Gestione di manufatti a movimento respiratorio in tomografiaad emissione di positroni F-fluorodeossiglucosio utilizzando un algoritmo di gating respiratorio ottimale basato sull'ampiezza

Summary

La gating respiratoria ottimale (ORG) basata sull’ampiezza rimuove efficacemente la sfocatura del movimento indotta dalle immagini cliniche ^ditomografia a emissione di positroni F-fluorodeossiglucosio (FDG). La correzione delle immagini FDG-PET per questi artefatti del movimento respiratorio migliora la qualità dell’immagine, la precisione diagnostica e quantitativa. La rimozione dei manufatti in movimento respiratorio è importante per un’adeguata gestione clinica dei pazienti che utilizzano PET.

Abstract

La tomografia ad emissione di positroni (PET) combinata con la tomografia computerizzata a raggi X (CT) è un’importante piattaforma di imaging molecolare necessaria per una diagnosi accurata e la stadiazione clinica di una varietà di malattie. Il vantaggio dell’imaging PET è la capacità di visualizzare e quantificare una miriade di processi biologici in vivo con elevata sensibilità e precisione. Tuttavia, ci sono diversi fattori che determinano la qualità dell’immagine e l’accuratezza quantitativa delle immagini PET. Uno dei principali fattori che influenzano la qualità dell’immagine nell’imaging PET del torace e dell’addome superiore è il movimento respiratorio, con conseguente sfocatura del movimento indotta dalla respirazione delle strutture anatomiche. La correzione di questi manufatti è necessaria per fornire una qualità dell’immagine ottimale e una precisione quantitativa delle immagini IN PET.

Sono state sviluppate diverse tecniche di ghiandolazione respiratoria, che in genere si basano sull’acquisizione di un segnale respiratorio contemporaneamente ai dati PET. In base al segnale respiratorio acquisito, i dati PET vengono selezionati per la ricostruzione di un’immagine senza movimento. Sebbene questi metodi abbiano dimostrato di rimuovere efficacemente i manufatti del movimento respiratorio dalle immagini in PET, le prestazioni dipendono dalla qualità del segnale respiratorio acquisito. In questo studio viene discusso l’uso di un algoritmo di gating respiratorio ottimale (ORG) basato sull’ampiezza. A differenza di molti altri algoritmi di gating respiratorio, ORG consente all’utente di avere il controllo sulla qualità dell’immagine rispetto alla quantità di movimento rifiutato nelle immagini PET ricostruite. Ciò si ottiene calcolando un intervallo di ampiezza ottimale basato sul segnale surrogato acquisito e un ciclo di servizio specificato dall’utente (la percentuale di dati PET utilizzati per la ricostruzione delle immagini). L’intervallo di ampiezza ottimale è definito come il più piccolo intervallo di ampiezza che contiene ancora la quantità di dati PET necessari per la ricostruzione delle immagini. È stato dimostrato che ORG si traduce in un’efficace rimozione della sfocatura dell’immagine indotta dalla respirazione nell’imaging PET del torace e dell’addome superiore, con conseguente miglioramento della qualità dell’immagine e precisione quantitativa.

Introduction

La tomografia ad emissione di positroni (PET) in combinazione con la tomografia computerizzata a raggi X (CT) è uno strumento di imaging ampiamente accettato nella pratica clinica per una diagnosi accurata e la stadiazione clinica di una varietà di^{malattie 1}. Il vantaggio dell’imaging PET è la capacità di visualizzare e quantificare una miriade di processi biologici in vivo con elevata sensibilità e precisione². Ciò si ottiene somministrando per via endovenosa al paziente un composto marcato radioattivamente, noto anche come radiotracciante. A seconda del radiotracciante utilizzato, le caratteristiche tissutali come il metabolismo del glucosio, la proliferazione cellulare, il grado di ipossia, il trasporto di amminoacidi e l’espressione di proteine e recettori, possono essere visualizzate e quantificate².

