Håndtering av respirasjonsbevegelsesartefakter i 18F-fluorodeoksyglucose Positron Emission Tomografi ved hjelp av en amplitudebasert optimal respiratorisk gatingalgoritme

Summary

Amplitudebasert optimal respiratorisk gating (ORG) fjerner effektivt respiratorisk-indusert bevegelsesuskarphet ^{fra kliniske 18}F-fluorodeoxyglucose (FDG) positronutslipptomografi (PET) bilder. Korrigering av FDG-PET-bilder for disse åndedrettsbevegelsesartefaktene forbedrer bildekvaliteten, diagnostisk og kvantitativ nøyaktighet. Fjerning av respirasjonsbevegelsesartefakter er viktig for adekvat klinisk behandling av pasienter som bruker PET.

Abstract

Positron emission tomography (PET) kombinert med røntgen computertomografi (CT) er en viktig molekylær bildeplattform som er nødvendig for nøyaktig diagnose og klinisk iscenesettelse av en rekke sykdommer. Fordelen med PET-avbildning er evnen til å visualisere og kvantifisere en myriade av biologiske prosesser in vivo med høy følsomhet og nøyaktighet. Det er imidlertid flere faktorer som bestemmer bildekvalitet og kvantitativ nøyaktighet av PET-bilder. En av de fremste faktorene som påvirker bildekvaliteten i PET-avbildning av thorax og overlivet er åndedrettsbevegelse, noe som resulterer i respirasjonsindusert bevegelsesuskarphet av anatomiske strukturer. Korrigering av disse artefaktene er nødvendig for å gi optimal bildekvalitet og kvantitativ nøyaktighet av PET-bilder.

Flere respiratoriske gating teknikker er utviklet, vanligvis avhengig av oppkjøp av et åndedrettsvern samtidig med PET data. Basert på det respiratoriske signalet som er innhentet, er PET-data valgt for rekonstruksjon av et bevegelsesfritt bilde. Selv om disse metodene har vist seg å effektivt fjerne åndedrettsbevegelsesartefakter fra PET-bilder, er ytelsen avhengig av kvaliteten på åndedrettssignalet som er anskaffet. I denne studien diskuteres bruk av en amplitudbasert optimal respiratorisk gating (ORG) algoritme. I motsetning til mange andre respiratoriske gating algoritmer, tillater ORG brukeren å ha kontroll over bildekvaliteten versus mengden avvist bevegelse i de rekonstruerte PET-bildene. Dette oppnås ved å beregne et optimalt amplitudeområde basert på det oppkjøpte surrogatsignalet og en brukerspesifisert driftssyklus (prosentandelen av PET-data som brukes til bilderekonstruksjon). Det optimale amplitudeområdet defineres som det minste amplitudeområdet som fortsatt inneholder mengden PET-data som kreves for bilderekonstruksjon. Det ble vist at ORG resulterer i effektiv fjerning av respirasjonsindusert bilde uskarphet i PET-avbildning av thorax og overlivet, noe som resulterer i forbedret bildekvalitet og kvantitativ nøyaktighet.

Introduction

Positron Emission Tomography (PET) i kombinasjon med røntgen computertomografi (CT) er et allment akseptert bildebehandlingsverktøy i klinisk praksis for nøyaktig diagnose og klinisk iscenesettelse av en rekke sykdommer¹. Fordelen med PET-avbildning er evnen til å visualisere og kvantifisere en myriade av biologiske prosesser in vivo med høy følsomhet og nøyaktighet². Dette oppnås ved intravenøs administrering av en radioaktivt merket forbindelse, også kjent som en radiotracer, til pasienten. Avhengig av radiotracer som brukes, kan vevsegenskaper som glukosemetabolisme, cellulær spredning, grad av hypoksi, aminosyretransport og uttrykk for proteiner og reseptorer, visualiseres og kvantifiseres².

