Методическая статья

Многоиндикаторные исследования метаболизма кислорода и глюкозы в мозге с использованием времяпролетного позитронно-эмиссионного томографа — компьютерного томографа

DOI:

10.3791/65510

⸱

7 июня 2024 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Mallinckrodt Institute of Radiology, Washington University School of Medicine

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Количественные измерения метаболизма кислорода и глюкозы с помощью ПЭТ являются установленными технологиями, но детали практических протоколов в литературе описаны редко. В данной работе представлен практический протокол, успешно реализованный на современном компьютерном томографе позитронно-эмиссионной томографии.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы разработали парадигму с использованием позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) с несколькими радиофармацевтическими индикаторами, которая объединяет измерения скорости метаболизма глюкозы в мозге (CMRGlc), скорости метаболизма кислорода в мозге (CMRO2), мозгового кровотока (CBF) и объема мозговой крови (CBV), кульминацией которой являются оценки аэробного гликолиза мозга (AG). Эти оценки in vivo окислительного и неокислительного метаболизма глюкозы имеют отношение к изучению здоровья и болезней человеческого мозга. Новейшие сканеры для позитронно-эмиссионной томографии и компьютерной томографии (ПЭТ-КТ) обеспечивают времяпролетную визуализацию (TOF) и значительное улучшение пространственного разрешения и уменьшение артефактов. Это привело к значительному улучшению визуализации при более низких дозах радиоактивных индикаторов.

Оптимизированные методы для новейших сканеров ПЭТ-КТ включают введение последовательности вдыхаемых 15О-меченых окиси углерода (CO) и кислорода (O2), внутривенного введения 15О-меченых вод (H2O) и 18F-дезоксиглюкозы (ФДГ) в течение 2 или 3 часов сеансов сканирования, которые дают количественные измерения CMRGlc с высоким разрешением, CMRO2, CBF, CBV и AG. В данной статье описываются практические аспекты сканирования, предназначенного для количественной оценки метаболизма мозга с помощью индикаторных кинетических моделей и образцов артериальной крови, а также приводятся примеры визуализационных измерений метаболизма мозга человека.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Человеческий мозг является крупным потребителем кислорода и глюкозы для обмена веществ. Часть метаболизма глюкозы в здоровом человеческом мозге происходит вне использования кислорода, известного как аэробный гликолиз мозга (АГ), цели которого интенсивно исследуются 1,2,3,4,5. Предыдущие исследования на животных моделях и людях сообщают о связи между AG и развитием и старением, развитием синапсов и нейритов, памятью, отложением амилоида при болезни Альцгеймера, а также функцией белого вещества и заболеванием 1,6,7,8,9,10,11,12,13. Таким образом, существует постоянный интерес к изучению АГ и других аспектов метаболизма мозга, чтобы лучше понять человеческий мозг по мере его старения и получения травм и болезней.

В настоящее время методы оценки AG мозга человека in vivo требуют ПЭТ-визуализации с использованием нескольких радиоиндикаторов кислорода и глюкозы для измерения скорости мозгового метаболизма глюкозы (CMRGlc)14, мозговой скорости метаболизма кислорода (CMRO2)15, мозгового кровотока (CBF)16 и объема мозговой крови (CBV)17. Помимо визуализации, количественное измерение метаболизма мозга с помощью ПЭТ требует других сложностей, включая оценку входной функции артерий, как правило, с помощью инвазивной артериальной канюляции и забора образцов; обеспечение того, чтобы участники точно следовали инструкциям по вдыханию радиоактивного индикатора при ограничении движений головы; безопасное и эффективное обращение с радиоиндикаторами с очень коротким периодом полураспада (2 мин); управление большими наборами данных; и применение передовых аналитических методов для точного расчета метаболических параметров. Также следует отметить ограничения использования [18F]FDG для оценки CMRGlc 5,14.

Этот протокол решает практические вопросы, наиболее важные для успешного измерения количественного метаболизма мозга по нашему опыту. Этот протокол включает в себя описание основных процедур и предостережения по предотвращению распространенных ошибок. Она откладывает тщательное обсуждение более общих принципов метаболизма, нейробиологии, визуализации, кинетики индикаторов и методов вывода из радиоактивной ПЭТ-визуализации. Целевая аудитория включает в себя новичков в метаболических измерениях с помощью ПЭТ, а также более опытных исследователей ПЭТ и клиницистов, заинтересованных в использовании 15-Oрадиоиндикаторов. Этот протокол предполагает знакомство с исследованиями визуализации человека, инвазивными медицинскими процедурами, радиоактивными индикаторами и количественными методами вывода. Существуют многочисленные превосходные ссылки на ПЭТ-томографию головного мозга в целом18, а на ПЭТ с 15O-кислородом в частности19. По вопросам [18F]FDG, а также по другим практическим вопросам проведения ПЭТ, Центр ПЭТ в Турку предоставляет ценные справочные материалы, а также ссылки на обширную первичную исследовательскую литературу20.

Разделы протокола начинаются с соответствующих соображений в отношении выбора участников, которые имеют важное значение для соблюдения требований и успешного сканирования. Далее в протоколе излагаются аспекты, относящиеся к поддерживающему сканированию с помощью МРТ для нейроанатомии. Далее в протоколе описываются клинические лабораторные распоряжения, которые включают меры, важные для количественной оценки метаболизма кислорода и глюкозы. Далее в протоколе перечисляются вопросы, связанные с циклотроном и доставкой радиофармацевтических препаратов. В описаниях просто отражена точка зрения исследователей, работающих на месте оказания медицинской помощи в центре визуализации, опускаются соображения, необходимые для циклотронного оборудования и персонала. Далее в протоколе подробно описывается подготовка и управление артериальными катетерами. Создание и поддержание артериальных магистралей требует соблюдения критериев соответствия, характерных для учреждений, и в протоколе описываются успешные рабочие процессы. Кроме того, протокол содержит основные операционные процедуры для сканирования с помощью ПЭТ, включая детали позиционирования участника, КТ для коррекции затухания, введение радиофармацевтических препаратов и выполнение артериальных измерений. При заборе вен обсуждаются потенциальные альтернативы артериальному забору образцов при измерении CMRGlc с [18F]FDG. Раздел о реконструкции и хранении изображений ПЭТ подробно рассказывает о параметрах программного обеспечения и практических вопросах информационных технологий. В разделе, посвященном выписке и последующему наблюдению за участниками, отмечаются важные сообщения для обеспечения безопасности участников. Также обсуждаются важные мероприятия по калибровке. Многие подходящие методы анализа и кинетические модели хорошо описаны в опубликованных научных отчетах и их многочисленных предшественниках; Таким образом, настоящий протокол в значительной степени отсылает читателя к ссылкам на опубликованные подходы. Репрезентативные результаты иллюстрируют успешную реализацию протоколов. В дискуссионной секции подробно рассматриваются преимущества и ограничения протокола, его потенциал в нейронауке о человеке, а также вопросы, связанные с безопасностью.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ПРИМЕЧАНИЕ: Институциональный наблюдательный совет и Комитет по исследованию радиоактивных лекарств Медицинской школы Вашингтонского университета одобрили все исследования на основе протокола, описанного ниже. Все участники предоставили информированное письменное согласие перед участием в научных исследованиях на основе приведенного ниже протокола. Подробную информацию обо всем оборудовании, материалах и реагентах, используемых в этом протоколе, см. в Таблице материалов .

1. Отбор участников

  1. Критерии включения
    1. Включайте только совершеннолетних участников. Убедитесь, что участники могут следовать процедурам исследования, включая инструкции по вдыханию радиофармацевтических газов, и могут дать информированное согласие или согласие с соответствующим суррогатным согласием. Убедитесь, что участники могут проходить визуализацию в положении лежа на спине в течение 2-3 часов с перерывами и непрерывно в течение 60 минут без перерывов.
  2. Критерии исключения
    1. Исключите участников, у которых есть противопоказания к исследованию радиоактивных препаратов, такие как беременность на момент проведения ПЭТ. Исключите участников с противопоказаниями к МРТ, так как МРТ требуется для регистрации анатомических изображений, пространственной нормализации и частичной коррекции объема.
    2. Исключите участников с противопоказаниями к канюляции лучевой артерии, когда должна быть выполнена канюляция лучевой артерии. Исключите участников со значительной анемией или тех, кто недавно сдал продукты крови, так как инвазивный забор артериальных проб приводит к общей потере объема крови, которая может превышать 100 мл.
    3. Исключите участников со значительными легочными заболеваниями, так как их способность к успешному вдыханию и обмену меченых [15O]O2 и [15O]CO в легких может быть нарушена. Исключите лиц с текущими заболеваниями, выходящими за рамки представляющих интерес, которые, как ожидается, значительно изменят мозговой метаболизм и кровоток.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это зависит от конкретных целей и задач конкретного проекта, например, если проект направлен на здоровое старение, большие инсульты или серповидноклеточная анемия могут быть среди критериев исключения.
    4. Исключите участников, которые не могут достичь уровня глюкозы в крови ниже 165 мг/дл до введения [18F]FDG.