Sebbene diversi radiotraccianti siano stati sviluppati, convalidati e utilizzati nella pratica clinica, l’analogo ^{del glucosio radioattivo 18}F-fluorodeossiglucosio (FDG) è il radiotracciante più utilizzato nella pratica clinica. Dato che l’FDG si accumula prevalentemente in cellule con un elevato tasso glicolitico (cioè cellule con elevato assorbimento di glucosio e conversione in piruvato per la produzione di energia), è possibile discriminare tessuti con diversi stati metabolici. Simile al glucosio, il primo passo dell’assorbimento degli FDG è il trasporto dallo spazio extracellulare sulla membrana plasmatica allo spazio intracellulare, che è facilitato dai trasportatori di glucosio (GLUT)³. Una volta che l’FDG si trova nello spazio intracellulare, la fosforilazione da parte delle esochinasi si tradurrà nella generazione di FDG-6-fosfato. Tuttavia, a differenza del glucosio-6-fosfato, l’FDG-6-fosfato non può entrare nel ciclo di Krebs per un’ulteriore dissimilazione aerobica a causa dell’assenza di un gruppo idrossile (OH) nella seconda posizione di carbonio (2′). Dato che la reazione inversa, la defosforilazione dell’FDG-6-fosfato in FDG, difficilmente si verifica nella maggior parte dei tessuti, l’FDG-6-fosfato è intrappolato intracellularmente³. Pertanto, il grado di assorbimento degli FDG dipende dall’espressione del GLUT (in particolare GLUT1 e GLUT3) sulla membrana plasmatica e dall’attività enzimatica intracellulare delle esochinasi. Il concetto di assorbimento e cattura continui degli FDG è indicato come cattura metabolica. Il fatto che l’FDG si accumuli preferenzialmente nei tessuti con un’elevata attività metabolica è mostrato nella figura 1a, dimostrando la distribuzione fisiologica degli FDG in un paziente. Questa immagine FDG-PET mostra un maggiore assorbimento nei tessuti cardiaci, cerebrali e epatici, che sono noti per essere organi metabolicamente attivi in condizioni normali.

L’elevata sensibilità per rilevare le differenze nello stato metabolico dei tessuti rende l’FDG un eccellente radiotracciante per discriminare la normalità dai tessuti matti, dato che un metabolismo alterato è un segno distintivo importante per molte malattie. Questo è prontamente descritto nella figura 1b, mostrando un’immagine FDG-PET di un paziente con cancro polmonare non a piccole cellule (NSCLC) di fase IV. C’è un aumento dell’assorbimento nel tumore primario e nelle lesioni metastatiche. Oltre alla visualizzazione, la quantificazione dell’assorbimento dei radiotracciante gioca un ruolo importante nella gestione clinica dei pazienti. Indici quantitativi derivati da immagini PET che riflettono il grado di assorbimento dei radiotraccianti, come il valore di assorbimento standardizzato (SUV), i volumi metabolici e la glicolisi della lesione totale (TLG), possono essere utilizzati per fornire importanti informazioni prognostiche e misurare la risposta al trattamento^{per diversi gruppi di pazienti 4,5,6}. A questo proposito, l’imaging FDG-PET viene sempre più utilizzato per personalizzare la radioterapia e il trattamento sistemico nei pazienti oncologici⁷. Inoltre, è stato descritto l’uso di FDG-PET per il monitoraggio della tossicità indotta dal trattamento acuto, come l’esofagite indotta dalle^{radiazioni 8}, la polmonite 9 e le^{risposte infiammatorie sistemiche 10}, e fornisce informazioni importanti per prendere decisioni di trattamento guidate dall’immagine.

Dato l’importante ruolo del PET per la gestione clinica dei pazienti, la qualità dell’immagine e l’accuratezza quantitativa sono importanti per guidare adeguatamente le decisioni di trattamento basate su immagini PET. Tuttavia, ci sono numerosi fattori tecnici che possono compromettere l’accuratezza quantitativa delle immagini PET¹¹. Un fattore importante che può influenzare significativamente la quantificazione dell’immagine nel PET è legato ai tempi di acquisizione più lunghi del PET rispetto ad altre modalità di imaging radiologico, in genere diversi minuti per posizione del letto. Di conseguenza, i pazienti sono solitamente istruiti a respirare liberamente durante l’imaging PET. Il risultato è che le immagini pet soffrono di movimento indotto dalle vie respiratorie, che può portare a una significativa sfocatura degli organi situati all’interno del torace e dell’addome superiore. Questa sfocatura del movimento indotta dalle vie respiratorie può compromettere significativamente un’adeguata visualizzazione e precisione quantitativa dell’assorbimento dei radiotraccianti, che può influire sulla gestione clinica dei pazienti quando si utilizzano immagini PET per la diagnosi e la stadiazione, sulla definizione del volume target per le applicazioni di pianificazione del trattamento radio e sul monitoraggio della risposta^{terapeutica 12}.