Selv om flere radiotracere er utviklet, validert og brukt i klinisk praksis, er den radioaktive glukoseanalogen ¹⁸F-fluorodeoxyglucose (FDG) den mest brukte radiotraceren i klinisk praksis. Gitt at FDG hovedsakelig akkumuleres i celler med en forhøyet glykolytisk hastighet (det vil si celler med forhøyet glukoseopptak og konvertering til pyruvat for energiproduksjon), er det mulig å diskriminere vev med forskjellige metabolske tilstander. I likhet med glukose, er det første trinnet i FDG-opptaket transport fra det ekstra cellulære rommet over plasmamembranen til det intracellulære rommet, som lettes av glukosetransportører (GLUT)³. Når FDG er i intracellulært rom, vil fosforylering av hexokinaser resultere i generering av FDG-6-fosfat. Men i motsetning til glukose-6-fosfat, FDG-6-fosfat kan ikke gå inn i Krebs syklus for ytterligere aerob dissimilation på grunn av fravær av en hydroksyl (OH) gruppe på den andre (2′) karbon posisjon. Gitt at den omvendte reaksjonen, defosforyleringen av FDG-6-fosfat tilbake til FDG, oppstår neppe i de fleste vev, er FDG-6-fosfat fanget intracellulært³. Derfor er graden av FDG-opptak avhengig av uttrykket av GLUT (spesielt GLUT1 og GLUT3) på plasmamembranen, og den intracellulære enzymatiske aktiviteten til hexokinaser. Konseptet med dette kontinuerlige opptaket og fangsten av FDG kalles metabolsk fangst. Det faktum at FDG fortrinnsvis akkumuleres i vev med forhøyet metabolsk aktivitet er vist i figur 1a, som viser fysiologisk fordeling av FDG hos en pasient. Dette FDG-PET bildet viser høyere opptak i hjerte, hjerne, og levervev, som er kjent for å være metabolsk aktive organer under normale forhold.

Den høye følsomheten for å oppdage forskjeller i metabolsk tilstand av vev gjør FDG til en utmerket radiotracer for diskriminering av normalt fra sykt vev, gitt at en endret metabolisme er et viktig kjennetegn for mange sykdommer. Dette er lett avbildet i figur 1b, viser et FDG-PET bilde av en pasient med stadium IV ikke-småcellet lungekreft (NSCLC). Det er økt opptak i den primære svulsten så vel som i metastatiske lesjoner. I tillegg til visualisering spiller kvantifisering av radiotraceropptak en viktig rolle i klinisk behandling av pasienter. Kvantitative indekser avledet fra PET-bilder som gjenspeiler graden av radiotraceropptak, for eksempel standardisert opptaksverdi (SUV), metabolske volumer og total lesjonglykose (TLG), kan brukes til å gi viktig prognostisk informasjon og måle behandlingsrespons for ulike pasientgrupper^4,5,6. I denne forbindelse blir FDG-PET-avbildning i økende grad brukt til å tilpasse strålebehandling og systemisk behandling hos onkologipasienter⁷. Videre har bruk av FDG-PET for overvåking av akutt behandling indusert toksisitet, som stråling indusert øsofagitt^8,pneumonitt⁹ og systemiske^{inflammatoriske responser 10,}blitt beskrevet og gir viktig informasjon for å ta bildestyrte behandlingsbeslutninger.

Gitt PET’s viktige rolle for klinisk behandling av pasienter, er bildekvalitet og kvantitativ nøyaktighet viktig for å veilede behandlingsbeslutninger basert på PET-bilder på riktig måte. Det er imidlertid mange tekniske faktorer som kan kompromittere kvantitativ nøyaktighet av^{PET-bilder 11}. En viktig faktor som kan påvirke bildekvantifiseringen i PET er relatert til de lengre oppkjøpstidene til PET sammenlignet med andre radiologiske bildemodaliteter, vanligvis flere minutter per sengestilling. Som en konsekvens blir pasientene vanligvis instruert til å puste fritt under PET-avbildning. Resultatet er at PET-bilder lider av respiratorisk indusert bevegelse, noe som kan føre til betydelig uskarphet av organer som ligger i thoraxen og overlivet. Denne åndedrettsinduserte bevegelsesuskarpheten kan i betydelig grad svekke tilstrekkelig synsstyring og kvantitativ nøyaktighet av radiotraceropptak, noe som kan påvirke klinisk behandling av pasienter når du bruker PET-bilder til diagnose og iscenesettelse, målvolumdefinisjon for strålebehandlingsplanleggingsapplikasjoner og overvåking av behandlingsrespons¹².

