Studi multi-traccianti sul metabolismo dell'ossigeno e del glucosio nel cervello utilizzando uno scanner per tomografia computerizzata con tomografia a emissione di positroni a tempo di volo

Sommario

Le misurazioni quantitative del metabolismo dell'ossigeno e del glucosio mediante PET sono tecnologie consolidate, ma i dettagli dei protocolli pratici sono scarsamente descritti in letteratura. Questo articolo presenta un protocollo pratico implementato con successo su uno scanner per tomografia computerizzata a emissione di positroni all'avanguardia.

Abstract

Gli autori hanno sviluppato un paradigma utilizzando la tomografia a emissione di positroni (PET) con traccianti radiofarmaceutici multipli che combina le misurazioni del tasso metabolico cerebrale del glucosio (CMRGlc), del tasso metabolico cerebrale dell'ossigeno (CMRO₂), del flusso sanguigno cerebrale (CBF) e del volume ematico cerebrale (CBV), culminando nelle stime della glicolisi aerobica cerebrale (AG). Queste stime in vivo del metabolismo ossidativo e non ossidativo del glucosio sono pertinenti allo studio del cervello umano in salute e malattia. I più recenti scanner per tomografia computerizzata a emissione di positroni (PET-CT) forniscono immagini a tempo di volo (TOF) e miglioramenti critici nella risoluzione spaziale e nella riduzione degli artefatti. Ciò ha portato a un miglioramento significativo dell'imaging con dosi di radiotraccianti più basse.

I metodi ottimizzati per i più recenti scanner PET-CT prevedono la somministrazione di una sequenza di monossido di carbonio (CO) e ossigeno (O₂) marcati con ¹⁵O per via inalatoria, ¹⁵acqua marcata con O (H₂O) per via endovenosa e ¹⁸F-deossiglucosio (FDG), il tutto all'interno di sessioni di scansione di 2 o 3 ore che producono misurazioni quantitative ad alta risoluzione di CMRGlc, CMRO₂, CBF, CBV e AG. Questo documento descrive gli aspetti pratici della scansione progettata per quantificare il metabolismo cerebrale con modelli cinetici traccianti e campioni di sangue arterioso e fornisce esempi di misurazioni di imaging del metabolismo cerebrale umano.

Introduzione

Il cervello umano è un forte consumatore di ossigeno e glucosio per il metabolismo. Una parte del metabolismo del glucosio nel cervello umano sano si verifica al di fuori dell'uso di ossigeno, nota come glicolisi aerobica cerebrale (AG), i cui scopi sono oggetto di intense indagini 1,2,3,4,5. Studi precedenti su modelli animali e sull'uomo riportano un'associazione tra AG e sviluppo e invecchiamento, sviluppo sinaptico e neuritico, memoria, deposizione di amiloide nella malattia di Alzheimer e funzione e malattia della sostanza bianca 1,6,7,8,9,10,11,12,13 . Pertanto, c'è un interesse continuo nello studio dell'AG e di altri aspetti del metabolismo cerebrale per comprendere meglio il cervello umano mentre invecchia e incorre in lesioni e malattie.

Attualmente, i metodi per valutare l'AG cerebrale umano in vivo richiedono l'imaging PET con più radiotraccianti di ossigeno e glucosio per misurare ciascuno del tasso metabolico cerebrale del glucosio (CMRGlc)¹⁴, del tasso metabolico cerebrale dell'ossigeno (CMRO₂)¹⁵, del flusso sanguigno cerebrale (CBF)¹⁶ e del volume ematico cerebrale (CBV)¹⁷. Oltre all'imaging, la misurazione quantitativa del metabolismo cerebrale con la PET richiede altre complessità, tra cui la valutazione della funzione di input arterioso, tipicamente tramite incannulamento e campionamento arterioso invasivo; garantire che i partecipanti seguano esattamente le istruzioni per l'inalazione di radiotraccianti limitando il movimento della testa; manipolazione sicura ed efficace di radiotraccianti con emivita molto breve (2 min); gestione di grandi set di dati; ed eseguire metodi analitici avanzati per calcolare accuratamente i parametri metabolici. Notevoli sono anche le limitazioni dell'uso di [¹⁸F]FDG per la stima di CMRGlc ^5,14.

Questo protocollo affronta le questioni pratiche più rilevanti per il successo delle misurazioni del metabolismo cerebrale quantitativo nella nostra esperienza. Questo protocollo include una descrizione delle procedure essenziali e note cautelative per evitare errori comuni. Rimanda un'attenta discussione di principi più generali del metabolismo, delle neuroscienze, dell'imaging, della cinetica del tracciante e dei metodi di inferenza dall'imaging PET con radiotracciante. Il pubblico a cui si rivolge comprende i neofiti delle misurazioni metaboliche con la PET, nonché i ricercatori e i medici PET più esperti interessati all'impiego di ^{radiotraccianti a 15}O. Questo protocollo presuppone la familiarità con gli studi di imaging umano, le procedure mediche invasive, i radiotraccianti e i metodi quantitativi di inferenza. Esistono numerosi ed eccellenti riferimenti sull'imaging PET cerebrale in generale¹⁸ e per la PET con ¹⁵O-ossigeno più specificamente¹⁹. Per [¹⁸F]FDG, così come per altre questioni pratiche relative all'esecuzione della PET, il Centro PET di Turku fornisce preziosi materiali di riferimento e collegamenti all'ampia letteratura di ricerca primaria²⁰.

Le sezioni del protocollo iniziano con considerazioni pertinenti per quanto riguarda la selezione dei partecipanti, essenziali per la conformità e il successo della scansione. Successivamente, il protocollo delinea gli aspetti relativi alla scansione di supporto con risonanza magnetica per la neuroanatomia. Successivamente, il protocollo descrive gli ordini di laboratorio clinico che includono misure importanti per la quantificazione del metabolismo dell'ossigeno e del glucosio. Successivamente, il protocollo elenca le questioni che coinvolgono il ciclotrone e la somministrazione di radiofarmaci. Le descrizioni si limitano a prendere il punto di vista degli investigatori che lavorano presso il punto di cura nella struttura di imaging, omettendo le considerazioni richieste alle strutture e al personale del ciclotrone. Successivamente, il protocollo descrive in dettaglio la preparazione e la gestione delle linee arteriose. La creazione e la manutenzione delle linee arteriose richiedono il rispetto di criteri di conformità specifici per le istituzioni e il protocollo delinea i flussi di lavoro di successo. Successivamente, il protocollo fornisce le procedure operative essenziali per la scansione con PET, inclusi i dettagli del posizionamento dei partecipanti, la TC per la correzione dell'attenuazione, la somministrazione di radiofarmaci e l'esecuzione di misurazioni arteriose. Il campionamento venoso discute le potenziali alternative al campionamento arterioso nelle misurazioni di CMRGlc con [¹⁸F]FDG. Una sezione sulla ricostruzione delle immagini PET e sull'archiviazione dei dati, i dettagli, i parametri del software e le questioni pratiche della tecnologia dell'informazione. La sezione sulla dimissione e il follow-up dei partecipanti rileva le comunicazioni essenziali per la sicurezza dei partecipanti. Vengono inoltre discusse importanti attività di taratura. Molti metodi di analisi e modelli cinetici adatti sono ben descritti nei rapporti scientifici pubblicati e nei loro numerosi antecedenti; Pertanto, questo protocollo indirizza in gran parte il lettore a riferimenti di approcci pubblicati. I risultati rappresentativi illustrano il successo dell'implementazione dei protocolli. La sezione di discussione elabora gli aspetti vantaggiosi e i limiti del protocollo, le sue potenzialità nelle neuroscienze umane e le questioni relative alla sicurezza.

Protocollo

NOTA: L'Institutional Review Board e il Radioactive Drug Research Committee della Washington University School of Medicine hanno approvato tutti gli studi basati sul protocollo descritto di seguito. Tutti i partecipanti umani hanno fornito il consenso informato scritto prima di partecipare a studi di ricerca basati sul protocollo seguente. Consultare la Tabella dei materiali per i dettagli relativi a tutte le apparecchiature, i materiali e i reagenti utilizzati in questo protocollo.

