Troubleshooting and Quality Assurance in Hyperpolarized Xenon Magnetic Resonance Imaging: Tools for High-Quality Image Acquisition(과분극 제논 자기 공명 영상의 문제 해결 및 품질 보증: 고품질 이미지 획득을 위한 도구)

Summary

여기에서는 하드웨어, 소프트웨어, 데이터 수집, 시퀀스 선택, 데이터 관리, k-공간 활용 및 노이즈 분석을 다루는 고품질 과분극 크세논-129 자기 공명 이미지를 얻기 위한 프로토콜을 제시합니다.

Abstract

과분극(HP) 크세논 자기 공명 영상(¹²⁹Xe MRI)은 최근 FDA(연방 의약국)에서 승인한 영상 방식으로, 폐 기능 조사를 위해 흡입된 크세논 가스 호흡의 고해상도 이미지를 생성합니다. 그러나 ¹²⁹Xe MRI를 구현하는 것은 과분극을 위한 특수 하드웨어 및 장비, 크세논 이미징 코일 및 코일 소프트웨어 조달, 다핵 MR 이미징 시퀀스의 개발 및 편집, 수집된 데이터의 재구성/분석이 필요하기 때문에 매우 까다롭습니다. 적절한 전문 지식이 없으면 이러한 작업이 어려울 수 있으며 고품질 이미지를 획득하지 못하면 실망스럽고 비용이 많이 들 수 있습니다. 여기에서는 최적화된 고품질 데이터와 정확한 결과를 획득하는 데 도움이 될 수 있는¹²⁹개의 Xe MRI 사이트에 대한 몇 가지 품질 관리(QC) 프로토콜, 문제 해결 사례 및 유용한 도구를 제시합니다. 이 논의는 하이퍼 편광 실험실에 대한 요구 사항, ¹²⁹Xe MRI 코일 하드웨어/소프트웨어의 조합, 데이터 수집 및 시퀀스 고려 사항, 데이터 구조, k-공간 및 이미지 속성, 측정된 신호 및 노이즈 특성을 포함하여 HP ¹²⁹Xe MRI를 구현하기 위한 프로세스에 대한 개요로 시작됩니다. 이러한 각 필수 단계에는 이미지 품질 저하 또는 이미징 실패로 이어지는 오류, 문제 및 바람직하지 않은 발생의 가능성이 있으며, 이 프레젠테이션은 보다 일반적으로 발생하는 몇 가지 문제를 해결하는 것을 목표로 합니다. 특히, 수집된 데이터에서 변칙적인 노이즈 패턴을 식별하고 특성화하는 것은 이미지 아티팩트와 저품질 이미지를 방지하기 위해 필요합니다. 예가 제공되고 완화 전략이 논의됩니다. 우리는 실시간 문제 해결을 위한 몇 가지 지침과 전략을 제공하는 동시에 새로운 사이트에서 ¹²⁹Xe MRI 구현 프로세스를 더 쉽게 만드는 것을 목표로 합니다.

Introduction

100년이 넘는 기간 동안 폐 기능 평가는 주로 폐활량 측정법과 체량측정법의 글로벌 측정에 의존해 왔습니다. 그러나 이러한 전통적인 폐 기능 검사(PFT)는 초기 질병의 국소적 뉘앙스와 폐 조직의 미묘한 변화를 포착하는 데 한계가 있다¹. 흡입 방사성 추적자를 사용하는 핵의학은 일반적으로 폐색전증과 관련된 환기/관류 불일치를 평가하는 데 널리 사용되어 왔지만, 이는 전리 방사선을 포함하며 더 낮은 분해능을 생성합니다. 이와는 대조적으로, 컴퓨터 단층 촬영(CT)은 핵 영상에 비해 탁월한 공간적, 시간적 선명도를 제공하여 폐 영상의 황금 표준으로 부상했다². 저선량 CT 스캔은 방사선 노출을 완화할 수 있지만, 잠재적인 방사선 위험은 여전히 고려해야 한다 ^3,4. 폐의 양성자 MRI는 폐의 조직 밀도가 낮고 폐 조직에서 신호가 빠르게 감소하기 때문에 흔하지 않지만, 최근의 발전은 잠재적인 낮은 신호에도 불구하고 기능적 정보를 제공합니다. 한편, 과분극 크세논 자기공명영상(HP ¹²⁹Xe MRI)은 국소특이성(regional specificity)을 가진 폐 기능의 영상이 가능한 비침습적 기법이다 ^5,6. 그것은 리터 양에 있는 가스의 높은 비평형 핵 자화를 일으킨다. 그런 다음 MR 스캐너 내부의 피험자가 불활성 가스를 흡입하여 한 번 숨을 쉬고 스캐너에 의해 직접 이미지화됩니다. 따라서 흡입된 가스는 조직 자체가 아닌 직접 이미지화됩니다. 이 기술은 천식, 만성 폐쇄성 폐질환(COPD), 낭포성 섬유증, 특발성 폐섬유증, 코로나바이러스 질병 2019(COVID-19) 등 많은 질병에 걸쳐 폐 환기를 평가하는 데 사용되었습니다³. 2022년 12월, HP ¹²⁹Xe MRI는 미국 FDA로부터 12세 이상 성인 및 소아 환자에게 사용할 MRI 환기 조영제로 승인되었습니다⁷. 이제 의사는 ¹²⁹Xe MRI를 사용하여 개선된/개인화된 치료 계획으로 환자를 더 잘 치료할 수 있습니다.

