Gerenciamento de artefatos de movimento respiratório em 18tomografias de emissão de pósitrons f-fluorodeoxyglucose usando um algoritmo de gating respiratório ideal baseado em amplitude

Summary

A gating respiratória ideal baseada em amplitude (ORG) remove efetivamente o desfoque de movimento induzido respiratório das imagens clínicas ¹⁸F-fluorodeoxyglucose (FDG) de emissão de pósitrons (PET). A correção das imagens FDG-PET para esses artefatos de movimento respiratório melhora a qualidade da imagem, o diagnóstico e a precisão quantitativa. A remoção de artefatos de movimento respiratório é importante para o manejo clínico adequado dos pacientes que utilizam PET.

Abstract

A tomografia de emissão de pósitrons (PET) combinada com tomografia computadorizada de raios-X (TC) é uma importante plataforma de imagem molecular necessária para diagnóstico preciso e estadiamento clínico de uma variedade de doenças. A vantagem da imagem PET é a capacidade de visualizar e quantificar uma miríade de processos biológicos in vivo com alta sensibilidade e precisão. No entanto, existem vários fatores que determinam a qualidade da imagem e a precisão quantitativa das imagens PET. Um dos principais fatores que influenciam a qualidade da imagem pet no tórax e abdômen superior é o movimento respiratório, resultando em desfoque de movimento induzido pela respiração de estruturas anatômicas. A correção desses artefatos é necessária para fornecer a qualidade da imagem ideal e a precisão quantitativa das imagens PET.

Várias técnicas de gating respiratória foram desenvolvidas, tipicamente contando com a aquisição de um sinal respiratório simultaneamente com dados PET. Com base no sinal respiratório adquirido, os dados PET são selecionados para a reconstrução de uma imagem livre de movimento. Embora esses métodos tenham sido mostrados para remover efetivamente artefatos de movimento respiratório de imagens PET, o desempenho depende da qualidade do sinal respiratório que está sendo adquirido. Neste estudo, discute-se o uso de um algoritmo de gating respiratório ideal (ORG) baseado em amplitude. Em contraste com muitos outros algoritmos de gating respiratório, o ORG permite que o usuário tenha controle sobre a qualidade da imagem versus a quantidade de movimento rejeitado nas imagens PET reconstruídas. Isso é conseguido através do cálculo de uma amplitude ideal com base no sinal de substituto adquirido e em um ciclo de dever especificado pelo usuário (a porcentagem de dados PET usados para reconstrução de imagem). O intervalo de amplitude ideal é definido como a menor amplitude ainda contendo a quantidade de dados PET necessários para a reconstrução da imagem. Mostrou-se que o ORG resulta na remoção efetiva da imagem induzida pela respiração em imagens PET do tórax e abdômen superior, resultando em melhor qualidade de imagem e precisão quantitativa.

Introduction

A Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET) em combinação com a tomografia computadorizada de raios-X (TC) é uma ferramenta de imagem amplamente aceita na prática clínica para diagnóstico preciso e estadiamento clínico de uma variedade de doenças¹. A vantagem da imagem PET é a capacidade de visualizar e quantificar uma miríade de processos biológicos in vivo com alta sensibilidade e precisão². Isso é conseguido através da administração intravenosa de um composto radioativamente rotulado, também conhecido como radiotracer, ao paciente. Dependendo do radiotracer utilizado, características teciduais como metabolismo de glicose, proliferação celular, grau de hipóxia, transporte de aminoácidos e expressão de proteínas e receptores, podem ser visualizadas e quantificadas².

