진폭 기반 최적의 호흡기 개팅 알고리즘을 사용하여 18F-플루오로옥시옥포도당 양전자 방출 단층 촬영에서 호흡기 운동 유물 관리

Summary

진폭 기반의 최적의 호흡기 게이팅(ORG)은 임상 18F-플루오로옥시글루코스(FDG) 양전자 방출 단층 촬영(PET) 이미지로부터 호흡기 유발 모션 블러를 효과적으로 제거합니다. 이러한 호흡 동작 동맥에 대한 FDG-PET 이미지를 보정하면 이미지 품질, 진단 및 정량적 정확도가 향상됩니다. 호흡기 운동 동맥의 제거는 PET를 사용하는 환자의 적절한 임상 관리에 중요합니다.

Abstract

X선 컴퓨터 단층 촬영(CT)과 결합된 양전자 방출 단층 촬영(PET)은 다양한 질병의 정확한 진단 및 임상 준비에 필요한 중요한 분자 이미징 플랫폼입니다. PET 이미징의 장점은 높은 감도와 정확도로 생체 내 수많은 생물학적 과정을 시각화하고 정량화하는 기능입니다. 그러나 PET 이미지의 이미지 품질과 정량적 정확성을 결정하는 여러 가지 요인이 있습니다. 흉부와 상부 복부의 PET 이미징에서 이미지 품질에 영향을 미치는 가장 중요한 요인 중 하나는 호흡 운동으로 인해 해부학 적 구조의 호흡 유발 모션 블러잉이 발생합니다. PET 이미지의 최적의 이미지 품질과 정량적 정확성을 제공하기 위해서는 이러한 유물을 수정해야 합니다.

몇몇 호흡 게이팅 기술은 일반적으로 PET 데이터와 동시에 호흡 신호의 취득에 의지하는, 개발되었습니다. 획득한 호흡 신호를 기반으로, PET 데이터는 무모션 이미지의 재구성을 위해 선택됩니다. 이러한 방법은 PET 이미지에서 호흡기 운동 동맥을 효과적으로 제거하는 것으로 나타났지만, 성능은 획득되는 호흡 신호의 품질에 따라 달라집니다. 이 연구에서는 진폭 기반최적의 호흡기 게이팅(ORG) 알고리즘의 사용이 논의된다. 다른 많은 호흡기 게이팅 알고리즘과는 달리, ORG는 사용자가 재구성된 PET 이미지에서 거부된 모션의 양에 비해 이미지 품질을 제어할 수 있도록 허용합니다. 이는 획득한 대리 신호및 사용자 지정 듀티 사이클(이미지 재구성에 사용되는 PET 데이터의 백분율)에 따라 최적의 진폭 범위를 계산하여 달성됩니다. 최적의 진폭 범위는 이미지 재구성에 필요한 PET 데이터의 양을 포함하는 가장 작은 진폭 범위로 정의됩니다. ORG는 흉부와 상복부의 PET 이미징에서 호흡 유도 된 이미지 의 효과적인 제거를 초래하여 이미지 품질과 정량적 정확성을 향상시키는 것으로 나타났습니다.

Introduction

양전자 방출 단층 촬영(PET)은 X선 컴퓨터 단층 촬영(CT)과 결합하여 다양한 질병의 정확한 진단 및 임상 적 준비를 위한 임상 실습에서 널리 인정되는 이미징^{도구이다.} PET 이미징의 장점은 높은 감도와 정확도^2로생체 내 의 수많은 생물학적 과정을 시각화하고 정량화하는 능력입니다. 이것은 환자에게 방사성 추적자로 알려진 방사성 라벨 화합물을 정맥 투여를 통해 달성됩니다. 사용되는 방사성 추적제에 따라 포도당 대사, 세포 증식, 저산소증 정도, 아미노산 수송 및 단백질 및 수용체의 발현과 같은 조직 특성은 시각화 및 정량화 될 수^{있습니다 2.}

