Risoluzione dei problemi e garanzia di qualità nella risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzato: strumenti per l'acquisizione di immagini di alta qualità
Summary
Qui, presentiamo un protocollo per ottenere immagini di risonanza magnetica xenon-129 iperpolarizzate di alta qualità, che copre hardware, software, acquisizione dati, selezione della sequenza, gestione dei dati, utilizzo dello spazio k e analisi del rumore.
Abstract
La risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzata (HP) (129Xe MRI) è una modalità di imaging recentemente approvata dalla Federal Drug Administration (FDA) che produce immagini ad alta risoluzione di un respiro inalato di gas xeno per lo studio della funzione polmonare. Tuttavia, l’implementazione della risonanza magnetica 129Xe è particolarmente impegnativa in quanto richiede hardware e apparecchiature specializzate per l’iperpolarizzazione, l’approvvigionamento di bobine di imaging allo xeno e software per bobine, lo sviluppo e la compilazione di sequenze di imaging RM multinucleare e la ricostruzione/analisi dei dati acquisiti. Senza un’adeguata esperienza, queste attività possono essere scoraggianti e la mancata acquisizione di immagini di alta qualità può essere frustrante e costosa. Qui, presentiamo alcuni protocolli di controllo della qualità (QC), pratiche di risoluzione dei problemi e strumenti utili per129siti di risonanza magnetica Xe, che possono aiutare nell’acquisizione di dati ottimizzati e di alta qualità e risultati accurati. La discussione inizierà con una panoramica del processo di implementazione di HP 129Xe MRI, inclusi i requisiti per un laboratorio di iperpolarizzazione, la combinazione di hardware/software della bobina 129Xe MRI, considerazioni sull’acquisizione e la sequenza dei dati, le strutture dei dati, lo spazio k e le proprietà dell’immagine e le caratteristiche del segnale e del rumore misurate. All’interno di ciascuno di questi passaggi necessari si trovano opportunità di errori, sfide e eventi sfavorevoli che portano a una scarsa qualità dell’immagine o a un imaging non riuscito, e questa presentazione mira ad affrontare alcuni dei problemi più comunemente riscontrati. In particolare, l’identificazione e la caratterizzazione di pattern di rumore anomali nei dati acquisiti sono necessarie per evitare artefatti di immagine e immagini di bassa qualità; Verranno forniti esempi e verranno discusse strategie di mitigazione. Il nostro obiettivo è quello di semplificare il processo di implementazione della risonanza magnetica 129Xe per i nuovi siti, fornendo al contempo alcune linee guida e strategie per la risoluzione dei problemi in tempo reale.
Introduction
Per oltre un secolo, la valutazione della funzionalità polmonare si è basata principalmente su misurazioni globali provenienti dalla spirometria e dalla pletismografia corporea. Tuttavia, questi tradizionali test di funzionalità polmonare (PFT) sono limitati nella loro capacità di catturare le sfumature regionali della malattia in fase iniziale e i sottili cambiamenti nel tessuto polmonare1. La medicina nucleare con radiotraccianti per via inalatoria è stata ampiamente utilizzata per la valutazione dei disallineamenti di ventilazione/perfusione comunemente associati agli emboli polmonari, ma ciò comporta radiazioni ionizzanti e produce una risoluzione inferiore. Al contrario, la tomografia computerizzata (TC) è emersa come il gold standard per l’imaging polmonare, offrendo un’eccezionale chiarezza spaziale e temporale rispetto all’imaging nucleare2. Sebbene le scansioni TC a basso dosaggio possano mitigare l’esposizione alle radiazioni, il potenziale rischio di radiazioni dovrebbe comunque essere considerato 3,4. La risonanza magnetica protonica del polmone è rara a causa della bassa densità tissutale del polmone e del rapido decadimento del segnale dal tessuto polmonare, sebbene i recenti progressi offrano informazioni funzionali nonostante il potenziale basso segnale. D’altra parte, la risonanza magnetica allo xeno iperpolarizzato (HP 129Xe MRI) è una modalità non invasiva che consente l’imaging della funzione polmonare con specificità regionale 5,6. Produce un’elevata magnetizzazione nucleare di non equilibrio del gas in quantità litri. Il gas inerte viene quindi inalato da un soggetto all’interno dello scanner RM per un singolo respiro e viene ripreso direttamente dallo scanner. Pertanto, il gas inalato viene visualizzato direttamente al contrario del tessuto stesso. Questa tecnica è stata utilizzata per valutare la ventilazione polmonare in molte malattie, tra cui l’asma, la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO), la fibrosi cistica, la fibrosi polmonare idiopatica, la malattia da coronavirus 2019 (COVID-19) e molte altre3. Nel dicembre 2022, HP 129Xe MRI è stato approvato dalla FDA degli Stati Uniti come agente di contrasto per la ventilazione MRI da utilizzare negli Stati Uniti d’America (USA) negli adulti e nei pazienti pediatrici di età pari o superiore a 12 anni7. I medici possono ora utilizzare la risonanza magnetica 129Xe per prendersi cura meglio dei pazienti con piani di trattamento migliorati/personalizzati.
