Hantering av Respiratory Motion artefakter i 18F-fluorodeoxyglucose Positron Emissions Tomografi med hjälp av en Amplitud-Based Optimal Respiratory Gating Algorithm

Summary

Amplitud-baserade optimala respiratory gating (ORG) tar effektivt bort respiratory-inducerad rörelse oskärpa ^{från kliniska 18}F-fluorodeoxyglucose (FDG) positron emissions tomografi (PET) bilder. Korrigering av FDG-PET-bilder för dessa respiratoriska rörelseföremål förbättrar bildkvaliteten, diagnostiken och den kvantitativa noggrannheten. Avlägsnande av respiratoriska rörelse artefakter är viktigt för adekvat klinisk hantering av patienter som använder PET.

Abstract

Positron emissions tomografi (PET) i kombination med röntgen datortomografi (CT) är en viktig molekylär bildframställning plattform som krävs för korrekt diagnos och kliniska iscensättning av en mängd olika sjukdomar. Fördelen med PET-avbildning är möjligheten att visualisera och kvantifiera en myriad av biologiska processer in vivo med hög känslighet och noggrannhet. Det finns dock flera faktorer som avgör bildkvalitet och kvantitativ noggrannhet av PET-bilder. En av de främsta faktorerna som påverkar bildkvaliteten i PET-avbildning av bröstkorgen och övre delen av buken är andningsrörelse, vilket resulterar i respiration-inducerad rörelsestommning av anatomiska strukturer. Korrigering av dessa artefakter krävs för att ge optimal bildkvalitet och kvantitativ noggrannhet av PET-bilder.

Flera andningsvägarna gating tekniker har utvecklats, vanligtvis förlitar sig på förvärv av en respiratorisk signal samtidigt med PET-data. Baserat på den andningssignal som förvärvats väljs PET-data för rekonstruktion av en rörelsefri bild. Även om dessa metoder har visat sig effektivt ta bort respiratoriska rörelse artefakter från PET-bilder, är prestanda beroende av kvaliteten på den respiratoriska signalen förvärvas. I denna studie diskuteras användningen av en amplitud-baserad optimal respiratorisk gating (ORG) algoritm. I motsats till många andra andningsorganen gating algoritmer, tillåter ORG användaren att ha kontroll över bildkvaliteten kontra mängden avvisade rörelse i rekonstruerade PET-bilder. Detta uppnås genom att beräkna ett optimalt amplitudintervall baserat på den förvärvade surrogatsignalen och en användarspecificerad tullcykel (procentandelen PET-data som används för bildrekonstruktion). Det optimala amplitudområdet definieras som det minsta amplitudintervall som fortfarande innehåller den mängd PET-data som krävs för bildrekonstruktion. det visades att ORG resulterar i effektiv borttagning av andning-inducerad bild oskärpa i PET imaging av bröstkorgen och övre buken, vilket resulterar i förbättrad bildkvalitet och kvantitativa noggrannhet.

Introduction

Positron Emissions Tomography (PET) i kombination med röntgendatortomografi (CT) är ett allmänt vedertagen bildhanteringsverktyg i klinisk praxis för korrekt diagnos och klinisk iscensättning av en rad olika sjukdomar¹. Fördelen med PET-avbildning är förmågan att visualisera och kvantifiera en myriad av biologiska processer in vivo med hög känslighet och noggrannhet². Detta uppnås genom intravenöst administrera en radioaktivt märkt förening, även känd som en radiotracer, till patienten. Beroende på radiotracer som används, vävnadsegenskaper såsom glukosmetabolism, cellulär spridning, grad av hypoxi, aminosyra transport, och uttryck av proteiner och receptorer, kan visualiseras och kvantifieras².

