振幅ベース最適呼吸格子アルゴリズムを用いた 18F-フルオロデオキシグルコースポジトロン放出断層撮影における呼吸運動アーティファクトの管理

Summary

振幅ベースの最適な呼吸格子(ORG)は、臨床 ¹⁸F-フルオロデオキシグルコース(FDG)陽電子放出断層撮影(PET)画像から呼吸誘発運動のぼかしを効果的に除去します。これらの呼吸動きのアーティファクトのためのFDG-PETのイメージの訂正はイメージの質、診断および定量的正確さを改善する。呼吸動物品の除去は、PETを用いた患者の適切な臨床管理のために重要である。

Abstract

X線コンピュータ断層撮影(CT)と組み合わせたポジトロン発光断層撮影(PET)は、様々な疾患の正確な診断と臨床ステージングに必要な重要な分子イメージングプラットフォームです。PETイメージングの利点は、生体内の無数の生物学的プロセスを高感度かつ正確に可視化し、定量化できることです。ただし、PET画像の画質と定量精度を決定する要因は複数あります。胸部と上腹部のPET画像処理における画像品質に影響を与える最も重要な要因の1つは呼吸運動であり、解剖学的構造の呼吸誘発運動のぼやけをもたらす。PET画像の最適な画質と定量的精度を提供するためには、これらのアーティファクトの補正が必要です。

いくつかの呼吸格言技術が開発されており、通常はPETデータと同時に呼吸信号の取得に依存する。取得した呼吸信号に基づいて、PETデータは運動自由画像の再構成のために選択される。これらの方法は、PET画像から呼吸運動アーティファクトを効果的に除去することが示されているが、性能は取得される呼吸信号の質に依存する。本研究では、振幅ベースの最適呼吸格言(ORG)アルゴリズムの使用について検討する。他の多くの呼吸格言アルゴリズムとは対照的に、ORGは、再構築されたPET画像の拒絶された動きの量に対して、ユーザーが画質を制御することを可能にします。これは、取得した代理信号とユーザ指定のデューティサイクル(画像再構成に使用されるPETデータの割合)に基づいて最適な振幅範囲を計算することによって達成されます。最適な振幅範囲は、画像再構成に必要なPETデータ量を含む最小振幅範囲として定義されます。また、胸郭や上腹部のPET画像撮影において呼吸誘発画像のブレを効果的に除去し、画質と定量精度の向上を図る。

Introduction

陽電子放射断層撮影(PET)とX線コンピュータ断層撮影(CT)と組み合わせて、様々な疾患の正確な診断および臨床ステージングのための臨床現場で広く受け入れられているイメージングツールである^1。PETイメージングの利点は、生体内の無数の生物学的プロセスを高感度かつ正確性²で可視化および定量化できることである。これは、放射性トレーサーとも呼ばれる放射性標識化合物を患者に静脈内投与することによって達成される。使用されている放射線トレーサーに応じて、グルコース代謝、細胞増殖、低酸素度、アミノ酸輸送、およびタンパク質および受容体の発現などの組織特性を可視化し、定量^2.

いくつかの放射線トレーサーが開発され、検証され、臨床現場で使用されているが、放射性グルコースアナログ ¹⁸F-フルオロデオキシグルコース(FDG)は、臨床現場で最も広く使用されている放射線トレーサーである。FDGは主に糖分解率の上昇(すなわち、グルコースの取り込み上昇およびエネルギー産生のためのピルビン酸への転換を伴う細胞)を有する細胞に蓄積することを考えると、異なる代謝状態の組織を判別することが可能である。グルコースと同様に、FDG取り込みの第1段階は、細胞膜上の細胞外空間から細胞内空間への輸送であり、これはグルコーストランスポーター^(GLUT)3によって促進される。FDGが細胞内空間に入ると、ヘキソキナーゼによるリン酸化はFDG-6-リン酸の生成をもたらす。しかし、グルコース-6-リン酸とは対照的に、FDG-6-リン酸は、第2(2′)炭素位におけるヒドロキシル(OH)基の存在のために、さらに好気的な崩壊のためにクレブスサイクルに入ることができない。逆反応を考えると、FDG-6-リン酸の脱リン酸化はFDGに戻って、ほとんどの組織ではほとんど起こらない、FDG-6-リン酸は^細胞内3に閉じ込められる。したがって、FDG取り込みの程度は、血漿膜上のGLUT(特にGLUT1およびGLUT3)の発現、およびヘキソキナーゼの細胞内酵素活性に依存する。FDGのこの連続的な取り込みおよび捕捉の概念は、代謝トラップと呼ばれる。FDGが高い代謝活性を有する組織に優先的に蓄積するという事実を 図1aに示し、患者におけるFDGの生理学的分布を示す。このFDG-PET画像は、心臓、脳、肝臓組織の高い取り込み、正常な条件下で代謝的に活性な器官であることが知られている。

