Management von Atembewegungsartefakten in 18F-Fluorodeoxyglucose Positronen-Emissionstomographie mit einem Amplituden-basierten optimalen Respiratory Gating-Algorithmus

Summary

Amplitudenbasiertes optimales Atemgewirr (ORG) entfernt effektiv ateminduzierte Bewegungsunschärfe aus klinischen ¹⁸F-Fluorodeoxyglucose (FDG) Positronen-Emissionstomographie (PET)-Bildern. Die Korrektur von FDG-PET-Bildern für diese Atembewegungsartefakte verbessert die Bildqualität, diagnosende und quantitative Genauigkeit. Die Entfernung von Atemwegsartefakten ist wichtig für ein angemessenes klinisches Management von Patienten mit PET.

Abstract

Die Positronen-Emissionstomographie (PET) in Kombination mit der Röntgen-Computertomographie (CT) ist eine wichtige molekulare Bildgebungsplattform, die für eine genaue Diagnose und klinische Inszenierung einer Vielzahl von Krankheiten erforderlich ist. Der Vorteil der PET-Bildgebung ist die Fähigkeit, eine Vielzahl biologischer Prozesse in vivo mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit zu visualisieren und zu quantifizieren. Es gibt jedoch mehrere Faktoren, die die Bildqualität und die quantitative Genauigkeit von PET-Bildern bestimmen. Einer der wichtigsten Faktoren, die die Bildqualität in der PET-Bildgebung des Thorax und des Oberbauchs beeinflussen, ist die Atembewegung, was zu einer atmungsinduzierten Bewegungsverwischung anatomischer Strukturen führt. Die Korrektur dieser Artefakte ist erforderlich, um eine optimale Bildqualität und quantitative Genauigkeit von PET-Bildern zu gewährleisten.

Es wurden mehrere Atemleitertechniken entwickelt, die in der Regel auf der Erfassung eines Atemsignals gleichzeitig mit PET-Daten beruhen. Basierend auf dem erfassten Atemsignal werden PET-Daten für die Rekonstruktion eines bewegungsfreien Bildes ausgewählt. Obwohl diese Methoden gezeigt haben, dass sie Atembewegungsartefakte effektiv aus PET-Bildern entfernen, hängt die Leistung von der Qualität des erfassten Atemsignals ab. In dieser Studie wird die Verwendung eines amplitudenbasierten optimalen Respirator-Gating(ORG)-Algorithmus diskutiert. Im Gegensatz zu vielen anderen Atemregelalgorithmen erlaubt ORG dem Benutzer die Kontrolle über die Bildqualität im Vergleich zur Menge der abgelehnten Bewegung in den rekonstruierten PET-Bildern. Dies wird erreicht, indem ein optimaler Amplitudenbereich basierend auf dem erfassten Ersatzsignal und einem benutzerdefinierten Betriebszyklus (der Prozentsatz der PET-Daten, die für die Bildrekonstruktion verwendet werden) berechnet wird. Der optimale Amplitudenbereich ist definiert als der kleinste Amplitudenbereich, der noch die für die Bildrekonstruktion erforderliche PET-Datenmenge enthält. Es wurde gezeigt, dass ORG zu einer effektiven Entfernung von atmungsinduzierter Bildunschärfe in der PET-Bildgebung des Thorax und des Oberbauchs führt, was zu einer verbesserten Bildqualität und quantitativen Genauigkeit führt.

Introduction

Positronen-Emissionstomographie (PET) in Kombination mit Röntgen-Computertomographie (CT) ist ein weithin akzeptiertes bildgebendes Werkzeug in der klinischen Praxis zur genauen Diagnose und klinischen Inszenierung einer Vielzahl von Krankheiten¹. Der Vorteil der PET-Bildgebung ist die Möglichkeit, eine Vielzahl biologischer Prozesse in vivo mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit zu visualisieren und zu quantifizieren². Dies wird durch intravenöse Verabreichung einer radioaktiv markierten Verbindung, auch als Radiotracer bekannt, an den Patienten erreicht. Je nach verwendetem Radiotracer können Gewebemerkmale wie Glukosestoffwechsel, Zellproliferation, Hypoxiegrad, Aminosäuretransport und Expression von Proteinen und Rezeptoren visualisiert und quantifiziert werden².

