Beheer van Respiratory Motion Artefacten in 18F-fluorodeoxyglucose Positron Emission Tomography met behulp van een Amplitude-Based Optimal Respiratory Gating Algorithm

Summary

Amplitude-gebaseerde optimale ademhalingsgating (ORG) verwijdert effectief ademhalingsvervaging uit klinische ¹⁸F-fluorodeoxyglucose (FDG) positron emissietomografie (PET) beelden. Correctie van FDG-PET-beelden voor deze ademhalingsbewegingsartefacten verbetert de beeldkwaliteit, diagnostische en kwantitatieve nauwkeurigheid. Verwijdering van respiratoire bewegingsvoorwerpen is belangrijk voor een adequate klinische behandeling van patiënten die PET gebruiken.

Abstract

Positron emissietomografie (PET) in combinatie met röntgentomografie (CT) is een belangrijk moleculair beeldvormingsplatform dat nodig is voor een nauwkeurige diagnose en klinische enscenering van een verscheidenheid aan ziekten. Het voordeel van PET-beeldvorming is de mogelijkheid om een groot aantal biologische processen in vivo te visualiseren en te kwantificeren met een hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid. Er zijn echter meerdere factoren die de beeldkwaliteit en kwantitatieve nauwkeurigheid van PET-afbeeldingen bepalen. Een van de belangrijkste factoren die de beeldkwaliteit in PET-beeldvorming van de thorax en bovenbuik beïnvloeden, is ademhalingsbeweging, wat resulteert in respiratie-geïnduceerde bewegingsvervaging van anatomische structuren. Correctie van deze artefacten is vereist voor het bieden van een optimale beeldkwaliteit en kwantitatieve nauwkeurigheid van PET-beelden.

Er zijn verschillende ademhalingsgatingstechnieken ontwikkeld, die doorgaans afhankelijk zijn van de verwerving van een ademhalingssignaal gelijktijdig met PET-gegevens. Op basis van het verkregen ademhalingssignaal worden PET-gegevens geselecteerd voor reconstructie van een bewegingsvrij beeld. Hoewel is aangetoond dat deze methoden ademhalingsbewegingsartefacten effectief uit PET-beelden verwijderen, is de prestatie afhankelijk van de kwaliteit van het ademhalingssignaal dat wordt verkregen. In deze studie wordt het gebruik van een amplitude-based optimal respiratory gating (ORG) algoritme besproken. In tegenstelling tot veel andere ademhalingsgating algoritmen, ORG laat de gebruiker om controle over de beeldkwaliteit ten opzichte van de hoeveelheid afgewezen beweging in de gereconstrueerde PET-beelden hebben. Dit wordt bereikt door een optimaal amplitudebereik te berekenen op basis van het verworven surrogaatsignaal en een door de gebruiker gespecificeerde taakcyclus (het percentage PET-gegevens dat wordt gebruikt voor beeldreconstructie). Het optimale amplitudebereik wordt gedefinieerd als het kleinste amplitudebereik dat nog steeds de hoeveelheid PET-gegevens bevat die nodig is voor beeldreconstructie. Het werd aangetoond dat ORG resulteert in een effectieve verwijdering van respiratie-geïnduceerde beeldvervaging in PET-beeldvorming van de thorax en bovenbuik, wat resulteert in een betere beeldkwaliteit en kwantitatieve nauwkeurigheid.

Introduction

Positron Emission Tomography (PET) in combinatie met röntgengeïsfluïdeerografie (CT) is een algemeen aanvaard beeldvormingsinstrument in de klinische praktijk voor nauwkeurige diagnose en klinische enscenering van een verscheidenheid aan ziekten¹. Het voordeel van PET-beeldvorming is de mogelijkheid om een groot aantal biologische processen in vivo te visualiseren en te kwantificeren met een hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid^2. Dit wordt bereikt door intraveneus het toedienen van een radioactief geëtiketteerde verbinding, ook wel bekend als een radiotracer, aan de patiënt. Afhankelijk van de radiotracer die wordt gebruikt, kunnen weefselkenmerken zoals glucosemetabolisme, cellulaire proliferatie, mate van hypoxie, aminozuurtransport en expressie van eiwitten en receptoren worden gevisualiseerd en gekwantificeerd².

