Summary
Amplitude-gebaseerde optimale ademhalingsgating (ORG) verwijdert effectief ademhalingsvervaging uit klinische 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) positron emissietomografie (PET) beelden. Correctie van FDG-PET-beelden voor deze ademhalingsbewegingsartefacten verbetert de beeldkwaliteit, diagnostische en kwantitatieve nauwkeurigheid. Verwijdering van respiratoire bewegingsvoorwerpen is belangrijk voor een adequate klinische behandeling van patiënten die PET gebruiken.
Abstract
Positron emissietomografie (PET) in combinatie met röntgentomografie (CT) is een belangrijk moleculair beeldvormingsplatform dat nodig is voor een nauwkeurige diagnose en klinische enscenering van een verscheidenheid aan ziekten. Het voordeel van PET-beeldvorming is de mogelijkheid om een groot aantal biologische processen in vivo te visualiseren en te kwantificeren met een hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid. Er zijn echter meerdere factoren die de beeldkwaliteit en kwantitatieve nauwkeurigheid van PET-afbeeldingen bepalen. Een van de belangrijkste factoren die de beeldkwaliteit in PET-beeldvorming van de thorax en bovenbuik beïnvloeden, is ademhalingsbeweging, wat resulteert in respiratie-geïnduceerde bewegingsvervaging van anatomische structuren. Correctie van deze artefacten is vereist voor het bieden van een optimale beeldkwaliteit en kwantitatieve nauwkeurigheid van PET-beelden.
Er zijn verschillende ademhalingsgatingstechnieken ontwikkeld, die doorgaans afhankelijk zijn van de verwerving van een ademhalingssignaal gelijktijdig met PET-gegevens. Op basis van het verkregen ademhalingssignaal worden PET-gegevens geselecteerd voor reconstructie van een bewegingsvrij beeld. Hoewel is aangetoond dat deze methoden ademhalingsbewegingsartefacten effectief uit PET-beelden verwijderen, is de prestatie afhankelijk van de kwaliteit van het ademhalingssignaal dat wordt verkregen. In deze studie wordt het gebruik van een amplitude-based optimal respiratory gating (ORG) algoritme besproken. In tegenstelling tot veel andere ademhalingsgating algoritmen, ORG laat de gebruiker om controle over de beeldkwaliteit ten opzichte van de hoeveelheid afgewezen beweging in de gereconstrueerde PET-beelden hebben. Dit wordt bereikt door een optimaal amplitudebereik te berekenen op basis van het verworven surrogaatsignaal en een door de gebruiker gespecificeerde taakcyclus (het percentage PET-gegevens dat wordt gebruikt voor beeldreconstructie). Het optimale amplitudebereik wordt gedefinieerd als het kleinste amplitudebereik dat nog steeds de hoeveelheid PET-gegevens bevat die nodig is voor beeldreconstructie. Het werd aangetoond dat ORG resulteert in een effectieve verwijdering van respiratie-geïnduceerde beeldvervaging in PET-beeldvorming van de thorax en bovenbuik, wat resulteert in een betere beeldkwaliteit en kwantitatieve nauwkeurigheid.
Introduction
Positron Emission Tomography (PET) in combinatie met röntgengeïsfluïdeerografie (CT) is een algemeen aanvaard beeldvormingsinstrument in de klinische praktijk voor nauwkeurige diagnose en klinische enscenering van een verscheidenheid aan ziekten1. Het voordeel van PET-beeldvorming is de mogelijkheid om een groot aantal biologische processen in vivo te visualiseren en te kwantificeren met een hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid2. Dit wordt bereikt door intraveneus het toedienen van een radioactief geëtiketteerde verbinding, ook wel bekend als een radiotracer, aan de patiënt. Afhankelijk van de radiotracer die wordt gebruikt, kunnen weefselkenmerken zoals glucosemetabolisme, cellulaire proliferatie, mate van hypoxie, aminozuurtransport en expressie van eiwitten en receptoren worden gevisualiseerd en gekwantificeerd2.
Hoewel verschillende radiotracers zijn ontwikkeld, gevalideerd en gebruikt in de klinische praktijk, is de radioactieve glucoseanaloog 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) de meest gebruikte radiotracer in de klinische praktijk. Gezien het feit dat FDG zich voornamelijk ophoopt in cellen met een verhoogd glycolytisch tempo (d.w.z. cellen met verhoogde glucoseopname en conversie naar pyruvaat voor energieproductie), is het mogelijk om weefsels met verschillende metabolische toestanden te onderscheiden. Vergelijkbaar met glucose, de eerste stap van FDG opname is het vervoer van de extra cellulaire ruimte over het plasmamembraan naar de intra-cellulaire ruimte, die wordt vergemakkelijkt door glucose transporters (GLUT)3. Zodra de FDG zich in de intracellulaire ruimte bevindt, zal fosforylatie door hexokinasen resulteren in de productie van FDG-6-fosfaat. In tegenstelling tot glucose-6-fosfaat kan FDG-6-fosfaat echter niet in de Krebs-cyclus terechtkomen voor verdere aërobe dissimitatie als gevolg van de afwezigheid van een hydroxylgroep (OH) in de tweede (2') koolstofpositie. Gezien het feit dat de omgekeerde reactie, de dephosfolatie van FDG-6-fosfaat terug naar FDG, nauwelijks voorkomt in de meeste weefsels, wordt de FDG-6-fosfaat intracellulair gevangen3. Daarom is de mate van fdg-opname afhankelijk van de expressie van de GLUT (met name GLUT1 en GLUT3) op het plasmamembraan en de intracellulaire enzymatische activiteit van hexokinasen. Het concept van deze continue opname en overvulling van FDG wordt aangeduid als metabole vang. Het feit dat FDG zich bij voorkeur ophoopt in weefsels met een verhoogde metabolische activiteit wordt weergegeven in figuur 1a, waaruit de fysiologische verdeling van FDG bij een patiënt blijkt. Deze FDG-PET beeld toont een hogere opname in hart,hersenen, en leverweefsels, waarvan bekend is dat metabolisch actieve organen onder normale omstandigheden.
De hoge gevoeligheid voor het opsporen van verschillen in de metabole toestand van weefsels maakt FDG een uitstekende radiotracer voor het discrimineren van normaal van zieke weefsels, gezien het feit dat een veranderd metabolisme een belangrijk kenmerk is voor veel ziekten. Dit is gemakkelijk afgebeeld in figuur 1b, met een FDG-PET beeld van een patiënt met stadium IV niet-kleincellige longkanker (NSCLC). Er is een verhoogde opname in de primaire tumor en in gemetastaste laesies. Naast visualisatie speelt kwantificering van de opname van radiotracer een belangrijke rol in het klinisch beheer van patiënten. Kwantitatieve indices die zijn afgeleid van PET-beelden die de mate van opname van radiotracer weerspiegelen, zoals de gestandaardiseerde opnamewaarde (SUV), metabolische volumes en totale laesieglycolyse (TLG), kunnen worden gebruikt om belangrijke prognostische informatie te verstrekken en de behandelingsrespons voor verschillende patiëntengroepen4,5,6te meten . In dit verband wordt FDG-PET-beeldvorming steeds vaker gebruikt om radiotherapie en systemische behandeling bij oncologische patiënten te personaliseren7. Bovendien is het gebruik van FDG-PET voor het monitoren van acute behandeling geïnduceerde toxiciteit, zoals straling geïnduceerde sofagitis8, pneumonitis9 en systemische ontstekingsreacties10, beschreven en biedt het belangrijke informatie voor het nemen van beeldgestuurde behandelingsbeslissingen.
