Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Cancer Research
Click here for the English version

Cancer Research

Håndtering av respirasjonsbevegelsesartefakter i 18F-fluorodeoksyglucose Positron Emission Tomografi ved hjelp av en amplitudebasert optimal respiratorisk gatingalgoritme

Published: July 23, 2020 doi: 10.3791/60258
Automatic Translation
1, 2, 2, 2
1Department of Radiology, Leiden University Medical Centre, 2Department of Radiology and Nuclear Medicine, Radboud University Medical Centre

Summary

Amplitudebasert optimal respiratorisk gating (ORG) fjerner effektivt respiratorisk-indusert bevegelsesuskarphet fra kliniske 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) positronutslipptomografi (PET) bilder. Korrigering av FDG-PET-bilder for disse åndedrettsbevegelsesartefaktene forbedrer bildekvaliteten, diagnostisk og kvantitativ nøyaktighet. Fjerning av respirasjonsbevegelsesartefakter er viktig for adekvat klinisk behandling av pasienter som bruker PET.

Abstract

Positron emission tomography (PET) kombinert med røntgen computertomografi (CT) er en viktig molekylær bildeplattform som er nødvendig for nøyaktig diagnose og klinisk iscenesettelse av en rekke sykdommer. Fordelen med PET-avbildning er evnen til å visualisere og kvantifisere en myriade av biologiske prosesser in vivo med høy følsomhet og nøyaktighet. Det er imidlertid flere faktorer som bestemmer bildekvalitet og kvantitativ nøyaktighet av PET-bilder. En av de fremste faktorene som påvirker bildekvaliteten i PET-avbildning av thorax og overlivet er åndedrettsbevegelse, noe som resulterer i respirasjonsindusert bevegelsesuskarphet av anatomiske strukturer. Korrigering av disse artefaktene er nødvendig for å gi optimal bildekvalitet og kvantitativ nøyaktighet av PET-bilder.

Flere respiratoriske gating teknikker er utviklet, vanligvis avhengig av oppkjøp av et åndedrettsvern samtidig med PET data. Basert på det respiratoriske signalet som er innhentet, er PET-data valgt for rekonstruksjon av et bevegelsesfritt bilde. Selv om disse metodene har vist seg å effektivt fjerne åndedrettsbevegelsesartefakter fra PET-bilder, er ytelsen avhengig av kvaliteten på åndedrettssignalet som er anskaffet. I denne studien diskuteres bruk av en amplitudbasert optimal respiratorisk gating (ORG) algoritme. I motsetning til mange andre respiratoriske gating algoritmer, tillater ORG brukeren å ha kontroll over bildekvaliteten versus mengden avvist bevegelse i de rekonstruerte PET-bildene. Dette oppnås ved å beregne et optimalt amplitudeområde basert på det oppkjøpte surrogatsignalet og en brukerspesifisert driftssyklus (prosentandelen av PET-data som brukes til bilderekonstruksjon). Det optimale amplitudeområdet defineres som det minste amplitudeområdet som fortsatt inneholder mengden PET-data som kreves for bilderekonstruksjon. Det ble vist at ORG resulterer i effektiv fjerning av respirasjonsindusert bilde uskarphet i PET-avbildning av thorax og overlivet, noe som resulterer i forbedret bildekvalitet og kvantitativ nøyaktighet.

Introduction

Positron Emission Tomography (PET) i kombinasjon med røntgen computertomografi (CT) er et allment akseptert bildebehandlingsverktøy i klinisk praksis for nøyaktig diagnose og klinisk iscenesettelse av en rekke sykdommer1. Fordelen med PET-avbildning er evnen til å visualisere og kvantifisere en myriade av biologiske prosesser in vivo med høy følsomhet og nøyaktighet2. Dette oppnås ved intravenøs administrering av en radioaktivt merket forbindelse, også kjent som en radiotracer, til pasienten. Avhengig av radiotracer som brukes, kan vevsegenskaper som glukosemetabolisme, cellulær spredning, grad av hypoksi, aminosyretransport og uttrykk for proteiner og reseptorer, visualiseres og kvantifiseres2.

Selv om flere radiotracere er utviklet, validert og brukt i klinisk praksis, er den radioaktive glukoseanalogen 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) den mest brukte radiotraceren i klinisk praksis. Gitt at FDG hovedsakelig akkumuleres i celler med en forhøyet glykolytisk hastighet (det vil si celler med forhøyet glukoseopptak og konvertering til pyruvat for energiproduksjon), er det mulig å diskriminere vev med forskjellige metabolske tilstander. I likhet med glukose, er det første trinnet i FDG-opptaket transport fra det ekstra cellulære rommet over plasmamembranen til det intracellulære rommet, som lettes av glukosetransportører (GLUT)3. Når FDG er i intracellulært rom, vil fosforylering av hexokinaser resultere i generering av FDG-6-fosfat. Men i motsetning til glukose-6-fosfat, FDG-6-fosfat kan ikke gå inn i Krebs syklus for ytterligere aerob dissimilation på grunn av fravær av en hydroksyl (OH) gruppe på den andre (2') karbon posisjon. Gitt at den omvendte reaksjonen, defosforyleringen av FDG-6-fosfat tilbake til FDG, oppstår neppe i de fleste vev, er FDG-6-fosfat fanget intracellulært3. Derfor er graden av FDG-opptak avhengig av uttrykket av GLUT (spesielt GLUT1 og GLUT3) på plasmamembranen, og den intracellulære enzymatiske aktiviteten til hexokinaser. Konseptet med dette kontinuerlige opptaket og fangsten av FDG kalles metabolsk fangst. Det faktum at FDG fortrinnsvis akkumuleres i vev med forhøyet metabolsk aktivitet er vist i figur 1a, som viser fysiologisk fordeling av FDG hos en pasient. Dette FDG-PET bildet viser høyere opptak i hjerte, hjerne, og levervev, som er kjent for å være metabolsk aktive organer under normale forhold.

Den høye følsomheten for å oppdage forskjeller i metabolsk tilstand av vev gjør FDG til en utmerket radiotracer for diskriminering av normalt fra sykt vev, gitt at en endret metabolisme er et viktig kjennetegn for mange sykdommer. Dette er lett avbildet i figur 1b, viser et FDG-PET bilde av en pasient med stadium IV ikke-småcellet lungekreft (NSCLC). Det er økt opptak i den primære svulsten så vel som i metastatiske lesjoner. I tillegg til visualisering spiller kvantifisering av radiotraceropptak en viktig rolle i klinisk behandling av pasienter. Kvantitative indekser avledet fra PET-bilder som gjenspeiler graden av radiotraceropptak, for eksempel standardisert opptaksverdi (SUV), metabolske volumer og total lesjonglykose (TLG), kan brukes til å gi viktig prognostisk informasjon og måle behandlingsrespons for ulike pasientgrupper4,5,6. I denne forbindelse blir FDG-PET-avbildning i økende grad brukt til å tilpasse strålebehandling og systemisk behandling hos onkologipasienter7. Videre har bruk av FDG-PET for overvåking av akutt behandling indusert toksisitet, som stråling indusert øsofagitt8,pneumonitt9 og systemiskeinflammatoriske responser 10,blitt beskrevet og gir viktig informasjon for å ta bildestyrte behandlingsbeslutninger.