Hoewel verschillende radiotracers zijn ontwikkeld, gevalideerd en gebruikt in de klinische praktijk, is de radioactieve glucoseanaloog ¹⁸F-fluorodeoxyglucose (FDG) de meest gebruikte radiotracer in de klinische praktijk. Gezien het feit dat FDG zich voornamelijk ophoopt in cellen met een verhoogd glycolytisch tempo (d.w.z. cellen met verhoogde glucoseopname en conversie naar pyruvaat voor energieproductie), is het mogelijk om weefsels met verschillende metabolische toestanden te onderscheiden. Vergelijkbaar met glucose, de eerste stap van FDG opname is het vervoer van de extra cellulaire ruimte over het plasmamembraan naar de intra-cellulaire ruimte, die wordt vergemakkelijkt door glucose transporters (GLUT)³. Zodra de FDG zich in de intracellulaire ruimte bevindt, zal fosforylatie door hexokinasen resulteren in de productie van FDG-6-fosfaat. In tegenstelling tot glucose-6-fosfaat kan FDG-6-fosfaat echter niet in de Krebs-cyclus terechtkomen voor verdere aërobe dissimitatie als gevolg van de afwezigheid van een hydroxylgroep (OH) in de tweede (2′) koolstofpositie. Gezien het feit dat de omgekeerde reactie, de dephosfolatie van FDG-6-fosfaat terug naar FDG, nauwelijks voorkomt in de meeste weefsels, wordt de FDG-6-fosfaat intracellulair gevangen³. Daarom is de mate van fdg-opname afhankelijk van de expressie van de GLUT (met name GLUT1 en GLUT3) op het plasmamembraan en de intracellulaire enzymatische activiteit van hexokinasen. Het concept van deze continue opname en overvulling van FDG wordt aangeduid als metabole vang. Het feit dat FDG zich bij voorkeur ophoopt in weefsels met een verhoogde metabolische activiteit wordt weergegeven in figuur 1a, waaruit de fysiologische verdeling van FDG bij een patiënt blijkt. Deze FDG-PET beeld toont een hogere opname in hart,hersenen, en leverweefsels, waarvan bekend is dat metabolisch actieve organen onder normale omstandigheden.

De hoge gevoeligheid voor het opsporen van verschillen in de metabole toestand van weefsels maakt FDG een uitstekende radiotracer voor het discrimineren van normaal van zieke weefsels, gezien het feit dat een veranderd metabolisme een belangrijk kenmerk is voor veel ziekten. Dit is gemakkelijk afgebeeld in figuur 1b, met een FDG-PET beeld van een patiënt met stadium IV niet-kleincellige longkanker (NSCLC). Er is een verhoogde opname in de primaire tumor en in gemetastaste laesies. Naast visualisatie speelt kwantificering van de opname van radiotracer een belangrijke rol in het klinisch beheer van patiënten. Kwantitatieve indices die zijn afgeleid van PET-beelden die de mate van opname van radiotracer weerspiegelen, zoals de gestandaardiseerde opnamewaarde (SUV), metabolische volumes en totale laesieglycolyse (TLG), kunnen worden gebruikt om belangrijke prognostische informatie te verstrekken en de behandelingsrespons voor verschillende patiëntengroepen^4,5,6te meten . In dit verband wordt FDG-PET-beeldvorming steeds vaker gebruikt om radiotherapie en systemische behandeling bij oncologische patiënten te personaliseren⁷. Bovendien is het gebruik van FDG-PET voor het monitoren van acute behandeling geïnduceerde toxiciteit, zoals straling geïnduceerde sofagitis⁸, pneumonitis⁹ en systemische ontstekingsreacties¹⁰, beschreven en biedt het belangrijke informatie voor het nemen van beeldgestuurde behandelingsbeslissingen.

