Summary

Kvantitativ [18F]-NAF-PET-MRI-analys för utvärdering av dynamisk benomsättning hos en patient med Facetogen ländryggsmärta

Published: August 08, 2019
doi:

Summary

Avbildningstekniker som återspeglar dynamisk benomsättning kan hjälpa till att karakterisera ett brett spektrum av ben patologier. Vi presenterar detaljerade metoder för att utföra och analysera dynamiska [18F]-NAF-PET-MRI data i en patient med facetogena ländryggsbesvär med hjälp av ländryggen facettskarvar som en prototypisk region av intresse.

Abstract

Avbildningstekniker som återspeglar dynamisk benomsättning kan hjälpa till att karakterisera ett brett spektrum av ben patologier. Bone är en dynamisk vävnad som genomgår kontinuerlig ombyggnad med den konkurrerande aktiviteten av osteoblaster, som producerar den nya benmatrisen, och osteoklaster, vars funktion är att eliminera mineraliserat ben. [18F]-NAF är en positron emissions tomografi (PET) radiotracer som möjliggör visualisering av benmetabolism. [18F]-NAF är kemiskt absorberas i hydroxyapatit i ben Matrix av osteoblaster och kan därmed noninvasivt upptäcka osteoblastisk aktivitet, som ockult till konventionella avbildningstekniker. Kinetic modellering av dynamiska [18F]-NAF-PET data ger detaljerade kvantitativa mått av ben metabolism. Konventionella semikvantitativa PET-data, som utnyttjar standardiserade upptag värden (stadsjeepar) som ett mått på radiotracer aktivitet, kallas en statisk teknik på grund av dess ögonblicksbild av upptag av spår i tid.  Kinetisk modellering använder dock dynamiska bilddata där spår nivåerna kontinuerligt förvärvas och ger spårningsupptag i tidsupplösning. Från kinetisk modellering av dynamiska data, kvantitativa värden som blodflöde och ämnesomsättning (dvs. potentiellt informativa mått av spårdynamik) kan extraheras, allt med avseende på den uppmätta aktiviteten i bilddata. I kombination med dubbla modalitet PET-MRI, regionspecifika kinetiska data kan korreleras med anatomiskt registrerade högupplöst strukturell och patologisk information som ges av MRI. Målet med detta metodologiska manuskript är att beskriva detaljerade tekniker för att utföra och analysera dynamiska [18F]-NAF-PET-MRI-data. Ländryggen aspekten gemensamma är en vanlig plats för degenerativ artrit sjukdom och en vanlig orsak till axiella ländryggen smärta.  Nyligen genomförda studier tyder på [18F]-NAF-PET kan fungera som en användbar biomarkör för smärtsam facetogena sjukdom.  Den mänskliga lumbala aspekten gemensamma kommer därför att användas som en prototypisk region av intresse för dynamisk [18F]-NAF-PET-MRI-analys i detta manuskript.

Introduction

Vanliga kliniska avbildningstekniker för ben patologi är i första hand begränsade till att karakterisera strukturella förändringar som kan vara ospecifika. Till exempel, asymtomatiska morfologiska avvikelser i samband med det normala åldrandet kan vara omöjlig att skilja från degenerativa förändringar som är ansvariga för svår smärta och funktionshinder1. Bone är en dynamisk vävnad som genomgår kontinuerlig ombyggnad med den konkurrerande aktiviteten av osteoblaster, som producerar den nya benmatrisen, och osteoklaster, vars funktion är att eliminera mineraliserat ben2. [18F]-NAF är en positron emissions tomografi (PET) radiotracer som möjliggör visualisering av benvävnad metabolism. [18F]-NAF är kemiskt absorberas i hydroxyapatit i benet matris av osteoblaster och kan därmed ingrepp upptäcka osteoblastiska aktivitet, därigenom upptäcka en metabolisk process som är ockult till konventionella avbildningstekniker. Som ett resultat, [18F]-NAF har använts för att karakterisera ben patologi i ett ökande antal bensjukdomar inklusive neoplasmer, inflammatorisk, och degenerativ sjukdom i ben och leder3,4,5 .

PET-data är vanligast analyseras i en semi-kvantitativ sätt, som lätt kan utföras i rutinmässig klinisk praxis med standardiserade upptag värden (SUVs). Som ett mått, SUVs är användbara för kliniker som de representerar vävnadsupptag i förhållande till resten av kroppen6. Värden från efterföljande skanningar kan användas för att observera förändringar i upptaget till följd av behandling eller sjukdomsprogression. Den numeriska karaktären hos stadsjeepar hjälper också i jämförelse mellan patienter och mellan successiva skanningar i samma patient. Algoritmen som används för att beräkna stadsjeepar, ekvation 1, gör antagandet att spårämne är jämnt fördelat i hela kroppen och att lean body mass exakt representerar hela kroppsvolym. Som sådan är stadsjeepar en semikvantitativ mätning. För en given region av intresse (ROI), SUVMax (det maximala SUV-värdet inom en ROI), och SUVMean (medelvärdet av alla samplade STADSJEEPAR inom en ROI) används ofta SUV-statistik i klinisk praxis6.

