Summary
振幅ベースの最適な呼吸格子(ORG)は、臨床 18F-フルオロデオキシグルコース(FDG)陽電子放出断層撮影(PET)画像から呼吸誘発運動のぼかしを効果的に除去します。これらの呼吸動きのアーティファクトのためのFDG-PETのイメージの訂正はイメージの質、診断および定量的正確さを改善する。呼吸動物品の除去は、PETを用いた患者の適切な臨床管理のために重要である。
Abstract
X線コンピュータ断層撮影(CT)と組み合わせたポジトロン発光断層撮影(PET)は、様々な疾患の正確な診断と臨床ステージングに必要な重要な分子イメージングプラットフォームです。PETイメージングの利点は、生体内の無数の生物学的プロセスを高感度かつ正確に可視化し、定量化できることです。ただし、PET画像の画質と定量精度を決定する要因は複数あります。胸部と上腹部のPET画像処理における画像品質に影響を与える最も重要な要因の1つは呼吸運動であり、解剖学的構造の呼吸誘発運動のぼやけをもたらす。PET画像の最適な画質と定量的精度を提供するためには、これらのアーティファクトの補正が必要です。
いくつかの呼吸格言技術が開発されており、通常はPETデータと同時に呼吸信号の取得に依存する。取得した呼吸信号に基づいて、PETデータは運動自由画像の再構成のために選択される。これらの方法は、PET画像から呼吸運動アーティファクトを効果的に除去することが示されているが、性能は取得される呼吸信号の質に依存する。本研究では、振幅ベースの最適呼吸格言(ORG)アルゴリズムの使用について検討する。他の多くの呼吸格言アルゴリズムとは対照的に、ORGは、再構築されたPET画像の拒絶された動きの量に対して、ユーザーが画質を制御することを可能にします。これは、取得した代理信号とユーザ指定のデューティサイクル(画像再構成に使用されるPETデータの割合)に基づいて最適な振幅範囲を計算することによって達成されます。最適な振幅範囲は、画像再構成に必要なPETデータ量を含む最小振幅範囲として定義されます。また、胸郭や上腹部のPET画像撮影において呼吸誘発画像のブレを効果的に除去し、画質と定量精度の向上を図る。
Introduction
陽電子放射断層撮影(PET)とX線コンピュータ断層撮影(CT)と組み合わせて、様々な疾患の正確な診断および臨床ステージングのための臨床現場で広く受け入れられているイメージングツールである1。PETイメージングの利点は、生体内の無数の生物学的プロセスを高感度かつ正確性2で可視化および定量化できることである。これは、放射性トレーサーとも呼ばれる放射性標識化合物を患者に静脈内投与することによって達成される。使用されている放射線トレーサーに応じて、グルコース代謝、細胞増殖、低酸素度、アミノ酸輸送、およびタンパク質および受容体の発現などの組織特性を可視化し、定量2.
いくつかの放射線トレーサーが開発され、検証され、臨床現場で使用されているが、放射性グルコースアナログ 18F-フルオロデオキシグルコース(FDG)は、臨床現場で最も広く使用されている放射線トレーサーである。FDGは主に糖分解率の上昇(すなわち、グルコースの取り込み上昇およびエネルギー産生のためのピルビン酸への転換を伴う細胞)を有する細胞に蓄積することを考えると、異なる代謝状態の組織を判別することが可能である。グルコースと同様に、FDG取り込みの第1段階は、細胞膜上の細胞外空間から細胞内空間への輸送であり、これはグルコーストランスポーター(GLUT)3によって促進される。FDGが細胞内空間に入ると、ヘキソキナーゼによるリン酸化はFDG-6-リン酸の生成をもたらす。しかし、グルコース-6-リン酸とは対照的に、FDG-6-リン酸は、第2(2')炭素位におけるヒドロキシル(OH)基の存在のために、さらに好気的な崩壊のためにクレブスサイクルに入ることができない。逆反応を考えると、FDG-6-リン酸の脱リン酸化はFDGに戻って、ほとんどの組織ではほとんど起こらない、FDG-6-リン酸は細胞内3に閉じ込められる。したがって、FDG取り込みの程度は、血漿膜上のGLUT(特にGLUT1およびGLUT3)の発現、およびヘキソキナーゼの細胞内酵素活性に依存する。FDGのこの連続的な取り込みおよび捕捉の概念は、代謝トラップと呼ばれる。FDGが高い代謝活性を有する組織に優先的に蓄積するという事実を 図1aに示し、患者におけるFDGの生理学的分布を示す。このFDG-PET画像は、心臓、脳、肝臓組織の高い取り込み、正常な条件下で代謝的に活性な器官であることが知られている。
組織の代謝状態の違いを検出するための高感度は、変化した代謝が多くの疾患にとって重要な特徴であることを考えると、FDGを病気の組織から正常に区別するための優れた放射線追跡装置にします。これは、図1bに容易に示され、ステージIV非小細胞肺癌(NSCLC)を有する患者のFDG-PET画像を示す。原発性腫瘍および転移性病変の取り込みが増加している。可視化に加えて、放射線追跡装置の取り込みの定量化は、患者の臨床管理において重要な役割を果たす。標準化された取り込み値(SUV)、代謝量、および総病変解分解(TLG)などの放射線追跡装置取り込みの程度を反映したPET画像から得られた定量的指標は、患者群4、5、6に対する重要な予後情報および測定治療応答を提供するために使用することができる。この点に関して、FDG-PETイメージングは、腫瘍学患者7における放射線療法および全身治療をパーソナライズするためにますます使用されている。さらに、放射線誘発性食道炎8などの急性治療誘発毒性をモニタリングするためのFDG-PETの使用には、肺膜炎9および全身炎症反応10が、画像誘導治療の決定を行うための重要な情報を提供する。
