Medicine

Tout le corps et Quantification régionale d’homme actif brun tissu adipeux à l’aide de ¹⁸F-FDG TEP/CT

Published: April 1, 2019 doi: 10.3791/58469

Katherine Kim¹, Shan Huang², Laura A. Fletcher¹, Alana E. O'Mara¹, Ilan Tal³, Robert J. Brychta¹, Aaron M. Cypess¹, Kong Y. Chen¹, Brooks P. Leitner¹

¹Diabetes, Endocrinology, and Obesity Branch, National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, National Institutes of Health, ²National Cancer Institute, National Institutes of Health, ³Division of Nuclear Medicine and Molecular Imaging, Department of Radiology, Beth Israel Deaconess Medical Center, Harvard Medical School

Summary

Avec le logiciel gratuit, open-source, nous avons développé une approche analytique afin de quantifier le volume total et régionales tissu adipeux brun (TAB) et l’activité métabolique de BAT à l’aide de ¹⁸F-FDG TEP/CT.

Abstract

Chez les animaux endothermes, tissu adipeux brun (TAB) est activé pour produire de la chaleur pour avoir défendu la température du corps en réponse au froid. Capacité de chauve-souris à dépenser de l’énergie a fait une cible potentielle pour des traitements novateurs améliorer l’obésité et troubles métaboliques associés chez les humains. Bien que ce tissu a été bien étudié chez de petits animaux, capacité thermogène de chauve-souris chez l’homme reste largement inconnue en raison des difficultés de mesurer son volume, l’activité et distribution. Identifier et quantifier les actif homme chauve-souris sont fréquemment exécutée à l’aide de la tomographie par émission de ¹⁸F-fluorodésoxyglucose (¹⁸F-FDG) et la tomodensitométrie (TEP/CT) analyse après l’activation de froid-exposition ou pharmacologique. Nous décrivons ici une approche d’analyse d’images détaillées afin de quantifier l’homme chauve-souris de ¹⁸F-FDG TEP/CT balaye en utilisant un logiciel open-source complète du corps. Nous démontrons le dessin des régions définies par l’utilisateur d’intérêt pour identifier le tissu adipeux métaboliquement actif tout en évitant les tissus non-BAT communs, mesure BAT volume et activité et afin de caractériser davantage sa répartition anatomique. Bien que cette approche rigoureuse est fastidieux, nous pensons qu'il fournira en fin de compte une fondation pour développer de futurs algorithmes de quantification BAT automatisés.

Introduction

L’augmentation de la prévalence de l’obésité dans le monde¹ a conduit une enquête sur les nouvelles thérapeutiques pour prévenir et atténuer l’obésité et ses complications associées. L’obésité est due en partie à l’excès d’énergie stockée dans le tissu adipeux blanc (WAT) sous forme de triglycérides². Tissu adipeux brun (TAB) diffère de WAT, notamment en raison de sa teneur plus élevée en mitochondries, gouttelettes lipidiques plus petits et multiloculaires, distribution anatomique distincte, plus grande innervation sympathique et capacité de production de chaleur. Bien que BAT a jadis été considérée n’existent que dans les petits mammifères et chez le nouveau-né, la présence de BAT fonctionnelle a été confirmée chez l’homme adulte en 2009³^,⁴^,⁵. La capacité thermogène de l’homme chauve-souris n’est pas encore connue, mais une vaste étude chez de petits animaux a montré que la thermogenèse non-frissons peut constituer jusqu'à 60 % de leur métabolisme au cours de l’exposition froid⁶. En conséquence, homme chauve-souris est maintenant examiné comme une cible pour le traitement et la prévention de l’obésité et des troubles connexes⁷. Plusieurs études cliniques ont montré que la thermogenèse correspond au glucose accru l’absorption et la dépense énergétique lors de l’activation par exposition au froid doux⁸^,⁹^,¹⁰. Pourtant, la contribution de chauve-souris à la thermogenèse induite par le froid reste controversé¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴, avec beaucoup de discussion centrée sur la façon de quantifier l’homme chauve-souris¹⁵. Pour mieux comprendre si la thermogenèse peut être exploitée pour lutter contre l’obésité, il est essentiel de disposer d’une mesure précise de son volume et l’activité métabolique.

Obtenir des mesures précises de chauve-souris est difficile en raison de la distribution d’anatomique unique de chauve-souris chez l’homme. BAT est distribué dans les dépôts adipeux blancs dans le cou, thorax et abdomen chez les sites qui sont inaccessibles aux simples biopsies¹⁴. Autopsies ont été utilisées pour caractériser les chauve-souris anatomiquement¹⁶, mais ils sont infaisable pour la plupart fait de grandes études de laboratoires de recherche et ne peut pas fournir d’informations longitudinales ou fonctionnelles. Comme BAT a une densité similaire à WAT et peut survenir dans les couches fasciales étroites ou petites poches entrecoupées de WAT¹⁶, il est difficile d’identifier à l’aide d’une technique d’imagerie unique, conventionnelle. Cette hétérogénéité rend également plus difficile que la quantification des structures homogènes tels que le foie¹⁷quantification automatique des chauve-souris.

Pour surmonter ces défis, l’activité et le volume de la chauve-souris sont communément quantifiés en couplant la tomodensitométrie (TDM) et la tomographie par émission de positrons (PET). Le glucose radioactif analogique ¹⁸F-Fluourodeoxyglucose (¹⁸F-FDG) est le plus largement utilisé traceur pour étudier BAT activité métabolique¹⁸. Le tissu adipeux peut être différencié des autres tissus et air d’après les informations de densité de l’image de CT en unités Hounsfield (HU). Pour animaux de compagnie images montrent la quantité de ¹⁸F-FDG absorbé dans un volume de tissu en unités de valeurs normalisées de l’absorption (SUV). MTD active peut être séparé du tissu avec l’absorption de traceur non significatifs, y compris WAT et BAT inactif, en enregistrant des images PET avec correspondant de tomographie par ordinateur et en choisissant un seuil approprié de SUV.