Gitt PET's viktige rolle for klinisk behandling av pasienter, er bildekvalitet og kvantitativ nøyaktighet viktig for å veilede behandlingsbeslutninger basert på PET-bilder på riktig måte. Det er imidlertid mange tekniske faktorer som kan kompromittere kvantitativ nøyaktighet avPET-bilder 11. En viktig faktor som kan påvirke bildekvantifiseringen i PET er relatert til de lengre oppkjøpstidene til PET sammenlignet med andre radiologiske bildemodaliteter, vanligvis flere minutter per sengestilling. Som en konsekvens blir pasientene vanligvis instruert til å puste fritt under PET-avbildning. Resultatet er at PET-bilder lider av respiratorisk indusert bevegelse, noe som kan føre til betydelig uskarphet av organer som ligger i thoraxen og overlivet. Denne åndedrettsinduserte bevegelsesuskarpheten kan i betydelig grad svekke tilstrekkelig synsstyring og kvantitativ nøyaktighet av radiotraceropptak, noe som kan påvirke klinisk behandling av pasienter når du bruker PET-bilder til diagnose og iscenesettelse, målvolumdefinisjon for strålebehandlingsplanleggingsapplikasjoner og overvåking av behandlingsrespons12.

Flere respiratoriske gating metoder er utviklet i et forsøk på å korrigere PET bilder for respiratorisk bevegelse artefakter13. Disse metodene kan kategoriseres i potensielle, retrospektive og datadrevne gatingstrategier. Prospektive og retrospektive respiratoriske gating teknikker vanligvis stole på oppkjøpet av et respiratorisk surrogat signal under PET imaging14. Disse respiratoriske surrogatsignalene brukes til å spore og overvåke pasientens respiratoriske syklus. Eksempler på åndedrettssporingsenheter er påvisning av brystveggutflukt ved hjelp avtrykksensorer 12 eller optiske sporingssystemer (f.eks. videokameraer)15, termoelement for å måle temperaturen på pustetluft 16, og spirometre for å måle luftstrømmen og dermed indirekte estimere volumendringer i pasientenslunger 17.

Åndedrettssparkering oppnås deretter vanligvis ved å kontinuerlig og samtidig registrere et surrogatsignal (utpekt S(t)), med PET-dataene under bildeinnsamling. Ved hjelp av det kjøpte surrogatsignalet kan PET-data som tilsvarer en bestemt åndedrettsfase eller amplitudeområde (amplitudebasert gating) velges12,13,18. Fasebasert gating utføres ved å dele hver respiratorisk syklus i et fast antall porter, som avbildet i figur 2a. Åndedrettsseking utføres deretter ved å velge data innhentet i en bestemt fase under pasientens respiratoriske syklus som skal brukes til bilderekonstruksjon. På samme måte er amplitudbasert gating avhengig av å definere et amplitudområde av åndedrettssignalet, som vist i figur 2b. Når verdien av åndedrettssignalet faller innenfor det angitte amplitudområdet, vil de tilsvarende PET listmodedataene bli brukt til bilderekonstruksjon. For retrospektive gating tilnærminger, samles alle data inn og re-binning av PET-dataene utføres etter bildeinnhenting. Selv om potensielle respiratoriske gating metoder bruker de samme konseptene som retrospektive gating tilnærminger for re-binning av PET data, disse metodene er avhengige av å samle inn data prospektivt under bildeinnhenting. Når en tilstrekkelig mengde PET-data samles inn, vil bildeinnhenting bli ferdigstilt. Vanskeligheten med slike prospektive og retrospektive gating tilnærminger er å opprettholde akseptabel bildekvalitet uten betydelig forlenge bildeanskaffelse ganger når uregelmessig pusting oppstår13. I denne forbindelse er fasebaserte respiratoriske gating metoder spesielt følsomme for uregelmessige pustemønstre13,19, hvor betydelige mengder PET-data kan kastes på grunn av avvisning av upassende utløsere, noe som resulterer i betydelig reduksjon av bildekvalitet eller uakseptabel forlengelse av bildeanskaffelsestid. I tillegg, når upassende utløsere aksepteres, kan ytelsen til respiratorisk gatingalgoritme og dermed effektiviteten av bevegelsesavvisning fra PET-bildene reduseres på grunn av det faktum at respiratoriske porter er definert i forskjellige faser av respiratorisk syklus, som avbildet i figur 2a. Faktisk har det blitt rapportert at amplitudebasert respiratorisk gating er mer stabil enn fasebaserte tilnærminger i tilfelle uregelmessigheter i åndedrettssignalet13. Selv om amplitudebaserte respiratoriske gatingalgoritmer er mer robuste i nærvær av uregelmessige pustefrekvenser, er disse algoritmene mer følsomme for baseline drifting av åndedrettssignalet. Drifting av grunnlinjesignalet kan oppstå av mange grunner når pasientens muskelspenning (det vil si overgang av en pasient til en mer avslappet tilstand under bildeoppkjøp) eller pustemønster endres. For å forhindre slik baseline drifting av signalet, bør det tas hensyn til å feste sporingssensorer sikkert til pasienten og utføre regelmessig overvåking av åndedrettssignalet.

Selv om disse problemene er kjent, tillater tradisjonelle respiratoriske gatingalgoritmer bare begrenset kontroll over bildekvaliteten og krever vanligvis betydelig forlengelse av bildeanskaffelsestid eller økte mengder radiotracer som skal administreres til pasienten. Disse faktorene resulterte i begrenset innføring av slike protokoller i klinisk rutine. For å omgå disse problemene knyttet til den variable kvaliteten på respiratoriske inngjerdede bilder, har en bestemt type amplitudebasert gating algoritme, også kjent som optimal respiratorisk gating (ORG), blittforeslått 18. Åndedrettssleting med ORG tillater brukeren å spesifisere bildekvaliteten på de respiratoriske inngjerdede bildene ved å gi en driftssyklus som inngang til algoritmen. Driftssyklusen defineres som en prosentandel av de anskaffede PET-listemodusdataene som brukes til bilderekonstruksjon. I motsetning til mange andre respiratoriske gating algoritmer, tillater dette konseptet brukeren å direkte bestemme bildekvaliteten på de rekonstruerte PET-bildene. Basert på den angitte driftssyklusen beregnes et optimalt amplitudeområde, som tar hensyn til de spesifikke egenskapene til hele respiratorisk surrogatsignal i betraktning18. Det optimale amplitudeområdet for en bestemt driftssyklus beregnes ved å starte med et utvalg av forskjellige verdier for nedre amplitudegrense, utpekt (L), av åndedrettssignalet. For hver valgte nedre grense justeres øvre amplitudegrense, angitt (U), på en slik måte at summen av de valgte PET-dataene, definert som data som er anskaffet når åndedrettssignalet faller innenfor amplitudeområdet (LU-L])), som avbildet i figur 2c12. Dermed, ved å spesifisere pliktsyklusen, gjør brukeren en avveining mellom mengden støy og graden av gjenværende bevegelse bosatt i ORG PET-bildene. Senking av driftssyklusen vil øke mengden støy, selv om dette også vil redusere mengden gjenværende bevegelse i PET-bildene (og omvendt). Selv om begrepene og effektene av ORG har blitt beskrevet i tidligere rapporter, er formålet med dette manuskriptet å gi klinikere detaljer om de spesifikke protokollene når man bruker ORG i klinisk praksis. Derfor er bruk av ORG i en klinisk bildeprotokoll beskrevet. Flere praktiske aspekter, inkludert pasientforberedelse, bildeanskaffelse og rekonstruksjonsprotokoller vil bli gitt. Videre vil manuskriptet dekke brukergrensesnittet til ORG-programvaren og spesifikke valg som kan gjøres når du utfører åndedrettsseking under PET-avbildning. Til slutt diskuteres effekten av ORG på lesjonsdekvantifisering og bildekvantifisering, som vist i tidligere studier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle prosedyrer som ble utført som involverte menneskelige deltakere var i samsvar med de etiske standardene til det interne gjennomgangsstyret (IRB) ved Radboud universitets medisinske senter og med Helsinki-erklæringen fra 1964 og dens senere endringer eller sammenlignbare etiske standarder. ORG-algoritmen er et leverandørspesifikt produkt og er tilgjengelig på Siemens Biograph mCT PET/CT-skannerfamilien og nyere PET/CT-modeller.