Gezien de belangrijke rol van PET voor klinisch management van patiënten, is beeldkwaliteit en kwantitatieve nauwkeurigheid belangrijk voor het adequaat begeleiden van behandelingsbeslissingen op basis van PET-beelden. Er zijn echter tal van technische factoren die kwantitatieve nauwkeurigheid van PET-afbeeldingen in gevaar kunnen brengen11. Een belangrijke factor die de beeldkwantificering in PET aanzienlijk kan beïnvloeden, is gerelateerd aan de langere acquisitietijden van PET in vergelijking met andere radiologische beeldvormingsmodaliteiten, meestal enkele minuten per bedpositie. Als gevolg hiervan worden patiënten meestal geïnstrueerd om vrij adem te halen tijdens PET-beeldvorming. Het resultaat is dat PET-beelden last hebben van ademhalingsbeweging, wat kan leiden tot aanzienlijke vervaging van organen in de thorax en bovenbuik. Deze door de luchtwegen veroorzaakte bewegingsvervaging kan een aanzienlijke aantasting van adequate visualisatie en kwantitatieve nauwkeurigheid van de opname van radiotracer aanzienlijk aantasten, wat van invloed kan zijn op het klinisch beheer van patiënten bij het gebruik van PET-beelden voor diagnose en enscenering, doelvolumedefinitie voor toepassingen voor het plannen van stralingsbehandeling en monitoring van therapierespons12.
Verschillende ademhalingsgating methoden zijn ontwikkeld in een poging om PET-beelden te corrigeren voor ademhalingsbeweging artefacten13. Deze methoden kunnen worden onderverdeeld in prospectieve, retrospectieve en datagestuurde gatingstrategieën. Prospectieve en retrospectieve ademhalingsgatingstechnieken zijn doorgaans afhankelijk van de verwerving van een surrogaatsignaal tijdens PET-beeldvorming14. Deze ademhalings surrogaat signalen worden gebruikt om te volgen en toezicht op de patiënt ademhalingscyclus. Voorbeelden van ademhalingsvolgapparatuur zijn detectie van borstwandexcursie met behulp van druksensoren12 of optische volgsystemen (bijvoorbeeld videocamera's)15, thermokoppels om de temperatuur van ademlucht16te meten , en spirometers om de luchtstroom te meten en daardoor indirect volumeveranderingen in de longen van de patiënt te schatten17.
Ademhalingsgating wordt dan meestal bereikt door continu en gelijktijdig een surrogaatsignaal (aangewezen S(t)) op te nemen, met de PET-gegevens tijdens het verkrijgen van het beeld. Met behulp van het verkregen surrogaatsignaal kunnen PET-gegevens worden geselecteerd die overeenkomen met een bepaalde ademhalingsfase of amplitudebereik (amplitude-based gating)12,13,18. Fasegebonden gating wordt uitgevoerd door elke ademhalingscyclus te verdelen in een vast aantal poorten, zoals afgebeeld in figuur 2a. Ademhalingsgating wordt vervolgens uitgevoerd door gegevens te selecteren die in een bepaalde fase tijdens de ademhalingscyclus van de patiënt zijn verkregen om te worden gebruikt voor beeldreconstructie. Op dezelfde manier is op amplitude gebaseerde gating gebaseerd op het definiëren van een amplitudebereik van het ademhalingssignaal, zoals blijkt uit figuur 2b. Wanneer de waarde van het ademhalingssignaal binnen het ingestelde amplitudebereik valt, worden de bijbehorende PET-listmodegegevens gebruikt voor beeldreconstructie. Voor retrospectieve gating-benaderingen worden alle gegevens verzameld en wordt het opnieuw binning van de PET-gegevens uitgevoerd na het verkrijgen van afbeeldingen. Hoewel toekomstige ademhalingsgatingsmethoden dezelfde concepten gebruiken als retrospectieve gating-benaderingen voor het opnieuw binning van PET-gegevens, zijn deze methoden afhankelijk van het prospectief verzamelen van gegevens tijdens het verwerven van afbeeldingen. Wanneer voldoende PET-gegevens worden verzameld, wordt de beeldverwerving afgerond. De moeilijkheid van dergelijke prospectieve en retrospectieve gating benaderingen is het handhaven van aanvaardbare beeldkwaliteit zonder aanzienlijke verlenging van beeld verwerving tijden wanneer onregelmatige ademhaling optreedt13. In dit verband zijn op fases gebaseerde ademhalingsgatingsmethoden bijzonder gevoelig voor onregelmatige ademhalingspatronen13,19, waarbij aanzienlijke hoeveelheden PET-gegevens kunnen worden weggegooid als gevolg van afwijzing van ongepaste triggers, wat resulteert in een aanzienlijke vermindering van de beeldkwaliteit of een onaanvaardbare verlenging van de beeldverwervingstijd. Bovendien, wanneer ongepaste triggers worden geaccepteerd, de prestaties van de ademhaling gating algoritme en daardoor de effectiviteit van de beweging afwijzing van de PET-beelden kan worden verminderd als gevolg van het feit dat ademhalingspoorten worden gedefinieerd in verschillende fasen van de ademhalingscyclus, zoals afgebeeld in figuur 2a. Er is namelijk gemeld dat op amplitudes gebaseerde ademhalingsgating stabieler is dan fasegebaseerde benaderingen in geval van onregelmatigheden in het ademhalingssignaal13. Hoewel amplitude-gebaseerde ademhaling gating algoritmen zijn robuuster in de aanwezigheid van onregelmatige ademhalingsfrequenties, deze algoritmen zijn gevoeliger voor baseline drifting van de luchtwegen signaal. Drifting van het basislijnsignaal kan optreden als gevolg van tal van redenen wanneer de spierspanning van de patiënt (d.w.z. de overgang van een patiënt in een meer ontspannen toestand tijdens het verkrijgen van het beeld) of ademhalingspatroon verandert. Om te voorkomen dat een dergelijk uitgangsspoor van het signaal afdrijft, moet ervoor worden gezorgd dat de volgsensoren veilig aan de patiënt worden bevestigd en dat het ademhalingssignaal regelmatig wordt gecontroleerd.