Par le biais de cet article, nous visons à fournir une approche étape par étape avec une vidéo d’instruction qui peut être utilisée par les chercheurs de la cliniques pour quantifier l’homme chauve-souris en utilisant ¹⁸F-FDG TEP/CT scans. Cette technique d’analyse image sert idéalement après que sujet (s) ont été exposés au froid ou traités avec des stimulants pharmacologiques de chauve-souris. Plus précisément, nous démontrons aux utilisateurs sur la façon de construire des régions d’intérêt (ROIs) tout en minimisant les faux positifs en utilisant un logiciel de traitement d’image gratuit, open-source (ImageJ) avec un plug-in spécifique (petctviewer.org). Le résultat de cette approche permet d’étudier les BAT volume, l’activité (absorption de glucose) et distribution anatomique chez les sujets de l’étude individuelle.

Protocol

Toutes les images de la TEP/CT montrés dans ce manuscrit ont été obtenus auprès de participants au protocole n ° 12-DK-0097 (identificateur de ClinicalTrials.gov NCT01568671) de la National Institutes of Health. Tous les participants eu consentement éclairé, et toutes les expériences ont été approuvées par l’Institutional Review Board du National Institute of Diabetes et digestives et les maladies des reins.

1. Installation du logiciel

Télécharger ImageJ du imagej.net ou utilisez le lien petctviewer.org pour télécharger des Fidji.
Remarque : La version 64 bits de ImageJ est nécessaire pour les jeux avec plus de 1000 images.
Téléchargez et appliquez le TEP/CT Viewer plug-in pour ImageJ, suivant les instructions d’installation de petctviewer.org. Consulter ce site pour un guide complet de visionneuse de TEP/CT et n’oubliez pas de vérifier les mises à jour régulières du logiciel et le lien vers les instructions générales (http://sourceforge.net/p/bifijiplugins/wiki/Brown%20fat%20Volume/).

2. chargement des Images TEP/CT

Télécharger les trois piles suivants des images dans la TEP/CT Viewer plug-in : atténuation corrigé PET (CPet), atténuation non corrigé PET (UPet) et atténuation corrigée CT (CT). Télécharger des images à l’aide d’une des deux méthodes (Figure 1).
1. Méthode 1 : Drag-and-drop
  1. Glisser-déplacer depuis l’explorateur de fichier CT, CPet et UPet filesets.
  2. Cliquez sur « Oui » sur les trois invites qui s’affichent (ouvert tous les X images dans « dossier » comme une pile), laissant les cases à cocher dans les invites non contrôlé.
  3. Lorsque tous les trois ensembles sont chargés, aller à la barre d’outils ImageJ, sélectionnez « plug-ins » et faites défiler le menu déroulant pour sélectionner « visionneuse de Pet-ct ».
2. Méthode 2 : Les études de lecture de CD ou un emplacement sur le disque :
  1. Affecter un nom de lieu au groupe de données dans l’onglet « Configuration » attribuer un « chemin DICOM » en cliquant sur « Parcourir » et naviguer dans un dossier de stockage haut niveau contenant tous les ensembles d’images.
    Remarque : DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) est un format de fichier couramment utilisé pour les images médicales et le « chemin DICOM » désigne l’ensemble des dossiers qui contient toutes les images brutes de DICOM.
  2. Revenir à l’onglet « Lecture » où des analyses individuelles (d’un sujet et une seule date) deviendra sélectionnables pour le traitement de l’image.
  3. Sélectionnez l’objet, appuyez sur « Lire » et ImageJ automatiquement télécharger tous les trois ensembles associés et lancer la visionneuse de TEP/CT.
Charger un jeu déjà fabriqué des ROIs dans la visionneuse de TEP/CT en cliquant sur le bouton « charger » dans l’éditeur de « graisse brune, ROIs ».
Note : ImageJ permettra uniquement un fichier .csv ROI issu de la série actuelle de CT, CPET et UPET images à charger.

