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Medicine

Tutto il corpo e quantificazione regionale dell'essere umano attivo marrone tessuto adiposo con 18F-FDG PET/CT

Published: April 1, 2019 doi: 10.3791/58469
Automatic Translation
1, 2, 1, 1, 3, 1, 1, 1, 1
1Diabetes, Endocrinology, and Obesity Branch, National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, National Institutes of Health, 2National Cancer Institute, National Institutes of Health, 3Division of Nuclear Medicine and Molecular Imaging, Department of Radiology, Beth Israel Deaconess Medical Center, Harvard Medical School

Summary

Utilizzando il software gratuito, open-source, abbiamo sviluppato un approccio analitico per quantificare il volume totale e regionale del tessuto adiposo marrone (pipistrello) e l'attività metabolica di pipistrello con 18F-FDG PET/CT.

Abstract

Negli animali endotermici, tessuto adiposo marrone (pipistrello) è attivato per produrre calore per difendere la temperatura corporea in risposta al freddo. Capacità di BAT a spendere energie ha reso un potenziale bersaglio per nuove terapie migliorare l'obesità e disturbi metabolici associati in esseri umani. Anche se questo tessuto è stata ben studiato nei piccoli animali, la capacità termogenica di BAT in esseri umani rimane in gran parte sconosciuta a causa delle difficoltà di misurare il suo volume, attività e la distribuzione. Identificare e quantificare le BAT umano attivo viene comunemente eseguita utilizzando 18F-fluorodesossiglucosio (18F-FDG) tomografia a emissione di positroni ed esplorazioni di tomografia computata (PET/CT) dopo l'attivazione di freddo-esposizione o farmacologico. Qui descriviamo un metodo di analisi di immagini dettagliate per quantificare totale-corpo che umano BAT da 18F-FDG PET/CT esegue la scansione utilizzando un software open-source. Dimostriamo il disegno delle regioni specificate dall'utente di interesse per identificare il tessuto adiposo metabolicamente attivo, evitando comuni tessuti non-BAT, a misura BAT volume e attività e per più ulteriormente caratterizzare la distribuzione anatomica. Anche se questo approccio rigoroso è che richiede tempo, crediamo che in ultima analisi fornirà una base per sviluppare futuri automatizzato BAT quantificazione algoritmi.

Introduction

La crescente prevalenza di obesità nel mondo1 ha richiesto un'indagine sulle nuove terapie per prevenire e migliorare l'obesità e delle complicanze associate. L'obesità è dovuto in parte all'eccesso energia immagazzinata nel tessuto adiposo bianco (WAT) sotto forma di trigliceridi2. Tessuto adiposo bruno (BAT) differisce da WAT in particolare a causa della sua maggiore contenuto mitocondriale, gocce lipidiche più piccoli e multilocular, distribuzione anatomica distinti, maggiore stimolo simpatico e capacità del generatore di calore. Anche se BAT era una volta probabilmente esistono solo in piccoli mammiferi e neonati, la presenza del blocco funzionale è stata confermata nell'uomo adulto nel 20093,4,5. La capacità termogenica di pipistrello umano non è ancora noto, ma ampio studio in piccoli animali ha dimostrato che non tremare termogenesi può costituire fino al 60% del loro metabolismo durante l'esposizione fredda6. Di conseguenza, pipistrello umano ora sta esploranda come bersaglio per il trattamento e la prevenzione di obesità e disordini relativi7. Diversi studi clinici hanno dimostrato che la termogenesi BAT correla con dispendio di energia e l'assorbimento aumentato del glucosio al momento dell'attivazione di lieve esposizione fredda8,9,10. Ancora, contributo di BAT al termogenesi indotta dal freddo rimane controverso11,12,13,14, con molto dibattito centrato intorno come quantificare umano BAT15. Per comprendere meglio se termogenesi BAT può essere sfruttata per combattere l'obesità, è fondamentale per avere una misurazione accurata del suo volume e l'attività metabolica.

