Manejo de artefactos de movimiento respiratorio en 18tomografía por emisión de positrones F-fluorodeoxiglucosa utilizando un algoritmo de medición respiratoria óptima basado en la amplitud

Summary

El movimiento óptimo basado en la amplitud (ORG) elimina eficazmente el desenfoque del movimiento inducido por las vías respiratorias de las imágenes clínicas de tomografía por emisión de positrones (PET) de ¹⁸F-fluorodeoxiglucosa (FDG). La corrección de imágenes FDG-PET para estos artefactos de movimiento respiratorio mejora la calidad de imagen, el diagnóstico y la precisión cuantitativa. La eliminación de artefactos de movimiento respiratorio es importante para un manejo clínico adecuado de los pacientes que utilizan PET.

Abstract

La tomografía por emisión de positrones (PET) combinada con la tomografía computarizada por rayos X (TC) es una importante plataforma de imágenes moleculares que se requiere para un diagnóstico preciso y la estadificación clínica de una variedad de enfermedades. La ventaja de las imágenes PET es la capacidad de visualizar y cuantificar una miríada de procesos biológicos in vivo con alta sensibilidad y precisión. Sin embargo, hay varios factores que determinan la calidad de imagen y la precisión cuantitativa de las imágenes PET. Uno de los factores principales que influyen en la calidad de la imagen en la toma de imágenes PET del tórax y la parte superior del abdomen es el movimiento respiratorio, lo que resulta en un desenfoque del movimiento inducido por la respiración de las estructuras anatómicas. La corrección de estos artefactos es necesaria para proporcionar una calidad de imagen óptima y una precisión cuantitativa de las imágenes PET.

Se han desarrollado varias técnicas de medición respiratoria, que normalmente se basan en la adquisición de una señal respiratoria simultáneamente con datos de PET. En función de la señal respiratoria adquirida, los datos de PET se seleccionan para la reconstrucción de una imagen sin movimiento. Aunque se ha demostrado que estos métodos eliminan eficazmente los artefactos de movimiento respiratorio de las imágenes PET, el rendimiento depende de la calidad de la señal respiratoria que se está adquiriendo. En este estudio, se analiza el uso de un algoritmo de medición respiratoria óptima (ORG) basado en amplitud. A diferencia de muchos otros algoritmos de medición respiratoria, ORG permite al usuario tener control sobre la calidad de la imagen en comparación con la cantidad de movimiento rechazado en las imágenes PET reconstruidas. Esto se logra calculando un rango de amplitud óptimo basado en la señal sustituta adquirida y un ciclo de trabajo especificado por el usuario (el porcentaje de datos PET utilizados para la reconstrucción de imágenes). El rango de amplitud óptimo se define como el rango de amplitud más pequeño que todavía contiene la cantidad de datos PET necesarios para la reconstrucción de imágenes. Se demostró que org da lugar a la eliminación efectiva de la imagen inducida por la respiración en la imagen PET del tórax y la parte superior del abdomen, lo que resulta en una mejor calidad de imagen y precisión cuantitativa.

Introduction

La Tomografía por Emisión de Positrones (PET) en combinación con la tomografía computarizada por rayos X (TC) es una herramienta de imagen ampliamente aceptada en la práctica clínica para el diagnóstico preciso y la puesta en escena clínica de una variedad de enfermedades¹. La ventaja de las imágenes PET es la capacidad de visualizar y cuantificar una miríada de procesos biológicos in vivo con alta sensibilidad y precisión^2. Esto se logra mediante la administración intravenosa de un compuesto etiquetado radioactivamente, también conocido como radiosonda, al paciente. Dependiendo de la radiosonda utilizada, las características tisulares como el metabolismo de la glucosa, la proliferación celular, el grado de hipoxia, el transporte de aminoácidos y la expresión de proteínas y receptores, se pueden visualizar y cuantificar².

