Análise quantitativa [18F]-NAF-PET-RM para avaliação da rotatividade óssea dinâmica em paciente com dor nas costas Facetogênica

Resumo

As técnicas de imagem latente que refletem o retorno dinâmico do osso podem ajudar em caracterizar uma escala larga de patologias do osso. Nós apresentamos metodologias detalhadas para executar e analisar dados dinâmicos de [¹⁸F]-NAF-Pet-MRI em um paciente com a baixa dor traseira a usando as junções lombares da faceta como uma região protótipo do interesse.

Resumo

As técnicas de imagem latente que refletem o retorno dinâmico do osso podem ajudar em caracterizar uma escala larga de patologias do osso. O osso é um tecido dinâmico submetido à remodelação contínua com a atividade concorrente dos osteoblastos, que produzem a nova matriz óssea, e osteoclastos, cuja função é eliminar o osso mineralizado. [¹⁸F]-NAF é um radiotraçador de tomografia por emissão de positrão (PET) que possibilita a visualização do metabolismo ósseo. [¹⁸F]-NAF é absorvido quimicamente no hidroxiapatita na matriz do osso por osteoblastos e pode assim não invasora detectar a atividade osteoblástica, que é Occult às técnicas convencionais da imagem latente. A modelagem cinética de dados dinâmicos [¹⁸F]-NAF-Pet fornece medidas quantitativas detalhadas do metabolismo ósseo. Os dados de PET semiquantitativos convencionais, que utilizam valores de captação padronizados (SUVs) como medida de atividade do radiotraçador, são referidos como uma técnica estática devido ao seu instantâneo de captação do traçador no tempo.  A modelagem cinética, no entanto, utiliza dados dinâmicos de imagem onde os níveis de traçador são adquiridos continuamente fornecendo resolução temporal de captação de traçador. A partir da modelagem cinética de dados dinâmicos, valores quantitativos como fluxo sanguíneo e taxa metabólica (ou seja, métricas potencialmente informativas da dinâmica do traçador) podem ser extraídos, tudo com relação à atividade medida nos dados da imagem. Quando combinada com a modalidade dupla PET-MRI, os dados cinéticos região-específicos podem ser correlacionados com a informação estrutural e patológica de alta resolução anatomicamente registada oferecida por MRI. O objetivo deste manuscrito metodológico é delinear técnicas detalhadas para a realização e análise de dados dinâmicos [¹⁸F]-NAF-PET-RM. A articulação da faceta lombar é um local comum de doença degenerativa da artrite e uma causa comum para a dor lombar axial.  Os estudos recentes sugerem [¹⁸F]-o NAF-animal de estimação pode serir como um biomarcador útil da doença a dolorosa.  A articulação da faceta lombar humana, portanto, será usada como uma região prototípica de interesse para a análise dinâmica [¹⁸F]-NAF-PET-RM neste manuscrito.

Introdução

As técnicas padrão da imagem latente clínica da patologia do osso são limitadas primeiramente a caracterizar mudanças estruturais, que podem ser Nonspecific. Por exemplo, anormalidades morfológicas assintomáticas relacionadas ao envelhecimento normal podem ser indistinguíveis de alterações degenerativas que são responsáveis pela dor severa e incapacidade¹. O osso é um tecido dinâmico submetido à remodelação contínua com a atividade concorrente dos osteoblastos, que produzem a nova matriz óssea, e osteoclastos, cuja função é eliminar o osso mineralizado². [¹⁸F]-NAF é um radiotraçador do tomography de emissão de positrão (animal de estimação) que permita o visualização do metabolismo do tecido de osso. [¹⁸F]-NAF é absorvido quimicamente no hidroxiapatita na matriz do osso por osteoblastos e pode assim não invasora a atividade osteoblástica, detectando desse modo um processo metabólico que seja Occult às técnicas convencionais da imagem latente. Como resultado, [¹⁸F]-NAF tem sido usado para caracterizar a patologia óssea em um número crescente de distúrbios ósseos, incluindo Neoplasias, doença inflamatória e degenerativa do osso e articulações^3,4,5 .