2. МРТ для нейроанатомии

  1. Запланируйте МРТ до начала ПЭТ-сканирования. Обеспечение протокола МРТ для 3Т-сканера, включающего подготовленную к намагничиванию последовательность импульсов быстрого градиентного эха (MPRAGE) с изотропным разрешением 0,8-1,0 мм и, в идеале, перспективные методы коррекции движения21.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Проспективная коррекция движения обеспечивает дополнительную оптимизацию анатомии T1w для использования в слиянии с ПЭТ-визуализацией, но пропуск проспективной коррекции движения вряд ли будет иметь большое значение для современной ПЭТ-визуализации у участников, которые придерживаются принципа избегания движения головы. Качественная анатомия T1w важна для частичной объемной коррекции ПЭТ22,23.
  2. Приобретите нейроанатомическую МРТ для регионарной парцелляции и сегментации, регистрации атласа и частичной коррекции объема. Убедитесь в успешности нейроанатомической МРТ перед назначением и вводом инвазивных артериальных катетеров и радиофармацевтических препаратов.

3. Лабораторные заказы

  1. Закажите газы артериальной крови, гемоглобин, гематокрит и глюкозу плазмы в клинически сертифицированных лабораториях. Закажите количественные оксигемоглобин, карбоксигемоглобин и метгемоглобин для курильщиков и людей с заболеваниями, связанными с измененным гемоглобином.
  2. Измеряйте пульсоксиметрию с помощью проверенных устройств, например, предназначенных для оказания неотложной медицинской помощи.

4. Поставка радиофармпрепаратов

ПРИМЕЧАНИЕ: Для измерения метаболизма кислорода в мозге и AG с помощью ПЭТ требуется циклотронная установка, способная производить и доставлять радиофармацевтические препараты с массой 15O с периодом полураспада 122 s. Транспортировка радиофармацевтических препаратов между циклотронной установкой и ПЭТ-сканером должна быть достаточно и надежно быстрой, чтобы обеспечить адекватную дозировку во время введения радиофармпрепарата.

  1. Убедитесь, что все калибраторы дозы радиоактивности имеют мощность и дают время для достаточного прогрева прибора (обычно не менее 60 минут).
  2. Для газообразных радиофармацевтических препаратов поместите баллон с защитным газом и встроенный в него пикоамперметрический калибратор дозы рядом с ПЭТ-порталом сканера ПЭТ. Обеспечьте надежное крепление стерилизованного расширяемого сильфона, сажевого фильтра, пластиковой полимерной трубки большого диаметра, зажима и одноразового мундштука. Смотрите Рисунок 1.
  3. Полные процедуры обеспечения качества для нейлоновых газопроводов с внутренним диаметром 1/8 дюйма под выхлопом из циклотрона для подачи [15O]CO и [15O]O2. Полное обеспечение качества источников очищенного водорода и технологических установок для получения радиофармпрепарата [15O]H2O в качестве производного [15O]O2 для последующего введения. Смотрите Рисунок 1.

5. Артериальные катетеры

  1. Размещение и управление
    1. Канюляция лучевой артерии проводится по согласованию с врачом со специальной подготовкой для рутинной установки артериальных линий, например, в интервенционной радиологии, анестезиологии или реанимации.
      1. Приобретите ультразвуковое устройство с зондом, подходящим для визуализации лучевой артерии.
      2. Предоставьте интервенционному врачу предпочтительные расходные материалы для установки артериального катетера, чаще всего набор с проводником, который реализует технику Зельдингера.
      3. Приложите все усилия, чтобы ввести ангиокатетер в недоминантную руку участника.
    2. Оценивайте и лечите участника на протяжении всей канюляции лучевой артерии, используя услуги опытной медсестры или эквивалентного медицинского работника.
      1. Обеспечить коллатеральное артериальное кровообращение кисти с помощью ультразвука.
      2. Подготавливайте и управляйте стерильным полем во время артериальной канюляции.
      3. Помогите интервенционному врачу с процедурами стерильной канюляции.
      4. Загрунтовать жесткие напорные трубопроводы и подать нормальный физиологический раствор под давлением до 300 мм рт.ст.
    3. Выполняйте непрерывное управление артериальными катетрами в течение 2-3 часов, включая рутинный мониторинг формы волн артериального давления и манипуляции с контурами артериальных линий. Для непрерывного забора артериальных проб переключите встроенные запорные краны с подачи обратного давления для лучевой артерии на экстракцию артериальной крови путем перистальтического насоса на промывку и поддержание доступа к лучевой артерии. При праймировании сегментов катетеров, которые никогда не впадают в лучевую артерию, промойте гепаринизированными растворами (до 10 Ед/мл) для поддержания проходимости.
      Примечание: Сведите к минимуму использование гепарина, когда это возможно для поддержания катетера лучевой артерии, учитывая неопределенные доказательства его эффективности, и чтобы избежать риска провоцирования гепарин-индуцированной тромбоцитопении.
    4. Используйте формующую, но жесткую подлокотную доску для фиксации катетера и катетеров лучевой артерии. Следите за тем, чтобы повторные манипуляции с запорными кранами не нарушали работу катетера лучевой артерии.
    5. Подтверждайте нормальные формы волн артериального давления перед каждым введением радиофармпрепарата, чтобы обеспечить проходимость катетера лучевой артерии.
  2. Гамма-детекторы для артериальных проб
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте зондовое устройство для обнаружения гамма-излучения и перистальтический насос для измерения функции артериального входа. Несмотря на то, что для [18F]FDG и других радиоиндикаторов с более длительным периодом полураспада можно брать пробы от руки, использование последовательности из четырех быстрых сканирований 15O значительно облегчается автоматическим отбором проб с использованием перистальтического насоса и гамма-детектора, достаточно компактного для размещения рядом с рукой участника.
    1. Расположите сборки артериальных капельниц как можно ближе к катетеру лучевой артерии для выполнения измерений с минимальной дисперсией и задержкой на датчике для обнаружения гамма-излучения. Убедитесь, что путь от места канюляции через линейные сборки к датчику для обнаружения гамма-излучения согласуется с данными калибровки, доступными для линейной сборки.
    2. Непрерывное питание через источник бесперебойного питания для обеспечения стабильности фотоумножителей для детекторов гамма-совпадений. Для обнаружения совпадений используйте временные окна продолжительностью 100 нс и убедитесь, что номинальная чувствительность обнаружения составляет не менее 2,4 имп/с кБк-1 мл-1 с линейностью <1% через 10 кпикс.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Заполненные жидкостью волноводы для обнаружения совпадений хрупкие, требуют осторожности при обращении и транспортировке из зон хранения в комплект для ПЭТ.