Även om flera radiotracers har utvecklats, valideras, och används i klinisk praxis, är den radioaktiva glukos ^{analoga 18}F-fluorodeoxyglucose (FDG) den mest använda radiotracer i klinisk praxis. Med tanke på att FDG huvudsakligen ackumuleras i celler med en förhöjd glykolytisk hastighet (dvs. celler med förhöjt glukosupptag och omvandling till pyruvat för energiproduktion), är det möjligt att diskriminera vävnader med olika metaboliska tillstånd. I likhet med glukos, det första steget i FDG upptag är transport från extra-cellulära utrymmet över plasmamembranet till intra-cellulära utrymmet, som underlättas av glukos transportörer (GLUT)³. När FDG är i intra-cellulära utrymmet, fosforylering av hexokinaser kommer att resultera i generering av FDG-6-fosfat. I motsats till glukos-6-fosfat kan dock FDG-6-fosfat inte komma in i Krebs-cykeln för ytterligare aerob dissimilation på grund av frånvaron av en hydroxyl (OH) grupp vid den andra (2′) kolpositionen. Med tanke på att den omvända reaktionen, defosforylering av FDG-6-fosfat tillbaka till FDG, förekommer knappast i de flesta vävnader, fdg-6-fosfat är fångade intracellularly³. Därför är graden av FDG-upptag beroende av uttrycket av gluten (i synnerhet GLUT1 och GLUT3) på plasmamembranet, och den intracellulära enzymatiska aktiviteten hos hexokinaser. Begreppet detta kontinuerliga upptag och fångst av FDG kallas metabolisk svällning. Det faktum att FDG företrädesvis ackumuleras i vävnader med en förhöjd metabolisk aktivitet visas i figur 1a, som visar den fysiologiska fördelningen av FDG hos en patient. Denna FDG-PET bild visar högre upptag i hjärta, hjärna och lever vävnader, som är kända för att vara metaboliskt aktiva organ under normala förhållanden.

Den höga känsligheten för att upptäcka skillnader i vävnadernas metaboliska tillstånd gör FDG till en utmärkt radiotracer för att diskriminera normala från sjuka vävnader, med tanke på att en förändrad metabolism är ett viktigt kännetecken för många sjukdomar. Detta är lätt skildras i figur 1b, som visar en FDG-PET bild av en patient med steg IV icke-småcellig lungcancer (NSCLC). det är ökat upptag i den primära tumören samt i ögonbevarande skador. Förutom visualisering spelar kvantifiering av radiotracer upptag en viktig roll i klinisk hantering av patienter. Kvantitativa index som härrör från PET-bilder som återspeglar graden av radiotracer upptagning, såsom det standardiserade upptagningsvärdet (SUV), metaboliska volymer och total lesion glykolys (TLG), kan användas för att ge viktig prognostisk information och mäta behandlingssvar för olika patientgrupper^4,5,6. I detta avseende är FDG-PET imaging alltmer används för att personifiera strålbehandling och systemisk behandling i onkologi patienter⁷. Vidare har användningen av FDG-PET för övervakning av akut behandling inducerad toxicitet, såsom strålning inducerad esofagit⁸, pneumonitis^{9 och} systemiska inflammatoriska^{svar 10}, beskrivits och ger viktig information för att göra bild-guidad behandling beslut.

Med tanke på den viktiga roll som PET för klinisk hantering av patienter, bildkvalitet och kvantitativ noggrannhet är viktigt för lämpligt vägledande behandling beslut baserat på PET-bilder. Det finns dock många tekniska faktorer som kan äventyra kvantitativ noggrannhet av PET-bilder¹¹. En viktig faktor som kan påverka bildkvantifieringen i PET väsentligt är relaterad till de längre förvärvstiderna för PET jämfört med andra radiologiska bildhanteringsmodaliteter, typiskt flera minuter per bäddposition. Som en konsekvens av detta instrueras patienter vanligtvis att andas fritt under PET-bildbehandling. Resultatet är att PET-bilder lider av andningsinducerad rörelse, vilket kan leda till betydande oskärpa av organ som ligger i bröstkorgen och övre delen av buken. Denna andningsinducerad rörelse oskärpa kan avsevärt försämra tillräcklig visualisering och kvantitativ noggrannhet av radiotracer upptag, som kan påverka klinisk hantering av patienter när du använder PET-bilder för diagnos och mellanlagring, målvolym definition för strålningsbehandling planering tillämpningar, och övervakning av terapi svar¹².

