Feilsøking og kvalitetssikring i hyperpolarisert Xenon magnetisk resonansavbildning: Verktøy for bildeopptak av høy kvalitet

Summary

Her presenterer vi en protokoll for å oppnå hyperpolariserte xenon-129 magnetiske resonansbilder av høy kvalitet, som dekker maskinvare, programvare, datainnsamling, sekvensvalg, datahåndtering, k-space-utnyttelse og støyanalyse.

Abstract

Hyperpolarisert (HP) xenon magnetisk resonansavbildning (¹²⁹Xe MR) er en nylig føderal legemiddeladministrasjon (FDA) -godkjent bildebehandlingsmodalitet som produserer høyoppløselige bilder av et innåndet pust av xenongass for undersøkelse av lungefunksjon. Implementering av ¹²⁹Xe MR er imidlertid unikt utfordrende da det krever spesialisert maskinvare og utstyr for hyperpolarisering, anskaffelse av xenon-bildespoler og spoleprogramvare, utvikling og kompilering av multinukleære MR-avbildningssekvenser og rekonstruksjon/analyse av innsamlede data. Uten riktig ekspertise kan disse oppgavene være skremmende, og unnlatelse av å skaffe bilder av høy kvalitet kan være frustrerende og dyrt. Her presenterer vi noen kvalitetskontrollprotokoller (QC), feilsøkingspraksis og nyttige verktøy for¹²⁹Xe MR-nettsteder, som kan hjelpe til med å skaffe optimaliserte data av høy kvalitet og nøyaktige resultater. Diskusjonen vil begynne med en oversikt over prosessen for implementering av HP ¹²⁹Xe MR, inkludert krav til et hyperpolarisatorlaboratorium, kombinasjonen av ¹²⁹Xe MR-spole maskinvare/programvare, datainnsamling og sekvensbetraktninger, datastrukturer, k-space og bildeegenskaper, og målte signal- og støyegenskaper. Innenfor hvert av disse nødvendige trinnene ligger muligheter for feil, utfordringer og ugunstige hendelser som fører til dårlig bildekvalitet eller mislykket bildebehandling, og denne presentasjonen tar sikte på å løse noen av de vanligste problemene. Spesielt er identifisering og karakterisering av uregelmessige støymønstre i innhentede data nødvendig for å unngå bildeartefakter og bilder av lav kvalitet; Eksempler vil bli gitt, og avbøtende strategier vil bli diskutert. Vi tar sikte på å gjøre ¹²⁹Xe MR-implementeringsprosessen enklere for nye nettsteder, samtidig som vi gir noen retningslinjer og strategier for feilsøking i sanntid.

Introduction

I over et århundre har lungefunksjonsvurdering primært stått på globale målinger fra spirometri og kroppspletysmografi. Imidlertid er disse tradisjonelle lungefunksjonstestene (PFT) begrenset i deres evne til å fange opp tidlig stadium sykdommens regionale nyanser og subtile endringer i lungevev¹. Nukleærmedisin med inhalerte radiotracere har vært mye brukt for vurdering av ventilasjons-/perfusjonsavvik som vanligvis forbindes med lungeembolier, men dette innebærer ioniserende stråling og gir lavere oppløsning. I motsetning til dette har computertomografi (CT) dukket opp som gullstandarden for lungeavbildning, og tilbyr eksepsjonell romlig og tidsmessig klarhet sammenlignet med kjernefysisk avbildning². Mens lavdose CT-skanning kan redusere strålingseksponering, bør potensiell strålingsrisiko fortsatt vurderes ^3,4. Proton MR av lungen er uvanlig på grunn av lav vevstetthet i lungen og rask signalforfall fra lungevev, selv om nyere fremskritt gir funksjonell informasjon til tross for potensielt lavt signal. På den annen side er hyperpolarisert xenon magnetisk resonansavbildning (HP ¹²⁹Xe MR) en ikke-invasiv modalitet som muliggjør avbildning av lungefunksjon med regional spesifisitet ^5,6. Det produserer en høy ikke-likevekt kjernefysisk magnetisering av gassen i litermengder. Inertgassen inhaleres deretter av et motiv inne i MR-skanneren i et enkelt åndedrag og avbildes direkte av skanneren. Dermed blir den inhalerte gassen direkte avbildet i motsetning til selve vevet. Denne teknikken har blitt brukt til å vurdere lungeventilasjon på tvers av mange sykdommer, inkludert astma, kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS), cystisk fibrose, idiopatisk lungefibrose, koronavirussykdom 2019 (COVID-19) og mange andre³. I desember 2022 ble HP ¹²⁹Xe MR godkjent av USAs FDA som et MR-ventilasjonskontrastmiddel som skal brukes i USA (USA) hos voksne og pediatriske pasienter i alderen 12 år og eldre⁷. Leger kan nå bruke ¹²⁹Xe MR for å bedre ta vare på pasienter med forbedrede/personlige behandlingsplaner.

