פתרון בעיות ואבטחת איכות בדימות תהודה מגנטית קסנון היפר-מקוטב: כלים לרכישת תמונה באיכות גבוהה
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לקבלת תמונות תהודה מגנטית באיכות גבוהה מסוג קסנון היפרפולרי, המכסה חומרה, תוכנה, רכישת נתונים, בחירת רצפים, ניהול נתונים, ניצול מרחב k וניתוח רעשים.
Abstract
דימות תהודה מגנטית קסנון היפרפולרי (HP) (129Xe MRI) הוא שיטת הדמיה שאושרה לאחרונה על ידי מנהל התרופות הפדרלי (FDA) המפיקה תמונות ברזולוציה גבוהה של נשימה בשאיפה של גז קסנון לחקר תפקוד הריאות. עם זאת, יישום 129Xe MRI הוא מאתגר במיוחד מכיוון שהוא דורש חומרה וציוד מיוחדים להיפרפולריזציה, רכישת סלילי הדמיה קסנון ותוכנת סלילים, פיתוח והידור של רצפי דימות MR רב-גרעיניים, ושחזור/ניתוח של נתונים שנרכשו. ללא מומחיות מתאימה, משימות אלה יכולות להיות מרתיעות, וכישלון בהשגת תמונות באיכות גבוהה יכול להיות מתסכל ויקר. כאן, אנו מציגים כמה פרוטוקולי בקרת איכות (QC), שיטות פתרון בעיות וכלים מועילים עבור129אתרי MRI Xe, שעשויים לסייע בהשגת נתונים אופטימליים באיכות גבוהה ותוצאות מדויקות. הדיון יתחיל בסקירה כללית של התהליך ליישום HP 129Xe MRI, כולל דרישות למעבדת היפרפולרייזרים, שילוב חומרה/תוכנה של סליל MRI 129Xe, שיקולי איסוף נתונים ורצף, מבני נתונים, מאפייני מרחב k ותמונה ומאפייני אות ורעש שנמדדו. בתוך כל אחד מהשלבים ההכרחיים הללו טמונות הזדמנויות לשגיאות, אתגרים והתרחשויות שליליות המובילות לאיכות תמונה ירודה או הדמיה כושלת, ומצגת זו נועדה לטפל בכמה מהבעיות הנפוצות יותר. בפרט, זיהוי ואפיון של דפוסי רעש חריגים בנתונים שנרכשו נחוצים כדי למנוע תוצרי תמונה ותמונות באיכות נמוכה; יינתנו דוגמאות, ויידונו אסטרטגיות מיתון. אנו שואפים להפוך את תהליך היישום של 129Xe MRI לקל יותר עבור אתרים חדשים תוך מתן כמה הנחיות ואסטרטגיות לפתרון בעיות בזמן אמת.
Introduction
במשך יותר ממאה שנה, הערכת תפקודי ריאות הסתמכה בעיקר על מדידות גלובליות מספירומטריה ופלטיסמוגרפיה של הגוף. עם זאת, בדיקות תפקודי ריאות מסורתיות אלה (PFTs) מוגבלות ביכולתן ללכוד את הניואנסים האזוריים של המחלה בשלב מוקדם ושינויים עדינים ברקמת הריאה1. רפואה גרעינית עם רדיוטרייסרים נשאפים נמצאת בשימוש נרחב להערכת אי התאמות אוורור / זילוח הקשורות בדרך כלל לאמבולי ריאתי, אך זה כרוך בקרינה מייננת ומניב רזולוציה נמוכה יותר. לעומת זאת, טומוגרפיה ממוחשבת (CT) התפתחה כתקן הזהב לדימות ריאות, ומציעה בהירות מרחבית וזמנית יוצאת דופן בהשוואה לדימות גרעיני2. בעוד שסריקות CT במינון נמוך יכולות להפחית את החשיפה לקרינה, עדיין יש לשקול סיכון פוטנציאלי לקרינה 3,4. MRI פרוטון של הריאה אינו שכיח עקב צפיפות רקמה נמוכה של הריאה ודעיכת אות מהירה מרקמת הריאה, אם כי ההתקדמות האחרונה מציעה מידע פונקציונלי למרות אות נמוך פוטנציאלי. מצד שני, דימות תהודה מגנטית קסנון היפרפולרי (HP 129Xe MRI) הוא שיטה לא פולשנית המאפשרת הדמיה של תפקוד ריאות עם ספציפיות אזורית 5,6. הוא מייצר מגנטיזציה גרעינית גבוהה של הגז בכמויות של ליטר. לאחר מכן הגז האינרטי נשאף על ידי נבדק בתוך סורק MR למשך נשימה אחת והוא מצולם ישירות על ידי הסורק. לפיכך, הגז הנשאף מצולם ישירות בניגוד לרקמה עצמה. טכניקה זו שימשה להערכת אוורור ריאות במחלות רבות, כולל אסטמה, מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD), סיסטיק פיברוזיס, פיברוזיס ריאתי אידיופתי, מחלת קורונה 2019 (COVID-19), ועודרבים אחרים 3. בדצמבר 2022, HP 129Xe MRI אושר על ידי ה- FDA האמריקאי כחומר ניגוד אוורור MRI לשימוש בארצות הברית (ארה”ב) במבוגרים ובילדים בגילאי 12 שנים ומעלה7. רופאים יכולים כעת להשתמש ב- 129Xe MRI כדי לטפל טוב יותר בחולים עם תוכניות טיפול משופרות / מותאמות אישית.
