Håndtering af respiratoriske bevægelsesgenstande i 18F-fluorodeoxyglucose Positron Emission Tomografi ved hjælp af en Amplitude-baseret optimal respiratorisk gating algoritme

Summary

Amplitude-baserede optimale respiratoriske gating (ORG) effektivt fjerner respiratorisk-induceret bevægelse sløring fra ^{klinisk 18}F-fluorodeoxyglucose (FDG) positron emission tomografi (PET) billeder. Korrektion af FDG-PET-billeder for disse respiratoriske bevægelsesgenstande forbedrer billedkvaliteten, diagnosticeringen og den kvantitative nøjagtighed. Fjernelse af respiratoriske bevægelsesgenstande er vigtig for tilstrækkelig klinisk behandling af patienter, der bruger PET.

Abstract

Positron emissionstomografi (PET) kombineret med røntgen computertomografi (CT) er en vigtig molekylær billeddannelse platform, der er nødvendig for nøjagtig diagnose og klinisk iscenesættelse af en række sygdomme. Fordelen ved PET-billeddannelse er evnen til at visualisere og kvantificere et utal af biologiske processer in vivo med høj følsomhed og nøjagtighed. Der er dog flere faktorer, der bestemmer billedkvaliteten og den kvantitative nøjagtighed af PET-billeder. En af de vigtigste faktorer, der påvirker billedkvaliteten i PET-billedbehandling af brystkassen og øvre del af maven, er respiratorisk bevægelse, hvilket resulterer i respirationsinduceret bevægelsessløring af anatomiske strukturer. Korrektion af disse artefakter er nødvendig for at give optimal billedkvalitet og kvantitativ nøjagtighed af PET-billeder.

Der er udviklet flere respiratoriske gating-teknikker, som typisk er afhængige af anskaffelse af et luftsignal samtidig med PET-data. Baseret på det erhvervede åndedrætssignal udvælges PET-data til rekonstruktion af et bevægelsesfrit billede. Selv om disse metoder har vist sig effektivt at fjerne respiratoriske bevægelsesgenstande fra PET-billeder, er ydeevnen afhængig af kvaliteten af det luftigt signal, der erhverves. I denne undersøgelse diskuteres brugen af en amplitude-baseret optimal respiratorisk gating (ORG) algoritme. I modsætning til mange andre respiratoriske gating algoritmer, ORG tillader brugeren at have kontrol over billedkvaliteten versus mængden af afvist bevægelse i de rekonstruerede PET-billeder. Dette opnås ved at beregne et optimalt amplitudeområde baseret på det erhvervede surrogatsignal og en brugerspecificeret arbejdscyklus (procentdelen af PET-data, der anvendes til genopbygning af billedet). Det optimale amplitudeområde defineres som det mindste amplitudeområde, der stadig indeholder den mængde PET-data, der kræves til genopbygning af billedet. Det blev påvist, at ORG resulterer i effektiv fjernelse af respirationsinduceret billedsløring i PET-billeddannelse af brystkassen og øvre del af maven, hvilket resulterer i forbedret billedkvalitet og kvantitativ nøjagtighed.

Introduction

Positron Emission Tomography (PET) i kombination med røntgen-computertomografi (CT) er et bredt accepteret billedbehandlingsværktøj i klinisk praksis til nøjagtig diagnosticering og klinisk iscenesættelse af en række sygdomme¹. Fordelen ved PET-billeddannelse er evnen til at visualisere og kvantificere et utal af biologiske processer in vivo med høj følsomhed og nøjagtighed². Dette opnås ved intravenøst administration af et radioaktivt mærket stof, også kendt som en radiotracer, til patienten. Afhængigt af den anvendte radiotracer kan vævskarakteristika såsom glukosemetabolismen, celleprolifeær spredning, hypoxigrad, aminosyretransport og ekspression af proteiner og receptorer visualiseres og kvantificeres².

