spenti prima di eseguire la scansione per esaminare se il rumore si risolve.
      NOTA: L'accensione del gradiente richiede generalmente un accesso elevato alla console dello scanner e potrebbe richiedere la presenza di un tecnico dell'assistenza. In definitiva, una sequenza in cui lo spettrometro multinucleare è attivo, ma non vengono alimentati gradienti e non viene erogata alcuna RF dovrebbe essere sufficiente per determinare se un problema di rumore ha origine all'interno di questi componenti.
   2. Elimina le fonti di rumore dalla stanza e successivamente identifica le potenziali origini del rumore regolare.
      NOTA: Le sorgenti di rumore possono includere componenti elettronici come iniettori di contrasto, pulsanti di codice, sensori, monitor di segnali vitali, componenti dello scanner (ad es. laser di posizionamento, meccanoelettronica del letto, ventole, luci) o guide d'onda tra le pareti della console/magnete.
   3. Utilizzare una semplice bobina ad anello di superficie sintonizzata sulla frequenza ¹²⁹Xe per "annusare" la stanza del magnete alla ricerca di fonti di rumore. Posizionare fisicamente l'elemento della bobina allo xeno vicino a potenziali dispositivi problematici ed eseguire una sequenza di test (vedere il passaggio 2.2.1) per rilevare il rumore amplificato.
   4. Esamina lo spazio k e i dati dell'immagine per individuare l'esatta fonte del rumore di coerenza.
   5. Se viene identificata una fonte specifica, tentare di disattivarla o coprirla con un foglio di alluminio/scossalina o una rete di rame per ridurre il rumore.
   6. Eseguire nuovamente la scansione dopo aver disabilitato o coperto le fonti di rumore per vedere se il rumore si risolve. Continuare questo processo fino a quando tutte le fonti di rumore non vengono eliminate, lasciando solo il rumore gaussiano a basso valore quadratico medio (RMS).
4. Rilevamento di rumori irregolari
   1. Identifica il rumore irregolare come "picchi" di segnale elevato nei singoli pixel dello spazio k con segnali anormalmente alti o bassi nei canali reali o immaginari.
      NOTA: i picchi dello spazio K spesso producono immagini con motivi a strisce o "velluto a coste" (Figura 5). La presenza di valori elevati o picchi nei dati dello spazio k può spesso portare al verificarsi di un pattern a strisce nello spazio dell'immagine. Questo fenomeno è spesso associato a problemi legati al gradiente.
   2. Elimina i potenziali problemi con i gradienti X, Y o Z identificando la direzione responsabile del motivo a strisce (Figura 5). Esegui l'imaging in diversi orientamenti di codifica di fase, tra cui da anteriore a posteriore, dalla testa ai piedi e da sinistra a destra.
   3. Esamina sistematicamente le immagini risultanti in ogni orientamento per identificare quale direzione specifica del gradiente contribuisce al motivo a strisce. Se necessario, contattare l'ingegnere clinico del sito per abilitare e disabilitare selettivamente i singoli gradienti, consentendo l'identificazione della fonte di eventuali picchi di rumore.
5. Nessun segnale
   NOTA: Quando si verifica una situazione in cui non si osserva alcun segnale dopo l'acquisizione negli studi di risonanza magnetica HPG, è possibile intraprendere un approccio sistematico alla risoluzione dei problemi. Ecco alcuni consigli per risolvere questo problema,
   1. Verificare la bobina allo xeno e il collegamento.
      1. Assicurarsi che la bobina allo xeno sia selezionata nello scanner MRI e collegata correttamente.
      2. Il movimento del paziente durante la scansione può causare la disconnessione della bobina, quindi ispezionare attentamente la connessione della bobina.
      3. Controllare se la porta dello scanner MRI è chiusa saldamente, poiché una porta aperta può consentire l'ingresso di RF esterne nella stanza magnetica.
      4. Eseguire la spettroscopia sul fantoccio allo xeno (vedere la sezione 1.4.2) e verificare l'altezza del picco dello xeno e il rumore di fondo dalla spettroscopia. Utilizzare un angolo di ribaltamento di 90° per garantire la presenza di un picco allo xeno. Calcola il segnale massimo associato all'eccitazione a 90° e confronta la tensione/potenza con i risultati della scansione QC.
