تحليل كمي [18F]-NAF-PET-MRI لتقييم دوران العظام الديناميكية في مريض يعاني من آلام الظهر المنخفضة في Facetogenic
Summary
تقنيات التصوير التي تعكس دوران العظام الديناميكية قد تساعد في وصف مجموعة واسعة من أمراض العظام. نقدم منهجيات مفصلة لأداء وتحليل البيانات الديناميكية [18F]-NaF-PET-MRI في مريض يعاني من آلام في الظهر منخفضة الوجه باستخدام مفاصل الوجه القطني كمنطقة نموذجية للاهتمام.
Abstract
تقنيات التصوير التي تعكس دوران العظام الديناميكية قد تساعد في وصف مجموعة واسعة من أمراض العظام. العظام هي نسيج ديناميكي يخضع لإعادة عرض مستمرة مع النشاط المتنافسة من osteoblasts، والتي تنتج مصفوفة العظام الجديدة، وosteoclasts، الذي وظيفته هو القضاء على العظام المعدنية. [18F]-NaF هو التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) المتتبع الإشعاعي الذي يتيح التصور من استقلاب العظام. [18F]-NaF يتم امتصاصه كيميائيا في هيدروكسيباتيت في مصفوفة العظام من قبل osteoblasts وبالتالي يمكن الكشف عن النشاط العظمي غير الغازية، وهو غامض لتقنيات التصوير التقليدية. النمذجة الحركية للبيانات الديناميكية [18F]-NaF-PET توفر مقاييس كمية مفصلة لعملية التمثيل الغذائي للعظام. يشار إلى بيانات PET شبه الكمية التقليدية، التي تستخدم قيم الإنقباط الموحدة (سيارات الدفع الرباعي) كمقياس لنشاط التتبع الإشعاعي، على أنها تقنية ثابتة بسبب لقطة من التتبع في الوقت المناسب. النمذجة الحركية، ومع ذلك، يستخدم بيانات الصورة الديناميكية حيث يتم الحصول على مستويات التتبع باستمرار توفير الدقة الزمنية التتبع. من النمذجة الحركية للبيانات الديناميكية، يمكن استخراج القيم الكمية مثل تدفق الدم ومعدل التمثيل الغذائي (أي المقاييس التي يحتمل أن تكون مفيدة لديناميات التتبع)، كل ذلك فيما يتعلق بالنشاط المقاس في بيانات الصورة. وعند الجمع بين طريقة التصوير بالرنين المغناطيسي PET-MRI المزدوجة، يمكن ربط البيانات الحركية الخاصة بالمنطقة بالمعلومات الهيكلية والمرضية العالية الاستبانة المسجلة تشريحياً التي يوفرها التصوير بالرنين المغناطيسي. الهدف من هذه المخطوطة المنهجية هو تحديد التقنيات التفصيلية لأداء وتحليل البيانات الديناميكية [18F]-NaF-PET-MRI. المفصل الوجه القطني هو موقع شائع لمرض التهاب المفاصل التنكسي وسبب شائع لآلام أسفل الظهر المحورية. تشير الدراسات الحديثة إلى [18F]-NaF-PET قد تكون بمثابة علامة حيوية مفيدة لمرض الوجه المؤلم. وبالتالي، سيتم استخدام مفصل الوجه القطني البشري كمنطقة نموذجية ذات أهمية للتحليل الديناميكي [18F]-NaF-PET-MRI في هذه المخطوطة.
Introduction
تقنيات التصوير السريري القياسية لأمراض العظام تقتصر في المقام الأول على وصف التغيرات الهيكلية، والتي يمكن أن تكون غير محددة. على سبيل المثال، قد تكون التشوهات المورفولوجية عديمة الأعراض المرتبطة بالشيخوخة الطبيعية لا يمكن تمييزها عن التعديلات التنكسية المسؤولة عن الألم الشديد والعجز1. العظام هي الأنسجة الديناميكية التي تخضع لإعادة عرض مستمر مع النشاط المتنافسة من osteoblasts، والتي تنتج مصفوفة العظام الجديدة، وosteoclasts، الذي وظيفته هو القضاء على العظام المعدنية2. [18F]-NaF هو التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) المتتبع الإشعاعي الذي يتيح التصور من استقلاب أنسجة العظام. [18F]-NaF يتم امتصاصها كيميائيا في هيدروكسيباتيت في مصفوفة العظام من قبل osteoblasts وبالتالي يمكن الكشف عن النشاط العظمي غير الغازية، وبالتالي الكشف عن عملية التمثيل الغذائي الذي هو غامض لتقنيات التصوير التقليدية. ونتيجة لذلك،[18F]-NaF وقد استخدمت لوصف أمراض العظام في عدد متزايد من اضطرابات العظام بما في ذلك الأورام، والالتهابات، والأمراض التنكسية للعظام والمفاصل3،4،5 .