3. navigation dans la TEP/CT Viewer plug-in

Attendez que le spectateur de TEP/CT à apparaître après chargement dans une nouvelle fenêtre avec trois points de vue distincts des images TEP/CT, présente, soit individuellement ou fusionnés.
1. Cliquez sur le bouton « MIP » en haut à gauche de la visionneuse de TEP/CT pour remplacer l’un des deux autres fenêtres offrant une vue fusionnée de TEP/CT. Toutefois, si ce bouton est cliqué sur seulement une fois, à l’importation ne sera plus disponible.
  Remarque : Le MIP ou la projection de l’intensité maximale est une image corporelle bidimensionnelle, pleine, affichant uniquement les pixels avec une intensité plus élevée dans chaque tranche axial.
2. Cliquez sur le bouton « MIP » à nouveau pour ramener la MIP ; vues de la TEP/CT, CT et MIP fusionné devraient être maintenant disponibles.
Changer l’orientation de l’image MIP avec le « >> », touches « F » et « S » en haut de la visionneuse de PET-CT.
Modifier l’orientation de l’animal de compagnie, CT et images fusionnées de TEP/CT aux plans axiales, coronales ou sagittales, en utilisant les trois boutons à gauche de la loupe.
Cliquez sur la loupe dans la barre d’outils en haut de la visionneuse de PET-CT pour activer la fonction de la molette de défilement de la souris.
1. Zoom sur toutes les vues (à l’exception du PSM) en faisant défiler avec la loupe sélectionnée.
2. Naviguer dans les tranches sur toutes les vues (à l’exception du PSM) en faisant défiler lorsque la loupe n’est pas sélectionnée.
  Remarque : En cliquant sur le MIP va aussi changer les tranches TEP et CT à la localisation anatomique au niveau du curseur.
Sélectionnez « Modifier » en haut à gauche de la barre d’outils, puis sélectionnez « Graisse brune, ROIs » dans le menu déroulant qui s’affiche. Une nouvelle boîte de dialogue apparaîtra. Assurez-vous que les options suivantes sont sélectionnées avant de commencer la quantification :
1. Cochez les cases « Utiliser SUV » et « Utilisation CT ».
2. Sélectionnez l’un des trois critères d’inclusion voxel (« Any », « Moyenne » ou « All »).
  Remarque : « Any » a été utilisé dans Leitner et coll. 2017¹⁹. Pour une explication détaillée des autres options, reportez-vous à petctviewer.org.
3. Sélectionnez « Intérieur » d’appliquer l’algorithme de détection de chauve-souris pour examiner les voxels à l’intérieur (plutôt qu’à l’extérieur) le domaine du ROI.
Limites SUV entrée BAT dans la première rangée des champs de texte libre de cette boîte de dialogue.
1. Entrée une limite inférieure de SUV normalisée à l’individu mesuré ou prédite maigre masse corporelle et un plafond suffisant pour accueillir une activité élevée niveaux¹⁹^,²⁰.
  Remarque : BAT maximales vus ctscan ~ 75 g/mL ont été signalés dans les précédentes études¹⁷; ainsi, 100 g/mL est une limite supérieure raisonnable.
La gamme de densité BAT dans la deuxième rangée des champs de texte libre d’entrée.
Remarque : Une limite inférieure de HU-300 et la limite supérieure de HU-10 utilisaient Leitner et coll. 2017¹⁹ et une plage de -190 à-10 HU a été également précédemment recommandée²¹.
Cochez la case située sous « Vol * signifie » afin que tous les voxels réputée être BAT sera surligné en bleu tandis que la fenêtre « brun graisse, retour sur investissement » est ouverte.
Remarque : Le SUVmax s’affiche en rouge et le nombre réglable à côté de cette case à cocher détermine l’épaisseur des tons clairs.
Tirer la ROIs
1. Cliquez sur le bouton « Draw » dans le « tissu adipeux brun, ROI » boîte de dialogue. Tous les clics réalisés au sein de la fenêtre du visualiseur TEP/CT seront considérés des points qui composent les ROIs.
  1. Cliquez n’importe où au sein d’une des trois vues pour commencer à dessiner un retour sur investissement.
    Remarque : Un minimum de trois points est nécessaire pour former un retour sur investissement. Double-cliquez sur après le premier ou le deuxième point automatiquement supprimer les points et laisser le ROI mode dessin.
  2. Fermer et stocker le retour sur investissement en double-cliquant après la définition de plus de deux points.
Compilation des ROIs pour obtenir le volume total de BAT
1. Tirer les ROIs dans le plan axial pour obtenir le volume total de chauve-souris.
  Remarque : Il est plus facile d’avoir un maximum d’un retour sur investissement par tranche axial. Dont plus d’un retour sur investissement par tranche peut conduire à chevauchement par inadvertance. Voxels identifiés comme BAT en chevauchant les régions serait alors compté plus d’une fois vers le volume total de chauve-souris.
2. Valeur de début et fin de « couper la limite » de la même tranche, afin que le ROI ne s’appliqueront qu’à la tranche actuelle axiale (par exemple à partir de tranche = 90 et se terminant tranche = 90).
3. Cercle un depot de chauve-souris (par exemple dans la région sus-claviculaire gauche) sans terminer le retour sur investissement. Continuer le retour sur investissement en traversant une ligne reliant le corps au segment distant de chauve-souris. Placez le deuxième dépôt de chauve-souris et double cliquez sur le point précédemment identifié au début de la région de 2^nd . Ajuster les points de retour sur investissement que nécessaire pour réduire davantage la possibilité de faux positifs.
4. Label, que le retour sur investissement basé sur le plan anatomique pour toute référence ultérieure à l’aide de la zone de texte en bas à gauche de la boîte de dialogue.
Suppression des ROIs non désirés
1. Supprimer un retour sur investissement indésirable juste après achèvement.
  1. Double-cliquez n’importe où dans la visionneuse de TEP/CT pour terminer le retour sur investissement non désiré.
  2. Cliquez sur le bouton avec l’icône de casier de recyclage dans la boîte de dialogue « graisse brune, retour sur investissement ».
  3. Cliquez sur « Oui » lorsque vous êtes invité si l’utilisateur souhaite supprimer le ROI actuel.
2. Supprimer un retour sur investissement rapidements.
  1. Sélectionnez le retour sur investissement souhaité en utilisant le haut ou vers le bas de flèches à côté du numéro de retour sur investissement.
  2. Cliquez sur le bouton de recyclage.
    Remarque : Une fois que le ROI a été supprimée, les numéros associés à chaque retour sur investissement supérieur à la volonté ROI supprimée en conséquence se déplacent vers le bas dans l’ordre (par exemple si le ROI #2 est supprimé, ROI #3 deviendra #2 et #4 de ROI deviendra #3 et ainsi de suite). ROIs étiquetées simplifier ce processus.
Enregistrement des ROIs
1. Cliquez sur le bouton « Enregistrer » et fournissez un nom de fichier pour enregistrer les ROIs remplis dans un fichier .csv.
  Remarque : Il est recommandé que les ROIs être sauvé par intervalles de 10 tranches afin que le progrès ne sont pas perdu. Les fichiers .csv peut être ouvert dans un programme d’éditeur ou de la feuille de calcul texte et contient toutes les données pertinentes sur les chauve-souris identifiées à chaque ROI, y compris le volume, l’activité, SUVmean, etc changer les valeurs dans un tableur peuvent modifier le format de fichier et le rendre illisible dans ImageJ.