Ottenere misurazioni precise di BAT è impegnativo a causa della distribuzione anatomica unica di BAT in esseri umani. BAT è distribuito all'interno i bianchi depositi adiposi in collo, torace e addome in siti che sono inaccessibili a biopsie semplice14. Le autopsie sono state usate per caratterizzare BAT anatomicamente16, ma non fattibile per la maggior parte sono laboratori facendo grandi studi di ricerca e non può fornire informazioni longitudinali o funzionale. Poiché BAT ha una densità simile a WAT e può verificarsi in strati fasciali strette o in piccole tasche intervallati da WAT16, è difficile identificare usando una tecnica di imaging convenzionale, unica. Questa eterogeneità rende anche quantificazione automatica di pipistrello più difficile rispetto alla quantificazione delle strutture omogenee come il fegato17.

Per superare queste sfide, attività e BAT volume comunemente sono quantificati accoppiando la tomografia computata (CT) e tomografia a emissione di positroni (PET). Il glucosio radiomarcato analogico 18F-Fluourodeoxyglucose (18F-FDG) è il tracciante più ampiamente utilizzato per studiare BAT attività metabolica18. Tessuto adiposo può essere differenziato da altri tessuti e aria basato su informazioni di densità fornite dall'immagine di CT in unità di Hounsfield (HU). ANIMALI immagini mostrano la quantità di 18F-FDG assunta in un volume di tessuto in unità di valori standardizzato di assorbimento (SUV). Attiva BAT può essere separato dal tessuto con assorbimento insignificante dell'elemento tracciante, tra cui WAT e BAT inattivi, di co-registrazione delle immagini PET con corrispondente le esplorazioni di CT e scegliendo un'adeguata soglia SUV.

Attraverso questa carta, miriamo a fornire un approccio graduale con un video didattico che può essere utilizzato dai ricercatori clinici per quantificare pipistrello umano con 18F-FDG PET/CT scansioni. Questa tecnica di analisi di immagine viene utilizzata idealmente dopo soggetto è stati esposti al freddo o trattati con farmaci stimolanti BAT. In particolare, dimostriamo agli utenti su come costruire le regioni di interesse (ROI), riducendo al minimo i falsi positivi utilizzando un software gratuito, open-source di elaborazione dell'immagine (ImageJ) con un plug-in specifico (petctviewer.org). Il risultato di questo approccio consente di studiare BAT volume, attività (l'assorbimento del glucosio) e distribuzione anatomica negli oggetti di studio individuale.

Protocol

Tutte le immagini di PET/CT mostrate in questo manoscritto sono state ottenute dai partecipanti nel protocollo n. 12-DK-0097 (ClinicalTrials.gov identifier NCT01568671) di National Institutes of Health. Tutti i partecipanti fornito il consenso informato scritto, e tutti gli esperimenti sono stati approvati dalla Institutional Review Board del Istituto nazionale di diabete e digestivo e malattie renali.

1. installazione del software

  1. Scarica ImageJ da imagej.net o utilizzare il link a petctviewer.org per scaricare Fiji.
    Nota: La versione 64-bit di ImageJ è richiesta per i set con oltre 1000 immagini.
  2. Scaricare e applicare la PET/CT Viewer Plug-in per ImageJ seguendo le istruzioni di installazione su petctviewer.org. Fare riferimento a questo sito Web per una guida completa al visualizzatore di PET/CT e assicuratevi di controllare per aggiornamenti regolari del software e il link per istruzioni generali (http://sourceforge.net/p/bifijiplugins/wiki/Brown%20fat%20Volume/).

2. caricamento delle immagini PET/CT

  1. Caricare i seguenti tre pile di immagini la PET/CT Viewer Plug-in: attenuazione corretta PET (CPet), attenuazione non corretto PET (UPet) e attenuazione corretto CT (CT). Caricare immagini utilizzando uno dei due metodi (Figura 1).
    1. Metodo 1: Drag-and-drop
      1. Drag-and-drop da Esplora file filesets CT, CPet e UPet.
      2. Fare clic su "Sì" sulle tre istruzioni visualizzate (aperto tutte le X immagini nella "cartella" come una pila), lasciando le caselle di controllo all'interno del prompt deselezionata.
      3. Quando vengono caricati tutti gli insiemi di tre immagini, vai alla barra di ImageJ, selezionare "plug-in" e scorrere verso il basso il menu a discesa per selezionare "Visualizzatore di Pet-ct".
    2. Metodo 2: Studi di lettura dal CD o percorso su disco:
      1. Assegnare un nome di località per il set di dati nella scheda "Setup" Assign un "percorso DICOM" facendo clic su "Sfoglia" e navigando per una cartella di archiviazione ad alto livello che contiene tutti i set di immagine.
        Nota: DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) è un formato di file comunemente utilizzato per immagini mediche e il "percorso DICOM" si intende l'insieme di cartelle che contiene tutte le immagini DICOM raw.
      2. Tornare alla scheda di "Lettura" dove scansioni individuali (da un unico soggetto e una data) diventerà selezionabile per elaborazione di immagini.
      3. Selezionare l'oggetto, premere "Leggi" e ImageJ automaticamente caricherà tutti i tre insiemi associati e avviare il Visualizzatore di PET/CT.
  2. Caricare un set precedentemente fatto di ROIs indietro nel Visualizzatore PET/CT facendo clic sul pulsante "caricare" l'editor di "grasso marrone, ROIs".
    Nota: ImageJ consente solo un file con estensione CSV ROI creato dall'insieme corrente di immagini CT, CPET e UPET da caricare.