Embora vários radiotracers tenham sido desenvolvidos, validados e usados na prática clínica, o análogo de glicose radioativa ¹⁸F-fluorodeoxyglucose (FDG) é o radiotracer mais utilizado na prática clínica. Dado que o FDG se acumula predominantemente em células com uma taxa glicóltica elevada (ou seja, células com elevada absorção de glicose e conversão para piruvato para produção de energia), é possível discriminar tecidos com diferentes estados metabólicos. Semelhante à glicose, o primeiro passo da absorção do FDG é o transporte do espaço extracelular sobre a membrana plasmática para o espaço intracelular, que é facilitado pelos transportadores de glicose (GLUT)³. Uma vez que o FDG esteja no espaço intracelular, a fosforilação por hexoquinases resultará na geração de FDG-6-fosfato. No entanto, em contraste com a glicose-6-fosfato, fDG-6-fosfato não pode entrar no ciclo Krebs para mais dissimilação aeróbica devido à ausência de um grupo de hidroxila (OH) na segunda (2′) posição de carbono. Dado que a reação reversa, a desfosforilação do FDG-6-fosfato de volta ao FDG, dificilmente ocorre na maioria dos tecidos, o FDG-6-fosfato é preso intracelularmente³. Portanto, o grau de absorção de FDG depende da expressão do GLUT (em particular GLUT1 e GLUT3) na membrana plasmática, e da atividade enzimática intracelular de hexokinases. O conceito desta absorção contínua e captura de FDG é referido como armadilha metabólica. O fato de o FDG se acumular preferencialmente em tecidos com uma atividade metabólica elevada é mostrado na Figura 1a, demonstrando a distribuição fisiológica do FDG em um paciente. Esta imagem FDG-PET mostra maior absorção nos tecidos cardíacos, cerebrais e hepáticos, que são conhecidos por serem órgãos metabolicamente ativos em condições normais.

A alta sensibilidade para detectar diferenças no estado metabólico dos tecidos faz do FDG um excelente radiotracer para discriminar o normal de tecidos doentes, dado que um metabolismo alterado é uma marca importante para muitas doenças. Isso é prontamente retratado na Figura 1b, mostrando uma imagem FDG-PET de um paciente com câncer de pulmão de células não pequenas estágio IV (NSCLC). Há aumento da absorção no tumor primário, bem como em lesões metastáticas. Além da visualização, a quantificação da captação de radiotracer desempenha um papel importante no manejo clínico dos pacientes. Os índices quantitativos derivados de imagens PET que refletem o grau de captação de radiotracer, como o valor de absorção padronizado (SUV), volumes metabólicos e glicolise total da lesão (TLG), podem ser usados para fornecer informações prognósticas importantes e medir a resposta ao tratamento para diferentes grupos de pacientes^4,5,6. Nesse sentido, a imagem FDG-PET está sendo cada vez mais utilizada para personalizar a radioterapia e o tratamento sistêmico em pacientes oncológicos⁷. Além disso, foi descrito o uso de FDG-PET para monitoramento da toxicidade induzida pelo tratamento agudo, como a esofagite induzida por radiação^8,pneumonite⁹ e respostas inflamatórias sistêmicas^10,e fornece informações importantes para a tomada de decisões de tratamento orientadas por imagem.

Dado o importante papel do PET para o manejo clínico dos pacientes, a qualidade da imagem e a precisão quantitativa são importantes para orientar adequadamente as decisões de tratamento com base em imagens PET. No entanto, existem inúmeros fatores técnicos que podem comprometer a precisão quantitativa das imagens PET¹¹. Um fator importante que pode influenciar significativamente a quantificação de imagem no PET está relacionado aos tempos mais longos de aquisição do PET em comparação com outras modalidades de imagem radiológica, tipicamente vários minutos por posição de cama. Como consequência, os pacientes geralmente são instruídos a respirar livremente durante a imagem PET. O resultado é que as imagens PET sofrem de movimento induzido respiratório, o que pode levar a uma indefinição significativa dos órgãos localizados dentro do tórax e abdômen superior. Essa indefinição de movimento induzida por respiratórios pode prejudicar significativamente a visualização adequada e a precisão quantitativa da captação de radiotracer, o que pode afetar o gerenciamento clínico dos pacientes ao usar imagens PET para diagnóstico e estadiamento, definição de volume-alvo para aplicações de planejamento de tratamento de radiação e monitoramento da resposta terapêutica¹².