1. Pasientpreparat

  1. Pasient anamnese
    1. Sjekk pasientens navn og fødselsdato. Inklusjonskriterier ligner på rutinemessig ikke-inngjerdet PET-skanning. Ingen ytterligere in- eller ekskluderingskriterier er nødvendig.
    2. Kontroller etiketten som følger med sprøyten som inneholder radiotraceren (navn, fødselsdato og aktivitetsmengde).
      MERK: Mengden aktivitet som administreres til pasienten er avhengig av pasientens kroppsmasse og kan variere mellom institusjoner (i denne protokollen foreslås det en mengde på 3,2 MBq/kg).
    3. Sørg for at den kliniske informasjonen på søknadsskjemaet er korrekt ved å intervjue pasienten. Spør pasienten om det var noen nylige relevante endringer i behandling eller medisinering.
    4. Spør pasienten om han eller hun har diabetes mellitus (DM). Hvis pasienten har DM, spør om han eller hun fulgte passende preparat (f.eks. ingen administrasjon av kort arbeidsinsulin mindre enn 4 timer før PET-skanningen, eller bruk av blodsukkersenkende midler (f.eks. metformin).
    5. Spør pasienten om han eller hun har allergier eller bruker antikoagulantia.
    6. Mål pasientens blodsukker ved å bruke en dråpe blod oppnådd ved å stikke siden av fingertuppen til pasienten på en dedikert teststrimmel (serumglukose bør ikke overstige 11,0 mmol / L).
    7. Forklar pasientens forberedelses- og bildebehandlingsprosedyrer til pasienten.
  2. Administrasjon av radiotraceren
    1. Sikre venøs tilgang til pasienten ved å sette inn en perifer venøs kanyle i en av de antecubital venene.
    2. Fest et treveis stoppkransystem med Luer-lås til en 20 ml sprøyte som inneholder saltvann (dette er den sekundære sprøyten).
    3. Skyll treveis stopp kuk system med saltvann (med det formål å avering).
    4. Fest treveis stoppkranen med sprøyte til enden av venøs kanyle.
    5. Kontroller om den venøse kanylen er patent ved å skylle 10 ml saltvann forsiktig gjennom kanylen (spør pasienten om han eller hun har noen klager under spyling).
    6. Fest sprøyten som inneholder radiotraceren (primærsprøyten) til den treveis stoppkranen. Vri ventilene på treveis stoppkranen slik at strømningsretningen av væske gjennom systemet går fra sprøyten som inneholder radiotraceren til den perifere venøse kanylen. Administrer radiotraceren ved å skyve stempelet på sprøyten langsomt (sprøyten som inneholder tracer er plassert i en spesiell blyskjermet beholder).
    7. Drei ventilene på treveis stoppkranen på en slik måte at sprøyten som inneholder saltvann er koblet til den primære sprøyten (som inneholdt radiotraceren) og skyll sprøyten for å skylle eventuelle gjenværende radiosporer fra sprøyten.
    8. Vri ventilene på treveis stoppkranen og skyv stempelet på primærsprøyten for å administrere eventuelle gjenværende radiotracer som er igjen i sprøyten til pasienten.
    9. Gjenta trinn 1.2.7. og 1.2.8. tre ganger.
    10. Vri treveis stopp kuk (for å hindre tilbakestrømning av blod fra pasientens vene) og løsne den primære sprøyten. Fest en tredje sprøyte som inneholder furosemid, drei treveis stoppkranen igjen og administrer 0,5 g/Kg furosemid (med en maksimal mengde 10 mg) ved å skyve stempelet på sprøyten. Fjern den perifere venøse kanylen og trykk på punkteringsstedet ved hjelp av en steril bandasje. Kontroller om det ikke er noen signifikant blødning og fra punkteringsstedet og fest bandasjen ved hjelp av medisinsk tape.
  3. Pasientinkubasjon
    1. La pasienten hvile i en komfortabel stilling, helst i et svakt opplyst rom, i 50 minutter.
    2. Etter 50 minutter, be pasienten om å annullere blæren.
    3. På 55 minutter, eskortere pasienten til skanneren og plasser pasienten liggende med armene opp på skannersengen. Bruk passende armstøtte for å gjøre den så behagelig som mulig for pasienten. Hvis pasienten ikke er i stand til å heve armene, kan skanning utføres med armene posisjon sammen med pasienten.
    4. Vær oppmerksom på pasientens pustemønster og fest åndedrettsbeltet rundt pasientens thorax (vanligvis er posisjonen like under brystkassen optimal). Kontroller at sensoren er plassert på et sted der bukveggutflukt er identifisert etter visuell inspeksjon (vanligvis 5-7 cm fra midtlinjen). Fest beltet rundt pasienten ved hjelp av borrelåsbasert lukkesystem.
    5. Kontroller skannerskjermen om åndedrettssignalet forblir innenfor grensene for minimums- og maksimumsområdet (hvis åndedrettssignalet klipper, fest eller stram beltet på riktig måte).
    6. Tips: Pass på at beltet er festet stramt nok rundt pasientens bryst. Gitt at pasientene går inn i en mer avslappet tilstand etter en tid, har åndedrettssignalet en tendens til å falle (baseline drift av signalet). Dette forhindrer signalet fra å gå utenfor grensene, og dermed opprettholde en høy kvalitet på surrogatsignal som brukes til respiratorisk gating.
    7. Begynn å skanne etter 60 minutter etter inkubasjonstid.

