18 एफ-फ्लोरोडेऑक्सीग्लूकोस पॉजिट्रॉन उत्सर्जन टोमोग्राफी में श्वसनगति कलाकृतियों का प्रबंधन एक आयाम आधारित इष्टतम श्वसन गेटिंग एल्गोरिदम का उपयोग करके
Summary
आयाम आधारित इष्टतम श्वसन गेटिंग (ओआरजी) प्रभावी रूप से नैदानिक 18एफ-फ्लोरोडेऑक्सीग्लूकोस (एफडीएजी) पॉजिट्रॉन उत्सर्जन टोमोग्राफी (पीईटी) छवियों से श्वसन-प्रेरित गति को हटा देता है। इन श्वसन गति कलाकृतियों के लिए एफडीजी-पीईटी छवियों में सुधार छवि की गुणवत्ता, नैदानिक और मात्रात्मक सटीकता में सुधार करता है। पीईटी का उपयोग कर रोगियों के पर्याप्त नैदानिक प्रबंधन के लिए श्वसन गति कलाकृतियों को हटाना महत्वपूर्ण है।
Abstract
एक्स-रे कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी) के साथ संयुक्त पॉजिट्रॉन उत्सर्जन टोमोग्राफी (पीईटी) एक महत्वपूर्ण आणविक इमेजिंग प्लेटफॉर्म है जो विभिन्न प्रकार के रोगों के सटीक निदान और नैदानिक मंचन के लिए आवश्यक है। पीईटी इमेजिंग का लाभ उच्च संवेदनशीलता और सटीकता के साथ वीवो में जैविक प्रक्रियाओं के असंख्य कल्पना और मात्रा की कल्पना करने की क्षमता है। हालांकि, कई कारक हैं जो पीईटी छवियों की छवि गुणवत्ता और मात्रात्मक सटीकता निर्धारित करते हैं। छाती और ऊपरी पेट के पीईटी इमेजिंग में छवि की गुणवत्ता को प्रभावित करने वाले अग्रणी कारकों में से एक श्वसन गति है, जिसके परिणामस्वरूप शारीरिक संरचनाओं की श्वसन-प्रेरित गति धुंधली हो जाती है। पीईटी छवियों की इष्टतम छवि गुणवत्ता और मात्रात्मक सटीकता प्रदान करने के लिए इन कलाकृतियों में सुधार की आवश्यकता है।
कई श्वसन गेटिंग तकनीक विकसित की गई हैं, आमतौर पर पीईटी डेटा के साथ एक साथ श्वसन संकेत के अधिग्रहण पर निर्भर हैं। श्वसन संकेत के आधार पर, पीईटी डेटा को गति-मुक्त छवि के पुनर्निर्माण के लिए चुना जाता है। हालांकि इन तरीकों को प्रभावी ढंग से पीईटी छवियों से श्वसन गति कलाकृतियों को दूर करने के लिए दिखाया गया है, प्रदर्शन श्वसन संकेत की गुणवत्ता पर निर्भर है अधिग्रहीत किया जा रहा है । इस अध्ययन में, एक आयाम आधारित इष्टतम श्वसन गेटिंग (ORG) एल्गोरिदम के उपयोग पर चर्चा की गई है। कई अन्य श्वसन गेटिंग एल्गोरिदम के विपरीत, ORG उपयोगकर्ता को पुनर्निर्मित पीईटी छवियों में अस्वीकृत गति की मात्रा बनाम छवि गुणवत्ता पर नियंत्रण रखने की अनुमति देता है। यह अधिग्रहीत सरोगेट सिग्नल और उपयोगकर्ता-निर्दिष्ट शुल्क चक्र (छवि पुनर्निर्माण के लिए उपयोग किए जाने वाले पीईटी डेटा का प्रतिशत) के आधार पर एक इष्टतम आयाम सीमा की गणना करके हासिल किया जाता है। इष्टतम आयाम रेंज को सबसे छोटी आयाम सीमा के रूप में परिभाषित किया गया है जिसमें अभी भी छवि पुनर्निर्माण के लिए आवश्यक पीईटी डेटा की मात्रा है। यह दिखाया गया था कि ORG के परिणामस्वरूप छाती और पेट के पीईटी इमेजिंग में श्वसन-प्रेरित छवि धुंधली हो गई है, जिसके परिणामस्वरूप छवि की गुणवत्ता और मात्रात्मक सटीकता में सुधार होता है।