Os dados do PET são mais comumente analisados de forma semiquantitativa, o que pode ser prontamente realizado na prática clínica rotineira com valores padronizados de captação (SUVs). Como uma métrica, SUVs são úteis para os médicos como eles representam a captação de tecido em relação ao resto do corpo⁶. Os valores das varreduras subseqüentes podem ser usados para observar mudanças na tomada em conseqüência do tratamento ou da progressão da doença. A natureza numérica dos SUVs também auxilia na comparação entre pacientes e entre exames sucessivos no mesmo paciente. O algoritmo usado para calcular SUVs, equação 1, faz a suposição de que o traçador é distribuído igualmente em todo o corpo e que a massa corporal magra representa com precisão o volume do corpo inteiro. Como tal, os SUVs são uma medida semiquantitativa. Para uma determinada região de interesse (ROI), SUV_Max (o valor máximo de SUV dentro de um ROI), e SUV_média (a média de todos os SUVs amostrados dentro de um ROI) são COMUMENTE usados métricas de SUV na prática clínica⁶.

A modelagem cinética de dados dinâmicos do PET também pode ser realizada para uma análise quantitativa mais detalhada. Embora a aquisição de dados de SUV seja estática, a modelagem cinética utiliza dados dinâmicos de imagem onde os níveis de traçador são adquiridos continuamente, proporcionando uma dimensão temporal.  A partir da modelagem cinética mais complexa de dados dinâmicos, valores quantitativos e métricas informativas de dinâmica de traçador podem ser extraídos em relação à atividade medida nos dados da imagem. Um modelo de compartimento de dois tecidos de amostra empregado para modelagem cinética dinâmica é mostrado na Figura 1⁷.  C_p é a concentração de traçador no plasma sanguíneo, enquanto c_{e e c t} representam a concentração no espaço intersticial não acoplado e traçador acoplado na matriz óssea alvo, respectivamente. K_1, k₂, k₃, k₄, são 4 parâmetros da taxa que descrevem o modelo cinética para a lavagem do Tracer em/para fora e emperramento. K₁ descreve o traçador retirado do plasma arterial em espaço intersticial (C_t), k₂ descreve a fração do traçador que se difunde de volta do espaço intersticial para o plasma, k₃ descreve o traçador que se move de o espaço intersticial (C_e) para o osso (c_t) e o k₄ descrevem o traçador que se move do osso (c_t) de volta ao espaço intersticial (c_e).

Figura 1 . Um modelo de compartimento de dois tecidos de amostra para modelagem cinética dinâmica. C_p é a concentração de traçador no compartimento do plasma sanguíneo, c e concentração de traçador_{livre e} não especificamente ligado no tecido, e c_t especificamente ligado a concentração de traçador no tecido. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O modelo cinético de patlak produz K_{i_Patlak} como uma medida da taxa do afluxo do radiotraçador (ml/CCM/min, cm cúbico = CCM) da Associação de sangue na matriz do osso. A taxa de afluxo do traçador da piscina de sangue para a matriz óssea pode ser calculada usando a equação 2 e a equação 3 para k_{i_Patlak} e k_{i_NonLinear} respectivamente. K_{i_Patlak} e k_{i_NonLinear} são as taxas nas quais [¹⁸F]-NAF deixa a piscina sanguínea arterial e liga-se irreversivelmente a uma matriz óssea Sublocal, utilizando os dois modelos, respectivamente. A diferença entre o Patlak e o modelo cinético não linear está em sua utilização dos dados dinâmicos. O modelo de patlak exige o equilíbrio a ser encontrado e calcula então a taxa do afluxo da inclinação linear estabelecida. O modelo cinético patlak produz taxas de afluxo K_{i_Patlak} , usando um tempo de 24 minutos para equilibrar a piscina de plasma, c_p, para a piscina não acoplada, c_u.  O tempo de 24 minutos pode mudar dependendo do tempo encontrado para que todos os subsites alcancem a equilibração com o pool de plasma na amostra. O modelo não-linear mais rigoroso computacionalmente usa a totalidade dos dados temporais para caber uma curva.