6. Сканирование

  1. Минимизируйте движения головы
    1. Перед сканированием объясните участнику важность избегания движений головой во время сканирования.
  2. Позиционирование участников исследования
    1. Убедитесь, что аппаратные и программные конфигурации ПЭТ-КТ позволяют проводить сканирование с положением участника исследования головой вперед или ногами. По возможности отдавайте предпочтение располаганию ПЭТ ногами вперед таким образом, чтобы конечности и туловище участника находились за пределами ПЭТ-портала, голова участника оставалась в центре ПЭТ-портала, а компьютерная томография оставалась незанятой (Рисунок 1).
    2. Направляйте и размещайте участника в положении лежа на опущенном порту портала в соответствии со всеми ранее существовавшими протоколами сканирования человека методом ПЭТ-КТ, такими как обеспечение недавнего мочеиспускания, ношение соответствующей одежды и снятие очков, украшений или украшений для волос, несовместимых со сканером.
    3. Убедитесь в целостности всех артериальных и венозных катетеров при перемещении портального стола в отверстие сканера. Обеспечить непрерывное соединение артериальных катетеров с источниками солевого раствора под давлением. Обеспечьте отключение перистальтических насосов, датчиков гамма-детектирования и любых других устройств, которые не могут пройти через отверстие сканера, и последующее повторное подключение.
    4. Обеспечьте комфорт участника, особенно подходящие подушки для положения головы, шеи, позвоночника, бедер и сгибания ног. Обеспечьте удобное положение головы на свободно расположенных подголовниках из пенопласта, а затем прикрепите лоб участника к портальному столу с помощью эластичной, самоклеящейся, самосъемной обертки в качестве напоминания участнику о необходимости избегать движения головы. Обеспечьте достаточное количество одеял для теплового комфорта. Подтвердите понимание участником необходимости избегать движений головы на протяжении всего КТ и ПЭТ-сканирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Подголовники и эластичная обертка существенно ограничивают движения головы даже у участников с когнитивными нарушениями.
    5. Убедитесь, что портальный стол проходит через отверстие сканера до тех пор, пока конечности и туловище участника не окажутся за пределами портала компьютерной томографии, а голова участника не будет центрирована в портале компьютерной томографии. При входе в компьютерную томографию выровняйте кантомеатальную линию участника с помощью вертикальных лазерных маркеров при входе в компьютерную томографию, затем наклоните подбородок немного вниз. Выполните КТ, как описано ниже. Подтвердите на КТ, что это позиционирование захватывает весь головной мозг и мозжечок в поле зрения ПЭТ.
    6. Убедитесь, что портальный стол проходит через отверстие сканера до тех пор, пока голова участника не будет центрирована в ПЭТ-портале. Обеспечьте достаточный доступ к артериальным и венозным линиям, а также достаточное разгибание запястья для проведения канюляции лучевой артерии. Убедитесь, что потолочные вытяжные вентиляционные отверстия могут эффективно удалять случайно выдыхаемые радиоактивные газы вблизи края портала из ПЭТ-тары. Выполните КТ и ПЭТ, как описано ниже в шагах 6.3-6.5.
    7. Регулярно наблюдайте за участником во время ПЭТ, оценивая комфорт участника с минимальным вербальным общением во время сканирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Положение ногами вперед облегчает введение радиоактивных газов с улучшенной связью и улучшенными манипуляциями с ингаляционными трубками. Однако для большинства портальных столов положение ногами вперед может быть несовместимо с использованием термопластичных масок для удержания головы. Положение ногами вперед также может быть несовместимо с устройствами, которые защищают голову от выбросов, исходящих от тела, расположенного ниже головы. В противном случае такие щиты могут уменьшить случайность, исходящую от тела.
  3. КТ для коррекции затухания
    1. Получите КТ головы с низкой дозой облучения, подходящую для коррекции затухания. Если участнику требуется перерыв во время сканирования и он покидает сканер, повторите компьютерную томографию перед возобновлением сеанса ПЭТ, чтобы можно было реконструировать последующую ПЭТ-визуализацию с помощью консоли. Полезные параметры ТТ включают ток в трубке 75 мА, время вращения 0,5 с, шаг спирали 1,5 и напряжение в трубке 120 кВ, с рекомендованными производителем ядрами свертки и реконструкцией до матрицы 512 x 512 x 88, разрешения 0,98 x 0,98 x 3,00 мм3.
  4. Введение газообразных радиофармпрепаратов
    1. Проинструктируйте участников о процедуре ингаляции перед первым введением газа, уделяя особое внимание вдоху и выдоху через зонд, а не дыханию через нос.
    2. Подготовьте емкость для хранения защитного газа, оборудованную пикоамперметрическим калибратором дозы. Внутри газового баллона соедините расширяемые сильфоны с жесткой нейлоновой линией узкого диаметра от циклотрона, а также с полужесткой пластиковой полимерной трубкой большого диаметра, которая остается зажатой, за исключением случаев введения. Установите фильтр для улавливания вирусов на одной линии с трубкой большого диаметра в соответствии с требованиями инфекционного контроля, сформулированными для пандемии Covid-19. Прикрепите одноразовый пластиковый мундштук к концу трубки.
    3. Обращение к циклотронной установке с просьбой доставить газообразные радиофармацевтические препараты в газовый контейнер.
    4. Подготовьтесь к введению всех газообразных радиофармацевтических препаратов в виде болюсов. Процедура ингаляции идентична во всех случаях.
      1. Отслеживайте активность каждого газа, подаваемого в расширяемые сильфоны до пиковой активности, а затем подождите, пока активность упадет ниже максимальной дозы, разрешенной Комитетом по исследованию радиоактивных лекарств (55 мКи). Контролируйте активность с помощью пикоамперметрических калибраторов дозы. Инициируйте сбор данных о выбросах с помощью сканера.
      2. Начните сканирование непосредственно перед началом ингаляции, чтобы убедиться в получении начальной кривой временной активности. Получите 6-7 минут излучения с помощью кадров 3 с x 23, 5 с кадров x 6, 10 с кадров x 20, а затем 30 с кадров для оставшейся части сканирования.
      3. Попросите участника полностью выдохнуть и опустить маску участника.
      4. Поместите мундштук в рот участника. Попросите участника сформировать плотное уплотнение вокруг мундштука губами, а затем вдохните как можно больше. Попросите участника задержать дыхание на несколько секунд, чтобы облегчить поглощение легкими газообразного радиофармацевтического препарата.
      5. Попросите участника снова выдохнуть через трубку, выдувая остаточный газообразный радиофармпрепарат обратно в сильфон. Снова зажмите трубку и заберите ее у участника.
      6. Следите за активностью газа в сильфонах от начала вдоха до конца выдоха. Рассчитайте общую введенную дозу по разнице в активностях. Стремитесь к тому, чтобы общая вводимая доза превышала 20 мКи.
    5. Введите одну дозу [15O]CO. Контролируйте артериальные измерения на предмет кривых номинальной временной активности. Если артериальные измерения технически недостаточны, введите заместительную дозу [15O]CO. Дайте внутрисосудистому [15O]CO достичь устойчивого состояния, что требует примерно 1-2 мин17.
    6. Ввести две последовательные дозы [15O]O2. Контролируйте артериальные измерения для номинальных кривых временной активности.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эта процедура эффективна даже у участников с легкими когнитивными нарушениями. Тем не менее, участники, неспособные выполнить эту процедуру из-за тяжелых когнитивных нарушений или слабости лица, исключаются, чтобы свести к минимуму риск неадекватного введения радиоиндикатора и утечки газа в окружающий воздух во время выдоха. Для непрерывного введения и использования масок для удаления газообразных радиоактивных индикаторов обратитесь к альтернативным методам, о которых сообщается и на которые ссылаются Iguchi et al.24 Повторение дозирования [15O]O2 в двух экземплярах рекомендуется из-за более низких соотношений сигнал/шум (неблагоприятных значений эквивалента шума), обычно получаемых при использовании [15O]O2.
  5. Введение инъекционных радиофармпрепаратов
    1. Запросите у циклотронной установки внутривенную подачу радиофармацевтических препаратов в отсек сканера.
    2. Подготовьтесь к введению всех внутривенных радиофармпрепаратов в виде болюсов. Процедура внутривенного введения одинакова для всех случаев.
      1. Контролируйте дозу в дозиметре до тех пор, пока она не упадет ниже максимально допустимой (25 мКи для [15O]H,2O и 6 мКи для [18F]FDG).
      2. Начните сканирование непосредственно перед внутривенным введением, чтобы убедиться в получении начальной кривой временной активности. Для [15O]H2O получите 6-7 минут излучения с 3 с кадрами x 23, 5 с кадрами x 6, 10 с кадрами x 20, а затем 30 с кадрами для оставшейся части сканирования. Для [18F]FDG получить 60 минут излучения с помощью 3 с кадров x 23, 5 с кадров x 24, 20 с кадров x 9, 60 с кадров x 13, 300 с кадров x 7 и 351 с кадра x 1.
      3. Немедленно введите внутривенную дозу. Измерьте остаточную радиоактивность в шприце, чтобы рассчитать введенную дозу по разнице. Следите за тем, чтобы общая вводимая доза не была ниже минимально допустимой дозы (15 мКи для [15O]H,2O и 4 мКи для [18F]FDG).
      4. Контролируйте артериальные измерения для номинальных кривых временной активности. В течение [15O]H2O, если артериальные измерения технически недостаточны, введите заместительную дозу.
        Примечание: Введение [15O]H2Oв некоторых отношениях проще, чем введение газов, поскольку первые могут вводиться внутривенно. Однако из-за короткого периода полураспада [15O]H2O, этот процесс все еще требует тщательной оркестровки, в зависимости от местоположения сканера ПЭТ и места производства и получения [15O]H2O.