組織の代謝状態の違いを検出するための高感度は、変化した代謝が多くの疾患にとって重要な特徴であることを考えると、FDGを病気の組織から正常に区別するための優れた放射線追跡装置にします。これは、図1bに容易に示され、ステージIV非小細胞肺癌(NSCLC)を有する患者のFDG-PET画像を示す。原発性腫瘍および転移性病変の取り込みが増加している。可視化に加えて、放射線追跡装置の取り込みの定量化は、患者の臨床管理において重要な役割を果たす。標準化された取り込み値(SUV)、代謝量、および総病変解分解(TLG)などの放射線追跡装置取り込みの程度を反映したPET画像から得られた定量的指標は、患者群^4、5、6に対する重要な予後情報および測定治療応答を提供するために使用することができる。この点に関して、FDG-PETイメージングは、腫瘍学患者⁷における放射線療法および全身治療をパーソナライズするためにますます使用されている。さらに、放射線誘発性食道炎⁸などの急性治療誘発毒性をモニタリングするためのFDG-PETの使用には、肺膜炎⁹および全身炎症反応¹⁰が、画像誘導治療の決定を行うための重要な情報を提供する。

患者の臨床管理にPETの重要な役割を考えると、PET画像に基づく治療決定を適切に導く上で、画像品質と定量的確度が重要です。しかし、PET画像¹¹の定量的精度を損なう可能性のある技術的要因は数多く存在する。PETにおける画像定量に大きな影響を与える可能性のある重要な要因は、PETの取得時間が他の放射線画像性と比較して長く、通常はベッド位置当たり数分に関連している。その結果、患者は通常、PETイメージング中に自由に呼吸するように指示される。その結果、PET画像は呼吸誘発運動に苦しんでおり、胸郭および上腹部内に位置する器官の著しいぼやけを引き起こす可能性があります。この呼吸誘発運動のぼかしは、放射線追跡装置取り込みの十分な可視化および定量的確度を著しく損なう可能性があり、診断およびステージングにPET画像を使用する場合の患者の臨床管理に影響を及ぼし、放射線治療計画アプリケーションの目標量定義、および治療応答^{のモニタリングを行う}。

呼吸運動アーティファクト¹³に対するPET画像を補正する試みとして、いくつかの呼吸格言法が開発されている。これらの方法は、将来予測、遡及、およびデータ駆動型の格言戦略に分類できます。前向きおよび遡及的呼吸格子化技術は、典型的には、PETイメージング¹⁴中の呼吸代理信号の取得に依存する。これらの呼吸代理信号は患者の呼吸周期を追跡し、監視するために使用される。呼吸追跡装置の例としては、圧力センサ¹² または光学追跡システム(例えば、ビデオカメラ⁾¹⁵を用いた胸壁遠足の検出、熱電対、吸気空気¹⁶の温度を測定し、気流を測定するスピロメーター、およびそれによって患者の肺¹⁷の体積変化を間接的に推定する。

呼吸ゲートは、通常、画像取得中にPETデータと共に、代理信号(指定S(t))を連続的かつ同時に記録することによって達成される。取得した代理信号を用いて、特定の呼吸相または振幅範囲(振幅ベースの格子)に対応するPETデータを^12、13、18から選択することができる。位相ベースのゲーティングは、図2aに示すように、各呼吸周期を一定のゲート数に分割することによって行われる。次いで、患者の呼吸サイクル中に特定の段階で取得したデータを画像再構成に使用して、呼吸格言を行う。同様に、振幅ベースの格紙は、図2bに示すように、呼吸信号の振幅範囲を定義することに依存している。呼吸信号の値が設定された振幅範囲内に入ると、対応するPETリストモードデータが画像再構成に使用されます。遡及的な格紙のアプローチでは、画像取得後に、すべてのデータが収集され、PETデータの再ビン化が行われます。将来の呼吸格言法は、PETデータの再ビン化のための遡及的な格言アプローチと同じ概念を使用するが、これらの方法は、画像取得中に将来データを収集することに依存する。十分な量のPETデータが収集されると、画像取得が完了します。このような前向きおよび遡及的ゲーティングアプローチの難しさは、不規則な呼吸が起こったときに画像取得時間を大幅に延長することなく許容可能な^{画質を維持}する。この点に関して、位相ベースの呼吸ゲーティング法は、不適切なトリガーの拒絶により大量のPETデータを廃棄することができる不規則な呼吸パターン^13,19に特に敏感であり、画像品質の大幅な低下または画像取得時間の容認できない延長をもたらす。さらに、不適切なトリガが受け入れられた場合、呼吸ゲーティングアルゴリズムの性能およびそれによりPET画像からの運動拒絶反応の有効性は、呼吸ゲートが呼吸周期の異なる段階で定義されるという事実のために、図2aに示すように示されている。実際に、振幅ベースの呼吸ゲーティングは、呼吸信号¹³の不規則性の場合に相ベースのアプローチよりも安定であることが報告されている。振幅ベースの呼吸ゲーティングアルゴリズムは、不規則な呼吸周波数の存在下でより堅牢ですが、これらのアルゴリズムは、呼吸信号のベースラインドリフトに対してより敏感です。ベースラインシグナルの漂流は、患者の筋肉の緊張(すなわち、画像取得中のよりリラックスした状態への患者の移行)または呼吸パターンが変化する多くの理由により起こり得る。このような信号のベースラインのドリフトを防ぐためには、患者にトラッキングセンサーをしっかりと取り付け、呼吸信号の定期的なモニタリングを行うよう注意する必要があります。