O objetivo deste manuscrito metodológico é delinear técnicas detalhadas para a realização de Dynamic [¹⁸F]-NAF-Pet-MRI.  A articulação da faceta lombar é um local comum de doença degenerativa da artrite e uma causa comum para dor lombar axial⁸.  Estudos recentes sugerem que [¹⁸F]-NAF-Pet-MRI pode servir como um biomarcador útil da doença facetogênica dolorosa⁹.  As junções lombares humanas da faceta de um único paciente com a baixa dor traseira a serão analisadas assim como um ROI protótipo para a análise dinâmica de [¹⁸F]-NAF-Pet-MRI.

Protocolo

Este estudo de viabilidade prospectivo recrutou pacientes após a obtenção da aprovação do estudo humano IRB e cumprindo com os regulamentos da HIPAA.

1. o fantasma

1. Encha um fantasma cilíndrico oco com uma inserção que tenha os cilindros ocos com uma escala dos diâmetros (5-38 milímetros) com 185 MBq de [¹⁸F]-NAF.
2. Gere um mapa de atenuação do fantasma usando CT ou um modelo que foi gerado anteriormente para este fantasma.
3. Coloque o fantasma no centro de PET/MR e adquira dados de PET para 5-10 min gravando a imagem resultante usando o console de imagem.
4. Reconstruir usando o console de imagem com o mapa de atenuação baseado em CT usando um algoritmo que corresponda com o mesmo algoritmo de reconstrução a ser usado para seres humanos de imagem.
5. Calcule a atividade média em cada cilindro (esquerda e direita) de tamanho igual para todos os tamanhos usando o freeware AMIDE.
6. Tabulate a atividade média versus o tamanho do cilindro.
7. Calcule os erros parciais de volume (PVE) dividindo a atividade média de cada cilindro pela atividade média do cilindro de referência.
8. Plotar o PVE pelo tamanho do cilindro.
9. Use a equação linear entre tamanhos de dois cilindros ao corrigir para o PVE nos dados do paciente.

2. preparação do paciente

1. Antes de recrutar pacientes, obtenha toda a aprovação necessária do IRB do estudo humano e cumpra com regulamentos de HIPPA.
2. Estabelecer critérios adequados de inclusão e exclusão para o estudo de interesse.
   1. Os critérios de inclusão foram: adultos, com pelo menos 18 anos de idade, com capacidade de consentimento informado; uma história relatada da baixa dor traseira não-radicular axial; recomendado pelos radiologistas intervencionistas da coluna vertebral.
   2. Os critérios de exclusão foram os seguintes: história de fratura ou tumor da coluna vertebral; mulheres grávidas ou a amamentar; contraindicações para ter ressonância magnética ou administração de traçador ou contraste; cirurgia ou instrumentação lombar prévia.
3. Reúna o consentimento informado por escrito do paciente, aprovado pelo Comitê de pesquisa humana.
4. Obter qualquer exame clínico relevante e/ou dados de pesquisa do paciente pertinentes ao seu estudo de interesse.
5. Tenha a mudança do assunto no vestido, estabeleça o acesso IV, administre o teste de gravidez se o paciente é fêmea e da idade da criança-rolamento, verific Creatinine/GFR para o uso seguro do contraste, e recupere [¹⁸F]-dose de NAF. Treinar o paciente sobre a importância de permanecer ainda durante toda a duração do exame.
6. Posicione o paciente supina e os pés primeiramente no animal de estimação/MRI.