Selv om flere radiotracers er blevet udviklet, valideret, og anvendes i klinisk praksis, den radioaktive glukose ^{analog 18}F-fluorodeoxyglucose (FDG) er den mest udbredte radiotracer i klinisk praksis. Da FDG overvejende ophobes i celler med en forhøjet glykolytisk hastighed (dvs. celler med forhøjet glukoseoptagelse og konvertering til pyruvat til energiproduktion), er det muligt at diskriminere væv med forskellige metaboliske tilstande. Svarende til glukose, det første skridt i FDG optagelse er transport fra den ekstra-cellulære rum over plasmamembranen til intra-cellulære rum, som lettes af glukose transportører (GLUT)³. Når FDG er i det intracellulære rum, fosforylering af hexokinases vil resultere i generering af FDG-6-fosfat. I modsætning til glucose-6-fosfat kan FDG-6-fosfat imidlertid ikke trænge ind i Krebs-cyklussen med yderligere aerob dissimilation på grund af fraværet af en hydroxylgruppe (OH) ved den anden (2′) kulstofposition. I betragtning af, at den omvendte reaktion, dephosphorylation af FDG-6-fosfat tilbage til FDG, næppe forekommer i de fleste væv, FDG-6-fosfat er fanget intracellularly³. Derfor er graden af FDG optagelse afhængig af ekspressionen af GLUT (især GLUT1 og GLUT3) på plasmamembranen, og den intracellulære enzymatiske aktivitet hexokinases. Begrebet kontinuerlig optagelse og fældefangst af FDG kaldes metabolisk fældefangst. Det faktum, at FDG fortrinsvis ophobes i væv med en forhøjet metabolisk aktivitet er vist i figur 1a, der viser den fysiologiske fordeling af FDG hos en patient. Denne FDG-PET billede viser højere optagelse i hjerte, hjerne, og levervæv, som er kendt for at være metabolisk aktive organer under normale forhold.

Den høje følsomhed for påvisning af forskelle i vævs metaboliske tilstand gør FDG til en fremragende radiotracer til at diskriminere normalt fra syge væv, da et ændret stofskifte er et vigtigt kendetegn for mange sygdomme. Dette er let afbildet i figur 1b, viser en FDG-PET billede af en patient med fase IV ikke-småcellet lungekræft (NSCLC). Der er øget optagelse i den primære tumor samt i metastatiske læsioner. Ud over visualisering spiller kvantificering af optagelse af radiotracer en vigtig rolle i klinisk behandling af patienter. Kvantitative indekser, der er afledt af PET-billeder, der afspejler graden af optagelse af radiotracer, såsom den standardiserede optagelsesværdi (SUV), metaboliske volumener og total læsionsglykolyse (TLG), kan anvendes til at tilvejebringe vigtige prognostiske oplysninger og måle behandlingsrespons for forskellige patientgrupper^4,5,6. I denne forbindelse anvendes FDG-PET-billeddannelse i stigende grad til at personliggøre strålebehandling og systemisk behandling hos onkologiske patienter⁷. Endvidere er brugen af FDG-PET til overvågning af akut behandling induceret toksicitet, såsom stråling induceret esophagitis⁸, pneumonitis⁹ og systemiske inflammatoriske^{reaktioner 10}, blevet beskrevet og giver vigtige oplysninger til at træffe billedstyrede behandlingsbeslutninger.

I betragtning af PET’s vigtige rolle i forbindelse med klinisk behandling af patienter er billedkvalitet og kvantitativ nøjagtighed vigtig for passende vejledning af behandlingsbeslutninger baseret på PET-billeder. Der er dog mange tekniske faktorer, der kan kompromittere den kvantitative nøjagtighed af PET-billeder¹¹. En vigtig faktor, der i væsentlig grad kan påvirke billedkvantificeringen i PET, er relateret til pet’s længere anskaffelsestider sammenlignet med andre radiologiske billeddannelsesmosfærer, typisk flere minutter pr. sengeposition. Som følge heraf instrueres patienterne normalt i at ånde frit under PET-billeddannelse. Resultatet er, at PET-billeder lider af respiratorisk induceret bevægelse, hvilket kan føre til betydelig sløring af organer placeret i brystkassen og øvre del af maven. Denne respiratorisk-induceret bevægelse sløring kan i væsentlig grad forringe tilstrækkelig visualisering og kvantitativ nøjagtighed af radiotracer optagelse, som kan påvirke klinisk behandling af patienter, når du bruger PET-billeder til diagnose og iscenesættelse, mål volumen definition for strålebehandling planlægning applikationer, og overvågning af terapi respons¹².

