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) имногие 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 129Xe 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 129Xe 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
Representative Results
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 ск…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Никакой.
Materials
| 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 |
References
- Pellegrino, R., et al. Interpretative strategies for lung function tests. European Respiratory Journal. 26 (5), 948-968 (2005).
- Ebner, L., et al. Hyperpolarized 129Xenon MRI to quantify regional ventilation differences in mild to moderate asthma: A prospective comparison between semi-automated ventilation defect percentage calculation and pulmonary function tests. Investigative Radiology. 52 (2), 120-127 (2017).
- Abuelhia, E., Alghamdi, A. Evaluation of arising exposure of ionizing radiation from computed tomography and the associated health concerns. Journal of Radiation Research and Applied Sciences. 13 (1), 295-300 (2020).
- Kern, A. L., Vogel-Claussen, J. Hyperpolarized gas MRI in pulmonology. The British Journal of Radiology. 91 (1084), 20170647 (2018).
- Möller, H. E., et al. MRI of the lungs using hyperpolarized noble gases. Magnetic Resonance in Medicine. 47 (6), 1029-1051 (2002).
- Salerno, M., Altes, T. A., Mugler, J. P., Nakatsu, M., Hatabu, H., de Lange, E. E. Hyperpolarized noble gas MR imaging of the lung: Potential clinical applications. European Journal of Radiology. 40 (1), 33-44 (2001).
- . New Drug Therapy Approvals at 2022 Available from: https://www.fda.gov/drugs/new-drugs-fda-cders-new-molecular-entities-and-new-therapeutic-biological-products/new-drug-therapy-approvals-2022 (2023)
- Nikolaou, P., et al. Near-unity nuclear polarization with an open-source 129Xe hyperpolarizer for NMR and MRI. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (35), 14150-14155 (2013).
- Birchall, J. R., et al. XeUS: A second-generation automated open-source batch-mode clinical-scale hyperpolarizer. Journal of Magnetic Resonance. 319, 106813 (2020).
- He, M., Zha, W., Tan, F., Rankine, L., Fain, S., Driehuys, B. A comparison of two hyperpolarized 129Xe MRI ventilation quantification pipelines: The effect of signal to noise ratio. Academic Radiology. 26 (7), 949-959 (2019).
- Niedbalski, P. J., et al. Protocols for multi-site trials using hyperpolarized 129 Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the 129 Xe MRI clinical trials consortium. Magnetic Resonance in Medicine. 86 (6), 2966-2986 (2021).
- Möller, H. E., et al. MRI of the lungs using hyperpolarized noble gases. Magnetic Resonance in Medicine. 47 (6), 1029-1051 (2002).
- Bier, E. A., et al. A thermally polarized 129Xe phantom for quality assurance in multi-center hyperpolarized gas MRI studies. Magnetic Resonance in Medicine. 82 (5), 1961-1968 (2019).
- Wild, J. M., et al. Comparison between 2D and 3D gradient-echo sequences for MRI of human lung ventilation with hyperpolarized 3He. Magnetic Resonance in Medicine. 52 (3), 673-678 (2004).
- Garrison, W. J., et al. Lung volume dependence and repeatability of hyperpolarized 129Xe MRI gas uptake metrics in healthy volunteers and participants with COPD. Radiology: Cardiothoracic Imaging. 5 (3), e220096 (2023).
- Ni, W., Qi, J., Liu, L., Li, S. A pulse signal preprocessing method based on the Chauvenet criterion. Computational and Mathematical Methods in Medicine. 2019, 2067196 (2019).
- . Available from: https://www.129xectc.org (2023)