3. navigazione all'interno del Visualizzatore di PET/CT plug-in

  1. Attendere che il Visualizzatore di PET/CT a comparire dopo il caricamento di una nuova finestra con tre visualizzazioni separate delle immagini PET/CT, ha presentato la singolarmente o fuse.
    1. Fare clic sul pulsante "MIP" nella parte superiore sinistra del visore PET/CT per sostituire una delle altre due finestre con una vista di PET/CT fusa. Tuttavia, se questo pulsante viene selezionato solo una volta, il MIP non sarà disponibile.
      Nota: Il MIP o intensità massima proiezione è un'immagine bidimensionale, completa del corpo visualizzando solo i pixel con intensità più elevata in ogni sezione assiale.
    2. Fare clic sul pulsante "MIP" nuovamente per riportare il MIP; ora vista la PET/CT, CT e MIP fuso dovrebbe essere disponibile.
  2. Cambiare l'orientamento dell'immagine MIP con la ">>", "F" e "S" pulsanti nella parte superiore del Visualizzatore PET-CT.
  3. Modificare l'orientamento del fuse immagini di PET/CT, PET e CT a piani assiale, coronale e sagittale usando i tre pulsanti a sinistra della lente di ingrandimento.
  4. Clicca sulla lente di ingrandimento sulla barra degli strumenti nella parte superiore del Visualizzatore PET-CT per attivare la funzione della rotella di scorrimento del mouse.
    1. Zoomare su tutte le visualizzazioni (tranne il MIP) scorrendo con la lente di ingrandimento selezionato.
    2. Navigare attraverso fette su tutte le visualizzazioni (tranne il MIP) mediante lo scorrimento quando la lente di ingrandimento non è selezionata.
      Nota: Cliccando sul MIP cambierà anche le fette di PET e CT nella posizione anatomica a livello del cursore.
  5. Selezionare "Modifica" in alto a sinistra della barra degli strumenti e selezionare "Grasso marrone, ROIs" dal menu a tendina che appare. Apparirà una finestra di dialogo nuovo. Assicurarsi che siano selezionate le opzioni seguenti prima di iniziare la quantificazione:
    1. Selezionare le caselle di controllo "Uso SUV" e "Uso CT".
    2. Selezionare uno dei tre criteri di inclusione voxel ("qualsiasi", "Media" o "Tutti").
      Nota: "Qualsiasi" è stato utilizzato in Leitner et al 201719. Per una spiegazione dettagliata di altre opzioni, fare riferimento a petctviewer.org.
    3. Selezionare "Interior" di applicare l'algoritmo di rilevamento di pipistrello per esaminare i voxel all'interno (anziché all'esterno) della zona del ROI.
  6. Ingresso limiti SUV per BAT nella prima riga dei campi di testo libero di questa finestra di dialogo.
    1. Ingresso un limite inferiore di SUV normalizzato per l'individuo misurato o previsto magra massa corporea e un limite superiore sufficiente ad accogliere attività alti livelli19,20.
      Nota: BAT massima SUV alto come ~ 75 g/mL sono state segnalate in precedenti studi17; così, 100 g/mL è un ragionevole limite superiore.
  7. La gamma di densità BAT nella seconda riga di testo libero campi di input.
    Nota: Un limite inferiore di HU-300 e -10 HU limite superiore sono stati utilizzati in Leitner et al 201719 e un range da -190 a-10 HU è stato anche precedentemente consigliato21.
  8. Si trova sotto la casella "Vol * significa" affinché tutti i voxels ritenuto essere BAT saranno evidenziati in blu mentre è aperta la finestra "marrone grasso, ROI".
    Nota: Il SUVmax appariranno in rosso e il numero regolabile accanto a questa casella di controllo determina lo spessore dell'evidenziazione.
