Probleemoplossing en kwaliteitsborging bij hypergepolariseerde xenonbeeldvorming met magnetische resonantie: hulpmiddelen voor hoogwaardige beeldacquisitie
Summary
Hier presenteren we een protocol voor het verkrijgen van hoogwaardige hypergepolariseerde xenon-129 magnetische resonantiebeelden, die hardware, software, data-acquisitie, sequentieselectie, databeheer, k-space-gebruik en ruisanalyse omvatten.
Abstract
Hypergepolariseerde (HP) xenon magnetische resonantiebeeldvorming (129Xe MRI) is een onlangs door de Federal Drug Administration (FDA) goedgekeurde beeldvormingsmodaliteit die beelden met een hoge resolutie produceert van een ingeademde adem van xenongas voor onderzoek naar de longfunctie. Het implementeren van 129Xe MRI is echter een unieke uitdaging omdat het gespecialiseerde hardware en apparatuur vereist voor hyperpolarisatie, aanschaf van xenonbeeldspoelen en spoelsoftware, ontwikkeling en compilatie van multinucleaire MR-beeldvormingssequenties en reconstructie/analyse van verkregen gegevens. Zonder de juiste expertise kunnen deze taken ontmoedigend zijn, en het niet verkrijgen van afbeeldingen van hoge kwaliteit kan frustrerend en duur zijn. Hier presenteren we enkele protocollen voor kwaliteitscontrole (QC), probleemoplossingspraktijken en handige hulpmiddelen voor129Xe MRI-locaties, die kunnen helpen bij het verkrijgen van geoptimaliseerde, hoogwaardige gegevens en nauwkeurige resultaten. De discussie begint met een overzicht van het proces voor de implementatie van HP 129Xe MRI, inclusief vereisten voor een hyperpolarisatielab, de combinatie van 129Xe MRI-spoelhardware/software, data-acquisitie en sequentieoverwegingen, datastructuren, k-ruimte- en beeldeigenschappen en gemeten signaal- en ruiskarakteristieken. Binnen elk van deze noodzakelijke stappen liggen kansen voor fouten, uitdagingen en ongunstige gebeurtenissen die leiden tot een slechte beeldkwaliteit of mislukte beeldvorming, en deze presentatie is bedoeld om enkele van de meest voorkomende problemen aan te pakken. In het bijzonder is identificatie en karakterisering van afwijkende ruispatronen in verkregen gegevens noodzakelijk om beeldartefacten en beelden van lage kwaliteit te voorkomen; Er zullen voorbeelden worden gegeven en mitigatiestrategieën zullen worden besproken. We streven ernaar om het implementatieproces van 129Xe MRI gemakkelijker te maken voor nieuwe locaties en tegelijkertijd enkele richtlijnen en strategieën te bieden voor het in realtime oplossen van problemen.
Introduction
Al meer dan een eeuw is de beoordeling van de longfunctie voornamelijk gebaseerd op globale metingen van spirometrie en lichaamsplethysmografie. Deze traditionele longfunctietesten (PFT’s) zijn echter beperkt in hun vermogen om de regionale nuances van de ziekte in een vroeg stadium en subtiele veranderingen in het longweefsel vast te leggen. Nucleaire geneeskunde met geïnhaleerde radiotracers is op grote schaal gebruikt voor de beoordeling van ventilatie/perfusie-mismatches die vaak worden geassocieerd met longembolieën, maar dit omvat ioniserende straling en levert een lagere resolutie op. Computertomografie (CT) daarentegen is naar voren gekomen als de gouden standaard voor longbeeldvorming en biedt uitzonderlijke ruimtelijke en temporele helderheid in vergelijking met nucleaire beeldvorming2. Hoewel CT-scans met een lage dosis de blootstelling aan straling kunnen verminderen, moet het potentiële stralingsrisico nog steeds worden overwogen 3,4. Proton-MRI van de long is ongebruikelijk vanwege de lage weefseldichtheid van de long en het snelle signaalverval van longweefsel, hoewel recente ontwikkelingen functionele informatie bieden ondanks een potentieel laag signaal. Aan de andere kant is hypergepolariseerde xenon magnetische resonantiebeeldvorming (HP 129Xe MRI) een niet-invasieve modaliteit die beeldvorming van de longfunctie mogelijk maakt met regionale specificiteit 5,6. Het produceert een hoge niet-evenwichtskernmagnetisatie van het gas in literhoeveelheden. Het inerte gas wordt vervolgens ingeademd door een proefpersoon in de MR-scanner voor een enkele ademhaling en wordt direct in beeld gebracht door de scanner. Het ingeademde gas wordt dus direct in beeld gebracht in tegenstelling tot het weefsel zelf. Deze techniek is gebruikt om longventilatie te beoordelen bij vele ziekten, waaronder astma, chronische obstructieve longziekte (COPD), cystische fibrose, idiopathische longfibrose, coronavirusziekte 2019 (COVID-19) en vele andere3. In december 2022 werd HP 129Xe MRI door de Amerikaanse FDA goedgekeurd als contrastmiddel voor MRI-ventilatie voor gebruik in de Verenigde Staten van Amerika (VS) bij volwassenen en pediatrische patiënten van 12 jaar en ouder7. Artsen kunnen nu 129Xe MRI gebruiken om patiënten beter te verzorgen met verbeterde/gepersonaliseerde behandelplannen.