1. Selezione dei partecipanti

1. Criteri di inclusione
   1. Includi solo partecipanti adulti. Assicurarsi che i partecipanti siano in grado di seguire le procedure dello studio, comprese le istruzioni per l'inalazione di gas radiofarmaceutici, e siano in grado di fornire il consenso informato o l'assenso con un appropriato consenso surrogato. Assicurati che i partecipanti possano sottoporsi all'imaging in posizione supina per un massimo di 2-3 ore con pause e continuamente per 60 minuti senza interruzioni.
2. Criteri di esclusione
   1. Escludere i partecipanti che hanno controindicazioni alla ricerca di farmaci radioattivi, come la gravidanza al momento della PET. Escludere i partecipanti con controindicazioni alla risonanza magnetica, poiché la risonanza magnetica è necessaria per la registrazione anatomica dell'immagine, la normalizzazione spaziale e la correzione parziale del volume.
   2. Escludere i partecipanti con qualsiasi controindicazione all'incannulamento dell'arteria radiale quando deve essere eseguita l'incannulamento dell'arteria radiale. Escludere i partecipanti con anemia significativa o che hanno recentemente donato emoderivati, poiché il campionamento arterioso invasivo comporta una perdita totale di volume ematico che può superare i 100 ml.
   3. Escludere i partecipanti con malattie polmonari significative in quanto la loro capacità di inalare e scambiare con successo [¹⁵O]O₂ e [¹⁵O]CO nei polmoni potrebbe essere compromessa. Escludere gli individui con malattie mediche in corso oltre a quelle di interesse, che si prevede alterino significativamente il metabolismo cerebrale e il flusso sanguigno.
      NOTA: Ciò dipende dagli scopi e dai traguardi specifici di un particolare progetto, ad esempio, se il progetto è incentrato sull'invecchiamento sano, i grandi ictus o l'anemia falciforme possono essere tra i criteri di esclusione.
   4. Escludere i partecipanti che non riescono a raggiungere un livello di glucosio nel sangue inferiore a 165 mg/dL prima della somministrazione di [¹⁸F]FDG.

2. Risonanza magnetica per neuroanatomia

1. Programmare la risonanza magnetica prima della scansione PET. Garantire un protocollo MRI per uno scanner 3T che includa una sequenza di impulsi MPRAGE (Magnetization Prepared Rapid Gradient Echo) con risoluzione isotropa di 0,8-1,0 mm e, idealmente, metodi prospettici per la correzione del movimento²¹.
   NOTA: La correzione prospettica del movimento fornisce un'ulteriore ottimizzazione dell'anatomia T1w per l'uso nella fusione con l'imaging PET, ma è improbabile che l'omissione della correzione prospettica del movimento sia altamente consequenziale per l'attuale imaging PET nei partecipanti che sono aderenti a evitare il movimento della testa. L'anatomia T1w di alta qualità è significativa per la correzione parziale del volume della PET^22,23.
2. Acquisire la risonanza magnetica neuroanatomica per parcellazioni e segmentazioni regionali, registrazioni dell'atlante e correzioni parziali del volume. Verificare il successo della risonanza magnetica neuroanatomica prima di programmare e sottoporre un partecipante a linee arteriose invasive e radiofarmaci.

3. Ordini di laboratorio

1. Ordina l'emogasanalisi arteriosa, l'emoglobina, l'ematocrito e la glicemia plasmatica da laboratori clinicamente certificati. Ordina ossiemoglobina, carbossiemoglobina e metaemoglobina quantitativa per i fumatori e per quelli con condizioni mediche associate a emoglobine alterate.
2. Misura la pulsossimetria utilizzando dispositivi convalidati, come quelli progettati per l'assistenza medica critica.

4. Consegna di radiofarmaci

NOTA: La misurazione del metabolismo dell'ossigeno cerebrale e dell'AG con la PET richiede un impianto di ciclotrone in grado di produrre e somministrare ^{radiofarmaci a 15}O, che hanno un'emivita di 122 s. Il trasporto dei radiofarmaci tra l'impianto di ciclotrone e lo scanner PET deve essere sufficientemente rapido e affidabile da fornire un dosaggio adeguato al momento della somministrazione del radiotracciante.

1. Assicurarsi che tutti i calibratori di dose di radioattività siano alimentati e prevedere un sufficiente riscaldamento dello strumento (in genere, almeno 60 minuti).
2. Per i radiofarmaci gassosi, posizionare una bomboletta di gas protetta e il calibratore di dose pico-amperometro incorporato vicino al portale PET dello scanner PET. Garantire il fissaggio sicuro di soffietti espandibili sterilizzati, filtro antiparticolato, tubi in polimero plastico di grande diametro, morsetto e boccaglio monouso. Vedere la Figura 1.
3. Procedure complete di garanzia della qualità per tubazioni del gas in nylon, diametro interno di 1/8 di pollice, sotto scarico, dal ciclotrone per l'erogazione di [¹⁵O]CO e [¹⁵O]O₂. Garanzia di qualità completa delle fonti di idrogeno purificato e delle unità di trattamento per la generazione di radiofarmaci [¹⁵O]H₂O come derivato di [¹⁵O]O₂, per la successiva iniezione. Vedere la Figura 1.

5. Linee arteriose

1. Collocamento e gestione
   1. Incannulare l'arteria radiale consultando un medico con formazione specialistica per il posizionamento di routine delle linee arteriose, ad esempio radiologia interventistica, anestesiologia o medicina di terapia intensiva.
      1. Mettere a disposizione un dispositivo a ultrasuoni con una sonda adatta per l'imaging dell'arteria radiale.
      2. Fornire al medico interventista i materiali di consumo preferiti per il posizionamento della linea arteriosa, più comunemente, un kit con un filo guida che implementa la tecnica di Seldinger.
      3. Fare ogni sforzo per inserire l'angiocatheter nella mano non dominante del partecipante.
   2. Valutare e gestire il partecipante durante l'incannulamento dell'arteria radiale utilizzando i servizi di un infermiere esperto o di un operatore sanitario equivalente.
      1. Garantire la circolazione arteriosa collaterale della mano mediante ultrasuoni.
      2. Preparare e gestire il campo sterile durante l'incannulamento arterioso.
      3. Assistere il medico interventista con procedure di incannulamento sterile.
      4. Adescare le linee di pressione rigide e fornire soluzione fisiologica normale pressurizzata a 300 mm Hg.
   3. Eseguire la gestione continua della linea arteriosa durante il protocollo di 2-3 ore, compreso il monitoraggio di routine delle forme d'onda della pressione arteriosa e la manipolazione dei circuiti della linea arteriosa. Per il campionamento arterioso continuo, è possibile commutare i rubinetti in linea dall'alimentazione della contropressione per l'arteria radiale all'estrazione del sangue arterioso mediante pompaggio peristaltico al lavaggio e al mantenimento dell'accesso all'arteria radiale. Quando si innescano segmenti di linea che non fluiscono mai nell'arteria radiale, lavare con soluzioni eparinizzate (fino a 10 U/mL) per aiutare a mantenere la pervietà.
      NOTA: Ridurre al minimo l'uso di eparina quando possibile per mantenere il catetere dell'arteria radiale data l'evidenza incerta della sua efficacia e per evitare il rischio di provocare trombocitopenia indotta da eparina.
   4. Utilizzare una tavola del braccio modellabile, ma rigida, per fissare il catetere e le linee dell'arteria radiale. Assicurarsi che le manipolazioni ripetute dei rubinetti non disturbino il catetere dell'arteria radiale.
   5. Confermare le normali forme d'onda della pressione arteriosa prima di ogni somministrazione di radiotracciante per garantire la pervietà del catetere dell'arteria radiale.
2. Rivelatori gamma per campioni arteriosi
   NOTA: Utilizzare una sonda di rilevamento gamma e una pompa peristaltica per la misurazione della funzione di input arterioso. Sebbene i campioni prelevati a mano siano fattibili per [¹⁸F]FDG e altri radiotraccianti a emivita più lunga, l'impiego di una sequenza di quattro scansioni rapide a ¹⁵O è notevolmente facilitato dal campionamento automatizzato che utilizza una pompa peristaltica e un rivelatore gamma sufficientemente compatto da poter essere posizionato accanto alla mano del partecipante.
   1. Posizionare i gruppi della linea arteriosa il più vicino possibile al catetere dell'arteria radiale per effettuare misurazioni con dispersione e ritardo minimi alla sonda di rilevamento gamma. Assicurarsi che il percorso dal sito di incannulamento attraverso i gruppi di linea fino alla sonda di rilevamento gamma sia coerente con i dati di calibrazione disponibili per il gruppo di linea.
   2. Fornire alimentazione continua attraverso un gruppo di continuità per garantire la stabilità dei fotomoltiplicatori per i rivelatori gamma a coincidenza. Per il rilevamento delle coincidenze, utilizzare finestre di temporizzazione di 100 ns e assicurarsi che la sensibilità di rilevamento nominale sia di almeno 2,4 cps ^{kBq-1 mL-1} con una linearità del <1% fino a 10 kcps.
      NOTA: Le guide d'onda riempite di liquido per il rilevamento delle coincidenze sono fragili e richiedono attenzione durante la movimentazione e il trasporto dalle aree di stoccaggio alla suite PET.