   2. Valutare la bobina allo xeno.
      1. Preparare un piccolo sacchetto di xeno e misurare la polarizzazione nella stazione di misurazione.
      2. Visualizzare l'immagine della borsa con una semplice scansione GRE 2D su una borsa HP ¹²⁹Xe con i seguenti parametri: angolo di ribaltamento più elevato di 90° (regolare la durata dell'impulso, se necessario, poiché la durata dell'impulso determina la larghezza di banda di trasmissione [BW]), utilizzare la tensione di riferimento basata sul precedente QC di un phantom, un FOV elevato e un BW basso, mantenendo bassa la risoluzione di base.
      3. Misurare nuovamente la polarizzazione sulla stazione di misurazione. Se la polarizzazione non diminuisce in modo significativo, suggerisce un potenziale problema con il trasmettitore o l'amplificatore della bobina allo xeno.
         NOTA: Il livello di polarizzazione subisce un graduale declino a causa del decadimento T1 durante questo processo, indipendentemente dal successo degli impulsi di eccitazione dalla bobina del giubbotto allo xeno. Pertanto, si suggerisce un FA elevato di 90° per osservare un decadimento di polarizzazione sufficiente causato dall'impulso di eccitazione per escludere problemi di funzionalità del trasmettitore della bobina allo xeno. Se la polarizzazione diminuisce in modo significativo, ma non viene rilevato alcun segnale nell'immagine, viene indicato un problema con il ricevitore della bobina allo xeno.
   3. Analisi completa
      1. Analizza sia i dati dello spazio k che quelli dello spazio dell'immagine per esaminare eventuali anomalie o incongruenze.
      2. Confronta i dati acquisiti con scansioni precedenti o dati di riferimento per identificare potenziali differenze o deviazioni.
6. Discretizzazione dei dati
   1. Verificare la discretizzazione dei dati (Figura 6).
      NOTA: Quando le tensioni della bobina vengono registrate dallo spettrometro dello scanner, vengono amplificate a livelli appropriati per garantire l'utilizzo dell'intera gamma dinamica dello spettrometro e ottenere la massima fedeltà. Il segnale viene discretizzato temporalmente in base alla larghezza di banda di lettura, che è inversamente proporzionale al tempo di permanenza del datapoint, e i valori di tensione analogica registrati vengono digitalizzati in "contenitori" di segnale discreti determinati dalla profondità di bit dello spettrometro. Una corretta amplificazione del segnale in ingresso per coprire l'intera profondità di bit richiede che l'utente abbia fornito i corretti valori di tensione/amplificazione/scala della bobina. Su alcuni scanner, una scansione di imaging non sarà consentita fino a quando non vengono eseguiti impulsi di preparazione alla frequenza target, un processo che deve essere evitato per gli studi iperpolarizzati poiché la rf aggiuntiva ridurrà la polarizzazione e aumenterà il tempo di apnea. Se lo spettrometro è calibrato in modo errato o non riesce ad amplificare adeguatamente il segnale, i dati registrati possono essere discretizzati grossolanamente: solo una piccola percentuale dei contenitori di ampiezza è popolata con punti dati digitalizzati. La discretizzazione dei dati può anche influenzare il contenuto informativo introducendo errori di quantizzazione e perdita di dettagli fini. La discretizzazione dei dati può anche introdurre artefatti, compromettere l'SNR e limitare la capacità di analizzare accuratamente i cambiamenti fisiologici. È importante sottolineare che la discretizzazione grossolana dei dati nello spazio k potrebbe non impedire la produzione di un'immagine apparentemente soddisfacente (Figura 6).
   2. Ottimizzare i parametri di acquisizione e utilizzare opportuni algoritmi di ricostruzione per ridurre la discretizzazione dei dati.
   3. Migliora l'hardware e utilizza tecniche come frequenze di campionamento più elevate, metodi di interpolazione avanzati e strategie di riduzione del rumore per mitigare gli effetti negativi della discretizzazione dei dati.