3. protocolo de imagem

1. Use um varredor de 3,0 T PET/MRI para a aquisição simultânea da imagem do animal de estimação e do Sr.
2. Use a bobina de matriz de imagem molecular central da matriz posterior para o MR Imaging.
3. Assegure-se de que o FOV de ambas as modalidades de imagem MR e PET esteja centrado para cobrir a região da coluna inferior de T12 a S3.
4. As seqüências clínicas de MRI para o protocolo da espinha lombar incluem: T1 sagital (tempo da repetição/tempo do eco (TR/TE) = 510/8.6 ms, definição do em-plano = 0.75 mm, definição do através-plano = 4mm), gordura sagital do T2 saturada (FS) (TR/TE = 4208/86.2 ms, em-plano resolução = 0,75 mm, através do plano de resolução = 4mm) T2 axial rápido relaxamento rápido spin Echo (FRFSE) com e sem saturação de gordura (TR/TE = 750/9.2 ms, em-plano de resolução = 0.7 mm, através de-plano de resolução = 4mm), axial T1 Fast spin Echo (FSE) pre gadolínio (TR/ TE = 575/8.9 MS, resolução in-plane = 0,65 mm, resolução de via-plano = 4mm), axial T1 FSE pós gadolínio (TR/TE = 562/8.6 ms, resolução in-plane = 0,65 mm, resolução via plano = 4mm).
5. Injete 0,1 mm/kg de gadobutrol (1M Gadavist) contraste na fossa antecubital do paciente IV diretamente antes de adquirir as sequências de RM que a necessitam.
6. Antes da varredura dinâmica do animal de estimação injete a dose radioativa de [¹⁸f]-NAF no paciente em uma concentração de 2,96 MBQ/kg de [¹⁸f]-NAF.
7. Realize um 60 min da varredura dinâmica do animal de estimação usando 3 fases temporais separadas centradas sobre a espinha mais baixa, T12 a S3.
8. Adquira a primeira fase da varredura dinâmica com 12 frames de 10 s cada um.
9. Adquira a segunda fase de 4 frames de 30 s cada um.
10. Adquira a última fase de 14 frames de 4 min cada.
11. Calcule a correção de atenuação do Sr (MRAC) para a região da espinha lombar usando o método padrão de dois pontos de Dixon. O método de Dixon segmenta o Sr. sinais da gordura e da água no ar, no tecido macio, no pulmão e na gordura (embora não no osso).
12. Assegure-se de que os dados do PET estejam coregistrados nas imagens FRFSE saturadas de gordura T2 axial.
13. Reconstruir os dados do PET no console usando os seguintes parâmetros: 60 cm campo de visão (FOV), 3 mm pós-filtro, filtro de eixo Z padrão, 256 x 256 matriz, 28 subconjuntos e VPFX (tempo de vôo-ordenada Subsets expectativa maximização, TOF-OSEM) com 4 iterações .
14. Assegure-se de que a reconstrução inclua pós-processamento para corrigir deterioração, atenuação, dispersão e tempo morto.

4. análise de imagem

1. Tenha o radiologista cego interpretar as seqüências clínicas de MRI.
2. Avalie as seqüências de pós-contraste ponderadas em T2 e gordura suprimida em T1 e suprimidas para avaliar a sinovite da faceta como descrito anteriormente por Czervionke e Fenton¹⁰.
   1. Use a seguinte classificação da faceta é: grau 0 de MRI = nenhuma anomalia da junção da faceta, 1 = realce anormal ou hyperintensity do T2 limitado à cápsula comum, 2 = realce extracapsular anormal ou hyperintensity do T2 que envolve < 50% do perímetro de FJ, 3 = anormal realce extracapsular ou hyperintensity do T2 que envolve > 50% do perímetro de FJ, e 4 = grau 3 com extensão do edema no neuroforamen, no flavum do ligementum, no Pedicle, no processo transversal, ou no corpo vertebral. Como explicado no Ref: Czervionke LF, Fenton DS. Sr. gordo-saturado imagem latente na deteção da artropatia da faceta inflamatório (synovitis da faceta) na espinha lombar. ¹⁰ de