Flere respiratoriske gating metoder er utviklet i et forsøk på å korrigere PET bilder for respiratorisk bevegelse artefakter¹³. Disse metodene kan kategoriseres i potensielle, retrospektive og datadrevne gatingstrategier. Prospektive og retrospektive respiratoriske gating teknikker vanligvis stole på oppkjøpet av et respiratorisk surrogat signal under PET imaging¹⁴. Disse respiratoriske surrogatsignalene brukes til å spore og overvåke pasientens respiratoriske syklus. Eksempler på åndedrettssporingsenheter er påvisning av brystveggutflukt ved hjelp av^{trykksensorer 12} eller optiske sporingssystemer (f.eks. videokameraer)¹⁵, termoelement for å måle temperaturen på pustet^{luft 16}, og spirometre for å måle luftstrømmen og dermed indirekte estimere volumendringer i pasientens^{lunger 17}.

Åndedrettssparkering oppnås deretter vanligvis ved å kontinuerlig og samtidig registrere et surrogatsignal (utpekt S(t)), med PET-dataene under bildeinnsamling. Ved hjelp av det kjøpte surrogatsignalet kan PET-data som tilsvarer en bestemt åndedrettsfase eller amplitudeområde (amplitudebasert gating) velges^12,13,18. Fasebasert gating utføres ved å dele hver respiratorisk syklus i et fast antall porter, som avbildet i figur 2a. Åndedrettsseking utføres deretter ved å velge data innhentet i en bestemt fase under pasientens respiratoriske syklus som skal brukes til bilderekonstruksjon. På samme måte er amplitudbasert gating avhengig av å definere et amplitudområde av åndedrettssignalet, som vist i figur 2b. Når verdien av åndedrettssignalet faller innenfor det angitte amplitudområdet, vil de tilsvarende PET listmodedataene bli brukt til bilderekonstruksjon. For retrospektive gating tilnærminger, samles alle data inn og re-binning av PET-dataene utføres etter bildeinnhenting. Selv om potensielle respiratoriske gating metoder bruker de samme konseptene som retrospektive gating tilnærminger for re-binning av PET data, disse metodene er avhengige av å samle inn data prospektivt under bildeinnhenting. Når en tilstrekkelig mengde PET-data samles inn, vil bildeinnhenting bli ferdigstilt. Vanskeligheten med slike prospektive og retrospektive gating tilnærminger er å opprettholde akseptabel bildekvalitet uten betydelig forlenge bildeanskaffelse ganger når uregelmessig pusting oppstår¹³. I denne forbindelse er fasebaserte respiratoriske gating metoder spesielt følsomme for uregelmessige pustemønstre^13,19, hvor betydelige mengder PET-data kan kastes på grunn av avvisning av upassende utløsere, noe som resulterer i betydelig reduksjon av bildekvalitet eller uakseptabel forlengelse av bildeanskaffelsestid. I tillegg, når upassende utløsere aksepteres, kan ytelsen til respiratorisk gatingalgoritme og dermed effektiviteten av bevegelsesavvisning fra PET-bildene reduseres på grunn av det faktum at respiratoriske porter er definert i forskjellige faser av respiratorisk syklus, som avbildet i figur 2a. Faktisk har det blitt rapportert at amplitudebasert respiratorisk gating er mer stabil enn fasebaserte tilnærminger i tilfelle uregelmessigheter i åndedrettssignalet¹³. Selv om amplitudebaserte respiratoriske gatingalgoritmer er mer robuste i nærvær av uregelmessige pustefrekvenser, er disse algoritmene mer følsomme for baseline drifting av åndedrettssignalet. Drifting av grunnlinjesignalet kan oppstå av mange grunner når pasientens muskelspenning (det vil si overgang av en pasient til en mer avslappet tilstand under bildeoppkjøp) eller pustemønster endres. For å forhindre slik baseline drifting av signalet, bør det tas hensyn til å feste sporingssensorer sikkert til pasienten og utføre regelmessig overvåking av åndedrettssignalet.

