Medicine

Всего тела и региональных количественного определения активного человека коричневый жировой ткани с помощью ¹⁸F-ФДГ ПЭТ/КТ

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

Использование бесплатно, открытым исходным кодом программного обеспечения, мы разработали аналитический подход к количественно оценить объем общей и региональной коричневый жировой ткани (BAT) и метаболической активности летучей мыши, с помощью ¹⁸F-ФДГ-ПЭТ/КТ.

Abstract

В эндотермических животных коричневая жировая ткань (BAT) активируется для производства тепла для защиты температуры тела в ответ на холод. BAT в возможность расходовать энергию сделало его потенциальной мишенью для Роман терапии для улучшения ожирение и связанные метаболических расстройств в организме человека. Хотя эта ткань хорошо изучены в мелких животных, BAT термогенный способность людей остается практически неизвестны из-за трудности измерения ее объем, деятельности и распределения. Выявление и количественное определение активного человека BAT обычно выполняется с помощью ¹⁸F-Fluorodeoxyglucose (¹⁸F-ФДГ) позитронно-эмиссионная томография и компьютерная томография (ПЭТ/КТ) сканирует следующие холодной экспозиции или фармакологических активации. Здесь мы описываем подробный анализ изображений подход к количественной оценке всего тело человека BAT из ¹⁸F-ФДГ-ПЭТ/КТ сканирование с помощью программное обеспечение с открытым исходным кодом. Мы демонстрируем рисования определяемый пользователем регионов, представляющих интерес для выявления метаболически активные жировой ткани, избегая общих-BAT тканей, мера BAT объема и активности и для дальнейшей характеризации анатомического распределения. Хотя этот строгий подход является длительным, мы считаем, что он в конечном итоге обеспечит основу для разработки будущих автоматизированных BAT количественной оценки алгоритмов.

Introduction

Увеличение распространенности ожирения во всем мире¹ побудило расследование Роман терапии для предотвращения и улучшения ожирения и его осложнений связанные. Ожирение является отчасти объясняется избыток энергии, хранящейся в белой жировой ткани (Ват) в виде триглицеридов². Коричневая жировая ткань (BAT) отличается от Ват прежде всего благодаря выше митохондриальной содержание, меньше и многокамерный липидного капель, собственный анатомического распределения, больше симпатической иннервации и тепловой генерации способности. Хотя когда-то считалось, что BAT существуют только в мелких млекопитающих и новорожденных, наличие функциональных Бат был подтвержден в взрослых людей в 2009³^,⁴^,⁵. Термогенный способности человека BAT пока не известна, но обширные исследования в мелких животных показали, что не дрожал термогенеза может составлять до 60% их метаболизм во время холодной экспозиции⁶. В результате человека Бат теперь изучаются как цель для лечения и профилактики ожирения и расстройств, связанных с⁷. Несколько клинических исследований показали, что бат термогенеза коррелирует с повышенной Глюкоза поглощения и энергии расходы после активации мягкая холодного воздействия⁸^,⁹^,¹⁰. Тем не менее, BAT вклад холодной индуцированной термогенеза остается спорным¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴, с много споров вокруг как количественно оценить человека BAT¹⁵. Чтобы лучше понять, если термогенеза BAT могут быть использованы для борьбы с ожирением, важно иметь точное измерение его объем и метаболической активности.

Получение точных измерений BAT является сложной задачей вследствие BAT в уникальный анатомического распределения в организме человека. BAT распространяется внутри белый жировых депо в шеи, грудной клетки и живота в сайтах, которые являются недоступными для неосложненной биопсий¹⁴. Вскрытия были использованы для характеристики BAT анатомически¹⁶, но являются неосуществимыми для большинства научно-исследовательские лаборатории, делают большие исследования и не может обеспечить продольной или функциональной информации. Так как BAT имеет аналогичные плотность от Ват и может произойти в узких Фасциальных слоев или в маленьких карманов, перемежаются с Ват¹⁶, трудно определить с помощью единого, обычных изображений техники. Эта неоднородность также затрудняет автоматическое количественная оценка БИТОЙ чем количественная оценка однородных структур, таких как печень¹⁷.

Для преодоления этих проблем, объем BAT и деятельности обычно количественно, связывая компьютерная томография (КТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). Radiolabeled глюкозы аналоговый ¹⁸F-Fluourodeoxyglucose (¹⁸F-ФДГ) является наиболее широко используемым трассировщик учиться BAT метаболической активности¹⁸. Жировой ткани может быть продифференцированным от других тканей и воздуха, основанные на плотность информации, представленной КТ изображения в единицах Hounsfield (Ху). ПЭТ изображения показывают количество ¹⁸F-ФДГ учитывать объем тканей в единицах стандартизированных усвоение ценностей (Внедорожник). Активные BAT могут быть отделены от ткани с незначительными трассирующими поглощения, включая Ват и неактивные BAT, путем совместного регистрации ПЭТ изображения с соответствующим КТ и выбрав соответствующий предел внедорожник.

Через этот документ мы стремимся обеспечить поэтапный подход с учебное видео, которое может использоваться клинических исследователей для количественного определения человека бат с использованием ¹⁸F-ФДГ-ПЭТ/КТ сканирование. Этот метод анализа изображения идеально использоваться после того, как предмета (ов) были на холоде или лечение с фармакологическими BAT стимуляторов. В частности мы продемонстрировать пользователям о том, как построить регионы интереса (ROI) при минимальном количестве ложных срабатываний, используя программное обеспечение обработки изображений бесплатно, с открытым исходным (ImageJ) с конкретного плагина (petctviewer.org). В результате этого подхода может использоваться для изучения BAT тома (поглощение глюкозы) и активность анатомического распределения индивидуальных предметов.

Protocol

Все ПЭТ/КТ изображения показаны в этой рукописи были получены от участников национальных институтов здравоохранения протокол № 12-DK-0097 (ClinicalTrials.gov идентификатор NCT01568671). Все участники представили письменного информированного согласия, и все эксперименты были одобрены институциональных Наблюдательный Совет национального института диабета и пищеварения и болезни почек.

1. Установка программного обеспечения

Скачать ImageJ от imagej.net или используйте ссылку в petctviewer.org для скачивания Фиджи.
Примечание: В 64-разрядной версии ImageJ требуется для наборов с более чем 1000 изображений.
Загрузить и установить подключаемый модуль просмотра PET/CT для ImageJ инструкции по установке на petctviewer.org. Обратитесь к этой веб-сайт для полное руководство к PET/CT зрителя и не забудьте проверить для регулярных обновлений программного обеспечения и ссылка на общие инструкции (http://sourceforge.net/p/bifijiplugins/wiki/Brown%20fat%20Volume/).

2. Загрузка изображений ПЭТ/КТ

Загрузить следующие три стеки изображений в подключаемый модуль просмотра в PET/CT: затухание исправлены PET (ЦЭОД), не затухание исправлен PET (UPet) и затухания исправлены CT (CT). Загрузите изображения с помощью одного из двух методов (рис. 1).
1. Метод 1: Drag-and-drop
  1. Drag-and-drop из обозревателя файла CT, ЦЭОД и UPet filesets.
  2. Нажмите кнопку «Да» на три подсказки, которые появляются (открыт все X изображения в «папка», как в стеке), оставив снят флажки в пределах подсказкам.
  3. Когда загружаются все наборы три изображения, перейдите на ImageJ панель инструментов, выберите «plug-ins» и прокрутите вниз раскрывающегося меню, чтобы выбрать «ПЭТ КТ просмотра».
2. Метод 2: Исследования чтения с CD или место на диске:
  1. Назначьте имя местоположения к набору данных в закладке «Setup» назначить «DICOM путь», нажав кнопку «Обзор» и перейдя высокого уровня хранения папку, содержащую все наборы изображений.
    Примечание:-Это формат файла обычно используется для медицинских изображений DICOM (цифровое изображение и коммуникации в медицине) и «DICOM путь» относится к набору папок, содержащий все raw изображений DICOM.
  2. Вернитесь на вкладку «Чтение» где отдельных сканирований (от одного предмета и одна дата) станет выбор для обработки изображений.
  3. Выберите тему, нажмите «Read» и ImageJ будет автоматически загружать все три связанные наборы и запустить средство просмотра PET/CT.
Загрузите ранее сделанные набор ROIs обратно в PET/CT просмотра, нажав кнопку «Загрузить» на «бурый жир, ROI» редактора.
Примечание: Только ImageJ позволит ROI CSV-файл, созданный из текущего набора CT, ЦЭОД и UPET изображения для загрузки.

3. Навигация ПЭТ/КТ просмотра подключаемый модуль

Подождите, для просмотра PET/CT, чтобы появиться после загрузки как новое окно с трех отдельных представлений ПЭТ/КТ изображений, представленные либо индивидуально или сливается.
1. Нажмите кнопку «ПМС» в верхней левой PET/CT просмотра, чтобы заменить один из двух других окон с видом на расплавленный ПЭТ/КТ. Однако если эта кнопка нажата только один раз, МИП больше не будет доступна.
  Примечание: MIP или проекция максимальной интенсивности — двухмерный, полный образ тела, отображение только пикселы с высокой интенсивностью в каждом осевом срез.
2. Нажмите кнопку «ПМС» снова, чтобы вернуть ПМС; Теперь вид расплавленный ПЭТ/КТ, КТ и MIP должны быть доступны.
Переключение ориентации изображения ПМС с «>>», «F» и «S» кнопки в верхней части средства просмотра ПЭТ-КТ.
Измените ориентацию расплавленный ПЭТ/КТ изображений ПЭТ и КТ для осевой, коронковой или сагиттальной плоскости, с помощью трех кнопок слева от увеличительного стекла.
Нажмите на увеличительное стекло на панели инструментов в верхней части средства просмотра ПЭТ-КТ для включения функции колеса прокрутки мыши.
1. Увеличьте на всех представлениях (за исключением ПМС) путем прокрутки с увеличительным стеклом выбран.
2. Перемещаться по срезы на всех представлениях (за исключением МИП) с прокрутки при увеличительное стекло не выбран.
  Примечание: Нажав на ПМС будет также изменить ПЭТ и КТ ломтики анатомическое расположение на уровне курсора.
Выберите «Редактировать» в левом верхнем углу панели инструментов и выберите «Бурый жир, ROIs» в раскрывающемся меню, которое появляется. Появится новое диалоговое окно. Убедитесь, что перед началом количественной выбраны следующие параметры:
1. Установите флажки «Использование внедорожник» и «Использование CT».
2. Выберите один из трех критериев включения voxel («Любой», «Средний» или «Все»).
  Примечание: «Любой» был использован в Лейтнер et al. 2017¹⁹. Для подробного объяснения других вариантов обратитесь к petctviewer.org.
3. Выберите «Интерьер», чтобы применить алгоритм обнаружения BAT для изучения вокселей внутри (а не за пределами) области ROI.
Вход внедорожник ограничения для Бат в первой строке бесплатные текстовые поля этого диалогового окна.
1. Входные данные измерены внедорожник нижний предел, нормированная на индивида или предсказал lean массы тела и верхний предел, достаточной для размещения высокой активности уровни¹⁹^,²⁰.
  Примечание: BAT максимальной внедорожники как высокие, как в предыдущих исследованиях¹⁷; зарегистрировано ~ 75 г/мл Таким образом 100 г/мл это верхний предел разумного.
Диапазон плотности BAT, во втором ряду свободных текстовых полей.
Примечание: Нижний предел Ху-300 и -10 Ху верхний предел были использованы в Лейтнер et al. 2017¹⁹ и в диапазоне от -190 до Ху-10 также ранее было рекомендовано²¹.
Установите флажок, расположенный под «Vol * означает» так, что все вокселей считается чтобы быть BAT будут выделены синим цветом при открытом окне «коричневый жира, ROI».
Примечание: SUVmax будет отображаться красным цветом и регулируемый рядом флажок диктует толщина выделения.
Нарисуйте трансформирования
1. Нажмите кнопку «Рисовать» в «Браун жир, ROI» диалогового окна. Все клики, сделанные в окне просмотра PET/CT будет считаться точек, которые составляют ROIs.
  1. Щелкните в любом месте в пределах одного из трех представлений начать рисование ROI.
    Примечание: Не менее трех точек требуется сформировать ROI. Дважды щелкните после первой или второй точки автоматически удалять точки и оставить ROI, режим рисования.
  2. Закрыть и хранить ROI, дважды щелкнув после определения более чем две точки.
Компиляция трансформирования для получения общего объема Бат
1. Нарисуйте ROIs в осевой плоскости для получения общего объема бат.
  Примечание: Это легче иметь максимум один ROI за осевой срез. Включая более чем одной ROI за срез может привести к случайного совпадения. Воксели определены как BAT в перекрывающихся регионов затем будет учитываться более одного раза к объему бат.
2. Задать начальную и конечную «слайс предел» же фрагмент, так что ROI будет применяться только к текущей осевой срез (например начиная ломтик = 90 и заканчивая ломтик = 90).
3. Обведите один депо BAT (например в регионе левой надключичных) без завершения ROI. Продолжать ROI, расширяя соединительной линии через тело в далеком сегмент BAT. Заключите второй BAT депо и дважды щелкните на точке ранее выявленных в начале 2-^го региона. Настройка точек ROI при необходимости дальнейшего снижения возможности возникновения ложных срабатываний.
4. Этикетка, которую ROI на основе анатомических уровня для будущей справки, используя текстовое поле внизу слева от диалогового окна.
Удаление нежелательных трансформирования
1. Удаление нежелательных ROI сразу после завершения.
  1. Дважды щелкните в PET/CT просмотра для выполнения нежелательных ROI.
  2. Нажмите на кнопку с рециркуляции бен значок в диалоговом окне «бурый жир, ROI».
  3. Нажмите кнопку «Да» при появлении запроса или нет пользователь хочет, чтобы удалить текущий ROI.
2. Удалите ранее сделанные ROI.
  1. Выберите желаемый ROI, с помощью вверх или вниз стрелки рядом с номером ROI.
  2. Нажмите кнопку рециркуляции.
    Примечание: После того, как был удален ROI, номера, связанные с каждой ROI более чем удаленные ROI будет соответственно сдвиг в порядке (например если удаляется ROI #2, ROI #3 станет #2 и ROI #4 будет стать #3 и так далее). Приклеенные этикетку ROIs сделать этот процесс проще.
Сохранение трансформирования
1. Нажмите кнопку «Сохранить» и предоставьте имя файла для сохранения выполненных ROIs в CSV-файле.
  Примечание: Рекомендуется сохранение ROIs в интервалах 10 кусочков так, что прогресс не теряется. CSV-файлы могут быть открыты в программу текстового редактора или электронную таблицу и содержит все соответствующие данные о выявленных BAT в каждом ROI, включая объем, активность, SUVmean, изменяя значения и т.д. в программу электронных таблиц могут изменять формат файла и сделать его в ImageJ нечитаемым.

4. Количественная оценка всего тела Бат

Используйте эти общие руководящие принципы для идентификации BAT во всех регионах тела.
1. Избегайте разделы граничащих с ткани с высокой плотности или деятельности контрастов, как минута, вопросы совместного регистрации могут вводить ложных срабатываний.
  Примечание: Имейте в виду, что бат складов часто являются симметричными, свойство, которое поможет в визуальной идентификации НИТ.
Используйте уникальные анатомические достопримечательностей позвоночника форму, другие костные структуры и наличие органов для определения текущей анатомического региона. Избегайте конкретных региональных структур, известных для получения ложных срабатываний.
1. Выявление БИТОЙ в регионе шейки матки (C3-C7 позвонков).
  1. Перейдите к осевой представление третьего шейного позвонка (C3).
    Примечание: C1-C2 регионы могут также содержать Бат, но BAT обнаружение вероятно быть confounded, высокое поглощение ФДГ в мозге и мышцах.
  2. Начните ROI на боковой стороне депо жировой ткани, избегая мышцы шеи, вокруг остистого отростка позвонка и создание границы только задняя к нижнему краю нижней челюсти.
  3. Исключите щитовидной железы, которые могут иметь подобные плотности и уровня активности как BAT (рисунок 2A и 2B).
2. Выявление БИТОЙ в регионе dorsocervical (позвонков C5-С7).
  1. Включить этот маленький, подкожные депо BAT.
    Примечание: Симметрично он появляется в подкожной клетчатке задней возле C5-C7, Рисунок 2B.
  2. Тщательно включают подкожной жировой клетчатки, где метаболической активности происходит только.
3. Выявление БИТОЙ в регионе надключичных (C7 позвонков-T3; Предшествовавшие позвоночника заднего средостения)
  1. Начало, рисование ROI одной стороне наиболее поверхностного, недалеко от региона высокоактивный BAT.
    Примечание: Бат может распространяться на область вокруг головку плечевой кости.
  2. Избегайте непосредственно над трахеи, который содержит щитовидной железы, и заключите ROI, так что ложных срабатываний вблизи мышцы шеи и легкие исключаются.
4. Выявление БИТОЙ в регионе подмышечные (T3-T7 позвонков).
  1. Найти подмышечные BAT как прогрессии от надключичных региона.
  2. Выберите BAT вблизи где рука начинает отдельно от туловища, но избежать ребра и легких.
    Примечание: Эти жировых депо будет в конечном итоге переход подкожной Ват на линии midaxillary.
5. Выявление БИТОЙ в регионе средостения (T1-T7 позвонков; Передней):
  Примечание: BAT могут накапливаться вокруг полностью грудины для некоторых людей.
  1. Выберите BAT, где грудины начинает появляться в начале T2 вблизи передней большинстве района индивида грудной полости и продолжить ROIs книзу до окончания мечевидного отростка.
6. Идентифицировать BAT в регионе paraspinal (T1-T12 позвонков), нарисовав ROIs вокруг BAT вокруг тела, не остистого отростка позвонка.
  1. Начните, включая paraspinal летучая мышь от появления первого ребра на нижнем краю C7.
  2. Не включать районов между ребрами, где локализованы межреберные мышцы.
7. Выявление БИТОЙ в области живота (уступает T12).
  1. Избегайте мочеточников, которые имеют аналогичные плотность BAT и уровни очень высокой активности. (Рисунок 2D).
  2. Отслеживать активный жира, непосредственно окружающих почки, пока больше не присутствует метаболической активности.
  3. Отрегулируйте брюшной ROIs исключить мочеточников, если SUVmax voxel появляется в пределах или вблизи медиальной части почек в пределах этого региона.

5. обеспечение качества

Изучите MIP для каких-либо очевидных ложных срабатываний, после трансформирования были подготовлены на всех осевых срезах, измеренная от С3 позвонка до вокруг L3-4.
Убедитесь, что красный SUVmax voxel в регионе, содержащий BAT, вместо структуры, такие как мочеточников, которые отображают одинаковые значения плотности с ним и очень высокие значения внедорожник.
Сохраните Окончательный CSV-файл, когда некоторые, что выявлены все BAT и были исключены все ложных срабатываний.

6. Сегментирование BAT в отдельные склады

Примечание: Следующий раздел посвящен только количественная оценка региональных складов BAT¹⁷. Шаги не являются необходимыми для получения объема BAT всего тела и активность.

Создать маску BAT в редакторе «коричневый жира, ROI» (рис. 1).
Примечание: Маски определяется как Восстановленный ПЭТ изображения содержать только внедорожник значения для вокселей подтверждены как BAT в пределах ROIs созданный на предыдущих этапах этого протокола. Внедорожник для всех других вокселей значение 0.
1. Закрывайте PET/CT просмотра всех выявленных битой или возобновить PET/CT просмотра из раскрывающегося меню «Plug-Ins» и загрузить ROIs спас выше.
  1. Откройте три набора субъекта проверки.
  2. Открыть «Браун жир, ROI» диалогового окна.
2. Выберите вкладку «маска» и нажмите «Сделать масках ПЭТ».
3. Подождите, для дополнительного поля всплывал, с именем файла, начиная с «DUP_...»
4. Закройте PET/CT зрителя, но оставить отдельные коробки (с КТ и ПЭТ сканирования) открыть и затем повторно откройте новое окно просмотра ПЭТ/КТ.
5. Выберите ниже трех флажков в диалоговом окне, которое появляется: набор CT, UPET набор и последние ЦЭОД набор (т.е., ЦЭОД набор ближе к нижней части списка) - это файл, содержащий маску, созданный ранее.
6. Изменить представление изображений ПЭТ/КТ в сагиттальной и начать рисовать все трансформирования для общерегионального анализа начинаются же сагиттального фрагмента.
  Примечание: Не изменит ориентацию изображения MIP. Кроме того самый центральный фрагмент (т.е. вдоль по центру позвоночника) является хорошей отправной место.
7. Изменение фрагмента ограничивает диапазон от среза 1 до последнего фрагмента в анализируемом сканирования.
8. Снимите флажок порог плотности (Ху) и изменить нижний предел порога PET (Внедорожник) 0,01 внедорожник для исключения любых вокселей-летучая мышь, которая теперь имеют значение 0 для Внедорожников. Установите флажок над кнопкой «Нарисовать далее».
  1. Лейбл регионов, набрав нужную метку (например «шейки матки», «надключичных» и т.д.) в текстовое поле в нижней части слева от диалогового окна «бурый жир, ROI».
Рисовать и метка шейки матки ROI (Рисунок 3А) начало в верхней части C3 и расширяя ROI для C7, Рисование линии под тело C7 перед закрытием ROI.
Рисовать и метка надключичных ROI (рис. 3b).
1. Начинаются C7, но не включают тела грудных позвонков при расширении ROI в T3, а затем расширить левой границы ROI в верхней части рукоятка грудины.
2. Линия на правую границу ROI с переднего края тела грудных позвонков, включенных в этом регионе.
Рисовать и ярлык подмышечные ROI (рис. 3 c).
1. Начинаются в T3, но не включают тела грудных позвонков при расширении ROI на Т7, а затем расширить левой границы ROI меньше тела грудины.
2. Линия на правую границу ROI с переднего края тела грудных позвонков, включенных в этом регионе.
Рисовать и ярлык средостения ROI (рис. 3d), охватывающих весь грудины в пределах одного ROI.
Рисовать и ярлык Paraspinal ROI (Рисунок 3e) начало в T1, включая все грудные позвонки (до T12) в пределах ROI.
1. Линия левой границы ROI с переднего края тела грудных позвонков.
  Расширить правую границу ROI, чтобы все бат в регионе включены.
Рисовать и этикетка брюшной ROI (Рисунок 3f), начало в верхней части L1 и включают в себя любые BAT, который был в любой из других предыдущих областей внутри брюшной ROI не приходилось.
Рисовать и лейбл dorsocervical ROI (рис. 3 g).
1. Включать региона спинной подкожного жира возле шейки матки и верхней части paraspinal региона; Это где тела субъекта сделал контакт с сканирования кровати.
Флажок «Показать все» для отображения трансформирования всех регионов выстроить все трансформирования для предотвращения дублирования или недооценки.
1. Позиции по периметру прилегающих ROIs флеш друг с другом, так что не Бат включен в двух регионах, и что не BAT отсутствует из всех регионов.
2. Наблюдать за MIP от передней и боковых взглядов проверить, если все фрагменты включаются в определенных регионах. Проверьте лимиты фрагмента, если есть области, которые не выделены в сини (шаг 6.2.2).
Сохраните окончательные данные в новый файл .csv. Этот файл будет содержать региональные итоговые и средние значения для всех параметров BAT из каждой выявленных депо.

Representative Results

BAT количественно через ряд шагов обработки изображений приобретение пост как показано на рисунке 1. ПЭТ и КТ пороговые значения используются для идентификации вокселей, метаболически активные и имеют плотность жировой ткани. Однако некоторые вокселей, соответствующие этим критериям может произойти в анатомических местах не могут содержать BAT. Чтобы избежать этих ложных срабатываний, ПЭТ, КТ и анатомические информации должны все рассматривать при рисовании трансформирования (рис. 2). Несколько общих областей включают и избежать при количественной оценки всего тела BAT в холодной стимулирует предметов приведены в Рисунок 2, например метаболически активные шейки матки BAT против слюнных желез, голосовые связки и щитовидной железы (рисунок 2A и 2B); надключичных BAT против дрожал мышц вблизи границ твердых тканей (например , межреберные мышцы) и воздуха (рис. 2 c); и брюшной BAT против чашечки почек как они ясно помечены глюкозы (Рисунок 2D). После компиляции ROI каждого ломтика осевой BAT складов может сегментирована в сагиттальной плоскости для изучения внутри- / Интер индивидуальные различия в региональных BAT активации (рис. 3).

Рисунок 1. Схема потока шаги обработки изображений. Во-первых ПЭТ изображения и соответствующие CT изображения загружаются в PET/CT плагин (A). После осевой ROIs рисуются на каждый ломтик PET/CT (B), в голубой (C) определены каждым вокселом критериям ПЭТ и КТ. Из этих Бат определены вокселей (D), которая подставляется вместо оригинального исправленные ПЭТ-сканирование (E), создается маска и склады разделены в представлении Сагиттальная (F). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2. Выбор региона интерес осевой BAT и общих областей во избежание на нескольких складах BAT. Осевых срезах расплавленный ПЭТ/КТ изображения (колонки 1 и 2) и максимальной интенсивности проекция изображения (MIP, столбец 3) с зеленой линии для обозначения высота фрагмента от сканирования, приобретенных после холодной стимуляции. Drawnaround областями с жировой ткани плотностью, высокой ФДГ и анатомических местах может содержать активные BAT в колонках 1 и 2 являются зеленый ROIs. Анатомических областей вряд ли содержать BAT, выделены красным цветом в колонке 2. Воксели критериям BAT ПЭТ и КТ подтверждается ImageJ и выделены синим цветом. Примеры взяты из (A) передней шейки матки депо, (B) шейки матки депо на уровне щитовидной железы, (C) надключичных/подмышечные депо поблизости дрожал скелетных мышц (т.е., межреберная) и (D брюшной депо на уровне мочеточников по почки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3. Региональная сегментация семи BAT депо в сагиттальной зрения. После генерации «BAT маска» изображение, содержащее только PET вокселей, ранее отнесенных к числу активных BAT, следующие регионы могут быть разделены с Руа, обращается в сагиттальной плоскости: (A) шейки матки (C3-С7), (B) надключичных (C7-T3, исключая позвонков), (C ) Подмышечных (T3-T7, исключая позвонков), (D) Mediastinal (переднего средостения), (E) Paraspinal (T1-T12, от переднего края позвонков до остистого отростка), (F) брюшной стенки (T12-L3, забрюшинной) и (G) Dorsocervical (жировых депо собственный и задняя paraspinal депо; возле шейки матки региона). Составное изображение со всеми регионами появляется в (H). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

После подтверждения функциональной BAT на взрослых людей был большой интерес в понимании роли BAT в физиологии человека. Однако потому что это термогенный ткани часто встречается в узких фасциальных плоскостями, interspersed в пределах белого жира и вокруг других органов, это сложно определить количественно. В 2016 году на основе консенсуса документ был опубликован группой экспертов Международный BAT с рекомендациями для представления соответствующих участников характеристики, критерии для вопроса подготовки и протокол для получения изображения PET/CT²¹. Группа также указала на необходимость большей последовательности в обработке PET/CT BAT количественной оценки, отметив, что методы для выявления BAT менялись широко и, в большинстве случаев предоставляется только ограниченные детали процедуры количественного определения BAT. Следовательно, хотя доклады в рамках исследования воспроизводимость являются высокие²²^,²³^,²⁴, заметно разные BAT объем и деятельности было сообщено групп с использованием методов количественной оценки различных, даже при Участники имеют аналогичного возраста, пола и ИМТ²⁵^,²⁶. Эти несоответствия затрудняют сравнение результатов и привели к полемике над суммой BAT в взрослого человека¹⁵.

Ограничение, свойственное обработки изображений ПЭТ/КТ является включение вокселей, ПЭТ и КТ критериям, но находятся в анатомических местах, которые соответствуют структурам помимо BAT. Идеальный ко-регистрация ПЭТ и КТ изображений практически невозможно из-за различий в резолюции и тема движения во время сканирования. Как следствие структуры, граничащих с воздуха или кости и регионах высоких трассирующими поглощения часто неправильно определены как активные BAT. Чтобы ограничить включение ложных положительных вокселей, один следует применять ПЭТ и КТ критерии только в пределах трансформирования, которые пользователям построить. Однако нынешние подходы к количественной оценке бат с пользователем ROIs или автоматизированного анализа отличаются размере участие пользователей и знания, которые они требуют. Мы показали, что с помощью одного, двумерные определяемые пользователем корональный ROI применяется к весь стек изображений могут быть более склонны к включая ложных положительных районы¹⁹. Несколько групп разработали автоматизированные методы для количественного определения BAT, которые способны быстро обрабатывать большие наборы данных без много ввода пользователя. Однако эти методы либо не включать всех потенциальных BAT-содержащих регионов, особенно в нижней тела²⁷, или нести относительно высокий уровень ложных срабатываний²⁸ и ложь негативы²⁶. Поскольку объем человеческой BAT в целом низок (< 600 мл, или < 2% от общего числа массы тела), небольшие абсолютной ошибки в количественной оценки может привести к большим относительные различия.

Более строгий подход, описанный в этом исследовании рисования ROIs на каждый ломтик осевой ПЭТ-КТ позволяет обнаруживать BAT в узких Фасциальных слоев обеспечивая больше уверенности, что были исключены ложных срабатываний. Это дает подробную количественную оценку в каждом individial, вместо того, чтобы бинарные оценки BAT присутствие или отсутствие²⁹. Таким образом она может быть более подходящим для контролируемых экспериментов в небольшой выборки, намеревается изучить последствия от вмешательства и/или BAT физиологии. Кроме того возможность определения конкретного региона BAT складов может обеспечить более глубокое BAT в функциональной значимости и развития происхождения. Мы считаем, что эти количественные показатели важны не только для сравнения по всему полю, но и лучше оценки BAT вклад энергии метаболизма и терморегуляции у взрослых людей.

Некоторые анатомические особенности BAT поможет пользователям нашего метода предел включение ложных положительных вокселей. BAT обычно встречается в непрерывной и симметричного Фасциальных слоев. Таким образом во время рисования и переработки ROI, изучение высших и низших осевые срезы для преемственности и симметрии выбранного жировой ткани может помочь пользователям максимизировать включение жировой ткани при сведении к минимуму включение скелетных мышц, костей и других Очевидно-BAT структуры. Активные BAT присутствует также редко в подкожных жировых депо, поэтому мы советуем пользователям избежать этих областях при построении ROIs. Как отмечено в протоколе, BAT распространяется в нескольких различных анатомических регионах, включая шейки матки, dorsocervical, надключичных, подмышечных, средостения, paraspinal и брюшной депо. Эти склады распределяются таким образом, чтобы осевые один ломтик мая содержат больше, чем BAT из нескольких складов. К примеру осевой срез в регионе грудной могут содержать BAT от средостения депо (проксимальный и передней), paraspinal депо (проксимальный и задняя, вдоль позвоночника) и подмышечный депо (боковые и вблизи середины Антеро задней линии). Знание этих складов может помочь пользователям создавать ROI в различных регионах тела, поскольку они происходят в предварительно описанных мест во многом смежными, как описано в наших протокол. Однако потому что мы рекомендуем пользователям рисовать только один ROI за кусочек во избежание дублирования ROI, дополнительные шаги генерации маски BAT и рисование сагиттальной ROIs требуется отделить вокселей BAT ранее выявленных в отдельных региональных складов, если требуемой информации BAT распределения, т.е., отделяя средостения, paraspinal и подмышечных BAT, обнаруженных в же осевой ROI в депо основанный на месте сагиттальной (рис. 3).

ПЭТ/КТ просмотра программное обеспечение может также использоваться для количественного определения активности тканей помимо BAT, например дрожал скелетных мышц, который также крупные играет роль холодной индуцированной термогенеза¹⁹, или различных областях мозга или печени, которые были предложено в качестве ссылки тканей для анализа PET/CT²¹. Однако эти ткани будет иметь плотность и анатомические дистрибутивов, которые отличаются от BAT и за пределами фокус нашего нынешнего протокола. Мы направлять читателей на консенсусный документ для более подробно на этих субъектов²¹. Наконец мы рекомендуем всем пользователям постоянно обновлять ImageJ и посетить petctviewer.org плагин обновления и программного обеспечения помощи.

Хотя мы считаем, что этот строгий метод является более точным, чем автоматизированных методов²⁶^,²⁸ и методы, которые используют упрощенные, единый ROI для оценки всего BAT объем⁹^,³⁰, это не без ограничений. Существует не идеальный метод поддается неинвазивно BAT в организме человека, и ¹⁸F-ФДГ представляет только поглощение глюкозы, это не то же самое, как метаболизм глюкозы¹¹. Однако даже несмотря на то, что другие радиоактивные Трейсеры были используется³¹^,³³³²^,, ¹⁸F-ФДГ является наиболее известных трассирующими, используется для изучения человеческого BAT. Таким образом разработка стандартизированных методов для анализа ¹⁸F-ФДГ-ПЭТ/КТ изображения будет продолжать быть впечатляющие в исследовании физиологии человека BAT в обозримом будущем.

Метод, который мы предлагаем, создание ROI на каждый ломтик осевой BAT-содержащих избегая общих проблемных областей, является трудоемким и требует от пользователя иметь некоторые знания о базовой анатомии. Это также возможно, что строгий отбор ROI может ввести ложных негативов, так как некоторые BAT-содержащих складов может избежаться. Рисование ROIs на каждый осевой кусочек плавленого ПЭТ/КТ изображения позволяет тщательно дискриминации между жировой ткани и соседних метаболически активных тканях и/или регионами воздействие разлива над и частичный объем эффекты³⁴. Однако время, необходимое для завершения анализа одного сканирования может варьироваться от трех до восьми часов, с возможность сокращения сроков с практикой и опытом. Подходы различных машинного обучения могут быть в состоянии сократить труда и знаний, необходимых для выполнения этой задачи. Однако создавая более автоматизированный метод, который может точно обнаружить BAT и надежными для ложных срабатываний, созданных изображений ограничений потребует большого набора данных с лицами состава различных тела и BAT распределения. Мы надеемся, что этот метод может использоваться для производят подробный атлас BAT, который может служить в качестве шаблона для более сложных подходов больших объемов данных.

В заключение мы продемонстрировали анализа подход шаг за шагом изображения количественно оценить объем коричневых жировых тканях человека, деятельности и распределения с использованием холодной индуцированной ФДГ-ПЭТ/КТ сканирование. Важнейшие шаги включают 1) непрерывно и последовательно анализ осевой трансформирования и 2) оценки соответствующих Бат складов, их анатомического расположения избегая других метаболически активных тканях. Этот строгий количественной оценки подход может использоваться исследователями в области изучения физиологии BAT и служить справочным материалом для разработки автоматизированных человека BAT количественный подходов в будущем.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Мы хотели бы поблагодарить всех добровольцев исследования, медсестер и клинического персонала и диетологи NIH клинический центр за их участие в наших исследований воздействия холодной и оказываемых в ходе стационарного остается. Мы также хотели бы поблагодарить д-р Билл Dieckmann для всех его помощи, приобретение и распространение изображений ПЭТ-КТ для нашего исследования. Эта работа была поддержана очной программы исследований Национального института диабета и пищеварительной и почечных заболеваний грантов Z01 DK071014 (для K.Y.C.) и DK075116-02 (до Мехико.).

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

Всего тела и региональных количественного определения активного человека коричневый жировой ткани с помощью ¹⁸F-ФДГ ПЭТ/КТ

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.