患者の臨床管理にPETの重要な役割を考えると、PET画像に基づく治療決定を適切に導く上で、画像品質と定量的確度が重要です。しかし、PET画像11の定量的精度を損なう可能性のある技術的要因は数多く存在する。PETにおける画像定量に大きな影響を与える可能性のある重要な要因は、PETの取得時間が他の放射線画像性と比較して長く、通常はベッド位置当たり数分に関連している。その結果、患者は通常、PETイメージング中に自由に呼吸するように指示される。その結果、PET画像は呼吸誘発運動に苦しんでおり、胸郭および上腹部内に位置する器官の著しいぼやけを引き起こす可能性があります。この呼吸誘発運動のぼかしは、放射線追跡装置取り込みの十分な可視化および定量的確度を著しく損なう可能性があり、診断およびステージングにPET画像を使用する場合の患者の臨床管理に影響を及ぼし、放射線治療計画アプリケーションの目標量定義、および治療応答のモニタリングを行う。
呼吸運動アーティファクト13に対するPET画像を補正する試みとして、いくつかの呼吸格言法が開発されている。これらの方法は、将来予測、遡及、およびデータ駆動型の格言戦略に分類できます。前向きおよび遡及的呼吸格子化技術は、典型的には、PETイメージング14中の呼吸代理信号の取得に依存する。これらの呼吸代理信号は患者の呼吸周期を追跡し、監視するために使用される。呼吸追跡装置の例としては、圧力センサ12 または光学追跡システム(例えば、ビデオカメラ)15を用いた胸壁遠足の検出、熱電対、吸気空気16の温度を測定し、気流を測定するスピロメーター、およびそれによって患者の肺17の体積変化を間接的に推定する。
呼吸ゲートは、通常、画像取得中にPETデータと共に、代理信号(指定S(t))を連続的かつ同時に記録することによって達成される。取得した代理信号を用いて、特定の呼吸相または振幅範囲(振幅ベースの格子)に対応するPETデータを12、13、18から選択することができる。位相ベースのゲーティングは、図2aに示すように、各呼吸周期を一定のゲート数に分割することによって行われる。次いで、患者の呼吸サイクル中に特定の段階で取得したデータを画像再構成に使用して、呼吸格言を行う。同様に、振幅ベースの格紙は、図2bに示すように、呼吸信号の振幅範囲を定義することに依存している。呼吸信号の値が設定された振幅範囲内に入ると、対応するPETリストモードデータが画像再構成に使用されます。遡及的な格紙のアプローチでは、画像取得後に、すべてのデータが収集され、PETデータの再ビン化が行われます。将来の呼吸格言法は、PETデータの再ビン化のための遡及的な格言アプローチと同じ概念を使用するが、これらの方法は、画像取得中に将来データを収集することに依存する。十分な量のPETデータが収集されると、画像取得が完了します。このような前向きおよび遡及的ゲーティングアプローチの難しさは、不規則な呼吸が起こったときに画像取得時間を大幅に延長することなく許容可能な画質を維持する。この点に関して、位相ベースの呼吸ゲーティング法は、不適切なトリガーの拒絶により大量のPETデータを廃棄することができる不規則な呼吸パターン13,19に特に敏感であり、画像品質の大幅な低下または画像取得時間の容認できない延長をもたらす。さらに、不適切なトリガが受け入れられた場合、呼吸ゲーティングアルゴリズムの性能およびそれによりPET画像からの運動拒絶反応の有効性は、呼吸ゲートが呼吸周期の異なる段階で定義されるという事実のために、図2aに示すように示されている。実際に、振幅ベースの呼吸ゲーティングは、呼吸信号13の不規則性の場合に相ベースのアプローチよりも安定であることが報告されている。振幅ベースの呼吸ゲーティングアルゴリズムは、不規則な呼吸周波数の存在下でより堅牢ですが、これらのアルゴリズムは、呼吸信号のベースラインドリフトに対してより敏感です。ベースラインシグナルの漂流は、患者の筋肉の緊張(すなわち、画像取得中のよりリラックスした状態への患者の移行)または呼吸パターンが変化する多くの理由により起こり得る。このような信号のベースラインのドリフトを防ぐためには、患者にトラッキングセンサーをしっかりと取り付け、呼吸信号の定期的なモニタリングを行うよう注意する必要があります。
これらの問題は既知であるが、従来の呼吸格子アルゴリズムは、画質の制御が限られており、通常、画像取得時間の大幅な延長または放射線トレーサーの増加量を患者に投与する必要がある。これらの要因は、臨床ルーチンでそのようなプロトコルの採用が限定的に生じた。呼吸ゲート画像の可変的な品質に関連するこれらの問題を回避するために、振幅ベースのゲーティングアルゴリズムの特定のタイプは、最適な呼吸ゲーティング(ORG)としても知られている、18を提案されている。ORGによる呼吸ゲートを使用すると、アルゴリズムへの入力としてデューティサイクルを提供することにより、ユーザーは呼吸ゲート画像の画質を指定できます。デューティ・サイクルは、画像再構成に使用される取得済み PET リスト・モード・データのパーセンテージとして定義されます。他の多くの呼吸格言アルゴリズムとは対照的に、この概念はユーザーが再構成されたPETイメージのイメージの質を直接決定することを可能にする。指定されたデューティサイクルに基づいて、最適な振幅範囲が計算され、呼吸代理信号全体の特定の特性が考慮に入れられます18。特定のデューティサイクルの最適な振幅範囲は、呼吸信号の下振幅制限(L)の異なる値の選択から始めることによって計算されます。選択された下限ごとに、指定された(U)の上振幅限界は、呼吸信号が振幅範囲(L