Historisch gezien richt klinische MRI zich uitsluitend op het in beeld brengen van waterstofkernen (protonen) die overvloedig aanwezig zijn in bijna alle menselijke ingewanden. De MRI-scanners, sequenties en kwaliteitscontrole worden over het algemeen onderhouden door de fabrikant van de scanner als onderdeel van de sitelicentie en garantie. 129Xe vereist echter een multinucleaire MR-scanner en heeft een speciaal onderzoeksteam nodig om de hyperpolarisator, op maat gemaakte radiofrequentiespoelen (RF), speciale pulssequenties en offline reconstructie-/analysesoftware te operationaliseren. Elk van deze componenten kan worden geleverd door externe leveranciers of in eigen huis worden ontwikkeld. De last van de kwaliteitscontrole ligt dus over het algemeen bij het 129Xe-onderzoeksteam en niet bij de fabrikant van de scanner of de individuele derde partij. Het consistent verkrijgen van hoogwaardige 129Xe-gegevens is daarom een unieke uitdaging, aangezien elk onderdeel van het 129Xe MRI-proces de kans op fouten introduceert, die nauwlettend in de gaten moeten worden gehouden door het 129Xe-team. Deze situaties kunnen niet alleen buitengewoon frustrerend zijn, omdat onderzoekers mogelijke oorzaken voor eventuele uitdagingen moeten oplossen en onderzoeken, maar ze kunnen ook erg kostbaar zijn omdat dit de beeldvorming van patiënten en de werving van proefpersonen vertraagt. Sommige kosten die verband houden met het oplossen van problemen hebben betrekking op MRI-tijdkosten, de hyperpolarisatie van 129Xe, waarbij verschillende gassen worden verbruikt, en het gebruik van materialen. Bovendien, met de recente FDA-goedkeuring en groei in 129Xe-beeldvorming, is het bieden van een gestandaardiseerd protocol voor kwaliteitscontrole noodzakelijk om veelvoorkomende problemen en tegenslagen bij 129Xe-operatie 8,9 te voorkomen.
Hier presenteren we enkele van de meest voorkomende problemen in 129Xe MRI, waaronder storingen in RF-spoelen, het ontstaan van verschillende ruisprofielen die leiden tot een lage signaal-ruisverhouding (SNR) en beelden van slechte kwaliteit10. We streven ernaar om enkele beknopte richtlijnen en protocollen voor kwaliteitscontrole (QC) te bieden om de verwerving van beeldgegevens van hoge kwaliteit te garanderen en enkele van de meest voorkomende problemen op te lossen die zich kunnen voordoen bij 129Xe MRI. De inzichten die hier worden gegeven, zijn ook relevant voor het oplossen van problemen met hypergepolariseerd helium-3.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het vermogen om 129Xe MRI-problemen op te lossen is een noodzakelijke vaardigheid en kan helpen om problemen in realtime te verminderen. Totdat een hypergepolariseerde gasinfrastructuur van één partij kan worden gekocht en steun kan krijgen van scannerfabrikanten, zijn deze kwaliteitscontroletaken uitsluitend de verantwoordelijkheid van de individuele laboratoria. Het doel van dit manuscript is om de lezer te voorzien van nuttige praktijken en suggesties voor het onvermijdelijke geval van slechte gegevensver…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Geen.
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)