역사적으로 임상 MRI는 거의 모든 인간 내장에 풍부한 수소 핵(양성자)을 이미징하는 데만 중점을 둡니다. MRI 스캐너, 시퀀스 및 품질 관리는 일반적으로 스캐너 제조업체가 사이트 라이선스 및 보증의 일부로 유지 관리합니다. 그러나 ¹²⁹Xe는 다핵 기능이 있는 MR 스캐너가 필요하며 과분극기, 맞춤형 무선 주파수(RF) 코일, 전용 펄스 시퀀스 및 오프라인 재구성/분석 소프트웨어를 운영하기 위한 전담 연구팀이 필요했습니다. 이러한 각 구성 요소는 타사 공급업체에서 제공하거나 사내에서 개발할 수 있습니다. 따라서 품질 관리의 부담은 일반적으로 스캐너 제조업체나 개별 제3자가 아닌 ¹²⁹Xe 연구팀에 있습니다. 따라서 ¹²⁹Xe MRI 프로세스의 각 구성 요소에는 오류 가능성이 발생하기 때문에 고품질 ¹²⁹Xe 데이터를 일관되게 수집하는 것이 매우 어려우며, ¹²⁹Xe 팀은 이를 면밀히 모니터링해야 합니다. 이러한 상황은 연구원이 발생할 수 있는 문제에 대한 가능한 원인을 해결하고 조사해야 하기 때문에 매우 실망스러울 뿐만 아니라 환자 이미징 및 피험자 모집 속도가 느려지기 때문에 비용이 많이 들 수 있습니다. 문제 해결과 관련된 일부 비용에는 MRI 시간 비용, 다양한 가스 소비와 관련된 ¹²⁹Xe의 과분극 및 재료 사용이 포함됩니다. 또한 최근 FDA 승인과 ¹²⁹Xe 이미징의 성장으로 인해 ¹²⁹Xe 작업 ^8,9에서 일반적인 문제와 차질을 피하기 위해 품질 관리를 위한 표준화된 프로토콜을 제공해야 합니다.

여기서는 RF 코일 고장, 낮은 신호 대 잡음비(SNR)로 이어지는 다양한 잡음 프로파일의 출현, 저품질 이미지¹⁰을 포함하여 ¹²⁹Xe MRI에서 일반적으로 발생하는 몇 가지 문제를 제시합니다. 당사는 고품질 이미지 데이터 획득을 보장하고 ¹²⁹Xe MRI에서 발생할 수 있는 몇 가지 일반적인 문제를 해결하기 위해 몇 가지 간결한 품질 관리(QC) 지침 및 프로토콜을 제공하는 것을 목표로 합니다. 여기에 제공된 통찰력은 과분극 헬륨-3 문제 해결과도 관련이 있습니다.

Protocol

아래에 요약된 프로토콜은 미주리 대학교 인간 연구 윤리 위원회에서 제정한 지침과 표준을 준수하여 연구의 윤리적 수행과 참가자의 권리, 안전 및 웰빙 보호를 보장합니다.

참고: 과분극 크세논 MRI 연구의 신뢰성과 정확성을 보장하려면 획득한 이미지의 엄격한 특성 분석을 수행하고, 포괄적인 프로토콜을 따르고, 효과적인 문제 해결 전략을 사용하는 것이 중요합니다. 이미징 세션에는 가스 과분극, ¹²⁹Xe 코일/스캐너 통신, ¹²⁹Xe 분광법, 데이터 수집, 데이터 재구성 및 이미지 분석과 같은 여러 단계가 포함됩니다. 프로토콜은 이러한 단계를 자세히 논의하는 것으로 시작하고 이미징 프로세스를 최적화하는 데 필요한 예방 조치 및 문제 해결 전략을 강조합니다. 이러한 절차를 따르고 전문가의 문제 해결 전략을 통합함으로써 연구자들은 이미징 프로세스를 최적화하고 과분극 크세논 MRI 연구 중에 발생할 수 있는 문제를 극복할 수 있습니다. 그런 다음 여러 가지 최적이 아닌 데이터의 경우 발생할 수 있는 일반적인 문제 해결 방법을 다룹니다.

1. 종합적인 HPG MRI 연구를 위한 주요 단계

여기에서는 일반적인 과분극 ¹²⁹Xe 이미징 세션과 관련된 프로세스에 대한 간략한 개요를 제시했습니다. ¹²⁹Xe Clinical Trials Consortium의 자세한 프로토콜 권장 사항은 Niedbalski et ^al.11에 나와 있습니다.

