Quantitative [18F]-Naf-PET-MRI-Analyse zur Bewertung des dynamischen Knochenumsatzes bei Patienten mit facetogenen Rückenschmerzen
Summary
Bildgebende Verfahren, die den dynamischen Knochenumsatz widerspiegeln, können bei der Charakterisierung einer Vielzahl von Knochenpathologien helfen. Wir präsentieren detaillierte Methoden zur Durchführung und Analyse dynamischer [18F]-NaF-PET-MRT-Daten bei Patienten mit facetogenen Rückenschmerzen unter Verwendung der Lendenfacetgelenke als prototypische Interessensregion.
Abstract
Bildgebende Verfahren, die den dynamischen Knochenumsatz widerspiegeln, können bei der Charakterisierung einer Vielzahl von Knochenpathologien helfen. Knochen ist ein dynamisches Gewebe, das sich kontinuierlich umgestaltet, mit der konkurrierenden Aktivität von Osteoblasten, die die neue Knochenmatrix produzieren, und Osteoklasten, deren Funktion darin besteht, mineralisierte Knochen zu beseitigen. [18F]-NaF ist ein Pet-Radiotracer (Positronemission Tomography), der die Visualisierung des Knochenstoffwechsels ermöglicht. [18F]-NaF wird in der Knochenmatrix durch Osteoblasten chemisch in Hydroxyapatit aufgenommen und kann somit nichtinvasiv osteoblastische Aktivität erkennen, die bei herkömmlichen bildgebenden Verfahren okkult ist. Die kinetische Modellierung dynamischer [18F]-NaF-PET-Daten liefert detaillierte quantitative Messgrößen für den Knochenstoffwechsel. Herkömmliche semiquantitative PET-Daten, die standardisierte Aufnahmewerte (SUVs) als Maß für die Radiotracer-Aktivität verwenden, werden aufgrund ihrer Momentaufnahme der Traceraufnahme in der Zeit als statische Technik bezeichnet. Die kinetische Modellierung nutzt jedoch dynamische Bilddaten, bei denen Tracerebenen kontinuierlich erfasst werden, um eine zeitliche Auflösung der Traceraufnahme zu bieten. Aus der kinetischen Modellierung dynamischer Daten können quantitative Werte wie Blutfluss und Stoffwechselrate (d.h. potenziell informative Metriken der Tracerdynamik) extrahiert werden, alles in Bezug auf die gemessene Aktivität in den Bilddaten. In Kombination mit der dualen Modalität PET-MRT können regionsspezifische kinetische Daten mit anatomisch registrierten hochauflösenden strukturellen und pathologischen Informationen korreliert werden, die durch MRT zur Seite gelegt werden. Das Ziel dieses methodischen Manuskripts ist es, detaillierte Techniken zur Durchführung und Analyse dynamischer [18F]-NaF-PET-MRT-Daten zu skizzieren. Das Lendengelenk ist ein häufiger Ort der degenerativen Arthritis-Krankheit und eine häufige Ursache für axiale Rückenschmerzen. Neuere Studien deuten darauf hin, dass [18F]-NaF-PET als nützlicher Biomarker für schmerzhafte facetogene Krankheiten dienen kann. Das menschliche Lendengelenk wird daher als prototypische Interessensregion für die dynamische [18F]-NaF-PET-MRI-Analyse in diesem Manuskript verwendet.
Introduction
Standard-klinische bildgebende Verfahren der Knochenpathologie beschränken sich in erster Linie auf die Charakterisierung struktureller Veränderungen, die unspezifisch sein können. Zum Beispiel können asymptomatische morphologische Anomalien im Zusammenhang mit der normalen Alterung nicht von degenerativen Veränderungen zu unterscheiden sein, die für starke Schmerzen und Behinderung verantwortlich sind1. Knochen ist ein dynamisches Gewebe, das sich kontinuierlich umgestaltet, mit der konkurrierenden Aktivität von Osteoblasten, die die neue Knochenmatrix produzieren, und Osteoklasten, deren Funktion darin besteht, mineralisierte Knochen zu beseitigen2. [18F]-NaF ist ein Pet-Radiotracer (Positronemission Tomography), der die Visualisierung des Knochengewebestoffwechsels ermöglicht. [18F]-NaF wird durch Osteoblasten chemisch in Hydroxyapatit in der Knochenmatrix absorbiert und kann somit osteoblastische Aktivität nicht invasiv erkennen und so einen Stoffwechselprozess erkennen, der bei herkömmlichen bildgebenden Verfahren okkult ist. Als Ergebnis, [18F]-NaF wurde zur Charakterisierung der Knochenpathologie in einer zunehmenden Anzahl von Knochenerkrankungen einschließlich Neoplasmen, entzündliche, und degenerative Erkrankungen der Knochen und Gelenke3,4,5 .
PET-Daten werden am häufigsten semiquantitativ analysiert, was in der klinischen Routinepraxis mit standardisierten Aufnahmewerten (SUVs) problemlos durchgeführt werden kann. Als Metrik sind SUVs für Ärzte nützlich, da sie die Gewebeaufnahme im Vergleich zum Rest des Körpers darstellen6. Werte aus nachfolgenden Scans können verwendet werden, um Veränderungen der Aufnahme infolge der Behandlung oder des Krankheitsverlaufs zu beobachten. Die numerische Natur von SUVs hilft auch im Vergleich zwischen Patienten und aufeinanderfolgenden Scans bei demselben Patienten. Der Algorithmus zur Berechnung von SUVs, Gleichung 1, geht davon aus, dass der Tracer gleichmäßig über den Körper verteilt ist und dass die schlanke Körpermasse das gesamte Körpervolumen genau darstellt. SuVs sind daher eine semiquantitative Messung. Für eine bestimmte Region von Interesse (ROI), SUVmax (der maximale SUV-Wert innerhalb eines ROI) undSUV-Mittelwert (der Mittelwert aller abgetasteten SUVs innerhalb eines ROI) sind häufig SUV-Metriken in der klinischen Praxis6verwendet.
Die kinetische Modellierung dynamischer PET-Daten kann auch für detailliertere quantitative Analysen durchgeführt werden. Während die SUV-Datenerfassung statisch ist, nutzt die kinetische Modellierung dynamische Bilddaten, bei denen kontinuierlich Tracer-Ebenen erfasst werden, die eine zeitliche Dimension bieten. Aus der komplexeren kinetischen Modellierung dynamischer Daten können quantitative Werte und informative Metriken der Tracerdynamik in Bezug auf die gemessene Aktivität in den Bilddaten extrahiert werden. Abbildung 17zeigt ein Mustermodell für zwei Gewebefächer, das für die dynamische kinetische Modellierung verwendet wird. Cp ist die Konzentration des Tracers im Blutplasma, während Ce und Ct die Konzentration im ungebundenen interstitiellen Raum bzw. gebundenen Tracer in der Zielknochenmatrix darstellen. K1, k2, k3, k4, sind 4 Rate-Parameter, die das kinetische Modell für Tracer-Ein-/Auswaschen und Binden beschreiben. K1 beschreibt den Tracer, der vom arteriellen Plasma in den interstitiellen Raum (Ct) aufgenommen wird, k2 beschreibt den Bruchteil des Tracers, der vom interstitiellen Raum zum Plasma zurückdiffusiver, k3 beschreibt den Tracer, der sich von interstitielle (Ce) Raum zu Knochen (Ct), und k4 beschreibt den Tracer, der sich vom Knochen (Ct) zurück zum interstitiellen Raum (Ce) bewegt.
Abbildung 1 . Ein Beispielmodell für zwei Gewebefächer für die dynamische kinetische Modellierung. Cp ist die Tracerkonzentration im Blutplasmakompartiment, die Ce freie und nicht spezifisch gebundene Tracerkonzentration im Gewebe und diespeziell gebundene Tracerkonzentration im Gewebe. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Das kinetische Modell Patlak erzeugt Ki_Patlak als Maß für die Radiotracer-Zuflussrate (mL/ccm/min, kubisch cm = ccm) aus dem Blutpool in die Knochenmatrix. Die Tracerzuflussrate vom Blutpool zur Knochenmatrix kann dann mit Gleichung 2 und Gleichung 3 für Ki_Patlak bzw. Ki_NonLinear berechnet werden. Ki_Patlak und Ki_NonLinear sind die Raten, bei denen [18F]-NaF den arteriellen Blutpool verlässt und irreversibel an eine subsiteknochenmatrix bindet, mit den beiden Modellen. Ein Unterschied zwischen dem Patlak- und dem nichtlinearen kinetischen Modell liegt in der Nutzung der dynamischen Daten. Das Patlak-Modell erfordert das Erreichen des Gleichgewichts und berechnet dann die Zuflussrate aus der etablierten linearen Steigung. Das kinetische Modell Patlak erzeugt Ki_Patlak Zuflussraten, indem eine 24-minütige Zeit verwendet wird, um den Plasmapool Cpzum ungebundenen Pool Cuzu ausgrenzen. Die 24-Minuten-Zeit kann sich je nach der für alle Unterwebsites gefundenen Zeit ändern, um eine Gleichgewichtsmöglichkeit mit dem Plasmapool in der Probe zu erreichen. Das rechenintensivere nichtlineare Modell verwendet die Gesamtheit der Zeitdaten, um eine Kurve anzupassen.
Das Ziel dieses methodischen Manuskripts ist es, detaillierte Techniken zur Durchführung dynamischer [18F]-NaF-PET-MRT zu skizzieren. Das Lendengelenk ist ein häufiger Ort der degenerativen Arthritis-Krankheit und eine häufige Ursache für axiale Rückenschmerzen8. Neuere Studien deuten darauf hin, dass [18F]-NaF-PET-MRI als nützlicher Biomarker für schmerzhafte gesichtstogeneKrankheiten9 dienen kann. Die menschlichen Lendengelenke eines einzelnen Patienten mit facetogenen Rückenschmerzen werden somit als prototypischer ROI für die dynamische [18F]-NaF-PET-MRI-Analyse analysiert.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem methodischen Manuskript haben wir Hintergrundinformationen zum potenziellen Nutzen von dynamischem [18F]-NaF-PET-MRT zur Bewertung einer Vielzahl von Knochenpathologien geliefert und die Techniken für dynamisches [18F]-NaF-PET-MRI-Bild skizziert. Erfassung und Analyse unter Verwendung der menschlichen Lendengelenke als prototypische Interessengebiete. Die duale Modalität PET-MRT ermöglicht die Erfassung dynamischer PET-Daten über einen Zeitraum, der dem für die MR-Datenerfassung allei…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forschungsunterstützung wurde von NIH P50AR060752 und GE Healthcare geleistet. Wir möchten die Unterstützung von Vahid Ravanfar würdigen.
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).