2. Bildeanskaffelse og rekonstruksjon

  1. Valg av protokoll
    1. Velg hele kroppsprotokollen på skanneren. Dette kan gjøres ved å flytte markøren over riktig protokollkategori (angitt av sirklene ved siden av pasientikonet i eksamenskortet), og klikk på riktig protokoll (figur 3).
    2. ORG-oppkjøpsprotokollen starter med en speiderskanning (topogram) av pasienten. Hvis du vil starte oppkjøpet av topogrammet, trykker du på skannerens starttast (gul rundetast med et strålingstegn) på skannerkontrollboksen (figur 4). Hvis du vil stoppe eller avbryte oppkjøpet av topogrammet, trykker du henholdsvis suspend eller stopptasten.
    3. Start med å planlegge PET sengeposisjoner på topogram. Dette kan gjøres ved å klikke på venstre museknapp på topogram og angi skanneområdet.
    4. Velg sengeposisjonene som skal korrigeres for åndedrettsbevegelse (figur 5).
      MERK: Dette er de "inngjerdede" sengeposisjonene som dekker thoraxen. De "inngjerdede" sengeposisjonene registreres i listmode. Avhengig av den kliniske indikasjonen kan sengeposisjoner som dekker overlivet også inngjerdes (for eksempel når avbildning er indisert for lever- eller bukspyttkjertellesjoner). For de ikke-inngjerdede sengeposisjonene er det bare nødvendig å registrere sineogram for bilderekonstruksjon.
    5. Angi bildeopptakstid for PET-sengeposisjonene (figur 5).
      MERK: Avhengig av mengden injisert aktivitet må skannevarigheten til de ikke-inngjerdede sengestillingene tilpasses for å gi tilstrekkelig bildekvalitet. I tillegg registrere tid av ikke-gated seng posisjoner i kombinasjon med plikt syklus som brukes for bilde rekonstruksjon av inngjerdet sengeposisjoner, opptakstiden for inngjerdet sengeposisjoner bestemmes. For eksempel, for en plikt syklus på 35%, forlenge skanningen med faktor 3 gir omtrent lignende statistikk for inngjerdet og ikke-inngjerdet sengeposisjoner. Foreslått bildeprotokoll ved Radboud University Medical Center er en opptakstid for ikke-inngjerdede sengeposisjoner på 2 minutter, mens for inngjerdede sengestillinger opptakstid er 6 minutter ved hjelp av en driftssyklus på 35%
    6. Når du har satt opp anskaffelsesparametrene, trykker du på og holder nede starttasten (gul rund knapp med et strålingsskilt) på skannerkontrollboksen og venter til skannersengen er flyttet tilbake til startposisjonen. Trykk på starttasten igjen for å få en ct-skanning med lav dose fra pasienten (fra hode til føtter). Når du har anskaffet CT-skanningen, trykker du på starttasten for å starte PET-skanningen.
    7. Under bildeoppkjøp må du regelmessig kontrollere pasienten og kvaliteten på åndedrettssignalet (juster respirasjonsbeltet om nødvendig).
      MERK: Justering av beltet skal kun utføres når det ikke er anskaffet åndedrettsstillinger. Derfor bør justeringer gjøres før eller etter at disse sengestillingene er anskaffet. Justering av beltet under oppkjøpet av den inngjerdede sengestillingen vil påvirke kvaliteten på ORG-bildene. Nøye observasjon av åndedrettssignalet og mulig justering av respirasjonsbeltet før oppkjøpet av de inngjerdede sengestillingene er nødvendig for å motvirke enhver betydelig baseline drifting av signalet under PET-skanning.
  2. Bilde rekonstruksjon
    1. Se gjennom åndedrettssignalet som er anskaffet, og velg riktig driftssyklus for de inngjerdede sengestillingene (figur 6).
      MERK: Amplitudområdet som brukes til åndedrettssutsleking legges over på åndedrettssignalet). Se etter inkonstanser eller baselinedrift i åndedrettssignalet som kan påvirke kvaliteten på åndedrettsvernet.
    2. Velg bilderekonstruksjonsprotokoll optimalisert for visning (figur 7). Dette er vanligvis en høyoppløselig bilderekonstruksjonsprotokoll med mindre voxelstørrelser for påvisning av små lesjoner. Det er av betydning å innse at ORG-algoritmen vil beregne det optimale amplitudområdet ved å bruke hele åndedrettssignalet til de valgte sengeposisjonene. Selv om ulike driftssykluser kan brukes til forskjellige sengeposisjoner (for eksempel for å korrigere for et respirasjonssignal av varierende kvalitet), anbefales det ikke å bruke forskjellige driftssykluser for forskjellige sengestillinger gitt at dette vil introdusere variasjoner i bildekvaliteten mellom forskjellige sengestillinger.
      MERK: Her er et eksempel på bilderekonstruksjonsprotokoll for visning:
      • Algoritme: TrueX + TOF (UltraHD PET)
      • Antall iterasjoner:3
      • Antall delsett: 21
      • Matrix størrelse: 400 × 400
      • Filtrering etter rekonstruksjon, kjerne (3D Gaussian), halv maksimum i full bredde (FWHM): 3,0 mm
      • Driftssyklus 35 %
    3. Videre rekonstruere PET bilder med en protokoll som er kompatibel med Research4Life (EARL) initiativ for kvantitativ PET imaging. Dette er vanligvis bilder med lavere oppløsning med spesifikk filtrering etter rekonstruksjon brukt.
      MERK: Her er et eksempel på bilderekonstruksjonsprotokoll for bildekvantifisering:
      • Algoritme: TrueX + TOF (UltraHD PET)
      • Antall iterasjoner: 3
      • Antall delsett: 21
      • Matrix størrelse: 256
      • Filtrering etter rekonstruksjon, kjerne (3D Gaussian), halv maksimum i full bredde (FWHM): 8,0 mm
      • Driftssyklus 35 %
    4. Send de rekonstruerte bildene til PACS-arkivet. Bildene er nå klare til å bli evaluert av nukleærmedisinske legen

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bruk av ORG i PET resulterer i en generell reduksjon av respiratorisk indusert uskarphet av bildene. For eksempel, i en klinisk evaluering av pasienter med ikke-småcellet lungekreft (NSCLC), resulterte ORG i påvisning av flere lungelesjoner og hilar / mediastinal lymfeknuter20. Dette er lett demonstrert i figur 8 og figur 9, som viser ikke-inngjerdede og ORG PET bilder av pasienter med NSCLC.

Spesielt resulterte ORG i behandlingsendringer hos pasienter med tidlige sykdomsstadier (I-IIB) hvor påvisning av flere lesjoner av lymfeknuter kan påvirke den foreskrevne behandlingen og ytterligere diagnostiske prosedyrer som kreves. Disse resultatene bekreftes av en studie utført av van der Gucht et al. for lesjoner som ligger i overlivet21. Bruken av ORG resulterte i påvisning av flere lesjoner i FDG-PET hos pasienter med lever- og perihepatiske lesjoner. Selv om disse resultatene støtter at bruk av ORG kan føre til forbedret diagnose og iscenesettelse av pasienter, er den nøyaktige kliniske effekten av ORG fortsatt uklar.

Bildekvantifisering påvirkes betydelig når ORG ble brukt til å korrigere PET-bilder for åndedrettsbevegelse, spesielt for lungelesjoner som ligger i nærheten av membranen og hilarområdene i lungene. I en studie som undersøkte effekten av ORG hos 66 lungekreftpasienter, var det en statistisk signifikant økning i gjennomsnittlig SUV(SUV-gjennomsnitt) opptak i ORG-bildene med hensyn til ikke-inngjerdede PET-bilder. Sammenlignet med ikke-gated PET bilder, ORG PET bildene viste en økning i SUVgjennomsnitt på 6,2±12,2% (p<0,0001), 7,4±1 3,3 % (p<0,0001) og 9,2±14,0 % (p<0,0001) for driftssykluser på 50 %, henholdsvis 35 % og 20 %12.

Videre ble det observert en statistisk signifikant reduksjon i metabolske volumer av lesjonene da ORG ble utført. Disse volumene ble segmentert ved hjelp av en region som vokser fast terskel (40% av maksimal opptak (SUVmaks))segmentering algoritme. Det var en nedgang på 6,9±19,6 % (p=0,02),8,5±19,3 % (p<0,0001)og 11,3±20,2 % (p<0,0001) for sykluser på 50 %, henholdsvis 35 % og 20 %12. Den signifikante økningen i opptak og reduksjon i metabolsk volum indikerer effektiv fjerning av respirasjonsindusert bilde uskarphet fra PET-bildene når ORG utføres. I tillegg ble det vist at påvirkning av åndedrettsbevegelsesartefakter på kvantifisering av lesjonopptak og volum var avhengig av anatomisk plassering. Det var bare en betydelig økning iSUV-gjennomsnittet og volumnedgang for lesjoner i de nedre lungeflippene og sentralt (spesielt hilar) som ligger lesjoner. Effekten av anatomisk plassering er lett demonstrert i figur 10, som viser to forskjellige NSCLC-lesjoner hos en enkelt pasient. Videre, sammenligne ORG PET bilder rekonstruert bilder med en plikt syklus på 35% til deres ikke-gated tilsvarende bilder viste at nivåene av bildestøy er sammenlignbare, viser at bildekvaliteten holdes konstant når du bruker ORG12.