Diversi metodi di ghiandolazione respiratoria sono stati sviluppati nel tentativo di correggere le immagini pet per i manufatti in movimento^{respiratorio 13}. Questi metodi possono essere classificati in strategie di gating prospettico, retrospettiva e basata sui dati. Le tecniche di ghiandolazione respiratoria prospettica e retrospettiva si basano in genere sull’acquisizione di un segnale surrogato respiratorio durante l’imaging PET¹⁴. Questi segnali surrogati respiratori vengono utilizzati per tracciare e monitorare il ciclo respiratorio del paziente. Esempi di dispositivi di tracciamento respiratorio sono il rilevamento di escursioni a parete toracica^{utilizzando sensori di pressione 12} o sistemi di tracciamento ottico (ad esempio, videocamere)^15,termoaccoppie per misurare la temperatura^{dell’aria respirata 16}e spirometri per misurare il flusso d’aria e quindi stimare indirettamente i cambiamenti di volume nei polmoni^{del paziente 17}.

La gating respiratoria viene quindi in genere eseguita registrando continuamente e simultaneamente un segnale surrogato (designato S(t)), con i dati PET durante l’acquisizione dell’immagine. Utilizzando il segnale surrogato acquisito, è possibile selezionare i dati PET corrispondenti a una particolare fase respiratoria o intervallo di ampiezza (gating basato sull’ampiezza)^12,13,18. La gating a base di fase viene eseguita dividendo ogni ciclo respiratorio in un numero fisso di porte, come illustrato nella figura 2a. La gating respiratoria viene quindi eseguita selezionando i dati acquisiti in una particolare fase durante il ciclo respiratorio del paziente da utilizzare per la ricostruzione dell’immagine. Analogamente, la gating basata sull’ampiezza si basa sulla definizione di un intervallo di ampiezza del segnale respiratorio, come mostrato nella figura 2b. Quando il valore del segnale respiratorio rientra nell’intervallo di ampiezza impostato, i corrispondenti dati listmode PET verranno utilizzati per la ricostruzione dell’immagine. Per gli approcci di gating retrospettiva, tutti i dati vengono raccolti e il ri binning dei dati PET viene eseguito dopo l’acquisizione dell’immagine. Sebbene i futuri metodi di attenuazione respiratoria utilizzino gli stessi concetti degli approcci retrospettivi per il ri-binning dei dati PET, questi metodi si basano sulla raccolta potenziale di dati durante l’acquisizione di immagini. Quando viene raccolta una quantità sufficiente di dati PET, l’acquisizione di immagini verrà finalizzata. La difficoltà di tali approcci prospettici e retrospettivi è mantenere una qualità dell’immagine accettabile senza prolungare significativamente i tempi di acquisizione delle immagini quando si verifica una respirazione^{irregolare 13}. A questo proposito, i metodi di ghiandolazione respiratoria a base di fase sono particolarmente sensibili ai modelli di respirazione^{irregolare 13,19}, in cui quantità significative di dati PET possono essere scartate a causa del rifiuto di trigger inappropriati, con conseguente notevole riduzione della qualità dell’immagine o allungamento inaccettabile del tempo di acquisizione delle immagini. Inoltre, quando vengono accettati trigger inappropriati, le prestazioni dell’algoritmo di gating respiratorio e quindi l’efficacia del rifiuto del movimento dalle immagini PET possono essere ridotte a causa del fatto che i cancelli respiratori sono definiti in diverse fasi del ciclo respiratorio, come descritto nella figura 2a. In effetti, è stato riferito che la ghiandolazione respiratoria basata sull’ampiezza è più stabile degli approcci basati sulla fase in caso di irregolarità nel segnale respiratorio¹³. Sebbene gli algoritmi di gating respiratorio basati sull’ampiezza siano più robusti in presenza di frequenze respiratorie irregolari, questi algoritmi sono più sensibili alla deriva di base del segnale respiratorio. La deriva del segnale di base può verificarsi a causa di numerosi motivi in cui la tensione muscolare del paziente (cioè la transizione di un paziente in uno stato più rilassato durante l’acquisizione dell’immagine) o il modello respiratorio cambia. Al fine di prevenire tale deriva basale del segnale, occorre fare attenzione ad attaccare in modo sicuro i sensori di tracciamento al paziente ed eseguire un monitoraggio regolare del segnale respiratorio.