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Protocol
人間の参加者を含むすべての手順は、ラドボウド大学医療センターの内部審査委員会(IRB)の倫理基準に従い、1964年のヘルシンキ宣言とその後の改正または同等の倫理基準に従っていました。ORG アルゴリズムはベンダー固有の製品であり、シーメンスバイオグラフィー mCT PET/CT スキャナー ファミリおよび新しい PET/CT モデルで使用できます。
1. 患者の準備
- 患者のアナマネシス
- 患者の名前と生年月日を確認してください。包含基準は、通常の非ゲート PET スキャンに似ています。追加のイン-または除外の基準は必要ありません。
- ラジオトレーサを含むシリンジで配信されたラベル(名前、生年月日、活動量)を確認してください。
注:患者に投与される活動量は患者の体重に依存し、機関によって異なる可能性があります(このプロトコルでは3.2 MBq/kgの量が推奨されます)。 - 患者にインタビューを行い、申請書の臨床情報が正しいことを確認します。治療や投薬に最近関連する変化があったかどうかを患者に尋ねます.
- 患者に糖尿病(DM)があるかどうかを尋ねる。患者がDMを有する場合、適切な調製に従ったかどうかを尋ねる(すなわち、PETスキャンの4時間前に短い働きインスリンの投与を行わず、または血糖低下剤(メトホルミンなど)を使用する。
- 患者にアレルギーがあるか、抗凝固剤を使用しているかを尋ねる。
- 専用のテストストリップ上で患者の指先の側面を刺して得られた血液の滴を適用することによって患者の血糖を測定する(血清グルコースは11.0 mmol/Lを超えてはならない)。
- 患者の準備と画像化手順を患者に説明する。
- ラジオトレーサの管理
- 前立腺静脈の1つに末梢静脈カニューレを挿入することにより、患者への静脈アクセスを確保する。
- 生理食音を含む20 mLシリンジにLuerロックを備えた3ウェイストップコックシステムを取り付けます(これは2次シリンジです)。
- 三方停止コックシステムを生理的(脱エレーションの目的で)フラッシュする。
- 静脈カニューレの端に注射器で3ウェイストップコックを取り付けます。
- 静脈カニューレがカニューレを通して10mLの生理液を注意深く洗い流して特許を取得しているかどうかを確認します(フラッシュ中に苦情があるかどうかを患者に尋ねます)。
- 三方停止コックに、ラジオトレーサー(一次注射器)を含む注射器を取り付けます。三方停止コックのバルブを回して、システムを通る流体の流れ方向が、放射性トレーサーを含む注射器から末梢静脈カニューレまで流れる。注射器のプランジャーをゆっくりと押して、ラジオトレーサーを管理します(トレーサーを含むシリンジは特別な鉛シールド容器に入れられます)。
- 三方の弁を止めるコックを、生理食音を含むシリンジが一次シリンジ(ラジオトレーサーを含んでいた)に接続し、注射器を洗い流して注射器から残りの放射線トレーサーを洗い流すようにする。
- 三方停止コックの弁を回し、患者に注射器に残っている任意の残りのラジオトレーサーを管理するために、一次注射器のプランジャーを押す。
- ステップ 1.2.7 を繰り返します。および 1.2.8.3回。
- 3つの方法停止コックを回し(患者の静脈からの血液の逆流を防ぐために)、原発注射器を取り外す。フロセミドを含む第3の注射器を取り付け、3つの方法停止コックを再び回し、注射器のプランジャーを押して0.5g/Kgのフロセミド(最大量10mg)を投与する。末梢静脈カニューレを取り外し、滅菌包帯を使用して穿刺部位に圧力をかける。穿刺部位からの有意な出血がないかどうかを確認し、医療テープを使用して包帯を固定します。
- 患者のインキュベーション
- 患者は快適な位置、できれば薄暗い部屋で50分間休ませます。
- 50分後、患者に膀胱を無効にするように指示する。
- 55分で、患者をスキャナーに護衛し、スキャナーベッドの上に腕を上げて患者を座らせます。適切な腕サポートを使用して、患者にとってできるだけ快適にしてください。患者が腕を上げることができない場合は、患者と一緒に腕の位置でスキャンを行うことができます。
- 患者の呼吸パターンを観察し、患者の胸郭の周りの呼吸ベルトを固定します(通常、肋骨ケージのすぐ下の位置が最適です)。目視検査後に腹部壁の遠足が識別される場所(通常は、正中線から5~7cm)にセンサーが配置されていることを確認します。ベルクロ系の閉包システムを使用して、患者の周りのベルトを固定します。
- スキャナーディスプレイで、呼吸信号が最小範囲と最大範囲内に残っているかどうかを確認します(呼吸信号がクリッピングしている場合は、ベルトを適切に締めるか締めます)。
- ヒント:ベルトが患者の胸の周りに十分にしっかりと締め付けされていることを確認してください。患者がしばらくしてよりリラックスした状態に入ることを考えると、呼吸信号は低下する傾向がある(信号のベースラインドリフト)。これにより、信号が境界外に出るのを防ぎ、呼吸ゲートに使用されているサロゲート信号の高品質を維持します。