Historisk sett fokuserer klinisk MR utelukkende på avbildning av hydrogenkjerner (protoner) som er rikelig i nesten alle menneskelige innvoller. MR-skannerne, sekvensene og kvalitetskontrollen vedlikeholdes vanligvis av skannerprodusenten som en del av nettstedslisensen og garantien. Imidlertid krever ¹²⁹Xe en multinukleær MR-skanner og har krevd et dedikert forskerteam for å operasjonalisere hyperpolarisatoren, spesialbygde radiofrekvensspoler (RF), dedikerte pulssekvenser og offline rekonstruksjons- / analyseprogramvare. Hver av disse komponentene kan leveres av tredjepartsleverandører eller utvikles internt. Dermed hviler byrden av kvalitetskontroll generelt på ¹²⁹Xe-forskerteamet i motsetning til skannerprodusenten eller den enkelte tredjepart. Konsekvent innsamling av ¹²⁹Xe-data av høy kvalitet er derfor unikt utfordrende, da hver komponent i ¹²⁹Xe MR-prosessen introduserer potensialet for feil, som må overvåkes nøye av ¹²⁹Xe-teamet. Ikke bare kan disse situasjonene være ekstremt frustrerende ettersom forskere må feilsøke og undersøke mulige årsaker til eventuelle utfordringer som kan ha oppstått, men de kan være svært kostbare, da dette bremser pasientavbildning og fagrekruttering. Noen kostnader forbundet med feilsøking involverer MR-tidskostnader, hyperpolarisering av ¹²⁹Xe, som innebærer forbruk av forskjellige gasser og bruk av materialer. I tillegg, med den nylige FDA-godkjenningen og veksten i ¹²⁹Xe-bildebehandling, er det nødvendig å gi en standardisert protokoll for kvalitetskontroll for å unngå vanlige problemer og tilbakeslag i ¹²⁹Xe-operasjon ^8,9.

Her presenterer vi noen av de vanligste problemene i ¹²⁹Xe MR, inkludert RF-spolefeil, fremveksten av forskjellige støyprofiler som fører til lavt signal-støyforhold (SNR) og bilder av dårlig kvalitet¹⁰. Vi tar sikte på å gi noen konsise retningslinjer og protokoller for kvalitetskontroll (QC) for å sikre innhenting av bildedata av høy kvalitet og feilsøke noen av de vanligste problemene som kan oppstå i ¹²⁹Xe MR. Innsikten som gis her er også relevant for hyperpolarisert helium-3 feilsøking.

Protocol

Protokollen som er skissert nedenfor, overholder retningslinjene og standardene fastsatt av University of Missouri Human Research Ethics Committee, som sikrer den etiske gjennomføringen av studien og beskyttelsen av deltakernes rettigheter, sikkerhet og velvære. MERK: For å sikre påliteligheten og nøyaktigheten av hyperpolariserte xenon MR-studier, er det avgjørende å utføre streng karakterisering av anskaffede bilder, følge en omfattende protokoll og bruke effektive feilsøkingsstrat…

Representative Results

Figur 4 viser resultatene av støykarakteriseringsanalysen som ble utført på støyskanningen. Plottet demonstrerer virkningen av både regelmessig og uregelmessig støy på k-rommet, hvor avviket fra den ideelle y = x referanselinjen observeres. Regelmessig støy fører til et kontinuerlig mønster i k-rommet, mens uregelmessig støy resulterer i uteliggere av høy verdi i QQ-plottet. Videre til figur 5 presenteres en serie lungebil…

Discussion

Muligheten til å feilsøke ¹²⁹Xe MR-problemer er en nødvendig ferdighet og kan bidra til å redusere problemer i sanntid. Inntil en hyperpolarisert gassinfrastruktur kan kjøpes fra en enkelt part og få støtte fra skannerprodusenter, er disse kvalitetskontrolloppgavene eneansvaret til de enkelte laboratoriene. Målet med dette manuskriptet er å gi leseren nyttig praksis og forslag til den uunngåelige hendelsen med dårlig datainnsamling. Selv om vi forsøker å løse så mange potensielle problemer som m…

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