1. ¹²⁹분Xe 과분극
   1. ¹²⁹Xe hyperpolarizer가 맞춤형 편광판에 대한 제조업체의 지침 또는 실험실별 프로토콜에 따라 설정 및 작동하는지 확인하십시오.
   2. HP 측정 스테이션에서 HP ¹²⁹Xe 가스의 대표 샘플에 대해 핵 자기 공명(NMR) 기술을 사용하여 T1 완화 측정을 수행합니다. 30mT의 안정적인 필드에서 1L 가스 용량 백의 크세논은 45분 >의 T1을 가져야 합니다.
      참고: 편광 측정을 완료한 후 HP ¹²⁹Xe 도즈 백은 MR 스캐너로 운반할 준비가 될 때까지 편광을 유지하기 위해 HP 측정 스테이션의 자기장 내에 보관해야 합니다. 편광은¹²에 따라 붕괴됩니다.
      (1.1)
      여기서 P(t)는 시간 t에서의 편광,_P0 는 초기 편광,_T1 은 자화 감쇠율(여기로 인한 편광 손실은 고려하지 않음)입니다.
2. 가스 수송으로 인한 분극 손실 측정
   1. 크세논 수집 지점에서 이미징이 수행될 자석실까지 직접적이고 효율적인 경로를 보장합니다.
   2. 선량이 T1 보존 자기장을 벗어나면 분극이 빠르게 붕괴되므로 분극을 유지하기 위해 HP 크세논 운송 중 지연을 최소화합니다. 운송 중 편광이 20% 이상 감소하면 자기 차폐 여행 가방을 사용하십시오.
   3. 운송 경로(예: 카드 리더기, 레이저, 스테인리스 스틸 보드 등)를 따라 외부 RF 신호는 편광 손실에 기여할 수 있으므로 피하십시오.
   4. 운송 전에 HP ¹²⁹Xe 가스의 초기 선량 등가물(DE)을 측정하십시오. DE는 ¹¹로 주어지고,
      (1.2)
      여기서 f₁₂₉ 는 ¹²⁹Xe의 등방성 분율이고, P₁₂₉는 ¹²⁹Xe 핵 스핀 분극이며, V_Xe 는 크세논 가스의 총 부피입니다.
   5. 측정 스테이션에서 자석 구멍으로 가스를 운반한 다음 동일한 경로를 따라 편광 관측소로 다시 운반합니다. 왕복 후 DE를 다시 측정하여 가스 운송 중 예상되는 신호 손실을 정량화합니다. 추가 RF 신호가 전송 경로를 따라 간섭하지 않는 경우, 추정된 편광은 방정식 1.1에 요약된 T1 감쇠 곡선을 밀접하게 따릅니다.
3. 다핵(¹²⁹Xe MRI) 코일
   1. 올바른 방향을 보장하기 위해 ¹²⁹Xe 코일을 자석에 올바르게 놓으십시오. 직교 코일을 사용하는 경우, anti-quadrature excitation은 이미징 볼륨의 중앙에서 상당한 신호 감소를 유발할 수 있으므로 피하십시오.
      참고: 크세논 코일은 피험자 간 및 다양한 호흡 단계 동안 코일 조정/로딩의 변화를 수용하기 위해 다양한 가슴 크기를 수용해야 하며, 이는 스캔 전반에 걸쳐 다양한 플립 각도를 제공해야 합니다.
   2. 지정된 소켓을 통해 코일 플러그와 MR 시스템 사이에 안전한 물리적 연결을 설정하고 허용 가능한 핵(이 경우 ^129Xe)을 지정하도록 코일 소프트웨어를 구성합니다.
   3. MR 스캐너에서 잘 특성화된 양성자 공명 주파수를 3.61529로 나누어 크세논 주파수¹¹을 구합니다.
   4. 코일 파라미터(최대 전송 진폭, 송신기 기준 진폭, 전자파 흡수율-SAR)를 특성화합니다.
4. ¹²⁹Xe 분광기 측정
   1. 열적으로 편광된 129-크세논 팬텀을 생성합니다.
      1. 유리 압력 용기를 크세논 가스로 채워진 백에 연결하여 용기의 용량에 맞게 적절한 백 크기와 크세논 부피를 보장합니다.
      2. 크세논 확산 및 동결을 허용하기 위해 압력 용기를 소량의 액체 질소(LN₂)에 담그십시오( 그림 1 참조).
      3. 크세논이 내부에 얼어붙은 눈을 형성한 후 용기를 밀봉한 다음 해동시켜 용기에 압력을 가합니다. 용기의 압력 계산: P = (V_용기 + V_백)/V_용기 여기서 V_용기 는 용기의 부피이고 V_백 은 백의 크세논 부피입니다.
         알림: 과분극 가스(HPG) 백과 달리 열 분극 ¹²⁹Xe 용기는 추가 산소가 크세논 T₁을 감소시켜 열 분극 팬텀에서 유리한 효과를 나타내기 때문에 산소를 퍼지하거나 진공으로 배출할 필요가 없습니다. 또한 용기의 가스 압력이 제조업체가 명시한 압력 한계를 초과하지 않도록 하는 것이 중요합니다. ¹²⁹Xe 가스의 팬텀을 사용하면 MRI 콘솔에서 크세논 주파수를 측정할 수 있습니다. 품질 보증을 위한 상업용 크세논 팬텀도 사용할 수 있습니다¹³.
   2. 열적으로 편광된 크세논 팬텀으로 피크 주파수를 검출합니다.
      1. 코일 형상의 차이로 인해 전달된 B1이 팬텀으로 크게 변경될 수 있으므로 크세논 팬텀을 ¹²⁹Xe 코일 내부에 넣고 하중을 받은 환자와 유사하게 배치합니다(그림 2).
         알림: 코일을 적절하게 로드하기 위해 적절한 워터 팬텀도 로드하는 것이 좋습니다.
      2. 일부 스캐너는 초기 양성자 주파수 로컬라이저 없이 다핵 스캔을 허용하지 않을 수 있으므로 양성자 주파수로 스캔을 수행합니다.
      3. 광대역 전송 펄스(사용 가능한 경우), 고대역폭 및 고분해능 판독 실험을 사용하여 크세논 주파수 피크를 정확하게 감지합니다. 광대역 펄스는 높은 범위의 주파수를 자극하여 크세논 NMR을 감지할 수 있습니다.