Vários métodos de gating respiratório foram desenvolvidos na tentativa de corrigir imagens PET para artefatos de movimento respiratório¹³. Esses métodos podem ser categorizados em estratégias prospectivas, retrospectivas e baseadas em dados. Técnicas prospectivas e retrospectivas de gating respiratório normalmente dependem da aquisição de um sinal de barriga de aluguel respiratório durante a imagem^{PET 14}. Esses sinais de barriga de aluguel respiratório são usados para rastrear e monitorar o ciclo respiratório do paciente. Exemplos de dispositivos de rastreamento respiratório são a detecção de excursões na parede torácica usando sensores de pressão¹² ou sistemas de rastreamento óptico (por exemplo, câmeras de vídeo)¹⁵, termopares para medir a temperatura do ar respirado¹⁶, e espirômetros para medir o fluxo de ar e, assim, estimando indiretamente mudanças de volume nos pulmões do paciente¹⁷.

A gating respiratória é então tipicamente realizada através da gravação contínua e simultânea de um sinal de substituto (designado S(t)), com os dados PET durante a aquisição de imagem. Utilizando o sinal de substituto adquirido, os dados PET correspondentes a uma determinada fase respiratória ou amplitude (gating à base de amplitude) podem ser selecionados^12,13,18. A gating baseada em fase é realizada dividindo cada ciclo respiratório em um número fixo de portões, como descrito na Figura 2a. A gating respiratória é então realizada selecionando dados adquiridos em uma fase específica durante o ciclo respiratório do paciente para ser usado para reconstrução de imagem. Da mesma forma, a gating baseada em amplitude depende da definição de uma amplitude do sinal respiratório, conforme mostrado na Figura 2b. Quando o valor do sinal respiratório estiver dentro do intervalo de amplitude definido, os dados correspondentes do modo de lista PET serão usados para reconstrução de imagem. Para abordagens retrospectivas de gating, todos os dados são coletados e o re-binning dos dados PET é realizado após a aquisição de imagens. Embora os métodos prospectivos de gating respiratório usem os mesmos conceitos que abordagens retrospectivas de gating para re-binning de dados PET, esses métodos dependem da coleta de dados prospectivamente durante a aquisição de imagens. Quando uma quantidade suficiente de dados PET for coletada, a aquisição de imagens será finalizada. A dificuldade de tais abordagens prospectivas e retrospectivas é manter a qualidade de imagem aceitável sem prolongar significativamente os tempos de aquisição de imagens quando ocorre respiração irregular¹³. Nesse sentido, os métodos de gating respiratório baseados em fase são particularmente sensíveis aos padrões respiratórios irregulares^13,19, onde quantidades significativas de dados PET podem ser descartadas devido à rejeição de gatilhos inadequados, resultando em uma redução considerável da qualidade da imagem ou no alongamento inaceitável do tempo de aquisição de imagens. Além disso, quando os gatilhos inadequados são aceitos, o desempenho do algoritmo de gating respiratório e, assim, a eficácia da rejeição de movimento das imagens PET pode ser reduzida devido ao fato de que os portões respiratórios são definidos em diferentes fases do ciclo respiratório, como retratado na Figura 2a. De fato, foi relatado que a gating respiratória à base de amplitude é mais estável do que abordagens baseadas em fases em caso de irregularidades no sinal respiratório¹³. Embora os algoritmos de gating respiratório baseados em amplitude sejam mais robustos na presença de frequências respiratórias irregulares, esses algoritmos são mais sensíveis à deriva da linha de base do sinal respiratório. A deriva do sinal de linha de base pode ocorrer devido a inúmeras razões quando a tensão muscular do paciente (ou seja, a transição de um paciente para um estado mais relaxado durante a aquisição de imagem) ou mudanças no padrão respiratório. Para evitar essa deriva da linha de base do sinal, deve-se tomar cuidado para anexar com segurança os sensores de rastreamento ao paciente e realizar um monitoramento regular do sinal respiratório.