Forholdet mellom driftssyklus og bildestøy ble vist ved beregning av variasjonskoeffisienten (COV) av FDG-opptak i upåvirket lungeparenchym. COV i ikke-inngjerdede bilder ved hjelp av alle tilgjengelige data var i gjennomsnitt 26,1±6,4%, mens COV i ORG PET-bilder rekonstruert med en driftssyklus på 20% var 39,4±7,5%. Det var en ikke-signifikant forskjell i COV mellom ORG PET-bilder rekonstruert med en driftssyklus på 35 % (32,8±6,4 %) og deres ikke-inngjerdede tilsvarende bilder (31,8± 5,6%). Figur 11 viser to forskjellige ORG PET- og ikke-inngjerdede PET-bilder med forskjellig statistisk kvalitet. Dette tallet viser at å senke driftssyklusen øker mengden støy, mens kvaliteten på ORG PET-bildet rekonstruert med en driftssyklus på 35% og det ikke-inngjerdede tilsvarende bildet holdes konstant. Selv om ORG resulterer i betydelig reduksjon av lesjonsvolumet som kvantifisert på PET-bilder, ga den absolutte volumreduksjonen ingen signifikant sparing av strålingsdosen levert til de utsatte organene (OARs) under strålebehandlingsplanlegging, som vist i en annenstudie 22.

Den uskarpe effekten av åndedrettsbevegelse påvirker også kvantifisering av intra-tumor heterogenitet. I en kohort på 60 NSCLC-pasienter resulterte ORG i statistisk signifikante forskjeller i teksturfunksjonskvantifisering av lesjoner i midten og nedre lungeflipper23. For tekstlige funksjoner; høyintensitetsvekt (HIE), entropi, soneprosent (ZP) og ulikhet, den relative økningen var 16,8 % ± 17,2 % (p = 0,006), 1,3 % ± 1,5 % (p = 0,02), 2,3 % ± 2,2 %(p = 0,002), 11,6 % ± 11,8 %(p = 0,006) mellom ORG PET-bildene og deres ikke-inngjerdede tilsvarende PET-bilder. Kvantifisering av intra-tumor heterogenitet ble ikke signifikant påvirket for lesjoner i de øvre lungelappene. Gjennomsnittlig reduksjon av disse tekstlige funksjonene var på 1,0 % ± 7,7 % (p = 0,3), 0,35 % ± 1,8 % (p = 0,3), 1,7 % ± 13,2 % (p = 0,4) og 0,4 % ± 2,7 % (p = 0,5), for ulikhet, entropi, Hei, og ZP henholdsvis. Videre var det ingen signifikant forskjell mellom ORG og ikke-inngjerdede PET-bilder for sentralt beliggende lesjoner, med en gjennomsnittlig økning på 0,58 % ± 3,7 % (P = 0,6), 5,0 % ± 19,0 % (P = 0,4), 5,0 % ± 19,0 % (P = 0,4), 0,59 % ± 4,0 % (P = 0,9) og 4,4 % ± 27,8 % (P = 0,4), for entropi, ulikhet, henholdsvis ZP og HIE. Selv om kvantifisering av tekstfunksjoner ble betydelig påvirket for lesjoner som ligger i midten og nedre lungeflipper, ble multivariate Cox regresjonsmodeller for overlevelse ikke signifikant påvirket23. I tillegg til kvantifisering av intra-tumor heterogenitet av lungelesjoner, kan åndedrettsbevegelse føre til betydelige endringer i kvantifisering av intra-tumor heterogenitet av lesjoner som ligger i øvre bukregion. Dette er lett demonstrert i en studie som undersøker effekten av ORG på kvantifisering av pasienter med et pankreas ductal adenokarsinom (PDAC)24. Fjerning av åndedrettsbevegelsesartefakter fra PET-bilder ved hjelp av ORG påvirker kvantifiseringen av tekstfunksjoner i PDAC-lesjoner betydelig. Det ble observert at korrelasjonen av de beregnede teksturfunksjonene med total overlevelse ble betydelig påvirket.