Flera andningsorganen metoder har utvecklats i ett försök att korrigera PET-bilder för respiratoriska rörelse artefakter¹³. Dessa metoder kan kategoriseras i prospektiva, retrospektiva och datadrivna gating-strategier. Prospektiv och retrospektiv andningsgrektionsteknik förlitar sig vanligtvis på förvärvet av en respiratorisk surrogatsignal under PET-bildbehandling¹⁴. Dessa respiratoriska surrogatsignaler används för att spåra och övervaka patientens andningscykel. Exempel på respiratoriska spårningsanordningar är detektion av bröstet väggutflykt med hjälp av^{trycksensorer 12} eller optiska spårningssystem (t.ex., videokameror)¹⁵, termoelement för att mäta temperaturen på andades luft¹⁶, och spirometers för att mäta luftflöde och därigenom indirekt uppskatta volymförändringar i patientens lungor¹⁷.

Respiratorisk gating är därefter typisk fulländat vid fortlöpande och samtidigt inspelning som en surrogat signalerar (designerat S(t)), med PET-datan under avbildar förvärvet. Med hjälp av den surrogatsignal som förvärvats kan PET-data som motsvarar en viss andningsfas eller amplitudintervall (amplitudbaserad gating)^{väljas 12,13,18}. Fasbaserad gating utförs genom att varje andningscykel delas upp i ett fast antal grindar, som avbildas i figur 2a. Respiratorisk gating utförs sedan genom att välja data som förvärvats vid en viss fas under patientens andningscykeln som ska användas för bildrekonstruktion. På samma sätt förlitar sig amplitudbaserad gating på att definiera ett amplitudområde av andningssignalen, som visas i figur 2b. När värdet på andningssignalen faller inom det inställda amplitudområdet kommer motsvarande PET-listmodedata att användas för bildrekonstruktion. För retrospektiva gating-tillvägagångssätt samlas alla data in och åter binning av PET-data utförs efter bildförvärv. Även blivande respiratoriska gating metoder använder samma begrepp som retrospektiva gating tillvägagångssätt för re-binning av PET-data, dessa metoder är beroende av att samla in data prospektivt under bild förvärv. När en tillräcklig mängd PET-data samlas in kommer bildanskaffning att slutföras. Svårigheten med sådana prospektiva och retrospektiva gating metoder är att upprätthålla acceptabel bildkvalitet utan att avsevärt förlänga bild förvärvstider när oregelbunden andning^{inträffar 13}. I detta avseende är fasbaserade metoder för andningsutföring särskilt känsliga för oregelbundna^{andningsmönster 13,19}, där betydande mängder PET-data kan kasseras på grund av att olämpliga triggers avvisas, vilket leder till avsevärd minskning av bildkvaliteten eller oacceptabel förlängd bildanskaffningstid. Dessutom, när olämpliga triggers accepteras, kan prestandan hos andningsgreringsalgoritmen och därigenom effektiviteten av rörelseavvisning från PET-bilderna minskas på grund av att andningsgrindar definieras vid olika faser av andningscykeln, såsom den avbildas i figur 2a. Det har faktiskt rapporterats att amplitudbaserad andningsgreing är stabilare än fasbaserade tillvägagångssätt vid oegentligheter i andningssignalen¹³. Även amplitud-baserade respiratoriska gating algoritmer är mer robust i närvaro av oregelbundna andningsfrekvenser, dessa algoritmer är mer känsliga för baslinjen drivande av luftvägarna signalen. Drifting av baslinjen signalen kan uppstå på grund av talrika skäl när patientens muskelspänning (dvs, övergång av en patient i en mer avslappnad tillstånd under bild förvärv) eller andningsmönster förändringar. För att förhindra sådan baslinjedrift av signalen bör man se till att säkert fästa spårningssensorer på patienten och utföra regelbunden övervakning av andningssignalen.