Obwohl mehrere Radiotracer entwickelt, validiert und in der klinischen Praxis verwendet wurden, ist das radioaktive Glukoseanalog ¹⁸F-Fluorodeoxyglucose (FDG) der am weitesten verbreitete Radiotracer in der klinischen Praxis. Angesichts der Tatsache, dass sich FDG überwiegend in Zellen mit erhöhter glykolytischer Rate ansammelt (d. h. Zellen mit erhöhter Glukoseaufnahme und Umwandlung in Pyruvat zur Energieerzeugung), ist es möglich, Gewebe mit unterschiedlichen Stoffwechselzuständen zu unterscheiden. Ähnlich wie bei Glukose ist der erste Schritt der FDG-Aufnahme der Transport vom extrazellulären Raum über die Plasmamembran in den intrazellulären Raum, der durch Glukosetransporter (GLUT)³erleichtert wird. Sobald sich die FDG im intrazellulären Raum befindet, führt die Phosphorylierung durch Hexokinasen zur Erzeugung von FDG-6-Phosphat. Im Gegensatz zu Glucose-6-Phosphat kann FDG-6-Phosphat jedoch nicht in den Krebs-Zyklus eintreten, um eine weitere aerobe Dissimilation zu erhalten, da in der zweiten (2′) Kohlenstoffposition keine Hydroxylgruppe (OH) besteht. Da die umgekehrte Reaktion, die Dephosphorylierung von FDG-6-Phosphat zurück zu FDG, in den meisten Geweben kaum vorkommt, wird das FDG-6-Phosphat intrazellulär^{gefangen 3}. Daher hängt der Grad der FDG-Aufnahme von der Expression der GLUT (insbesondere GLUT1 und GLUT3) auf der Plasmamembran und der intrazellulären enzymatischen Aktivität von Hexokinasen ab. Das Konzept dieser kontinuierlichen Aufnahme und Eintäugung von FDG wird als metabolisches Fangen bezeichnet. Die Tatsache, dass fDG sich bevorzugt in Geweben mit erhöhter metabolischer Aktivität ansammelt, ist in Abbildung 1adargestellt, die die physiologische Verteilung von FDG bei einem Patienten zeigt. Dieses FDG-PET-Bild zeigt eine höhere Aufnahme in Herz-, Gehirn- und Lebergeweben, die unter normalen Bedingungen als metabolisch aktive Organe bekannt sind.

Die hohe Empfindlichkeit zum Nachweis von Unterschieden im Stoffwechselzustand von Geweben macht FDG zu einem ausgezeichneten Radiotracer zur Unterscheidung normaler Krankheiten, da ein veränderter Stoffwechsel ein wichtiges Kennzeichen für viele Krankheiten ist. Dies ist leicht in Abbildung 1bdargestellt, die ein FDG-PET-Bild eines Patienten mit nicht-kleinzelligem Lungenkrebs (NSCLC) im Stadium IV zeigt. Es gibt eine erhöhte Aufnahme im Primärtumor sowie bei metastasierenden Läsionen. Neben der Visualisierung spielt die Quantifizierung der Radiotracer-Aufnahme eine wichtige Rolle im klinischen Management von Patienten. Quantitative Indizes, die aus PET-Bildern abgeleitet werden, die den Grad der Radiotracer-Aufnahme widerspiegeln, wie der standardisierte Aufnahmewert (SUV), metabolische Volumina und die Gesamtläsionsglykolyse (TLG), können verwendet werden, um wichtige prognostische Informationen zu liefern und das Behandlungsverhalten für verschiedene Patientengruppen^4,5,6zu messen. In dieser Hinsicht wird fDG-PET-Bildgebung zunehmend zur Personalisierung von Strahlentherapie und systemischer Behandlung bei onkologischen Patienten eingesetzt⁷. Darüber hinaus wurde die Verwendung von FDG-PET zur Überwachung der induzierten Toxizität akuter Behandlung, wie strahleninduzierte Ösophagitis⁸, Pneumonitis⁹ und systemische Entzündungsreaktionen¹⁰, beschrieben und liefert wichtige Informationen für bildgesteuerte Behandlungsentscheidungen.