Flere respiratoriske gating metoder er blevet udviklet i et forsøg på at korrigere PET-billeder til respiratoriske bevægelse artefakter¹³. Disse metoder kan kategoriseres i fremadrettede, retrospektive og datadrevne gating-strategier. Prospektive og retrospektive respiratoriske gating teknikker typisk stole på erhvervelse af en respiratorisk surrogat signal under PET imaging¹⁴. Disse respiratoriske surrogat signaler bruges til at spore og overvåge patientens respiratoriske cyklus. Eksempler på respiratoriske sporingsanordninger er detektion af brystvægudflugt^{ved hjælp af tryksensorer 12} eller optiske sporingssystemer (f.eks. videokameraer)¹⁵, termoelementer til måling af temperaturen af indåndet luft¹⁶og spirometre til måling af luftstrømmen og dermed indirekte estimering af volumenændringer i patientens^{lunger 17}.

Respiratoriske gating opnås derefter typisk ved kontinuerligt og samtidig at registrere et surrogatsignal (udpeget S(t)) med PET-data under billedopkøb. Ved hjælp af det indhøstede surrogatsignal kan PET-data, der svarer til et bestemt respiratorisk eller amplitudeområde (amplitudebaseret gating),^{vælges 12,13,18}. Fasebaseret gating udføres ved at opdele hver respiratorisk cyklus i et fast antal porte, som afbildet i figur 2a. Respiratoriske gating udføres derefter ved at vælge data erhvervet i en bestemt fase under patientens respiratoriske cyklus, der skal anvendes til billedrekonstruktion. På samme måde er amplitudebaseret gating afhængig af at definere et amplitudeområde for åndedrætssignalet, som vist i figur 2b. Når værdien af åndedrætssignalet falder inden for det indstillede amplitudeområde, vil de tilsvarende PET listmode-data blive anvendt til rekonstruktion af billedet. For retrospektive gating-metoder indsamles alle data, og genspanering af PET-dataene udføres efter billederhvervelse. Selv om prospektive respiratoriske gatingmetoder anvender de samme begreber som retrospektive gatingmetoder til genspanering af PET-data, er disse metoder afhængige af at indsamle data fremadrettet under erhvervelsen af billedet. Når der indsamles en tilstrækkelig mængde PET-data, vil billederhvervelsen blive afsluttet. Vanskeligheden ved sådanne fremadrettede og retrospektive gating tilgange er at opretholde acceptabel billedkvalitet uden væsentligt at forlænge billedet erhvervelse gange, når uregelmæssig vejrtrækning^{opstår 13}. I den forbindelse er fasebaserede respiratoriske metoder særligt følsomme over for uregelmæssige vejrtrækningsmønstre^13,19, hvor betydelige mængder PET-data kan kasseres på grund af afvisning af uhensigtsmæssige udløsere, hvilket resulterer i en betydelig reduktion af billedkvaliteten eller uacceptabel forlængelse af billedopkøbstiden. Når uhensigtsmæssige udløsere accepteres, kan respiratorisk gatingalgoritmens ydeevne og dermed effektiviteten af bevægelsesafvisning fra PET-billederne desuden reduceres, fordi respiratoriske porte er defineret i forskellige faser af respiratorisk cyklus, som afbildet i figur 2a. Det er faktisk blevet rapporteret, at amplitude-baserede respiratoriske gating er mere stabil end fase-baserede tilgange i tilfælde af uregelmæssigheder i åndedrætssignal¹³. Selvom amplitude-baserede respiratoriske gating algoritmer er mere robust i overværelse af uregelmæssige vejrtrækning frekvenser, disse algoritmer er mere følsomme over for baseline drifting af åndedrætssignalet. Drifting af baseline signalet kan forekomme på grund af mange årsager, når patientens muskelspændinger (dvs. overgang af en patient til en mere afslappet tilstand under erhvervelse af billedet) eller vejrtrækning mønster ændringer. For at forhindre en sådan baseline drifting af signalet, bør der gøres en sikker omhu for at fastgøre sporingssensorer til patienten og udføre regelmæssig overvågning af åndedrætssignalet.