Figure 1
Figur 1: a) Fysiologisk fordeling av 18F-fluorodeoxyglycose (FDG) hos en pasient som gjennomgikk positron utslipp tomografi (PET) imaging. Det er betydelig opptak av FDG i hjertet, hjernen og leveren til pasienten. b) Økt FDG-opptak i flere lunge-, lymfeknuter og fjerne metastaser hos en pasient med stadium IV ikke-småcellet lungekreft (NSCLC), som viser fortrinnsrett til FDG i kreftlesjoner sammenlignet med de fleste andre ikke-berørte vev. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Fase- og amplitudebasert gating i positronutslippstomografi (PET). a) Fasebasert gating, b) amplitudebasert gating og c) optimal åndedrettssalting (ORG). Under fasebasert gating deles hver respiratorisk syklus inn i et fast antall porter (i dette tilfellet 4). Data som samles inn i en bestemt port vil bli brukt til å rekonstruere et bilde som de viktigste åndedrettsbevegelseskomponentene vil bli fjernet fra. Amplitudebasert gating er avhengig av definisjonen av en øvre og nedre amplitudegrense. Amplitudebaserte respiratoriske gating tilnærminger vanligvis stole på spesifikasjon av en amplitude-range av brukeren. Data som samles inn når åndedrettssignalene faller innenfor det definerte amplitudeområdet, vil bli brukt til bilderekonstruksjon. Den optimale respiratoriske gating (ORG) algoritmen bruker en slik amplitudebasert tilnærming og vil beregne et optimalt amplitudeområde basert på driftssyklusen (prosentandelen av PET-dataene som kreves for bilderekonstruksjon) som tilbys. Det minste amplitudområdet som fortsatt inneholder den angitte mengden data som kreves for bilderekonstruksjon (totalsum av områdene som er skyggelagt i blått), er valgt som det optimale amplitudeområdet (W). For å oppnå dette justerer ORG-algoritmen den øvre grensen (U) for ulike verdier av den nedre grensen (L). Generelt vil det å øke antall porter eller reduksjon av amplitudområdet resultere i en mer effektiv avvisning av åndedrettsbevegelse på bekostning av økt bildestøy. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Valg av passende bildeprotokoll. En forhåndsdefinert bildeprotokoll kan velges ved å velge en protokoll fra en bestemt kategori (ved å løfte musen over protokollkategoriene (angitt av den røde boksen) og velge en protokoll fra rullegardinmenyen). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Forskjellige taster på kontrollboksen til Siemens mCT- og Horizon PET/CT-skannerne. 1) Flytt nøkkel, brukes til å flytte pasienttabellen til neste måleposisjon, 2) Losse pasientnøkkel: brukes til å flytte pasienttabellen til losseposisjon etter bildeoppkjøp, 3) Starttast: Brukes til å utløse en skanning, vil strålingsvarselsskiltet (4) lyse opp under bildeoppkjøp, 4) Strålingsvarsellampe: Indikerer og gir et varselsignal når røntgenrøret er på, 5) Suspendtast: Brukes til å holde skanneprosedyren. Dette er den foretrukne metoden for å avbryte en skanning før ferdigstillelse. Suspend-alternativet tillater omstart av bildeprotokollen på det tidspunktet ble stoppet, 6) Hør pasienttasten: Trykk på denne tasten for å høre pasienten, lysdioden indikerte at lyttetilkoblingen er aktiv, trykk på denne tasten igjen for å frigjøre lyttetilkoblingen, 7) Høyttaler, 8) Ring pasienttasten: Hold nede denne tasten mens du snakker til mikrofonen (10) for å gi instruksjoner til pasienten, 9) Stopptast: Brukes til umiddelbart å stoppe skanneprosedyren, som brukes i tilfelle en nødsituasjon, 10) Mikrofon. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Etter oppkjøpet av topogrammet må oppkjøpstiden for forskjellige sengeposisjoner angis (i 'Rutine'-fanen). I dette eksemplet registreres de inngjerdede sengestillingene i 6 minutter (seng 2), mens de ikke-inngjerdede sengestillingene er anskaffet på 2 minutter (seng 1 og3). Inngjerdede sengeposisjoner (uthevet i oransje i topogramt) kan settes ved å sette alternativet 'Physio' til 'On' i den andre kolonnen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Pasientens pustebølgeform vises i øvre del av dashbordet sammen med et histogrammet av pustefrekvensen (nedre del) i «Trigger»,-fanen. Driftssyklusen kan velges fra rullegardinmenyen til høyre (i dette tilfellet 35%). Denne protokollen har en standard bildeanskaffelsestid på 6 minutter per seng posisjon for inngjerdet seng posisjoner og 2 minutter for ikke-inngjerdet seng posisjoner. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Valg av bilderekonstruksjonsprotokoll ('Recon'-fane), kan detaljer om bilderekonstruksjon angis for hver protokoll ved å fylle ut de relevante feltene. For visning anbefales en høyoppløselig bilderekonstruksjonsprotokoll å gi detaljer i de rekonstruerte PET-bildene. For kvantifisering av radiotraceropptak på PET-bilder, anbefales bruk av en EARL-kompatibel rekonstruksjonsprotokoll. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: Ikke-inngjerdet og optimal inngjerdet (ORG) FDG-PET–CT bilder av en pasient med ikke-småcellet lungekreft (NSCLC). Denne figuren viser ikke-inngjerdede (a) og ORG PET(b) bilder av en hilar lymfeknute i stasjon X hos en pasient med en enslig NSCLC-lesjon i venstre nedre lobe. ORG PET-bildet er rekonstruert med en 35% driftssyklus. Reduksjon av de uskarpe effektene av åndedrettsbevegelse ville ha resultert i oppstaging av denne pasienten fra cT1N0M0 til cT1N1M0 og kravet til histologisk evaluering av hilar lymfeknuten ved hjelp av endobronchial ultralyd (EBUS). Dette tallet er endret fra Grootjans et al. (Lungekreft 2015). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 9
Figur 9: Ikke-inngjerdet (a) og optimal respiratorisk inngjerdet (ORG) (b) FDG-PET–CT bilde av en primær NSCLC lesjon og satellittlesjon i høyre lunge hilum. Den primære lesjonen indikeres med en "p" mens satellittlesjonen indikeres av en "s" i denne figuren. Åndedrettssmedsleting hos denne pasienten resulterte i forbedret kontrastgjenvinning av satellittlesjoner ved siden av den primære lesjonen. Tilstedeværelsen av lesjonen ble bekreftet ved oppfølging av CT-bildebehandling, selv om disse funnene ikke ville ha signifikant påvirket klinisk behandling for denne pasienten, org resulterte i påvisning av i tillegg lungelesjoner. Dette tallet er endret fra Grootjans et al. (Lungekreft 2015). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 10
Figur 10: FDG-PET-CT-bilder (Ikke-inngjerdet og optimalt inngjerdet) FDG-PET–CT av en pasient med NSCLC-lesjoner i venstre nedre flik og lungedylum. Dette eksemplet viser effekten av respirasjonsindusert bevegelsesuskarphet på visualisering og kvantifisering av NSCLC-lesjoner. a)Ikke-inngjerdet PET bilde som viser en lesjon i venstre nedre lobe, b) ORG PET bilde, rekonstruert med en plikt syklus på 35% av en lesjon i venstre nedre lobe, c) Ikke-inngjerdet PET bilde som viser en lesjon i venstre lunge hilum, d) ORG PET bilde, rekonstruert med en plikt syklus på 35% av en lesjon i venstre lunge hilum. Hos denne pasienten blir lesjonen som ligger i lunge-hilum utsatt for betydelig åndedrettsindusert bevegelse, som viser en stor effekt på kvantifisering av lesjonsopptak og metabolsk volum når ORG utføres. For denne lesjonen ble det observert en økning i gjennomsnittlig standardisert opptaksverdi (SUVmean) på 31,9 % og reduksjon i metabolsk volum på 23,0 %. Effekten av åndedrettsbevegelse på kvantifisering av lesjonsopptak og volum var henholdsvis 5,3 % og 1,9 % for lesjonen i øvre lungeflik. Dette tallet er endret fra Grootjans et al. (Eur Radiol 2014). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 11
Figur 11: Sammenligning av optimalt respiratorisk inngjerdet (ORG) og ikke-inngjerdede PET-bilder med ulik teller statistikk hos en pasient med stadium IV ikke-småcellet lungekreft (NSCLC). Den venstre kolonnen (a og c) viser de ikke-inngjerdede PET-bildene rekonstruert med alle (a) og 35% (c) av de registrerte dataene. Sammenligning av bilder a og c avslører at støynivået økes når mindre data brukes til bilderekonstruksjon, spesielt merkbart i områdene relativt homogenopptak, for eksempel leveren (indikert med en stjerne '*'). Kolonnen til høyre (b og d ) viserORG PET-bildene rekonstruert med 50% og 35% driftssyklus. Disse bildene viser at mengden støy økes når driftssyklusen senkes. Sammenligning av det ikke-inngjerdede PET-bildet (c) med sin ORG PET-ekvivalent (d) viser at den respiratoriske induserte uskarphetseffekten reduseres i ORG-bildet, noe som gjenspeiles av den tilsynelatende størrelsen på den metastatiske lesjonen i binyrene (indikert med et plusstegn '+') og nyrekaler i venstre nyre (indikert med en 'x'). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I nukleærmedisinsamfunnet har de forverrede effektene av åndedrettsbevegelsesartefakter i PET-avbildning vært godt anerkjent i lang tid. Det har vist seg i mange studier at den uskarpe effekten av åndedrettsbevegelsesartefakter kan påvirke bildekvantifisering og lesjonsdempbarhet betydelig. Selv om flere respiratoriske gating metoder er utviklet, er respiratorisk gating for tiden ikke mye brukt i klinisk praksis. Dette skyldes spesielt en resulterende variabel bildekvalitet, uakseptabel forlengelse av bildeanskaffelsestider og ikke-ideell integrering av respiratorisk gating i en klinisk fullkroppsbildeprotokoll. Fordelen med ORG er at det tillater praktisk integrering i en standard hele kroppen PET imaging protokoll, noe som gjør det mulig å sømløst integrere flere inngjerdede og ikke-gated seng posisjoner i ett enkelt bilde. Videre tar ORG-algoritmen spesifikke egenskaper ved hele åndedrettssignalet, for eksempel platåfaser, i betraktning ved beregning av det optimale amplititudeområdet, mens brukeren har muligheten til å spesifisere bildekvaliteten på de rekonstruerte PET-bildene direkte ved å spesifisere driftssyklusen. Men i likhet med mange andre respiratoriske gating metoder, org krever bruk av eksterne sensorer som brukes til å utføre respiratorisk gating. Videre, avhengig av driftssyklusen som brukes, forkastes en betydelig mengde PET-data og brukes ikke til gjenoppbygging av det endelige bildet. Vellykket åndedrettsvern med ORG er derfor avhengig av passende sporing av åndedrettsbevegelse ved hjelp av eksterne sensorer og forlenge bildeoppkjøpstider eller mengden administrert aktivitet til pasientene. Vanskeligheten knyttet til bruk av sensorer inspirerte utviklingen av datadrevne eller sensorløse respiratoriske gating tilnærminger25,26,27. Disse datadrevne teknikkene utelater kravet om et eksternt surrogatsignal ved å trekke ut informasjon om åndedrettsbevegelse fra selve PET-listemodusdataene. Slike datadrevne teknikker er utviklet av flere PET-leverandører og har blitt foreslått som klinisk anvendelige alternativer til sensorbaserte metoder, noe som letter rutinemessig PET respiratorisk gating i klinisk praksis.