7. Артериальные измерения

  1. После позиционирования участника исследования в сканере подготовьте все приборы, необходимые для артериальных измерений радиофармацевтической активности.
    1. Обеспечьте целостность соединений между ангиокатэфиром лучевой артерии, жесткими напорными линиями, запорными кранами, герметичным мешком для подачи нормального физиологического раствора, комплектами удлинительных катетеров для гамма-детекторов и комплектами удлинительных катетеров для перистальтических насосов. Обеспечьте правильную загрузку, чтобы пузырьки воздуха не могли попасть в лучевую артерию и чтобы пузырьки воздуха не мешали перистальтическому насосу для извлечения артериальной крови.
      1. Для гамма-детектора используйте наборы удлинителей катетеров с микроотверстием длиной не более 48 см и объемом прайминга не более 0,6 мл.
      2. Для перистальтической помпы установите максимально допустимый предел окклюзионного давления.
      3. Если перистальтический насос является инфузионным насосом, работающим с обратными направлениями потока, выберите минимальную скорость потока, чтобы сосуд оставался открытым (KVO).
  2. Непосредственно перед введением радиофармацевтических препаратов закройте запорный кран на мешке под давлением и мониторе давления и включите насос со скоростью 300 мл/ч. Подтвердить забор крови из лучевой артерии и ее прохождение через удлинительные катетерные комплекты для гамма-детекторов и удлинительные катетерные комплекты для насоса. Подтверждение непрерывных измерений радиофармацевтической активности в гамма-детекторах на протяжении болюсного прохождения радиофармпрепаратов через артериальный кровоток25.
  3. Обеспечьте одновременный сбор кривых временной активности с помощью ПЭТ-сканера.
  4. Продолжайте сцеживание со скоростью 300 мл/ч и проверяйте измерения радиофармацевтической активности в гамма-детекторах в течение как минимум 300 с после вдыхания [15O]CO, через 120 с после ингаляции [15O]O2, через 120 с после инъекции [15O]H2 O и через 300 с после инъекции [18F]FDG.
    1. При [18F]ФДГ продолжайте перекачивать кровь со сниженной скоростью не ниже 20 мл/ч до окончания ПЭТ-сканирования.
  5. После каждого артериального измерения перенастройте артериальные катетеры для промывания катетера лучевой артерии; Затем промывайте цепь, которая питает гамма-детекторы и насос. Для изолированного контура через насос установите скорость насоса на уровне 300 мл/ч. По желанию используйте второй мешок с гепаринизированным физиологическим раствором под действием силы тяжести, чтобы обеспечить дополнительные потоки для выкачивания крови из насоса.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Учитывая длительный протокол визуализации и повторный забор образцов артериальной крови, риск окклюзии катетера может быть высоким, что требует постоянной бдительности со стороны группы исследователей и медсестры. Используйте строгие меры стерильности и поддерживайте замкнутый контур, который регулируется только запорными кранами.

8. Забор вен

  1. Перед сканированием установите два места для внутривенного доступа: контралатерально к канюляции лучевой артерии для инъекции радиофармацевтического препарата и ипсилатерально к канюляции лучевой артерии для забора вен. Отдавайте предпочтение предкубитальному доступу.
  2. Перед сканированием подготовьте шприцы и колпачки от шприцев; Несмываемую маркировку шприцев и колпачков, крышку всех шприцев и взвешивание шприцев с колпачками с помощью аналитических весов с точностью до 0,0001 г. Рекордное время забора вен в начале и по окончании забора не менее 2 мл крови. При комнатной температуре (20-25 °C) центрифугировать 1 мл крови при RCF 3300 × г в течение не менее 60 с для извлечения плазмы. Подсчитывайте активность в цельной крови и плазме с помощью счетчика лунок, откалиброванного на 68 Ge.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Забор венозных проб наиболее подходит для измерения [18F]FDG через 30-60 минут после инъекции. Венозные образцы, полученные во время сканирования 15О, технически очень сложны и трудно поддаются контролю, а также плохо коррелируют с артериальными образцами.

9. Реконструкция ПЭТ-изображений и хранение данных

  1. Реконструкция изображений с ПЭТ-КТ, предпочитающая 3D ординарные-пуассоновские упорядоченные подмножества максимизации ожиданий (OSEM) с 4-8 итерациями по пять подмножеств, TOF, случайные с задержкой, масштабирование абсолютного рассеяния на основе модели, коррекцию затухания, всепроходную фильтрацию (без фильтрации), без моделей функции рассеяния точки, коррекцию затухания до начала сканирования, масштабирование до Bq mL-1, размер матрицы 220, зум 2 и изотропные воксели 1,65 мм длина.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Zoom 2 уменьшает поперечное поле зрения при реконструкции изображения наполовину, тем самым игнорируя окружающее пространство между головой участника и кольцами детектора ПЭТ. Указанные параметры являются начальными значениями для газа [15O]O2 , который очень подвержен изменчивости рассеяния и требует масштабирования абсолютного рассеяния на основе модели; исторически сложилось так, что выбор моделей рассеяния сильно влиял на качество реконструкции 15-метровыхиндикаторов. Кроме того, взаимодействие реализованных вендором моделей рассеяния с другими моделями, такими как модели функции разброса точек, в настоящее время плохо изучено. Следовательно, в этом протоколе реализованы только модели рассеяния без моделей точечного спреда.
  2. Просматривайте восстановленные данные ПЭТ на консоли сканера, чтобы обеспечить адекватное введение радиоиндикатора и минимальное перемещение.
    1. Сохраняйте файлы DICOM для восстановления данных ПЭТ, КТ, норм и listmode.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Данные Listmode необходимы для оптимизированных реконструкций, которые требуют больших вычислительных ресурсов и обычно не могут быть выполнены в консоли сканера. Данные Listmode очень велики (>40 ГБ за сеанс PET), и необходимо зарезервировать соответствующие устройства хранения.

10. Освобождение и последующее наблюдение за участником

  1. Удаление линий
    1. Удалите катетер лучевой артерии стерильной техникой и вручную надавите на лучевую артерию (это должен сделать квалифицированный медицинский работник).
    2. Надавите на 15 минут, используя запатентованную технику гемостаза, чтобы свести к минимуму риск окклюзии лучевой артерии.
    3. Осмотрите наконечник катетера на наличие тромбов или разрывов.
    4. Убедившись, что достаточный гемостаз достигнут, наложите давящую повязку со стерильной марлей и эластичной самоклеящейся оберткой. Осмотрите руку на предмет любых изменений цвета, температуры, ощущений или функций.
  2. Инструкции по уходу в домашних условиях
    1. Проинструктируйте участников о необходимости наложения давящих повязок в течение 2 часов после выписки.
      1. Проинструктируйте участников осмотреть место канюляции на предмет кровотечения или синяков через 2 часа, а затем наложить безрецептурную повязку.
      2. Проинструктируйте участников о необходимости избегать сгибания или смачивания пораженного запястья/руки в течение 24 часов и избегать напряженной деятельности, связанной с запястьем/рукой, в течение 48 часов.
    2. Проинструктируйте участников осмотреть пораженное запястье/руку на наличие признаков инфекции, травмы или кровотечения в течение 48 часов после выписки.
    3. При необходимости предоставьте несколько способов связи с исследовательской группой.
    4. Обеспечьте уверенность при распространенных осложнениях в виде легких синяков и временного дискомфорта.
    5. Свяжитесь с участником исследования через 24-48 ч после выписки, чтобы убедиться в отсутствии дополнительных осложнений.

11. Калибровка

  1. Перекрестная калибровка
    1. Для абсолютной калибровки счетчиков скважин используйте стержневые эталонные источники 68Ge или 22Na.
    2. После этого проводят перекрестную калибровку с использованием растворов 10-37 МБк [18F]FDG в 30-670 мл воды с 2% ацетонитрилом или аналогичным органическим растворителем. Используйте бутылки с жестким фильтрующим материалом (полиэтилентерефталат или полиэтилен высокой плотности), которые обеспечивают удержание радиоактивности с незначительным ослаблением гамма-излучения. Используйте бутылки меньшего объема, чтобы обеспечить меньшую активность при перекрестной калибровке в отверстии сканера. Выполните перекрестную калибровку всех других приборов для определения гамма-излучения с помощью аликвот, взятых из бутылки.
  2. Калибровка катетера
    1. Проведение калибровочных исследований дисперсии и задержки, возникающих в результате использования катетеров и линий между лучевой артерией и датчиком для детектирования гамма-излучения.
      1. Используйте продукты крови с истекшим сроком годности из местного банка крови, ванну с контролируемой температурой и контролируемое изменение гематокрита продуктов крови.
      2. Соберите компартментные устройства для быстрого переключения между немаркированными и мечеными [18F]FDG продуктами крови, которые подаются на сборку катетеров, катетеров, гамма-детекторного зонда и перистальтического насоса. Подайте входные данные Heaviside с «ступенчатой функцией» в сборку и измеряйте радиоактивность с течением времени.
      3. Оцените ядро свертки на дисперсию и задержку. Параметризуйте ядра в зависимости от гематокрита. Выполняйте все калибровки с источником продуктов крови при температуре 37 °C. Повторно используйте ядро для всех исследований на людях с использованием идентичной сборки.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Эти калибровки учитывают только дисперсию и задержку через внешние линейные сборки, а не внутреннюю анатомию.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Некоторые из наиболее технически сложных аспектов этого протокола включают в себя настройку, управление и успешный сбор данных с артериальных линий при одновременном введении радиоиндикаторов с коротким периодом полураспада и работе сканера. На рисунке 1 представлен общий взгляд на текущую структуру, в котором обобщены организационные и операционные рабочие процессы, требуемые от координаторов исследований, специалистов по вмешательству, медсестер, технологов и исследователей. Описанные выше радиофармпрепараты легко встраиваются в неколичественные карты конкретных активностей (рис. 2), включая расчет коэффициентов стандартизированного значения поглощения (SUVR). Кривые активности всего мозга (рис. 3) помогают идентифицировать значительные движения головы, которые приводят к разрывам кривой активности, и обеспечивают характерные характеристики индикаторов после коррекции распада, такие как ожидаемое плато [15O]CO через 120 с и его последующая почечная экскреция, плато [15O]O2 после болюсного пассажа, поскольку он извлекается тканью мозга и метаболизируется в радиоактивно меченный [15O]H2O, монотонное уменьшение вводимого [15O]H2O по мере увеличения объема распределения по всему телу, а также прогрессирующее поглощение и фосфорилирование [18F]FDG через гексокиназу в мозге в течение жизни 18F. Подробные модельные оценки метаболических [15O]H2O были первоначально описаны Mintun et al15.

