Fehlersuche und Qualitätssicherung in der hyperpolarisierten Xenon-Magnetresonanztomographie: Werkzeuge für eine hochwertige Bildaufnahme
Summary
Hier stellen wir ein Protokoll zur Gewinnung hochwertiger hyperpolarisierter Xenon-129-Magnetresonanzbilder vor, das Hardware, Software, Datenerfassung, Sequenzauswahl, Datenmanagement, k-Raumnutzung und Rauschanalyse umfasst.
Abstract
Die hyperpolarisierte (HP) Xenon-Magnetresonanztomographie (129Xe MRT) ist ein kürzlich von der Federal Drug Administration (FDA) zugelassenes Bildgebungsverfahren, das hochauflösende Bilder eines eingeatmeten Xenon-Gases zur Untersuchung der Lungenfunktion liefert. Die Implementierung der 129Xe-MRT ist jedoch eine besondere Herausforderung, da sie spezielle Hardware und Ausrüstung für die Hyperpolarisation, die Beschaffung von Xenon-Bildgebungsspulen und Spulensoftware, die Entwicklung und Zusammenstellung von multinuklearen MR-Bildgebungssequenzen und die Rekonstruktion/Analyse der erfassten Daten erfordert. Ohne entsprechendes Fachwissen können diese Aufgaben entmutigend sein, und es kann frustrierend und teuer sein, keine qualitativ hochwertigen Bilder zu erhalten. Hier stellen wir einige Qualitätskontrollprotokolle (QC), Fehlerbehebungspraktiken und hilfreiche Tools für129Xe-MRT-Standorte vor, die bei der Erfassung optimierter, qualitativ hochwertiger Daten und genauer Ergebnisse helfen können. Die Diskussion beginnt mit einem Überblick über den Prozess zur Implementierung der HP 129Xe MRT, einschließlich der Anforderungen an ein Hyperpolarisator-Labor, der Kombination von 129Xe MRT-Spulenhardware/-software, Datenerfassungs- und Sequenzüberlegungen, Datenstrukturen, k-Raum- und Bildeigenschaften sowie gemessenen Signal- und Rauscheigenschaften. Jeder dieser notwendigen Schritte birgt Möglichkeiten für Fehler, Herausforderungen und ungünstige Vorkommnisse, die zu schlechter Bildqualität oder fehlgeschlagener Bildgebung führen, und diese Präsentation zielt darauf ab, einige der am häufigsten auftretenden Probleme anzugehen. Insbesondere die Identifizierung und Charakterisierung anomaler Rauschmuster in den erfassten Daten ist notwendig, um Bildartefakte und Bilder von geringer Qualität zu vermeiden. Es werden Beispiele gegeben und Minderungsstrategien diskutiert. Unser Ziel ist es, den Implementierungsprozess der 129Xe MRT für neue Standorte zu vereinfachen und gleichzeitig einige Richtlinien und Strategien für die Fehlerbehebung in Echtzeit bereitzustellen.
Introduction
Seit über einem Jahrhundert stützt sich die Beurteilung der Lungenfunktion in erster Linie auf globale Messungen aus der Spirometrie und der Körperplethysmographie. Diese herkömmlichen Lungenfunktionstests (PFTs) sind jedoch nur begrenzt in der Lage, die regionalen Nuancen und subtilen Veränderungen im Lungengewebe im Frühstadium der Erkrankung zu erfassen1. Die Nuklearmedizin mit inhalativen Radiotracern wird häufig zur Beurteilung von Beatmungs-/Perfusionsstörungen eingesetzt, die häufig mit Lungenembolien verbunden sind, aber dies beinhaltet ionisierende Strahlung und führt zu einer geringeren Auflösung. Im Gegensatz dazu hat sich die Computertomographie (CT) zum Goldstandard für die Lungenbildgebung entwickelt und bietet im Vergleich zur nuklearen Bildgebung eine außergewöhnliche räumliche und zeitliche Klarheit2. Obwohl Niedrigdosis-CT-Scans die Strahlenbelastung verringern können, sollte ein potenzielles Strahlenrisiko dennoch berücksichtigt werden 3,4. Die Protonen-MRT der Lunge ist aufgrund der geringen Gewebedichte der Lunge und des schnellen Signalabfalls aus dem Lungengewebe ungewöhnlich, obwohl die jüngsten Fortschritte trotz potenziell niedrigem Signal funktionelle Informationen liefern. Andererseits ist die hyperpolarisierte Xenon-Magnetresonanztomographie (HP 129Xe MRT) eine nicht-invasive Modalität, die eine Darstellung der Lungenfunktion mit regionaler Spezifitätermöglicht 5,6. Es erzeugt eine hohe Nichtgleichgewichtsmagnetisierung des Gases in Litermengen. Das Inertgas wird dann von einer Person im MRT-Scanner für einen einzigen Atemzug eingeatmet und direkt vom Scanner abgebildet. Auf diese Weise wird das eingeatmete Gas direkt abgebildet, im Gegensatz zum Gewebe selbst. Diese Technik wurde zur Beurteilung der Lungenventilation bei vielen Krankheiten eingesetzt, darunter Asthma, chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), Mukoviszidose, idiopathische Lungenfibrose, Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) und viele andere3. Im Dezember 2022 wurde HP 129Xe MRT von der US-amerikanischen FDA als MRT-Beatmungskontrastmittel für den Einsatz in den Vereinigten Staaten von Amerika (USA) bei Erwachsenen und pädiatrischen Patienten ab 12 Jahren zugelassen7. Ärzte können jetzt 129Xe MRT verwenden, um Patienten mit verbesserten/personalisierten Behandlungsplänen besser zu versorgen.