4. quantification confiné BAT

Utilisez ces conseils généraux pour identifier BAT dans toutes les régions du corps.
1. Éviter les sections d’encadrant tissu de haute densité ou les contrastes de l’activité, comme minute questions co-enregistrement peuvent introduire des faux positifs.
  Remarque : Gardez à l’esprit que les dépôts de chauve-souris sont souvent symétriques, une propriété qui vous aidera à l’identification visuelle de chauve-souris.
Repères anatomiques uniques comme forme vertébral, autres structures osseuses et la présence d’organes permet d’identifier la région anatomique actuelle. Éviter les structures propres à la région, connus pour produire des faux positifs.
1. Identifier les chauves-souris de la région cervicale (vertèbres C3-C7).
  1. Accédez à la vue axiale à la troisième vertèbre cervicale (C3).
    Remarque : Les régions C1-C2 peuvent également contenir des chauve-souris, mais BAT la détection est susceptible d’être confondu par une consommation élevée de FDG dans le cerveau et les muscles squelettiques.
  2. Commencer le ROI sur le côté latéral de l’entrepot de tissu adipeux, évitant les muscles autour de l’apophyse épineuse de la vertèbre du cou et en créant une frontière juste postérieure au bord inférieur de la mandibule.
  3. Exclure la thyroïde, qui peut-être avoir une densité similaire et niveau d’activité comme la chauve-souris (Figure 2 a et 2 b).
2. Identifier les chauves-souris de la région de tronculaire (vertèbres C5-C7).
  1. Inclure ce dépôt petit, sous-cutanée de chauve-souris.
    Remarque : Il apparaît symétriquement dans le lard du dos près de C5-C7, Figure 2 b.
  2. Soigneusement comprennent seulement où se produit une activité métabolique du tissu adipeux sous-cutané.
3. Identifier les chauves-souris de la région sus-claviculaire (vertèbres C7-T3 ; Devant la colonne vertébrale, postérieur au médiastin)
  1. Commencer le dessin le ROI un côté plus superficiel, à proximité de la région BAT très active.
    Remarque : Les chauve-souris peut s’étendre à la zone autour de la tête de l’humérus.
  2. Évitez la zone directement au-dessus de la trachée, qui contient la glande thyroïde, et enferme le ROI, afin que les faux positifs près de muscles de la nuque et les poumons sont exclus.
4. Identifier les chauves-souris de la région axillaire (vertèbres T3-T7).
  1. Trouver axillaire BAT comme une progression de la région sus-claviculaire.
  2. Sélectionnez BAT près où le bras commence à se séparer de la torse, mais éviter les côtes et les poumons.
    Remarque : Ces dépôts de graisse passera finalement à WAT sous-cutanée sur la ligne médio axillaire.
5. Identifier les chauves-souris de la région médiastinale (vertèbres T1-T7 ; Anterior) :
  Remarque : Chauve-souris peut s’accumuler autour de l’intégralité du sternum pour certaines personnes.
  1. Sélectionnez BAT où le sternum commence à apparaître au début du T2 près de la région antérieure de la cavité thoracique de l’individu et continuez les ROIs inférieurement jusqu'à la fin du processus xiphoïde.
6. Identifier les chauves-souris dans la région de paraspinal (vertèbres T1-T12), en dessinant des ROIs autour BAT entourant le corps, pas l’apophyse épineuse, de la vertèbre.
  1. Begin y compris paraspinal BAT depuis l’apparition de la première côte au bord inférieur du C7.
  2. N’incluez pas les espaces entre les nervures, où sont localisés les muscles intercostaux.
7. Identifier le BAT dans la région abdominale (inférieure à T12).
  1. Évitez les uretères, qui ont une densité similaire à la chauve-souris et les niveaux d’activité très élevé. (Figure 2D).
  2. Trace de graisse active entourant directement les reins, jusqu'à ce que l’activité métabolique n’est plus présent.
  3. Ajuster les ROIs abdominales dans cette région afin d’exclure les uretères si le voxel SUVmax apparaît dans ou près de la partie médiale des reins.

5. Assurance-qualité

Examinez le MIP pour n’importe quel faux positifs évidents après que ROIs ont été dessinés sur toutes les tranches axiales mesurées entre les vertèbres C3 à autour de L3-4.
Assurez-vous que le voxel SUVmax rouge est dans une région qui contient des chauve-souris, plutôt que des structures telles que les uretères, qui affichent des valeurs de densité similaires aux chauve-souris et des valeurs très élevées de SUV.
Enregistrez le fichier .csv final lorsque certain que tous les BAT a été identifié et tous les faux positifs ont été exclus.

6. segmentation BAT en dépôts individuels

Remarque : La section suivante se concentre uniquement sur la quantification des dépôts régionaux de BAT¹⁷. Les étapes ne sont pas nécessaires pour obtenir l’activité et du volume BAT tout le corps.