Angesichts der wichtigen Rolle von PET für das klinische Management von Patienten ist Bildqualität und quantitative Genauigkeit wichtig, um Behandlungsentscheidungen auf der Grundlage von PET-Bildern angemessen zu leiten. Es gibt jedoch zahlreiche technische Faktoren, die die quantitative Genauigkeit von PET-Bildern beeinträchtigen können¹¹. Ein wichtiger Faktor, der die Bildquantifizierung in PET erheblich beeinflussen kann, hängt mit den längeren Erfassungszeiten von PET im Vergleich zu anderen radiologischen Bildgebungsmodalitäten zusammen, in der Regel mehrere Minuten pro Bettposition. Infolgedessen werden die Patienten in der Regel angewiesen, während der PET-Bildgebung frei zu atmen. Das Ergebnis ist, dass PET-Bilder unter atembedingter Bewegung leiden, was zu einer erheblichen Verwischung der Organe im Thorax und Oberbauch führen kann. Diese atembedingte Bewegungsunschärfe kann eine angemessene Visualisierung und quantitative Genauigkeit der Radiotracer-Aufnahme erheblich beeinträchtigen, was das klinische Management von Patienten beeinflussen kann, wenn PET-Bilder für Diagnose und Inszenierung verwendet werden, die Zielvolumendefinition für Strahlenbehandlungsplanungsanwendungen und die Überwachung des Therapieverhaltens¹².

Mehrere Atemgezerstwarten wurden entwickelt, um PET-Bilder für Atembewegungsartefakte zu korrigieren¹³. Diese Methoden können in prospektive, retrospektive und datengesteuerte Gating-Strategien kategorisiert werden. Prospektive und retrospektive Atemgezwitscher-Techniken beruhen in der Regel auf der Erfassung eines Atemersatzsignals während der PET-Bildgebung¹⁴. Diese Atemersatzsignale werden verwendet, um den Atemzyklus des Patienten zu verfolgen und zu überwachen. Beispiele für Atemschutzgeräte sind die Erkennung von Brustwandexkursionen mit Drucksensoren¹² oder optischen Tracking-Systemen (z.B. Videokameras)¹⁵, Thermoelemente zur Messung der Temperatur der atemluft¹⁶und Spirometer zur Messung des Luftstroms und damit indirektdieSchätzung von Volumenänderungen in der Lunge des Patienten¹⁷.