Aunque se han desarrollado, validado y utilizado varios radiosondas en la práctica clínica, la glucosa radiactiva analógica ¹⁸F-fluorodeoxiglucosa (FDG) es la radiosonda más utilizada en la práctica clínica. Dado que FDG se acumula predominantemente en células con una tasa glucolítica elevada (es decir, células con absorción elevada de glucosa y conversión a piruvato para la producción de energía), es posible discriminar los tejidos con diferentes estados metabólicos. Al igual que la glucosa, el primer paso de la absorción de FDG es el transporte desde el espacio extracelular sobre la membrana plasmática al espacio intracelular, que es facilitado por transportadores de glucosa (GLUT)³. Una vez que el FDG está en el espacio intracelular, la fosforilación por hexoquinasas dará lugar a la generación de FDG-6-fosfato. Sin embargo, a diferencia de la glucosa-6-fosfato, FDG-6-fosfato no puede entrar en el ciclo Krebs para una mayor disimilación aeróbica debido a la ausencia de un grupo de hidroxilo (OH) en la segunda (2′) posición de carbono. Dado que la reacción inversa, la desfosforilación de FDG-6-fosfato de vuelta a FDG, apenas ocurre en la mayoría de los tejidos, el FDG-6-fosfato está atrapado intracelularmente³. Por lo tanto, el grado de absorción de FDG depende de la expresión del GLUT (en particular GLUT1 y GLUT3) en la membrana plasmática, y de la actividad enzimática intracelular de las hexoquinasas. El concepto de esta captación y captura continua de FDG se conoce como atrapamiento metabólico. El hecho de que FDG se acumule preferentemente en tejidos con una actividad metabólica elevada se muestra en la Figura 1a,que demuestra la distribución fisiológica de FDG en un paciente. Esta imagen FDG-PET muestra mayor absorción en el corazón, cerebro, y los tejidos hepáticos, que se sabe que son órganos metabólicamente activos en condiciones normales.

La alta sensibilidad para detectar diferencias en el estado metabólico de los tejidos hace de FDG una excelente radiosonda para discriminar de los tejidos enfermos, dado que un metabolismo alterado es un sello importante para muchas enfermedades. Esto se representa fácilmente en la Figura 1b,que muestra una imagen FDG-PET de un paciente con cáncer de pulmón de células no pequeñas en estadio IV (NSCLC). Hay una mayor absorción en el tumor primario, así como en lesiones metastásicas. Además de la visualización, la cuantificación de la captación de radiosondas desempeña un papel importante en el manejo clínico de los pacientes. Los índices cuantitativos derivados de imágenes PET que reflejan el grado de absorción de radiosonda, como el valor de absorción estandarizado (SUV), los volúmenes metabólicos y la glucólisis total de lesiones (TLG), se pueden utilizar para proporcionar información de pronóstico importante y medir la respuesta al tratamiento para diferentes grupos de pacientes^4,5,6. En este sentido, las imágenes FDG-PET se utilizan cada vez más para personalizar la radioterapia y el tratamiento sistémico en pacientes oncológicos⁷. Además, se ha descrito el uso de FDG-PET para controlar la toxicidad inducida por el tratamiento agudo, como la esofagitis inducida por radiación^8,la neumonitis⁹ y las respuestas inflamatorias sistémicas^10,y proporciona información importante para tomar decisiones de tratamiento guiadas por imágenes.

Dada la importante función del PET para el manejo clínico de los pacientes, la calidad de imagen y la precisión cuantitativa son importantes para guiar adecuadamente las decisiones de tratamiento basadas en imágenes de PET. Sin embargo, hay numerosos factores técnicos que pueden comprometer la precisión cuantitativa de las imágenes PET¹¹. Un factor importante que puede influir significativamente en la cuantificación de la imagen en pet es relacionado con los tiempos de adquisición más largos de PET en comparación con otras modalidades de imágenes radiológicas, por lo general varios minutos por posición de cama. Como consecuencia, por lo general se instruye a los pacientes a respirar libremente durante las imágenes por PET. El resultado es que las imágenes de PET sufren de movimiento inducido por las vías respiratorias, lo que puede conducir a un desenfoque significativo de los órganos situados dentro del tórax y la parte superior del abdomen. Este desenfoque de movimiento inducido por las vías respiratorias puede afectar significativamente a la visualización adecuada y la precisión cuantitativa de la absorción de radiosonda, lo que puede afectar al manejo clínico de los pacientes cuando utilizan imágenes PET para el diagnóstico y la estadificación, la definición del volumen objetivo para aplicaciones de planificación del tratamiento de radiación y el seguimiento de la respuesta terapéutica¹².