Kinetisk modellering av dynamiska PET-data kan också utföras för mer detaljerad kvantitativ analys. Medan SUV datainsamling är statisk, använder Kinetic modellering dynamiska bilddata där spårnivåer kontinuerligt förvärvas ger en tidsmässig dimension.  Från den mer komplexa kinetiska modelleringen av dynamiska data kan kvantitativa värden och informativa mätvärden för spårdynamik extraheras med avseende på den uppmätta aktiviteten i bilddata. En prov modell med två vävnads fack används för dynamisk kinetisk modellering visas i figur 17.  Cp är koncentrationen av spårämne i blodplasman medan ce och ct representerar koncentrationen i det obundna interstitiella utrymmet och bundet spårämne i mål ben matrisen respektive. K1, k2, k3, k4, är 4 Rate parametrar som beskriver den kinetiska modellen för Tracer tvätta in/ut och bindning. K1 beskriver den spårämne som tagits upp från arteriell plasma till interstitiell rymd (Ct), k2 beskriver fraktionen av spårämne som sprider sig tillbaka från det interstitiella utrymmet till plasma, k3 beskriver spårämne som rör sig från interstitiell (Ce) utrymme till ben (ct), och k4 beskriver spårämne som rör sig från ben (ct) tillbaka till interstitiellt utrymme (ce).

Figure 1
Figur 1 . En prov modell med två vävnads fack för dynamisk kinetisk modellering. Cp är koncentrationen av spårämne i blodplasma facket, ce fri och icke-specifikt bunden spårningskoncentration i vävnad, och ct specifikt bundet spår koncentration i vävnaden. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Den Patlak Kinetic modellen producerar Ki_Patlak som ett mått på radiotracer tillströmning Rate (ml/CCM/min, kubikcm = CCM) från blodet poolen i benmatrisen. Inflödet av spår från blodpoolen till benmatrisen kan sedan beräknas med hjälp av ekvation 2 och ekvation 3 för ki_Patlak respektive ki_NonLinear . Ki_Patlak och ki_NonLinear är de satser som [18F]-NAF lämnar arteriell blod pool och oåterkalleligt binder till en under plats ben matris, med hjälp av de två modellerna respektive. En skillnad mellan Patlak och icke-linjära kinetiska modellen är i deras utnyttjande av den dynamiska data. Den Patlak modellen kräver jämvikt som skall uppfyllas och sedan beräknar tillströmningen från den etablerade linjära sluttningen. Den Patlak Kinetic modellen producerar Ki_Patlak inflöde priser, genom att använda en 24-minuters tid till jämvikt av plasmapoolen, cp, till obunden pool, cu.  24-minuters tid kan ändras beroende på den tid som finns för alla underwebbplatser att nå jämvikt med plasmapoolen i provet. Den mer beräkningsmässigt rigorösa icke-linjära modellen använder helheten av temporala data för att passa en kurva.

Målet med detta metodologiska manuskript är att beskriva detaljerade tekniker för att utföra dynamiska [18F]-NAF-PET-MRI.  Ländryggen aspekten gemensamma är en vanlig plats för degenerativ artrit sjukdom och en vanlig orsak till axiella ländryggen smärta8.  Nyligen genomförda studier tyder på [18F]-NAF-PET-MRI kan fungera som en användbar biomarkör för smärtsam facetogen sjukdom9.  Den mänskliga ländparti aspekt lederna från en enda patient med facetogena ländryggsbesvär kommer därför att analyseras som en prototypisk ROI för dynamisk [18F]-NAF-PET-MRI-analys.

Protocol

Denna prospektiva genomförbarhetsstudie rekryterade patienter efter att ha fått Human studie IRB godkännande och uppfyller HIPAA förordningar. 1. Phantom Fyll en ihålig cylindrisk fantom med ett skär som har ihåliga cylindrar med ett intervall av diametrar (5-38 mm) med 185 MBq av [18F]-NAF. Generera en dämpning karta över Fantomen med hjälp av CT eller en mall som genererades tidigare för denna fantom. Placera Fantomen i mitten av PET/MR och…

Representative Results

18 NaF-PET-upptagningsvärden mäts i de bilaterala facettlederna vid L1-L2 genom L5-S1 vertebrala nivåer för sammanlagt 10 ROIs i en enda representativ patient med axiell ländryggsmärta. Representant [18F]-NAF-PET, axial T2 fett undertryckt, och axiella T1 efter kontrast fett-UNDERTRYCKTA Mr-bilder genom nivån på L3-L4 facettfogar visas i figur 2.  Ki_Patlak, SUVMean, SUVMaxoch MRI FACET arthropati grade för var och en av de 10 …