מבחינה היסטורית, MRI קליני מתמקד אך ורק בהדמיה של גרעיני מימן (פרוטונים) הנמצאים בשפע כמעט בכל הקרביים האנושיים. סורקי MRI, רצפים ובקרת איכות מתוחזקים בדרך כלל על ידי יצרן הסורק כחלק מרישיון האתר והאחריות. עם זאת, 129Xe דורש סורק MR רב-גרעיני ודרש צוות מחקר ייעודי כדי להפעיל את ההיפרפולרייזר, סלילי גלי רדיו (RF) מותאמים אישית, רצפי פולסים ייעודיים ותוכנת שחזור/ניתוח לא מקוונת. כל אחד מהרכיבים הללו יכול להיות מסופק על ידי ספקי צד שלישי או מפותח בתוך החברה. לפיכך, נטל בקרת האיכות מוטל בדרך כלל על צוות המחקר של 129Xe ולא על יצרן הסורק או צד שלישי בודד. רכישה עקבית של נתוני 129Xe באיכות גבוהה היא אפוא מאתגרת באופן ייחודי, שכן כל רכיב בתהליך 129Xe MRI מציג את הפוטנציאל לטעות, אשר חייב להיות במעקב צמוד על ידי צוות 129Xe. לא רק שמצבים אלה יכולים להיות מתסכלים מאוד מכיוון שהחוקרים צריכים לפתור ולחקור סיבות אפשריות לכל אתגר שעשוי להתעורר, אלא שהם יכולים להיות יקרים מאוד מכיוון שזה מאט את הדימות של המטופלים ואת גיוס הנבדקים. חלק מהעלויות הכרוכות בפתרון בעיות כרוכות בעלויות זמן MRI, היפרפולריזציה של 129Xe, הכוללת צריכת גזים שונים, ושימוש בחומרים. בנוסף, עם אישור ה- FDA האחרון והצמיחה בהדמיה של 129Xe, יש צורך במתן פרוטוקול סטנדרטי לבקרת איכות כדי למנוע בעיות נפוצות ועיכובים בפעולת 129Xe 8,9.
כאן, אנו מציגים כמה מהבעיות הנפוצות ביותר ב- MRI 129Xe, כולל כשלים בסליל RF, הופעתם של פרופילי רעש שונים המובילים ליחס אות לרעש נמוך (SNR), ותמונות באיכות ירודה10. אנו שואפים לספק כמה הנחיות ופרוטוקולים תמציתיים לבקרת איכות (QC) כדי להבטיח רכישה של נתוני תמונה באיכות גבוהה ולפתור כמה מהבעיות הנפוצות יותר שעלולות להתעורר ב- 129Xe MRI. התובנות המובאות כאן רלוונטיות גם לפתרון בעיות בהליום-3 היפרפולרי.
Protocol
Representative Results
Discussion
היכולת לפתור בעיות MRI 129Xe היא מיומנות הכרחית ועשויה לסייע בהפחתת בעיות בזמן אמת. עד שניתן יהיה לרכוש תשתית גז היפרפולרית מגורם אחד ולזכות בתמיכה מיצרני סורקים, משימות בקרת איכות אלה הן באחריותן הבלעדית של המעבדות הבודדות. מטרתו של כתב יד זה היא לספק לקורא פרקטיקות מועילות והצעות לאיר…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ללא.
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)