Representative Results

La Figura 4 illustra i risultati dell'analisi di caratterizzazione del rumore eseguita sulla scansione del rumore. Il grafico mostra l'impatto del rumore regolare e irregolare sullo spazio k, dove si osserva la deviazione dalla linea di riferimento ideale y=x. Il rumore regolare porta a un modello continuo nello spazio k, mentre il rumore irregolare si traduce in valori anomali di alto valore nel grafico QQ.

Passando alla Figura 5, viene presentata una serie di immagini polmonari acquisite utilizzando la risonanza magnetica HPG. La riga superiore mostra esempi nello spazio dell'immagine, tra cui una scansione di riferimento, un'immagine polmonare influenzata da rumore regolare e/o irregolare e un'immagine senza segnale. La riga inferiore visualizza le rappresentazioni del modulo k-space corrispondenti.

Nella Figura 5A, un punto luminoso distinto è centrato nello spazio k, indicando un segnale polmonare chiaro con basso rumore. Al contrario, la Figura 5B mostra la presenza di rumore regolare (rumore gaussiano) diffuso in tutte le immagini. Nella Figura 5C, è evidente un rumore irregolare, che causa picchi di alto valore nello spazio k e provoca un motivo a strisce nello spazio dell'immagine. La Figura 5D illustra uno scenario in cui sono presenti contemporaneamente rumori regolari e irregolari, che influenzano l'immagine polmonare. Infine, la Figura 5E rappresenta un caso in cui non viene rilevato alcun segnale nell'immagine polmonare acquisita.

La Figura 6 illustra un esempio di discretizzazione di dati grossolani rispetto a dati k-space correttamente scalati. Calcolando l'SNR, diventa evidente che i dati discretizzati mostrano un basso livello di segnale.

Figura 1: Illustrazione della creazione di un fantoccio allo xeno. Il recipiente a pressione viene immerso in una piccola quantità di azoto liquido per congelare lo xeno a circa -203,15 °C (70 K). Una sacca da ¹²⁹Xe è collegata direttamente all'imbarcazione. Quando lo xeno si diffonde nel recipiente, si congela quando tocca le pareti fredde, creando una struttura simile alla neve ghiacciata. Una volta completamente congelato, il recipiente viene sigillato e lo xeno viene lasciato scongelare, con conseguente aumento della pressione all'interno del recipiente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Disposizione per la spettroscopia. (A) Phantom 129-Xenon posizionato tra due fantocci di protoni, tutti racchiusi all'interno di una bobina di giubbotto ¹²⁹Xe. (B) Fissare la bobina del giubbotto allo xeno con le cinghie. (C) Inserire il gruppo nel foro del magnete per la localizzazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Risposta del segnale in relazione all'eccitazione a larghezza di banda variabile a una frequenza allo xeno costante (34.081.645 Hz). L'aumento della larghezza di banda si traduce in un rumore di fondo più elevato. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Tre tipi di scansioni del rumore: rumore accettabile, normale e irregolare. (A) Il pannello A visualizza la rappresentazione del modulo k-space di ciascun modello di disturbo, con il rumore normale che mostra un modello a strisce e il rumore irregolare che mostra picchi (punti luminosi). (B) Istogramma delle parti reali e immaginarie dei dati dello spazio k per ogni scansione del rumore. (C) Il grafico QQ delle componenti reali/immaginarie dei dati dello spazio k, confrontando il set di dati acquisito con un set di dati normalmente distribuito di uguale media e deviazione standard in ordine crescente. La linea rossa rappresenta la linea di riferimento y = x. Le deviazioni da questa linea indicano la presenza di componenti non gaussiane all'interno dei dati acquisiti. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Illustrazione di diversi modelli di rumore nell'imaging polmonare HPG ¹²⁹Xe. La riga superiore mostra esempi di spazio immagine, tra cui una scansione di riferimento, un'immagine polmonare con rumore regolare e/o irregolare e un'immagine senza segnale. La riga inferiore mostra le corrispondenti rappresentazioni del modulo dello spazio k. Nell'immagine con il segnale, un punto luminoso è centrato nello spazio k, che rappresenta il segnale polmonare. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Illustrazione dell'effetto della precisione digitale alta/bassa nei dati ricostruiti del sacchetto di prova ¹²⁹Xe. Per l'immagine ad alta precisione digitale (riga superiore), l'immagine ha un SNR elevato di 600 e il modulo della 55a^{riga dello} spazio K mostra una curva uniforme che mostra dettagli fini dei dati. Tuttavia, nell'immagine a bassa precisione digitale (riga inferiore), i singoli punti dati vengono "raggruppati" in un numero limitato di livelli digitali che coprono l'intervallo del segnale, con conseguente riduzione dell'SNR (SNR = 98) nell'immagine ricostruita. Questo problema può essere identificato solo attraverso un attento esame dei dati grezzi del segnale, in quanto non impedisce la produzione di un'immagine apparentemente soddisfacente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

