Felsökning och kvalitetssäkring vid hyperpolariserad xenonmagnetisk resonanstomografi: Verktyg för högkvalitativ bildinsamling
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att erhålla högkvalitativa hyperpolariserade xenon-129 magnetiska resonansbilder, som täcker hårdvara, mjukvara, datainsamling, sekvensval, datahantering, k-space-användning och brusanalys.
Abstract
Hyperpolariserad (HP) xenonmagnetisk resonanstomografi (129Xe MRI) är en nyligen godkänd avbildningsmodalitet som godkänts av Federal Drug Administration (FDA) och som producerar högupplösta bilder av en inhalerad andedräkt av xenongas för undersökning av lungfunktionen. Att implementera 129Xe MRI är dock unikt utmanande eftersom det kräver specialiserad hårdvara och utrustning för hyperpolarisering, upphandling av xenonavbildningsspolar och spolprogramvara, utveckling och sammanställning av multinukleära MR-avbildningssekvenser och rekonstruktion/analys av insamlade data. Utan rätt expertis kan dessa uppgifter vara skrämmande, och att misslyckas med att skaffa bilder av hög kvalitet kan vara frustrerande och dyrt. Här presenterar vi några protokoll för kvalitetskontroll (QC), felsökningsmetoder och användbara verktyg för129Xe MRI-platser, som kan hjälpa till att skaffa optimerade data av hög kvalitet och korrekta resultat. Diskussionen kommer att börja med en översikt över processen för att implementera HP 129Xe MRI, inklusive krav på ett hyperpolarisatorlaboratorium, kombinationen av 129Xe MRI-spole hårdvara/mjukvara, datainsamling och sekvensöverväganden, datastrukturer, k-utrymme och bildegenskaper samt uppmätta signal- och brusegenskaper. Inom vart och ett av dessa nödvändiga steg finns möjligheter till fel, utmaningar och ogynnsamma händelser som leder till dålig bildkvalitet eller misslyckad bildbehandling, och den här presentationen syftar till att ta itu med några av de vanligaste problemen. I synnerhet är identifiering och karakterisering av avvikande brusmönster i insamlade data nödvändiga för att undvika bildartefakter och bilder av låg kvalitet. Exempel kommer att ges och begränsningsstrategier kommer att diskuteras. Vi strävar efter att göra implementeringsprocessen för 129Xe MRI enklare för nya platser samtidigt som vi tillhandahåller några riktlinjer och strategier för felsökning i realtid.
Introduction
I över ett sekel har bedömning av lungfunktionen främst förlitat sig på globala mätningar från spirometri och kroppspletysmografi. Dessa traditionella lungfunktionstester (PFT) är dock begränsade i sin förmåga att fånga sjukdomens regionala nyanser i ett tidigt stadium och subtila förändringar i lungvävnad1. Nuklearmedicin med inhalerade radioaktiva spårämnen har använts i stor utsträckning för bedömning av obalanser mellan ventilation och perfusion som vanligtvis förknippas med lungemboli, men detta innebär joniserande strålning och ger lägre upplösning. Däremot har datortomografi (CT) dykt upp som guldstandarden för lungavbildning, och erbjuder exceptionell rumslig och tidsmässig klarhet jämfört med nukleär avbildning2. Även om datortomografi med låg dos kan minska strålningsexponeringen, bör potentiell strålningsrisk ändå beaktas 3,4. Proton-MRT av lungan är ovanlig på grund av låg vävnadstäthet i lungan och snabbt signalförfall från lungvävnad, även om de senaste framstegen ger funktionell information trots potentiellt låg signal. Å andra sidan är hyperpolariserad xenonmagnetisk resonanstomografi (HP 129Xe MRT) en icke-invasiv modalitet som möjliggör avbildning av lungfunktion med regional specificitet 5,6. Det ger en hög icke-jämviktskärnmagnetisering av gasen i litermängder. Den inerta gasen andas sedan in av en person inuti MR-skannern under ett enda andetag och avbildas direkt av skannern. Således avbildas den inandade gasen direkt i motsats till själva vävnaden. Denna teknik har använts för att bedöma lungventilation vid många sjukdomar, inklusive astma, kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL), cystisk fibros, idiopatisk lungfibros, coronavirussjukdom 2019 (COVID-19) och många andra3. I december 2022 godkändes HP 129Xe MR av amerikanska FDA som ett MR-ventilationskontrastmedel för användning i USA (USA) hos vuxna och pediatriska patienter i åldern 12 år och äldre7. Läkare kan nu använda 129Xe MR för att bättre ta hand om patienter med förbättrade/personliga behandlingsplaner.
Historiskt sett har klinisk MRT uteslutande fokuserat på avbildning av vätekärnor (protoner) som finns rikligt i nästan alla mänskliga inälvor. MR-skannrar, sekvenser och kvalitetskontroller underhålls i allmänhet av skannertillverkaren som en del av platslicensen och garantin. 129Xe kräver dock en multinukleär MR-skanner och har krävt ett dedikerat forskarteam för att operationalisera hyperpolarisatorn, specialbyggda radiofrekvensspolar (RF), dedikerade pulssekvenser och offline-rekonstruktions-/analysprogramvara. Var och en av dessa komponenter kan levereras av tredjepartsleverantörer eller utvecklas internt. Således vilar bördan för kvalitetskontrollen i allmänhet på 129Xe-forskargruppen i motsats till skannertillverkaren eller enskilda tredje parter. Konsekvent insamling av högkvalitativa 129Xe-data är därför en unik utmaning eftersom varje komponent i 129Xe MRI-processen medför en risk för fel, vilket måste övervakas noggrant av 129Xe-teamet. Dessa situationer kan inte bara vara extremt frustrerande eftersom forskare måste felsöka och undersöka möjliga orsaker till eventuella utmaningar som kan ha uppstått, utan de kan också vara mycket kostsamma eftersom detta saktar ner patientavbildning och rekrytering av försökspersoner. Vissa kostnader i samband med felsökning involverar MRT-tidskostnader, hyperpolarisering av 129Xe, vilket innebär förbrukning av olika gaser, och användning av material. Dessutom, med det senaste FDA-godkännandet och tillväxten i 129Xe-avbildning, är det nödvändigt att tillhandahålla ett standardiserat protokoll för kvalitetskontroll för att undvika vanliga problem och bakslag i 129Xe-drift 8,9.
Här presenterar vi några av de vanligaste problemen i 129Xe MRT, inklusive RF-spolfel, uppkomsten av olika brusprofiler som leder till lågt signal-brusförhållande (SNR) och bilder av dålig kvalitet10. Vi strävar efter att tillhandahålla några kortfattade riktlinjer och protokoll för kvalitetskontroll (QC) för att säkerställa insamling av bilddata av hög kvalitet och felsöka några av de vanligaste problemen som kan uppstå i 129Xe MRT. Insikterna som ges här är också relevanta för felsökning av hyperpolariserat helium-3.
Protocol
Representative Results
Discussion
Möjligheten att felsöka 129Xe MRT-problem är en nödvändig färdighet och kan hjälpa till att mildra problem i realtid. Fram till dess att en hyperpolariserad gasinfrastruktur kan köpas från en enda part och få stöd från skannertillverkare, är dessa kvalitetskontrolluppgifter de enskilda laboratoriernas eget ansvar. Målet med detta manuskript är att ge läsaren användbara metoder och förslag för den oundvikliga händelsen av dålig datainsamling. Vi försöker ta itu med så många potentiella …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ingen.
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)