Historisch gesehen konzentriert sich die klinische MRT ausschließlich auf die Abbildung von Wasserstoffkernen (Protonen), die in fast allen menschlichen Eingeweiden reichlich vorhanden sind. Die MRT-Scanner, -Sequenzen und die Qualitätskontrolle werden in der Regel vom Scannerhersteller im Rahmen der Standortlizenz und -garantie gewartet. 129Xe erfordert jedoch einen multinuklearen MR-Scanner und ein engagiertes Forschungsteam, um den Hyperpolarisator, maßgeschneiderte Hochfrequenzspulen (RF), dedizierte Pulssequenzen und Offline-Rekonstruktions-/Analysesoftware zu operationalisieren. Jede dieser Komponenten kann von Drittanbietern geliefert oder selbst entwickelt werden. Daher liegt die Last der Qualitätskontrolle in der Regel beim 129Xe-Forschungsteam und nicht beim Scannerhersteller oder einzelnen Dritten. Die konsistente Erfassung qualitativ hochwertiger 129Xe-Daten ist daher eine besondere Herausforderung, da jede Komponente des 129Xe-MRT-Prozesses ein Fehlerpotenzial mit sich bringt, das vom 129Xe-Team genau überwacht werden muss. Diese Situationen können nicht nur extrem frustrierend sein, da Forscher mögliche Ursachen für eventuell aufgetretene Herausforderungen beheben und untersuchen müssen, sondern sie können auch sehr kostspielig sein, da dies die Patientenbildgebung und die Rekrutierung von Probanden verlangsamt. Zu den Kosten, die mit der Fehlersuche verbunden sind, gehören MRT-Zeitkosten, die Hyperpolarisation von 129Xe, die den Verbrauch verschiedener Gase mit sich bringt, und der Einsatz von Materialien. Darüber hinaus ist mit der jüngsten FDA-Zulassung und dem Wachstum der 129-Xe-Bildgebungdie Bereitstellung eines standardisierten Protokolls für die Qualitätskontrolle erforderlich, um häufige Probleme und Rückschläge beim 129-Xe-Betriebzu vermeiden 8,9.
Hier stellen wir einige der am häufigsten auftretenden Probleme in der 129Xe-MRT vor, darunter HF-Spulenausfälle, das Auftreten verschiedener Rauschprofile, die zu einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) führen, und Bilder von schlechter Qualität10. Unser Ziel ist es, einige präzise Richtlinien und Protokolle für die Qualitätskontrolle (QC) bereitzustellen, um die Erfassung qualitativ hochwertiger Bilddaten sicherzustellen und einige der häufigsten Probleme zu beheben, die bei der 129Xe-MRT auftreten können. Die hier gewonnenen Erkenntnisse sind auch für die Fehlersuche bei hyperpolarisiertem Helium-3 relevant.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Fähigkeit, 129Xe-MRT-Probleme zu beheben, ist eine notwendige Fähigkeit und kann dazu beitragen, Probleme in Echtzeit zu beheben. Bis eine hyperpolarisierte Gasinfrastruktur von einer einzigen Partei erworben und von den Scannerherstellern unterstützt werden kann, liegen diese Aufgaben der Qualitätskontrolle in der alleinigen Verantwortung der einzelnen Labore. Das Ziel dieses Manuskripts ist es, dem Leser hilfreiche Praktiken und Vorschläge für den unvermeidlichen Fall einer schlechten Datenerfassun…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nichts.
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 |
Referências
- 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)