      4. 잘 정의된 피크가 감지되면 주파수를 최대 정밀도로 기록하고 낮은 대역폭(~1000Hz)의 새 주파수에서 실험을 반복하여 신호 대 잡음비(SNR) 및 피크 주파수 정밀도를 최대화합니다(그림 3).
      5. 만족스러운 고신호 피크가 감지되면 향후 QC 테스트를 위해 프로토콜을 저장합니다.
         참고: 스캐너에서 코일의 정확한 기하학적 배치는 SNR이 악화되는 것으로 보이는 경우 긴급한 문제를 식별하기 위해 나중에 복제할 수 있는 기준 분광법 스캔을 제공합니다. 팬텀 자체는 직접 이미징할 수 있지만, 이미지 재구성을 위한 충분한 신호를 구축하기 위해 여러 번의 획득이 필요할 수 있으며 일반적으로 더 높은 플립 각도가 필요하기 때문에 달성 가능한 SNR의 공정한 추정치를 제공하지 못할 수 있습니다. 준비된 과분극 크세논 백은 in vivo 이미징 매개변수로 원하는 이미징 프로토콜을 테스트하기 위한 최상의 옵션입니다.
5. HP ¹²⁹Xe 이미징(테스트 백 포함)
   1. 이미징에는 소량의 HP ¹²⁹Xe(>300mL)를 사용하며, 이 제품은 농도가 높고 산소가 없습니다.
   2. 이미징 직전에 ¹²⁹Xe DE를 정확하게 측정합니다.
   3. 원하는 생체 내 파라미터를 가능한 한 가깝게 반영하도록 테스트 이미징 프로토콜을 설정합니다¹¹.
   4. 스캐너 성능의 기준 측정값으로 크세논 백의 이미지를 획득하고 저장합니다.
   5. 모든 스캔 파라미터 및 크세논 DE와 함께 획득한 이미지의 SNR을 측정하고 기록합니다. 2D GRE 스캔에 허용되는 SNR은 부위에 따라 다를 수 있지만, 일반적으로 약 30 이상이어야 하며, 후속 이미지 분석을 위한 최소 임계값은^{15여야 합니다11}.
   6. α 플립 각도(FA)를 측정하기 위해 동일한 시퀀스 매개변수를 사용하고 첫 번째 이미지의 끝과 두 번째 이미지의 시작 사이에 간격 없이 FOV를 두 번 연속으로(FA ≈ 8-10°) 이미징하는 전체 볼륨 스포일드 그래디언트 에코 스캔을 수행합니다. 두 이미지 S0 및 S1의 DC 오프셋에서 SNR을 측정하고, 위상 인코딩 단계 수 n을 계산하고, 다음과 같이 플립 각도 맵을 계산합니다 ¹⁴:
      (1.3)
      참고: in vivo HP ¹²⁹Xe MRI에 대한 일반적인 매개변수와 더 복잡하지만 매우 정확한 플립 각도 보정 방법(멀티샷 펄스/획득 실험)은 Niedbalski et ^al.11에 나와 있습니다.
6. 생체 내 HP ¹²⁹Xe 이미징
   1. 피험자에게 숨 참기 기술에 대해 적절한 코칭을 제공하고 피험자가 HP ¹²⁹Xe 백을 도입하기 전에 공기 주머니를 사용하여 흡입 절차를 연습하도록 합니다.
   2. 피험자에게 실내 공기로 숨을 들이쉬고 내쉬는 일련의 동작을 수행한 다음 HP ¹²⁹Xe 가스를 깊이 들이마시고 숨을 참은 다음 스캔을 시작하도록 지시합니다(일반적으로 사용되는 방법). 피험자의 흉부 움직임을 면밀히 모니터링하여 호흡이 제공된 지침과 동기화된 상태를 유지하는지 확인합니다.
      참고: 현재 숨 참기 절차를 위해 다양한 코칭 방법이 사용되고 있으며, 향후 컨소시엄 보고서에서 이에 대한 합의 성명을 수립할 가능성이 높습니다.
   3. 숨을 참는 동안 비강으로 가스를 흡입하는 것을 방지하기 위해 코 클립을 사용하십시오.
   4. 숨 참기 영상 촬영 후, 피험자에게 심호흡을 하여 폐에서 크세논을 제거하고 일시적인 부작용을 해결하도록 지도한다¹¹.
   5. 용해상 크세논 이미징을 추구하는 경우, 피험자 흡입량은 획득된 용해상 데이터에 실질적으로 영향을 미칠 수 있음을 인지해야 한다¹⁵.
7. 데이터 재구성 및 분석
   1. 스캐너에서 '원시' 데이터를 내보내며, 일반적으로 판독 획득 순서대로 복잡한 데이터 목록 형식으로 내보냅니다.
   2. 직선으로 수집된 k-공간 궤적의 경우, 각 복소수 데이터 점은 2차원(2D) 또는 3차원(3D) k-공간의 정수 주파수에 대응됩니다. 직선 궤적에 대해 간단하고 빠른 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 영상을 복원합니다.
   3. 비직선 궤적(예: 방사형 또는 나선형 데이터)의 경우, 데이터 '그리딩'을 수행하여 후속 FFT 전에 복소수 데이터를 정수 Bin으로 보간하거나 컨벌루션합니다. 필요한 경우 그리딩을 수행하기 전에 데이터를 검사하여 정확성을 보장하고 잠재적인 아티팩트를 방지합니다.
      참고: 원시 k-공간 데이터의 FFT는 스캐너가 그래디언트 동작의 알려진 비선형성을 기반으로 재구성된 이미지를 추가로 수정하기 때문에 스캐너로 재구성한 DICOM 이미지와 유사하지만 동일하지 않은 이미지를 생성할 수 있습니다. 이러한 효과는 일반적으로 작지만 특히 폐와 같은 큰 장기를 이미징할 때 스캐너 이미징 볼륨의 가장자리에서 더 두드러질 수 있습니다. 사후 처리를 위해 스캐너로 재구성된 이미지(사용 가능한 경우)를 사용하는 것이 좋습니다.