6. Scansione

1. Ridurre al minimo i movimenti della testa
   1. Prima della scansione, educare il partecipante sull'importanza di evitare i movimenti della testa durante la scansione.
2. Posizionamento dei partecipanti allo studio
   1. Assicurarsi che le configurazioni hardware e software della PET-CT consentano la scansione con il posizionamento del partecipante allo studio con la testa o con i piedi. Quando possibile, preferire il posizionamento con i piedi per la PET, in modo tale che le estremità e il busto del partecipante si trovino oltre il portale PET, la testa del partecipante rimanga centrata all'interno del portale PET e il portale CT rimanga non occupato (Figura 1).
   2. Guidare e posizionare il partecipante in modo che si sdrai sul tavolo a portale ribassato in conformità con tutti i protocolli preesistenti per la scansione PET-CT umana, come garantire lo svuotamento urinario recente, indossare indumenti appropriati e rimuovere occhiali, gioielli o ornamenti per capelli incompatibili con lo scanner.
   3. Garantire l'integrità di tutte le linee arteriose e venose quando il tavolo del gantry si sposta nel foro dello scanner. Garantire il collegamento continuo delle linee arteriose con sorgenti saline pressurizzate. Assicurarsi che le pompe peristaltiche, le sonde di rilevamento gamma e qualsiasi altro dispositivo che non possa passare attraverso il foro dello scanner e la successiva riconnessione.
   4. Garantire il comfort del partecipante, in particolare cuscini adeguati per il posizionamento della testa, del collo, della colonna vertebrale, dei fianchi e della flessione delle gambe. Garantire un comodo posizionamento della testa sui poggiatesta in schiuma posizionati liberamente, quindi fissare la fronte del partecipante al tavolo a portale con un avvolgimento elastico, autoadesivo e autorimovibile come promemoria per il partecipante per evitare il movimento della testa. Garantire coperte sufficienti per il comfort termico. Confermare la comprensione del partecipante della necessità di evitare il movimento della testa durante la scansione TC e PET.
      NOTA: I poggiatesta e l'avvolgimento elastico limitano sostanzialmente il movimento della testa anche nei partecipanti con disabilità cognitive.
   5. Assicurarsi che il tavolo del gantry passi attraverso il foro dello scanner fino a quando le estremità e il busto del partecipante non si trovano oltre il gantry CT e la testa del partecipante è centrata nel gantry CT. Allineare la linea canthomeatale del partecipante con i marcatori laser verticali all'ingresso nel portale CT, quindi inclinare il mento leggermente in basso. Eseguire la TC come descritto di seguito. Confermare alla TC che questo posizionamento catturi l'intero cervello e il cervelletto all'interno del campo visivo della PET.
   6. Assicurarsi che il tavolo del portale continui attraverso il foro dello scanner fino a quando la testa del partecipante non è centrata nel portale in PET. Garantire un accesso adeguato alle linee arteriose e venose, nonché un'adeguata estensione del polso per accogliere l'incannulamento dell'arteria radiale. Assicurarsi che le prese d'aria di scarico a soffitto possano rimuovere efficacemente i gas radiotraccianti esalati inavvertitamente vicino al bordo del portale in PET. Eseguire la TAC e la PET come descritto di seguito nei passaggi 6.3-6.5.
   7. Monitorare regolarmente il partecipante durante la PET, valutando il comfort del partecipante con una comunicazione verbale minima durante la scansione.
      NOTA: Il posizionamento con i piedi facilita la somministrazione di gas radiotraccianti con comunicazioni migliorate e manipolazioni migliorate dei tubi di inalazione. Tuttavia, per la maggior parte dei tavoli a portale, il posizionamento con i piedi può essere incompatibile con l'uso di maschere termoplastiche di ritenzione della testa. Il posizionamento con i piedi può anche essere incompatibile con i dispositivi che proteggono la testa dalle emissioni originate dal corpo inferiore alla testa. Tali scudi possono altrimenti ridurre i casuali provenienti dal corpo.
3. CT per la correzione dell'attenuazione
   1. Ottenere una TC della testa a bassa dose di radiazioni appropriata per la correzione dell'attenuazione. Se il partecipante richiede una pausa durante la scansione e lascia lo scanner, ripetere la scansione TC prima di riprendere la sessione PET per consentire la ricostruzione basata su console del successivo imaging PET. I parametri CT utili includono la corrente del tubo 75 mA, il tempo di rotazione 0,5 s, il passo della spirale 1,5 e la tensione del tubo 120 kVp, con kernel di convoluzione consigliati dal fornitore e ricostruzione a matrice 512 x 512 x 88, risoluzione 0,98 x 0,98 x 3,00 mm³.
4. Somministrazione di radiofarmaci gassosi
   1. Istruire i partecipanti sulla procedura di inalazione prima della prima somministrazione di gas, con particolare attenzione all'inalazione e all'espirazione attraverso il tubo e alla non respirazione attraverso il naso.
   2. Preparare il contenitore di stoccaggio del gas protetto dotato di un calibratore di dose pico-amperometro. All'interno del contenitore del gas, collegare il soffietto espandibile al tubo rigido in nylon di diametro stretto dal ciclotrone e a un tubo semirigido in polimero plastico di grande diametro che viene mantenuto bloccato tranne durante la somministrazione. Posizionare un filtro antiparticolato in linea con il tubo di grande diametro in base ai requisiti di controllo delle infezioni formulati per la pandemia di Covid-19. Collegare un bocchino di plastica usa e getta all'estremità del tubo.
   3. Richiedere che l'impianto di ciclotrone fornisca radiofarmaci gassosi al contenitore del gas.
   4. Prepararsi a somministrare tutti i radiofarmaci gassosi sotto forma di boli. La procedura per l'inalazione è identica in tutti i casi.
      1. Monitorare l'attività di ciascun gas erogato al soffietto espandibile fino al picco di attività, quindi attendere che l'attività scenda al di sotto della dose massima consentita dal Radioactive Drug Research Committee (55 mCi). Monitora le attività utilizzando i calibratori di dose pico-amperometrici. Avviare l'acquisizione delle emissioni da parte dello scanner.
      2. Iniziare la scansione immediatamente prima dell'inizio dell'inalazione per garantire l'acquisizione dell'inizio della curva di attività temporale. Ottenere 6-7 minuti di emissioni con 3 s fotogrammi x 23, 5 s fotogrammi x 6, 10 s fotogrammi x 20 e poi 30 s fotogrammi per il resto della scansione.
      3. Chiedi al partecipante di espirare completamente e di abbassare la maschera del partecipante.
      4. Metti il bocchino nella bocca del partecipante. Chiedi al partecipante di formare una chiusura ermetica attorno al boccaglio con le labbra e poi inspira il più possibile. Chiedi al partecipante di trattenere il respiro per alcuni secondi per facilitare l'assorbimento del radiofarmaco gassoso da parte dei polmoni.
      5. Chiedi al partecipante di espirare di nuovo attraverso il tubo, soffiando nuovamente il radiofarmaco gassoso residuo nel soffietto. Riavvitare il tubo e recuperarlo dal partecipante.
      6. Monitorare l'attività del gas nel soffietto dall'inizio dell'inspirazione alla fine dell'espirazione. Calcolare la dose totale somministrata in base alla differenza di attività. Puntare a che la dose totale somministrata superi i 20 mCi.
   5. Somministrare una dose di [¹⁵O]CO. Monitorare le misurazioni arteriose per le curve di attività del tempo nominale. Se le misurazioni arteriose sono tecnicamente insufficienti, somministrare una dose sostitutiva di [¹⁵O]CO. Lasciare che il [¹⁵O]CO intravascolare raggiunga lo stato stazionario, richiedendo circa 1-2 minuti¹⁷.
   6. Somministrare due dosi sequenziali di [¹⁵O]O₂. Monitorare le misurazioni arteriose per le curve di attività del tempo nominale.
      NOTA: Questa procedura è robusta anche con partecipanti lievemente compromessi cognitivi. Tuttavia, i partecipanti incapaci di eseguire questa procedura, a causa di grave deterioramento cognitivo o debolezza facciale, sono esclusi per ridurre al minimo il rischio di somministrazione inadeguata di radiotraccianti e perdite di gas nell'aria ambiente durante l'espirazione. Per la somministrazione continua e l'uso di maschere per lo scavenging di radiotraccianti gassosi, consultare i metodi alternativi riportati e citati da Iguchi et ^al.24 Si raccomanda la ripetizione del dosaggio di [¹⁵O]O₂ in duplicato a causa dei rapporti segnale/rumore più bassi (conteggi equivalenti di rumore sfavorevoli) tipicamente ottenuti con [¹⁵O]O₂.
5. Somministrazione di radiofarmaci per via iniettiva
   1. Richiedere che l'impianto di ciclotrone fornisca radiofarmaci per via endovenosa all'alloggiamento dello scanner.
   2. Prepararsi a somministrare tutti i radiofarmaci per via endovenosa sotto forma di boli. La procedura per l'iniezione endovenosa è simile per tutti i casi.
      1. Monitorare la dose in un dosimetro ben contabile fino a quando non scende al di sotto del massimo consentito (25 mCi per [¹⁵O]H,₂O e 6 mCi per [¹⁸F]FDG).
      2. Iniziare la scansione immediatamente prima dell'iniezione endovenosa per garantire l'acquisizione dell'inizio della curva di attività temporale. Per [¹⁵O]H₂O, ottenere 6-7 minuti di emissioni con 3 s fotogrammi x 23, 5 s fotogrammi x 6, 10 s fotogrammi x 20 e poi 30 s fotogrammi per il resto della scansione. Per [¹⁸F]FDG, ottenere 60 minuti di emissioni con 3 s fotogrammi x 23, 5 s fotogrammi x 24, 20 s fotogrammi x 9, 60 s fotogrammi x 13, 300 s fotogrammi x 7 e 351 s x 1.
      3. Iniettare prontamente la dose endovenosa. Misurare la radioattività residua nella siringa per calcolare la dose somministrata in base alle differenze. Assicurarsi che la dose totale somministrata non sia inferiore alla dose minima consentita (15 mCi per [¹⁵O]H,₂O e 4 mCi per [¹⁸F]FDG).
      4. Monitorare le misurazioni arteriose per le curve di attività del tempo nominale. Per [¹⁵O]H₂O, se le misurazioni arteriose sono tecnicamente insufficienti, somministrare una dose sostitutiva.
         NOTA: La somministrazione di [¹⁵O]H₂O è per certi aspetti più semplice della somministrazione di gas, in quanto la prima può essere iniettata per via endovenosa. Tuttavia, a causa della breve emivita di [¹⁵O]H₂O, ciò richiede ancora un'attenta orchestrazione, a seconda della posizione dello scanner PET e del luogo in cui viene prodotto e ottenuto [¹⁵O]H₂O.