Hoewel deze problemen bekend zijn, traditionele ademhaling gating algoritmen staan slechts beperkte controle over de beeldkwaliteit en vereisen meestal een aanzienlijke verlenging van de beeldverwerving tijd of verhoogde hoeveelheden radiotracer worden toegediend aan de patiënt. Deze factoren resulteerden in beperkte goedkeuring van dergelijke protocollen in klinische routine. Om deze problemen in verband met de variabele kwaliteit van de ademhalingsgated beelden te omzeilen , is een specifiek type op amplitude gebaseerd gating-algoritme, ook wel optimale ademhalingsgating (ORG) genoemd, voorgesteld18. Respiratory gating met ORG stelt de gebruiker in staat om de beeldkwaliteit van de ademhalingsbeelden te specificeren door een taakcyclus te leveren als input voor het algoritme. De taakcyclus wordt gedefinieerd als een percentage van de verkregen PET-lijstmodusgegevens die worden gebruikt voor beeldreconstructie. In tegenstelling tot veel andere ademhalingsgating algoritmen, dit concept stelt de gebruiker in staat om direct te bepalen beeldkwaliteit van de gereconstrueerde PET-beelden. Op basis van de gespecificeerde taakcyclus wordt een optimaal amplitudebereik berekend, waarbij rekening wordt gehouden met de specifieke kenmerken van het gehele ademhalingss surrogaatsignaal18. Het optimale amplitudebereik voor een specifieke taakcyclus wordt berekend door te beginnen met een selectie van verschillende waarden voor de lagere amplitudelimiet, aangewezen (L), van het ademhalingssignaal. Voor elke geselecteerde ondergrens wordt de bovengrens van de amplitude, aangeduid (U), zodanig aangepast dat de som van de geselecteerde PET-gegevens, gedefinieerd als gegevens die zijn verkregen wanneer het ademhalingssignaal binnen het amplitudebereik valt (L
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle procedures waarbij menselijke deelnemers betrokken waren, waren in overeenstemming met de ethische normen van de interne toetsingscommissie (IRB) van het Radboud universitair medisch centrum en met de verklaring van Helsinki van 1964 en de latere wijzigingen of vergelijkbare ethische normen. Het ORG-algoritme is een leveranciersspecifiek product en is beschikbaar op de Siemens Biograph mCT PET/CT-scannerfamilie en nieuwere PET/CT-modellen.
1. Voorbereiding van de patiënt
- Patiënt anamnese
- Controleer de naam en geboortedatum van de patiënt. Inclusiecriteria zijn vergelijkbaar met routinematige niet-gated PET-scans. Er zijn geen aanvullende in- of uitsluitingscriteria vereist.
- Controleer het etiket geleverd met de spuit met de radiotracer (naam, geboortedatum en hoeveelheid activiteit).
OPMERKING: De hoeveelheid activiteit die aan de patiënt wordt toegediend, is afhankelijk van de lichaamsmassa van de patiënt en kan variëren tussen instellingen (in dit protocol wordt een bedrag van 3,2 MBq/kg voorgesteld). - Zorg ervoor dat de klinische informatie op het aanvraagformulier correct is door de patiënt te interviewen. Vraag de patiënt of er recente relevante veranderingen in de behandeling of medicatie.
- Vraag de patiënt of hij of zij diabetes mellitus (DM) heeft. In het geval dat de patiënt DM heeft, vraag dan of hij of zij de juiste voorbereiding heeft gevolgd (d.w.z. geen toediening van kortwerkende insuline minder dan 4 uur voorafgaand aan de PET-scan, of het gebruik van bloedglucoseverlagende middelen (zoals metformine).
- Vraag de patiënt of hij of zij allergieën heeft of antistollingsmiddelen gebruikt.
- Meet de bloedglucose van de patiënt door een druppel bloed toe te passen die is verkregen door de zijkant van de vingertop van de patiënt te prikken op een speciale teststrip (de serumglucose mag niet meer dan 11,0 mmol/L bedragen).
- Leg de voorbereidings- en beeldvormingsprocedures van de patiënt aan de patiënt uit.
- Administratie van de radiotracer
- Beveilig veneuze toegang tot de patiënt door het inbrengen van een perifere veneuze canule in een van de antecubital aderen.
- Bevestig een drieweg stop pik systeem met Luer slot aan een 20 mL spuit met zout (dit is de secundaire spuit).
- Spoel de drie weg stop pik systeem met zout (met het oog op deaeratie).
- Bevestig de drie weg stop pik met spuit aan het einde van de veneuze canule.
- Controleer of de veneuze canule patent is door zorgvuldig 10 mL zout door de canule te spoelen (vraag de patiënt of hij of zij klachten heeft tijdens het spoelen).
- Bevestig de spuit met de radiotracer (primaire spuit) aan de drieweg stop pik. Draai de kleppen van de drie weg stop pik, zodat de stroomrichting van vloeistof door het systeem loopt van de spuit met de radiotracer naar de perifere veneuze canule. Beheer de radiotracer door langzaam de zuiger van de spuit te duwen (de spuit met de tracer wordt in een speciale loodschilde container geplaatst).
- Draai de kleppen van de drieweg stophaan zodanig dat de spuit met zoutoplossing is aangesloten op de primaire spuit (die de radiotracer bevatte) en spoel de spuit door om eventuele resterende radiotracer uit de spuit te spoelen.
- Draai de kleppen van de drieweg stophaan en duw de zuiger van de primaire spuit om eventuele resterende radiotracer die in de spuit blijft aan de patiënt toe te dienen.
- Herhaal stap 1.2.7. en 1.2.8. drie keer.
- Draai de drieweg stop pik (om terugstroom van bloed uit de ader van de patiënt te voorkomen) en los de primaire spuit. Bevestig een derde spuit met furosemide, draai de drieweg stop pik opnieuw en toedien 0,5 g/kg furosemide (met een maximale hoeveelheid van 10 mg) door de zuiger van de spuit te duwen. Verwijder de perifere veneuze canule en druk uit te oefenen op de punctieplaats met behulp van een steriel verband. Controleer of er geen significante bloedingen en van de punctieplaats en bevestig het verband met behulp van medische tape.
- Incubatie van patiënten
- Laat de patiënt 50 minuten rusten in een comfortabele positie, bij voorkeur in een slecht verlichte ruimte.
- Na 50 minuten, instrueer de patiënt om hun blaas ongeldig te maken.
- Begeleid de patiënt na 55 minuten naar de scanner en plaats de patiënt met de armen omhoog op het scannerbed. Gebruik de juiste armsteun om het zo comfortabel mogelijk te maken voor de patiënt. Als de patiënt niet in staat is om zijn of haar armen te verheffen, kan scannen worden uitgevoerd met de armen positie naast de patiënt.
- Observeer het ademhalingspatroon van de patiënt en bevestig de ademhalingsriem rond de thorax van de patiënt (meestal is de positie net onder de ribbenkast optimaal). Zorg ervoor dat de sensor wordt geplaatst op een locatie waar de buikwandexcursie wordt geïdentificeerd na visuele inspectie (meestal 5-7 cm van de middellijn). Beveilig de riem rond de patiënt met behulp van het slotsluitingssysteem op basis van klittenband.
- Controleer op het scannerdisplay of het ademhalingssignaal binnen de grenzen van het minimum- en maximumbereik blijft (als het ademhalingssignaal knipt, bevestig of draai de riem op de juiste manier aan).
- Tip: Zorg ervoor dat de riem stevig genoeg rond de borst van de patiënt is bevestigd. Gezien het feit dat patiënten na enige tijd in een meer ontspannen toestand komen, daalt het ademhalingssignaal meestal (baseline drift van het signaal). Dit voorkomt dat het signaal uit te gaan van grenzen, waardoor een hoge kwaliteit van surrogaat signaal dat wordt gebruikt voor ademhalingsgating.
- Begin met scannen op 60 minuten na de incubatietijd.
2. Beeldverwerving en -reconstructie
- Protocolselectie
- Selecteer het protocol van de hele behuizing op de scanner. Dit kan worden gedaan door de cursor over de juiste protocolcategorie te verplaatsen (aangegeven door de cirkels naast het patiëntpictogram op de examenkaart) en op het juiste protocol(figuur 3)te klikken.
- Het ORG acquisitieprotocol start met een scoutscan (topogram) van de patiënt. Druk op de starttoets van de scanner (gele ronde toets met stralingsbord) op de scannercontrolebox(figuur 4)om de aanschaf van het topogram te starten. Als u de overname van het topogram wilt stoppen of afbreken, drukt u op respectievelijk de toets opschorten of stoppen.
- Begin met het plannen van de PET bed posities op het topogram. Dit kan door op de linkermuisknop op het bovensteogram te klikken en het scanbereik in te stellen.
- Selecteer de bedposities die moeten worden gecorrigeerd voor ademhalingsbeweging(figuur 5).
LET OP: Dit zijn de 'gated' bed posities die de thorax bedekken. De 'gated' bed posities worden vastgelegd in listmode. Afhankelijk van de klinische indicatie kunnen ook bedposities die de bovenbuik bedekken worden afgesloten (bijvoorbeeld wanneer beeldvorming is aangegeven voor lever- of alvleesklierlaesies). Voor de niet-gated bed posities, is het alleen nodig om de sinogrammen voor beeldreconstructie op te nemen. - Stel de opnametijd in voor de PET-bedposities(figuur 5).
OPMERKING: Afhankelijk van de hoeveelheid geïnjecteerde activiteit moet de scanduur van de niet-gated bedposities worden aangepast om voldoende beeldkwaliteit te leveren. Bovendien wordt de opnametijd van de niet-gated bedposities in combinatie met de taakcyclus die wordt gebruikt voor beeldreconstructie van de gated bedposities, de opnametijd van de gated bedposities bepaald. Bijvoorbeeld, voor een duty cycle van 35%, verlenging van de scan met factor 3 levert ongeveer vergelijkbare statistieken voor gated en niet-gated bed posities. Voorgesteld beeldvormingsprotocol in het Radboud Universitair Medisch Centrum is een opnametijd voor niet-gated bedposities van 2 minuten, terwijl voor gated bedposities de opnametijd 6 minuten is met behulp van een duty cycle van 35% - Na het instellen van de acquisitieparameters houdt u de starttoets (gele ronde knop met een stralingsbord) ingedrukt op de controlekast van de scanner en wacht u tot het scannerbed weer in de startpositie is geplaatst. Druk nogmaals op de starttoets om een CT-scan met een lage dosis van de patiënt (van kop tot voeten) te verkrijgen. Na het aanschaf van de CT-scan drukt u op de starttoets om de PET-scan te starten.
- Controleer tijdens het verkrijgen van het beeld regelmatig de patiënt en de kwaliteit van het ademhalingssignaal (pas indien nodig de ademhalingsriem aan).
OPMERKING: Aanpassing van de gordel mag alleen worden uitgevoerd wanneer er geen gated bedposities van de luchtwegen zijn verworven. Daarom moeten aanpassingen worden gedaan voor of nadat deze bedposities zijn verworven. Aanpassing van de riem tijdens de verwerving van de gated bed positie zal de kwaliteit van de ORG beelden beïnvloeden. Zorgvuldige observatie van het ademhalingssignaal en mogelijke aanpassing van de ademhalingsriem voordat de gated bedposities worden verdwaalt, is nodig om significante uitgangsafdrijving van het signaal tijdens het scannen van PET tegen te gaan.
- Beeldreconstructie
- Bekijk het verkregen ademhalingssignaal en selecteer de juiste taakcyclus voor de gated bedposities (figuur 6).
LET OP: Het amplitudebereik dat wordt gebruikt voor ademhalingsgating wordt op het ademhalingssignaal geplaatst). Controleer op inconsistenties of uitgangsafwijkingen in het ademhalingssignaal die de kwaliteit van de ademhalingsgating kunnen beïnvloeden. - Selecteer het protocol voor afbeeldingsreconstructie dat is geoptimaliseerd voor weergave(figuur 7). Dit is meestal een hoge resolutie beeldreconstructie protocol met kleinere voxel maten voor detectie van kleine laesies. Het is van belang om te beseffen dat het ORG-algoritme het optimale amplitudebereik zal berekenen met behulp van het volledige ademhalingssignaal van de geselecteerde bedposities. Hoewel verschillende taakcycli kunnen worden gebruikt voor verschillende bedposities (bijvoorbeeld om te corrigeren voor een wisselend kwaliteitssignaal, wordt het niet aangeraden om verschillende taakcycli te gebruiken voor verschillende bedposities, aangezien dit variaties in beeldkwaliteit tussen verschillende bedposities zal introduceren.
OPMERKING: Hier is een voorbeeld afbeelding reconstructie protocol voor het bekijken:- Algoritme: TrueX + TOF (UltraHD PET)
- Aantal iteraties:3
- Aantal subsets: 21
- Matrixgrootte: 400 × 400
- Post-reconstructie filtering, kernel (3D Gaussian), volledige breedte halve maximum (FWHM): 3,0 mm
- Taakcyclus 35%
- Reconstrueer de PET-beelden verder met een protocol dat voldoet aan het Research4Life (EARL) initiatief voor kwantitatieve PET-beeldvorming. Dit zijn meestal afbeeldingen met een lagere resolutie met specifieke post-reconstructie filtering toegepast.
OPMERKING: Hier is een voorbeeld afbeelding reconstructie protocol voor beeld kwantificering:- Algoritme: TrueX + TOF (UltraHD PET)
- Aantal iteraties: 3
- Aantal subsets: 21
- Matrixgrootte: 256
- Post-reconstructie filtering, kernel (3D Gaussian), volledige breedte halve maximum (FWHM): 8,0 mm
- Taakcyclus 35%
- Stuur de gereconstrueerde afbeeldingen naar het PACS-archief. De beelden zijn nu klaar om te worden geëvalueerd door de nucleaire arts
- Bekijk het verkregen ademhalingssignaal en selecteer de juiste taakcyclus voor de gated bedposities (figuur 6).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het gebruik van ORG in PET resulteert in een algehele vermindering van de ademhaling-geïnduceerde vervaging van de beelden. Bijvoorbeeld, in een klinische evaluatie van patiënten met niet-kleincellige longkanker (NSCLC), ORG resulteerde in de detectie van meer longlaesies en hilar / mediastinale lymfeklieren20. Dit wordt gemakkelijk aangetoond in figuur 8 en figuur 9, met niet-gated en ORG PET-beelden van patiënten met NSCLC.
Org resulteerde met name in managementveranderingen bij patiënten met vroege ziektestadia (I-IIB) waarbij detectie van extra laesies van lymfeklieren de voorgeschreven behandeling en aanvullende diagnostische procedures aanzienlijk kan beïnvloeden. Deze resultaten worden bevestigd door een onderzoek uitgevoerd door van der Gucht et al. voor laesies in de bovenbuik21. Het gebruik van ORG resulteerde in de detectie van meer laesies bij FDG-PET van patiënten met lever- en perihepatically gelokaliseerdletsel. Hoewel deze resultaten ondersteunen dat het gebruik van ORG kan leiden tot een betere diagnose en enscenering van patiënten, blijft de exacte klinische impact van ORG onduidelijk.
Beeldkwantificering wordt aanzienlijk beïnvloed toen ORG werd gebruikt om PET-beelden te corrigeren voor ademhalingsbeweging, met name voor longletsels in de buurt van het middenrif en hilare gebieden van de longen. In een studie onderzoek naar de effecten van ORG bij 66 longkanker patiënten, was er een statistisch significante toename van de gemiddelde SUV (SUVgemiddelde) opname in de ORG beelden met betrekking tot de niet-gated PET-beelden. Vergeleken met de niet-gated PET-beelden, de ORG PET-beelden toonde een toename van SUVgemiddelde van 6,2±12,2% (p<0,0001), 7,4±1 3,3% (p<0,0001) en 9,2±14,0% (p<0,0001), voor bedrijfscycli van 50%, respectievelijk 35% en 20%12.
Bovendien werd een statistisch significante daling van de metabolische volumes van de laesies waargenomen toen ORG werd uitgevoerd. Deze volumes werden gesegmenteerd met behulp van een regio groeiende vaste drempel (40% van de maximale opname (SUVmax)) segmentatie algoritme. Er was een daling van 6,9±19,6% (p=0,02),8,5±19,3% (p<0,0001) en 11,3±20,2% (p<0,0001) voor cycli van 50%, 35%, en 20% respectievelijk12. De aanzienlijke toename van de opname en afname van het metabolische volume duidt op een effectieve verwijdering van door ademhaling veroorzaakte beeldvervaging van de PET-beelden wanneer ORG wordt uitgevoerd. Bovendien werd aangetoond dat de invloed van ademhalingsbeweging artefacten op kwantificering van laesie opname en volume was afhankelijk van anatomische locatie. Er was slechts een aanzienlijke toename van SUVgemiddelde en daling van het volume voor laesies gelegen in de onderste longlebben en centraal (met name hilariteit) gelegen laesies. Het effect van anatomische locatie wordt gemakkelijk aangetoond in figuur 10, met twee verschillende NSCLC-laesies bij één patiënt. Bovendien, het vergelijken van de ORG PET beelden gereconstrueerd beelden met een duty cycle van 35% om hun niet-gated gelijkwaardige beelden bleek dat de niveaus van beeldruis vergelijkbaar zijn, waaruit blijkt dat de beeldkwaliteit constant wordt gehouden bij het gebruik van ORG12.
De relatie tussen de taakcyclus en beeldruis werd aangetoond door de variatiecoëfficiënt (COV) van fdg-opname in onaangetaste longhaarchyma te berekenen. Het COV in niet-gated beelden met behulp van alle beschikbare gegevens was gemiddeld 26,1±6,4%, terwijl het COV in ORG PET-beelden gereconstrueerd met een duty cycle van 20% was 39,4±7,5%. Er was een niet-significant verschil in COV tussen ORG PET-beelden gereconstrueerd met een duty cycle van 35% (32,8±6,4%) en hun niet-gated equivalente beelden (31.8±5.6%). Figuur 11 toont twee verschillende PET-pet-afbeeldingen van de ORGANISATIE en niet-gated PET-afbeeldingen met verschillende statistische kwaliteit. Dit cijfer toont aan dat het verlagen van de taakcyclus de hoeveelheid ruis verhoogt, terwijl de kwaliteit van het PET-beeld van de ORGANISATIE wordt gereconstrueerd met een taakcyclus van 35% en het niet-gated equivalente beeld constant wordt gehouden. Hoewel ORG resulteert in een aanzienlijke vermindering van het laesievolume zoals gekwantificeerd op PET-beelden, leverde de absolute vermindering van het volume geen significante spaarzaamheid op van de stralingsdosis die tijdens de planning van radiotherapie aan de risicoorganen (OARs) werd geleverd, zoals blijkt uit een andere studie22.
Het vervagende effect van ademhalingsbewegingen beïnvloedt ook de kwantificering van intra-tumor heterogeniteit. In een cohort van 60 NSCLC-patiënten resulteerde ORG in statistisch significante verschillen in textuurfunctie kwantificering van laesies in het midden- en onderste longklobben23. Voor de textuurkenmerken; nadruk met hoge intensiteit (HIE), entropie, zonepercentage (ZP) en ongelijkheden, de relatieve stijging bedroeg 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) tussen de ORG PET-afbeeldingen en hun niet-gated gelijkwaardige PET-afbeeldingen. Kwantificering van intra-tumor heterogeniteit werd niet significant beïnvloed voor laesies in de bovenste longkwabben. De gemiddelde daling van deze textuurkenmerken bedroeg 1,0% ± 7,7% (p = 0,3), 0,35% ± 1,8% (p = 0,3), 1 9%± 13,2% (p = 0,4) en 0,4% ± 2,7% (p = 0,5), voor ongelijksoortigheid, entropie, HIE, respectievelijk ZP. Bovendien was er geen significant verschil tussen ORG- en niet-gated PET-afbeeldingen voor centraal gelegen letsels, met een gemiddelde stijging van 0,58% ± 3,7% (P = 0,6), 5,0% ± 19,0% (P = 0,4), 0,59% ± 4,0% (P = 0,9) en 4,4% ± 27,8% (P = 0,4), voor entropie, ongelijkheden, ZP en HIE respectievelijk. Hoewel de kwantificering van textuurkenmerken aanzienlijk werd beïnvloed voor laesies in de middelste en onderste longklobben, werden de multivariate Cox regressiemodellen ter overleving niet significant beïnvloed23. Naast de kwantificering van intra-tumor heterogeniteit van longlaesies, kan ademhalingsbeweging leiden tot significante veranderingen in kwantificering van intra-tumor heterogeniteit van laesies in de bovenste buikstreek. Dit wordt gemakkelijk aangetoond in een studie die het effect van ORG onderzoekt op de kwantificering van patiënten met een pancreaslijmadenocarcinoom (PDAC)24. Verwijdering van respiratoire bewegingsartefacten uit PET-afbeeldingen met behulp van ORG heeft een aanzienlijke invloed op de kwantificering van textuurkenmerken in PDAC-laesies. Opgemerkt werd dat de correlatie van de berekende textuurkenmerken met algehele overleving aanzienlijk werd beïnvloed.
Figuur 1: a) Fysiologische verdeling van 18F-fluorodeoxyglycose (FDG) bij een patiënt die positron emissietomografie (PET) imaging onderging. Er is een aanzienlijke opname van FDG in het hart, de hersenen en de lever van de patiënt. b) Verhoogde FDG-opname in meerdere longen, lymfeklieren en verre metastasen bij een patiënt met stadium IV niet-kleincellige longkanker (NSCLC), waaruit de preferentiële opname van FDG bij kankerlaesies blijkt in vergelijking met de meeste andere niet-aangetaste weefsels. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: Fase- en amplitude-gebaseerde gating in positron emissie tomografie (PET). a) Fasegebonden gating, b) op amplitude gebaseerde gating en c) optimale ademhalingsgating (ORG). Tijdens fasegebonden gating wordt elke ademhalingscyclus onderverdeeld in een vast aantal poorten (in dit geval 4). Gegevens die in een specifieke poort worden verzameld, worden gebruikt om een afbeelding te reconstrueren waaruit de belangrijkste ademhalingsbewegingscomponenten worden verwijderd. Amplitude-gebaseerde gating is gebaseerd op de definitie van een boven- en ondergrens. Amplitude-gebaseerde ademhalingsgating benaderingen meestal vertrouwen op specificatie van een amplitude-bereik door de gebruiker. Gegevens die worden verzameld wanneer de ademhalingssignalen binnen het gedefinieerde amplitudebereik vallen, worden gebruikt voor beeldreconstructie. Het optimale algoritme voor het gaten van de luchtwegen (ORG) maakt gebruik van een dergelijke amplitude-gebaseerde aanpak en berekent een optimaal amplitudebereik op basis van de taakcyclus (percentage van de PET-gegevens dat nodig is voor beeldreconstructie) dat wordt verstrekt. Het kleinste amplitudebereik dat nog steeds de opgegeven hoeveelheid gegevens bevat die nodig is voor beeldreconstructie (totale som van de gebieden die in blauw zijn gearceerd) wordt geselecteerd als het optimale amplitudebereik (W). Om dit te bereiken, past het ORG-algoritme de bovengrens (U) aan voor verschillende waarden van de ondergrens (L). Over het algemeen zal het verhogen van het aantal poorten of het verminderen van het amplitudebereik resulteren in een effectievere afstoting van ademhalingsbewegingen ten koste van een verhoogd beeldgeluid. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: Selectie van het juiste beeldvormingsprotocol. Een vooraf gedefinieerd beeldvormingsprotocol kan worden geselecteerd door een protocol uit een specifieke categorie te selecteren (door de muis over de protocolcategorieën (aangegeven door het rode vak) te hooveren en een protocol te selecteren in het vervolgkeuzemenu). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: Verschillende toetsen op de controlekast van de Siemens mCT- en Horizon PET/CT-scanners. 1) Move Key, gebruikt om de patiëntentafel naar de volgende meetpositie te verplaatsen, 2) Patiëntsleutel lossen: gebruikt om de patiënttafel naar de lospositie te verplaatsen na beeldverwerving, 3) Startsleutel: Gebruikt om een scan te activeren, het stralingswaarschuwingsbord (4) licht op tijdens beeldverwerving, 4) Stralingswaarschuwingslamp: Geeft aan en geeft een waarschuwingssignaal wanneer de röntgenbuis is ingeschakeld, 5) Hang toets op: Wordt gebruikt om de scanprocedure te houden. Dit is de voorkeursmethode voor het onderbreken van een scan voor de voltooiing. De optie opschorten maakt het opnieuw opstarten van het beeldprotocol op het punt gestopt, 6) Hoor patiëntsleutel: Druk op deze toets om de patiënt te horen, de lichtdiode gaf aan dat de luisterverbinding actief is, druk nogmaals op deze toets om de luisterverbinding vrij te geven, 7) Luidspreker, 8) Bel de patiëntsleutel: Houd deze sleutel ingedrukt tijdens het spreken met de microfoon (10) om instructies te geven aan de patiënt, 9) Stop-toets: Wordt gebruikt om onmiddellijk de scanprocedure te stoppen, gebruikt in geval van een noodsituatie, 10) Microfoon. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: Na de verwerving van het topogram moet de aanschaftijd van verschillende bedposities worden gespecificeerd (op het tabblad 'Routine'). In dit voorbeeld worden de gated bedposities gedurende 6 minuten geregistreerd (bed 2), terwijl de niet-gated bedposities in 2 minuten worden verworven (bed 1 en3). Gated bedposities (oranje gemarkeerd in het bovensteogram) kunnen worden ingesteld door de optie 'Fysio' in de tweede kolom in te stellen op 'Aan'. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: De ademhalingsgolfvorm van de patiënt wordt weergegeven in het bovenste deel van het dashboard samen met een histogram van de ademhalingsfrequentie (onderste deel) op het tabblad 'Trigger'. De taakcyclus kan worden geselecteerd uit het vervolgkeuzemenu aan de rechterkant (in dit geval 35%). Dit protocol heeft een standaard beeldaanwinsttijd van 6 minuten per bedpositie voor gated bedposities en 2 minuten voor niet-gated bedposities. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7: Selectie van het protocol voor beeldreconstructie ('Recon'), details van de beeldreconstructie kunnen voor elk protocol worden opgegeven door de relevante velden in te vullen. Voor het bekijken wordt een protocol voor beeldreconstructie met hoge resolutie geadviseerd om details te geven in de gereconstrueerde PET-beelden. Voor de kwantificering van de opname van radiotraceren op PET-beelden wordt het gebruik van een EARL-conforme reconstructieprotocol geadviseerd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 8: Niet-gated en optimale gated (ORG) FDG-PET-CT beelden van een patiënt met niet-kleincellige longkanker (NSCLC). Dit cijfer toont niet-gated (a) en ORG PET (b) beelden van een hilar lymfeklier in station X bij een patiënt met een eenzame NSCLC laesie in de linker onderste kwab. Het PET-beeld van de ORGANISATIE wordt gereconstrueerd met een taakcyclus van 35%. Vermindering van de vervagende effecten van ademhalingsbewegingen zou hebben geleid tot upstaging van deze patiënt van cT1N0M0 naar cT1N1M0 en de vereiste voor histologische evaluatie van de hilarlymfeklier met behulp van endobronchiale echografie (EBUS). Dit cijfer is gewijzigd van Grootjans et al. (Longkanker 2015). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 9: Niet-gated (a) en optimale ademhalingsgated (ORG) (b) FDG-PET-CT beeld van een primaire NSCLC laesie en satellietlaesie in het rechter longgevestum. De primaire laesie wordt aangegeven door een 'p' terwijl de satellietlaesie wordt aangegeven door een 's' in dit cijfer. Ademhalingsproblemen bij deze patiënt resulteerden in een verbeterd contrastherstel van satellietlaesies die grenzen aan de primaire laesie. De aanwezigheid van de laesie werd bevestigd op follow-up CT-beeldvorming, hoewel deze bevindingen niet significant zou hebben beïnvloed klinisch beheer voor deze patiënt, ORG resulteerde in detectie van bovendien longletsels. Dit cijfer is gewijzigd van Grootjans et al. (Longkanker 2015). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 10: Niet-gated en optimale ademhaling gated (ORG) FDG-PET-CT beelden van een patiënt met NSCLC laesies in de linker onderste kwab en long hilum. Dit voorbeeld toont het effect van door ademhaling veroorzaakte bewegingsvervaging op visualisatie en kwantificering van NSCLC-laesies. a) Niet-gated PET-beeld met een laesie in de linker onderste kwab, b) ORG PET beeld, gereconstrueerd met een duty cycle van 35% van een laesie in de linker onderste kwab, c) Niet-gated PET beeld beeltenis van een laesie in de linker long hilum, d) ORG PET beeld, gereconstrueerd met een duty cycle van 35% van een laesie in de linker long hilum. Bij deze patiënt wordt de laesie in het longgevestum onderworpen aan aanzienlijke ademhalingsbeweging, die een groot effect op de kwantificering van de opname van laesies en het metabolische volume vertoont wanneer ORG wordt uitgevoerd. Voor deze laesie werd een toename van de gemiddelde gestandaardiseerde opnamewaarde (SUVmean) van 31,9% en een afname van het metabolische volume van 23,0% waargenomen. Het effect van ademhalingsbewegingen op de kwantificering van de opname en het volume van laesies was respectievelijk 5,3% en 1,9% voor de laesie in de bovenste longkwab. Dit cijfer is gewijzigd van Grootjans et al. (Eur Radiol 2014). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 11: Vergelijking van optimaal gated (ORG) en niet-gated PET-beelden met verschillende tellingstatistieken bij een patiënt met stadium IV niet-kleincellige longkanker (NSCLC). In de linkerkolom (a en c) worden de niet-gated PET-beelden weergegeven die zijn gereconstrueerd met alle (a) en 35% (c) van de opgenomen gegevens. Uit het vergelijken van beelden a en c blijkt dat het geluidsniveau wordt verhoogd wanneer er minder gegevens worden gebruikt voor beeldreconstructie, met name op het gebied van relatief homogene opname, zoals de lever (aangegeven met een sterretje '*'). De kolom aan de rechterkant (b en d) toont de ORG PET-beelden gereconstrueerd met 50% en 35% duty cycle. Deze beelden laten zien dat de hoeveelheid ruis wordt verhoogd wanneer de taakcyclus wordt verlaagd. Als we de niet-gated PET-afbeelding(c) vergelijken met het PET-equivalent(d)van de ORG, blijkt dat het door de luchtwegen veroorzaakte vervagingseffect wordt verminderd in het org-beeld, wat wordt weerspiegeld door de schijnbare grootte van de gemetastaseerde laesie in de bijnier (aangegeven met een plusteken '+') en nierkalibers van de linkernier (aangegeven met een 'x'). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In de nucleaire geneeskunde gemeenschap, de verslechterende effecten van de luchtwegen artefacten in PET-beeldvorming zijn goed erkend voor een lange tijd. Het is aangetoond in vele studies dat het vervagende effect van ademhalingsbeweging artefacten kan aanzienlijk invloed hebben op beeldkwantificering en laesie detecteerbaarheid. Hoewel er verschillende ademhalingsgatingsmethoden zijn ontwikkeld, wordt ademhalingsgating momenteel niet op grote schaal gebruikt in de klinische praktijk. Dit is met name te wijten aan een resulterende variabele beeldkwaliteit, onaanvaardbare verlenging van beeldverwervingstijden en niet-ideale integratie van ademhalingsgating in een klinisch full body imaging protocol. Het voordeel van ORG is dat het een gemakkelijke integratie mogelijk maakt in een standaard PET-beeldvormingsprotocol voor het hele lichaam, waardoor het mogelijk is om meerdere gated en niet-gated bedposities naadloos te integreren in één afbeelding. Bovendien houdt het ORG-algoritme bij de berekening van het optimale amplitudebereik rekening met specifieke kenmerken van het gehele ademhalingssignaal, zoals plateaufasen, terwijl de gebruiker de mogelijkheid heeft om de beeldkwaliteit van de gereconstrueerde PET-beelden rechtstreeks te specificeren door de taakcyclus op te geven. Echter, vergelijkbaar met veel andere ademhaling gating methoden, ORG vereist het gebruik van externe sensoren die wordt gebruikt om ademhaling gating uit te voeren. Bovendien wordt, afhankelijk van de gebruikte accijnscyclus, een aanzienlijke hoeveelheid PET-gegevens weggegooid en niet gebruikt voor de reconstructie van het uiteindelijke beeld. Daarom is een succesvolle ademhalingsgating met ORG afhankelijk van het adequaat volgen van ademhalingsbewegingen met behulp van externe sensoren en het verlengen van beeldverwervingstijden of de hoeveelheid toegediende activiteit aan de patiënten. De moeilijkheid in verband met het gebruik van sensoren inspireerde de ontwikkeling van datagestuurde of sensorloze ademhalingsgating approaches25,26,27. Deze datagestuurde technieken laten de eis voor een extern surrogaatsignaal weg door informatie over ademhalingsbewegingen uit de PET-lijstgegevens zelf te halen. Dergelijke datagestuurde technieken zijn ontwikkeld door meerdere PET-leveranciers en zijn voorgesteld als klinisch toepasbare alternatieven voor sensorgebaseerde methoden, waardoor routinematige PET-ademhalingsgating in de klinische praktijk wordt vergemakkelijkt.
Naast het uitsluitend extraheren van informatie over ademhalingsbewegingen uit PET-gegevens, maken nieuwere methoden het mogelijk om alle PET-gegevens te gebruiken voor beeldreconstructie28. Deze bewegingsgecompenseerde beeldreconstructies worden uitgevoerd door PET-gegevens elastisch om te zetten van verschillende ademhalingsfasen naar één beeld waaruit bewegingsartefacten worden verwijderd. In vergelijking met traditionele sensorgebaseerde ademhalingsgating vereist de bewegingsgecompenseerde reconstructie geen verlenging van de beeldaanwinsttijd en voorkomt u het gebruik van extra hardware tijdens het gating. Deze methoden verwijderen effectief ademhalingsbewegingen van PET-beelden met behoud van beeldkwaliteit29. Bovendien zijn met de opkomst van hybride PET en magnetic resonance (MR) imaging verschillende methoden ontwikkeld die gebruik maken van bewegingsinformatie die is afgeleid van MR om PET-beelden30,31,32,33te corrigeren . Hoewel deze methoden al enige tijd bestaan in een onderzoeksomgeving, zijn de eerste datagestuurde ademhalingsgatingsmethoden op de markt gekomen. Echter, de meeste van deze methoden zijn nog steeds in actieve ontwikkeling en continue verbetering en grotere klinische studies zijn nodig om de prestaties en robuustheid van dergelijke algoritmen te evalueren.
Hoewel de ademhalingsgatingsmethoden vooral gericht zijn op het corrigeren van PET-beelden voor ademhalingsbewegingsartefacten, houden deze algoritmen meestal geen rekening met de verkregen CT-gegevens. In de klinische praktijk wordt CT met een lage dosis (LD) meestal uitgevoerd zonder ademhalingsinstructies te geven. Registratie van een LDCT die wordt verworven wanneer de patiënt vrij ademt, kan leiden tot een aanzienlijke ruimtelijke mismatch tussen het omheinde PET en LDCT, met name voor anatomische structuren die bewegen tijdens de ademhaling34. Naast het nauwkeurig lokaliseren van de opname van radiotracer, wordt de LDCT gebruikt voor dempingscorrectie van de PET-beelden. Daarom kan het effect van een ruimtelijke mismatching tussen PET en CT diepgaande kwantitatieve onnauwkeurigheden in PET introduceren, met name wanneer de opname van radiotracer zich in de buurt van structuren met grote dichtheidsverschillen bevindt, zoals long- en botweefsel. Verschillende auteurs hebben verschillende methoden onderzocht om beeldacquisitie te synchroniseren om ruimtelijke mismatching tussen PET- en CT-afbeeldingen te verminderen. Een voorgestelde methode omvat het verstrekken van ademhalingsinstructies aan de patiënt tijdens CT-acquisitie. Hoewel de standaard CT-ademhalingsinstructies in combinatie met ORG geen verbetering in ruimtelijke matching tussen CT en PET35opleverden, resulteerden patiëntspecifieke instructies op basis van hetzelfde ademhalingssignaal en het amplitudebereik dat voor ORG werd gebruikt , in een algehele verbetering van de ruimtelijke overeenkomst tussen PET en CT36. Deze methoden zijn echter gevoelig voor variaties in de instructies van de machinist en de interpretatie van de patiënt. Verbeterde resultaten zijn behaald door het uitvoeren van trainingen met de patiënt voor PET-CT beeldvorming. Echter, gezien het feit dat sommige patiënten moeite hebben met het naleven van deze ademhalingsinstructies als gevolg van een verminderde fysieke conditie, succes kan variabel blijven in een klinische omgeving. Andere benaderingen zijn het gebruik van de door de luchtwegen geactiveerde CT, waarbij het ademhalingssignaal wordt gebruikt om de CT-acquisitie34te activeren. Deze aanpak in combinatie met ORG resulteerde in een aanzienlijke vermindering van ruimtelijke mismatch tussen PET- en CT-beelden. In een studie evaluatie van een geactiveerd om een standaard CT-protocol toonde een toename van SUVmax en SUVgemiddelde van 5,7% ± 11,2% (P < 0,001) en 6,1% ± 10,2% (P = 0,001), respectievelijk. Hoewel volledige 4D CT gating is voorgesteld om PET- en CT-beelden aan te passen, zijn dergelijke strategieën niet van toepassing in de routineklinische praktijk, gezien een onaanvaardbaar hoge blootstelling aan straling aan de patiënt. Verschillende methoden voor het verminderen van de ruimtelijke mismatch tussen PET- en CT-beelden worden nog geëvalueerd voor hun effectiviteit en klinisch nut.
Hoewel ademhalingsbeweging de beeldkwantificering van PET-beelden aanzienlijk beïnvloedt, blijven er nog vele andere technische factoren waarmee rekening moet worden gehouden om de reproduceerbaarheid en kwantitatieve nauwkeurigheid van PET-beelden11te behouden . Deze factoren zijn gerelateerd aan de voorbereiding van de patiënt, de instellingen voor het verkrijgen van beeldvorming en reconstructieprotocollen. Het is belangrijk om zich te houden aan strikte acquisitieprotocollen, waaronder het gebruik van soortgelijke patiëntvoorbereidingsprocedures, beoordeling van de opname van radiotracer op specifieke tijdstippen en scan- en reconstructieparameters11,37. In dit verband geeft de European Association of Nuclear Medicine (EANM) richtlijnen voor kwantitatieve FDGPET-CT voor vergelijkingen met meerdere centra. Het is aangetoond dat harmonisatie van beeldvormingsprotocollen met behulp van gestandaardiseerde richtlijnen resulteert in een algehele verbeterde vergelijkbaarheid van PET-beelden van verschillende instellingen38.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren geen belangenconflict.
Acknowledgments
De auteurs willen Richard Raghoo bedanken voor het verstrekken van de PET-beelden getoond in figuur 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 |
References
- Kostakoglu, L., Agress, H., Goldsmith, S. J. Clinical Role of FDG PET in Evaluation of Cancer Patients. Radiographics. 23 (2), 315-340 (2003).
- Grootjans, W., et al. PET in the management of locally advanced and metastatic NSCLC. Nature Reviews Clinical Oncology. 12 (7), 395-407 (2015).
- Croteau, E., et al. PET Metabolic Biomarkers for Cancer. Biomarkers in Cancer. 8, Suppl 2 61-69 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Castillo, R., et al. Pre-radiotherapy FDG PET predicts radiation pneumonitis in lung cancer. Radiation Oncology. 74 (9), 1-10 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Nehmeh, S. A., et al. A novel respiratory tracking system for smart-gated PET acquisition. Medical Physics. 38 (1), 531-558 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Büther, F., Vehren, T., Schäfers, K. P., Schäfers, M. Impact of Data-driven Respiratory Gating in Clinical PET. Radiology. 281 (1), 229-238 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Küstner, T., et al. MR-based respiratory and cardiac motion correction for PET imaging. Medical Image Analysis. 42, 129-144 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