2. 문제 해결 단계

참고: 프로토콜은 과분극 ¹²⁹Xe MRI에서 일부 품질 관리(QC) 절차를 설명했지만 긴급한 문제, 이상 및 문제로 인해 문제 해결이 필요할 수 있습니다. 프로세스의 오류나 실수는 파급 효과를 일으켜 후속 단계에 영향을 미치고 신호 강도가 낮거나 노이즈 수준이 높거나 완전한 신호 손실로 이미지가 누락되거나 품질이 낮은 등의 문제를 일으킬 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하려면 전략적 접근 방식을 사용하여 문제를 자세히 식별하고 조사해야 합니다.

1. QC용 HP ¹²⁹Xe 용량 백 준비
   1. 제어 크세논 백을 위해 정확한 양의 크세논 가스를 조심스럽게 양조하고 혼합된 질소를 기록하십시오.
   2. MRI 스캐너에서 크세논 백을 이미지화하고 신뢰할 수 있는 비교를 위해 이미징 세션 전후에 정확한 편광 측정을 수행합니다.
   3. 신뢰할 수 있는 비교를 용이하게 하기 위해 모든 QC 스캔에 동일한 이미징 시퀀스를 사용합니다.
   4. 향후 비교가 가능하도록 모든 QC 스캔을 수행하기 전과 후의 크세논 DE 값을 기록하십시오.
2. 체계적인 노이즈 특성화
   1. QC를 위한 제어 노이즈 프로파일을 생성합니다. 높은 시야(FOV, 400-500mm)를 포함하는 특정 맞춤형 2D GRE 시퀀스를 사용하여 해당 영역에서 최대 신호를 캡처하고, 픽셀당 높은 대역폭(사용 가능한 최대 또는 최소 >50kHz)을 사용하여 주변 노이즈 공진을 식별하고, 가능한 가장 낮은 반복 시간(TR) 및 에코 시간(TE)^{11을 포함합니다. 13}. 크세논 조끼 또는 루프 코일을 사용하여 잡음 프로파일에 대한 QC를 획득합니다.
   2. 코일에 샘플이 없는 이미지(HP ¹²⁹Xe)를 얻습니다. 이 이미지는 노이즈 프로파일의 특징입니다.
   3. 수집된 잡음 데이터, 특히 k-space에서 스파이크, 패턴 또는 이산화/비닝된 값과 같은 가우스가 아닌 요소를 검토합니다.
   4. 평균, 표준편차 및 벡터 길이가 동일한 합성된 가우스 데이터세트(적절한 난수 생성 함수 사용)에 대해 수집된 실수/허수 데이터를 가장 작은 것부터 가장 큰 것 순으로 플로팅하여 QQ 플롯을 생성합니다. QQ 플롯의 y = x 선에서 벗어나면 수집된 데이터 내에 비가우스 성분이 존재한다는 것을 나타내므로 추가 조사가 필요합니다. (그림 4).
      참고: 분위수-분위수 그림(QQ 그림)은 두 데이터 세트가 유사한 분포를 나타내는지 여부에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 데이터를 정규 분포 데이터 세트와 비교하면 분포가 가우스인지 여부를 평가할 수 있습니다. 이 프로토콜은 k-공간의 실수 부분과 허수 부분이 샘플이 없는 경우 가우스 분포에 근접한다고 가정합니다.
   5. 선택한 적절한 플롯을 사용하여 노이즈 분포 패턴과 잠재적 이상값을 식별합니다(필요한 경우 Chauvenet의 기준¹⁶ 사용).
   6. 노이즈를 특성에 따라 규칙적인 유형과 불규칙한 유형으로 분류합니다(2.3단계 및 2.4단계 참조).
      알림: 규칙적인 노이즈는 판독값 또는 k-공간 데이터에서 규칙적으로 나타나는 패턴과 관련이 있습니다. 불규칙한 노이즈는 비교적 무작위로 나타나며 종종 식별 가능한 타이밍 패턴이 없는 높은 강도를 갖지만 피할 수 없는 열 노이즈와 같은 가우스 프로파일을 나타내지 않습니다.
3. 정기적 인 소음 감지
   1. 스캐너를 노이즈 소스로 배제하려면 다양한 펄스 시퀀스 매개변수가 비활성화되고 전자 부품의 전원이 꺼진 상태에서 표준 사이트 프로토콜을 사용하여 이미지를 획득합니다. 예를 들어, 특정 그래디언트 코일에서 노이즈가 발생하는 경우 스캔을 실행하기 전에 그래디언트의 전원을 꺼서 노이즈가 해결되는지 확인해야 합니다.
      주: 그라데이션의 전원을 끄려면 일반적으로 스캐너 콘솔에 대한 액세스 권한이 높아야 하며 서비스 엔지니어가 있어야 할 수 있습니다. 궁극적으로, 다핵 분광계가 활성 상태이지만 그래디언트에 전원이 공급되지 않고 RF가 전달되지 않는 시퀀스는 이러한 구성 요소 내에서 노이즈 문제가 발생하는지 여부를 결정하기에 충분해야 합니다.
   2. 실내에서 소음원을 제거하고 이후 일반 소음의 잠재적 원인을 식별합니다.
      알림: 노이즈 소스에는 조영제 인젝터, 코드 버튼, 센서, 바이탈 사인 모니터, 스캐너 구성 요소(예: 포지셔닝 레이저, 베드 기계 전자 장치, 팬, 조명) 또는 콘솔/자석 벽 사이의 도파관과 같은 전자 부품이 포함될 수 있습니다.
   3. ¹²⁹Xe 주파수에 맞게 조정된 간단한 표면 루프 코일을 사용하여 자석실 주변에서 소음원을 '킁킁'거립니다. 크세논 코일 소자를 잠재적으로 문제가 있는 장치 근처에 물리적으로 배치하고 테스트 시퀀스(2.2.1단계 참조)를 실행하여 증폭된 노이즈를 감지합니다.
   4. k-공간 및 영상 데이터를 검사하여 일관성 잡음의 정확한 원인을 찾아냅니다.
   5. 특정 소스가 식별되면 이를 비활성화하거나 알루미늄 호일/후레싱 또는 구리 메쉬로 덮어 노이즈를 줄이십시오.
   6. 소음원을 비활성화하거나 덮은 후 스캔을 다시 실행하여 소음이 해결되는지 확인합니다. 모든 잡음 소스가 제거되고 낮은 RMS(제곱 평균 제곱근) 가우스 잡음만 남을 때까지 이 과정을 계속합니다.