Storicamente, la risonanza magnetica clinica si concentra esclusivamente sull’imaging dei nuclei di idrogeno (protoni) che sono abbondanti in quasi tutti i visceri umani. Gli scanner MRI, le sequenze e il controllo qualità sono generalmente gestiti dal produttore dello scanner come parte della licenza e della garanzia del sito. Tuttavia, 129Xe richiede uno scanner RM multinucleare e ha richiesto un team di ricerca dedicato per rendere operativo l’iperpolarizzatore, bobine a radiofrequenza (RF) personalizzate, sequenze di impulsi dedicate e software di ricostruzione/analisi offline. Ognuno di questi componenti può essere fornito da fornitori terzi o sviluppato internamente. Pertanto, l’onere del controllo di qualità ricade generalmente sul team di ricerca 129Xe e non sul produttore dello scanner o su singole terze parti. L’acquisizione coerente di dati 129Xe di alta qualità è quindi una sfida unica, poiché ogni componente del processo di risonanza magnetica 129Xe introduce il potenziale di errore, che deve essere attentamente monitorato dal team 129Xe. Non solo queste situazioni possono essere estremamente frustranti in quanto i ricercatori devono risolvere i problemi e indagare sulle possibili cause di eventuali sfide che potrebbero essere emerse, ma possono essere molto costose in quanto ciò rallenta l’imaging dei pazienti e il reclutamento dei soggetti. Alcuni costi associati alla risoluzione dei problemi riguardano i costi del tempo di risonanza magnetica, l’iperpolarizzazione di 129Xe, che comporta il consumo di gas diversi, e l’uso di materiali. Inoltre, con la recente approvazione della FDA e la crescita dell’imaging 129Xe, è necessario fornire un protocollo standardizzato per il controllo della qualità per evitare problemi comuni e battute d’arresto nell’operazione 129Xe 8,9.
In questo articolo, presentiamo alcuni dei problemi più comuni riscontrati nella risonanza magnetica 129Xe, tra cui i guasti della bobina RF, l’emergere di vari profili di rumore che portano a un basso rapporto segnale/rumore (SNR) e immagini di scarsa qualità10. Il nostro obiettivo è quello di fornire alcune linee guida e protocolli concisi per il controllo della qualità (QC) per garantire l’acquisizione di dati di immagine di alta qualità e risolvere alcuni dei problemi più comuni che possono sorgere nella risonanza magnetica 129Xe. Le informazioni fornite qui sono rilevanti anche per la risoluzione dei problemi relativi all’elio-3 iperpolarizzato.
Protocol
Representative Results
Discussion
La capacità di risolvere i problemi di 129Xe MRI è un’abilità necessaria e può aiutare a mitigare i problemi in tempo reale. Fino a quando un’infrastruttura del gas iperpolarizzata non può essere acquistata da una singola parte e ottenere il supporto dei produttori di scanner, queste attività di controllo della qualità sono di esclusiva responsabilità dei singoli laboratori. L’obiettivo di questo manoscritto è quello di fornire al lettore pratiche e suggerimenti utili per l’inevitabile evento di una s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nessuno.
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 |
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