La capacità di risolvere i problemi di ¹²⁹Xe MRI è un'abilità necessaria e può aiutare a mitigare i problemi in tempo reale. Fino a quando un'infrastruttura del gas iperpolarizzata non può essere acquistata da una singola parte e ottenere il supporto dei produttori di scanner, queste attività di controllo della qualità sono di esclusiva responsabilità dei singoli laboratori. L'obiettivo di questo manoscritto è quello di fornire al lettore pratiche e suggerimenti utili per l'inevitabile evento di una scarsa acquisizione dei dati. Mentre cerchiamo di affrontare il maggior numero possibile di potenziali problemi, molte altre sfide in ¹²⁹Xe MRI sono specifiche per il produttore dello scanner e non possono essere discusse in dettaglio a causa delle restrizioni sulla proprietà intellettuale. Tuttavia, il ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium, una comunità con l'obiettivo esplicito di sviluppare studi multi-sito utilizzando la risonanza magnetica ¹²⁹Xe, è composta da molti partecipanti al sito ed esperti veterani con esperienza nell'operazionalizzazione della risonanza magnetica ¹²⁹Xe su più piattaforme e software¹⁷. Si consiglia di contattare tutti i partecipanti al sito per qualsiasi domanda sull'implementazione e/o sulla risoluzione dei problemi che non sono affrontati qui.

È necessario eseguire controlli regolari delle prestazioni della bobina per identificare le prime indicazioni di diminuzione del segnale o problemi di rumore emergenti. Questi controlli comportano l'esame dell'interfaccia della bobina e delle connessioni interne, nonché la valutazione del potenziale impatto di cadute o peso eccessivo sulla bobina. Oltre alle ispezioni fisiche, confrontare frequentemente le scansioni spettroscopiche può aiutare a identificare i problemi con le prestazioni della bobina. Poiché la funzionalità multinucleare del sistema di risonanza magnetica è un componente condiviso con la struttura protonica, tutti i dispositivi o le apparecchiature di nuova introduzione nella sala magnetica devono essere sottoposti a test per prevenire potenziali interferenze nella frequenza dello xeno. Oltre alle considerazioni tecniche, è necessario prestare attenzione ai dettagli nelle procedure sperimentali. Ciò comprende un coaching efficace dei soggetti, la garanzia di una comunicazione chiara con i coordinatori dello studio e il posizionamento preciso della sacca allo xeno durante le scansioni QC. Questi dettagli apparentemente minori non devono essere trascurati, in quanto possono migliorare sostanzialmente la qualità dell'immagine e i risultati complessivi dello studio.

Il protocollo presentato in questo documento offre ai ricercatori un quadro completo per identificare e affrontare potenziali problemi durante il processo di imaging. Seguendo sistematicamente i passaggi per la risoluzione dei problemi, i ricercatori possono ottimizzare la qualità dell'immagine, migliorare l'accuratezza dei dati e far progredire il campo della risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzato. Il continuo perfezionamento e adattamento di queste strategie di risoluzione dei problemi, insieme ai progressi nella tecnologia di imaging, contribuirà a migliorare ulteriormente la qualità e l'affidabilità degli studi di risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzato.

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