4. 불규칙한 소음 감지
   1. 불규칙한 잡음을 실수 채널 또는 허수 채널에서 비정상적으로 높거나 낮은 신호를 갖는 개별 k-공간 픽셀의 높은 신호 '스파이크'로 식별합니다.
      참고: K-스페이스 스파이크는 종종 줄무늬 또는 '코듀로이' 패턴이 있는 이미지를 생성합니다(그림 5). k-공간 데이터에 높은 값 또는 스파이크가 있으면 이미지 공간에서 줄무늬 패턴이 발생할 수 있습니다. 이 현상은 종종 그래디언트 관련 문제와 관련이 있습니다.
   2. 줄무늬 패턴의 원인이 되는 방향을 식별하여 X, Y 또는 Z 기울기에서 발생할 수 있는 문제를 제거합니다(그림 5). 전방에서 후방으로, 머리에서 발로, 왼쪽에서 오른쪽을 포함한 다양한 위상 인코딩 방향으로 이미징을 수행합니다.
   3. 각 방향에서 결과 이미지를 체계적으로 검사하여 스트라이프 패턴에 기여하는 특정 기울기 방향을 식별합니다. 필요한 경우 현장의 임상 엔지니어에게 연락하여 개별 그래디언트를 선택적으로 활성화 및 비활성화하여 노이즈 스파이크의 원인을 식별할 수 있습니다.
5. 신호 없음
   참고: HPG MRI 연구에서 획득 후 신호가 관찰되지 않는 상황이 발생하면 체계적인 문제 해결 접근 방식을 수행할 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위한 몇 가지 권장 사항은 다음과 같습니다.
   1. 크세논 코일과 연결을 확인합니다.
      1. MRI 스캐너에서 크세논 코일이 선택되고 제대로 연결되었는지 확인하십시오.
      2. 스캔 중 환자의 움직임은 코일의 분리를 유발할 수 있으므로 코일 연결을 주의 깊게 검사하십시오.
      3. 문이 열리면 외부 RF가 자석실로 들어갈 수 있으므로 MRI 스캐너의 문이 단단히 닫혀 있는지 확인하십시오.
      4. 크세논 팬텀에서 분광법을 수행하고(섹션 1.4.2 참조) 분광법에서 크세논 피크 높이와 노이즈 플로어를 확인합니다. 90° 플립 각도를 사용하여 크세논 피크의 존재를 확인합니다. 90° 여자와 관련된 최대 신호를 계산하고 전압/전력을 QC 스캔 결과와 비교합니다.
   2. 크세논 코일을 평가합니다.
      1. 크세논이 담긴 작은 봉지를 준비하고 측정 스테이션에서 편광을 측정합니다.
      2. 다음 매개변수를 사용하여 HP ¹²⁹Xe 백에서 간단한 2D GRE 스캔으로 백을 이미지화합니다: 90°의 더 높은 플립 각도(펄스 지속 시간에 따라 전송 대역폭[BW]가 결정되므로 필요한 경우 펄스 지속 시간 조정), 팬텀의 이전 QC를 기반으로 한 기준 전압 사용, 높은 FOV 및 낮은 BW, 기본 해상도를 낮게 유지.
      3. 측정 스테이션에서 편광을 다시 측정합니다. 편광이 크게 감소하지 않으면 크세논 코일 송신기 또는 증폭기에 잠재적인 문제가 있음을 나타냅니다.
         알림: 편광 레벨은 크세논 조끼 코일의 여기 펄스 성공 여부에 관계없이 이 프로세스 전반에 걸쳐 T1 붕괴로 인해 점진적으로 감소합니다. 따라서 크세논 코일 송신기 기능 문제를 배제하기 위해 여기 펄스로 인한 충분한 편광 감쇠를 관찰하기 위해 높은 90° FA를 사용하는 것이 좋습니다. 편광이 크게 감소하지만 이미지에서 신호가 감지되지 않으면 크세논 코일 수신기 문제가 표시됩니다.
   3. 종합 분석
      1. k-공간 데이터와 이미지 공간 데이터를 모두 분석하여 비정상이나 불일치를 조사합니다.
      2. 획득한 데이터를 이전 스캔 또는 참조 데이터와 비교하여 잠재적인 차이 또는 편차를 식별합니다.
6. 데이터의 이산화
   1. 데이터 분할을 확인합니다(그림 6).
      알림: 코일 voltages는 스캐너 분광계에 의해 기록되며, 분광계의 전체 동적 범위가 사용되고 최고의 충실도를 달성할 수 있도록 적절한 수준으로 증폭됩니다. 신호는 데이터 포인트 체류 시간에 반비례하는 판독 대역폭에 따라 시간적으로 이산화되며, 기록된 아날로그 전압 값은 분광계 비트 깊이에 의해 결정되는 개별 신호 '빈'으로 디지털화됩니다. 전체 비트 깊이에 걸쳐 들어오는 신호를 적절하게 증폭하려면 사용자가 올바른 코일 전압/증폭/스케일링 값을 제공해야 합니다. 일부 스캐너에서는 목표 주파수에서 준비 펄스가 수행될 때까지 이미징 스캔이 허용되지 않으며, 추가 RF는 편광을 줄이고 호흡 참기 시간을 늘리기 때문에 과분극 연구에서는 피해야 하는 프로세스입니다. 분광계가 부적절하게 보정되거나 신호를 적절하게 증폭하지 못하는 경우 기록된 데이터가 거칠게 이산화될 수 있으며, 진폭 빈의 극히 일부만 디지털화된 데이터 포인트로 채워집니다. 데이터 분할은 양자화 오류와 미세한 세부 정보 손실을 초래하여 정보 내용에 영향을 줄 수도 있습니다. 또한 데이터 분할은 아티팩트를 발생시키고, SNR을 손상시키며, 생리학적 변화를 정확하게 분석하는 능력을 제한할 수 있습니다. 중요한 것은 k-공간 데이터의 거친 이산화가 겉보기에 만족스러운 이미지의 생성을 방해하지 않을 수 있다는 것입니다(그림 6).
   2. 수집 파라미터를 최적화하고 적절한 재구성 알고리즘을 사용하여 데이터 이산화를 줄입니다.
   3. 하드웨어를 개선하고 더 높은 샘플링 속도, 고급 보간 방법 및 노이즈 감소 전략과 같은 기술을 활용하여 데이터 분할의 부정적인 영향을 완화합니다.