- インキュベーション時間の60分後にスキャンを開始します。
2. 画像の取得と再構築
- プロトコルの選択
- スキャナー上の全身プロトコルを選択します。これは、適切なプロトコルカテゴリ(検査カードの患者アイコンの横にある円で示される)にカーソルを移動し、適切なプロトコルをクリックすることによって行うことができます(図3)。
- ORG取得プロトコルは、患者のスカウトスキャン(トポグラム)から始まります。トポグラムの取得を開始するには、スキャナのコントロールボックスのスキャナスタートキー(放射線記号付きの黄色い丸いキー)を押します(図4)。トポグラムの取得を停止または中止するには、それぞれ中断または停止キーを押します。
- まず、トポグラム上のPETベッドの位置を計画します。これは、トポグラム上のマウスの左ボタンをクリックして、スキャン範囲を設定することによって行うことができます。
- 呼吸運動を補正するベッドの位置を選択します(図5)。
注:これらは胸郭を覆う「ゲート」ベッドの位置です。「ゲート」ベッドの位置はリストモードで記録されます。臨床適応症によっては、上腹部を覆うベッドの位置もゲートすることができます(例えば、肝臓または膵臓病変の画像化が示されている場合)。非ゲートベッドの位置については、画像再構成のために正置を記録するだけで済みます。 - PETベッドの位置の画像記録時間を設定します(図5)。
注:注入された活動の量に応じて、ゲートされていないベッドの位置のスキャン時間は十分なイメージ品質を得るために合わせられる必要があります。さらに、ゲートベッド位置の画像再構成に使用されるデューティサイクルと組み合わせて非ゲートベッド位置の記録時間により、ゲートベッド位置の記録時間が決定される。たとえば、デューティ サイクルが 35% の場合、因子 3 でスキャンを延長すると、ゲートベッド位置と非ゲート ベッド位置に対するほぼ同様の統計が得られます。ラドボウド大学医療センターで推奨される画像処理プロトコルは、2分間の非ゲートベッド位置の記録時間であり、ゲートベッド位置の記録時間は35%のデューティサイクルを使用して6分です - 取得パラメータを設定した後、スキャナコントロールボックスのスタートキー(放射サイン付きの黄色い丸いボタン)を押し続け、スキャナベッドが開始位置に戻るまで待ちます。開始キーをもう一度押して、患者(頭から足)から低用量CTスキャンを取得します。CTスキャンを取得した後、スタートキーを押してPETスキャンを開始します。
- 画像取得中に、患者と呼吸信号の品質を定期的に確認します(必要に応じて呼吸ベルトを調整します)。
注:ベルトの調整は、呼吸ゲートベッドの位置が取得されていない場合にのみ行われるべきです。したがって、調整は、これらのベッドの位置が取得される前または後に行われるべきです。ゲートベッド位置の獲得時のベルトの調整は、ORG画像の品質に影響を与えます。ゲートベッド位置の取得前に呼吸信号の注意深い観察と呼吸ベルトの可能な調整は、PETスキャン中の信号の重要なベースラインドリフトを打ち消すために必要とされる。
- 画像再構成
- 取得した呼吸信号を確認し、ゲートベッド位置に適したデューティサイクルを選択します(図6)。
注:呼吸の格言に使用される振幅の範囲は呼吸信号に重ねられます)。呼吸の格言の質に影響を与えることができる呼吸信号の不一分性またはベースラインのドリフトを点検する。 - 表示用に最適化されたイメージ再構成プロトコルを選択します (図7)。これは通常、小さい病変を検出するための小さなボクセルサイズを有する高解像度画像再構成プロトコルである。ORGアルゴリズムは、選択したベッド位置の呼吸信号全体を使用して最適な振幅範囲を計算することを認識することが重要です。異なるデューティサイクルは、異なるベッド位置(例えば、様々な品質の呼吸信号を補正するために)に使用することができますが、異なるベッド位置に異なるデューティサイクルを使用することは、これは異なるベッド位置間の画質の変動を導入することを考えるとお勧めしません。
注: 以下に、表示用のイメージ再構成プロトコルの例を示します。- アルゴリズム: トゥルークス + トフ (ウルトラHD PET)
- 繰り返し回数:3
- サブセット数: 21
- マトリックスサイズ:400×400
- 再構成後のフィルタリング、カーネル(3Dガウス)、全幅ハーフ・ハーフ・フル(FWHM):3.0 mm
- デューティサイクル 35%
- さらに、定量的PETイメージングのためのResearch4Life(EARL)イニシアチブに準拠したプロトコルでPET画像を再構築します。これらは通常、特定の再構成後のフィルタリングが適用された低解像度の画像です。
注: イメージの定量化のためのイメージ再構成プロトコルの例を次に示します。- アルゴリズム: トゥルークス + トフ (ウルトラHD PET)
- 繰り返し回数: 3
- サブセット数: 21
- マトリックスサイズ:256
- 再構成後のフィルタリング、カーネル(3Dガウス)、全幅ハーフ・ハーフ・フル(FWHM):8.0mm
- デューティサイクル 35%
- 再構築された画像を PACS アーカイブに送信します。画像は今、核医学の医師によって評価される準備ができています
- 取得した呼吸信号を確認し、ゲートベッド位置に適したデューティサイクルを選択します(図6)。
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Representative Results
PETでのORGの使用は、画像の呼吸誘発性のぼかしの全体的な減少をもたらす。例えば、非小細胞肺癌(NSCLC)を有する患者の臨床評価において、ORGはより多くの肺病変および経皮性リンパ節20の検出をもたらした。これは、NSCLC患者の非ゲートおよびORG PET画像を示す 図8 および 図9で容易に示されている。
特に、ORGは早期疾患段階(I-IIB)の患者の管理変更をもたらし、リンパ節の追加病変の検出は所定の治療および必要な追加の診断手順に大きな影響を与える可能性がある。これらの結果は、上腹部21に位置する病変に対してファン・デル・グヒトらによって行われた研究によって確認される。ORGの使用は、肝および近平帯性病変を有する患者のFDG-PETにおけるより多くの病変の検出をもたらした。これらの結果は、ORGの使用が患者の診断およびステージングの改善につながる可能性があることを支持するが、ORGの正確な臨床的影響は不明のままである。
画像定量は、ORGが呼吸運動のためにPET画像を補正するために使用されたとき、特に肺の横隔膜およびヒラル領域の近くに位置する肺病変に対して大きな影響を与える。66人の肺癌患者におけるORGの影響を調査する研究では、非ゲートPET画像に関するORG画像における平均SUV(SUV平均)取り込みの統計的に有意な増加があった。非ゲートPET画像と比較して、ORG PET画像は、SUV平均が6.2±12.2%(p<0.0001)、7.4±13.3%(p<0.0001)、9.2±14.0%(p<0.0001)、デューティサイクルが50%、35%の増加を示しました。
さらに、ORGが実施された際に病変の代謝量の統計的に有意な減少が認められた。これらのボリュームは、固定しきい値(最大取り込み(SUV最大)のセグメンテーションアルゴリズムの40%の領域を使用してセグメント化されました。関税サイクルはそれぞれ12%、50%、35%、20%の6.9±19.6%(p=0.02)、8.5±19.3%(p<0.0001)、11.3±20.2%(p<0.0001)の減少がありました。代謝量の取り込みおよび減少の有意な増加は、ORGが実行されたときにPET画像から呼吸誘発画像のぼかしを効果的に除去することを示す。さらに、呼吸運動のアーティファクトが病変取り込みおよび体積の定量化に及ぼす影響は解剖学的位置に依存することが示された。低肺葉および中央(特にヒラー)に位置する病変に対するSUV平均の有意な増加と体積の減少は、わずかであった。解剖学的位置の効果は、単一の患者における2つの異なるNSCLC病変を示す図10で容易に示される。さらに、ORG PET画像を35%のデューティサイクルで再構成した画像を非ゲート化同等画像と比較すると、画像ノイズのレベルが同等であることを示し、ORG12を使用する場合に画質が一定に保たれていることを示した。
デューティサイクルと画像ノイズの関係は、影響を受けない肺のパレンチマにおけるFDG取り込みの変動係数(COV)を計算することによって実証された。利用可能なすべてのデータを使用した非ゲート画像のCOVは平均26.1±6.4%であったのに対し、ORG PET画像のCOVは20%のデューティサイクルで再構築されたのは39.4±7.5%でした。35%のデューティサイクル(32.8±6.4%)で再構築されたORG PET画像間のCOVに有意な差があったそして、非ゲート化同等の画像(31.8±5.6%)。 図 11 は、2 つの異なる ORG PET 画像と、異なる統計的品質を持つゲートなしの PET 画像を示しています。この図は、デューティサイクルを下げるとノイズの量が増加し、35%のデューティサイクルで再構築されたORG PET画像の品質が一定に保たれていることを示しています。ORGはPET画像上で定量化された病変量の大幅な減少をもたらすが、容積の絶対的な減少は、放射線治療計画中に危険な臓器(OPAR)に送達される放射線量の有意な節約をもたらさなかった、別の研究22で示されるように。
呼吸運動のぼかし効果は、腫瘍内不均一性の定量化にも影響を及ぼしている。60人のNSCLC患者のコホートにおいて、ORGは、中および下の肺葉23における病変の質感特徴定量において統計的に有意な差をもたらした。テクスチャ機能の場合。高強度強調(HIE)、エントロピー、 ゾーンパーセンテージ(ZP)と非類似度は、PET画像と非PET画像間の17.2%±(p = 0.006)、1.3%±1.3%(p = 0.02)、2.3%±2.2%(p = 0.002)、11.6%±11.8%(p = 0.0.006)であった。 腫瘍内不均一性の定量化は、上肺葉の病変に対して有意に影響を受けなかった。これらのテクスチャ特徴の平均減少率は、それぞれ1.0%±7.7%(p= 0.3)、0.35%±1.8%(p= 0.3)、1.7%±13.2%(p = 0.4)、0.4%±2.7%(p = 0.5)であった。 さらに、中央に位置する病変に対してORG画像と非ゲートPET画像の間に有意差はなかった。 3.7%±0.58%(P =0.6)、5.0%±19.0%(P=0.4)、0.59%±4.0%(P = 0.9)、エントロピー、非類似性、ZP、HIE±4.4%の平均増加率。テクスチャ特徴の定量化は、肺中葉と下側の肺葉に位置する病変に対して有意に影響を受けたが、生存のための多変量Cox回帰モデルは23に有意に影響を受けなかった。肺疾患の腫瘍内不均一性の定量化に加えて、呼吸運動は、上腹部領域に位置する病変の腫瘍内不均一性の定量化に有意な変化をもたらす可能性がある。これは、膵管腺癌(PDAC)24患者の定量に対するORGの影響を調査する研究において容易に実証される。ORGを用いたPET画像からの呼吸運動アーチファクトの除去は、PDAC病変におけるテクスチャ特性の定量化に大きく影響する。計算されたテクスチャ特徴と全生存率の相関が大きく影響を受けたことが観察された。
図1: a)陽電子放出断層撮影(PET)イメージングを受けた患者における 18F-フルオロデオキシグリコセ(FDG)の生理分布。患者の心臓、脳、肝臓にはFDGの有意な取り込みがある。 b)ステージIV非小細胞肺癌(NSCLC)患者における複数の肺、リンパ節および遠隔転移におけるFDG取り込みの増加は、他のほとんどの非罹患組織と比較して癌病変におけるFDGの優先的な取り込みを示す。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:ポジトロン放射断層撮影(PET)における位相ベースおよび振幅ベースの格子a)位相ベースの格言、b)振幅ベースの格言、および c)最適呼吸格言(ORG)位相制ゲーティングの間、各呼吸周期は一定の数のゲートに細分される(この場合は4)。特定のゲートで収集されたデータは、主な呼吸運動成分が除去される画像を再構築するために使用されます。振幅ベースの格言は、上下の振幅限界の定義に依存します。振幅ベースの呼吸格言アプローチは、典型的には、ユーザによる振幅範囲の指定に依存する。呼吸信号が定義された振幅範囲内に収まったときに収集されたデータは、画像再構成に使用されます。最適な呼吸格紙(ORG)アルゴリズムは、このような振幅ベースのアプローチを使用し、提供されるデューティサイクル(画像再構成に必要なPETデータの割合)に基づいて最適な振幅範囲を計算します。画像の再構成に必要な指定量のデータ (青色のシェーディングされた領域の合計) を含む最小振幅範囲が最適な振幅範囲 (W) として選択されます。これを実現するために、ORGアルゴリズムは下限(L)の異なる値に対して上限(U)を調整します。一般的に、ゲートの数を増やすか、振幅範囲の減少は、画像ノイズの増加を犠牲にして呼吸運動のより効果的な拒絶をもたらす。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:適切なイメージングプロトコルの選択定義済みのイメージング プロトコルは、特定のカテゴリからプロトコルを選択して選択できます (マウスをプロトコル カテゴリ (赤色のボックスで示されます) に合わせてマウスを移動し、ドロップダウン メニューからプロトコルを選択します)。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 4: シーメンス mCT およびホライゾン PET/CT スキャナーのコントロールボックスに異なるキーを追加する1)患者テーブルを次の測定位置に移動するために使用されるキーを移動し、2)患者キーをアンロードする:画像取得後に患者テーブルをアンロード位置に移動するために使用され、3)開始キー:スキャンをトリガーするために使用され、放射線警告サイン(4)は画像取得中に点灯します、4)放射線警告ランプ:Xチューブがオンのときに警告信号を示し、提供します。これは、完了前にスキャンを中断する場合に推奨される方法です。中断オプションは、その時点でのイメージプロトコルの再起動が停止したことを許可します。 6)患者の鍵を聞く:このキーを押して患者の声を聞き、ライトダイオードはリスニング接続がアクティブであることを示し、このキーをもう一度押してリスニング接続を解放し、7)ラウドスピーカー、8)患者キーを呼び出す:マイク(10)に話しながらこのキーを押して患者に指示を提供し、9)停止キー:緊急時に使用されるスキャン手順を直ちに停止するために使用します。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:トポグラムの取得後、異なるベッド位置の取得時間を指定する必要があります([ルーチン]タブ)。この例では、ゲートベッド位置は6分間(ベッド2)、非ゲートベッド位置は2分(ベッド1および3)で取得されます。ゲートベッドの位置(トポグラムでオレンジ色で強調表示)は、2番目の列でオプション「Physio」を「オン」に設定することで設定できます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図6:患者の呼吸波形は、「トリガー」タブの呼吸周波数(下の部分)のヒストグラムと共にダッシュボードの上部に表示されます。デューティサイクルは、右側のドロップダウンメニューから選択できます(この場合は35%)。このプロトコルは、ゲートベッド位置のベッド位置あたり6分、非ゲートベッド位置の場合は2分の標準的な画像取得時間を有する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図7:画像再構成プロトコル('Recon'タブ)の選択は、関連するフィールドに記入することにより、各プロトコルに画像再構成の詳細を指定することができる。視聴のために、高解像度画像再構成プロトコルは、再構築されたPET画像の詳細を提供することをお勧めします。PET画像のラジオトレーサ取り込みの定量化については、EARL準拠の再構築プロトコルの使用をお勧めします。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 8: 非ゲートおよび最適ゲート (ORG) FDG-PET-CT 画像の非小細胞肺癌 (NSCLC) の患者の図。この図は、左下葉に孤独なNSCLC病変を有する患者におけるステーションXのヒラルリンパ節の非ゲート(a)およびORGPET(b)像を示す。ORG PETイメージは35%のデューティサイクルで再構築されます。呼吸運動のぼかし効果の減少は、この患者をcT1N0M0からcT1N1M0にアップステージし、気管支超音波(EBUS)を用いたヒラルリンパ節の組織学的評価の要件をもたらしたであろう。この数字は、Grootjans ら (肺癌2015)から変更されています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図9:非ゲート(a)および最適な呼吸ゲート(ORG)(b)右肺ヒラムにおける一次NSCLC病変および衛星病変のFDG-PET-CT画像。一次病変は'p'で示され、衛星病変はこの図では's'で示されます。この患者における呼吸格行は、一次病変に隣接する衛星病変のコントラスト回復を改善した。病変の存在は、CT画像診断後に確認されたが、これらの知見はこの患者の臨床管理に大きな影響を与えないだろうが、ORGはさらに肺病変の検出をもたらした。この数字は、Grootjans ら (肺癌2015)から変更されています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図10:左下葉および肺のヒラムにNSCLC病変を有する患者の非ゲートおよび最適呼吸ゲート(ORG)FDG-PET-CT画像。この例は、呼吸誘発運動のぼかしがNSCLC病変の可視化および定量に及ぼす影響を示す。 a)左下葉の病変を描写した非ゲートPET画像 、b)ORGPET画像は、左下葉の病変の35%のデューティサイクルで再構築され 、c)左肺ヒラムの病変を描写した非ゲートPET画像 、d)ORGPET画像、左肺中の病変の35%のデューティサイクルで再構築された。この患者において、肺のヒラムに位置する病変は、相当な呼吸誘発運動を受け、ORGが行われると病変取り込みおよび代謝量の定量化に大きな影響を示す。この病変に関しては、平均標準化取り込み値(SUVmean)が31.9%、代謝量が23.0%減少した増加が認められた。呼吸運動が病変取り込み量と体積の定量化に及ぼす影響は、上肺葉の病変に対してそれぞれ5.3%および1.9%であった。この数字はGrootjans ら (Eur Radiol 2014)から変更されています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図11:ステージIV非小細胞肺癌(NSCLC)を有する患者における最適呼吸ゲート(ORG)と非ゲートPET画像と異なるカウント統計の比較。左の列(aおよびc)には、記録されたデータの全(a)と35%(c)で再構成された非ゲートPET画像が表示されます。画像aとcを比較すると、画像再構成に使用されるデータが少ない場合にノイズレベルが増加することが明らかになります。右側の列(bおよびd)には、50% と 35% のデューティサイクルで再構築された ORG PET イメージが表示されます。これらの画像は、デューティサイクルが低下するとノイズの量が増加することを示しています。非ゲート化PET画像(c)とORG PET同等物(d)を比較すると、呼吸誘発性ぼかし効果がORG画像で減少し、副腎(プラス記号'+'で示される)および左腎臓の腎杯(x'で示される)の転移性病変の見かけの大きさによって反射されることを示している。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
核医学界では、PETイメージングにおける呼吸動物の効果の悪化は、長い間よく認識されてきました。呼吸運動アーティファクトのぼかし効果が画像定量および病変検出性に大きく影響することが、多くの研究で示されている。いくつかの呼吸格言法が開発されているが、呼吸格言は現在、臨床現場で広く使用されていない。これは特に、結果として生じる可変画像品質、画像取得時間の許容できない延長、および臨床全身画像処理プロトコルにおける呼吸格子の非理想的な統合に起因する。ORGの利点は標準的な全身PETのイメージ投射のプロトコルの便利な統合を可能にし、単一のイメージの複数のゲートおよび非ゲートベッドの位置を継ぎ目に入れ可能にする。さらに、ORGアルゴリズムは、最適な振幅範囲を計算する際に、プラトー相などの呼吸信号全体の特定の特性を考慮に入れ、ユーザーはデューティサイクルを指定することによって再構築されたPET画像の画質を直接指定する能力を有する。しかし、他の多くの呼吸格子法と同様に、ORGは呼吸格子を実行するために使用される外部センサーの使用を必要とします。さらに、使用されるデューティサイクルに応じて、かなりの量のPETデータが廃棄され、最終画像の再構成には使用されない。したがって、ORGによる呼吸格子の成功は、外部センサを用いた呼吸運動の適切な追跡と、患者への画像取得時間または投与活性の量の延長に依存する。センサーの使用に関連する困難は、データ駆動、またはセンサーレス呼吸格子の開発に影響を与えました25,26,27.これらのデータ駆動型の手法では、PETリストモードデータ自体から呼吸運動に関する情報を抽出することで、外部サロゲート信号の要件を省略しています。このようなデータ駆動技術は、複数のPETベンダーによって開発されており、臨床現場での定期的なPET呼吸格子を促進する、センサーベースの方法に臨床的に適用可能な代替手段として提案されています。
PETデータから呼吸運動に関する情報だけを抽出することに加えて、新しい方法では画像再構成28のために記録されているすべてのPETデータの使用が可能になる。これらの動き補償画像の再構築は、異なる呼吸相から動きのアーティファクトが除去される単一の画像にPETデータを弾性的に変換することによって行われます。従来のセンサーベースの呼吸格子と比較して、モーション補正再構成は画像取得時間を長くする必要がなくなり、格子の間に追加のハードウェアの使用を防ぎます。これらの方法は、画像品質を維持しながら、PET画像から呼吸運動を効果的に除去する29。さらに、ハイブリッドPETと磁気共鳴(MR)画像化の出現に伴い、MR由来のモーション情報を使用してPET画像30、31、32、33を補正するいくつかの方法が開発されている。これらの方法は研究環境にしばらく存在していましたが、最初のデータ駆動呼吸格言法が市場に参入しました。しかし、これらの方法のほとんどは、まだ積極的な開発と継続的な改善の下にあり、より大きな臨床研究は、そのようなアルゴリズムの性能と堅牢性を評価するために必要とされます。
呼吸格言法は主に呼吸運動アーティファクトのPET画像の補正に焦点を当てていますが、これらのアルゴリズムは通常、取得したCTデータを考慮に入れないでください。臨床現場では、低用量(LD)CTは、通常、呼吸指示を与えずに行われる。患者が自由に呼吸しているときに取得したLDCTの登録は、呼吸中に移動する解剖学的構造に対して特に、呼吸ゲートPETとLDCTの間に有意な空間的ミスマッチを生じ得る34。無線追跡装置の取り込みについて正確に局地化することに加えて、PET画像の減衰補正にもLDCTが用いられる。したがって、PETとCTの空間的な不一致の効果は、特に、ラジオトレーサーの取り込みが肺および骨組織などの密度の大きな違いを持つ構造の近くに位置する場合、PETに深い定量的不正確性をもたらす可能性がある。いくつかの著者は、PET画像とCT画像の間の空間的な不一致を減らすために画像取得を同期させるさまざまな方法を調査しました。提案された方法の1つは、CT取得中に患者に呼吸指示を提供することを含む。ORGと組み合わせた標準的なCT呼吸指示は、CTとPET35の間の空間的一致の改善を生じなかったが、ORGに使用される同じ呼吸信号と振幅範囲に基づく患者固有の指示は、PETとCT36の間の空間的一致の全体的な改善をもたらした。しかし、これらの方法は、オペレータの指示および患者の解釈の変動に敏感である。PET-CTイメージング前に患者とのトレーニングセッションを行うことで改善された結果が得られた。しかし、一部の患者が体調障害のためにこれらの呼吸指示に従うことを困難にしていることを考えると、成功は臨床現場で可変のままである可能性があります。その他のアプローチには、呼吸誘発CTの使用が含まれ、そこで呼吸信号がCT取得34を引き起こすために使用される。この手法を ORG と組み合わせて使用すると、PET 画像と CT 画像の空間的ミスマッチが大幅に減少しました。標準的なCTプロトコルを評価する調査では、SUVの最大平均 とSUV平均 は11.2%±5.7%(P<0.001)と6.1%±10.2%(P = 0.001)の増加を示しました。完全な4D CTの格紙はPETおよびCTのイメージを一致させるために提案されているが、そのような戦略は患者に容認できないほど高い放射線被ばく与えられることを与えられる定期的な臨床の練習で適用されない。PET画像とCT画像の空間的ミスマッチを低減するためのさまざまな方法は、その有効性と臨床的有用性についてまだ評価中です。
呼吸運動はPET画像の画像定量に大きく影響するが、PET画像11の再現性及び定量的確度を維持するために考慮しなければならない技術的要因は他にも多く残っている。これらの要因は、患者の準備、イメージング取得設定および再構成プロトコルに関連しています。同様の患者調製手順の使用、特定の時点での放射線追跡装置取り込みの評価、および走査および再構成パラメータ11,37を含む厳格な取得プロトコルに従うことが重要である。この点に関して、欧州原子核医学協会(EANM)は、多施設比較のための定量FDGPET-CTに関するガイドラインを提供しています。標準化されたガイドラインを用いた画像プロトコルの調和化により、異なる機関からのPET画像の全体的な比較可能性が向上することが示されている38.
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Disclosures
著者らは利益相反を宣言しない。
Acknowledgments
図1に示すPET画像を提供してくれたリチャード・ラグーに感謝します。
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 |
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