Selv om disse problemene er kjent, tillater tradisjonelle respiratoriske gatingalgoritmer bare begrenset kontroll over bildekvaliteten og krever vanligvis betydelig forlengelse av bildeanskaffelsestid eller økte mengder radiotracer som skal administreres til pasienten. Disse faktorene resulterte i begrenset innføring av slike protokoller i klinisk rutine. For å omgå disse problemene knyttet til den variable kvaliteten på respiratoriske inngjerdede bilder, har en bestemt type amplitudebasert gating algoritme, også kjent som optimal respiratorisk gating (ORG), blitt^{foreslått 18}. Åndedrettssleting med ORG tillater brukeren å spesifisere bildekvaliteten på de respiratoriske inngjerdede bildene ved å gi en driftssyklus som inngang til algoritmen. Driftssyklusen defineres som en prosentandel av de anskaffede PET-listemodusdataene som brukes til bilderekonstruksjon. I motsetning til mange andre respiratoriske gating algoritmer, tillater dette konseptet brukeren å direkte bestemme bildekvaliteten på de rekonstruerte PET-bildene. Basert på den angitte driftssyklusen beregnes et optimalt amplitudeområde, som tar hensyn til de spesifikke egenskapene til hele respiratorisk surrogatsignal i betraktning¹⁸. Det optimale amplitudeområdet for en bestemt driftssyklus beregnes ved å starte med et utvalg av forskjellige verdier for nedre amplitudegrense, utpekt (L), av åndedrettssignalet. For hver valgte nedre grense justeres øvre amplitudegrense, angitt (U), på en slik måte at summen av de valgte PET-dataene, definert som data som er anskaffet når åndedrettssignalet faller innenfor amplitudeområdet (L<S(t)<U), er lik den angitte driftssyklusen. For eksempel, for en driftssyklus på 50% og seks minutter med kjøpte PET listmode data, er amplitudområdet tilpasset for å inkludere tre minutter (50%) av PET-data. Det optimale amplitudeområdet (W) er definert som det minste amplitudeområdet som brukes til åndedrettssalter som fortsatt inneholder den nødvendige mengden PET-data (det vil si ArgMax([U–L])), som avbildet i figur 2c¹². Dermed, ved å spesifisere pliktsyklusen, gjør brukeren en avveining mellom mengden støy og graden av gjenværende bevegelse bosatt i ORG PET-bildene. Senking av driftssyklusen vil øke mengden støy, selv om dette også vil redusere mengden gjenværende bevegelse i PET-bildene (og omvendt). Selv om begrepene og effektene av ORG har blitt beskrevet i tidligere rapporter, er formålet med dette manuskriptet å gi klinikere detaljer om de spesifikke protokollene når man bruker ORG i klinisk praksis. Derfor er bruk av ORG i en klinisk bildeprotokoll beskrevet. Flere praktiske aspekter, inkludert pasientforberedelse, bildeanskaffelse og rekonstruksjonsprotokoller vil bli gitt. Videre vil manuskriptet dekke brukergrensesnittet til ORG-programvaren og spesifikke valg som kan gjøres når du utfører åndedrettsseking under PET-avbildning. Til slutt diskuteres effekten av ORG på lesjonsdekvantifisering og bildekvantifisering, som vist i tidligere studier.

Protocol

Alle prosedyrer som ble utført som involverte menneskelige deltakere var i samsvar med de etiske standardene til det interne gjennomgangsstyret (IRB) ved Radboud universitets medisinske senter og med Helsinki-erklæringen fra 1964 og dens senere endringer eller sammenlignbare etiske standarder. ORG-algoritmen er et leverandørspesifikt produkt og er tilgjengelig på Siemens Biograph mCT PET/CT-skannerfamilien og nyere PET/CT-modeller. 1. Pasientpreparat Pasient anamnese Sjek…

Representative Results

Bruk av ORG i PET resulterer i en generell reduksjon av respiratorisk indusert uskarphet av bildene. For eksempel, i en klinisk evaluering av pasienter med ikke-småcellet lungekreft (NSCLC), resulterte ORG i påvisning av flere lungelesjoner og hilar / mediastinal lymfeknuter20. Dette er lett demonstrert i figur 8 og figur 9, som viser ikke-inngjerdede og ORG PET bilder av pasienter med NSCLC. Spesielt resulte…

Discussion

I nukleærmedisinsamfunnet har de forverrede effektene av åndedrettsbevegelsesartefakter i PET-avbildning vært godt anerkjent i lang tid. Det har vist seg i mange studier at den uskarpe effekten av åndedrettsbevegelsesartefakter kan påvirke bildekvantifisering og lesjonsdempbarhet betydelig. Selv om flere respiratoriske gating metoder er utviklet, er respiratorisk gating for tiden ikke mye brukt i klinisk praksis. Dette skyldes spesielt en resulterende variabel bildekvalitet, uakseptabel forlengelse av bildeanskaffel…

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