5. análise de dados

1. Transfira imagens PET e MRI para uma estação de trabalho dedicada, equipada para analisar dados dinâmicos do PET, como o software PMOD. Analise as articulações da faceta da coluna lombar de L1-L2 a L5-S1.
2. Localize regiões que serão avaliadas para medidas de captação de [¹⁸F]-NAF: juntas de faceta bilaterais em cada nível. Selecione volumes de interesse (VOI) usando imagens anatômicas T2 MR e, em seguida, transfira para as imagens PET.
3. Identifique o ponto central de cada articulação da faceta lombar visualmente triangulando com imagens de T2 MR de plano sagital e axial e gravando o número de fatia do centro aproximado.
4. Com os dados do paciente abertos na aba View, clique no botão voi na barra lateral e selecione Sphere (objeto).
5. Dentro da janela predefinida que aparece, datilografe dentro 7,5 milímetros como o raio e o clique cria o voi novo.
6. Coloc um VOI esférico (diâmetro de 7,5 milímetros) no centro de cada junção da faceta pelo clique esquerdo na faceta. Ajuste a esfera ao clicar com o botão esquerdo e arrastando até que seja centrado visualmente na faceta.
7. Repita como necessário para todas as facetas de interesse, clicando em criar novo voi e realizando etapa 5,5
8. Coloc um VOI esférico (diâmetro de 5 milímetros) na crista ilíaca direita na cavidade central da medula (para excluir a participação do córtice) como uma região da referência. Clique em criar novo voi e clique esquerdo na medula do ilíaco direito.
9. Posição VOI assim as bordas estão dentro da medula inteiramente.
10. Assegure-se de que os VOI sejam coloc similarmente à imagem que mostra o VOIs da junção da faceta do corpo vertebral (FJ) na Figura 2 que encapsulam o centro da junção da faceta.

6. cálculos SUV e dados cinéticos

1. Para calcular a função de entrada arterial Coloque um VOI cilíndrico cobrindo duas fatias axiais da aorta abdominal. Assegure-se de que o diâmetro seja igual ao diâmetro da aorta.
2. Clique com o botão direito do mouse na imagem axial, selecione inspeção de dados.
3. Meça o diâmetro da aorta abdominal proximal à sua bifurcação.
4. Clique esquerdo no lado direito da parede aórtica e mova o cursor para o lado esquerdo da parede aórtica.
5. Registre a distância do diâmetro da parede aórtica na janela Inspetor de dados . Isso será usado para calcular o coeficiente de correção de volume parcial (PVC).
6. À esquerda, clique no botão VOI na barra lateral, selecione Circle (ROI).
7. Crie um ROI de círculo com um raio especificado de metade do diâmetro medido anteriormente na etapa 6,5
8. Clique em criar novo voi e clique esquerdo no centro da aorta, reposicionar se necessário, para garantir que o círculo se aproxime da posição da parede aórtica.
9. Desça uma fatia no plano axial e repita as etapas 6.7-6.9, desse modo, fazendo um cilindro dos dois ROI circulares.

7. correção parcial do volume do animal de estimação

Nota: devido ao PVE, a atividade do traçador é subestimada em relação ao tamanho do alvo. Portanto, as etapas são tomadas para corrigir o PVE.

1. Use os coeficientes de recuperação que foram derivados anteriormente usando o fantasma PET/CT traçando o tamanho do diâmetro do cilindro versus a proporção de atividade recuperada para a atividade verdadeira.
2. Aplique os coeficientes de recuperação à medida baseada em imagem sobre a aorta descendente para criar uma entrada arterial corrigida parcial do volume.
3. Substitua esta entrada arterial corrigida parcial-volume em PMOD para o uso na modelagem cinética e na quantificação exata da cinética do Tracer.

8. cálculos SUV e dados cinéticos

Nota: o algoritmo usado para calcular o valor padrão da captação (SUV), equação 1, faz a suposição que o Tracer é distribuído ingualmente durante todo o corpo e que a massa magra do corpo representa exatamente o volume de corpo inteiro. Portanto, os SUVs são referidos como uma medida semiquantitativa.
Equação 1: valor de captação padrão

1. Calcule o SUV_Max, e SUV_significam valores para cada subsite usando o ponto de tempo de 60 minutos.
   Nota: o modelo do compartimento de dois tecidos utilizado para a modelagem cinética é mostrado na Fig. 1. C_p é a concentração de traçador no plasma sanguíneo, enquanto c_{e e c t} representam a concentração no espaço intersticial não acoplado e traçador acoplado na matriz óssea alvo, respectivamente. K_1, k₂, k₃, k₄, são 4 parâmetros que descrevem o modelo cinético para o Tracer Wash in/out e encadernação.
2. Use o compartimento do dois-tecido irreversível para modelos lineares de Patlak e de regressão não-linear durante a análise cinética
   Nota: um modelo de compartimento irreversível de dois tecidos é usado para calcular constantes de taxa de afluxo específicos da região (em Min^-1) para [¹⁸F]-NAF¹¹.
3. Assegure-se de que o tempo para o equilíbrio seja ajustado a 24 minutos ao usar o modelo cinético de Patlak
4. Entrada k₄ = 0 ao usar o modelo de regressão não linear para produzir k_{i_NonLinear} taxas de afluxo.
5. Calcule a taxa de influxo de traçador da Associação de sangue para a matriz óssea usando a equação 2 e a equação 3 para k_{i_Patlak} e k_{i_NonLinear} respectivamente. K_{i_Patlak} e k_{i_NonLinear} são as taxas nas quais [¹⁸F]-NAF deixa a piscina sanguínea arterial e liga-se irreversivelmente a uma matriz óssea Sublocal, utilizando os dois modelos, respectivamente.
   1. Equação 2: modelo cinético gráfico patlak
      + Interceptação
   2. Equação 3: modelo cinética de regressão não linear
      

9. análise estatística

1. Use uma análise de regressão linear para avaliar se [¹⁸F]-NAF K_{i_Patlak} taxa de afluxo foi correlacionada com: SUV_média, SUV_Max, K_{i_NonLinear}, e quaisquer graus de Pontuação clínica específicos para o estudo.
2. Use o teste t de duas caudas e a correlação de Pearson para testar a significância estatística em correlações anteriores.

Resultados

^{18 anos} de Os valores da captação do NaF-animal de estimação são medidos nas junções bilaterais da faceta no L1-L2 com os níveis L5-S1 vertebrais para um total de 10 ROIs em um único paciente representativo com baixa dor traseira axial. O representante [¹⁸F]-NAF-PET, a gordura axial do T2 suprimida, e o Sr. gordo-suprimido axial do borne-contraste de T1 imagens através do nível das junções da faceta L3-L4 são mostrados na Figura 2.  O K_{i_Patlak}, SUV_médio...

Discussão

Neste manuscrito metodológico, fornecemos antecedentes sobre a utilidade potencial da dinâmica [¹⁸f]-NAF-Pet-MRI para avaliar uma ampla gama de patologias ósseas e delineou as técnicas de imagem dinâmica [¹⁸f]-NAF-Pet-MRI aquisição e análise utilizando as articulações da faceta lombar humana como regiões prototípicas de interesse. A modalidade dupla PET-MRI permite a aquisição de dados dinâmicos do animal de estimação durante um período de tempo similar àquele exigido para a aquisição de dados do Sr...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Agente de contraste de gadolínio (Gadovist)	Bayer	na	solução de 1,0 mmol / ml para injeção intravenosa.
Radiotraçador [18F]-NaF	com		2,96 MBq/kg
	General Electric	com	scanner PET-MRI de 3,0 Tesla com furo de 60 cm
PMOD Software de modelagem cinética	PMOD Technologies, LLC	na	versão 3.8