Générer un masque de chauve-souris dans l’éditeur de « brun graisse, retour sur investissement » (Figure 1).
Remarque : Le masque est défini comme un régénérée PET image contenant seul SUV des valeurs de voxels confirmé comme chauve-souris dans la ROIs créé lors des étapes précédentes du présent protocole. La valeur SUV pour tous les autres voxels est définie sur 0.
1. TEP/CT Viewer ainsi dégagés avec tous les chauve-souris identifiées ou rouvrir TEP/CT Viewer dans le menu déroulant « Plug-Ins » et charger des ROIs sauvés au-dessus.
  1. Ouvrez les trois ensembles d’analyse du sujet.
  2. Ouvert le « tissu adipeux brun, ROI » boîte de dialogue.
2. Sélectionnez l’onglet « masque » et appuyez sur « Make PET masqué ».
3. Attendez une boîte supplémentaire s’affiche, avec le nom de fichier en commençant par « DUP_... »
4. Fermez le spectateur de la TEP/CT, mais laisser qu'ouvert les boîtes individuelles (avec les balayages de CT et PET) et puis ré-ouvrez une nouvelle fenêtre de visionneuse de TEP/CT.
5. Sélectionnez les cases à trois cocher suivants dans la boîte de dialogue qui s’affiche : l’ensemble de la CT, UPET définie et la dernière CPET set (c.-à-d. le CPET définie plus proche du bas de la liste) - c’est le fichier contenant le masque généré précédemment.
6. Modifier l’affichage des images TEP/CT à sagittale et commencez à dessiner tous les ROIs pour début d’analyse de l’ensemble de la région à la même tranche sagittale.
  Remarque : L’orientation de l’image MIP ne changera pas. En outre, la tranche plus centrale (c.-à-d., le long du centre de la colonne vertébrale) est un bon emplacement de départ.
7. Tranche de changement limites de plage de tranche 1 à la dernière tranche dans le scan en cours d’analyse.
8. Décochez le seuil de densité (HU) et changer la limite inférieure du seuil PET (SUV) à 0,01 SUV d’exclure tout non-BAT voxels, qui ont maintenant une valeur SUV de 0. Cochez la case au-dessus de la touche « Next Draw ».
  1. Régions d’étiquette en tapant l’étiquette souhaitée (par exemple « col de l’utérus », « sus-claviculaire », etc.) dans le champ texte en bas à gauche de la boîte de dialogue « graisse brune, retour sur investissement ».
Tirage au sort et l’étiquette le retour sur investissement du col (Figure 3 a) en commençant en haut du C3 et en étendant le ROI C7, tracer une ligne sous le corps de C7 avant de fermer le retour sur investissement.
Tirage au sort et étiquette les sus-claviculaires ROI (Figure 3 b).
1. Commencer à C7, mais ne pas le comprennent le corps de la vertèbre thoracique tout en prolongeant le retour sur investissement en T3, puis l’étendre la bordure gauche du ROI jusqu’au sommet de la manubrium du sternum.
2. Aligner la bordure droite du ROI avec le bord antérieur du corps de la vertèbre thoracique inclus dans cette région.
Tirer et marquer le retour sur investissement axillaire (Figure 3C).
1. Commencer à T3, mais ne pas le comprennent le corps des vertèbres thoraciques tout en étendant le retour sur investissement à T7, puis l’étendre la bordure gauche du ROI court le corps du sternum.
2. Ligne de la bordure droite du ROI avec le bord antérieur du corps de la vertèbre thoracique inclus dans cette région.
Tirer et marquer le retour sur investissement du médiastin (Figure 3d) en englobant le sternum ensemble au sein d’un seul ROI.
Dessiner et étiquetez le ROI Paraspinal (Figure 3e) commençant à T1, y compris toutes les vertèbres thoraciques (jusqu'à T12) dans le retour sur investissement.
1. Ligne de la bordure gauche du ROI avec le bord antérieur du corps des vertèbres thoraciques.
  Étendre l’application de la bordure droite du ROI BAT tous dans la région est incluse.
Dessiner et marquer le retour sur investissement abdominale (Figure 3f) en commençant en haut de la L1 et comprennent toute chauve-souris qui ne faisaient pas dans aucune des autres régions précédentes dans le ROI abdominale.
Tirage au sort et étiquette le tronculaire ROI (Figure 3 g).
1. Inclure la région de lard dorsal près du col de l’utérus et le haut de la région de paraspinal ; C’est lorsque le corps du sujet a fait contact avec le lit de balayage.
Cocher « Afficher tout » pour afficher la ROIs de toutes les régions d’aligner tous les ROIs pour empêcher le chevauchement ou la sous-estimation.
1. Position du périmètre des ROIs adjacentes rincer entre eux, ce qu’aucun BAT n’est inclus dans deux régions, ou qu’aucune chauve-souris n’existe pas dans toutes les régions.
2. Observer à l’importation depuis les points de vue avant et latéraux pour vérifier si toutes les tranches sont inclus dans les régions délimitées. Vérifier les limites de la tranche s’il y a des zones qui ne sont pas soulignés en bleu (étape 6.2.2).
Enregistrer les données finales dans un nouveau fichier .csv. Ce fichier contiendra les totaux régionaux ou moyennes pour tous les paramètres de la chauve-souris de chaque dépôt identifié.

Representative Results

BAT est quantifiée par une série d’étapes de traitement post-acquisition d’images comme illustré à la Figure 1. Seuils de TEP et CT sont utilisés pour identifier des voxels qui sont métaboliquement actifs et ont la densité du tissu adipeux. Toutefois, certains voxels répondant à ces critères peuvent se produire dans des endroits anatomiques non susceptibles de contenir des chauve-souris. Pour éviter ces faux positifs, les TEP, CT et les informations anatomiques doivent tous être considérés lors de l’élaboration des ROIs (Figure 2). Plusieurs régions communes à inclure et à éviter lors de la quantification des corps entier BAT chez les sujets stimulée par le froid sont illustrées à la Figure 2, tels que BAT cervicale métaboliquement actives contre les glandes salivaires, cordes vocales et thyroïde (Figure 2 a et 2 b) ; sus-claviculaires BAT vs frissons musculaires près des frontières de l’air et de tissus solides (par exemple , les muscles intercostaux) (Figure 2) ; et abdominale BAT vs les calices du rein comme ils clairement étiqueté glucose (Figure 2D). Après que le ROI de chaque tranche axial est compilées, dépôts de chauve-souris peuvent être segmentées dans le plan sagittal pour examiner intra / inter individu différences régionale activation BAT (Figure 3).

Figure 1. Flux schématique des étapes du traitement de Image. Tout d’abord, images de PET et images CT correspondantes sont téléchargés dans le plug-in TEP/CT (A). Après que les ROIs axiales sont tracées sur chaque tranche de TEP/CT (B), chaque voxel répondant à des critères la PET et CT sont identifiées en bleu (C). Un masque est généré à partir de ces BAT-identifiés voxels (D), qui est remplacés par le PET scan corrigé original (E), et les dépôts sont segmentés dans la vue sagittale (F). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2. Axial BAT sélection de région d’intérêt et des espaces communs pour éviter dans plusieurs dépôts BAT. Tranches axiales d’une image fusionnée de TEP/CT (colonnes 1 et 2) et une image de projection d’intensité maximale (MIP, colonne 3) avec des lignes vertes pour indiquer la hauteur de tranche d’après un scan acquis après froid-une stimulation. ROIs de vert sont des zones de drawnaround avec la densité du tissu adipeux, consommation élevée de FDG et sites anatomiques susceptibles de contenir des MTD active dans les colonnes 1 et 2. Des zones anatomiques susceptibles de contenir des chauve-souris sont surlignés en rouge dans la colonne 2. Voxels répondant aux critères BAT PET et CT sont confirmées par ImageJ et surlignés en bleu. Des exemples sont tirées du dépôt (A) antérieur du col utérin, depot (B) du col utérin au niveau de la thyroïde, dépôt (C) sus-claviculaires/axillaires est proche de tremblements des muscles squelettiques (c.-à-d., lisses) et (D) le dépôt Abdominal au niveau des uretères de les reins. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3. Segmentation régionale de sept dépôts de chauve-souris dans la vue sagittale. Après la génération d’une image de « Masque de la chauve-souris » contenant seulement les voxels PET précédemment identifiés comme actif BAT, les régions suivantes peuvent être séparées avec les ROIs dans le plan sagittal : (A) col de l’utérus (C3-C7), sus-claviculaires (B) (C7-T3, à l’exclusion des vertèbres), (C ) Axillaires (T3-T7, à l’exclusion des vertèbres), (D) médiastinale (médiastin antérieur), paravertébraux (E) (T1-T12, depuis le bord antérieur de la vertèbre et les apophyses épineuses), (F) abdominale (T12-L3, rétropéritonéale) et tronculaire (G) (dépôt gras distinct et postérieure au dépôt de paraspinal ; près de la région cervicale). L’image composite avec toutes les régions apparaît dans (H). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Discussion