I tillegg til utelukkende å trekke ut informasjon om åndedrettsbevegelse fra PET-data, tillater nyere metoder bruk av alle PET-data som registreres for bilderekonstruksjon28. Disse bevegelseskompenserte bilderekonstruksjonene utføres ved å transformere PET-data elastisk fra forskjellige respiratoriske faser til ett enkelt bilde som bevegelsesartefakter fjernes fra. Sammenlignet med tradisjonell sensorbasert respiratorisk gating, krever bevegelseskompensert rekonstruksjon ikke forlengelse av bildeanskaffelsestid og forhindre bruk av ekstra maskinvare under gating. Disse metodene fjerner effektivt åndedrettsbevegelse fra PET-bilder samtidig sombildekvaliteten opprettholdes 29. Videre, med fremveksten av hybrid PET og magnetisk resonans (MR) avbildning, flere metoder har blitt utviklet som bruker bevegelsesinformasjon avledet fra MR for å korrigere PET bilder30,31,32,33. Selv om disse metodene har eksistert en stund i en forskningssetting, har de første datadrevne respiratoriske gating metodene kommet inn i markedet. Imidlertid er de fleste av disse metodene fortsatt under aktiv utvikling og kontinuerlig forbedring og større kliniske studier er nødvendig for å evaluere ytelsen og robustheten til slike algoritmer.

Selv om respiratoriske gating metoder er hovedsakelig fokusert på å korrigere PET bilder for respiratoriske bevegelse artefakter, disse algoritmene vanligvis ikke ta de ervervede CT-data i betraktning. I klinisk praksis utføres lavdose (LD) CT vanligvis uten å gi pusteinstruksjoner. Registrering av en LDCT ervervet når pasienten puster fritt kan resultere i en betydelig romlig mismatch mellom respiratorisk inngjerdet PET og LDCT, spesielt for anatomiske strukturer som beveger seg under respirasjon34. I tillegg til å lokalisere radiotraceropptaket nøyaktig, brukes LDCT til dempingskorreksjon av PET-bildene. Derfor kan effekten av en romlig mismatch mellom PET og CT introdusere dype kvantitative unøyaktigheter i PET, spesielt når radiotraceropptak ligger i nærheten av strukturer med store forskjeller i tetthet, som lunge- og beinvev. Flere forfattere har undersøkt ulike metoder for å synkronisere bildeanskaffelse for å redusere romlig mismatch mellom PET- og CT-bilder. En foreslått metode innebærer å gi pusteinstruksjoner til pasienten under CT-oppkjøp. Selv om standard CT pusteinstruksjoner i kombinasjon med ORG ikke ga en forbedring i romlig matching mellom CT og PET35,førte pasientspesifikke instruksjoner basert på samme åndedrettssignal og amplitudeområde som brukes til ORG, en generell forbedring av romlig kamp mellom PET og CT36. Disse metodene er imidlertid følsomme for variasjoner i bruksanvisningen og pasienttolkning. Forbedrede resultater er oppnådd ved å utføre treningsøkter med pasienten før PET-CT-bildebehandling. Men gitt at noen pasienter har problemer med å overholde disse pusteinstruksjonene på grunn av en svekket fysisk tilstand, kan suksess forbli variabel i en klinisk setting. Andre tilnærminger inkluderer bruk av respiratorisk utløst CT, hvor åndedrettssignalet brukes til å utløse CT-oppkjøpet34. Denne tilnærmingen i kombinasjon med ORG resulterte i en betydelig reduksjon i romlig mismatch mellom PET- og CT-bilder. I en studie som evaluerte en utløst til en standard CT-protokoll viste en økning i SUVmax og SUVgjennomsnitt på 5,7% ± 11,2% (P < 0,001) og 6,1% ± 10,2% (P = 0,001), henholdsvis. Selv om full 4D CT gating har blitt foreslått å matche PET og CT bilder, slike strategier er ikke aktuelt i rutinemessig klinisk praksis gitt en uakseptabelt høy stråling eksponering for pasienten. Ulike metoder for å redusere romlig mismatch mellom PET og CT bilder er fortsatt under evaluering for deres effektivitet og klinisk nytte.

Selv om åndedrettsbevegelse påvirker bildekvantifiseringen av PET-bilder betydelig, er det fortsatt mange andre tekniske faktorer som må tas i betraktning for å opprettholde reproduserbarhet og kvantitativ nøyaktighet av PET-bilder11. Disse faktorene er relatert til pasientforberedelse, bildeanskaffelsesinnstillinger og rekonstruksjonsprotokoller. Det er viktig å følge strenge oppkjøpsprotokoller, inkludert bruk av lignende pasientforberedelsesprosedyrer, vurdering av radiotraceropptak på bestemte tidspunkter, og skanne- og rekonstruksjonsparametere11,37. I denne forbindelse gir European Association of Nuclear Medicine (EANM) retningslinjer for kvantitative FDGPET–CT for multisentersammenligninger. Det har vist seg at harmonisering av bildeprotokoller ved hjelp av standardiserte retningslinjer resulterer i generell forbedret sammenlignbarhet av PET-bilder fra forskjellige institusjoner38.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikt.