Более простая полиномиальная феноменология, которая опускает рассмотрение внутрисосудистых дисперсий и подчеркивает устойчивые особенности данных о выбросах, была предложена Herscovitch et al26,27. В образцах данной работы используется только эта последняя феноменология кислородного обмена. Артериальные входные функции, регистрируемые с помощью гамма-детекции от катетеров, канюлирующих дистальную лучевую артерию, имеют значительную дисперсию и задержку, которые должны быть деконволютированы. Мы отдали предпочтение байесовским методам оценки параметров моделей рядов гамма-распределений и экспоненциально возрастающих устойчивых членов28. На рисунке 4 показаны результаты для [15O]CO, [15O]O2, [15O]H2O и [18F]FDG. Результаты для [15O]O2 также иллюстрируют возникновение [15O]H2O метаболизма. На рисунке 5 представлены статистические карты параметров CBV, CBF, CMRO2, CMRGlc и AG, которые мы определяем как молярный баланс классического гликолиза: CMRGlc - CMRO2/6.

figure-results-1
Рисунок 1: Краткое изложение рабочих процессов настройки и эксплуатации. (A) Схематическое изображение основных инструментов и деталей, необходимых в отсеке сканера. Для сканеров ПЭТ-КТ с длинными отверстиями сканера положение участников ногами вперед улучшает введение газообразных радиофармацевтических препаратов за счет увеличения маневренности устройств доставки газа и улучшения вербального и невербального общения с участником. Система подачи газа (голубого и синего цвета) состоит из нейлоновых трубок узкого диаметра от циклотрона, расположенных под выхлопными газами для транспортировки газообразных радиофармацевтических препаратов; камера хранения защитных газов с расширяемым сильфоном и пикоамперметром-калибратором дозы; сажевый фильтр, подходящий для улавливания вирусных частиц; и концевая пластиковая трубка большого диаметра с зажимом и пластиковым мундштуком. Все детали, подвергшиеся воздействию респираторных капель, являются одноразовыми или совместимыми с процедурами стерилизации. Приборы и детали для измерения артериальной крови (красный и темно-серый) обеспечивают солевой раствор под давлением для поддержания канюляции лучевой артерии, компактное гамма-детектирование для совпадения фотонов аннигиляции с энергией 511 кэВ, перистальтический насос для забора артериальной крови и контейнер для забора изъятой крови. Радиофармацевтические препараты для внутривенного введения требуют модулей синтеза для получения [15O]H2O из газа [15O]O2 , подаваемого циклотроном, или пневматической трубки, доставляемой из циклотронного радиофармпрепарата (зеленого цвета). Для внутривенного введения радиофармпрепаратов требуется дозиметрия клинического уровня (пурпурный). Для измерения активности в цельной крови и плазме требуются счетчик лунок, аналитические весы и микроцентрифуга (красного цвета). (B) Аннотированные и подробные виды системы подачи газа. Аббревиатура: ПЭТ-КТ = позитронно-эмиссионная томография-компьютерная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-2
Рисунок 2: Репрезентативные статические изображения для [15O]CO, [15O]O2, [15O]H2O и [18F]FDG, наложенные с прозрачностью ~25% на КТ с окном для височной кости. Сканирование радиоиндикаторов с температурой 15О позиционировало участника ногами вперед с помощью только эластичной самоклеящейся оболочки, крепящей голову к портальному столу. Сканирование [18F]FDG следовало за перерывом в сканировании, после чего участник возвращался примерно в исходное положение ногами вперед. Сокращения: CO = окись углерода; ФДГ = флудезоксиглюкоза; КТ = компьютерная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-3
Рисунок 3: Репрезентативные кривые активности индикаторов всего мозга. (A) [15O]CO, (B) [15O]O2, (C) [15O]H,2O, и (D) [18F]FDG. Весь мозг был определен путем маскировки анатомической MPRAGE. Поступление болюса введенного индикатора предшествует или совпадает со временем появления первых ПЭТ-рамок на панелях А и В. Сокращения: CO = окись углерода; ФДГ = флудезоксиглюкоза; ПЭТ = позитронно-эмиссионная томография; MPRAGE = подготовленное к намагничиванию эхо-сигнал с быстрым захватом данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-4
Рисунок 4: Репрезентативные кривые активности индикаторов, непрерывно отбираемые из лучевой артерии, и деконволюции дисперсий и задержек в сборках линий. Примеры описывают (A) [15O]CO, (B) [15O]O2, (C) [15O]H,2O, и (D) [18F]FDG. Синие круги — это данные, измеренные датчиком обнаружения совпадений, окружающим узкопетлевый катетер, по которому проходит артериальная кровь. Подсчет совпадений от зонда включает базовую мерцание кристаллов LYSO, реагирующих на окружающие фотоны (случайные вещества широкого спектра, которые попадают в временное окно устройства в 100 нс). Артериальная кровь проходит от лучевой артерии через зонд за счет дистального действия перистальтического насоса. Фиолетовая пунктирная линия — это эмпирическая оценка ядра по дисперсии и задержке, описанная в разделе 11.2 протокола. Желтая линия описывает кривую активности трассера с поправкой на дисперсию и задержку. Моделирование отжига оценивает параметры обобщенного гамма-распределения для желтой линии, согласующиеся с оцененным ядром и данными обнаружения совпадений. Подогнанные данные отображаются в виде красной линии. На панели (B) также указан [15O]H2O из метаболизма [15O]O2, который, как предполагается, имеет линейные характеристики, описанные Mintun et al.15. Сокращения: CO = окись углерода; ФДГ = флудезоксиглюкоза; ПЭТ = позитронно-эмиссионная томография; LYSO = оксиортосиликат лютеция-иттрия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-5
Рисунок 5: Карты CBV, CBF, CMRO2, CMRGlc и AG. ОЦК необходим для количественной оценки CMRO2, CMRGlc и AG. Тем не менее, активность венозных синусов приводит к путанице для CMRGlc и AG. Следовательно, венозные синусы были удалены из CMRO2 и CMRGlc путем маскирования. Контраст между мозжечком и неокортексом согласуется с предыдущими исследованиями АГ. Сокращения: ОЦК = объем мозговой крови; CBF = мозговой кровоток; CMRO2 = скорость метаболизма кислорода в мозге; CMRGlc = скорость метаболизма глюкозы в мозге; AG = аэробный гликолиз. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-6
Рисунок 6: Образцы статической эмиссии [15O]H2O от здоровых участников контрольного исследования, отсканированных на трех поколениях ПЭТ-сканеров. Во всех реконструкциях использовался 3D OP-OSEM с задержкой случайных чисел, коррекцией затухания и всепроходной фильтрацией (без фильтрации). Все реконструкции выполняются с помощью консолей сканеров с параметрами, подходящими для эффективных клинических рабочих процессов. Никакой дополнительной численной обработки, коррекции или размытия не использовалось. Для сравнения все результаты сканирования отображаются после преобразования твердого тела и трилинейной интерполяции в атлас MNI152 с разрешением 1,0мм3 . (A) Сканер только для ПЭТ с кристаллическими сцинтилляторами BGO, OP-OSEM с 4 итерациями и 16 подмножествами, 2,0 x 2,0 x 2,4 мм3 вокселями, 6 мин излучения, сканирование пропускания с Ge/Ga для картирования затухания и моделирование одиночного рассеяния. (B) Сканер ПЭТ-МРТ со сцинтилляторами кристаллов LYSO, OP-OSEM с 4 итерациями и 16 подмножествами, 2,1 x 2,1 x 2,0 мм3 вокселями, 10 мин излучения, полученной извне компьютерной томографией для картирования ослабления и масштабированием абсолютного рассеяния на основе модели. (C) Сканер ПЭТ-КТ со сцинтилляторами кристаллов LYSO, времяпролетным детектированием, OP-OSEM с 8 итерациями и 5 подмножествами, 1,65 x 1,65 x 1,65 мм3 вокселями, 6 мин излучения, встроенной КТ для картирования затухания и масштабирования абсолютного рассеяния на основе модели. Сокращения: ПЭТ = позитронно-эмиссионная томография; КТ = компьютерная томография; MR = магнитно-резонансная томография; OP-OSEM = упорядоченные подмножества максимизации ожиданий по обыкновенному Пуассону; BGO = германат висмута; LYSO = оксиортосиликат лютеция-иттрия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ПЭТ-визуализация метаболизма кислорода и глюкозы с использованием ингаляционных газов [15O]CO и [15O]O2, внутривенное введение [15O]H2O и внутривенное введение [18F]FDG имеют значимые исторические априорные значения, основанные на визуализации, накопленной с помощью ПЭТ-сканеров предыдущих поколений 14,15,16,17,26,27. Эти данные обычно основывались на сканировании просвечивания с германий/галлиевыми источниками для картирования затухания, сцинтилляторных матриц с ограничением люминесценции германата висмута (BGO), высокоактивном дозировании и 2D-сборе данных с кольцевыми перегородками для обеспечения ограниченной люминесценции сцинтиллятора и отфильтрованных реконструкций обратного проецирования, которые являются недорогими с точки зрения вычислений. Более новые сканеры, в том числе описанные в этом протоколе, используют компьютерную томографию с высоким разрешением для коррекции затухания, высоколюминесцентные матрицы оксиортосиликата лютеция-иттрия (LYSO), расположенные в пространственно плотных конфигурациях сцинтиллятора, 3D-сборы, которые мультиплексируют эффективность детектирования фотонов, электронику для детектирования TOF, улучшающую пространственную локализацию событий аннигиляции, и вычислительно продвинутые методы реконструкции с 3D-упорядоченными подмножествами обычного Пуассона. максимизация ожиданий (OP-OSEM). Новые сканеры обеспечивают превосходное качество изображения при более низкой дозе облучения29,30. Сравнительные образцы из трех поколений ПЭТ-сканеров подробно описаны на рисунке 6.