Confirmation de chauve-souris fonctionnelle chez l’homme adulte, depuis beaucoup d’intérêt dans la compréhension du rôle de chauve-souris dans la physiologie humaine. Cependant, parce que ce tissu thermogène est souvent trouvé en étroite avions fasciales, intercalés dans la graisse blanche et autour des autres organes, il est difficile de quantifier. En 2016, un consensus a été publié par un groupe d’experts International BAT avec recommandations pour avoir signalé des caractéristiques pertinentes de participants, les critères pour la préparation de l’objet et un protocole d’acquisition d’images TEP/CT²¹. Le Comité a également identifié la nécessité d’une plus grande cohérence dans le traitement de la TEP/CT pour la quantification des chauve-souris, notant que méthodes pour identifier les chauves-souris varient considérablement et, dans la plupart des cas, seulement peu détaillés de la procédure de quantification de chauve-souris est fourni. Par conséquent, alors que les rapports au sein de l’étude de reproductibilité sont élevés²²^,²³^,²⁴, volume BAT sensiblement différentes et l’activité a été rapporté par groupes à l’aide de méthodes de quantification différents, même lorsque les participants sont du même âge, le sexe et IMC²⁵^,²⁶. Ces incohérences compliquent la comparaison des résultats et ont donné lieu à une controverse sur la quantité de chauve-souris dans les humains adultes¹⁵.

Une limitation inhérente de traitement d’image TEP/CT est l’inclusion de voxels qui répondent aux critères de la TEP et CT mais qui sont dans des endroits anatomiques qui correspondent aux structures autres que les chauve-souris. Co-registration parfaite d’images TEP et CT est presque impossible en raison des différences dans la proposition de résolution et le sujet lors des analyses. En conséquence, structures qui bordent l’air ou des os et des régions d’absorption élevée de traceur sont souvent incorrectement identifiés comme actif BAT. Pour limiter l’inclusion des voxels positifs faux, on doit appliquer des critères TEP et CT uniquement dans la ROIs qui construisent des utilisateurs. Mais les approches actuelles de quantifier BAT avec ROIs spécifié par l’utilisateur ou des analyses automatiques diffèrent d’un montant de la participation des usagers et les connaissances que dont ils ont besoin. Nous avons montré qu’à l’aide d’un seul, deux dimensions définies par l’utilisateur coronale que roi appliqué à l’ensemble de la pile d’images peut-être être plus enclin à y compris zones positif faux¹⁹. Plusieurs groupes ont développé des méthodes automatisées afin de quantifier les chauve-souris qui sont capables de traiter rapidement de grands ensembles de données sans beaucoup d’entrée de l’utilisateur. Cependant, ces méthodes ne soit pas inclure toutes les régions contenant du BAT potentielles, particulièrement dans le bas de corps²⁷, ou engage un taux relativement élevé de faux positifs²⁸ et des faux négatifs²⁶. Puisque le volume de l’homme chauve-souris est généralement faible (< 600 mL, ou < 2 % du total de la masse corporelle), petites erreurs absolues dans la quantification peuvent conduire à grandes différences relatives.

L’approche plus rigoureuse décrite par cette étude du dessin des ROIs sur chaque tranche de TEP-TDM axiale permet la détection de chauve-souris en couches fasciales étroits tout en offrant plus de confiance que les faux positifs ont été exclus. Cela donne une quantification détaillée dans chaque individial, plutôt qu’une évaluation binaire de présence ou d’absence de²⁹de chauve-souris. Par conséquent, il serait plus approprié pour les expériences contrôlées dans les échantillons de petite taille qui ont l’intention d’étudier la physiologie BAT et/ou des effets des interventions. En outre, la possibilité de définir des dépôts BAT propres à chaque région peut fournir plus de perspicacité dans la pertinence fonctionnelle et l’origine du développement de la chauve-souris. Nous pensons que ces mesures quantitatives sont importants non seulement pour la comparaison à travers le champ, mais aussi à la contribution de la meilleure estimation chauve-souris au métabolisme énergétique et la thermorégulation chez l’homme adulte.

Plusieurs caractéristiques anatomiques de chauve-souris aidera les utilisateurs de notre inscription de limite de méthode de voxels positif faux. BAT se trouve généralement dans des couches de fascias continus et symétriques. Ainsi, en dessinant et un retour sur investissement de raffinage, examinant les tranches axiales supérieures et inférieures pour la continuité et la symétrie du tissu adipeux sélectionné peut aider les utilisateurs maximiser l’inclusion du tissu adipeux tout en minimisant l’inclusion du muscle squelettique, OS et autres structures non-BAT évidentes. MTD active est également rarement présent dans les dépôts adipeux sous-cutané, pourquoi nous conseillons aux utilisateurs d’éviter ces zones lors de la construction des ROIs. Tel que mentionné dans le protocole, BAT est distribué dans plusieurs régions anatomiques distinctes, y compris le col de l’utérus, tronculaire, sus-claviculaires, axillaires, le médiastin, paravertébraux et dépôts abdominales. Ces dépôts sont distribués tels qu’un axial trancher mai contenance maximale BAT de plusieurs dépôts. Par exemple, une tranche axiale dans la région thoracique peut contenir BAT du depot du médiastin (proximal et antérieur), paravertébraux depot (proximal et postérieur, le long de la colonne vertébrale) et dépôt axillaire (près de la ligne de milieu-antéro-postérieure et latérale). Connaissance de ces dépôts peut aider les utilisateurs à créer des ROIs dans les différentes régions du corps, car ils se retrouvent dans endroits préalablement décrits sont en grande partie contiguës, comme décrit dans notre protocole. Cependant, parce que nous encourageons les utilisateurs à ne tirer qu’un seul ROI par tranche pour éviter les chevauchements ROI, les étapes supplémentaires de générer un masque de chauve-souris et dessin des ROIs sagittales est nécessaire pour séparer les voxels BAT précédemment identifiés dans les dépôts régionaux distincts, si informations de distribution BAT sont souhaitées, c'est-à-dire séparant du médiastin, paravertébraux et axillaires BAT détecté dans le même ROI axial en dépôts basé sur emplacement sagittale (Figure 3).