여러 방사성 추적자가 개발, 검증 및 임상 연습에 사용되었지만, 방사성 포도당 유사체 ¹⁸F-플루오로옥시글루글루(FDG)는 임상 실습에서 가장 널리 사용되는 방사선 추적자이다. FDG가 주로 높은 혈당율을 가진 세포에 축적된다는 점을 감안할 때(즉, 포도당 섭취량이 높은 세포와 에너지 생산을 위한 피루바테로 변환하는 세포), 다른 대사 상태와 조직을 구별할 수 있다. 포도당과 유사하게, FDG 섭취량의 첫 번째 단계는 혈장 막을 통해 세포 외 공간에서 세포 내 공간으로 이송되는데, 이는 포도당 수송기(GLUT)^3에의해 촉진된다. FDG가 세포 내 공간에 들어가면 육소키나제에 의한 인산화는 FDG-6-인산염의 생성을 초래할 것이다. 그러나, 포도당-6-인산염과는 대조적으로, FDG-6-인산염은 제2(2′) 탄소 위치에서 하이드록실(OH) 단의 부재로 인한 추가 호기성 소멸을 위해 크렙스 사이클에 들어갈 수 없다. 역반응이면 FDG-6-인산염의 탈포염이 FDG로 돌아가며, 대부분의 조직에서 거의 발생하지 않는 FDG-6-인산염이 세포내^3에갇혀 있다. 따라서, FDG 섭취량의 정도는 혈장 막에 GLUT(특히 GLUT1 및 GLUT3)의 발현에 의존하고, 육소키나제의 세포내 효소 활성에 의존한다. FDG의 이 지속적인 섭취및 트래핑의 개념은 신진 대사 트랩이라고합니다. FDG가 높은 대사 활성을 가진 조직에 우선적으로 축적된다는 사실은 환자에서 FDG의 생리적 분포를 보여주는 도 1a에도시된다. 이 FDG-PET 이미지는 정상적인 조건하에서 대사활성 기관으로 알려진 심장, 뇌 및 간 조직에서 더 높은 섭취를 보여줍니다.

조직의 신진 대사 상태에 있는 다름을 검출하기위한 높은 감도는 변경된 물질 대사가 많은 질병을 위한 중요한 특징이다는 것을 주어진 질병한 조직에서 정상을 차별하기 위한 우수한 방사선 추적자로 FDG를 만듭니다. 이는 단계 IV 비소세포폐암(NSCLC)을 가진 환자의 FDG-PET 이미지를 보여주는 도 1b에서쉽게 묘사된다. 1 차적인 종양뿐만 아니라 전이성 병변에서 증가 된 섭취량이 있습니다. 시각화 외에도 방사선 추적기 섭취의 정량화는 환자의 임상 관리에 중요한 역할을합니다. 표준화된 섭취량(SUV), 대사체량 및 총 병변 글리코리시스(TLG)와 같은 방사선 추적자 섭취 정도를 반영하는 PET 심상으로부터 유래된 정량적 지수는^4,5,6의다른 환자 그룹에 대한 중요한 예후 정보를 제공하고 치료 반응을 측정하는 데 사용될 수 있다. 이와 관련하여, FDG-PET 화상 진찰은 종양학 환자 7에서 방사선 요법 및 전신 처리를 개인화하기 위하여 점점 더 이용되고^{있습니다.} 더욱이, 방사선 유도식도염^8,폐렴염⁹ 및 전신 염증^{반응(10)과}같은 급성 치료 유도 독성을 모니터링하기 위한 FDG-PET의 사용은 영상 유도 치료 결정을 내리는 데 중요한 정보를 제공하고 있다.

환자의 임상 관리를 위한 PET의 중요한 역할을 감안할 때, PET 심상을 기반으로 치료 결정을 적절히 안내하는 데 이미지 품질과 정량적 정확성이 중요합니다. 그러나 PET 이미지^11의정량적 정확도를 손상시킬 수 있는 수많은 기술적 요인이 있습니다. PET에서 이미지 정량화에 크게 영향을 미칠 수 있는 중요한 요소는 다른 방사선 이미징 양식에 비해 PET의 더 긴 획득 시간과 관련이 있으며, 일반적으로 침대 위치당 몇 분. 결과적으로, 환자는 일반적으로 PET 화상 진찰 도중 자유롭게 호흡하도록 지시됩니다. 그 결과 PET 이미지는 호흡 유도 된 운동으로 고통, 흉부 와 상부 복부 내에 있는 장기의 상당한 흐리게 이어질 수 있는. 이러한 호흡 유도 모션 블러링은 진단 및 스테이징을 위해 PET 이미지를 사용할 때 환자의 임상 관리에 영향을 미칠 수 있는 방사성 추적자 섭취의 적절한 시각화 및 정량적 정확도를 크게 손상시킬 수 있으며, 방사선 치료 계획 응용 프로그램에 대한 표적 볼륨 정의 및 치료^{반응(12)의}모니터링에 영향을 미칠 수 있다.

몇몇 호흡기 게이팅 방법은 호흡기 운동 동맥에 대한 PET 영상을 교정하기 위해^{개발되었다(13)} 이러한 메서드는 잠재, 회고 및 데이터 기반 게이팅 전략으로 분류될 수 있습니다. 예비 및 회고적 호흡 게이팅 기술은 전형적으로 PET 이미징¹⁴동안 호흡 대리 신호의 획득에 의존한다. 이 호흡 대리 신호는 환자의 호흡 주기를 추적하고 감시하기 위하여 이용됩니다. 호흡기 추적 장치의 예로는 압력^센서(12) 또는 광학 추적 시스템(예를 들어, 비디오^{카메라)을}이용한 가슴 벽 소풍의 검출, 호흡^{공기(16)의}온도를 측정하는 열전대, 및 스피로미터가 공기 흐름을 측정하여 환자의^폐(17)의부피 변화를 간접적으로 추정하는 것이다.

호흡 게이팅은 일반적으로 이미지 수집 중에 PET 데이터와 함께 대리 신호(지정된 S(t)를 지속적으로 동시에 기록하여 수행됩니다. 획득된 대리 신호를 이용하여, 특정 호흡기 상 또는 진폭 범위(진폭 계 게이팅)에 대응하는 PET 데이터는^12,13,18을선택할 수 있다. 위상 기반 게이팅은 그림 2a에묘사된 바와 같이 각 호흡 주기를 고정수의 게이트로 나누어 수행한다. 호흡 게이팅은 화상 재구성에 사용되는 환자의 호흡 주기 동안 특정 단계에서 얻은 데이터를 선택하여 수행됩니다. 유사하게, 진폭 계 게이팅은 도 2b에도시된 바와 같이 호흡 신호의 진폭 범위를 정의하는 데 의존한다. 호흡 신호의 값이 설정된 진폭 범위 내에 떨어지면 해당 PET 목록 모드 데이터가 이미지 재구성에 사용됩니다. 회고적 게이팅 접근 방식의 경우 이미지 수집 후 PET 데이터의 모든 데이터가 수집되고 다시 비닝됩니다. 미래의 호흡기 게이팅 방법은 PET 데이터의 재비닝을 위한 회고적 게이팅 접근법과 동일한 개념을 사용하지만, 이러한 방법은 이미지 수집 중에 데이터를 수집하는 데 의존합니다. 충분한 양의 PET 데이터가 수집되면 이미지 수집이 완료됩니다. 이러한 장래 및 회고적 게이팅 접근법의 어려움은 불규칙한 호흡이 발생할 때 이미지 수집 시간을 크게 연장하지 않고 허용 가능한 이미지 품질을 유지하고^{있다 13.} 이와 관련하여, 위상 기반 호흡기 게이팅 방법은 부적절한 트리거의 거부로 인해 상당량의 PET 데이터를 버릴 수 있는 불규칙한 호흡^{패턴(13,19)에}특히 민감하여 이미지 품질이 크게 저하되거나 이미지 수집 시간의 허용할 수 없는 연장을 초래합니다. 또한, 부적절한 트리거가 허용되는 경우, 호흡기 게이팅 알고리즘의 성능이 이에 따라 PET 이미지로부터의 동작 거부의 효과가 감소될 수 있는데, 이는 호흡기 게이트가 도 2a에묘사된 바와 같이 호흡 주기의 상이한 단계에서 정의된다는 사실로 인해 감소될 수 있다. 실제로, 진폭 기반 호흡기 게이팅은 호흡^{신호(13)의}불규칙한 경우 위상 기반 접근법보다 더 안정적인 것으로 보고되었다. 진폭 기반 호흡 게이팅 알고리즘은 불규칙한 호흡 주파수가 있는 경우에 더 강력하더라도, 이 알고리즘은 호흡 신호의 기준선 표류에 더 민감합니다. 기준선 신호의 드리프트는 환자의 근육 장력(즉, 이미지 수집 중 환자의 전환)이나 호흡 패턴이 변경될 때 여러 가지 이유로 인해 발생할 수 있습니다. 이러한 신호의 기준선 표류를 방지하기 위해 추적 센서를 환자에게 안전하게 부착하고 호흡 신호의 정기적인 모니터링을 수행하기 위해 주의를 기울여야 합니다.

이러한 문제가 알려져 있지만, 기존의 호흡기 게이팅 알고리즘은 이미지 품질에 대한 제한된 제어만 허용하고 일반적으로 환자에게 투여되는 이미지 수집 시간 또는 증가된 양의 방사성 추적자를 필요로 합니다. 이러한 요인은 임상 루틴에서 그러한 프로토콜의 제한된 채택을 초래했습니다. 호흡기 게이트 이미지의 가변 품질과 관련된 이러한 문제를 회피하기 위해, 최적의 호흡기 게이팅(ORG)이라고도 하는 특정 유형의 진폭 계 게이팅 알고리즘이^{제안되었다.} ORG를 통한 호흡기 게이팅을 통해 사용자는 알고리즘에 대한 입력으로 듀티 사이클을 제공하여 호흡기 게이트 이미지의 이미지 품질을 지정할 수 있습니다. 듀티 사이클은 이미지 재구성에 사용되는 획득한 PET 목록 모드 데이터의 백분율로 정의됩니다. 다른 많은 호흡기 게이팅 알고리즘과는 달리,이 개념은 사용자가 직접 재구성 PET 이미지의 이미지 품질을 결정할 수 있습니다. 지정된 듀티 사이클에 기초하여, 최적의 진폭 범위가 계산되며, 이는 전체 호흡 대리 신호의 특정 특성을^고려18. 특정 듀티 사이클에 대한 최적 진폭 범위는 호흡기 신호의 지정된(L)에 대한 상이한 값의 선택으로 시작하여 계산됩니다. 선택된 각 하한에 대해, 상부 진폭 한계, 지정된(U)는 호흡 신호가 진폭 범위(L&S(t)&U) 내에 떨어질 때 수집된 데이터로 정의된 선택된 PET 데이터의 합이 지정된 듀티 사이클과 동일하도록 조정된다. 예를 들어, 획득한 PET 리스트모드 데이터의 50% 및 6분의 듀티 사이클의 경우 진폭 범위가 3분(50%)을 포함하도록 조정됩니다. PET 데이터. 최적 진폭 범위(W)는 도 2c^12에묘사된 바와 같이 여전히 필요한 양의 PET 데이터(즉, ArgMax([U-L])]를 포함하는 호흡기 게이팅에 사용되는 가장 작은 진폭 범위로 정의된다. 따라서, 의무 주기를 지정함으로써, 사용자는 ORG PET 이미지에 있는 노이즈양과 잔류 모션의 정도 사이의 절충을 한다. 듀티 사이클을 낮추면 소음의 양이 증가하지만 PET 이미지의 잔여 동작 수도 줄어듭니다(그리고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다). ORG의 개념과 효력은 이전 보고에서 기술되었더라도, 이 원고의 목적은 임상 사례에서 ORG를 사용할 때 특정 프로토콜에 대한 세부 사항을 임상의에게 제공하는 것입니다. 따라서 임상 이미징 프로토콜에서 ORG의 사용이 설명된다. 환자 준비, 이미지 수집 및 재구성 프로토콜을 포함한 몇 가지 실용적인 측면이 제공됩니다. 또한, 원고는 PET 이미징 중에 호흡기 게이팅을 수행할 때 ORG 소프트웨어의 사용자 인터페이스와 수행 가능한 특정 선택을 다룰 것입니다. 마지막으로, 이전 연구에서와 같이 병변 검출성 및 이미지 정량화에 대한 ORG의 효과에 대해 논의됩니다.

Protocol

인간 참여자와 관련된 모든 절차는 Radboud 대학 의료 센터의 내부 검토 위원회 (IRB)의 윤리 기준과 1964 헬싱키 선언 및 이후 개정 또는 유사한 윤리 기준에 따라 수행되었습니다. ORG 알고리즘은 공급업체 특정 제품이며 지멘스 전기 mCT PET/CT 스캐너 제품군 및 최신 PET/CT 모델에서 사용할 수 있습니다. 1. 환자 준비 환자 마취 환자의 이름과 생년월일을 확인하십시오. …

Representative Results

PET에서 ORG를 사용하면 호흡으로 인한 이미지 의 흐림이 전반적으로 감소합니다. 예를 들어, 비소세포폐암(NSCLC)을 가진 환자의 임상 평가에서, ORG는 더 많은 폐병변 및 히어/중질림프절(20)의검출을 초래했다. 이는 도 8 및 도 9에서쉽게 입증되며 NSCLC 환자의 비게이트 및 ORG PET 이미지를 보여 주며. 특히, ORG는 림프?…

Discussion

원자력 의학 커뮤니티에서는 PET 이미징에서 호흡기 운동 동맥의 악화 효과가 오랫동안 잘 인식되어 왔습니다. 많은 연구에서 호흡기 운동 유물의 흐림 효과가 이미지 정량화 및 병변 검출가능성에 크게 영향을 미칠 수 있음을 보여주었습니다. 여러 호흡기 게이팅 방법이 개발되었지만 호흡기 게이팅은 현재 임상 실습에서 널리 사용되지 않습니다. 이는 특히 결과가 가변적인 이미지 품질, 이미지…

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