Gezien de belangrijke rol van PET voor klinisch management van patiënten, is beeldkwaliteit en kwantitatieve nauwkeurigheid belangrijk voor het adequaat begeleiden van behandelingsbeslissingen op basis van PET-beelden. Er zijn echter tal van technische factoren die kwantitatieve nauwkeurigheid van PET-afbeeldingen in gevaar kunnen brengen¹¹. Een belangrijke factor die de beeldkwantificering in PET aanzienlijk kan beïnvloeden, is gerelateerd aan de langere acquisitietijden van PET in vergelijking met andere radiologische beeldvormingsmodaliteiten, meestal enkele minuten per bedpositie. Als gevolg hiervan worden patiënten meestal geïnstrueerd om vrij adem te halen tijdens PET-beeldvorming. Het resultaat is dat PET-beelden last hebben van ademhalingsbeweging, wat kan leiden tot aanzienlijke vervaging van organen in de thorax en bovenbuik. Deze door de luchtwegen veroorzaakte bewegingsvervaging kan een aanzienlijke aantasting van adequate visualisatie en kwantitatieve nauwkeurigheid van de opname van radiotracer aanzienlijk aantasten, wat van invloed kan zijn op het klinisch beheer van patiënten bij het gebruik van PET-beelden voor diagnose en enscenering, doelvolumedefinitie voor toepassingen voor het plannen van stralingsbehandeling en monitoring van therapierespons¹².

Verschillende ademhalingsgating methoden zijn ontwikkeld in een poging om PET-beelden te corrigeren voor ademhalingsbeweging artefacten¹³. Deze methoden kunnen worden onderverdeeld in prospectieve, retrospectieve en datagestuurde gatingstrategieën. Prospectieve en retrospectieve ademhalingsgatingstechnieken zijn doorgaans afhankelijk van de verwerving van een surrogaatsignaal tijdens PET-beeldvorming¹⁴. Deze ademhalings surrogaat signalen worden gebruikt om te volgen en toezicht op de patiënt ademhalingscyclus. Voorbeelden van ademhalingsvolgapparatuur zijn detectie van borstwandexcursie met behulp van druksensoren¹² of optische volgsystemen (bijvoorbeeld videocamera’s)¹⁵, thermokoppels om de temperatuur van ademlucht¹⁶te meten , en spirometers om de luchtstroom te meten en daardoor indirect volumeveranderingen in de longen van de patiënt te schatten¹⁷.