Le logiciel de visualisation de TEP/CT permet également de quantifier l’activité des tissus autres que les chauve-souris, frissons par exemple le muscle squelettique, qui joue aussi importante un rhume rôle induite par thermogenèse¹⁹, ou les différentes zones du cerveau ou de foie qui ont été suggère que les tissus de référence pour l’analyse de TEP/CT²¹. Cependant, ces tissus auront des densités et des distributions anatomiques qui diffèrent de la chauve-souris et ne relèvent pas de la mise au point de notre protocole actuel. Nous dirigeons des lecteurs pour le document de consensus pour plus de détails sur ces sujets²¹. Enfin, nous conseillons à tous les utilisateurs de continuellement mettre à jour ImageJ et visitez petctviewer.org pour les mises à jour de plug-in et l’aide de logiciels.

Bien que nous croyons que cette méthode rigoureuse est plus précise que les méthodes automatisées²⁶^,²⁸ et les méthodes qui utilisent un ROI simplifié, seul pour estimer le volume total de BAT⁹^,³⁰, il n’est pas sans limites. Il n’y a aucune méthode idéale pour quantifier non invasive BAT chez l’homme, et ¹⁸F-FDG représente seulement captation du glucose, qui n’est pas le même que le métabolisme de glucose¹¹. Toutefois, même si les autres traceurs radioactifs ont été utilisés³¹^,³²^,³³, ¹⁸F-FDG est le plus important traceur utilisé pour étudier l’homme chauve-souris. Ainsi, développer des méthodes normalisées pour analyser les images de ¹⁸F-FDG TEP/CT continuera d’être percutants dans l’étude de la physiologie humaine BAT dans un avenir prévisible.

La méthode que nous proposons, créant un retour sur investissement sur chaque tranche d’axial BAT contenant tout en évitant les problématiques communes, est beaucoup de travail et l’utilisateur doit avoir une certaine connaissance de l’anatomie sous-jacente. Il est également possible que la sélection drastique du ROI peut-être introduire des faux négatifs, étant donné que certains dépôts contenant BAT peuvent être évités. Dessin des ROIs sur chaque tranche axiale de l’image fusionnée de TEP/CT permet attention discrimination entre le tissu adipeux et tissus métaboliquement actives voisins et/ou régions touchées par le déversement sur et effets de volume partiel³⁴. Cependant, le temps que nécessaire pour effectuer l’analyse d’un seul balayage peut varier de trois à huit heures, avec la possibilité de raccourcir les délais avec la pratique et l’expérience. Approches diverses machine d’apprentissage peuvent être en mesure de réduire le travail et les compétences requises pour accomplir cette tâche. Cependant, créant ainsi une méthode plus automatisée qui peut détecter avec précision les chauve-souris et est très robuste aux faux positifs émanant des limitations d’imagerie actuelles nécessitera un dataset grand avec des individus de composition corporelle variées et de la distribution de la chauve-souris. Nous espérons que cette méthode peut être utilisée pour produire un atlas détaillé de BAT qui peut servir de modèle pour des approches plus sophistiquées de données volumineuses.

En conclusion, nous avons démontré une approche d’analyse image étape par étape afin de quantifier le volume du tissu adipeux brun humain, l’activité et distribution à l’aide d’analyses de FDG TEP/CT induite par le froid. Les étapes critiques incluent 1) continuellement et de façon séquentielle analysant les ROIs axiales et 2) évaluer les dépôts BAT par leur localisation anatomique tout en évitant les autres tissus métaboliquement actives. Cette approche de quantification rigoureuse permet d’étudier la physiologie BAT et servent de référence standard pour le développement automatisés approches humaines de quantification BAT à l’avenir par des chercheurs dans le domaine.

Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Nous tenons à remercier tous les volontaires de l’étude, infirmiers et personnel médical et les diététistes de la NIH Clinical Center pour leur participation à nos études d’exposition au froid et les soins dispensés au cours de l’hospitalisation reste. Nous tenons également à remercier le Dr Bill Dieckmann pour toute son aide à l’acquisition et la distribution des images TEP-CT pour nos études. Ce travail a été soutenu par Intramural programme de recherche de l’Institut National du diabète et digestif et reins maladies subventions Z01 DK071014 (pour K.Y.C.) DK075116-02 (à a.m.C.).

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
ImageJ/Fiji Software	ImageJ	https://imagej.net/Fiji/Downloads	Open Source Software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

Bovet, P., Chiolero, A., Gedeon, J. Health effects of overweight and obesity in 195 countries. The New England Journal of Medicine. 377 (15), 1495-1496 (2017).
Maughan, R. Carbohydrate metabolism. Surgery (Oxford). 27 (1), 6-10 (2009).
Cypess, A. M., et al. Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans. The New England Journal of Medicine. 360 (15), 1509-1517 (2009).
van Marken Lichtenbelt, W. D., et al. Cold-activated brown adipose tissue in healthy men. The New England Journal of Medicine. 360 (15), 1500-1508 (2009).
Virtanen, K. A., et al. Functional brown adipose tissue in healthy adults. The New England Journal of Medicine. 360 (15), 1518-1525 (2009).
Abreu-Vieira, G., Xiao, C., Gavrilova, O., Reitman, M. L. Integration of body temperature into the analysis of energy expenditure in the mouse. Molecular Metabolism. 4 (6), 461-470 (2015).
Cypess, A. M., Kahn, C. R. Brown fat as a therapy for obesity and diabetes. Current Opinion in Endocrinology, Diabetes, and Obesity. 17 (2), 143-149 (2010).
Orava, J., et al. Different metabolic responses of human brown adipose tissue to activation by cold and insulin. Cell Metabolism. 14 (2), 272-279 (2011).
Chen, K. Y., et al. Brown fat activation mediates cold-induced thermogenesis in adult humans in response to a mild decrease in ambient temperature. The Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism. 98 (7), E1218-E1223 (2013).
Ouellet, V., et al. Brown adipose tissue oxidative metabolism contributes to energy expenditure during acute cold exposure in humans. The Journal of Clinical Investigation. 122 (2), 545-552 (2012).
Blondin, D. P., et al. Contributions of white and brown adipose tissues and skeletal muscles to acute cold-induced metabolic responses in healthy men. The Journal of Physiology. 593 (3), 701-714 (2015).
Ruiz, J. R., Martinez-Tellez, B., Sanchez-Delgado, G., Aguilera, C. M., Gil, A. Regulation of energy balance by brown adipose tissue: at least three potential roles for physical activity. British Journal of Sports Medicine. 49 (15), 972-973 (2015).
Bakker, L. E. H., et al. Brown adipose tissue volume in healthy lean south Asian adults compared with white Caucasians: a prospective, case-controlled observational study. The Lancet Diabetes & Endocrinology. 2 (3), 210-217 (2014).
Lee, P., et al. Temperature-acclimated brown adipose tissue modulates insulin sensitivity in humans. Diabetes. 63 (11), 3686-3698 (2014).
Jensen, M. D. Brown adipose tissue - not as hot as we thought. The Journal of Physiology. 593 (3), 489-490 (2015).
Heaton, J. M. The distribution of brown adipose tissue in the human. Journal of Anatomy. 112 (Pt 1), 35-39 (1972).
Chauvie, S., Bertone, E., Bergesio, F., Terulla, A., Botto, D., Cerello, P. Automatic liver detection and standardised uptake value evaluation in whole-body Positron Emission Tomography/Computed Tomography scans. Computer Methods and Programs in Biomedicine. , 47-52 (2018).
Chondronikola, M., Beeman, S. C., Wahl, R. L. Non-invasive methods for the assessment of brown adipose tissue in humans. The Journal of Physiology. 596 (3), 363-378 (2018).
Leitner, B. P., et al. Mapping of human brown adipose tissue in lean and obese young men. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (32), 8649-8654 (2017).
Martinez-Tellez, B., et al. The impact of using BARCIST 1.0 criteria on quantification of BAT volume and activity in three independent cohorts of adults. Scientific Reports. 8 (1), 8567 (2018).
Chen, K. Y., et al. Brown Adipose Reporting Criteria in Imaging STudies (BARCIST 1.0): recommendations for standardized FDG-PET/CT experiments in humans. Cell Metabolism. 24 (2), 210-222 (2016).
Rasmussen, J. M., et al. Brown adipose tissue quantification in human neonates using water-fat separated MRI. PloS One. 8 (10), e77907 (2013).
Becker, A. S., et al. In-depth analysis of interreader agreement and accuracy in categorical assessment of brown adipose tissue in (18)FDG-PET/CT. European Journal of Radiology. 91 (18), 41-46 (2017).
Lee, Y. -H., Hsiao, H. -F., Yang, H. -T., Huang, S. -Y., Chan, W. P. Reproducibility and repeatability of computer tomography-based measurement of abdominal subcutaneous and visceral adipose tissues. Scientific Reports. 7, 40389 (2017).
Lundström, E., Strand, R., Johansson, L., Bergsten, P., Ahlström, H., Kullberg, J. Magnetic resonance imaging cooling-reheating protocol indicates decreased fat fraction via lipid consumption in suspected brown adipose tissue. PLOS One. 10 (4), e0126705 (2015).
Gifford, A., Towse, T. F., Walker, R. C., Avison, M. J., Welch, E. B. Human brown adipose tissue depots automatically segmented by positron emission tomography/computed tomography and registered magnetic resonance images. Journal of Visualized Experiments. (96), (2015).
Jones, T. A., et al. Brown fat depots in adult humans remain static in their locations on PET/CT despite changes in seasonality. Physiological Reports. 5 (11), (2017).
Ruth, M. R., Wellman, T., Mercier, G., Szabo, T., Apovian, C. M. An automated algorithm to identify and quantify brown adipose tissue in human 18F-FDG-PET/CT scans. Obesity (Silver Spring, Md). 21 (8), 1554-1560 (2013).
Hibi, M., et al. Brown adipose tissue is involved in diet-induced thermogenesis and whole-body fat utilization in healthy humans. International Journal of Obesity. 40 (2005), 1655-1661 (2005).
Hanssen, M. J. W., et al. Short-term cold acclimation recruits brown adipose tissue in obese humans. Diabetes. 65 (5), 1179-1189 (2016).
Muzik, O., Mangner, T. J., Leonard, W. R., Kumar, A., Janisse, J., Granneman, J. G. 15O PET measurement of blood flow and oxygen consumption in cold-activated human brown fat. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Society of Nuclear Medicine. 54 (4), 523-531 (2013).
Blondin, D. P., et al. Inhibition of intracellular triglyceride lipolysis suppresses cold-induced brown adipose tissue metabolism and increases shivering in humans. Cell Metabolism. 25 (2), 438-447 (2017).
Admiraal, W. M., Holleman, F., Bahler, L., Soeters, M. R., Hoekstra, J. B., Verberne, H. J. Combining 123I-metaiodobenzylguanidine SPECT/CT and 18F-FDG PET/CT for the assessment of brown adipose tissue activity in humans during cold exposure. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Society of Nuclear Medicine. 54 (2), 208-212 (2013).
Soret, M., Bacharach, S. L., Buvat, I. Partial-volume effect in PET tumor imaging. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Society of Nuclear Medicine. 48 (6), 932-945 (2007).

Medicine

Tout le corps et Quantification régionale d’homme actif brun tissu adipeux à l’aide de ¹⁸F-FDG TEP/CT

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

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