يتم تحليل بيانات PET الأكثر شيوعًا بطريقة شبه كمية، والتي يمكن إجراؤها بسهولة في الممارسة السريرية الروتينية مع قيم الإنتصاق الموحدة (سيارات الدفع الرباعي). كمقياس, سيارات الدفع الرباعي مفيدة للأطباء لأنها تمثل الأنسجة المنسوب نسبة إلى بقية الجسم6. يمكن استخدام القيم الناتجة عن عمليات المسح اللاحقة لمراقبة التغيرات في التناول نتيجة للعلاج أو تطور المرض. الطبيعة العددية لسيارات الدفع الرباعي يساعد أيضا بالمقارنة بين المرضى وبين عمليات المسح المتعاقبة في نفس المريض. الخوارزمية المستخدمة لحساب سيارات الدفع الرباعي, المعادلة 1, يجعل افتراض أن التتبع يتم توزيعها بالتساوي في جميع أنحاء الجسم وأن كتلة الجسم الهزيل يمثل بدقة حجم الجسم كله. وعلى هذا النحو، فإن سيارات الدفع الرباعي هي قياس شبه كمي. لمنطقة معينة من الفائدة (ROI), سيارات الدفع الرباعيماكس (الحد الأقصى لقيمة سيارات الدفع الرباعي داخل عائد الاستثمار), ومتوسطسيارات الدفع الرباعي (متوسط جميع سيارات الدفع الرباعي عينة داخل عائد الاستثمار) هي مقاييس سيارات الدفع الرباعي شائعة الاستخدام في الممارسة السريرية6.
كما يمكن إجراء النمذجة الحركية لبيانات PET الديناميكية لإجراء تحليل كمي أكثر تفصيلاً. في حين أن الحصول على بيانات سيارات الدفع الرباعي ثابت، فإن النمذجة الحركية تستخدم بيانات الصورة الديناميكية حيث يتم الحصول باستمرار على مستويات التتبع مما يوفر بعداً زمنياً. من النمذجة الحركية الأكثر تعقيدا للبيانات الديناميكية، يمكن استخراج القيم الكمية والمقاييس الإعلامية لديناميات التتبع فيما يتعلق بالنشاط المقاس في بيانات الصورة. ويرد في الشكل 17نموذج عينة من اثنين من الأنسجة مقصورة تستخدم للنمذجة الحركية الديناميكية. Cع هو تركيز التتبع في بلازما الدم في حين أن Ce و Ct تمثل التركيز في الفضاء الخلالي غير المنضم والتتبع ملزمة في مصفوفة العظام المستهدفة على التوالي. K1, k2,k3,k4, هي 4 معلمات معدل التي تصف النموذج الحركي لغسل التتبع في / خارج وملزمة. K1 يصف التتبع التي اتخذت من البلازما الشريانية في الفضاء الخلالي (Ct)،ك2 يصف جزء من التتبع الذي ينتشر مرة أخرى من الفضاء الخلالي إلى البلازما، ك3 يصف التتبع الذي يتحرك من الخلالي (Cه) الفضاء إلى العظام (Cر)،وك4 يصف التتبع الذي يتحرك من العظام (Cر)مرة أخرى إلى الفضاء الخلالي (Cه).
الشكل 1 . نموذج مقصورة من نسيجين نموذج للنمذجة الحركية الديناميكية. Cp هو تركيز التتبع في مقصورة بلازما الدم، Cه الحرة وغير ملزمة على وجه التحديد تركيز التتبع في الأنسجة، وCر تركيز التتبع ملزمة على وجه التحديد في الأنسجة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
ينتج نموذج Patlak الحركي Ki_Patlak كمقياس لمعدل تدفق المتتبع الإشعاعي (مل/سنتيمتر/دقيقة، سم مكعب = سنتيمتر مكعب) من بركة الدم إلى مصفوفة العظام. ويمكن بعد ذلك حساب معدل تدفق التتبع من تجمع الدم إلى مصفوفة العظام باستخدام المعادلة 2 والمعادلة 3 لKi_Patlak و Ki_NonLinear على التوالي. Ki_Patlak و Ki_NonLinear هي المعدلات التي [18F]-NaF يترك تجمع الدم الشرياني ويربط لا رجعة فيه إلى مصفوفة العظام الموقع الفرعي، وذلك باستخدام النموذجين على التوالي. الفرق بين نموذج Patlak والحركية غير الخطية هو في استخدامها للبيانات الديناميكية. ويتطلب نموذج باتلاك تحقيق التوازن ثم يحسب معدل التدفق من المنحدر الخطي المحدد. نموذج الحركية Patlak تنتج Ki_Patlak معدلات التدفق, باستخدام 24 دقيقة الوقت لequilib من تجمع البلازما, Cع, إلى بركة غير منضم, Cش. يمكن أن يتغير الوقت 24 دقيقة اعتمادا على الوقت الذي تم العثور عليه لجميع المواقع الفرعية للوصول إلى التوازن مع تجمع البلازما في العينة. ويستخدم النموذج غير الخطي الأكثر صرامة من الناحية الحسابية كامل البيانات الزمنية لاحتواء منحنى.