Ademhalingsgating wordt dan meestal bereikt door continu en gelijktijdig een surrogaatsignaal (aangewezen S(t)) op te nemen, met de PET-gegevens tijdens het verkrijgen van het beeld. Met behulp van het verkregen surrogaatsignaal kunnen PET-gegevens worden geselecteerd die overeenkomen met een bepaalde ademhalingsfase of amplitudebereik (amplitude-based gating)^12,13,18. Fasegebonden gating wordt uitgevoerd door elke ademhalingscyclus te verdelen in een vast aantal poorten, zoals afgebeeld in figuur 2a. Ademhalingsgating wordt vervolgens uitgevoerd door gegevens te selecteren die in een bepaalde fase tijdens de ademhalingscyclus van de patiënt zijn verkregen om te worden gebruikt voor beeldreconstructie. Op dezelfde manier is op amplitude gebaseerde gating gebaseerd op het definiëren van een amplitudebereik van het ademhalingssignaal, zoals blijkt uit figuur 2b. Wanneer de waarde van het ademhalingssignaal binnen het ingestelde amplitudebereik valt, worden de bijbehorende PET-listmodegegevens gebruikt voor beeldreconstructie. Voor retrospectieve gating-benaderingen worden alle gegevens verzameld en wordt het opnieuw binning van de PET-gegevens uitgevoerd na het verkrijgen van afbeeldingen. Hoewel toekomstige ademhalingsgatingsmethoden dezelfde concepten gebruiken als retrospectieve gating-benaderingen voor het opnieuw binning van PET-gegevens, zijn deze methoden afhankelijk van het prospectief verzamelen van gegevens tijdens het verwerven van afbeeldingen. Wanneer voldoende PET-gegevens worden verzameld, wordt de beeldverwerving afgerond. De moeilijkheid van dergelijke prospectieve en retrospectieve gating benaderingen is het handhaven van aanvaardbare beeldkwaliteit zonder aanzienlijke verlenging van beeld verwerving tijden wanneer onregelmatige ademhaling optreedt¹³. In dit verband zijn op fases gebaseerde ademhalingsgatingsmethoden bijzonder gevoelig voor onregelmatige ademhalingspatronen^13,19, waarbij aanzienlijke hoeveelheden PET-gegevens kunnen worden weggegooid als gevolg van afwijzing van ongepaste triggers, wat resulteert in een aanzienlijke vermindering van de beeldkwaliteit of een onaanvaardbare verlenging van de beeldverwervingstijd. Bovendien, wanneer ongepaste triggers worden geaccepteerd, de prestaties van de ademhaling gating algoritme en daardoor de effectiviteit van de beweging afwijzing van de PET-beelden kan worden verminderd als gevolg van het feit dat ademhalingspoorten worden gedefinieerd in verschillende fasen van de ademhalingscyclus, zoals afgebeeld in figuur 2a. Er is namelijk gemeld dat op amplitudes gebaseerde ademhalingsgating stabieler is dan fasegebaseerde benaderingen in geval van onregelmatigheden in het ademhalingssignaal¹³. Hoewel amplitude-gebaseerde ademhaling gating algoritmen zijn robuuster in de aanwezigheid van onregelmatige ademhalingsfrequenties, deze algoritmen zijn gevoeliger voor baseline drifting van de luchtwegen signaal. Drifting van het basislijnsignaal kan optreden als gevolg van tal van redenen wanneer de spierspanning van de patiënt (d.w.z. de overgang van een patiënt in een meer ontspannen toestand tijdens het verkrijgen van het beeld) of ademhalingspatroon verandert. Om te voorkomen dat een dergelijk uitgangsspoor van het signaal afdrijft, moet ervoor worden gezorgd dat de volgsensoren veilig aan de patiënt worden bevestigd en dat het ademhalingssignaal regelmatig wordt gecontroleerd.