Results

그림 4는 노이즈 스캔에서 수행된 노이즈 특성화 분석 결과를 보여줍니다. 이 플롯은 k-공간에 대한 규칙적인 잡음과 불규칙한 잡음의 영향을 보여주며, 여기서 이상적인 y=x 기준선으로부터의 편차가 관찰됩니다. 규칙적인 잡음은 k-공간에서 연속적인 패턴으로 이어지고, 불규칙한 잡음은 QQ 그림에서 높은 값의 특이치를 초래합니다.

그림 5로 넘어가면 HPG MRI를 사용하여 획득한 일련의 폐 이미지가 표시됩니다. 맨 윗줄은 참조 스캔, 규칙적이거나 불규칙한 노이즈의 영향을 받는 폐 이미지, 신호가 없는 이미지를 포함하여 이미지 공간의 예를 보여줍니다. 맨 아래 행에는 해당 k-공간 계수 표현이 표시됩니다.

그림 5A에서 뚜렷한 밝은 점이 k-공간의 중앙에 있으며, 이는 노이즈가 적은 명확한 폐 신호를 나타냅니다. 반대로, 그림 5B는 이미지 전체에 퍼져 있는 규칙적인 노이즈(가우스 노이즈)의 존재를 보여줍니다. 그림 5C에서는 불규칙한 잡음이 뚜렷하여 k-공간에서 높은 값의 스파이크를 유발하고 이미지 공간에서 줄무늬 패턴을 생성합니다. 그림 5D는 규칙적인 소음과 불규칙한 소음이 동시에 존재하여 폐 이미지에 영향을 미치는 시나리오를 보여줍니다. 마지막으로, 그림 5E는 획득한 폐 이미지에서 신호가 감지되지 않는 경우를 나타냅니다.

그림 6은 적절하게 스케일링된 k-space 데이터와 비교한 거친 데이터 이산화의 예를 보여줍니다. SNR을 계산하면 이산화된 데이터가 낮은 신호 레벨을 나타낸다는 것이 분명해집니다.