Этот протокол использует преимущества нескольких дополнительных модификаций для повышения качества информации, полученной при сканировании ПЭТ с помощью новых сканеров: позиционирование ногами вперед, тщательно рассчитанное по времени введение дозы и автоматизированныеизмерения функции артериального ввода. Они позволяют собирать данные об артериальных входных функциях и выбросах мозга для четырех различных индикаторов метаболизма кислорода и глюкозы в течение 2-3 часов сканирования. Эти данные затем могут быть представлены традиционным и новым методам кинетического моделирования, а также алгоритмам частичной коррекции объема для получения количественных оценок метаболизма мозга с высоким разрешением и высокой точностью. Важно отметить, что этот протокол позволяет не только количественно измерять метаболизм кислорода и глюкозы в мозге, но и рассчитывать AG мозга. В частности, превосходное качество изображения, получаемого с помощью современных сканеров, позволяет получить более реалистичные функции артериального ввода, полученные на основе изображений, а также использовать новые аналитические подходы, которые ранее были ограничены шумом или чувствительностью к разнице во времени между артериальным забором проб и излучением мозга19.

Примечательно, что качество визуализации сложнее улучшить при использовании радиоиндикаторов с 15О, чем при использовании [18F]FDG. Эфемерный период полураспада 122 с 15О вызывает серьезную потерю информации. Тем не менее, использование газообразных радиоиндикаторов также может быть целесообразным, поскольку газы могут накапливаться в окружающем пространстве между головой участника и кольцами обнаружения ПЭТ-КТ. В этом случае излучение радиоиндикаторных газов может образовывать значительные источники случайностей и рассеяния, тем самым вводя в заблуждение методы коррекции рассеяния, реализуемые поставщиками, которые используют относительное масштабирование источников рассеяния по сравнению с областями, идентифицированными как воздух. Даже внутривенное введение [15O]H2O может вызвать трудности, если значительные количества выдыхаются в виде паров [15O]H2O. Сообщалось о методах очистки газообразныхрадиоиндикаторов24, но они не были реализованы в данной работе. Обычные модели коррекции рассеяния могут быть неадекватными для визуализации радиоиндикаторов с массой 15О, и наилучшие характеристики этих индикаторов зависят от моделей рассеяния, которые учитывают абсолютные источники фотонов аннигиляции в поле зрения без масштабирования, в сочетании с точными картами ослабления. Даже незначительные упущения в оборудовании, такие как зеркала, прикрепленные к катушкам ПЭТ-МРТ сканеров, на которых газы 15O обычно образуют конденсат, могут привести к существенным артефактам при реконструкции выбросов. Также сообщалось о связанных с этим артефактах, возникающих из-за несовпадающих карт затухания после движения участников31. Поскольку взаимодействие моделей рассеяния с характеристиками рассеяния газообразных радиоиндикаторов еще плохо охарактеризовано, в данной работе опущены методы моделирования рассеяния точек, которые в противном случае были бы важны для ПЭТ с высоким разрешением. Оптимизация параметров реконструкции для listmode для каждого трассировщика является лучшей практикой, но в этой работе приведены примеры с использованием простых консольных реконструкций, которые были идентично применены ко всем трассировщикам, насколько это возможно, как описано в разделе 9.1 протокола. Примеры обязательно демонстрируют временные графики кадров, которые были адаптированы к изменчивости трассерно-кинетических временных масштабов. В примерах подчеркивается простота, сопоставимость статистики подсчета и эффективное пространственное разрешение, доступное для каждого трассера, а также минимизация смещения, которое может возникнуть при оптимизации параметров реконструкции для каждого трассера. Для сравнения с существующими исследованиями 15О в репрезентативных результатах этой работы используются 8 итераций 5 подмножеств, ранее сообщалось, что они подходят для современной ПЭТ-КТ с временными данными30,32. Времяпролетное разрешение может привести к улучшению разрешения изображения при 4 итерациях по 5 подмножеств, и эти оптимизации активно исследуются для индикаторов, описанных в этой работе.

Более длинное отверстие современных сканеров ПЭТ-КТ обременяет исследователей, предоставляющих радиоиндикаторные газы. Геометрия с ограниченным порталом увеличивает трудности с доступом ко рту участника при подаче газов, передаче инструкций участникам и обеспечении того, чтобы устройства подачи газа не допускали утечки радиоиндикаторов в окружающее пространство. Таким образом, постановка участников ногами вперед демонстрирует преимущества. Большинство аппаратных средств сканирования делают позиционирование ногами вперед несовместимым с размещением устройств нейроэкранирования, которые обычно размещают свинцовый экран, окружающий шею участника и отделяющий голову участника от тела. Нейроэкранирование уменьшит количество случайных попаданий в поле зрения со стороны тела. Относительные преимущества нейроэкранирования по сравнению с предотвращением воздействия радиоиндикаторов окружающего газа в настоящее время плохо изучены.

Количественная оценка метаболизма мозга
В данной статье представлены результаты анализа с использованием традиционных моделей гемодинамики, описанных Raichle et al. (CBF)16 и Martin et al. (CBV)17, а также метаболизма, описанных Mintun et al. (CMRO2)15 и Huang et al. (CMRGlc)14. В этих анализах используются функции артериального ввода и данные о выбросах, измеренные с использованием протокола, описанного в этой статье. Альтернативные способы измерения артериальной входной функции, такие как метод, полученный на основе изображений, активно изучаются и тестируются в сравнении с инвазивным методом. Традиционные модели также в полной мере используют динамическую визуализацию для оценки параметров кинетической модели. Мы предпочли использовать полиномиальные представления CBF и CMRO226,27. Мы отдали предпочтение методам Huang et al. для оценки CMRGlc, но использовали оценку байесовских параметров28,33. В последнее время AG был задуман как мера глюкозы, которая поступает в гликолитические пути, но участвует в клеточных функциях, отличных от окислительного фосфорилирования4. Расчет AG мозга в этом случае просто требует преобразования CMRGlc и CMRO2 в молярные эквиваленты и вычитания одной шестой от последнего из первого.

Частичная коррекция объема
Мы обычно выполняем региональную коррекцию частичного объема изображений SUVR с использованием алгоритма симметричной геометрической матрицы переноса (sGTM)34. Это основано на данных с высоким разрешением, полученных с помощью МРТ, которые могут включать только анатомические последовательности, хотя текущий протокол также получает последовательности, подобные проекту Human Connectome Project (HCP), для более точной региональной парцелляции. Мы использовали как анатомические (например, Десикан-Киллиани35), так и функциональные (например, Шеффер36 или Глассер37) атласы. Первые атласы часто имеют более крупные области интереса, которые больше подходят для изображений ПЭТ, полученных с более низким разрешением, и были более широко использованы в предыдущих исследованиях ПЭТ. Тем не менее, новые атласы функционально и цитоархитектурно более четко определены и теперь могут быть более применимы при визуализации ПЭТ с более высоким разрешением, например, полученной с помощью сканера Siemens Vision. Изображения SUVR для сканирования 15O рассчитаны так, как было описано ранее, и основаны на значениях всего мозга4. Затем CMRGlc и CMRO2 всего мозга рассчитываются с использованием кинетического моделирования, как описано выше, чтобы преобразовать изображения SUVR в абсолютные количественные значения. Исходя из этого, можно рассчитать частичную региональную АГ с поправкой на объем. В то время как наши образцы для визуализации с динамическим излучением не демонстрируют частичной коррекции объема для простоты представления, методы частичной коррекции объема, которые учитывают динамическую визуализацию, в настоящее время активно исследуются.