Die Atemverzierung erfolgt dann in der Regel durch kontinuierliche und gleichzeitige Aufzeichnung eines Ersatzsignals (bezeichnet S(t)) mit den PET-Daten während der Bildaufnahme. Mit dem erworbenen Ersatzsignal können PET-Daten ausgewählt werden, die einer bestimmten Atemphase oder einem Amplitudenbereich (Amplituden-basiertes Gating) entsprechen,^12,13,18. Phasenbasiertes Gating erfolgt, indem jeder Atemzyklus in eine feste Anzahl von Toren unterteilt wird, wie in Abbildung 2adargestellt. Die Atemverzierung erfolgt dann durch Auswahl der Daten, die in einer bestimmten Phase während des Atemzyklus des Patienten erfasst wurden, um für die Bildrekonstruktion verwendet zu werden. In ähnlicher Weise beruht amplitudenbasiertes Gating auf der Definition eines Amplitudenbereichs des Atemsignals, wie in Abbildung 2bdargestellt. Wenn der Wert des Atemsignals innerhalb des eingestellten Amplitudenbereichs liegt, werden die entsprechenden PET-Listenmodusdaten für die Bildrekonstruktion verwendet. Bei retrospektiven Gating-Ansätzen werden alle Daten gesammelt und die PET-Daten nach der Bildaufnahme erneut eingeteilt. Obwohl prospektive Atmungs-Gating-Methoden die gleichen Konzepte wie retrospektive Gating-Ansätze für die Wiedereinlösung von PET-Daten verwenden, basieren diese Methoden auf der prospektiven Erfassung von Daten während der Bildaufnahme. Wenn eine ausreichende Menge an PET-Daten gesammelt wird, wird die Bildaufnahme abgeschlossen. Die Schwierigkeit solcher prospektiven und retrospektiven Gating-Ansätze besteht darin, eine akzeptable Bildqualität aufrechtzuerhalten, ohne die Bildaufnahmezeiten bei unregelmäßiger Atmung signifikant zu verlängern¹³. In diesem Zusammenhang sind phasenbasierte Respiratationsmethoden besonders empfindlich gegenüber unregelmäßigen Atemmustern^13,19, bei denen erhebliche Mengen an PET-Daten aufgrund der Ablehnung unangemessener Auslöser verworfen werden können, was zu einer erheblichen Verringerung der Bildqualität oder einer inakzeptablen Verlängerung der Bildaufnahmezeit führt. Darüber hinaus kann bei der Annahme unangemessener Auslöser die Leistungsfähigkeit des Atemggating-Algorithmus und damit die Wirksamkeit der Bewegungsabstoßung aus den PET-Bildern reduziert werden, da Atemtore in verschiedenen Phasen des Atemzyklus definiert werden, wie in Abbildung 2adargestellt. Tatsächlich wurde berichtet, dass amplitudenbasiertes Atemgezerstäubensungssystem stabiler ist als phasenbasierte Ansätze bei Unregelmäßigkeiten im Atemsignal¹³. Obwohl amplitudenbasierte Respiratationsalgorithmen bei unregelmäßigen Atemfrequenzen robuster sind, sind diese Algorithmen empfindlicher gegenüber dem Basisdriften des Atemsignals. Das Driften des Ausgangssignals kann aus zahlreichen Gründen auftreten, wenn sich die Muskelspannung des Patienten (d. h. der Übergang eines Patienten in einen entspannteren Zustand während der Bildaufnahme) oder Atemmusteränderungen ergeben. Um ein solches Grundabdriften des Signals zu verhindern, ist darauf zu achten, dass Tracking-Sensoren sicher am Patienten befestigt werden und die Atemsignalatmung regelmäßig überwacht wird.