الهدف من هذه المخطوطة المنهجية هو تحديد التقنيات التفصيلية لأداء ديناميكية [18F]-NaF-PET-MRI. المفصل الوجه القطني هو موقع شائع لمرض التهاب المفاصل التنكسي وسبب شائع لآلام أسفل الظهر المحورية8. تشير الدراسات الحديثة [18F]-NaF-PET-MRI قد تكون بمثابة علامة حيوية مفيدة لمرض الوجه المؤلم9. وبالتالي سيتم تحليل مفاصل الوجه القطني البشري من مريض واحد يعاني من آلام في الظهر المنخفضة في facetogenic كعائد استثمار نموذجي لتحليل ديناميكي [18F]-NaF-PET-MRI.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه المخطوطة المنهجية، قدمنا معلومات أساسية عن الفائدة المحتملة للدينامية [18F]-NaF-PET-MRI لتقييم مجموعة واسعة من أمراض العظام، وأوجزنا تقنيات الصورة الديناميكية [18F]-NaF-PET-MRI الحصول على وتحليل باستخدام المفاصل الوجه القطني البشري كمناطق نموذجية ذات أهمية. تتيح الطريقة المزدوجة PET…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تقديم الدعم البحثي من قبل المعاهد الوطنية للصحة P50AR060752 وجنرال إلكتريك للرعاية الصحية. ونود أن نعترف بالدعم الذي قدمه وحيد رافانفار.
Materials
| Gadolinium Contrast agent (Gadovist) | Bayer | na | 1.0mmol/ml solution for IV injection. |
| [18F]-NaF Radiotracer | na | na | 2.96 MBq/kg |
| GE Signa PET-MRI Scanner | General Electric | na | 3.0Tesla 60cm Bore PET-MRI scanner |
| PMOD Kinetic Modeling Software | PMOD Technologies, LLC | na | Version 3.8 |
References
- Brinjikji, W., et al. Systematic literature review of imaging features of spinal degeneration in asymptomatic populations. AJNR American Journal of Neuroradiology. 36 (4), 811-816 (2015).
- Binder, D. S., Nampiaparampil, D. E. The provocative lumbar facet joint. Current Reviews in Musculoskeletal Medicine. 2 (1), 15-24 (2009).
- Spick, C., et al. Detection of Bone Metastases Using 11C-Acetate PET in Patients with Prostate Cancer with Biochemical Recurrence. Anticancer Research. 35 (12), 6787-6791 (2015).
- Brans, B., et al. Assessment of bone graft incorporation by 18 F-fluoride positron-emission tomography/computed tomography in patients with persisting symptoms after posterior lumbar interbody fusion. EJNMMI Research. 2 (1), 42 (2012).
- Jadvar, H., et al. Prospective evaluation of 18F-NaF and 18F-FDG PET/CT in detection of occult metastatic disease in biochemical recurrence of prostate cancer. Clinical Nuclear Medicine. 37 (7), 637-643 (2012).
- Kinahan, P. E., Fletcher, J. W. Positron emission tomography-computed tomography standardized uptake values in clinical practice and assessing response to therapy. Seminars in Ultrasound, CT, and MR. 31 (6), 496-505 (2010).
- Hawkins, R. A., et al. Evaluation of the skeletal kinetics of fluorine-18-fluoride ion with PET. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Society of Nuclear Medicine. 33 (5), 633-642 (1992).
- Hancock, M. J., et al. Systematic review of tests to identify the disc, SIJ or facet joint as the source of low back pain. European Spine Journal: Official Publication of the European Spine Society, the European Spinal Deformity Society, and the European Section of the Cervical Spine Research Society. 16 (10), 1539-1550 (2007).
- Jenkins, N. W., et al. [18)F]-Sodium Fluoride PET MR-Based Localization and Quantification of Bone Turnover as a Biomarker for Facet Joint-Induced Disability. AJNR American Journal of Neuroradiology. 38 (10), 2028-2031 (2017).
- Czervionke, L. F., Fenton, D. S. Fat-saturated MR imaging in the detection of inflammatory facet arthropathy (facet synovitis) in the lumbar spine. Pain Medicine. 9 (4), 400-406 (2008).
- Phelps, M. E., et al. Tomographic measurement of local cerebral glucose metabolic rate in humans with (F-18)2-fluoro-2-deoxy-D-glucose: validation of method. Annals of Neurology. 6 (5), 371-388 (1979).
- Brenner, W., et al. Comparison of different quantitative approaches to 18F-fluoride PET scans. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Society of Nuclear Medicine. 45 (9), 1493-1500 (2004).
- Schellinger, D., et al. Facet joint disorders and their role in the production of back pain and sciatica. Radiographics: A Review Publication of the Radiological Society of North America, Inc. 7 (5), 923-944 (1987).
- Schett, G. Joint remodelling in inflammatory disease. Annals of the Rheumatic Diseases. 66, 42-44 (2007).
- Baum, R., Gravallese, E. M. Impact of inflammation on the osteoblast in rheumatic diseases. Current Osteoporosis Reports. 12 (1), 9-16 (2014).