Обобщаемость и адаптивность протокола
В этом протоколе описываются методологические детали, относящиеся к получению максимально достижимой точности, прецизионности, воспроизводимости и интерпретируемости при измерении метаболизма кислорода и глюкозы с помощью ПЭТ у человека. Наивысшая известная точность и прецизионность измерений принадлежит анализам, основанным на принципах и методах кинетики индикаторов, которые включают прямые измерения входных функций артерий, определение областей интереса путем совместной регистрации со структурной МРТ высокого разрешения, а также весьма требовательное использование вычислительных ресурсов для статистических моделей. В частности, инвазивная канюляция лучевой артерии и ее поддержание в сочетании с серийно повторяющимся эмиссионным сканированием является дорогостоящим и несет ограниченные риски серьезных травм, которые требуют участия клинически опытных бригад. Использование индикаторов на основе 15O является еще одной проблемой для циклотронов и их вспомогательных групп. Они обеспечивают соответствие с исторически зарегистрированными метаболическими измерениями у людей и гарантируют, что интерпретация количественных результатов основана на ранее накопленной информации. Тем не менее, эти детальные и инвазивные меры также предоставляют средства для валидации менее инвазивных, менее требовательных методов, которые могут быть достаточными для решения многих вопросов метаболизма человека. После соответствующей валидации канюляция лучевой артерии может быть надлежащим образом заменена источниками входных функций38 , полученными на основе изображений, для многих специализированных исследований. Избегание канюляции лучевой артерии также исключает прямые измерения первичного продукта метаболизма [15O]O2, а именно [15O]H2O, которые могут быть оценены по образцам лучевой артерии, которые были центрифугированы для оценки метаболизма [15O]H2O из плазмы и [15O]O2 из центрифугированных эритроцитов. Тем не менее, методы, требующие больших вычислительных ресурсов, могут быть использованы для параметрического решения проблемы возникновения метаболического [15O]H2O в артериальном кровообращении, линейная модель которого была предложена Mintun et al15. Многие методологии, использующие SUVR, также могут поддаваться валидации после сравнения с инвазивно полученными данными. В настоящее время активные исследовательские программы направлены на валидацию оценок оксигенации на основе эффекта, зависящего от уровня оксигенации крови, и одновременные измерения с 15О могут обеспечить дальнейшую валидацию39. Кроме того, хотя в этом протоколе упоминаются только примеры без примеров, детальная оптимизация реконструкций изображений из listmode, вероятно, улучшит качество измерений метаболизма. Кроме того, многие специализированные методы, такие как коррекция движений по данным listmode и частичная коррекция объема, могут заслуживать усилий, когда этого требуют вопросы исследования, например, когда случайные участники имеют чрезмерные движения головой или исследования атрофии коры головного мозга смешиваются с частичным усреднением объема спинномозговой жидкостью.

Меры предосторожности при сканировании ПЭТ
Этот протокол подвергает участников воздействию ионизирующего гамма-излучения. Текущие оценки облучения у участников, перенесших описанный здесь сеанс ПЭТ (включая от четырех до шести сканирований 15О и одно сканирование ФДГ), приводят к тому, что средняя общая эффективная доза, включая все введения радиоактивных индикаторов, составляет примерно 7 мЗв (0,7 бэр). Это сопоставимо с дозой облучения других радиоактивных индикаторов, используемых в научных исследованиях и клинической практике, и составляет 14% от общей дозы облучения, допустимой для радиационного работника за один год. Все участники (и/или их законно приемлемый представитель) должны быть проинформированы как в письменной, так и в устной форме о потенциальных рисках облучения до получения их согласия на участие в исследовании.

Предостережения при артериальных катеттерах
Осложнения артериальной канюляции включают синяки (часто), боль, отек, гематому (редко), кровотечение в месте введения, вазоспазм, тромбоз (редко) и реакцию на гепаринизированный физиологический раствор при использовании (очень редко). Мы регулярно прибегаем к услугам интервенционной радиологии для установки артериальных катетеров и лечения любых осложнений в случае их возникновения.

Предостережения при проведении МРТ
Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США требует, чтобы все медицинские устройства, которые попадают в магнитное поле МРТ-сканера, проходили стандартизированное тестирование на безопасность. Если устройство участника помечено как безопасное для MRI, то мы можем продолжить работу с использованием стандартных условий сканирования, одобренных FDA, без дополнительных рисков для участника. Если устройство участника является условным для МРТ, мы проверяем производителя, марку и модель устройства, а затем соответствующим образом корректируем процедуры МРТ. Визуализация также сопряжена с потенциальным риском выявления случайных находок, которые могут повлечь за собой дополнительные риски, такие как беспокойство, финансовые потери от дополнительного обследования и, в редких случаях, осложнения, возникающие в результате последующих клинически показанных инвазивных процедур.

Сводка ограничений
Неизбежные ограничения измерения метаболизма кислорода и глюкозы специфичны для самих радиоактивных индикаторов. 15О-трейсеры имеют короткий период полураспада, что обуславливает многие из наиболее строгих требований этого протокола, включая наличие узкоспециализированных и доступных циклотронных установок. Газообразные O-индикаторы 15усложняют управление газами, такие как удаление просроченных газов24 и специализированные методы коррекции рассеяния. [18Ф]ФДГ заменяет значительные проблемы отслеживания метаболитов в [11С]-индикаторах глюкозы на смешивание с помощью оценок сосредоточенных констант. Этот протокол также имеет ограничения, связанные с ограничивающей геометрией встроенных сканеров ПЭТ-КТ. В то время как положение ноги вперед улучшает проблемы с удержанием, оно может быть несовместимо с использованием устройств нейроэкранирования. Наконец, использование инвазивной канюляции лучевой артерии само по себе является существенным ограничением. Лучевая артерия является прокси для первичного артериального снабжения мозга. Тем не менее, лучевая артерия может иметь несоответствующие характеристики потока от артериальных поставок в мозг. Кроме того, инвазивные и болезненные процедуры изменяют когнитивное состояние участников исследования, ограничивая масштаб и обобщаемость нейровизуализационных исследований, которые могут быть проведены с помощью этого протокола.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Между авторами и содержанием данной статьи не существует никаких конфликтов интересов, финансовых или иных.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы особенно благодарны участникам нашего исследования за их альтруизм. Мы выражаем признательность директорам и сотрудникам Исследовательского центра Neuroimaging Labs, Исследовательского центра болезни Альцгеймера им. Найта, Центра исследований клинической визуализации (CCIR) и циклотронного комплекса Вашингтонского университета за то, что эти исследования стали возможными. Мы выражаем признательность за финансирование исследований NIH R01AG053503, R01AG057536, RF1AG073210, RF1AG074992 и 1S10OD025214, Институтом радиологии Маллинкродта и Фондом Макдоннелла по системной нейронауке при Вашингтонском университете.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
3/16" внешний диаметр 1/8" внутренний диаметр трубка nylaflowТрубка Nylaflow, Zazareth, PA
4 x 4 дюйма марляMcKesson MedSurg16-4242
Аналитические весыFisher Scientific/OHUASPioneer Exal Model 90 мм платформа #PA84
бактериальный/вирусный фильтрHudson RCI, Teleflex, Perak, MalaysiaREF 1605 (IPN042652)
Безыгольный клапан BD SmartSiteBecton Dickinson2000E
Biograph mMRSiemens, Эрланген, Германия
Biograph Vision 600 EdgeSiemens, Эрланген, Германия
Счетчик салфеток CapracMirion Medical (Capintec), Флорхэм Парк, Нью-Джерси;с 1991 года или новееNaI пробуренная скважина кристалл
Coban самоклеящаяся пленка3Мобычно используется в отделениях интенсивной терапии
перевязочные материалы, тегадерм, 4 x 4" 3M Health Care#1626
ECAT EXACT HR+CTI ПЭТ системы, Ноксвилл, Теннесси
Edwards TruWave 3 cc/84 in (210 см) Удлинительный катетер Edwards LifesciencePX284R
длина 48 см, объем праймера 0,642 млBraunV5424
гепарин натрия, раствор 2 Ед/мл, 1,000 млHospira Worldwide#409762059
Внутривенный катетер гибкий 4 x 9 дюймов взрослыйDeRoyalM8125-A
Пикоамперметр KeithleyTekronix
Magnetom Prisma подходитSiemens, Erlangen, Германия3T
адаптер с наружной резьбой и наружной резьбой для клапанов LuerArgon Medical Co.040184000A
Персональная микроцентрифуга MiniSpinEppendorf, Гамбург, ГерманияEP-022620151
Мундштук 15 мм ID, 22 мм ODHudson RCI, Teleflex, Perak, MalaysiaREF 1565 (IPN042595)
MRIdiumIradmed, Winter Springs, FL3860+
Nalgene квадратная ПЭТ-бутылка с крышкой, 650 млThermo Scientific#3420400650для перекрестной калибровки
инфузионного мешка под давлением с колбой, вмещающим 1 000 мл Health Care Logi#10401
лоток для контроля давления полиэтиленовый катетер; 2,5Fr (2,5 см) ангиокат; 0,015" 15 см проволока; игла 22G (2 см) иглаCook MedicalC-P MSY-250, G02854
RDS 11 МэВ циклотронSiemens, Эрланген, Германияпротонная бомбардировка 15N для получения 15O
раствора натрия хлорида внутривенно 0,9%, 1,000 млB. Braun MedicalE8000
стери-стрипы (застежка, реинф кожи LF 1/2x4")McKesson MecSurg#3010
Twilite IISwisstrace, Цюрих, Швейцария
Источник бесперебойного питания резервный аккумулятор и сетевой фильтрAPCBR1500MS2

