Fejlfinding og kvalitetssikring i hyperpolariseret xenon magnetisk resonansbilleddannelse: værktøjer til billedoptagelse i høj kvalitet

Summary

Her præsenterer vi en protokol til opnåelse af hyperpolariserede xenon-129 magnetiske resonansbilleder af høj kvalitet, der dækker hardware, software, dataindsamling, sekvensvalg, datastyring, k-space-udnyttelse og støjanalyse.

Abstract

Hyperpolariseret (HP) xenon magnetisk resonansbilleddannelse (¹²⁹Xe MRI) er en nyligt føderal lægemiddeladministration (FDA) -godkendt billeddannelsesmodalitet, der producerer billeder i høj opløsning af et inhaleret åndedræt af xenongas til undersøgelse af lungefunktionen. Imidlertid er implementering af ¹²⁹Xe MR unikt udfordrende, da det kræver specialiseret hardware og udstyr til hyperpolarisering, indkøb af xenonbilledspoler og spolesoftware, udvikling og kompilering af multinukleare MR-billeddannelsessekvenser og rekonstruktion / analyse af erhvervede data. Uden ordentlig ekspertise kan disse opgaver være skræmmende, og manglende erhvervelse af billeder i høj kvalitet kan være frustrerende og dyrt. Her præsenterer vi nogle kvalitetskontrolprotokoller (QC), fejlfindingspraksis og nyttige værktøjer til¹²⁹Xe MRI-steder, som kan hjælpe med at erhverve optimerede data af høj kvalitet og nøjagtige resultater. Diskussionen indledes med en oversigt over processen for implementering af HP ¹²⁹Xe MRI, herunder krav til et hyperpolarisatorlaboratorium, kombinationen af ¹²⁹Xe MRI-spolehardware/software, dataindsamling og sekvensovervejelser, datastrukturer, k-space- og billedegenskaber samt målte signal- og støjegenskaber. Inden for hvert af disse nødvendige trin ligger muligheder for fejl, udfordringer og ugunstige hændelser, der fører til dårlig billedkvalitet eller mislykket billeddannelse, og denne præsentation har til formål at løse nogle af de mere almindeligt forekommende problemer. Især er identifikation og karakterisering af uregelmæssige støjmønstre i erhvervede data nødvendige for at undgå billedartefakter og billeder af lav kvalitet; Der vil blive givet eksempler, og afbødningsstrategier vil blive diskuteret. Vi sigter mod at gøre ¹²⁹Xe MRI-implementeringsprocessen lettere for nye steder, samtidig med at vi giver nogle retningslinjer og strategier til fejlfinding i realtid.

Introduction

I over et århundrede har lungefunktionsvurdering primært været afhængig af globale målinger fra spirometri og kropsplethysmografi. Imidlertid er disse traditionelle lungefunktionstest (PFT’er) begrænsede i deres evne til at fange tidlige stadier af sygdommens regionale nuancer og subtile ændringer i lungevæv¹. Nuklearmedicin med inhalerede radiosporstoffer er blevet anvendt bredt til vurdering af ventilations-/perfusionsmisforhold, der almindeligvis er forbundet med lungeemboli, men dette indebærer ioniserende stråling og giver lavere opløsning. I modsætning hertil er computertomografi (CT) opstået som guldstandarden for lungebilleddannelse, hvilket giver enestående rumlig og tidsmæssig klarhed sammenlignet med nuklear billeddannelse². Mens lavdosis CT-scanninger kan afbøde strålingseksponering, bør potentiel strålingsrisiko stadig overvejes ^3,4. Proton MR i lungen er usædvanlig på grund af lav vævstæthed i lungen og hurtigt signalforfald fra lungevæv, selvom de seneste fremskridt tilbyder funktionel information på trods af potentielt lavt signal. På den anden side er hyperpolariseret xenon magnetisk resonansbilleddannelse (HP ¹²⁹Xe MRI) en ikke-invasiv modalitet, der muliggør billeddannelse af lungefunktion med regional specificitet ^5,6. Det producerer en høj uligevægt nuklear magnetisering af gassen i liter mængder. Den inaktive gas inhaleres derefter af et emne inde i MR-scanneren i et enkelt åndedrag og afbildes direkte af scanneren. Således er den inhalerede gas direkte afbildet i modsætning til selve vævet. Denne teknik er blevet brugt til at vurdere lungeventilation på tværs af mange sygdomme, herunder astma, kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL), cystisk fibrose, idiopatisk lungefibrose, coronavirussygdom 2019 (COVID-19) og mange andre³. I december 2022 blev HP ¹²⁹Xe MRI godkendt af USA’s FDA som et MR-ventilationskontrastmiddel, der skal bruges i USA til voksne og pædiatriske patienter i alderen 12 år og ældre⁷. Læger kan nu bruge ¹²⁹Xe MR til bedre pleje af patienter med forbedrede / personlige behandlingsplaner.