그림 1: 크세논 팬텀을 만드는 그림. 압력 용기를 소량의 액체 질소에 넣어 크세논을 약 -203.15°C(70K)에서 동결시킵니다. ¹²⁹Xe의 가방이 선박에 직접 연결됩니다. 크세논이 선박 안으로 확산되면서 차가운 벽에 닿으면 얼어붙어 얼어붙은 눈과 같은 구조를 만듭니다. 완전히 얼면 용기가 밀봉되고 크세논이 해동되어 용기 내부의 압력이 증가합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 분광학을 위한 배열. (A) 두 개의 양성자 팬텀 사이에 위치한 ¹²⁹-크세논 팬텀, 모두 129 Xe 조끼 코일 내에 둘러싸여 있습니다. (B) 스트랩으로 크세논 조끼 코일을 고정합니다. (C) 위치 파악을 위해 어셈블리를 자석의 구멍에 삽입합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 일정한 크세논 주파수(34,081,645Hz)에서 가변 대역폭 여기와 관련된 신호 응답. 대역폭을 늘리면 노이즈 플로어가 높아집니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 세 가지 유형의 잡음 스캔: 허용 가능한 잡음, 일반 잡음, 불규칙한 잡음. (A) 패널 A는 각 노이즈 패턴의 k-공간 모듈러스 표현을 표시하며, 일반 노이즈는 스트라이프 패턴을 나타내고 불규칙한 노이즈는 스파이크(밝은 점)를 나타냅니다. (B) 각 노이즈 스캔에 대한 k-공간 데이터의 실수 및 허수 부분의 히스토그램. (C) k-공간 데이터의 실수/허수 성분의 QQ 플롯으로, 획득한 데이터 세트를 오름차순으로 동일한 평균 및 표준 편차의 정규 분포 데이터 세트와 비교합니다. 빨간색 선은 y = x 기준선을 나타냅니다. 이 선의 편차는 수집된 데이터 내에 비가우스 성분이 존재함을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: HPG ¹²⁹Xe 폐 영상의 다양한 노이즈 패턴 그림. 맨 윗줄에는 참조 스캔, 규칙적이거나 불규칙한 노이즈가 있는 폐 이미지, 신호가 없는 이미지를 포함한 이미지 공간 예가 표시됩니다. 맨 아래 행에는 해당 k-공간 모듈러스 표현이 표시됩니다. 신호가 있는 이미지에서 밝은 점은 폐 신호를 나타내는 k-공간의 중앙에 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: ¹²⁹Xe 테스트 백 재구성 데이터에서 높은/낮은 디지털 정밀도의 효과에 대한 그림. 고정밀 디지털 이미지(맨 윗줄)의 경우 이미지는 600의 높은 SNR을 가지며 K-공간의 55^번째 행의 모듈러스는 데이터의 미세한 디테일을 보여주는 부드러운 곡선을 보여줍니다. 그러나 낮은 디지털 정밀도 이미지(맨 아래 줄)에서 개별 데이터 포인트는 신호 범위를 포괄하는 제한된 수의 디지털 레벨로 "비닝"되어 재구성된 이미지에서 SNR(SNR = 98)이 감소합니다. 이 문제는 겉보기에 만족스러운 이미지를 생성하는 데 방해가 되지 않으므로 원시 신호 데이터를 주의 깊게 검사해야만 식별할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

¹²⁹Xe MRI 문제를 해결하는 능력은 필요한 기술이며 실시간으로 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 과분극 가스 인프라를 단일 업체로부터 구매하고 스캐너 제조업체의 지원을 받을 수 있을 때까지 이러한 품질 관리 작업은 개별 실험실의 전적인 책임입니다. 이 원고의 목표는 독자에게 데이터 수집 불량의 불가피한 상황에 대한 유용한 사례와 제안을 제공하는 것입니다. 가능한 한 많은 잠재적 문제를 해결하려고 노력하지만 ¹²⁹Xe MRI의 다른 많은 문제는 스캐너 제조업체에 따라 다르며 지적 재산권 제한으로 인해 자세히 논의할 수 없습니다. 그러나 ¹²⁹Xe MRI를 이용한 다기관 임상시험 개발이라는 분명한 목표를 가진 커뮤니티인 ¹²⁹Xe 임상시험 컨소시엄은 여러 플랫폼과 소프트웨어에서 ¹²⁹Xe MRI를 운용한 경험이 있는 많은 시험기관 참가자와 베테랑 전문가로 구성되어 있다¹⁷. 여기에서 다루지 않은 구현 및/또는 문제 해결 질문이 있는 경우 사이트 참가자에게 문의하는 것이 좋습니다.

신호 감소 또는 새로운 노이즈 문제의 초기 징후를 식별하기 위해 코일의 정기적인 성능 점검을 수행해야 합니다. 이러한 검사에는 코일 인터페이스 및 내부 연결을 검사하고 코일에 대한 낙하 또는 과도한 무게의 잠재적 영향을 평가하는 것이 포함됩니다. 물리적 검사 외에도 분광학 스캔을 자주 비교하면 코일 성능 문제를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. MRI 시스템의 다핵 기능은 양성자 시설과 공유되는 구성 요소이므로 자기실에 새로 도입된 장치 또는 장비는 크세논 주파수의 잠재적인 간섭을 방지하기 위해 테스트를 거쳐야 합니다. 기술적 고려 사항 외에도 실험 절차의 세부 사항에 주의를 기울여야 합니다. 여기에는 피험자를 효과적으로 코칭하고, 연구 코디네이터와의 명확한 의사 소통을 보장하고, QC 스캔 중 크세논 백을 정확하게 배치하는 것이 포함됩니다. 사소해 보이는 이러한 세부 사항은 이미지 품질과 전반적인 연구 결과를 크게 향상시킬 수 있으므로 간과해서는 안 됩니다.

이 논문에 제시된 프로토콜은 연구자들에게 이미징 프로세스 중 잠재적인 문제를 식별하고 해결할 수 있는 포괄적인 프레임워크를 제공합니다. 문제 해결 단계를 체계적으로 따름으로써 연구원들은 이미지 품질을 최적화하고 데이터 정확도를 높이며 과분극 크세논 MRI 분야를 발전시킬 수 있습니다. 이미징 기술의 발전과 함께 이러한 문제 해결 전략의 지속적인 개선 및 조정은 과분극 크세논 MRI 연구의 품질과 신뢰성을 더욱 향상시키는 데 기여할 것입니다.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
편광 측정 스테이션	Polerean	42881	https://polarean.com/
압력 용기와 플런저 밸브	에이스 글라스	8648-85	https://www.aceglass.com/html/3dissues/Pressure_Vessels/offline/download.pdf
Tedlar bag	Jensen inert	GST381S-0707TJO	http://www.jenseninert.com/
크세논 과편광 9820	Polerean	49820	https://polarean.com/
크세논 루프 코일	임상 MR 솔루션	맞춤형 장치	https://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc
크세논 조끼 코일	임상 MR 솔루션	맞춤형 장치	https://www.sbir.gov/sbc/clinical-mr-solutions-llc