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Goyal, M. S., Hawrylycz, M., Miller, J. A., Snyder, A. Z., Raichle, M. E. Aerobic glycolysis in the human brain is associated with development and neotenous gene expression. Cell Metabolism. 19 (1), 49-57 (2014).
  2. Magistretti, P. J. Imaging brain aerobic glycolysis as a marker of synaptic plasticity. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (26), 7015-7016 (2016).
  3. Shannon, B. J., et al. Brain aerobic glycolysis and motor adaptation learning. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (26), E3782-E3791 (2016).
  4. Vaishnavi, S. N., et al. Regional aerobic glycolysis in the human brain. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (41), 17757-17762 (2010).
  5. Powers, W. J., Dagogo-Jack, S., Markham, J., Larson, K. B., Dence, C. S. Cerebral transport and metabolism of 1-11C-D-glucose during stepped hypoglycemia. Annals of Neurology. 38 (4), 599-609 (1995).
  6. Locasale, J. W., Cantley, L. C. Metabolic flux and the regulation of mammalian cell growth. Cell Metabolism. 14 (4), 443-451 (2011).
  7. Lunt, S. Y., Vander Heiden, M. G. Aerobic glycolysis: meeting the metabolic requirements of cell proliferation. Annual Review of Cell and Developmental Biology. 27 (1), 441-464 (2011).
  8. Vlassenko, A. G., Raichle, M. E. Brain aerobic glycolysis functions and Alzheimer's disease. Clinical and Translational Imaging. 3 (1), 27-37 (2015).
  9. Goyal, M. S., et al. Loss of brain aerobic glycolysis in normal human aging. Cell Metabolism. 26 (2), 353-360 (2017).
  10. Goyal, M. S., et al. Spatiotemporal relationship between subthreshold amyloid accumulation and aerobic glycolysis in the human brain. Neurobiology of Aging. 96, 165-175 (2020).
  11. Goyal, M. S., et al. Brain aerobic glycolysis and resilience in Alzheimer disease. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 120 (7), 2212256120(2023).
  12. Segarra-Mondejar, M., et al. Synaptic activity-induced glycolysis facilitates membrane lipid provision and neurite outgrowth. EMBO Journal. 37 (9), 97368(2018).
  13. Harris, R. A., et al. Aerobic glycolysis is required for spatial memory acquisition but not memory retrieval in mice. Eneuro. 6 (1), (2019).
  14. Huang, S. C., et al. Noninvasive determination of local cerebral metabolic rate of glucose in man. American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism. 238 (1), E69-E82 (1980).
  15. Mintun, M. A., Raichle, M. E., Martin, W. R. W., Herscovitch, P. Brain oxygen utilization measured with O-15 radiotracers and positron emission tomography. Journal of Nuclear Medicine. 25 (2), 177-187 (1984).
  16. Raichle, M. E., Martin, W. R., Herscovitch, P., Mintun, M. A., Markham, J. Brain blood flow measured with intravenous H2(15)O. II. Implementation and validation. Journal of nuclear medicine. 32 (15), 790-798 (1983).
  17. Martin, W. R. W., Powers, W. J., Raichle, M. E. Cerebral blood volume measured with inhaled C15O and positron emission tomography. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 7 (4), 421-426 (1987).
  18. Hooker, J. M., Carson, R. E. Human positron emission tomography neuroimaging. Annual Review of Biomedical Engineering. 21, 551-581 (2019).
  19. Fan, A. P., et al. Quantification of brain oxygen extraction and metabolism with [(15)O]-gas PET: A technical review in the era of PET/MRI. Neuroimage. 220, 117136(2020).
  20. Oikonen, V. Quantification of metabolic rate of glucose uptake with [18F]FDG. , Available from: http://www.turkupetcentre.net/petanalysis/analysis_18f-fdg.html (2023).
  21. Tisdall, M. D., et al. Volumetric navigators for prospective motion correction and selective reacquisition in neuroanatomical MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 68 (2), 389-399 (2012).
  22. Greve, D. N., et al. Cortical surface-based analysis reduces bias and variance in kinetic modeling of brain PET data. NeuroImage. 92, 225-236 (2014).
  23. Greve, D. N., et al. Different partial volume correction methods lead to different conclusions: An 18F-FDG-PET study of aging. NeuroImage. 132, 334-343 (2016).
  24. Iguchi, S., et al. System evaluation of automated production and inhalation of (15)O-labeled gaseous radiopharmaceuticals for the rapid (15)O-oxygen PET examinations. EJNMMI Physics. 5 (15), 37(2018).
  25. Alf, M. F., et al. Quantification of brain glucose metabolism by 18F-FDG PET with real-time arterial and image-derived input function in mice. Journal of Nuclear Medicine. 54 (1), 132-138 (2013).
  26. Herscovitch, P., Mintun, M. A., Raichle, M. E. Brain oxygen utilization measured with oxygen-15 radiotracers and positron emission tomography: generation of metabolic images. Journal of Nuclear Medicine. 26, 416-417 (1985).
  27. Videen, T. O., Perlmutter, J. S., Herscovitch, P., Raichle, M. E. Brain blood volume, flow, and oxygen utilization Measured with 15O radiotracers and positron emission tomography: revised metabolic computations. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 7 (4), 513-516 (1987).
  28. Lee, J. J., et al. Dynamic susceptibility contrast MRI with localized arterial input functions. Magnetic Resonance in Medicine. 63 (5), 1305-1314 (2010).
  29. Kunnen, B., Beijst, C., Lam, M., Viergever, M. A., de Jong, H. Comparison of the Biograph Vision and Biograph mCT for quantitative (90)Y PET/CT imaging for radioembolisation. EJNMMI Physics. 7 (1), 14(2020).
  30. van Sluis, J., et al. Performance characteristics of the digital Biograph Vision PET/CT system. Journal of Nuclear Medicine. 60 (7), 1031-1036 (2019).
  31. Lodge, M. A., Mhlanga, J. C., Cho, S. Y., Wahl, R. L. Effect of patient arm motion in whole-body PET/CT. Journal of Nuclear Medicine. 52 (12), 1891-1897 (2011).
  32. Prenosil, G. A., et al. Performance characteristics of the Biograph Vision Quadra PET/CT system with a long axial field of view using the NEMA NU 2-2018 Standard. Journal of Nuclear Medicine. 63 (3), 476-484 (2022).
  33. Lee, J. J., et al. Dissociation between hormonal counterregulatory responses and cerebral glucose metabolism during hypoglycemia. Diabetes. 66 (12), 2964-2972 (2017).
  34. Sattarivand, M., Kusano, M., Poon, I., Caldwell, C. Symmetric geometric transfer matrix partial volume correction for PET imaging: principle, validation and robustness. Physics in Medicine and Biology. 57 (21), 7101-7116 (2012).
  35. Desikan, R. S., et al. An automated labeling system for subdividing the human cerebral cortex on MRI scans into gyral based regions of interest. Neuroimage. 31 (3), 968-980 (2006).
  36. Schaefer, A., et al. Local-global parcellation of the human cerebral cortex from intrinsic functional connectivity MRI. Cerebral Cortex. 28 (9), 3095-3114 (2018).
  37. Glasser, M. F., et al. A multi-modal parcellation of human cerebral cortex. Nature. 536 (7615), 171-178 (2016).
  38. Zanotti-Fregonara, P., Chen, K., Liow, J. -S., Fujita, M., Innis, R. B. Image-derived input function for brain PET studies: many challenges and few opportunities. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 31 (10), 1986-1998 (2011).
  39. Rodgers, Z. B., Detre, J. A., Wehrli, F. W. MRI-based methods for quantification of the cerebral metabolic rate of oxygen. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 36 (7), 1165-1185 (2016).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи