Kvantitativ [18F]-NAF-Pet-MRI-analyse til vurdering af dynamisk knogleomsætning hos en patient med Facetogen lændesmerter

Summary

Billedbehandlings teknikker, der afspejler dynamisk knogleomsætning, kan hjælpe med at karakterisere en bred vifte af knogle patologier. Vi præsenterer detaljerede metoder til at udføre og analysere dynamiske [¹⁸F]-NAF-Pet-MRI-data hos en patient med facetogen lændesmerter ved hjælp af lænde facet leddene som en prototypisk region af interesse.

Abstract

Billedbehandlings teknikker, der afspejler dynamisk knogleomsætning, kan hjælpe med at karakterisere en bred vifte af knogle patologier. Bone er et dynamisk væv, der gennemgår kontinuerlig Remodeling med den konkurrerende aktivitet af osteoblaster, som producerer den nye knoglematrix, og osteoklaster, hvis funktion er at eliminere mineraliseret knogle. [¹⁸F]-NAF er en positron emission tomografi (PET) radiotracer, der muliggør visualisering af knogle metabolisme. [¹⁸F]-NAF er kemisk absorberet i hydroxyapatit i knogle matrixen ved osteoblaster og kan således ikke-invasivt detektere osteoblastisk aktivitet, hvilket er okkult for konventionelle billedbehandlings teknikker. Kinetisk modellering af dynamiske [¹⁸F]-NAF-Pet-data giver detaljerede kvantitative målinger af knogle metabolisme. Konventionelle semi-kvantitative PET data, som udnytter standardiserede optagelses værdier (SUVs) som et mål for radiotracer aktivitet, omtales som en statisk teknik på grund af sit øjebliksbillede af Tracer optagelse i tid.  Kinetic Modeling, dog, udnytter dynamiske billeddata, hvor Tracer niveauer er kontinuerligt erhvervet giver Tracer optagelse tidsmæssig opløsning. Fra den kinetiske modellering af dynamiske data, kvantitative værdier som blodgennemstrømning og metaboliske sats (dvs., potentielt informative målinger af Tracer dynamik) kan udvindes, alle med hensyn til den målte aktivitet i billeddata. Når det kombineres med dobbelt modalitet PET-MRI, region-specifikke kinetiske data kan korreleres med anatomisk registreret høj opløsning strukturelle og patologiske oplysninger, der ydes af MRI. Målet med dette metodologiske manuskript er at skitsere detaljerede teknikker til udførelse og analyse af dynamiske [¹⁸F]-NAF-Pet-MRI-data. Lænde facet leddet er et fælles sted for degenerative arthritis sygdom og en fælles årsag til aksiale lændesmerter.  Nylige undersøgelser tyder på [¹⁸F]-NAF-Pet kan tjene som en nyttig biomarkør af smertefuld facetogen sygdom.  Den menneskelige lænde facet fælles vil derfor blive brugt som en prototypiske region af interesse for dynamisk [¹⁸F]-NAF-Pet-MRI-analyse i dette manuskript.

Introduction

Standard kliniske billedbehandlings teknikker for knogle patologi er primært begrænset til karakterisering af strukturelle ændringer, som kan være uspecifikke. For eksempel, asymptomatiske morfologiske abnormiteter relateret til den normale ældning kan skelnes fra degenerative ændringer, der er ansvarlige for svære smerter og handicap¹. Bone er et dynamisk væv, der gennemgår kontinuerlig Remodeling med den konkurrerende aktivitet af osteoblaster, som producerer den nye knoglematrix, og osteoklaster, hvis funktion er at eliminere mineraliseret knogle². [¹⁸F]-NAF er en positron emission tomografi (PET) radiotracer, der muliggør visualisering af knoglevæv metabolisme. [¹⁸F]-NAF er kemisk absorberet i hydroxyapatit i knogle matrixen ved osteoblaster og kan således ikke-invasivt påvise osteoblastisk aktivitet og derved detektere en metabolisk proces, der er okkult over for konventionelle billedbehandlings teknikker. Som følge heraf er [¹⁸F]-NAF blevet anvendt til karakterisering af knogle patologi i et stigende antal knoglelidelser, herunder neoplasmer, inflammatoriske og degenerative sygdomme i knoglen og leddene^3,4,5 .

PET data er mest almindeligt analyseret i en semi-kvantitativ måde, som let kan udføres i rutinemæssig klinisk praksis med standardiserede optagelses værdier (SUVs). Som en metrisk, SUVs er nyttige for klinikere, da de repræsenterer væv optagelse i forhold til resten af kroppen⁶. Værdier fra efterfølgende scanninger kan anvendes til at observere ændringer i optagelsen som følge af behandling eller sygdomsprogression. Den numeriske karakter af SUVs også aids i sammenligning mellem patienter og mellem efterfølgende scanninger hos den samme patient. Algoritmen bruges til at beregne SUVs, ligning 1, gør den antagelse, at Tracer er ligeligt fordelt i hele kroppen, og at Lean Body Mass præcist repræsenterer hele kroppen volumen. Som sådan er SUVs en semi-kvantitativ måling. For en given region af interesse (ROI), SUV_Max (den maksimale SUV værdi inden for et ROI), og SUV_gennemsnit (middelværdien af alle samplede SUV’er inden for et ROI) er almindeligt anvendt SUV målinger i klinisk praksis⁶.

Kinetic modellering af dynamiske PET data kan også udføres for mere detaljeret kvantitativ analyse. Mens SUV-dataindsamling er statisk, udnytter kinetiske Modeling dynamiske billeddata, hvor sporstof niveauer løbende erhverves, hvilket giver en tidsmæssig dimension.  Fra den mere komplekse kinetiske modellering af dynamiske data, kan kvantitative værdier og informative målinger af Tracer dynamik udvindes med hensyn til den målte aktivitet i billeddataene. En prøve model med to vævs-rum anvendt til dynamisk kinetisk modellering er vist i figur 1⁷.  C_p er koncentrationen af Tracer i blodplasmaet, mens c_e og c_t repræsenterer koncentrationen i det ubundne interstitielle rum og den bundne Tracer i målknogle matrixen hhv. K_1, k₂, k₃, k₄, er 4 sats parametre, der beskriver den kinetiske model for Tracer Wash ind/ud og binding. K₁ beskriver det sporstof, der er taget op fra arteriel plasma i interstitiel rum (C_t), k₂ beskriver den fraktion af Tracer, der spreder sig tilbage fra det interstitielle rum til plasma, k₃ beskriver den Tracer, der bevæger sig fra interstitiel (C_e) plads til knogle (c_t), og k₄ beskriver den Tracer, der bevæger sig fra knogle (c_t) tilbage til det interstitielle rum (c_e).

Figur 1 . En prøve to-vævs rum model til dynamisk kinetiske modellering. C_p er Tracer koncentrationen i blodplasmaet, c_e fri og ikke-specifikt bundet sporstof koncentration i væv, og c_t specifikt bundet Tracer koncentration i vævet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Patlak kinetiske model producerer K_{i_Patlak} som et mål for radiotracer tilstrømning sats (ml/CCM/min, cubic cm = CCM) fra blod puljen ind i knoglematrix. Spor tilstrømningen fra blod puljen til knogle matrixen kan derefter beregnes ved hjælp af ligning 2 og ligning 3 for henholdsvis k_{i_Patlak} og k_{i_NonLinear} . K_{i_Patlak} og k_{i_NonLinear} er de satser, hvormed [¹⁸F]-NAF forlader den arterielle blod pulje og uigenkaldeligt binder sig til en underordnet websted knoglematrix, ved hjælp af de to modeller hhv. En forskel mellem patlak og ikke-lineær kinetiske model er i deres udnyttelse af de dynamiske data. Patlak modellen kræver ligevægt skal opfyldes og derefter beregner tilstrømningen sats fra den etablerede lineære hældning. Patlak kinetiske model producerer K_{i_Patlak} tilstrømning satser, ved hjælp af en 24-minutters tid til ækvibrering af plasma pool, c_p, til ubundet pulje, c_u.  Den 24-minutters tid kan ændre sig afhængigt af den tid, for alle underordnede websteder til at nå ækvibration med plasma pool i prøven. Jo mere computationelt stringent ikke-lineær model bruger alle de tidsmæssige data til at passe en kurve.

Formålet med dette metodologiske manuskript er at skitsere detaljerede teknikker til udførelse af dynamiske [¹⁸F]-NAF-Pet-MRI.  Lænde facet leddet er et fælles sted for degenerative arthritis sygdom og en fælles årsag til aksial lændesmerter⁸.  Nylige undersøgelser tyder på [¹⁸F]-NAF-Pet-MRI kan tjene som en nyttig biomarkør af smertefuld facetogen sygdom⁹.  Den menneskelige lænde facet leddene fra en enkelt patient med facetogen lændesmerter vil således blive analyseret som en prototypiske ROI for dynamisk [¹⁸F]-NAF-Pet-MRI-analyse.

Protocol

Denne prospektive gennemførlighedsundersøgelse rekrutterede patienter efter opnåelse af human Study IRB-godkendelse og i overensstemmelse med HIPAA-regulativer. 1. fantom Fyld et hult cylindrisk fantom med en indsats, der har hule cylindre med en række diametre (5-38 mm) med 185 MBq af [18F]-NAF. Generer et dæmpnings kort over fantomet ved hjælp af CT eller en skabelon, der tidligere er genereret for dette fantom. Placer fantomet i centrum af PET/…

Representative Results

18 NaF-PET-optagelses værdier måles i de bilaterale facet samlinger ved L1-L2 gennem L5-S1-vertebrale niveauer for i alt 10 ROIs i en enkelt repræsentativ patient med aksial lændesmerter. Repræsentativ [18F]-NAF-PET, Axial T2 fedt undertrykt, og aksial T1 post-kontrast fedt-undertrykt Mr billeder gennem niveauet af L3-L4 facet leddene er vist i figur 2.  Ki_Patlak, SUVMean, SUVMax, og MRI facet arthropati grade for hver af de 10 sa…

Discussion

I dette metodologiske manuskript har vi givet baggrundsviden om den potentielle nytte af dynamiske [¹⁸f]-NAF-Pet-MRI til evaluering af en bred vifte af knogle patologier og har skitseret teknikker til dynamisk [¹⁸f]-NAF-Pet-MRI-billede erhvervelse og analyse ved hjælp af den menneskelige lænde facet leddene som prototypiske regioner af interesse. Dual modalitet Pet-MRI giver mulighed for erhvervelse af dynamiske Pet data over en periode svarende til den, der kræves for hr. data erhvervelse alene,…

Materials

Gadolinium Contrast agent (Gadovist)	Bayer	na	1.0mmol/ml solution for IV injection.
[18F]-NaF Radiotracer	na	na	2.96 MBq/kg
GE Signa PET-MRI Scanner	General Electric	na	3.0Tesla 60cm Bore PET-MRI scanner
PMOD Kinetic Modeling Software	PMOD Technologies, LLC	na	Version 3.8