Se han desarrollado varios métodos de medición respiratoria en un intento de corregir imágenes PET para artefactos de movimiento respiratorio¹³. Estos métodos se pueden clasificar en estrategias de medición prospectivas, retrospectivas y basadas en datos. Las técnicas de medición respiratoria prospectivas y retrospectivas normalmente se basan en la adquisición de una señal sustituta respiratoria durante la toma de imágenes PET¹⁴. Estas señales sustitutas respiratorias se utilizan para rastrear y monitorear el ciclo respiratorio del paciente. Ejemplos de dispositivos de seguimiento respiratorio son la detección de la excursión por la pared torácica utilizando sensores de presión¹² o sistemas de seguimiento óptico (por ejemplo, cámaras de vídeo)^15,termopares para medir la temperatura del aire respirado^16,y espirómetros para medir el flujo de aire y así estimar indirectamente los cambios de volumen en los pulmones del paciente¹⁷.

El gating respiratorio se realiza normalmente mediante el registro continuo y simultáneo de una señal sustituta (designada S(t)), con los datos PET durante la adquisición de imágenes. Utilizando la señal sustituta adquirida, se pueden seleccionar datos PET correspondientes a una fase respiratoria o rango de amplitud particular (gating basado en amplitud)^12,13,18. El gating basado en fase se realiza dividiendo cada ciclo respiratorio en un número fijo de puertas, como se muestra en la Figura 2a. A continuación, se realizan gatings respiratorios seleccionando los datos adquiridos en una fase determinada durante el ciclo respiratorio del paciente que se utilizará para la reconstrucción de la imagen. Del mismo modo, el gating basado en amplitud se basa en la definición de un rango de amplitud de la señal respiratoria, como se muestra en la Figura 2b. Cuando el valor de la señal respiratoria cae dentro del rango de amplitud establecido, los datos de modo de lista PET correspondientes se utilizarán para la reconstrucción de la imagen. Para los enfoques retrospectivos de medición, se recopilan todos los datos y se vuelven a binning de los datos PET después de la adquisición de la imagen. Aunque los métodos de medición respiratoria prospectiva utilizan los mismos conceptos que los enfoques retrospectivos para volver a binning de datos PET, estos métodos se basan en la recopilación de datos prospectivamente durante la adquisición de imágenes. Cuando se recopile una cantidad suficiente de datos PET, se finalizará la adquisición de imágenes. La dificultad de estos enfoques prospectivos y retrospectivos es mantener una calidad de imagen aceptable sin prolongar significativamente los tiempos de adquisición de imágenes cuando se produce una respiración irregular¹³. A este respecto, los métodos de medición respiratoria basados en fases son particularmente sensibles a los patrones respiratorios irregulares^13,19, donde se pueden descartar cantidades significativas de datos PET debido al rechazo de desencadenantes inapropiados, lo que resulta en una reducción considerable de la calidad de imagen o un alargamiento inaceptable del tiempo de adquisición de la imagen. Además, cuando se aceptan desencadenantes inapropiados, la realización del algoritmo de medición respiratoria y, por lo tanto, la eficacia del rechazo de movimiento de las imágenes PET se puede reducir debido al hecho de que las puertas respiratorias se definen en diferentes fases del ciclo respiratorio, como se muestra en la Figura 2a. De hecho, se ha informado de que el parteón respiratorio basado en amplitud es más estable que los enfoques basados en fases en caso de irregularidades en la señal respiratoria¹³. Aunque los algoritmos de medición respiratoria basados en amplitud son más robustos en presencia de frecuencias respiratorias irregulares, estos algoritmos son más sensibles a la deriva basal de la señal respiratoria. La deriva de la señal basal puede ocurrir debido a numerosas razones cuando la tensión muscular del paciente (es decir, la transición de un paciente a un estado más relajado durante la adquisición de la imagen) o el patrón respiratorio cambia. Con el fin de evitar este tipo de deriva de línea de base de la señal, se debe tener cuidado de conectar de forma segura los sensores de seguimiento al paciente y realizar un seguimiento regular de la señal respiratoria.

Aunque se conocen estos problemas, los algoritmos tradicionales de medición respiratoria solo permiten un control limitado sobre la calidad de la imagen y, por lo general, requieren un alargamiento significativo del tiempo de adquisición de la imagen o un aumento de las cantidades de radiosonda que se administrarán al paciente. Estos factores dieron lugar a la adopción limitada de estos protocolos en la rutina clínica. Con el fin de eludir estos problemas relacionados con la calidad variable de las imágenes cerradas respiratorias, se ha propuesto un tipo específico de algoritmo de medición basado en amplitud, también conocido como respirado óptimo (ORG),¹⁸. El gating respiratorio con ORG permite al usuario especificar la calidad de imagen de las imágenes cerradas respiratorias proporcionando un ciclo de trabajo como entrada para el algoritmo. El ciclo de trabajo se define como un porcentaje de los datos de modo de lista PET adquiridos que se utilizan para la reconstrucción de imágenes. A diferencia de muchos otros algoritmos de medición respiratoria, este concepto permite al usuario determinar directamente la calidad de imagen de las imágenes PET reconstruidas. Sobre la base del ciclo de trabajo especificado, se calcula un rango de amplitud óptimo, que tiene en cuenta las características específicas de toda la señal sustituta respiratoria¹⁸. El rango de amplitud óptimo para un ciclo de trabajo específico se calculará comenzando con una selección de diferentes valores para el límite de amplitud inferior, designado (L), de la señal respiratoria. Para cada límite inferior seleccionado, el límite de amplitud superior, designado (U), se ajusta de tal manera que la suma de los datos PET seleccionados, definidos como datos adquiridos cuando la señal respiratoria cae dentro del rango de amplitud (L<S(t)<U), es igual al ciclo de trabajo especificado. Por ejemplo, para un ciclo de trabajo del 50% y seis minutos de datos DE MODO DE lista PET adquiridos, el rango de amplitud se adapta para incluir tres minutos (50%) datos pet. El rango de amplitud óptimo (W) se define como el rango de amplitud más pequeño utilizado para el gating respiratorio que todavía contiene la cantidad necesaria de datos PET (es decir, ArgMax([U–L])), como se muestra en la Figura 2c¹². Por lo tanto, al especificar el ciclo de trabajo, el usuario hace un equilibrio entre la cantidad de ruido y el grado de movimiento residual que reside en las imágenes ORG PET. Bajar el ciclo de trabajo aumentará la cantidad de ruido, aunque esto también reducirá la cantidad de movimiento residual en las imágenes PET (y viceversa). Aunque los conceptos y efectos de ORG se han descrito en informes anteriores, el propósito de este manuscrito es proporcionar a los médicos detalles sobre los protocolos específicos cuando se utiliza ORG en la práctica clínica. Por lo tanto, se describe el uso de ORG en un protocolo de imagen clínica. Se proporcionarán varios aspectos prácticos, como la preparación del paciente, la adquisición de imágenes y los protocolos de reconstrucción. Además, el manuscrito cubrirá la interfaz de usuario del software ORG y las opciones específicas que se pueden tomar al realizar respiraciones respiratorias durante las imágenes PET. Por último, se analiza el efecto de la ORG en la detectabilidad de lesiones y la cuantificación de la imagen, como se muestra en estudios anteriores.

Protocol

Todos los procedimientos realizados en la participación de participantes humanos se ajustaron a las normas éticas de la junta de revisión interna (IRB) del centro médico universitario Radboud y con la declaración de Helsinki de 1964 y sus modificaciones posteriores o normas éticas comparables. El algoritmo ORG es un producto específico del proveedor y está disponible en la familia de escáneres PET/CT mCT de Siemens Biograph y en los modelos PET/CT más recientes. 1. Preparación del pac…

Representative Results

El uso de ORG en PET resulta en una reducción general del desenfoque inducido por las vías respiratorias de las imágenes. Por ejemplo, en una evaluación clínica de pacientes con cáncer de pulmón de células no pequeñas (NSCLC), la ORG dio lugar a la detección de más lesiones pulmonares y ganglios linfáticos hilar/mediastinales20. Esto se demuestra fácilmente en la Figura 8 y la Figura 9,que muestra imágenes de PET no cerradas…

Discussion

En la comunidad de la medicina nuclear, los efectos deteriorantes de los artefactos de movimiento respiratorio en las imágenes por PET han sido bien reconocidos durante mucho tiempo. Se ha demostrado en muchos estudios que el efecto borroso de los artefactos de movimiento respiratorio puede influir significativamente en la cuantificación de la imagen y la detectabilidad de lesiones. Aunque se han desarrollado varios métodos de gating respiratorio, el gating respiratorio no está siendo ampliamente utilizado en la prá…

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