  9. Disegnare il ROIs
    1. Fare clic sul pulsante "Draw" in "grasso bruno, ROI" nella finestra di dialogo. Tutti i clic effettuati all'interno della finestra del Visualizzatore di PET/CT saranno considerati punti che compongono ROIs.
      1. Fare clic in un punto qualsiasi all'interno di una delle tre viste per iniziare a disegnare un ROI.
        Nota: Un minimo di tre punti è necessaria per formare un ROI. Fare doppio clic su dopo il primo o secondo punto per eliminare i punti e lasciare ROI modalità disegno automaticamente.
      2. Chiudere e conservare il ROI facendo doppio clic dopo la definizione di più di due punti.
  10. Compilazione di ROIs per ottenere il volume totale di BAT
    1. Disegnare ROIs nel piano assiale per ottenere il volume totale di BAT.
      Nota: È più facile avere un massimo di un ROI per fetta assiale. Tra cui più di un ROI per fetta può condurre alla sovrapposizione accidentale. Voxel identificato come BAT nelle regioni di sovrapposizione sarebbe quindi conteggiate più di una volta per volume totale di BAT.
    2. Impostare inizio e fine "angolo limite" per la stessa fetta, in modo che il ROI si applicherà solo per la sezione assiale corrente (per esempio a partire fetta = 90 e termina fetta = 90).
    3. Un deposito di BAT (ad es. nella regione supraclavicular di sinistra) del cerchio senza completare il ROI. Continuare il ROI estendendo una linea di connessione attraverso il corpo al segmento distante di BAT. Racchiudere il secondo deposito BAT e fare doppio clic sul punto identificato in precedenza all'inizio della regione 2nd . Regolare i punti di ROI come necessario ridurre ulteriormente la possibilità di falsi positivi.
    4. Etichetta che il ROI basato sul livello anatomico per riferimento futuro utilizzando la casella di testo nella parte inferiore sinistra della finestra di dialogo.
  11. L'eliminazione di ROIs indesiderati
    1. Rimuovere un ROI indesiderato subito dopo completamento.
      1. Fare doppio clic in un punto qualsiasi all'interno del Visualizzatore di PET/CT per completare il ROI indesiderato.
      2. Fare clic sul pulsante con l'icona di riciclaggio bin nella finestra di dialogo "grasso marrone, ROI".
      3. Fare clic su "Sì" quando viene richiesto o meno l'utente desidera rimuovere il ROI corrente.
    2. Elimina un ROI fatti in precedenza.
      1. Selezionare il ROI desiderato utilizzando la freccia su o giù le frecce accanto al numero del ROI.
      2. Fare clic sul pulsante di riciclaggio.
        Nota: Una volta che il ROI è stato eliminato, i numeri associati a ogni ROI maggiore la volontà ROI eliminata di conseguenza spostano verso il basso nell'ordine (ad es. se viene eliminato il ROI n. 2, ROI #3 diventerà #2 e ROI #4 diventerà #3 e così via). Con etichetta ROIs rendere questo processo più facile.
  12. ROIs di risparmio
    1. Fare clic sul pulsante "Salva" e fornire un nome di file per salvare ROIs compilato in un file CSV.
      Nota: È consigliabile che ROIs salvare in intervalli di 10 fette in modo che il progresso non è perso. I file CSV possono essere aperti in un programma di foglio di calcolo o editor di testo e contiene tutti i dati rilevanti su BAT identificati in ogni ROI quali il volume, attività, SUVmean, ecc modificare valori in un foglio di calcolo possono alterare il formato di file e renderlo illeggibile in ImageJ.