Obwohl diese Probleme bekannt sind, erlauben herkömmliche Atemregelalgorithmen nur eine begrenzte Kontrolle über die Bildqualität und erfordern in der Regel eine signifikante Verlängerung der Bildaufnahmezeit oder erhöhte Mengen an Radiotracer, die dem Patienten verabreicht werden. Diese Faktoren führten zu einer begrenzten Anwendung solcher Protokolle in die klinische Routine. Um diese Probleme im Zusammenhang mit der variablen Qualität der Atemschutzaufnahmen zu umgehen, wurde eine spezifische Art von Amplituden-basiertem Gating-Algorithmus, auch bekannt als optimale Spiratierung (ORG), vorgeschlagen¹⁸. Die Atemverzierung mit ORG ermöglicht es dem Benutzer, die Bildqualität der Atemschutzbilder anzugeben, indem er einen Arbeitszyklus als Eingabe für den Algorithmus bereitstellt. Der Betriebszyklus ist definiert als Prozentsatz der erfassten PET-Listenmodusdaten, die für die Bildrekonstruktion verwendet werden. Im Gegensatz zu vielen anderen Atemregelalgorithmen ermöglicht dieses Konzept dem Anwender, die Bildqualität der rekonstruierten PET-Bilder direkt zu bestimmen. Basierend auf dem angegebenen Betriebszyklus wird ein optimaler Amplitudenbereich berechnet, der die spezifischen Eigenschaften des gesamten Atemersatzsignals berücksichtigt¹⁸. Der optimale Amplitudenbereich für einen bestimmten Betriebszyklus wird berechnet, indem mit einer Auswahl verschiedener Werte für die untere Amplitudengrenze (L) des Atemsignals begonnen wird. Für jede ausgewählte Untergrenze wird die obere Amplitudengrenze (U) so angepasst, dass die Summe der ausgewählten PET-Daten, definiert als Daten, die erfasst werden, wenn das Atemsignal in den Amplitudenbereich (L<S(t)<U fällt), dem angegebenen Tastzyklus entspricht. Bei einem Betriebszyklus von 50 % und sechs Minuten erworbener PET-Listenmodusdaten wird der Amplitudenbereich an drei Minuten (50 %) angepasst. PET-Daten. Der optimale Amplitudenbereich (W) ist definiert als der kleinste Amplitudenbereich für Atemleiter, der noch die erforderliche Menge an PET-Daten (d. h. ArgMax([U–L])) enthält, wie in Abbildung 2c¹²dargestellt. Durch die Angabe des Zollzyklus macht der Benutzer also einen Kompromiss zwischen der Geräuschmenge und dem Grad der Restbewegung, der sich in den ORG PET-Bildern befindet. Die Senkung des Zollzyklus erhöht die Geräuschmenge, aber dies wird auch die Menge der Restbewegung in den PET-Bildern reduzieren (und umgekehrt). Obwohl die Konzepte und Wirkungen von ORG in früheren Berichten beschrieben wurden, besteht der Zweck dieses Manuskripts darin, Ärzten Details zu den spezifischen Protokollen bei der Verwendung von ORG in der klinischen Praxis zu liefern. Daher wird die Verwendung von ORG in einem klinischen Bildgebungsprotokoll beschrieben. Es werden verschiedene praktische Aspekte zur Verfügung gestellt, darunter Patientenvorbereitung, Bildaufnahme und Rekonstruktionsprotokolle. Darüber hinaus wird das Manuskript die Benutzeroberfläche der ORG-Software und spezifische Entscheidungen abdecken, die bei der Durchführung von Atemgebungsarbeiten während der PET-Bildgebung getroffen werden können. Schließlich werden die Auswirkungen von ORG auf die Lesionsnachweisbarkeit und Bildquantifizierung, wie in früheren Studien gezeigt, diskutiert.

Protocol

Alle Verfahren, an denen menschliche Teilnehmer beteiligt waren, entsprachen den ethischen Standards des internen Prüfungsausschusses (IRB) des Universitätsklinikums Radboud und der Erklärung von Helsinki von 1964 und ihren späteren Änderungen oder vergleichbaren ethischen Standards. Der ORG-Algorithmus ist ein herstellerspezifisches Produkt und ist für die Siemens Biograph mCT PET/CT Scanner-Familie und neuere PET/CT-Modelle verfügbar. 1. Patientenvorbereitung Patienten-Anamn…

Representative Results

Die Verwendung von ORG in PET führt zu einer allgemeinen Verringerung der atembedingten Verwischung der Bilder. Zum Beispiel führte ORG in einer klinischen Bewertung von Patienten mit nicht-kleinzelligem Lungenkrebs (NSCLC) zum Nachweis von mehr Lungenläsionen und hilar/mediastinalen Lymphknoten20. Dies zeigt sich leicht in Abbildung 8 und Abbildung 9, die nicht-gated und ORG PET Bilder von Patienten mit NSCLC zeigen. <p class="jov…

Discussion

In der Nuklearmedizin sind die sich verschlechternden Wirkungen von Atemwegsartefakten in der PET-Bildgebung seit langem anerkannt. Es wurde in vielen Studien gezeigt, dass die verwischende Wirkung von Atembewegungsartefakten die Bildquantifizierung und Läsionsnachweisbarkeit erheblich beeinflussen kann. Obwohl mehrere Respiratierungsmethoden entwickelt wurden, wird die Atemgezerbisung derzeit in der klinischen Praxis nicht weit verbreitet. Dies ist insbesondere auf eine daraus resultierende variable Bildqualität, eine…

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