これらの問題は既知であるが、従来の呼吸格子アルゴリズムは、画質の制御が限られており、通常、画像取得時間の大幅な延長または放射線トレーサーの増加量を患者に投与する必要がある。これらの要因は、臨床ルーチンでそのようなプロトコルの採用が限定的に生じた。呼吸ゲート画像の可変的な品質に関連するこれらの問題を回避するために、振幅ベースのゲーティングアルゴリズムの特定のタイプは、最適な呼吸ゲーティング(ORG)としても知られている^、18を提案されている。ORGによる呼吸ゲートを使用すると、アルゴリズムへの入力としてデューティサイクルを提供することにより、ユーザーは呼吸ゲート画像の画質を指定できます。デューティ・サイクルは、画像再構成に使用される取得済み PET リスト・モード・データのパーセンテージとして定義されます。他の多くの呼吸格言アルゴリズムとは対照的に、この概念はユーザーが再構成されたPETイメージのイメージの質を直接決定することを可能にする。指定されたデューティサイクルに基づいて、最適な振幅範囲が計算され、呼吸代理信号全体の特定の特性が考慮に入^{れられます18。}特定のデューティサイクルの最適な振幅範囲は、呼吸信号の下振幅制限(L)の異なる値の選択から始めることによって計算されます。選択された下限ごとに、指定された(U)の上振幅限界は、呼吸信号が振幅範囲(L<S)<Uに収まるときに取得したデータとして定義される、選択されたPETデータの合計が指定されたデューティサイクルと等しくなるように調整される。たとえば、50%のデューティサイクルと取得したPETリストモードデータの6分の場合、振幅範囲は3分(50%)を含むようになっていますペットデータの最適な振幅範囲(W)は、図2c¹²に示すように、必要な量のPETデータ(ArgMax([U-L)))をまだ含む呼吸格言に使用される最小振幅範囲として定義される。したがって、デューティサイクルを指定することにより、ユーザは、ノイズの量と、ORG PET画像に存在する残存運動の程度とのトレードオフを行います。デューティサイクルを下げるとノイズの量が増えますが、PET画像の残留モーションの量も減少します(その逆も同様です)。ORGの概念と効果は以前のレポートで説明されていますが、この原稿の目的は、臨床現場でORGを使用する際に臨床医に特定のプロトコルの詳細を提供することです。したがって、臨床画像化プロトコルにおけるORGの使用について説明する。患者の準備、画像取得および再構成の議定書を含むいくつかの実用的な側面が提供されるであろう。さらに、原稿は、ORGソフトウェアのユーザーインターフェイスと、PETイメージング中に呼吸格子を実行する際に行うことができる特定の選択をカバーする。最後に、前の研究で示したように、病変検出性および画像定量に対するORGの効果について考察する。

Protocol

人間の参加者を含むすべての手順は、ラドボウド大学医療センターの内部審査委員会(IRB)の倫理基準に従い、1964年のヘルシンキ宣言とその後の改正または同等の倫理基準に従っていました。ORG アルゴリズムはベンダー固有の製品であり、シーメンスバイオグラフィー mCT PET/CT スキャナー ファミリおよび新しい PET/CT モデルで使用できます。 1. 患者の準備 患者の?…

Representative Results

PETでのORGの使用は、画像の呼吸誘発性のぼかしの全体的な減少をもたらす。例えば、非小細胞肺癌(NSCLC)を有する患者の臨床評価において、ORGはより多くの肺病変および経皮性リンパ節20の検出をもたらした。これは、NSCLC患者の非ゲートおよびORG PET画像を示す 図8 および 図9で容易に示されている。 特に、ORG…

Discussion

核医学界では、PETイメージングにおける呼吸動物の効果の悪化は、長い間よく認識されてきました。呼吸運動アーティファクトのぼかし効果が画像定量および病変検出性に大きく影響することが、多くの研究で示されている。いくつかの呼吸格言法が開発されているが、呼吸格言は現在、臨床現場で広く使用されていない。これは特に、結果として生じる可変画像品質、画像取得時間の許容?…

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