4. quantificazione del corpo intero BAT

  1. Utilizzare queste linee guida generali per identificare BAT in tutte le regioni del corpo.
    1. Evitare tratti di confinante con tessuto con alta densità o attività contrasti, come minuti problemi di co-registrazione possono introdurre falsi positivi.
      Nota: Tenere presente che i depositi di BAT sono spesso simmetriche, una proprietà che sarà di aiuto nella identificazione di BAT visiva.
  2. Utilizzare unici reperi anatomici quali forma vertebrale, altre strutture ossee e la presenza di organi per identificare l'attuale regione anatomica. Evitare le strutture regione-specifico conosciuti per produrre falsi positivi.
    1. Identificare BAT nella regione cervicale (vertebre C3-C7).
      1. Passare alla visualizzazione assiale alla terza vertebra cervicale (C3).
        Nota: C1-C2 regioni possono contenere anche BAT, ma rilevazione BAT rischia di essere confuso da alto assorbimento di FDG in cervello e muscolo scheletrico.
      2. Iniziare il ROI sulla parte laterale del deposito del tessuto adiposo, evitando i muscoli del collo intorno al processo spinous della vertebra e creando un bordo appena posteriormente al bordo inferiore della mandibola.
      3. Escludere la tiroide, che può avere simili densità e livello di attività come BAT (Figura 2A e 2B).
    2. Identificare BAT nella regione dorsocervicale (vertebre C5-C7).
      1. Includere questo deposito sottocutaneo, piccolo di pipistrello.
        Nota: Sembra simmetricamente entro il grasso sottocutaneo della parte posteriore vicino a C5-C7, Figura 2B.
      2. Con attenzione includono solo dove si verifica attività metabolica del tessuto adiposo sottocutaneo.
    3. Identificare BAT nella regione sovraclaveare (vertebre C7-T3; Anteriore della colonna vertebrale, posteriormente al mediastino)
      1. Iniziare a disegnare il lato di un ROI più superficiale, vicino alla regione BAT altamente attiva.
        Nota: BAT possono estendere alla zona intorno alla testa dell'omero.
      2. Evitare l'area direttamente sopra la trachea, che contiene la tiroide, e racchiudere il ROI, in modo che falsi positivi vicino i muscoli del collo e polmoni sono esclusi.
    4. Identificare BAT nella regione ascellare (vertebre T3-T7).
      1. Trovare BAT ascellare come una progressione dalla regione supraclavicular.
      2. Seleziona BAT vicino a dove il braccio comincia a separare dal torso, ma evitare le costole e i polmoni.
        Nota: Alla fine transizione questi depositi di grasso sottocutaneo WAT sulla linea medioascellare.
    5. Identificare BAT nella regione mediastinica (vertebre T1-T7; Anteriore):
      Nota: BAT possono accumularsi attorno la totalità dello sterno per alcuni individui.
      1. Selezionare BAT dove lo sterno comincia ad apparire all'inizio del T2 vicino alla regione anteriore-la maggior parte della cavità toracica dell'individuo e continuare ROIs inferiorly fino alla fine del processo xifoideo.
    6. Identificare BAT nella regione di paraspinal (vertebre T1-T12), disegnando ROIs intorno BAT che circonda il corpo, non il processo spinous, della vertebra.
      1. Iniziare tra cui paraspinal BAT dalla comparsa della prima nervatura al bordo più basso del C7.
      2. Non includere spazi tra le costole, dove sono localizzati i muscoli intercostali.
    7. Identificare BAT nella regione addominale (inferiore a T12).
      1. Evitare gli ureteri, che hanno una densità simile a pipistrello e livelli di attività molto elevata. (Figura 2D).
      2. Traccia attiva grasso direttamente che circonda i reni, fino a quando l'attività metabolica non è più presente.
      3. Regolare ROIs addominale all'interno di questa regione per escludere gli ureteri se i voxel SUVmax appare dentro o vicino la porzione mediale dei reni.

5. garanzia della qualità

  1. Esaminare il MIP per eventuali falsi positivi evidenti dopo ROIs sono stati disegnati in tutte le sezioni assiali misurate da vertebre C3 a intorno a L3-4.
  2. Assicurarsi che i voxel SUVmax rosso sia in una regione che contiene BAT, invece di strutture come gli ureteri, che visualizzano i valori di densità simile a pipistrello e valori molto alti di SUV.
  3. Salvare il file CSV finale quando certi che tutti i BAT è stato identificato e tutti i falsi positivi sono stati esclusi.

6. segmentazione BAT in singoli depositi

Nota: La seguente sezione si concentra solo sulla quantificazione depositi regionali di BAT17. I passaggi non sono necessari per ottenere attività e volume di pipistrello di tutto il corpo.

  1. Generare una maschera pipistrello nell'editor "marrone grasso, ROI" (Figura 1).
    Nota: La maschera è definita come una rigenerata PET immagine contenente solo SUV i valori per voxel confermato come BAT entro il ROIs creato durante i passaggi precedenti del presente protocollo. Il valore SUV per tutte le altre voxel è impostato su 0.
    1. Tenere aperto con BAT identificati tutti i Viewer di PET/CT o riaprire PET/CT Viewer dal menu a discesa "Plug-in" e caricare ROIs precedentemente salvato.
      1. Aprire i tre insiemi di scansione del soggetto.
      2. Aperto il "grasso marrone, ROI" nella finestra di dialogo.
    2. Selezionare la scheda "maschera" e premere "Fare animale mascherato".
    3. Attendere un ulteriore box di pop-up, con il nome del file che inizia con "DUP_..."
    4. Chiudere il Visualizzatore di PET/CT, ma lasciare che aperte le singole caselle (con le esplorazioni di CT e PET) e poi ri-aprire una nuova finestra di Visualizzatore di PET/CT.
    5. Selezionare le seguenti tre caselle di controllo nella finestra di dialogo che appare: il set di CT, UPET set e le ultime CPET impostato (cioè, il CPET impostare più vicina alla fine dell'elenco) - questo è il file contenente la maschera generata in precedenza.
    6. Modificare la visualizzazione delle immagini PET/CT a sagittale e iniziare a disegnare tutte le ROIs per inizio delle analisi di tutta la regione presso la stessa fetta sagittale.
      Nota: L'orientamento dell'immagine MIP non cambierà. Inoltre, la fetta più centrale (cioè, lungo il centro della colonna vertebrale) è una buona posizione di partenza.
    7. Fetta di cambiamento limita alla gamma da 1 fetta all'ultima fetta nella scansione analizzata.
    8. Deseleziona la soglia di densità (HU) e modificare il limite inferiore della soglia PET (SUV) a 0.01 SUV per escludere qualsiasi non-BAT voxel, che ora hanno un valore SUV di 0. La casella sopra il pulsante "Disegnare avanti".
      1. Regioni di etichetta digitare l'etichetta desiderata (ad esempio "cervicale", "supraclavicular", ecc.) nel campo di testo nella parte inferiore sinistra della finestra di dialogo "grasso marrone, ROI".
  2. Draw ed etichetta il ROI cervicale (Figura 3a) partire dalla cima di C3 ed estendendo il ROI a C7, tracciando una linea sotto il corpo del C7 prima di chiudere il ROI.
  3. Draw ed etichetta supraclavicular ROI (Figura 3b).
    1. Iniziare a C7, ma non includono il corpo delle vertebre toraciche estendendo il ROI al T3, quindi estendere il bordo sinistro del ROI alla parte superiore del manubrio dello sterno.
    2. Allineare il bordo destro del ROI con il bordo anteriore del corpo delle vertebre toraciche incluso all'interno di questa regione.
  4. Disegnare ed etichettare il ROI ascellare (Figura 3C).
    1. Iniziare a T3, ma non includono il corpo delle vertebre toraciche estendendo il ROI a T7, quindi estendere il bordo sinistro del ROI a corto il corpo dello sterno.
    2. Linea del bordo destro del ROI con il bordo anteriore del corpo delle vertebre toraciche incluso all'interno di questa regione.
  5. Disegnare ed etichettare il ROI mediastinico (figura 3d) inglobando l'intero sterno all'interno di un singolo ROI.
  6. Disegnare ed etichettare il Paraspinal ROI (Figura 3e) cominciando a T1, comprese tutte le vertebre toraciche (fino a T12) entro il ROI.
    1. Linea del bordo sinistro del ROI con il bordo anteriore del corpo delle vertebre toraciche.
      Estendere il bordo destro del ROI in modo che tutti i BAT nella regione è incluso.
  7. Disegnare ed etichettare il ROI addominale (Figura 3f) di inizio nella parte superiore di L1 e includere qualsiasi BAT non rappresentata in una qualsiasi delle altre regioni precedente entro il ROI addominale.
  8. Draw ed etichetta dorsocervicale ROI (Figura 3 g).
    1. Includono la regione di grasso sottocutaneo dorsale vicino alla cervicale e superiore della regione di paraspinal; Questo è dove il corpo del soggetto ha fatto contatto con il piano di scansione.
  9. Spuntare "Mostra tutto" per visualizzare il ROIs di tutte le regioni di allineare tutte le ROIs per evitare sovrapposizioni o sottovalutazione.
    1. Posizione il perimetro del ROIs adiacente a filo con a vicenda, così che nessun pipistrello è incluso in due regioni, e che nessun pipistrello manca da tutte le regioni.
    2. Osservare il MIP da entrambe le viste frontali e laterali per controllare se tutte le sezioni vengono inserite nelle regioni delineate. Verificare i limiti di fetta se ci sono zone che non sono evidenziate in blu (punto 6.2.2).
  10. Salvare i dati finali in un nuovo file con estensione CSV. Questo file conterrà i totali regionali o medie per tutti i parametri BAT da ogni deposito identificato.