Även om dessa problem är kända, traditionella respiratoriska gating algoritmer endast tillåta begränsad kontroll över bildkvalitet och kräver vanligtvis betydande förlängning av bild förvärvstid eller ökade mängder radiotracer som skall administreras till patienten. Dessa faktorer resulterade i begränsad antagande av sådana protokoll i klinisk rutin. För att kringgå dessa problem relaterade till den varierande kvaliteten på de respiratoriska gated-bilderna , har en specifik typ av amplitudbaserad gating-algoritm, även kallad optimal respiratorisk gating (ORG) föreslagits¹⁸. Andningsskydd gating med ORG tillåter användaren att ange bildkvaliteten på de respiratoriska gated bilder genom att tillhandahålla en tull cykel som ingång till algoritmen. Tullcykeln definieras som en procentandel av de förvärvade PET-list-mode-data som används för bildrekonstruktion. I motsats till många andra andningsorganen gating algoritmer, detta begrepp tillåter användaren att direkt bestämma bildkvaliteten av de rekonstruerade PET-bilder. Baserat på den tjänstgöringscykel som anges beräknas ett optimalt amplitudintervall, som tar hänsyn till hela respiratoriska surrogatsignalens specifika egenskaper¹⁸. Det optimala amplitudintervallet för en specifik tullcykel kommer att beräknas genom att man börjar med ett urval av olika värden för den nedre amplitudgränsen, angiven (L), av andningssignalen. För varje vald nedre gräns justeras den övre amplitudgränsen, betecknad (U), på ett sådant sätt att summan av de valda PET-data, definierad som data som förvärvats när andningssignalen faller inom amplitudens intervall (L<S(t)<U), är lika med den angivna tullcykeln. Till exempel, för en tullcykel på 50% och sex minuter av förvärvade PET listmode data, amplituden sortimentet är anpassad för att inkludera tre minuter (50%) av PET-data. Det optimala amplitudområdet (W) definieras som det minsta amplitudintervall som används för andningsutgrävande som fortfarande innehåller den erforderliga mängden PET-data (dvs. ArgMax([U–L])), som avbildas i figur 2c¹². Genom att ange tjänstgöringscykel gör användaren således en avvägning mellan mängden buller och graden av reströrelse som är bosatt i ORG PET-bilderna. Sänka tullcykeln kommer att öka mängden buller, men detta kommer också att minska mängden kvarvarande rörelse i PET-bilder (och vice versa). Även om begreppen och effekterna av ORG har beskrivits i tidigare rapporter, är syftet med detta manuskript att ge kliniker med detaljer om de specifika protokollen när du använder ORG i klinisk praxis. Därför beskrivs användningen av ORG i ett kliniskt bildbehandlingsprotokoll. Flera praktiska aspekter, inklusive patientförberedelser, bildanskaffning och återuppbyggnadsprotokoll kommer att tillhandahållas. Vidare kommer manuskriptet att omfatta användargränssnittet för PROGRAMVARAN ORG och specifika val som kan göras vid utförande av andningsgreing under PET-avbildning. Slutligen diskuteras effekten av ORG på lesion detectability och bildkvantifiering, som visas i tidigare studier.

Protocol

Alla förfaranden som utfördes med mänskliga deltagare var i enlighet med de etiska normerna i den interna granskningsnämnden (IRB) vid Radboud university medical center och med 1964 års Helsingforsdeklaration och dess senare ändringar eller jämförbara etiska normer. ORG-algoritmen är en leverantörsspecifik produkt och finns på Siemens Biograph mCT PET/CT-skannerfamiljen och nyare PET/CT-modeller. 1. Förberedelser för patienten Patient anamnes Kontrollera patiente…

Representative Results

Användningen av ORG i PET resulterar i en övergripande minskning av respiratorisk-inducerad oskärpa av bilderna. Till exempel, i en klinisk utvärdering av patienter med icke-småcellig lungcancer (NSCLC), ledde ORG i detektering av fler pulmonell lesioner och hilar/mediastinal lymfkörtlar20. Detta är lätt påvisas i figur 8 och figur 9, visar icke-gated och ORG PET bilder av patienter med NSCLC. I synner…

Discussion

Inom den nukleära medicinen samfundet, de försämrade effekterna av respiratoriska rörelse artefakter i PET-imaging har varit väl erkända under en lång tid. Det har visat sig i många studier att den suddiga effekten av respiratoriska rörelseartefakter kan avsevärt påverka bildkvantifiering och lesionsdetekterbarhet. Även om flera respiratoriska gating metoder har utvecklats, är andningsorganen gating närvarande inte används i stor utsträckning i klinisk praxis. Detta beror särskilt på en resulterande var…

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