Discussion

I denna metodologiska manuskript har vi gett bakgrund om den potentiella nyttan av dynamiska [18f]-NAF-PET-MRI för att utvärdera ett brett spektrum av ben patologier och har beskrivit de metoder för dynamisk [18f]-NAF-PET-MRI bild förvärv och analys med hjälp av mänskliga ländparti aspekt lederna som prototypiska regioner av intresse. Dual modalitet PET-MRI möjliggör förvärv av dynamiska PET-data under en tidsperiod liknande den som krävs för Mr dataförvärv ensam, vilket maximerar ö…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forskningsstöd tillhandahölls av NIH P50AR060752 och GE Healthcare. Vi skulle vilja erkänna stödet från Vahid Ravanfar.

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

Riferimenti

  1. Brinjikji, W., et al. Systematic literature review of imaging features of spinal degeneration in asymptomatic populations. AJNR American Journal of Neuroradiology. 36 (4), 811-816 (2015).
  2. Binder, D. S., Nampiaparampil, D. E. The provocative lumbar facet joint. Current Reviews in Musculoskeletal Medicine. 2 (1), 15-24 (2009).
  3. Spick, C., et al. Detection of Bone Metastases Using 11C-Acetate PET in Patients with Prostate Cancer with Biochemical Recurrence. Anticancer Research. 35 (12), 6787-6791 (2015).
  4. Brans, B., et al. Assessment of bone graft incorporation by 18 F-fluoride positron-emission tomography/computed tomography in patients with persisting symptoms after posterior lumbar interbody fusion. EJNMMI Research. 2 (1), 42 (2012).
  5. Jadvar, H., et al. Prospective evaluation of 18F-NaF and 18F-FDG PET/CT in detection of occult metastatic disease in biochemical recurrence of prostate cancer. Clinical Nuclear Medicine. 37 (7), 637-643 (2012).
  6. Kinahan, P. E., Fletcher, J. W. Positron emission tomography-computed tomography standardized uptake values in clinical practice and assessing response to therapy. Seminars in Ultrasound, CT, and MR. 31 (6), 496-505 (2010).
  7. Hawkins, R. A., et al. Evaluation of the skeletal kinetics of fluorine-18-fluoride ion with PET. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Society of Nuclear Medicine. 33 (5), 633-642 (1992).
  8. Hancock, M. J., et al. Systematic review of tests to identify the disc, SIJ or facet joint as the source of low back pain. European Spine Journal: Official Publication of the European Spine Society, the European Spinal Deformity Society, and the European Section of the Cervical Spine Research Society. 16 (10), 1539-1550 (2007).
  9. Jenkins, N. W., et al. [18)F]-Sodium Fluoride PET MR-Based Localization and Quantification of Bone Turnover as a Biomarker for Facet Joint-Induced Disability. AJNR American Journal of Neuroradiology. 38 (10), 2028-2031 (2017).
  10. Czervionke, L. F., Fenton, D. S. Fat-saturated MR imaging in the detection of inflammatory facet arthropathy (facet synovitis) in the lumbar spine. Pain Medicine. 9 (4), 400-406 (2008).
  11. Phelps, M. E., et al. Tomographic measurement of local cerebral glucose metabolic rate in humans with (F-18)2-fluoro-2-deoxy-D-glucose: validation of method. Annals of Neurology. 6 (5), 371-388 (1979).
  12. Brenner, W., et al. Comparison of different quantitative approaches to 18F-fluoride PET scans. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Society of Nuclear Medicine. 45 (9), 1493-1500 (2004).
  13. Schellinger, D., et al. Facet joint disorders and their role in the production of back pain and sciatica. Radiographics: A Review Publication of the Radiological Society of North America, Inc. 7 (5), 923-944 (1987).
  14. Schett, G. Joint remodelling in inflammatory disease. Annals of the Rheumatic Diseases. 66, 42-44 (2007).
  15. Baum, R., Gravallese, E. M. Impact of inflammation on the osteoblast in rheumatic diseases. Current Osteoporosis Reports. 12 (1), 9-16 (2014).
check_url/it/58491?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Jenkins, N. W., Iriondo, C., Shah, V., Bahroos, E., Ravanfar, V., Regan, M., Seo, Y., Dillon, W. P., Majumdar, S., Talbott, J. F. Quantitative [18F]-Naf-PET-MRI Analysis for the Evaluation of Dynamic Bone Turnover in a Patient with Facetogenic Low Back Pain. J. Vis. Exp. (150), e58491, doi:10.3791/58491 (2019).

View Video