Historisk set fokuserer klinisk MR udelukkende på billeddannelse af hydrogenkerner (protoner), som er rigelige i næsten alle menneskelige indvolde. MR-scannere, sekvenser og kvalitetskontrol vedligeholdes generelt af scannerproducenten som en del af webstedslicensen og garantien. Imidlertid kræver ¹²⁹Xe en multinuklear MR-scanner og har krævet et dedikeret forskerhold til at operationalisere hyperpolarisatoren, specialbyggede radiofrekvensspoler (RF), dedikerede pulssekvenser og offline rekonstruktion / analysesoftware. Hver af disse komponenter kan leveres af tredjepartsleverandører eller udvikles internt. Således hviler byrden ved kvalitetskontrol generelt på ¹²⁹Xe-forskerholdet i modsætning til scannerproducenten eller den enkelte tredjepart. Konsekvent erhvervelse af ¹²⁹Xe-data af høj kvalitet er derfor en unik udfordring, da hver komponent i ¹²⁹Xe MR-processen introducerer potentialet for fejl, som skal overvåges nøje af ¹²⁹Xe-teamet. Disse situationer kan ikke kun være ekstremt frustrerende, da forskere skal fejlfinde og undersøge mulige årsager til eventuelle udfordringer, der måtte være opstået, men de kan være meget dyre, da dette bremser patientbilleddannelse og rekruttering af emner. Nogle omkostninger forbundet med fejlfinding involverer MR-tidsomkostninger, hyperpolarisering af ¹²⁹Xe, hvilket indebærer forbrug af forskellige gasser og brug af materialer. Derudover er det med den nylige FDA-godkendelse og vækst i ¹²⁹Xe-billeddannelse nødvendigt at levere en standardiseret protokol til kvalitetskontrol for at undgå almindelige problemer og tilbageslag i ¹²⁹Xe-operation ^8,9.

Her præsenterer vi nogle af de mere almindeligt forekommende problemer i ¹²⁹Xe MR, herunder RF-spolefejl, fremkomsten af forskellige støjprofiler, der fører til lavt signal-støjforhold (SNR) og billeder af dårlig kvalitet¹⁰. Vi tilstræber at levere nogle præcise retningslinjer og protokoller for kvalitetskontrol (QC) for at sikre erhvervelse af billeddata af høj kvalitet og fejlfinding af nogle af de mere almindelige problemer, der kan opstå i ¹²⁹Xe MR. Den indsigt, der gives her, er også relevant for hyperpolariseret helium-3-fejlfinding.

Protocol

Protokollen skitseret nedenfor overholder de retningslinjer og standarder, der er fastlagt af University of Missouri Human Research Ethics Committee, hvilket sikrer undersøgelsens etiske adfærd og beskyttelsen af deltagernes rettigheder, sikkerhed og trivsel. BEMÆRK: For at sikre pålideligheden og nøjagtigheden af hyperpolariserede xenon MR-undersøgelser er det afgørende at udføre streng karakterisering af erhvervede billeder, følge en omfattende protokol og anvende effektive fejlfind…

Representative Results

Figur 4 viser resultaterne af støjkarakteriseringsanalysen udført på støjscanningen. Plottet viser virkningen af både regelmæssig og uregelmæssig støj på k-rummet, hvor afvigelsen fra den ideelle y = x referencelinje observeres. Regelmæssig støj fører til et kontinuerligt mønster i k-rummet, mens uregelmæssig støj resulterer i afvigende værdier i QQ-plottet. Når vi går videre til figur 5, præsenteres en række lunge…

Discussion

Evnen til at fejlfinde ¹²⁹Xe MR-problemer er en nødvendig færdighed og kan hjælpe med at afbøde problemer i realtid. Indtil en hyperpolariseret gasinfrastruktur kan købes fra en enkelt part og opnå støtte fra scannerproducenter, er disse kvalitetskontrolopgaver alene de enkelte laboratoriers ansvar. Målet med dette manuskript er at give læseren nyttige fremgangsmåder og forslag til det uundgåelige tilfælde af dårlig dataindsamling. Mens vi forsøger at løse så mange potentielle problemer som mul…

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