Representative Results

BAT è quantificato attraverso una serie di fasi di elaborazione di post-acquisizione dell'immagine come mostrato in Figura 1. PET e CT soglie vengono utilizzate per identificare i voxel che sono metabolicamente attivi e hanno la densità del tessuto adiposo. Tuttavia, alcuni voxel conformi a questi criteri possono verificarsi in sedi anatomiche non potrebbero contenere BAT. Per evitare questi falsi positivi, PET, CT e informazioni anatomiche devono tutti essere considerati quando disegno ROIs (Figura 2). Diverse regioni comuni includono ed evitare nel quantificare tutto il corpo BAT in soggetti freddo-stimolata sono illustrate nella Figura 2, come BAT cervicale metabolicamente attivo vs ghiandole salivarie, corde vocali e della tiroide (Figura 2A e 2B); supraclavicular BAT vs brividi muscolo vicino confini dell'aria e tessuto solido (es. muscoli intercostali) (Figura 2); e addominale BAT vs i calici dei reni come hanno chiaramente etichettati glucosio (Figura 2D). Dopo il ROI di ogni sezione assiale vengono compilato, depositi di BAT possono essere segmentate nel piano sagittale per esaminare intra- / differenze inter-individuali nella attivazione di BAT regionale (Figura 3).

Figure 1
Figura 1. Flusso schematico i passaggi di elaborazione immagine. In primo luogo, immagini PET e corrispondenti immagini di CT sono caricate la PET/CT plug-in (A). Dopo ROIs assiale sono disegnati su ogni fetta di PET/CT (B), ogni voxel soddisfano criteri CT e PET sono identificate nel blu (C). Una maschera viene generata da questi voxels BAT-identificato (D), che viene sostituita per l'esplorazione dell'animale domestico corretto originale (E), e depositi sono segmentati nella vista sagittale (F). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2. Selezione dell'area di interesse assiale BAT e spazi comuni per evitare in più depositi di BAT. Fette assiali da un'immagine di PET/CT fusa (colonne 1 e 2) e un'immagine di proiezione di massima intensità (MIP, colonna 3) con linee verdi per indicare altezza fetta da una scansione conquistata con freddo-stimolazione. ROIs verde sono drawnaround zone con densità del tessuto adiposo, alto assorbimento di FDG e localizzazioni anatomiche potrebbero contenere BAT attivo nelle colonne 1 e 2. Aree anatomiche probabilmente non contengono BAT sono evidenziati in rosso nella colonna 2. Voxel soddisfano i criteri di BAT PET e CT sono confermati da ImageJ ed evidenziate in blu. Esempi sono presi dal deposito cervicale (A) anteriore, (B) cervicale depot a livello della tiroide, deposito (C) Supraclavicular/ascellare nei pressi di brividi del muscolo scheletrico (cioè, intercostali) e (D) il deposito addominale a livello degli ureteri di i reni. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3. Segmentazione regionale dei sette depositi BAT nella vista sagittale. Dopo la generazione di un'immagine di "BAT maschera" contenente solo PET voxel precedentemente identificati come BAT attivo, le seguenti regioni possono essere separate con ROIs disegnata nel piano sagittale: (A) cervicale (C3-C7), (B) Supraclavicular (C7-T3, escluse le vertebre), (C ) Ascellare (T3-T7, escluse le vertebre), (D) mediastiniche (mediastino anteriore), (E) di Paraspinal (T1-T12, dal bordo anteriore delle vertebre ai processi spinous), (F) addominale (T12-L3, retroperitoneale) e dorsocervicale (G) (deposito grasso distinto e posteriore per il deposito di paraspinal; nei pressi della regione cervicale). L'immagine composita con tutte le regioni appare in (H). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Dalla conferma del blocco funzionale nell'uomo adulto, c'è stato grande interesse nella comprensione del ruolo di pipistrello in fisiologia umana. Tuttavia, perché questo tessuto termogenico è trovato spesso in stretta aerei fascial, intercalati all'interno di grasso bianco e altri organi circostanti, è difficile da quantificare. Nel 2016, un documento di consenso è stato pubblicato da un gruppo di esperti internazionale BAT con consigli per la segnalazione di rilevanti caratteristiche partecipante, criteri per la preparazione del soggetto e un protocollo per l'acquisizione di immagini PET/CT21. Il pannello anche individuato la necessità di maggiore coerenza nell'elaborazione di PET/CT per la quantificazione di BAT, notando che i metodi per identificare BAT hanno variato ampiamente e, nella maggior parte dei casi, viene fornita solo limitato dettaglio della procedura di quantificazione di BAT. Di conseguenza, mentre i rapporti di all'interno di studio di riproducibilità sono alta22,23,24, sensibilmente diverse BAT volume e attività è stato segnalato da gruppi utilizzando metodi di quantificazione diversi, anche quando i partecipanti sono di simile età, il sesso e BMI25,26. Queste incongruenze rendono difficile confrontare i risultati e hanno condotto ad una polemica sopra la quantità di BAT nell'adulto umano15.