7. Misurazioni arteriose

1. Dopo aver posizionato il partecipante allo studio nello scanner, preparare tutti i dispositivi necessari per le misurazioni arteriose delle attività radiofarmaceutiche.
   1. Garantire l'integrità dei collegamenti tra l'angioletere dell'arteria radiale, le linee di pressione rigide, i rubinetti, la sacca pressurizzata per l'alimentazione di soluzione fisiologica normale, i set di cateteri di estensione per i rivelatori gamma e i set di cateteri di estensione per le pompe peristaltiche. Assicurarsi che l'adescamento sia corretto in modo che non possano essere introdotte bolle d'aria nell'arteria radiale e che nessuna bolla d'aria interferisca con il pompaggio peristaltico per l'estrazione del sangue arterioso.
      1. Per il rivelatore gamma, utilizzare set di estensione del catetere microbore con lunghezza non superiore a 48 cm e volume di adescamento non superiore a 0,6 mL.
      2. Per la pompa peristaltica, impostare il limite massimo consentito di pressione di occlusione.
      3. Se la pompa peristaltica è una pompa per infusione funzionante con direzioni di flusso invertite, selezionare la portata minima per mantenere il recipiente aperto (KVO).
2. Immediatamente prima della somministrazione dei radiofarmaci, chiudere il rubinetto della sacca a pressione e del monitor di pressione e azionare la pompa a 300 mL/h. Confermare l'estrazione del sangue dall'arteria radiale e il suo passaggio attraverso i set di cateteri di estensione per i rilevatori gamma e i set di cateteri di estensione per la pompa. Confermare le misurazioni continue dell'attività dei radiofarmaci nei rivelatori gamma durante il passaggio in bolo dei radiofarmaci attraverso la circolazione arteriosa²⁵.
3. Verifica l'acquisizione simultanea delle curve di attività temporali dallo scanner PET.
4. Continuare a pompare a 300 mL/h e verificare le misurazioni dell'attività radiofarmaceutica nei rivelatori gamma per almeno 300 s dopo l'inalazione di [¹⁵O]CO, 120 s dopo l'inalazione di [¹⁵O]O₂, 120 s dopo l'iniezione di [¹⁵O]H₂O e 300 s dopo l'iniezione di [¹⁸F]FDG.
   1. Per [¹⁸F]FDG, continuare a pompare il sangue a velocità di pompaggio ridotte non inferiori a 20 mL/h fino al termine della scansione PET.
5. Dopo ogni misurazione arteriosa, riconfigurare le linee arteriose per lavare il catetere dell'arteria radiale; Quindi, lavare il circuito di linea che alimenta i rivelatori gamma e la pompa. Per il circuito isolato attraverso la pompa, impostare la velocità della pompa a 300 mL/h. Facoltativamente, utilizzare una seconda sacca di soluzione salina eparinizzata per gravità per fornire flussi aggiuntivi per l'eliminazione del sangue dalla pompa.
   NOTA: Dato il protocollo di imaging prolungato e il campionamento ripetuto del sangue arterioso, il rischio di occlusione della linea può essere elevato, richiedendo una vigilanza continua da parte del team di investigatori e dell'infermiere. Utilizzare rigorose misure di sterilità e mantenere un circuito chiuso configurato solo da rubinetti.

8. Campionamento venoso

1. Prima della scansione, stabilire due siti per l'accesso endovenoso, controlaterale all'incannulamento dell'arteria radiale per l'iniezione di radiofarmaci e omolaterale all'incannulamento dell'arteria radiale per il campionamento venoso. Preferire l'accesso antecubitale.
2. Prima della scansione, preparare siringhe e tappi per siringhe; Marcare in modo indelebile siringhe e tappi, tappare tutte le siringhe e pesare le siringhe con tappo con una bilancia analitica con una precisione di 0,0001 g. Registrare i tempi di prelievo venoso all'inizio e al completamento del prelievo di almeno 2 ml di sangue. A temperatura ambiente (20-25 °C), centrifugare 1 mL di sangue a una RCF di 3.300 × g per almeno 60 s per estrarre il plasma. Contare le attività nel sangue intero e nel plasma utilizzando un contatore a pozzetti calibrato per 68 Ge.
   NOTA: Il campionamento venoso è più appropriato per misurazioni di [¹⁸F]FDG 30-60 minuti dopo l'iniezione. I campioni venosi ottenuti durante la scansione ^{a 15}O sono tecnicamente molto impegnativi e difficili da controllare e non si correlano bene con i campioni arteriosi.

9. Ricostruzione delle immagini PET e archiviazione dei dati

1. Ricostruisci le immagini dalla PET-CT, preferendo i sottoinsiemi ordinati 3D ordinari-Poisson di massimizzazione dell'aspettativa (OSEM) con 4-8 iterazioni di cinque sottoinsiemi, TOF, casuali ritardati, ridimensionamento della dispersione assoluta basato su modelli, correzione dell'attenuazione, filtraggio all-pass (nessun filtraggio), senza modelli con funzione di diffusione dei punti, correzione del decadimento all'inizio della scansione, ridimensionamento a Bq mL-1, dimensione della matrice di 220, zoom 2 e voxel isotropi di 1,65 mm lunghezza.
   NOTA: Zoom 2 riduce della metà il campo visivo trasversale della ricostruzione dell'immagine, ignorando così lo spazio ambientale tra la testa del partecipante e gli anelli del rivelatore PET. I parametri dichiarati sono i valori iniziali per il gas [¹⁵O]O₂ , che è altamente suscettibile alla variabilità di scattering e richiede una scala di dispersione assoluta basata su modelli; storicamente, la scelta dei modelli per lo scattering ha fortemente influenzato la qualità della ricostruzione dei traccianti a ¹⁵O. Inoltre, le interazioni dei modelli di scattering implementati dal fornitore con altri modelli, come i modelli con funzione di diffusione dei punti, sono attualmente poco comprese. Di conseguenza, questo protocollo implementa solo modelli di scattering senza modelli di diffusione dei punti.
2. Esaminare i dati PET ricostruiti sulla console dello scanner per garantire un'adeguata somministrazione del radiotracciante e un movimento minimo.
   1. Salva i file DICOM per i dati PET, CT, normativi e i dati in modalità elenco ricostruiti.
      NOTA: i dati in modalità elenco sono essenziali per le ricostruzioni ottimizzate, che sono costose dal punto di vista computazionale e in genere non possono essere eseguite dalla console dello scanner. I dati in modalità elenco sono molto grandi (>40 GB per sessione PET) e devono essere riservati dispositivi di archiviazione adeguati.

10. Dimissione e follow-up dei partecipanti

1. Rimozione della linea
   1. Rimuovere il catetere arterioso radiale utilizzando una tecnica sterile e applicare manualmente la pressione diretta dell'arteria radiale (questa operazione deve essere eseguita da un operatore sanitario qualificato).
   2. Applicare pressione per 15 minuti utilizzando la tecnica dell'emostasi brevettata per ridurre al minimo il rischio di occlusione dell'arteria radiale.
   3. Ispezionare la punta del catetere per verificare la presenza di coaguli o rotture.
   4. Dopo essersi assicurati di aver raggiunto un'emostasi adeguata, applicare una medicazione a pressione con garza sterile e avvolgimento elastico autoadesivo. Ispezionare la mano per verificare la presenza di eventuali cambiamenti di colore, temperatura, sensazione o funzione.
2. Istruzioni per l'assistenza domiciliare
   1. Istruire i partecipanti a mantenere le medicazioni a pressione per 2 ore dopo la dimissione.
      1. Istruire i partecipanti a esaminare il sito di incannulamento per sanguinamento o lividi a 2 ore, quindi posizionare un bendaggio da banco.
      2. Istruire i partecipanti a evitare di piegare o bagnare il polso/braccio interessato per 24 ore ed evitare attività faticose che coinvolgono il polso/braccio per 48 ore.
   2. Istruire i partecipanti a ispezionare il polso/braccio interessato per segni di infezione, lesioni o sanguinamento durante le 48 ore successive alla dimissione.
   3. Fornire diversi metodi per contattare il team dello studio, se necessario.
   4. Fornire rassicurazioni per le complicanze comuni di lividi lievi e disagio transitorio.
   5. Contattare il partecipante allo studio 24-48 ore dopo la dimissione per assicurarsi che non siano sorte ulteriori complicazioni.

11. Calibrazioni

1. Calibrazione incrociata
   1. Utilizzare sorgenti di riferimento a barra di ⁶⁸Ge o ²²Na per la calibrazione assoluta dei contatori di pozzi.
   2. Successivamente, effettuare la calibrazione incrociata utilizzando soluzioni di 10-37 MBq di [¹⁸F]FDG in 30-670 mL di acqua con acetonitrile al 2% o solvente organico simile. Utilizzare flaconi rigidi per terreni (polietilene tereftalato o polietilene ad alta densità) che forniscano il contenimento della radioattività con un'attenuazione gamma trascurabile. Utilizzare flaconi di volume inferiore per ridurre l'attività di calibrazione incrociata nel foro dello scanner. Calibrare in modo incrociato tutti gli altri strumenti di rilevamento gamma utilizzando aliquote prelevate dalla bottiglia.
2. Calibrazione del catetere
   1. Eseguire studi di calibrazione della dispersione e del ritardo derivanti dall'uso di cateteri e linee tra l'arteria radiale e la sonda di rilevamento gamma.
      1. Utilizzare emoderivati scaduti dalla banca del sangue locale, un bagno a temperatura controllata e una variazione controllata dell'ematocrito degli emoderivati.
      2. Assemblare dispositivi compartimentali per alternare rapidamente tra emoderivati non etichettati e prodotti ematici marcati con [¹⁸F]FDG, che vengono consegnati all'assemblaggio di cateteri, linee, sonda rivelatore gamma e pompa peristaltica. Fornire input "a gradini" Heaviside all'assemblaggio e misurare la radioattività nel tempo.
      3. Stimare il kernel di convoluzione per la dispersione e il ritardo. Parametrizzare i chicchi in modo che vadano con l'ematocrito. Eseguire tutte le calibrazioni con la fonte di emoderivati a 37 °C. Riutilizza il kernel per tutti gli studi sull'uomo che utilizzano lo stesso assemblaggio.
         NOTA: Queste calibrazioni tengono conto solo della dispersione e del ritardo attraverso gli assemblaggi di linee esterne, non dell'anatomia interna.

Risultati

Alcuni degli aspetti tecnicamente più impegnativi di questo protocollo riguardano la configurazione, la gestione e la raccolta di dati dalle linee arteriose, somministrando contemporaneamente radiotraccianti a breve emivita e facendo funzionare lo scanner. La Figura 1 fornisce un punto di vista a volo d'uccello dell'attuale configurazione che riassume l'organizzazione e i flussi di lavoro operativi richiesti ai coordinatori dello studio, agli interventisti, agli infermieri, ai tecnologi e ai ricercatori. I radiofarmaci sopra descritti sono facilmente incorporabili in mappe non quantitative di attività specifiche (Figura 2), incluso il calcolo dei rapporti del valore di assorbimento standardizzato (SUVR). Le curve di attività temporale dell'intero cervello (Figura 3) aiutano a identificare i movimenti significativi della testa, che produrrebbero discontinuità della curva di attività, e forniscono caratteristiche dei traccianti, dopo la correzione del decadimento, come il plateau atteso di [¹⁵O]CO a 120 s e la sua conseguente escrezione renale, il plateau di [¹⁵O]O₂ dopo il passaggio in bolo come estratto dal tessuto cerebrale e metabolizzato in [¹⁵O]H₂ radiomarcatoO, la diminuzione monotona di [¹⁵O]H₂O iniettato all'aumentare del volume di distribuzione in tutto il corpo, e il progressivo assorbimento e fosforilazione di [¹⁸F]FDG tramite esochinasi nel cervello nel corso della vita di ¹⁸F. Stime dettagliate del modello di [¹⁵O]H₂O metaboliche sono state originariamente descritte da Mintun et al¹⁵.

Una fenomenologia polinomiale più semplice, che omette le considerazioni sulle dispersioni intravascolari ed enfatizza le caratteristiche robuste nei dati sulle emissioni, è stata sostenuta da Herscovitch et al^26,27. Gli esempi di questo lavoro fanno uso solo di quest'ultima fenomenologia per il metabolismo dell'ossigeno. Le funzioni di input arterioso registrate dal rilevamento gamma dai cateteri che incannulano l'arteria radiale distale presentano una dispersione e un ritardo sostanziali che devono essere deconvolti. Abbiamo privilegiato i metodi bayesiani per la stima dei parametri di modelli di serie di distribuzioni gamma e termini stazionari esponenzialmente crescenti²⁸. La Figura 4 mostra i risultati per [¹⁵O]CO, [¹⁵O]O₂, [¹⁵O]H₂O e [¹⁸F]FDG. I risultati per [¹⁵O]O₂ illustrano anche l'emergere di [¹⁵O]H₂O del metabolismo. La Figura 5 mostra le mappe dei parametri statistici di CBV, CBF, CMRO₂, CMRGlc e AG, che definiamo come l'equilibrio molare della glicolisi classica: CMRGlc - CMRO₂/6.

Figura 1: Riepilogo dei flussi di lavoro operativi e di configurazione. (A) Illustrazione schematica degli strumenti essenziali e delle parti necessarie nell'alloggiamento dello scanner. Per gli scanner PET-CT con fori lunghi dello scanner, il posizionamento dei partecipanti con i piedi migliora la somministrazione di radiofarmaci gassosi aumentando la manovrabilità dei dispositivi di erogazione del gas e migliorando le comunicazioni verbali e non verbali con il partecipante. Il sistema di erogazione del gas (ciano e blu) è costituito da tubi in nylon di diametro stretto provenienti dal ciclotrone, sotto scarico per il trasporto di radiofarmaci gassosi; una camera di stoccaggio del gas protetto contenente soffietti espandibili e pico-amperometro dosatore di dosaggio; un filtro antiparticolato adatto a catturare le particelle virali; e un tubo terminale in polimero plastico di grande diametro dotato di morsetto e bocchino in plastica. Tutte le parti esposte alle goccioline respiratorie sono monouso o compatibili con le procedure di sterilizzazione. Gli strumenti e le parti per le misurazioni del sangue arterioso (rosso e grigio scuro) forniscono soluzione salina a pressione per il mantenimento dell'incannulamento dell'arteria radiale, rilevamento gamma compatto per la coincidenza di fotoni di annichilazione di 511 keV, una pompa peristaltica per il prelievo di sangue arterioso e un contenitore per la raccolta del sangue prelevato. I radiofarmaci per iniezione endovenosa richiedono moduli di sintesi per la generazione di [¹⁵O]H₂O dal gas [¹⁵O]O₂ fornito dal ciclotrone, o l'erogazione di tubi pneumatici dalla radiofarmacia del ciclotrone (verde). La somministrazione endovenosa di radiofarmaci richiede una dosimetria di livello clinico (magenta). Le misurazioni dell'attività nel sangue intero e nel plasma richiedono un contatore a pozzetti, una bilancia analitica e una microcentrifuga (rosso). (B) Viste annotate e dettagliate del sistema di erogazione del gas. Abbreviazione: PET-CT = tomografia a emissione di positroni-tomografia computerizzata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Immagini statiche rappresentative per [¹⁵O]CO, [¹⁵O]O₂, [¹⁵O]H₂O e [¹⁸F]FDG, sovrapposte con ~25% di trasparenza su TC finestrata per osso temporale. Le scansioni di ¹⁵radiotraccianti O hanno posizionato il partecipante con i piedi per primi con solo un avvolgimento elastico autoadesivo che fissava la testa al tavolo del portale. La scansione di [¹⁸F]FDG ha seguito una pausa dalla scansione, quindi ha riportato il partecipante all'incirca alla posizione originale dei piedi. Abbreviazioni: CO = monossido di carbonio; FDG = fludesossiglucosio; TC = tomografia computerizzata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Curve rappresentative dell'attività del tracciante dell'intero cervello. (A) [¹⁵O]CO, (B) [¹⁵O]O₂, (C) [¹⁵O]H₂O e (D) [¹⁸F]FDG. L'intero cervello è stato definito mediante mascheramento di MPRAGE anatomico. L'arrivo di un bolo di tracciante somministrato precede o coincide con la tempistica dei primi fotogrammi in PET nei pannelli A e B. Abbreviazioni: CO = monossido di carbonio; FDG = fludesossiglucosio; PET = tomografia a emissione di positroni; MPRAGE = eco del gradiente di acquisizione rapida preparato per la magnetizzazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Curve rappresentative dell'attività del tracciante, campionate in continuo dall'arteria radiale e deconvoluzioni di dispersioni e ritardi negli assemblaggi di linea. Gli esempi descrivono (A) [¹⁵O]CO, (B) [¹⁵O]O₂, (C) [¹⁵O]H₂O e (D) [¹⁸F]FDG. I cerchi blu sono dati misurati da una sonda di rilevamento delle coincidenze che circonda un catetere ad anello stretto che fa passare il sangue arterioso. Il conteggio delle coincidenze dalla sonda include la scintillazione di base dei cristalli LYSO che rispondono ai fotoni ambientali (casuali ad ampio spettro che rientrano nella finestra temporale del dispositivo di 100 ns). Il sangue arterioso passa dall'arteria radiale attraverso la sonda per azione distale di una pompa peristaltica. La linea tratteggiata viola è la stima empirica del kernel per la dispersione e il ritardo descritti nella sezione 11.2 del protocollo. La linea gialla descrive la curva di attività del tracciante corretta per dispersione e ritardo. La ricottura simulata stima i parametri di una distribuzione gamma generalizzata per la linea gialla coerente con il kernel stimato e i dati del rilevamento delle coincidenze. I dati adattati vengono visualizzati come una linea rossa. Il pannello (B) indica anche [¹⁵O]H₂O dal metabolismo di [¹⁵O]O₂ che si presume abbia caratteristiche lineari descritte da Mintun et ^al.15. Abbreviazioni: CO = monossido di carbonio; FDG = fludesossiglucosio; PET = tomografia a emissione di positroni; LYSO = ossiortosilicato di lutezio-ittrio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Mappe di CBV, CBF, CMRO₂, CMRGlc e AG. Il CBV è necessario per la stima quantitativa di CMRO2, CMRGlc e AG. Tuttavia, l'attività dei seni venosi è fonte di confusione per CMRGlc e AG. Di conseguenza, i seni venosi sono stati rimossi da CMRO₂ e CMRGlc mediante mascheramento. Il contrasto tra il cervelletto e la neocorteccia è coerente con studi precedenti sull'AG. Abbreviazioni: CBV = volume del sangue cerebrale; CBF = flusso sanguigno cerebrale; CMRO₂ = tasso metabolico cerebrale dell'ossigeno; CMRGlc = tasso metabolico cerebrale del glucosio; AG = glicolisi aerobica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Esempi di emissioni statiche di [¹⁵O]H₂O da partecipanti sani allo studio di controllo scansionati su tre generazioni di scanner PET. Tutte le ricostruzioni hanno utilizzato 3D OP-OSEM con randomi ritardati, correzione dell'attenuazione e filtraggio all-pass (nessun filtraggio). Tutte le ricostruzioni provengono da console di scansione con parametri adatti per flussi di lavoro clinici efficienti. Non sono state utilizzate ulteriori elaborazioni numeriche, correzioni o sfocature. Ai fini della comparabilità, tutti i risultati dello scanner vengono mostrati dopo la trasformazione del corpo rigido e l'interpolazione trilineare con l'atlante MNI152 con risoluzione di 1,0 mm³ . (A) Uno scanner solo PET con scintillatori a cristallo BGO, OP-OSEM con 4 iterazioni e 16 sottoinsiemi,^2,0 x 2,0 x 2,4 mm 3 voxel, 6 min di emissioni, scansione di trasmissione con Ge/Ga per la mappatura dell'attenuazione e simulazioni di dispersione singola. (B) Uno scanner PET-MR con scintillatori a cristallo LYSO, OP-OSEM con 4 iterazioni e 16 sottoinsiemi,^2,1 x 2,1 x 2,0 mm 3 voxel, 10 minuti di emissioni, CT acquisita esternamente per la mappatura dell'attenuazione e scala di dispersione assoluta basata su modelli. (C) Uno scanner PET-CT con scintillatori a cristallo LYSO, rilevamento del tempo di volo, OP-OSEM con 8 iterazioni e 5 sottoinsiemi, 1,65 x 1,65 x 1,65 mm³ voxel, 6 min di emissioni, CT integrata per la mappatura dell'attenuazione e scala di dispersione assoluta basata su modelli. Abbreviazioni: PET = tomografia a emissione di positroni; TC = tomografia computerizzata; MR = risonanza magnetica; OP-OSEM = ordinario-Poisson sottoinsiemi ordinati di massimizzazione delle aspettative; BGO = germanato di bismuto; LYSO = ossiortosilicato di lutezio-ittrio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussione

L'imaging PET del metabolismo dell'ossigeno e del glucosio utilizzando gas [¹⁵O]CO e [¹⁵O]O₂ per via inalatoria, l'iniezione endovenosa di [¹⁵O]H₂O e l'iniezione endovenosa di [¹⁸F]FDG hanno precedenti storici significativi basati sull'imaging accumulato dalle precedenti generazioni di scanner PET 14,15,16,17,26,27. Questi dati si basavano comunemente sulla scansione a trasmissione con sorgenti di germanio/gallio per la mappatura dell'attenuazione, array di scintillatori di bismuto germato (BGO) limitati alla luminescenza, dosaggio ad alta attività e acquisizioni 2D con setti ad anello per adattarsi a una luminescenza limitata dello scintillatore e ricostruzioni di retroproiezione filtrate che sono computazionalmente poco costose. Gli scanner più recenti, incluso quello descritto in questo protocollo, utilizzano la TC ad alta risoluzione per la correzione dell'attenuazione, array di scintillatori altamente luminescenti di lutezio-ittrio ossiortosilicato (LYSO) disposti in configurazioni di scintillatori spazialmente dense, acquisizioni 3D che multiplexano l'efficienza del rilevamento dei fotoni, elettronica di rilevamento TOF che migliora la localizzazione spaziale degli eventi di annichilazione e metodi di ricostruzione computazionalmente avanzati con sottoinsiemi ordinati 3D ordinari di Poisson massimizzazione delle aspettative (OP-OSEM). I nuovi scanner offrono una qualità dell'immagine superiore a una dose di radiazioni inferiore^29,30. Esempi comparabili di tre generazioni di scanner PET sono descritti in dettaglio nella Figura 6.

Questo protocollo si avvale di diverse modifiche aggiuntive per migliorare la qualità delle informazioni provenienti dalla scansione PET da scanner più recenti: posizionamento con i piedi, somministrazioni di dosi meticolosamente temporizzate e misurazioni automatizzate della funzione di input arterioso²⁵. Questi consentono la raccolta di dati sulle funzioni di input arterioso e sulle emissioni cerebrali per quattro traccianti distinti del metabolismo dell'ossigeno e del glucosio in una sessione di scansione di 2-3 ore. Questi dati possono quindi essere sottoposti a metodi di modellazione cinetica tradizionali e nuovi, nonché ad algoritmi di correzione del volume parziale, per produrre stime quantitative ad alta risoluzione e ad alta precisione del metabolismo cerebrale. È importante sottolineare che questo protocollo consente non solo misurazioni quantitative del metabolismo dell'ossigeno e del glucosio nel cervello, ma anche il calcolo dell'AG cerebrale. In particolare, la qualità superiore dell'immagine degli scanner all'avanguardia consente funzioni di input arterioso derivate da immagini più realistiche, nonché nuovi approcci analitici che in precedenza erano limitati dal rumore o dalla sensibilità alle differenze di temporizzazione tra il campionamento arterioso e le emissioni cerebrali¹⁹.

In particolare, la qualità dell'imaging è più difficile da migliorare con i radiotraccianti ¹⁵O rispetto al [¹⁸F]FDG. L'emivita effimera di 122 s di ¹⁵O causa una grave perdita di informazioni. Tuttavia, può essere pertinente anche l'uso di radiotraccianti gassosi, in quanto i gas possono accumularsi nello spazio ambiente tra la testa del partecipante e gli anelli di rilevamento della PET-CT. Lì, le emissioni dei gas radiotraccianti possono formare fonti significative di casualità e diffusione, confondendo così i metodi di correzione della dispersione implementati dal fornitore che utilizzano il ridimensionamento relativo delle fonti di dispersione rispetto alle regioni identificate come aria. Anche l'iniezione endovenosa di [¹⁵O]H₂O può porre difficoltà se vengono espirate quantità significative come vapore di [¹⁵O]H₂O. I metodi per l'eliminazione dei radiotraccianti gassosi sono stati riportati²⁴, ma non sono stati implementati in questo lavoro. I modelli convenzionali di correzione della dispersione possono essere inadeguati per l'imaging di radiotraccianti a ¹⁵O e le migliori prestazioni per questi traccianti sono dipesi da modelli di diffusione che tengono conto delle fonti assolute di fotoni di annichilazione nel campo visivo, senza riscalare, abbinati a mappe accurate di attenuazione. Anche piccole omissioni di hardware, come gli specchi attaccati alle bobine di testa degli scanner PET-MR, su cui i gas ¹⁵O formano comunemente condensati, possono produrre artefatti sostanziali nelle ricostruzioni delle emissioni. Sono stati riportati anche artefatti correlati derivanti da mappe di attenuazione non corrispondenti a seguito del movimento dei partecipanti³¹. Poiché le interazioni dei modelli di scattering con le caratteristiche di diffusione puntiforme dei radiotraccianti gassosi sono ancora scarsamente caratterizzate, questo lavoro ha omesso i metodi di modellazione della diffusione puntiforme che altrimenti sarebbero essenziali per la PET ad alta risoluzione. L'ottimizzazione dei parametri di ricostruzione per listmode per ogni tracciante è la procedura consigliata, ma questo lavoro fornisce esempi utilizzando semplicemente ricostruzioni della console che sono state applicate in modo identico a tutti i traccianti, il più possibile, come descritto nella sezione 9.1 del protocollo. Gli esemplari dimostrano necessariamente programmi di temporizzazione dei fotogrammi che sono stati adattati alla variabilità delle scale temporali cinetiche traccianti. Gli esempi sottolineano la semplicità, la comparabilità delle statistiche di conteggio e le risoluzioni spaziali efficaci disponibili per ciascun tracciante, riducendo al minimo le distorsioni che potrebbero insorgere ottimizzando i parametri di ricostruzione per ciascun tracciante. Per la comparabilità con gli studi esistenti sul ¹⁵O, i risultati rappresentativi di questo lavoro utilizzano 8 iterazioni di 5 sottogruppi, precedentemente riportati come appropriati per la moderna PET-CT con acquisizioni del tempo di volo^30,32. Il tempo di volo può produrre una migliore risoluzione dell'imaging con 4 iterazioni di 5 sottoinsiemi, e queste ottimizzazioni sono in fase di studio attivo per i traccianti descritti in questo lavoro.

L'alesaggio più lungo dei moderni scanner PET-CT ingombra gli investigatori che forniscono gas radiotraccianti. Le geometrie confinate del gantry aumentano le difficoltà di raggiungere la bocca del partecipante durante la somministrazione dei gas, la comunicazione delle istruzioni ai partecipanti e la garanzia che i dispositivi di somministrazione del gas non perdano radiotraccianti nello spazio ambientale. In tal modo, il posizionamento dei partecipanti con i piedi dimostra i vantaggi. La maggior parte dell'hardware dello scanner rende il posizionamento con i piedi in avanti incompatibile con il posizionamento dei dispositivi di neuroschermatura, che in genere posizionano una schermatura di piombo che circonda il collo del partecipante e divide la testa del partecipante dal corpo. La neuroschermatura ridurrà l'ingresso casuale nel campo visivo dal corpo. I benefici relativi della neuroschermatura rispetto all'evitamento dei radiotraccianti del gas ambiente sono attualmente poco compresi.

Quantificare il metabolismo cerebrale
Questo articolo dimostra i risultati delle analisi che utilizzano i modelli tradizionali per l'emodinamica descritti da Raichle et al. (CBF)¹⁶ e Martin et al. (CBV)¹⁷, e per il metabolismo descritto da Mintun et al. (CMRO₂)¹⁵ e Huang et al. (CMRGlc)¹⁴. Queste analisi utilizzano le funzioni di input arterioso e i dati sulle emissioni misurati utilizzando il protocollo descritto in questo documento. Mezzi alternativi per misurare la funzione di input arterioso, come un metodo derivato da immagini, vengono attivamente perseguiti e testati contro il metodo invasivo. I modelli tradizionali sfruttano inoltre appieno l'imaging dinamico per stimare i parametri del modello cinetico. Abbiamo preferito l'uso di rappresentazioni polinomiali di CBF e CMRO₂^26,27. Abbiamo favorito i metodi di Huang et al. per stimare CMRGlc, ma impiegando la stima dei parametri bayesiani^28,33. L'AG è stato più recentemente concepito come una misura del glucosio che entra nelle vie glicolitiche ma contribuisce a funzioni cellulari diverse dalla fosforilazione ossidativa⁴. Il calcolo dell'AG cerebrale richiede quindi semplicemente la conversione di CMRGlc e CMRO₂ in equivalenti molari e la sottrazione di un sesto di quest'ultimo dal primo.

Correzione parziale del volume
Di solito eseguiamo la correzione del volume parziale regionale sulle immagini SUVR utilizzando l'algoritmo della matrice di trasferimento geometrico simmetrico (sGTM)³⁴. Questo si basa sui dati ad alta risoluzione ottenuti dalla risonanza magnetica, che possono includere solo sequenze anatomiche, sebbene l'attuale protocollo ottenga anche sequenze simili allo Human Connectome Project (HCP) per una parcellazione regionale più precisa. Abbiamo utilizzato atlanti sia anatomici (ad esempio, Desikan-Killiany³⁵) che funzionali (ad esempio, Schaeffer³⁶ o Glasser³⁷). I primi atlanti hanno spesso regioni di interesse più grandi che sono più appropriate per le immagini PET ottenute a una risoluzione inferiore e sono stati più ampiamente utilizzati in precedenti ricerche PET. Tuttavia, gli atlanti più recenti sono funzionalmente e citoarchitettonicamente più ben definiti e potrebbero ora essere più applicabili con l'imaging PET a più alta risoluzione, come quello ottenuto con lo scanner Siemens Vision. Le immagini SUVR per ¹⁵scansioni O sono calcolate come descritto in precedenza e riferite ai valori dell'intero cervello⁴. La CMRGlc e la CMRO₂ dell'intero cervello vengono quindi calcolate utilizzando la modellazione cinetica come sopra per convertire le immagini SUVR in valori quantitativi assoluti. Da questo, è possibile calcolare l'AG regionale parziale corretto per il volume. Sebbene i nostri esempi per l'imaging dinamico delle emissioni non dimostrino la correzione parziale del volume per semplicità di presentazione, i metodi di correzione parziale del volume che tengono conto dell'imaging dinamico sono ora oggetto di studio attivo.

Generalizzabilità e adattabilità del protocollo
Questo protocollo descrive i dettagli metodologici pertinenti per acquisire la massima accuratezza, precisione, riproducibilità e interpretabilità ottenibili dalle misurazioni del metabolismo dell'ossigeno e del glucosio mediante PET nell'uomo. La massima accuratezza e precisione conosciute delle misurazioni appartiene alle analisi basate sui principi e sulle pratiche della cinetica del tracciante, che includono misurazioni dirette delle funzioni di input arterioso, determinazione delle regioni di interesse mediante co-registrazione con risonanza magnetica strutturale ad alta risoluzione e uso altamente impegnativo di risorse computazionali per i modelli statistici. In particolare, l'incannulamento invasivo dell'arteria radiale e il suo mantenimento rispetto a scansioni di emissione ripetute in serie sono costosi e comportano rischi limitati di lesioni gravi che richiedono il coinvolgimento di team clinicamente esperti. L'uso di traccianti basati su ¹⁵O è un'altra sfida per i ciclotroni e i loro team di supporto. Questi forniscono corrispondenza con le misurazioni metaboliche storicamente riportate nell'uomo e assicurano che le interpretazioni dei risultati quantitativi siano costruite su informazioni accumulate in precedenza. Tuttavia, queste misure dettagliate e invasive forniscono anche mezzi per la convalida di metodi meno invasivi e meno impegnativi che possono essere sufficienti per molte questioni relative al metabolismo umano. A seguito di un'appropriata convalida, l'incannulamento dell'arteria radiale può essere opportunamente sostituito con fonti di funzioni di input derivate da immagini³⁸ per molti studi specializzati. Evitare l'incannulamento dell'arteria radiale preclude anche le misurazioni dirette del prodotto metabolico primario di [¹⁵O]O₂, vale a dire [¹⁵O]H₂O, che può essere stimato da campioni di arteria radiale che sono stati centrifugati per stimare [¹⁵O]H₂O di metabolismo dal plasma e [¹⁵O]O₂ da globuli rossi centrifugati. Tuttavia, metodi computazionali intensivi possono essere utilizzati per risolvere parametricamente l'emergere di [¹⁵O]H₂O metabolici nella circolazione arteriosa, un modello lineare del quale è stato proposto da Mintun et al¹⁵. Molte metodologie che utilizzano SUVR possono anche essere suscettibili di convalida a seguito di confronti con dati ottenuti in modo invasivo. Attualmente, i programmi di ricerca attivi cercano la convalida delle stime di ossigenazione basate sull'effetto dipendente dal livello di ossigenazione del sangue e le misurazioni contemporanee con ¹⁵O possono fornire un'ulteriore convalida³⁹. Inoltre, sebbene sia menzionato solo in questo protocollo senza esempi, è probabile che ottimizzazioni dettagliate delle ricostruzioni delle immagini dalla modalità elenco migliorino la qualità delle misurazioni del metabolismo. Inoltre, molti metodi specializzati, come la correzione del movimento dei dati in modalità elenco e le correzioni parziali del volume, possono meritare uno sforzo quando le domande dello studio lo richiedono, ad esempio, quando i partecipanti occasionali hanno movimenti eccessivi della testa o gli studi sull'atrofia corticale sono confusi dalla media del volume parziale con il liquido cerebrospinale.

Precauzioni per la scansione PET
Questo protocollo espone i partecipanti alle radiazioni gamma ionizzanti. Le attuali stime delle radiazioni nei partecipanti che sono stati sottoposti alla sessione PET totale qui descritta (comprese da quattro a sei scansioni da ¹⁵O e una scansione FDG), si traducono in una dose efficace totale media, comprensiva di tutte le somministrazioni di radiotraccianti, di circa 7 mSv (0,7 rem). Questo è paragonabile alla dose di radiazioni di altri radiotraccianti utilizzati nella ricerca e nella pratica clinica e rappresenta il 14% della dose totale di radiazioni consentita a un operatore di radiazioni in un anno. Tutti i partecipanti (e/o il loro rappresentante legalmente riconosciuto) sono attentamente informati sia per iscritto che verbalmente dei potenziali rischi di radiazioni prima di ottenere il loro consenso per l'arruolamento nello studio.

Precauzioni per le linee arteriose
Le complicanze dell'incannulamento arterioso includono lividi (comuni), dolore, gonfiore, ematoma (non comune), sanguinamento nel sito di inserimento, vasospasmo, trombosi (raro) e reazione alla soluzione salina eparinizzata quando usata (molto rara). Impieghiamo abitualmente un servizio di radiologia interventistica per posizionare le linee arteriose e gestire eventuali complicanze, se dovessero insorgere.

Precauzioni per la risonanza magnetica
La Food and Drug Administration degli Stati Uniti richiede che tutti i dispositivi medici che entrano nel campo magnetico di uno scanner MRI siano sottoposti a test di sicurezza standardizzati. Se il dispositivo di un partecipante è etichettato come sicuro per la risonanza magnetica, possiamo procedere utilizzando le condizioni di scansione standard approvate dalla FDA senza ulteriori rischi per il partecipante. Se il dispositivo di un partecipante è condizionale alla risonanza magnetica, esaminiamo il produttore, la marca e il modello del dispositivo, quindi adattiamo di conseguenza le procedure di scansione della risonanza magnetica. L'imaging ha anche il potenziale rischio di rivelare risultati incidentali, che possono incorrere in rischi aggiuntivi come ansia, perdita finanziaria dovuta a ulteriori esami e, raramente, complicanze derivanti da successive procedure invasive clinicamente indicate.

Riepilogo delle limitazioni
Le limitazioni inevitabili della misurazione del metabolismo dell'ossigeno e del glucosio sono specifiche del radiotracciante stesso. ¹⁵Gli O-tracer hanno emivite brevi che stabiliscono molti dei requisiti più esigenti di questo protocollo, inclusa la presenza di strutture ciclotrone altamente specializzate e accessibili. I traccianti O gassosi ¹⁵introducono la complessità della gestione dei gas, come lo scavenging dei gas espirati²⁴ e metodi specializzati per le correzioni di dispersione. [¹⁸F]L'FDG scambia le notevoli sfide del monitoraggio dei metaboliti nei traccianti di glucosio [¹¹C] per confondere con stime a costanti concentrate. Questo protocollo presenta anche limitazioni derivanti dalla geometria di confinamento degli scanner PET-CT integrati. Mentre il posizionamento del partecipante con i piedi migliora i problemi di confinamento, può essere incompatibile con l'uso di dispositivi di neuroschermatura. Infine, l'uso dell'incannulamento invasivo dell'arteria radiale è di per sé un limite significativo. L'arteria radiale è un proxy per l'apporto arterioso primario del cervello. Tuttavia, l'arteria radiale può avere caratteristiche di flusso discrepanti dalle forniture arteriose al cervello. Inoltre, le procedure invasive e dolorose alterano lo stato cognitivo dei partecipanti allo studio, limitando la portata e la generalizzabilità degli studi di neuroimaging che possono essere perseguiti da questo protocollo.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
3/16" di diametro esterno 1/8" di diametro interno nylaflow	Nylaflow Tubing, Zazareth, PA
4 x 4 pollici di garza	McKesson MedSurg	16-4242
Bilancia analitica	Fisher Scientific/OHUAS	Pioneer Exal Model 90 mm piattaforma #PA84
filtro batterico/virale	Hudson RCI, Teleflex, Perak, Malaysia	REF 1605 (IPN042652)
BD SmartSite Valvola senza ago	Becton Dickinson	2000E
Biograph mMR	Siemens, Erlangen, Germania
Biograph Vision 600 Edge	Siemens, Erlangen, Germania
Contatore di salviette Caprac	Mirion Medical (Capintec), Florham Park, NJ	dal 1991 o più recente	NaI perforato bene cristallo
Coban involucro autoadesivo	3M		comunemente usato nelle medicazioni delle unità di terapia intensiva
, tegaderm, 4 x 4"	3M Health Care	#1626
ECAT EXACT HR+	CTI PET Systems, Knoxville, TN
Edwards TruWave 3 cc/84 pollici (210 cm)	Catetere di prolunga Edwards Lifescience	PX284R
lunghezza 48 cm, volume di adescamento 0,642 mL	Braun	V5424
eparina sodica, soluzione 2 U/mL, 1.000 mL	Hospira Worldwide	#409762059
Bracciolo per flebo flessibile 4 x 9 pollici adulto	DeRoyal	M8125-A
Keithley pico-amperometro	Tekronix
Magnetom Prisma adatto	Siemens, Erlangen, Germania		Adattatore maschio-maschio 3T
per valvole Luer	Argon Medical Co.	040184000A
MiniSpin Personal Microcentrifuge	Eppendorf, Amburgo, Germania	EP-022620151
Bocchino 15 mm ID, 22 mm OD	Hudson RCI, Teleflex, Perak, Malaysia	REF 1565 (IPN042595)
MRIdium	Iradmed, Winter Springs, FL	3860+
Nalgene flacone quadrato in PET con chiusura, 650 mL	Thermo Scientific	#3420400650	per
sacca per infusione a pressione a calibrazione incrociata con bulbo, da 1.000 mL	Health Care Logi	#10401
vassoio di monitoraggio della pressione catetere in polietilene; 2,5Fr (2,5 cm) angiocath; 0,015" 15 cm filo; 22G (2 cm) ago	Cook Medical	C-P MSY-250, G02854
RDS 11 MeV Cyclotron	Siemens, Erlangen, Germania		bombardamento protonico di 15N per generare 15O
soluzione di cloruro di sodio IV 0,9%, 1.000 mL	B. Braun Medical	E8000
steri-strips (chiusura, rivestimento pelle LF 1/2x4")	McKesson MecSurg	#3010
Twilite II	Swisstrace, Zurigo, Svizzera
Gruppo di continuità batteria di backup e protezione da sovratensione	APC	BR1500MS2