Acknowledgments

Forfatterne vil gjerne takke Richard Raghoo for å gi PET-bildene vist i figur 1.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kostakoglu, L., Agress, H., Goldsmith, S. J. Clinical Role of FDG PET in Evaluation of Cancer Patients. Radiographics. 23 (2), 315-340 (2003).
  2. Grootjans, W., et al. PET in the management of locally advanced and metastatic NSCLC. Nature Reviews Clinical Oncology. 12 (7), 395-407 (2015).
  3. Croteau, E., et al. PET Metabolic Biomarkers for Cancer. Biomarkers in Cancer. 8, Suppl 2 61-69 (2016).
  4. Vlenterie, M., et al. Early Metabolic Response as a Predictor of Treatment Outcome in Patients With Metastatic Soft Tissue Sarcomas. Anticancer Research. 39 (3), 1309-1316 (2019).
  5. Barrington, S. F., Meignan, M. A. Time to prepare for risk adaptation in lymphoma by standardising measurement of metabolic tumour burden. Journal of Nuclear Medicine. 60 (8), 1096-1102 (2019).
  6. Grootjans, W., et al. Performance of automatic image segmentation algorithms for calculating total lesion glycolysis for early response monitoring in non-small cell lung cancer patients during concomitant chemoradiotherapy. Radiotherapy and Oncology. 119 (3), 473-479 (2016).
  7. Grootjans, W., Geus-Oei, L. F., Bussink, J. Image-guided adaptive radiotherapy in patients with locally advanced non-small cell lung cancer: the art of PET. Quarterly Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 62 (4), 369-384 (2018).
  8. Everitt, S., et al. Acute radiation oesophagitis associated with 2-deoxy-2-[18F]fluoro-d-glucose uptake on positron emission tomography/CT during chemo-radiation therapy in patients with non-small-cell lung cancer. Journal of Medical Imaging and Radiation Oncology. 61 (5), 682-688 (2017).
  9. Castillo, R., et al. Pre-radiotherapy FDG PET predicts radiation pneumonitis in lung cancer. Radiation Oncology. 74 (9), 1-10 (2014).
  10. Lee, J. W., Seo, K. H., Kim, E. S., Lee, S. M. The role of 18F-fluorodeoxyglucose uptake of bone marrow on PET/CT in predicting clinical outcomes in non-small cell lung cancer patients treated with chemoradiotherapy. European Radiology. 27 (5), 1912-1921 (2017).
  11. Aide, N., et al. EANM/EARL harmonization strategies in PET quantification: from daily practice to multicentre oncological studies. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 44, Suppl 1 17-31 (2017).
  12. Grootjans, W., et al. Amplitude-based optimal respiratory gating in positron emission tomography in patients with primary lung cancer. European Radiology. 24 (12), 3242-3250 (2014).
  13. Dawood, M., Büther, F., Lang, N., Schober, O., Schäfers, K. P. Respiratory gating in positron emission tomography: A quantitative comparison of different gating schemes. Medical Physics. 34 (7), 3067 (2007).
  14. Fayad, H., Lamare, F., Thibaut, M., Visvikis, D. Motion correction using anatomical information in PET/CT and PET/MR hybrid imaging. Quarterly Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 60 (1), 12-24 (2016).
  15. Nehmeh, S. A., et al. A novel respiratory tracking system for smart-gated PET acquisition. Medical Physics. 38 (1), 531-558 (2011).
  16. Boucher, L., Rodrigue, S., Lecomte, R., Bénard, F. Respiratory Gating for 3-Dimensional PET of the Thorax: Feasibility and Initial Results. Journal of Nuclear Medicine. 45 (2), 214-229 (2004).
  17. Kokki, T., et al. Linear relation between spirometric volume and the motion of cardiac structures: MRI and clinical PET study. Journal of Nuclear Cardiology. 23 (3), 475-485 (2016).
  18. van Elmpt, W., et al. Optimal gating compared to 3D and 4D PET reconstruction for characterization of lung tumours. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 38 (5), 843-855 (2011).
  19. Tsutsui, Y., et al. Accuracy of amplitude-based respiratory gating for PET/CT in irregular respirations. Annals of Nuclear Medicine. 28 (8), 770-779 (2014).
  20. Grootjans, W., et al. The impact of respiratory gated positron emission tomography on clinical staging and management of patients with lung cancer. Lung Cancer. 90 (2), 217-223 (2015).
  21. Van Der Gucht, A., et al. Impact of a new respiratory amplitude-based gating technique in evaluation of upper abdominal PET lesions. European Journal of Radiology. 83 (3), 509-515 (2014).
  22. Wijsman, R., et al. Evaluating the use of optimally respiratory gated 18F-FDG-PET in target volume delineation and its influence on radiation doses to the organs at risk in non-small-cell lung cancer patients. Nuclear Medicine Communications. 37 (1), 66-73 (2016).
  23. Grootjans, W., et al. The Impact of Optimal Respiratory Gating and Image Noise on Evaluation of Intratumor Heterogeneity on 18F-FDG PET Imaging of Lung Cancer. Journal of Nuclear Medicine. 57 (11), 1692-1698 (2016).
  24. Smeets, E. M. M., et al. Optimal respiratory-gated [18F]FDG PET/CT significantly impacts the quantification of metabolic parameters and their correlation with overall survival in patients with pancreatic ductal adenocarcinoma. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging Research. 9 (1), 1-10 (2019).
  25. Büther, F., Vehren, T., Schäfers, K. P., Schäfers, M. Impact of Data-driven Respiratory Gating in Clinical PET. Radiology. 281 (1), 229-238 (2016).
  26. Feng, T., et al. Self-Gating: An Adaptive Center-of-Mass Approach for Respiratory Gating in PET. IEEE Transactions on Medical Imaging. 37 (5), 1140-1148 (2018).
  27. Schleyer, P. J., O'Doherty, M. J., Marsden, P. K. Extenstion of a data-driven gating technique to 3D, whole body PET studies. Physics in Medicine & Biology. 56 (13), 3953-3965 (2011).
  28. Lamare, F., Fayad, H., Fernandez, P., Visvikis, D. Local respiratory motion correction for PET/CT imaging: Application to lung cancer. Medical Physics. 42 (10), 5903-5912 (2015).
  29. Lamare, F., et al. List-mode-based reconstruction for respiratory motion correction in PET using non-rigid body transformations. Physics in Medicine & Biology. 52 (17), 5187-5204 (2007).
  30. Manber, R., et al. Clinical Impact of Respiratory Motion Correction in Simultaneous PET/MR, Using a Joint PET/MR Predictive Motion Model. Journal of Nuclear Medicine. 59 (9), 1467-1473 (2018).
  31. Rank, C. M., et al. Respiratory motion compensation for simultaneous PET/MR based on highly undersampled MR data. Medical Physics. 43 (12), 6234-6245 (2016).
  32. Küstner, T., et al. MR-based respiratory and cardiac motion correction for PET imaging. Medical Image Analysis. 42, 129-144 (2017).
  33. Fayad, H., et al. The use of a generalized reconstruction by inversion of coupled systems (GRICS) approach for generic respiratory motion correction in PET/MR imaging. Physics in Medicine & Biology. 60 (6), 2529-2546 (2015).
  34. van der Vos, C. S., et al. Improving the Spatial Alignment in PET/CT Using Amplitude-Based Respiration-Gated PET and Respiration-Triggered CT. Journal of Nuclear Medicine. 56 (12), 1817-1822 (2015).
  35. van der Vos, C. S., et al. Comparison of a Free-Breathing CT and an Expiratory Breath-Hold CT with Regard to Spatial Alignment of Amplitude-Based Respiratory-Gated PET and CT Images. Journal of Nuclear Medicine Technology. 42 (4), 269-273 (2014).
  36. van der Vos, C. S., Meeuwis, A. P. W., Grootjans, W., de Geus-Oei, L. F., Visser, E. P. Improving the spatial alignment in PET/CT using amplitude-based respiratory-gated PET and patient-specific breathing-instructed CT. Journal of Nuclear Medicine Technology. 47 (2), 154-159 (2018).
  37. Houdu, B., et al. Why harmonization is needed when using FDG PET/CT as a prognosticator: demonstration with EARL-compliant SUV as an independent prognostic factor in lung cancer. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 46 (2), 421-428 (2019).
  38. Kaalep, A., et al. EANM/EARL FDG-PET/CT accreditation - summary results from the first 200 accredited imaging systems. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 45 (3), 412-422 (2018).

Tags

Kreftforskning utgave 161 Respiratorisk gating Bildekvantifisering Positron-utslippstomografi Ikke-småcellet lungekreft Radiomics Strålebehandlingsplanlegging
Håndtering av respirasjonsbevegelsesartefakter <sup>i 18</sup>F-fluorodeoksyglucose Positron Emission Tomografi ved hjelp av en amplitudebasert optimal respiratorisk gatingalgoritme
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Grootjans, W., Kok, P., Butter, J.,… More

Grootjans, W., Kok, P., Butter, J., Aarntzen, E. Management of Respiratory Motion Artefacts in 18F-fluorodeoxyglucose Positron Emission Tomography using an Amplitude-Based Optimal Respiratory Gating Algorithm. J. Vis. Exp. (161), e60258, doi:10.3791/60258 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter