Gestion des artefacts de mouvement respiratoire dans 18tomographie par émission de positron de F-fluorodeoxyglucose à l’aide d’un algorithme optimal de gating respiratoire basé sur l’amplitude

Summary

Le gating respiratoire optimal (ORG) basé sur l’amplitude élimine efficacement le flou de mouvement induit par les respiratoires des images cliniques de tomographie par émission de positons (PET) de ¹⁸F-fluorodeoxyglucose (FDG). La correction des images FDG-PET pour ces artefacts de mouvement respiratoire améliore la qualité de l’image, la précision diagnostique et quantitative. L’enlèvement des artefacts de mouvement respiratoire est important pour la gestion clinique adéquate des patients utilisant le PET.

Abstract

La tomographie par émission de positons (TEP) combinée à la tomographie calculée aux rayons X (Tomodensitométrie) est une plate-forme d’imagerie moléculaire importante qui est nécessaire pour un diagnostic précis et une stadification clinique d’une variété de maladies. L’avantage de l’imagerie TEP est la capacité de visualiser et de quantifier une myriade de processus biologiques in vivo avec une sensibilité et une précision élevées. Cependant, il existe de multiples facteurs qui déterminent la qualité de l’image et la précision quantitative des images PET. L’un des principaux facteurs influençant la qualité de l’image dans l’imagerie TEP du thorax et du haut de l’abdomen est le mouvement respiratoire, entraînant un flou de mouvement induit par la respiration des structures anatomiques. La correction de ces artefacts est nécessaire pour fournir une qualité d’image optimale et une précision quantitative des images PET.

Plusieurs techniques de gating respiratoire ont été développées, s’appuyant généralement sur l’acquisition d’un signal respiratoire simultanément avec des données pet. Sur la base du signal respiratoire acquis, les données PET sont sélectionnées pour la reconstruction d’une image sans mouvement. Bien qu’il ait été démontré que ces méthodes éliminent efficacement les artefacts de mouvement respiratoire des images PET, la performance dépend de la qualité du signal respiratoire acquis. Dans cette étude, l’utilisation d’un algorithme optimal de gating respiratoire (ORG) basé sur l’amplitude est discutée. Contrairement à de nombreux autres algorithmes de gating respiratoire, ORG permet à l’utilisateur d’avoir le contrôle sur la qualité de l’image par rapport à la quantité de mouvement rejeté dans les images PET reconstruites. Ceci est réalisé en calculant une plage d’amplitude optimale basée sur le signal de substitution acquis et un cycle de service spécifié par l’utilisateur (le pourcentage de données PET utilisées pour la reconstruction de l’image). La plage d’amplitude optimale est définie comme la plus petite plage d’amplitude contenant encore la quantité de données PET nécessaires à la reconstruction de l’image. Il a été démontré que l’ORG entraîne l’élimination efficace du flou d’image induit par la respiration dans l’imagerie TEP du thorax et du haut de l’abdomen, ce qui améliore la qualité de l’image et la précision quantitative.

Introduction

La tomographie par émission de positons (TEP) en combinaison avec la tomographie calculée aux rayons X (TCC) est un outil d’imagerie largement accepté dans la pratique clinique pour un diagnostic précis et une stadification clinique d’une variété^{de maladies 1}. L’avantage de l’imagerie TEP est la capacité de visualiser et de quantifier une myriade de processus biologiques in vivo avec une sensibilité et une précision^{élevées 2}. Ceci est réalisé en administrant par voie intraveineuse un composé radioactivement étiqueté, également connu sous le nom de radiotraceur, au patient. Selon le radiotraceur utilisé, les caractéristiques tissulaires telles que le métabolisme du glucose, la prolifération cellulaire, le degré d’hypoxie, le transport des acides aminés et l’expression des protéines et des récepteurs peuvent être visualisées et quantifiées².

Bien que plusieurs radiotraceurs aient été développés, validés et utilisés dans la pratique clinique, l’analogue radioactif du glucose ¹⁸F-fluorodeoxyglucose (FDG) est le radiotraceur le plus largement utilisé dans la pratique clinique. Étant donné que le FDG s’accumule principalement dans les cellules à taux glycolytique élevé (c.-à-d. les cellules dont l’absorption et la conversion du glucose sont élevées en pyruvate pour la production d’énergie), il est possible de discriminer les tissus ayant des états métaboliques différents. Semblable au glucose, la première étape de l’absorption de FDG est le transport de l’espace extracellulaire au-dessus de la membrane de plasma à l’espace intracellulaire, qui est facilité par des transporteurs de glucose (GLUT)^3. Une fois que le FDG est dans l’espace intracellulaire, la phosphorylation par hexokinases se traduira par la génération de FDG-6-phosphate. Cependant, contrairement au glucose-6-phosphate, FDG-6-phosphate ne peut pas entrer dans le cycle de Krebs pour d’autres dissimilation aérobies dues à l’absence d’un groupe hydroxyle (OH) à la deuxième (2′) position de carbone. Étant donné que la réaction inverse, la déphosphorylation de FDG-6-phosphate de retour à FDG, se produit à peine dans la plupart des tissus, le FDG-6-phosphate est piégé intracellulairement³. Par conséquent, le degré d’absorption de FDG dépend de l’expression de la GLUT (en particulier GLUT1 et GLUT3) sur la membrane plasmatique, et de l’activité enzymatique intracellulaire des hexokinases. Le concept de cette absorption et de ce piégeage continus de FDG est appelé piégeage métabolique. Le fait que FDG s’accumule préférentiellement dans les tissus avec une activité métabolique élevée est montré dans la figure 1a,démontrant la distribution physiologique de FDG dans un patient. Cette image FDG-PET montre une absorption plus élevée dans les tissus cardiaques, cérébraux et hépatiques, qui sont connus pour être des organes métaboliquement actifs dans des conditions normales.

La sensibilité élevée pour détecter des différences dans l’état métabolique des tissus fait FDG un excellent radiotraceur pour discriminer normal des tissus maladie, étant donné qu’un métabolisme modifié est une marque importante pour beaucoup de maladies. Ceci est facilement représenté dans la figure 1b, montrant une image FDG-PET d’un patient atteint d’un cancer du poumon non à petites cellules de stade IV (NSCLC). Il y a augmentation de l’absorption dans la tumeur primaire aussi bien que dans les lésions métastatiques. En plus de la visualisation, la quantification de l’absorption de radiotraceur joue un rôle important dans la gestion clinique des patients. Les indices quantitatifs dérivés des images PET reflétant le degré d’absorption du radiotraceur, tels que la valeur d’absorption normalisée (VUS), les volumes métaboliques et la glycolyse totale des lésions (TLG), peuvent être utilisés pour fournir des informations pronostiques importantes et mesurer la réponse au traitement pour différents groupes de patients^4,5,6. À cet égard, l’imagerie FDG-PET est de plus en plus utilisée pour personnaliser la radiothérapie et le traitement systémique chez les patients en^{oncologie 7}. En outre, l’utilisation de FDG-PET pour surveiller la toxicité induite par le traitement aigu, tels que l’œsophagite induite par rayonnement^8,la pneumonite⁹ et les réponses inflammatoires^{systémiques 10}, a été décrite et fournit des informations importantes pour prendre des décisions de traitement guidées par l’image.

Étant donné le rôle important de la TEP pour la prise en charge clinique des patients, la qualité de l’image et l’exactitude quantitative sont importantes pour guider adéquatement les décisions de traitement basées sur des images PET. Cependant, il existe de nombreux facteurs techniques qui peuvent compromettre l’exactitude quantitative des images PET¹¹. Un facteur important qui peut influencer de manière significative la quantification de l’image dans la TEP est lié aux temps d’acquisition plus longs de TEP par rapport à d’autres modalités d’imagerie radiologique, généralement plusieurs minutes par position de lit. En conséquence, les patients sont habituellement chargés de respirer librement pendant l’imagerie TEP. Le résultat est que les images PET souffrent de mouvement induit par les voies respiratoires, ce qui peut conduire à un flou significatif des organes situés dans le thorax et le haut de l’abdomen. Ce flou de mouvement induit par les voies respiratoires peut nuire de façon significative à la visualisation adéquate et à l’exactitude quantitative de l’absorption du radiotraceur, ce qui peut affecter la prise en charge clinique des patients lors de l’utilisation d’images TEP pour le diagnostic et la mise en scène, la définition du volume cible pour les applications de planification des traitements radiologiques et la surveillance de la réponse^{thérapeutique 12}.

Plusieurs méthodes de gating respiratoire ont été développées dans le but de corriger les images PET pour les artefacts de mouvement^{respiratoire 13}. Ces méthodes peuvent être classées en stratégies de gating prospectives, rétrospectives et axées sur les données. Les techniques prospectives et rétrospectives de gating respiratoire s’appuient typiquement sur l’acquisition d’un signal respiratoire de substitution pendant l’imagerie de PET^14. Ces signaux respiratoires de substitution sont utilisés pour suivre et surveiller le cycle respiratoire du patient. Des exemples de dispositifs de suivi respiratoire sont la détection de l’excursion de la paroi^{thoracique à l’aide} de capteurs de pression 12 ou de systèmes optiques de suivi (p. ex., caméras^{vidéo) 15}, thermocouples pour mesurer la température^{de l’air respiré 16}, et des spiromètres pour mesurer le débit d’air et ainsi estimer indirectement les changements de volume dans les poumons du patient¹⁷.

Le gating respiratoire est alors typiquement accompli en enregistrant continuellement et simultanément un signal de substitution (désigné S(t)), avec les données de PET pendant l’acquisition d’image. À l’aide du signal de substitution acquis, les données TEP correspondant à une phase respiratoire particulière ou à une plage d’amplitude (gating à base d’amplitude) peuvent^{être sélectionnées 12,13,18}. L’accouplement par phase est effectué en divisant chaque cycle respiratoire en un nombre fixe de portes, comme le montre la figure 2a. Le gating respiratoire est ensuite effectué en sélectionnant les données acquises à une phase particulière pendant le cycle respiratoire du patient à utiliser pour la reconstruction de l’image. De même, le gating à base d’amplitude repose sur la définition d’une amplitude du signal respiratoire, comme le montre la figure 2b. Lorsque la valeur du signal respiratoire se situe dans la plage d’amplitude définie, les données correspondantes de la liste PET seront utilisées pour la reconstruction de l’image. Pour les approches de gating rétrospectives, toutes les données sont collectées et le re-binning des données PET est effectué après l’acquisition de l’image. Bien que les méthodes prospectives de gating respiratoire utilisent les mêmes concepts que les approches rétrospectives de gating pour le re-binning des données de PET, ces méthodes s’appuient sur la collecte prospective des données pendant l’acquisition d’image. Lorsqu’une quantité suffisante de données PET est recueillie, l’acquisition d’images sera finalisée. La difficulté de telles approches prospectives et rétrospectives est de maintenir une qualité d’image acceptable sans prolonger significativement les temps d’acquisition d’image lorsque la respiration irrégulière^{se produit 13}. À cet égard, les méthodes de gating respiratoire par phase sont particulièrement sensibles aux schémas respiratoires^{irréguliers 13},^19,où des quantités importantes de données PET peuvent être rejetées en raison du rejet de déclencheurs inappropriés, ce qui entraîne une réduction considérable de la qualité de l’image ou un allongement inacceptable du temps d’acquisition d’images. De plus, lorsque des déclencheurs inappropriés sont acceptés, les performances de l’algorithme de gating respiratoire et donc l’efficacité du rejet de mouvement des images PET peuvent être réduites en raison du fait que les portes respiratoires sont définies à différentes phases du cycle respiratoire, comme le montre la figure 2a. En effet, il a été signalé que l’accouplement respiratoire basé sur l’amplitude est plus stable que les approches par phase en cas d’irrégularités dans le signal^{respiratoire 13}. Bien que les algorithmes de gating respiratoire basés sur l’amplitude soient plus robustes en présence de fréquences respiratoires irrégulières, ces algorithmes sont plus sensibles à la dérive de base du signal respiratoire. La dérive du signal de base peut se produire en raison de nombreuses raisons lorsque la tension musculaire du patient (c.-à-d. la transition d’un patient dans un état plus détendu lors de l’acquisition de l’image) ou des changements de modèle respiratoire. Afin d’éviter une telle dérive de base du signal, il convient de prendre soin d’attacher en toute sécurité des capteurs de suivi au patient et d’effectuer une surveillance régulière du signal respiratoire.

Bien que ces problèmes soient connus, les algorithmes traditionnels de gation respiratoire ne permettent qu’un contrôle limité de la qualité de l’image et nécessitent généralement un allongement significatif du temps d’acquisition d’images ou une augmentation des quantités de radiotraceur à administrer au patient. Ces facteurs ont eu comme conséquence l’adoption limitée de tels protocoles dans la routine clinique. Afin de contourner ces problèmes liés à la qualité variable des images à portail respiratoire, un type spécifique d’algorithme de gating basé sur l’amplitude, également connu sous le nom de gating respiratoire optimal (ORG), a été proposé¹⁸. Le gating respiratoire avec ORG permet à l’utilisateur de spécifier la qualité de l’image des images à portail respiratoire en fournissant un cycle de service comme entrée à l’algorithme. Le cycle de service est défini comme un pourcentage des données de mode liste PET acquises qui sont utilisées pour la reconstruction d’images. Contrairement à de nombreux autres algorithmes de gating respiratoire, ce concept permet à l’utilisateur de déterminer directement la qualité d’image des images PET reconstruites. Sur la base du cycle de service spécifié, une plage d’amplitude optimale est calculée, qui tient compte des caractéristiques spécifiques de l’ensemble du signal respiratoire de^{substitution 18}. La plage d’amplitude optimale pour un cycle de service spécifique sera calculée en commençant par une sélection de différentes valeurs pour la limite d’amplitude inférieure, désignée (L), du signal respiratoire. Pour chaque limite inférieure sélectionnée, la limite d’amplitude supérieure, désignée (U), est ajustée de telle sorte que la somme des données PET sélectionnées, définies comme des données acquises lorsque le signal respiratoire se situe dans la plage d’amplitude (L<S(t)<U), est égale au cycle de service spécifié. Par exemple, pour un cycle de service de 50 % et six minutes de données pet listmode acquises, la plage d’amplitude est adaptée pour inclure trois minutes (50 %) données PET. La plage d’amplitude optimale (W) est définie comme la plus petite plage d’amplitude utilisée pour l’accouplement respiratoire qui contient encore la quantité requise de données PET (c.-à-d. ArgMax ([U–L])), telle que décrite dans la figure 2c¹². Ainsi, en spécifier le cycle de service, l’utilisateur fait un compromis entre la quantité de bruit et le degré de mouvement résiduel résidant dans les images ORG PET. L’abaissement du cycle de droits augmentera la quantité de bruit, bien que cela réduira également la quantité de mouvement résiduel dans les images PET (et vice versa). Bien que les concepts et les effets de l’ORG aient été décrits dans des rapports antérieurs, le but de ce manuscrit est de fournir aux cliniciens des détails sur les protocoles spécifiques lors de l’utilisation de l’ORG en pratique clinique. Par conséquent, l’utilisation de l’ORG dans un protocole d’imagerie clinique est décrite. Plusieurs aspects pratiques, y compris la préparation des patients, l’acquisition d’images et les protocoles de reconstruction, seront fournis. En outre, le manuscrit couvrira l’interface utilisateur du logiciel ORG et les choix spécifiques qui peuvent être faits lors de l’exécution de gations respiratoires pendant l’imagerie TEP. Enfin, l’effet de l’ORG sur la détectabilité des lésions et la quantification de l’image, comme le montrent les études précédentes, sont discutés.

Protocol

Toutes les procédures effectuées impliquant des participants humains étaient conformes aux normes éthiques de la commission d’examen interne (CISR) du centre médical universitaire de Radboud et à la déclaration d’Helsinki de 1964 et à ses modifications ultérieures ou normes éthiques comparables. L’algorithme ORG est un produit spécifique au fournisseur et est disponible sur la famille de scanners Siemens Biograph mCT PET/CT et sur les nouveaux modèles PET/CT. 1. Préparation de…

Representative Results

L’utilisation de l’ORG en PET entraîne une réduction globale du flou induit par les voies respiratoires des images. Par exemple, dans une évaluation clinique des patients atteints d’un cancer du poumon non à petites cellules (NSCLC), org a eu comme conséquence la détection de plus de lésions pulmonaires et de ganglions lymphatiques hilar/mediastinal20. Ceci est facilement démontré dans la figure 8 et la figure 9, montrant d…

Discussion

Dans le milieu de la médecine nucléaire, la détérioration des effets des artefacts de mouvement respiratoire dans l’imagerie TEP est reconnue depuis longtemps. Il a été démontré dans de nombreuses études que l’effet flou des artefacts de mouvement respiratoire peut influencer de manière significative la quantification de l’image et la détectabilité des lésions. Bien que plusieurs méthodes de gating respiratoire aient été développées, le gating respiratoire n’est actuellement pas employé couramm…

Materials

Sensor Port, sensor, black box, wave deck, elastic band, load cell sensor (complete set)

anzai medical co.

respiratory gating system AZ-733V

http://www.anzai-med.co.jp/en/product/item/az733v