Hoewel deze problemen bekend zijn, traditionele ademhaling gating algoritmen staan slechts beperkte controle over de beeldkwaliteit en vereisen meestal een aanzienlijke verlenging van de beeldverwerving tijd of verhoogde hoeveelheden radiotracer worden toegediend aan de patiënt. Deze factoren resulteerden in beperkte goedkeuring van dergelijke protocollen in klinische routine. Om deze problemen in verband met de variabele kwaliteit van de ademhalingsgated beelden te omzeilen , is een specifiek type op amplitude gebaseerd gating-algoritme, ook wel optimale ademhalingsgating (ORG) genoemd, voorgesteld¹⁸. Respiratory gating met ORG stelt de gebruiker in staat om de beeldkwaliteit van de ademhalingsbeelden te specificeren door een taakcyclus te leveren als input voor het algoritme. De taakcyclus wordt gedefinieerd als een percentage van de verkregen PET-lijstmodusgegevens die worden gebruikt voor beeldreconstructie. In tegenstelling tot veel andere ademhalingsgating algoritmen, dit concept stelt de gebruiker in staat om direct te bepalen beeldkwaliteit van de gereconstrueerde PET-beelden. Op basis van de gespecificeerde taakcyclus wordt een optimaal amplitudebereik berekend, waarbij rekening wordt gehouden met de specifieke kenmerken van het gehele ademhalingss surrogaatsignaal¹⁸. Het optimale amplitudebereik voor een specifieke taakcyclus wordt berekend door te beginnen met een selectie van verschillende waarden voor de lagere amplitudelimiet, aangewezen (L), van het ademhalingssignaal. Voor elke geselecteerde ondergrens wordt de bovengrens van de amplitude, aangeduid (U), zodanig aangepast dat de som van de geselecteerde PET-gegevens, gedefinieerd als gegevens die zijn verkregen wanneer het ademhalingssignaal binnen het amplitudebereik valt (L<S(t)<U), gelijk is aan de opgegeven duty-cyclus. Voor een taakcyclus van 50% en zes minuten verkregen PET-listmodegegevens wordt het amplitudebereik bijvoorbeeld aangepast aan drie minuten (50%) PET-gegevens. Het optimale amplitudebereik (W) wordt gedefinieerd als het kleinste amplitudebereik dat wordt gebruikt voor ademhalingsgating dat nog steeds de vereiste hoeveelheid PET-gegevens bevat (d.w.z. ArgMax([U–L])), zoals afgebeeld in figuur 2c¹². Door de taakcyclus te specificeren, maakt de gebruiker dus een afweging tussen de hoeveelheid ruis en de mate van resterende beweging die zich in de PET-beelden van de ORGANISATIE begeeft. Het verlagen van de duty-cyclus zal de hoeveelheid ruis verhogen, maar dit zal ook de hoeveelheid resterende beweging in de PET-beelden verminderen (en vice versa). Hoewel de concepten en effecten van ORG zijn beschreven in eerdere rapporten, het doel van dit manuscript is om clinici te voorzien van details over de specifieke protocollen bij het gebruik van ORG in de klinische praktijk. Daarom wordt het gebruik van ORG in een klinisch beeldvormingsprotocol beschreven. Er zullen verschillende praktische aspecten worden geboden, waaronder patiëntvoorbereiding, beeldverwerving en reconstructieprotocollen. Verder zal het manuscript betrekking hebben op de gebruikersinterface van de ORG-software en specifieke keuzes die kunnen worden gemaakt bij het uitvoeren van ademhalingsgating tijdens PET-beeldvorming. Ten slotte wordt het effect van ORG op laesie detecteerbaarheid en beeldkwantificering besproken, zoals blijkt uit eerdere studies.

Protocol

Alle procedures waarbij menselijke deelnemers betrokken waren, waren in overeenstemming met de ethische normen van de interne toetsingscommissie (IRB) van het Radboud universitair medisch centrum en met de verklaring van Helsinki van 1964 en de latere wijzigingen of vergelijkbare ethische normen. Het ORG-algoritme is een leveranciersspecifiek product en is beschikbaar op de Siemens Biograph mCT PET/CT-scannerfamilie en nieuwere PET/CT-modellen. 1. Voorbereiding van de patiënt Patië…

Representative Results

Het gebruik van ORG in PET resulteert in een algehele vermindering van de ademhaling-geïnduceerde vervaging van de beelden. Bijvoorbeeld, in een klinische evaluatie van patiënten met niet-kleincellige longkanker (NSCLC), ORG resulteerde in de detectie van meer longlaesies en hilar / mediastinale lymfeklieren20. Dit wordt gemakkelijk aangetoond in figuur 8 en figuur 9, met niet-gated en ORG PET-beelden van patiënten met NSCLC. <p cl…

Discussion

In de nucleaire geneeskunde gemeenschap, de verslechterende effecten van de luchtwegen artefacten in PET-beeldvorming zijn goed erkend voor een lange tijd. Het is aangetoond in vele studies dat het vervagende effect van ademhalingsbeweging artefacten kan aanzienlijk invloed hebben op beeldkwantificering en laesie detecteerbaarheid. Hoewel er verschillende ademhalingsgatingsmethoden zijn ontwikkeld, wordt ademhalingsgating momenteel niet op grote schaal gebruikt in de klinische praktijk. Dit is met name te wijten aan een …

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