Embora esses problemas sejam conhecidos, os algoritmos tradicionais de gating respiratório só permitem controle limitado sobre a qualidade da imagem e geralmente requerem um alongamento significativo do tempo de aquisição de imagens ou quantidades aumentadas de radiotracer a serem administrados ao paciente. Esses fatores resultaram na adoção limitada desses protocolos na rotina clínica. A fim de contornar esses problemas relacionados à qualidade variável das imagens do portão respiratório, foi proposto um tipo específico de algoritmo de gating baseado em amplitude, também conhecido como gating respiratório ideal (ORG), foi proposto¹⁸. O gating respiratório com org permite ao usuário especificar a qualidade da imagem das imagens do portão respiratório, fornecendo um ciclo de dever como entrada para o algoritmo. O ciclo de serviço é definido como uma porcentagem dos dados adquiridos do modo de lista PET que são usados para reconstrução de imagem. Em contraste com muitos outros algoritmos de gating respiratório, este conceito permite ao usuário determinar diretamente a qualidade da imagem das imagens PET reconstruídas. Com base no ciclo de trabalho especificado, calcula-se uma amplitude ideal, que leva em conta as características específicas de todo o sinal de substituto respiratório¹⁸. A amplitude ideal para um ciclo de dever específico será calculada a partir de uma seleção de valores diferentes para o limite de amplitude inferior, designado (L), do sinal respiratório. Para cada limite inferior selecionado, o limite de amplitude superior, designado (U), é ajustado de tal forma que a soma dos dados PET selecionados, definida como dados adquiridos quando o sinal respiratório se enquadra na faixa de amplitude (L<S(t)<U), é igual ao ciclo de dever especificado. Por exemplo, para um ciclo de serviço de 50% e seis minutos de dados de quadros PET adquiridos, a amplitude é adaptada para incluir três minutos (50%) de dados PET. A amplitude ideal (W) é definida como a menor amplitude utilizada para gating respiratória que ainda contém a quantidade necessária de dados PET (ou seja, ArgMax([U–L]), como descrito na Figura 2c¹². Assim, ao especificar o ciclo de serviço, o usuário faz uma troca entre a quantidade de ruído e o grau de movimento residual residente nas imagens ORG PET. A redução do ciclo de serviço aumentará a quantidade de ruído, embora isso também reduza a quantidade de movimento residual nas imagens PET (e vice-versa). Embora os conceitos e efeitos da ORG tenham sido descritos em relatórios anteriores, o objetivo deste manuscrito é fornecer aos médicos detalhes sobre os protocolos específicos ao usar a ORG na prática clínica. Portanto, descreve-se o uso de ORG em um protocolo de imagem clínica. Vários aspectos práticos, incluindo preparação do paciente, aquisição de imagens e protocolos de reconstrução serão fornecidos. Além disso, o manuscrito cobrirá a interface do usuário do software ORG e escolhas específicas que podem ser feitas ao realizar gating respiratório durante a imagem PET. Por fim, discute-se o efeito da ORG na detectabilidade da lesão e na quantificação da imagem, como mostrado em estudos anteriores.

Protocol

Todos os procedimentos realizados envolvendo participantes humanos estavam de acordo com os padrões éticos do conselho interno de revisão (IRB) do centro médico da Universidade Radboud e com a declaração de Helsinque de 1964 e suas alterações posteriores ou padrões éticos comparáveis. O algoritmo ORG é um produto específico do fornecedor e está disponível na família de scanners PET/CT da Siemens Biograph e modelos pet/CT mais recentes. 1. Preparação do paciente Anam…

Representative Results

O uso de ORG no PET resulta em uma redução global do desfoque induzido respiratório das imagens. Por exemplo, em uma avaliação clínica de pacientes com câncer de pulmão celular não pequeno (NSCLC), a ORG resultou na detecção de mais lesões pulmonares e linfonodos hilar/mediastinal20. Isso é facilmente demonstrado nas figuras 8 e 9,mostrando imagens pet não fechadas e org pet de pacientes com NSCLC. <p class="jove_content…

Discussion

Na comunidade de medicina nuclear, os efeitos deterioradores dos artefatos de movimento respiratório na imagem PET têm sido bem reconhecidos por muito tempo. Tem sido demonstrado em muitos estudos que o efeito desfoque dos artefatos do movimento respiratório pode influenciar significativamente a quantificação da imagem e a detectabilidade da lesão. Embora vários métodos respiratórios tenham sido desenvolvidos, a gating respiratória não está sendo amplamente utilizada na prática clínica. Isso se deve particu…

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