Selv om disse problemer er kendt, traditionelle respiratoriske gating algoritmer kun tillade begrænset kontrol over billedkvaliteten og kræver normalt betydelig forlængelse af billedet erhvervelse tid eller øgede mængder af radiotracer, der skal administreres til patienten. Disse faktorer resulterede i begrænset vedtagelse af sådanne protokoller i klinisk rutine. For at omgå disse problemer i forbindelse med den variable kvalitet af de luftige gated billeder, en bestemt type amplitude-baserede gating algoritme, også kendt som optimal respiratorisk gating (ORG), er blevet foreslået¹⁸. Respiratorisk gating med ORG giver brugeren mulighed for at angive billedkvaliteten af de respiratoriske gated billeder ved at give en arbejdscyklus som input til algoritmen. Arbejdscyklussen defineres som en procentdel af de erhvervede data i PET-listetilstand, der bruges til genopbygning af billeder. I modsætning til mange andre respiratoriske gating algoritmer, dette begreb giver brugeren mulighed for direkte at bestemme billedkvaliteten af de rekonstruerede PET-billeder. På grundlag af den angivne arbejdscyklus beregnes et optimalt amplitudeområde, som tager hensyn til de særlige karakteristika ved hele det respiratoriske surrogatsignal^{i betragtning 18}. Det optimale amplitudeområde for en bestemt arbejdscyklus beregnes ved at starte med et udvalg af forskellige værdier for den lavere amplitudegrænse, der er angivet (L), for åndedrætssignalet. For hver valgt nedre grænse justeres den øvre amplitudegrænse, der er angivet (U), på en sådan måde, at summen af de valgte PET-data, defineret som data, der er anskaffet, når åndedrætssignalet falder inden for amplitudeområdet (L<S(t)<U), er lig med den angivne arbejdscyklus. For eksempel er amplitudesortimentet for en arbejdscyklus på 50 % og seks minutter af erhvervede PET-listmodedata tilpasset til at omfatte tre minutter (50 %) pet-data. Det optimale amplitudeområde (W) defineres som det mindste amplitudeområde, der anvendes til respiratorisk gating, ogsom stadig indeholder den nødvendige mængde PET-data(dvs. Ved at specificere toldcyklussen foretager brugeren således en afvejning mellem mængden af støj og graden af resterende bevægelse, der er bosat i ORG PET-billederne. Hvis arbejdscyklussen sænkes, vil det øge mængden af støj, selv om dette også vil reducere mængden af restbevægelse i PET-billederne (og omvendt). Selv om org’s begreber og virkninger er beskrevet i tidligere rapporter, er formålet med dette manuskript at give klinikere nærmere oplysninger om de specifikke protokoller, når de bruger ORG i klinisk praksis. Derfor er brugen af ORG i en klinisk billeddannelsesprotokol beskrevet. Der vil blive stillet flere praktiske aspekter til rådighed, herunder patientforberedelse, billederhvervelse og genopbygningsprotokoller. Desuden vil manuskriptet dække org-softwarens brugergrænseflade og specifikke valg, der kan træffes ved udførelse af respiratorisk gating under PET-billedbehandling. Endelig diskuteres ORG’s virkning på læsionsdeterbarhed og billedanterificering, som vist i tidligere undersøgelser.

Protocol

Alle procedurer, der blev udført med deltagelse af menneskelige deltagere, var i overensstemmelse med de etiske standarder for det interne klagenævn (IRB) på Radbouds universitetslægecenter og med Helsinki-erklæringen fra 1964 og dens senere ændringer eller tilsvarende etiske standarder. ORG-algoritmen er et leverandørspecifikt produkt og er tilgængelig på Siemens Biograph mCT PET/CT-scannerfamilien og nyere PET/CT-modeller. 1. Patientforberedelse Patient anamnese Tj…

Representative Results

Brugen af ORG i PET resulterer i en samlet reduktion af respiratorisk induceret sløring af billederne. For eksempel, i en klinisk evaluering af patienter med ikke-småcellet lungekræft (NSCLC), ORG resulterede i påvisning af flere lungelæsioner og hilar / mediastinal lymfeknuder20. Dette er let påvist i figur 8 og figur 9, der viser ikke-gated og ORG PET billeder af patienter med NSCLC. Især resulterede O…

Discussion

I det nuklearmedicinske samfund har de forværrede virkninger af respiratoriske bevægelsesgenstande i PET-billeddannelse været velkendte i lang tid. Det har vist sig i mange undersøgelser, at den slørende effekt af respiratoriske bevægelsesgenstande i væsentlig grad kan påvirke billedvantificering og læsionsdetekterbarhed. Selv om der er udviklet flere respiratoriske gating-metoder, anvendes respiratorisk gating i øjeblikket ikke i vid udstrækning i klinisk praksis. Dette skyldes især en deraf følgende variab…

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