Sebbene questi problemi siano noti, gli algoritmi tradizionali di gating respiratorio consentono solo un controllo limitato sulla qualità dell’immagine e di solito richiedono un allungamento significativo del tempo di acquisizione delle immagini o un aumento delle quantità di radiotracciante da somministrato al paziente. Questi fattori hanno portato all’adozione limitata di tali protocolli nella routine clinica. Al fine di aggirare questi problemi legati alla qualità variabile delle immagini recinta respiratorie, è stato proposto uno specifico tipo di algoritmo di gating basato sull’ampiezza, noto anche come gating respiratorio ottimale (ORG),¹⁸. La gating respiratoria con ORG consente all’utente di specificare la qualità dell’immagine delle immagini recinta respiratorie fornendo un duty cycle come input per l’algoritmo. Il duty cycle è definito come una percentuale dei dati acquisiti in modalità elenco PET utilizzati per la ricostruzione delle immagini. A differenza di molti altri algoritmi di gating respiratorio, questo concetto consente all’utente di determinare direttamente la qualità dell’immagine delle immagini PET ricostruite. In base al duty cycle specificato, viene calcolato un intervallo di ampiezza ottimale, che tiene conto delle caratteristiche specifiche dell’intero segnale surrogato respiratorio¹⁸. L’intervallo di ampiezza ottimale per uno specifico ciclo di servizio sarà calcolato iniziando con una selezione di valori diversi per il limite di ampiezza inferiore, designato (L), del segnale respiratorio. Per ogni limite inferiore selezionato, il limite di ampiezza superiore, designato (U), viene regolato in modo tale che la somma dei dati PET selezionati, definiti come dati acquisiti quando il segnale respiratorio rientra nell’intervallo di ampiezza (L<S(t)<U), sia uguale al ciclo di servizio specificato. Ad esempio, per un duty cycle del 50% e sei minuti di dati listmode PET acquisiti, l'intervallo di ampiezza è adattato per includere tre minuti (50%) dati PET. L'intervallo di ampiezza ottimale (W) è definito come il più piccolo intervallo di ampiezza utilizzato per la gating respiratoria che contiene ancora la quantità richiesta di dati PET (ad esempio, ArgMax([U–L])), come illustrato nella figura 2c¹². Pertanto, specificando il duty cycle, l’utente effettua un compromesso tra la quantità di rumore e il grado di movimento residuo che risiede nelle immagini ORG PET. Abbassare il duty cycle aumenterà la quantità di rumore, anche se ciò ridurrà anche la quantità di movimento residuo nelle immagini PET (e viceversa). Sebbene i concetti e gli effetti dell’ORG siano stati descritti in precedenti rapporti, lo scopo di questo manoscritto è quello di fornire ai medici dettagli sui protocolli specifici quando si utilizza org nella pratica clinica. Pertanto, viene descritto l’uso di ORG in un protocollo di imaging clinico. Saranno forniti diversi aspetti pratici, tra cui la preparazione del paziente, l’acquisizione di immagini e i protocolli di ricostruzione. Inoltre, il manoscritto coprirà l’interfaccia utente del software ORG e le scelte specifiche che possono essere fatte quando si esegue la gating respiratoria durante l’imaging PET. Infine, vengono discussi l’effetto dell’ORG sulla rilevabilità della lesione e sulla quantificazione delle immagini, come mostrato negli studi precedenti.

Protocol

Tutte le procedure eseguite che coinvolgevano partecipanti umani erano conformi agli standard etici del comitato di revisione interno (IRB) del centro medico universitario di Radboud e con la dichiarazione di Helsinki del 1964 e i suoi successivi emendamenti o standard etici comparabili. L’algoritmo ORG è un prodotto specifico del fornitore ed è disponibile nella famiglia di scanner PET/CT mCT biograph di Siemens e nei più recenti modelli PET/CT. 1. Preparazione del paziente Anamn…

Representative Results

L’uso di ORG nel PET si traduce in una riduzione complessiva della sfocatura delle immagini indotta dalle vie respiratorie. Ad esempio, in una valutazione clinica di pazienti con cancro polmonare a cellule non piccole (NSCLC), ORG ha portato al rilevamento di più lesioni polmonari e linfonodi ilar / mediastino20. Ciò è facilmente dimostrato nella figura 8 e nella figura 9, mostrando immagini in PET non gated e ORG di pazienti con NSCLC…

Discussion

Nella comunità della medicina nucleare, gli effetti deteriorati dei manufatti del movimento respiratorio nell’imaging PET sono stati ben riconosciuti per molto tempo. È stato dimostrato in molti studi che l’effetto sfocato dei manufatti del movimento respiratorio può influenzare significativamente la quantificazione dell’immagine e la rilevabilità della lesione. Sebbene siano stati sviluppati diversi metodi di ghiandolazione respiratoria, la gating respiratoria non è attualmente ampiamente utilizzata nella pratica c…

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