Introduction
एक्स-रे कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी) के संयोजन में पॉजिट्रॉन एमिशन टोमोग्राफी (पीईटी) विभिन्न प्रकार के रोगों के सटीक निदान और नैदानिक मंचन के लिए नैदानिक अभ्यास में एक व्यापक रूप से स्वीकार्य इमेजिंग उपकरण है1। पीईटी इमेजिंग का लाभ उच्च संवेदनशीलता और सटीकता2के साथ वीवो में असंख्य जैविक प्रक्रियाओं की कल्पना और मात्रा निर्धारित करने की क्षमता है। यह रोगी को रेडियोधर्मी लेबल वाले यौगिक, जिसे रेडियोट्रेसर के रूप में भी जाना जाता है, को नसों के माध्यम से प्राप्त किया जाता है। रेडियोट्रेसर का उपयोग किए जाने के आधार पर, ग्लूकोज मेटाबोलिज्म, सेलुलर प्रसार, हाइपोक्सिया की डिग्री, अमीनो एसिड परिवहन, और प्रोटीन और रिसेप्टर्स की अभिव्यक्ति जैसी ऊतक विशेषताओं को कल्पना और मात्रात्मक2किया जा सकता है।
यद्यपि कई रेडियोट्रेट्रेस विकसित किए गए हैं, मान्य किए गए हैं, और नैदानिक अभ्यास में उपयोग किए जाते हैं, रेडियोधर्मी ग्लूकोज एनालॉग 18एफ-फ्लोरोडोक्सीग्लुकोस (एफडीएजी) नैदानिक अभ्यास में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला रेडियोट्रेसर है। यह देखते हुए कि एफडीएजी मुख्य रूप से एक ऊंचा ग्लाइकोलिटिक दर (यानी, ऊंचा ग्लूकोज तेज और ऊर्जा उत्पादन के लिए पाइरुवेट में रूपांतरण के साथ कोशिकाओं) के साथ कोशिकाओं में जमा होता है, विभिन्न मेटाबोलिक राज्यों के साथ ऊतकों में भेदभाव करना संभव है। ग्लूकोज के समान, एफडीजी तेज का पहला कदम प्लाज्मा झिल्ली पर अतिरिक्त सेलुलर अंतरिक्ष से इंट्रा-सेलुलर स्पेस तक परिवहन है, जो ग्लूकोज ट्रांसपोर्टर्स (भरमार)3द्वारा सुविधा प्रदान की जाती है। एक बार एफडीजी इंट्रा-सेलुलर स्पेस में हो जाने के बाद हेक्सोकिनेस द्वारा फॉस्फोरिलेशन की वजह से एफडीजी-6-फॉस्फेट की जेनरेशन होगी । हालांकि, ग्लूकोज-6-फॉस्फेट के विपरीत, एफडीजी-6-फॉस्फेट दूसरे (2′) कार्बन स्थिति में हाइड्रोक्सिल (ओह) समूह की अनुपस्थिति के कारण आगे एरोबिक विघटन के लिए क्रेब्स चक्र में प्रवेश नहीं कर सकता है। यह देखते हुए कि रिवर्स रिएक्शन, एफडीजी-6-फॉस्फेट का डीफोस्फोरिलेशन एफडीजी को वापस, शायद ही अधिकांश ऊतकों में होता है, एफडीजी-6-फॉस्फेट इंट्रासेल्यूलर रूप से 3 फंसजाताहै। इसलिए, एफडीजी तेज की डिग्री प्लाज्मा झिल्ली पर भरमार (विशेष रूप से ग्लूट1 और ग्लूट3) की अभिव्यक्ति और हेक्सोकिनेस की इंट्रासेलर एंजाइमेटिक गतिविधि पर निर्भर करती है। एफडीजी के इस निरंतर तेज और ट्रैपिंग की अवधारणा को मेटाबोलिक ट्रैपिंग के रूप में जाना जाता है। तथ्य यह है कि एफडीजी अधिमानतः एक ऊंचा मेटाबोलिक गतिविधि के साथ ऊतकों में जमा होता है, चित्र 1 एमें दिखाया गया है, जो रोगी में एफडीजी के शारीरिक वितरण का प्रदर्शन करता है। यह एफडीजी-पीईटी छवि हृदय, मस्तिष्क और यकृत ऊतकों में उच्च तेज दिखाती है, जिन्हें सामान्य परिस्थितियों में चयापचय रूप से सक्रिय अंगों के रूप में जाना जाता है।
ऊतकों की मेटाबोलिक स्थिति में मतभेदों का पता लगाने के लिए उच्च संवेदनशीलता रोगग्रस्त ऊतकों से सामान्य भेदभाव के लिए एफडीजी को एक उत्कृष्ट रेडियोट्रेसर बनाती है, यह देखते हुए कि एक परिवर्तित चयापचय कई बीमारियों के लिए एक महत्वपूर्ण पहचान है। यह आसानी से चित्रा 1bमें चित्रित किया गया है, चरण चतुर्थ गैर छोटे सेल फेफड़ों के कैंसर (NSCLC) के साथ एक मरीज की एक FDG-पीईटी छवि दिखा । प्राथमिक ट्यूमर के साथ-साथ मेटास्टैटिक घावों में तेज बढ़ जाता है। विज़ुअलाइज़ेशन के अलावा, रेडियोट्रेसर तेज का मात्राकरण रोगियों के नैदानिक प्रबंधन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। पीईटी छवियों से प्राप्त मात्रात्मक सूचकांक, जैसे मानकीकृत तेज मूल्य (एसयूवी), मेटाबोलिक वॉल्यूम, और कुल घाव ग्लाइकोलिस (टीएलजी) जैसे रेडियोट्रेसर तेज की डिग्री को दर्शाती है, का उपयोग महत्वपूर्ण शकुन जानकारी प्रदान करने और विभिन्न रोगी समूहों के लिए उपचार प्रतिक्रिया को मापने के लिए किया जा सकता है4,5,6। इस संबंध में, एफडीजी-पीईटी इमेजिंग का उपयोग ऑन्कोलॉजी रोगियों में रेडियोथेरेपी और प्रणालीगत उपचार को निजीकृत करने के लिए तेजी से किया जा रहा है7। इसके अलावा, तीव्र उपचार प्रेरित विषाक्तता की निगरानी के लिए एफडीजी-पीईटी के उपयोग, जैसे विकिरण प्रेरित घेघा8,नियोमोनाइटिस9 और प्रणालीगत भड़काऊ प्रतिक्रियाएं10,का वर्णन किया गया है और छवि निर्देशित उपचार निर्णय लेने के लिए महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करता है।
रोगियों के नैदानिक प्रबंधन के लिए पीईटी की महत्वपूर्ण भूमिका को देखते हुए, छवि की गुणवत्ता और मात्रात्मक सटीकता पीईटी छवियों के आधार पर उचित मार्गदर्शन उपचार निर्णयों के लिए महत्वपूर्ण है। हालांकि, ऐसे कई तकनीकी कारक हैं जो पीईटी छवियों की मात्रात्मक सटीकता से समझौता कर सकते हैं11। एक महत्वपूर्ण कारक जो पीईटी में छवि मात्राकरण को काफी प्रभावित कर सकता है, अन्य रेडियोलॉजिकल इमेजिंग तौर-तरीकों की तुलना में पीईटी के लंबे अधिग्रहण समय से संबंधित है, आमतौर पर बिस्तर की स्थिति के अनुसार कई मिनट। नतीजतन, रोगियों को आमतौर पर पीईटी इमेजिंग के दौरान स्वतंत्र रूप से सांस लेने का निर्देश दिया जाता है। परिणाम यह है कि पीईटी छवियां श्वसन प्रेरित गति से पीड़ित हैं, जो छाती और पेट के भीतर स्थित अंगों के महत्वपूर्ण धुंधला हो सकती हैं। यह श्वसन-प्रेरित गति धुंधला रेडियोट्रेसर तेज की पर्याप्त दृश्य और मात्रात्मक सटीकता को काफी हद तक ख़राब कर सकता है, जो निदान और मंचन के लिए पीईटी छवियों का उपयोग करते समय रोगियों के नैदानिक प्रबंधन को प्रभावित कर सकता है, विकिरण उपचार योजना अनुप्रयोगों के लिए लक्ष्य मात्रा परिभाषा, और चिकित्सा प्रतिक्रिया12की निगरानी।
श्वसन गति कलाकृतियों के लिए पीईटी छवियों को सही करनेके प्रयास में श्वसन गेटिंग के कई तरीके विकसित किए गए हैं । इन तरीकों को संभावित, पूर्वव्यापी और डेटा-चालित गेटिंग रणनीतियों में वर्गीकृत किया जा सकता है। संभावित और पूर्वव्यापी श्वसन गेटिंग तकनीक आमतौर पर पीईटी इमेजिंग14 के दौरान श्वसनसरोगेट सिग्नल के अधिग्रहण पर निर्भर होती है। इन श्वसन सरोगेट संकेतों को ट्रैक और रोगी के श्वसन चक्र की निगरानी के लिए उपयोग किया जाता है । श्वसन ट्रैकिंग उपकरणों के उदाहरण दबाव सेंसर12 या ऑप्टिकल ट्रैकिंग सिस्टम (जैसे, वीडियो कैमरा)15,थर्मोकपल का उपयोग करके छाती की दीवार भ्रमण का पता लगा रहे हैं, जो हवा के प्रवाह को मापने के लिए सांस लेने वाले हवा16के तापमान को मापने के लिए और एयरफ्लो को मापने के लिए स्पाइरोमीटर और इस प्रकार अप्रत्यक्ष रूप से रोगी के फेफड़ों में मात्रा परिवर्तन का आकलन करते हैं17।
श्वसन गेटिंग तो आम तौर पर लगातार और एक साथ एक किराए के संकेत (नामित एस (टी) रिकॉर्डिंग द्वारा पूरा किया जाता है, छवि अधिग्रहण के दौरान पीईटी डेटा के साथ । अधिग्रहीत सरोगेट सिग्नल का उपयोग करके, किसी विशेष श्वसन चरण या आयाम श्रेणी (आयाम आधारित गेटिंग) के अनुरूप पीईटी डेटाको 12, 13,18चुना जा सकता है। चरण आधारित गेटिंग प्रत्येक श्वसन चक्र को एक निश्चित संख्या में फाटकों में विभाजित करके किया जाता है, जैसा कि चित्र 2एमें दर्शाया गया है। इसके बाद छवि पुनर्निर्माण के लिए उपयोग किए जाने वाले रोगी के श्वसन चक्र के दौरान एक विशेष चरण में अधिग्रहीत डेटा का चयन करके श्वसन गेटिंग की जाती है। इसी तरह, आयाम आधारित गेटिंग श्वसन संकेत की एक आयाम सीमा को परिभाषित करने पर निर्भर करता है, जैसा कि चित्र 2बीमें दिखाया गया है। जब श्वसन संकेत का मूल्य सेट आयाम सीमा के भीतर आता है, तो संबंधित पीईटी लिस्टमोड डेटा का उपयोग छवि पुनर्निर्माण के लिए किया जाएगा। पूर्वव्यापी गेटिंग दृष्टिकोणों के लिए, सभी डेटा एकत्र किए जाते हैं और छवि अधिग्रहण के बाद पीईटी डेटा का पुनः बिनिंग किया जाता है। यद्यपि संभावित श्वसन गेटिंग विधियां पीईटी डेटा के पुनः बिनिंग के लिए पूर्वव्यापी गेटिंग दृष्टिकोण के समान अवधारणाओं का उपयोग करती हैं, लेकिन ये विधियां छवि अधिग्रहण के दौरान संभावित रूप से डेटा एकत्र करने पर निर्भर करती हैं। जब पीईटी डेटा की पर्याप्त मात्रा एकत्र की जाती है, तो छवि अधिग्रहण को अंतिम रूप दिया जाएगा। इस तरह के संभावित और पूर्वव्यापी गेटिंग दृष्टिकोणों की कठिनाई स्वीकार्य छवि गुणवत्ता को बनाए रखने के बिना है, जब अनियमित श्वास होता है तो छवि अधिग्रहण के समय को काफी लंबा कर दियाजाताहै । इस संबंध में, चरण आधारित श्वसन गेटिंग विधियां विशेष रूप से अनियमित श्वास पैटर्न13,19के प्रति संवेदनशील हैं, जहां अनुचित ट्रिगर्स को अस्वीकार करने के कारण पीईटी डेटा की महत्वपूर्ण मात्रा को खारिज किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप छवि की गुणवत्ता में काफी कमी आई है या छवि अधिग्रहण समय की अस्वीकार्य लंबाई है। इसके अतिरिक्त, जब अनुचित ट्रिगर स्वीकार किए जाते हैं, तो श्वसन गेटिंग एल्गोरिदम का प्रदर्शन और इस प्रकार पीईटी छवियों से गति अस्वीकृति की प्रभावशीलता को इस तथ्य के कारण कम किया जा सकता है कि श्वसन द्वार श्वसन चक्र के विभिन्न चरणों में परिभाषित किए गए हैं, जैसा कि चित्र 2एमें दर्शाया गया है। वास्तव में, यह सूचित किया गया है कि श्वसन संकेत13में अनियमितताओं के मामले में आयाम आधारित श्वसन गेटिंग चरण आधारित दृष्टिकोणों की तुलना में अधिक स्थिर है । हालांकि आयाम आधारित श्वसन गेटिंग एल्गोरिदम अनियमित श्वास आवृत्तियों की उपस्थिति में अधिक मजबूत हैं, ये एल्गोरिदम श्वसन संकेत के आधारभूत बहती के प्रति अधिक संवेदनशील हैं। बेसलाइन सिग्नल का बहाव कई कारणों से हो सकता है जब रोगी की मांसपेशियों में तनाव (यानी, छवि अधिग्रहण के दौरान एक मरीज का अधिक आराम से राज्य में संक्रमण) या श्वास पैटर्न बदलता है। सिग्नल के इस तरह के बेसलाइन बहती को रोकने के लिए, रोगी को सुरक्षित रूप से ट्रैकिंग सेंसर संलग्न करने और श्वसन संकेत की नियमित निगरानी करने के लिए देखभाल की जानी चाहिए।
हालांकि इन समस्याओं को जाना जाता है, पारंपरिक श्वसन गेटिंग एल्गोरिदम केवल छवि की गुणवत्ता पर सीमित नियंत्रण की अनुमति देते हैं और आमतौर पर रोगी को प्रशासित किए जाने वाले छवि अधिग्रहण समय या रेडियोट्रेसर की बढ़ी हुई मात्रा की महत्वपूर्ण लंबी आवश्यकता होती है। इन कारकों के परिणामस्वरूप नैदानिक दिनचर्या में ऐसे प्रोटोकॉल को सीमित रूप से अपनाया गया। श्वसन गेटेड छवियों की चर गुणवत्ता से संबंधित इन समस्याओं को दरकिनार करने के लिए, एक विशिष्ट प्रकार का आयाम-आधारित गेटिंग एल्गोरिदम, जिसे इष्टतम श्वसन गेटिंग (ओआरजी) के रूप में भी जाना जाता है,18प्रस्तावित किया गया है। ओआरजी के साथ श्वसन गेटिंग उपयोगकर्ता को एल्गोरिदम को इनपुट के रूप में शुल्क चक्र प्रदान करके श्वसन गेटेड छवियों की छवि गुणवत्ता निर्दिष्ट करने की अनुमति देता है। शुल्क चक्र को अधिग्रहीत पीईटी सूची-मोड डेटा के प्रतिशत के रूप में परिभाषित किया गया है जिसका उपयोग छवि पुनर्निर्माण के लिए किया जाता है। कई अन्य श्वसन गेटिंग एल्गोरिदम के विपरीत, यह अवधारणा उपयोगकर्ता को पुनर्निर्मित पीईटी छवियों की छवि गुणवत्ता को सीधे निर्धारित करने की अनुमति देती है। निर्दिष्ट कर्तव्य चक्र के आधार पर, एक इष्टतम आयाम रेंज की गणना की जाती है, जो पूरे श्वसन सरोगेट सिग्नल की विशिष्ट विशेषताओं को18खाते में ले जाती है। एक विशिष्ट शुल्क चक्र के लिए इष्टतम आयाम सीमा की गणना श्वसन संकेत के कम आयाम सीमा, नामित (एल) के लिए विभिन्न मूल्यों के चयन के साथ शुरू करके की जाएगी। प्रत्येक चयनित निचली सीमा के लिए, ऊपरी आयाम सीमा, नामित (यू), को इस तरह से समायोजित किया जाता है कि चयनित पीईटी डेटा का योग, जब श्वसन संकेत आयाम सीमा (एल एंड लेफ्टिनेंट (टी) और यू के भीतर आता है, प्राप्त डेटा के रूप में परिभाषित किया जाता है, निर्दिष्ट शुल्क चक्र के बराबर है। उदाहरण के लिए, 50% और अधिग्रहीत पीईटी लिस्टमोड डेटा के छह मिनट के शुल्क चक्र के लिए, आयाम सीमा को तीन मिनट (50%) पीईटी डेटा का। इष्टतम आयाम रेंज (डब्ल्यू) को श्वसन गेटिंग के लिए उपयोग की जाने वाली सबसे छोटी आयाम सीमा के रूप में परिभाषित कियागया है जिसमें अभी भी पीईटी डेटा (यानी, ArgMax ([यू-एल])) की आवश्यक मात्रा शामिल है, जैसा कि चित्र 2सी 12में दर्शाया गया है। इस प्रकार, शुल्क चक्र निर्दिष्ट करके, उपयोगकर्ता शोर की मात्रा और ओआरजी पीईटी छवियों में रहने वाले अवशिष्ट गति की डिग्री के बीच एक व्यापार-बंद करता है। शुल्क चक्र को कम करने से शोर की मात्रा में वृद्धि होगी, हालांकि इससे पीईटी छवियों में अवशिष्ट गति की मात्रा भी कम हो जाएगी (और इसके विपरीत)। यद्यपि ओआरजी की अवधारणाओं और प्रभावों को पिछली रिपोर्टों में वर्णित किया गया है, लेकिन इस पांडुलिपि का उद्देश्य नैदानिक अभ्यास में ओआरजी का उपयोग करते समय विशिष्ट प्रोटोकॉल पर विवरण के साथ चिकित्सकों को प्रदान करना है। इसलिए, नैदानिक इमेजिंग प्रोटोकॉल में ओआरजी का उपयोग वर्णित है। रोगी की तैयारी, छवि अधिग्रहण और पुनर्निर्माण प्रोटोकॉल सहित कई व्यावहारिक पहलुओं, प्रदान किया जाएगा । इसके अलावा, पांडुलिपि ओआरजी सॉफ्टवेयर के यूजर इंटरफेस और विशिष्ट विकल्पों को कवर करेगी जो पीईटी इमेजिंग के दौरान श्वसन गेटिंग करते समय किए जा सकते हैं। अंत में, घाव का पता लगाने की क्षमता और छवि मात्राकरण पर ओआरजी के प्रभाव, जैसा कि पिछले अध्ययनों में दिखाया गया है, पर चर्चा की जाती है।
Protocol
Representative Results
Discussion
न्यूक्लियर मेडिसिन कम्युनिटी में पीईटी इमेजिंग में श्वसन गति कलाकृतियों के बिगड़ते प्रभावों को लंबे समय से अच्छी तरह से पहचाना जाता रहा है । यह कई अध्ययनों में दिखाया गया है कि श्वसन गति कलाकृतियों क?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक चित्र 1 में दिखाए गए पीईटी चित्रों को उपलब्ध कराने के लिए रिचर्ड राहू का शुक्रिया अदा करना चाहेंगे।
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 |
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