Un limite intrinseco di elaborazione di immagini PET/CT è l'inclusione di voxel che soddisfano criteri sia in PET che in CT, ma sono in sedi anatomiche che corrispondono a strutture diverse da pipistrello. Perfetto co-registrazione di immagini PET e CT è quasi impossibile a causa delle differenze in movimento ad alta risoluzione e soggetto durante le scansioni. Di conseguenza, strutture confinanti con aria o osso e regioni di assorbimento dell'elemento tracciante alta sono spesso erroneamente identificati come BAT attivo. Per limitare l'inclusione di falsi positivi voxel, uno dovrebbe applicare criteri PET e CT solo all'interno di ROIs che gli utenti creare. Ma attuali approcci per quantificare BAT con analisi automatizzate o ROIs specificato dall'utente differiscono nella quantità di coinvolgimento dell'utente e la conoscenza che essi richiedono. Abbiamo dimostrato che utilizzando un singolo, bidimensionale coronale definito che Roi applicato per l'intero stack di immagini può essere più inclini a cui falsi positivi aree19. Parecchi gruppi hanno sviluppato metodi automatizzati per quantificare BAT che sono capaci di elaborare rapidamente grandi set di dati senza molto l'input dell'utente. Tuttavia, questi metodi non riescono neanche a includono tutte le potenziali aree di BAT-contenente, particolarmente nell'inferiore corpo27, o sostenere relativamente alti tassi di falsi positivi28 e falsi negativi26. Poiché il volume di pipistrello umano è generalmente bassa (< 600 mL, o < 2% del totale della massa del corpo), piccoli errori assoluti nella quantificazione possono portare a grandi differenze relative.

L'approccio più rigoroso descritto da questo studio di disegno ROIs su ogni fetta di PET-CT assiale consente il rilevamento di BAT in strette strati fasciali fornendo al contempo maggiore fiducia che falsi positivi sono stati esclusi. Questo produce una quantificazione dettagliata in ogni individial, piuttosto che una valutazione binaria di BAT della presenza o assenza29. Di conseguenza, può essere più adatto per gli esperimenti controllati in campioni di piccole dimensioni con l'intenzione di studiare la fisiologia BAT e/o effetti da interventi. Inoltre, la possibilità di definire depositi di regione-specific BAT può fornire ulteriori approfondimenti di BAT rilevanza funzionale e origine inerente allo sviluppo. Crediamo che queste misure quantitative sono importanti non solo per il confronto attraverso il campo, ma anche al contributo della migliore stima BAT al metabolismo energetico e termoregolazione in esseri umani adulti.

Diverse caratteristiche anatomiche di pipistrello aiuterà gli utenti del nostro inserimento di limite di metodo di falso positivo voxel. BAT si trova in genere negli strati fasciali continui e simmetriche. Così, mentre disegno e un ROI di raffinazione, esaminando le fette assiali superiori ed inferiori per la continuità e la simmetria del tessuto adiposo selezionato consente agli utenti di massimizzare l'inclusione del tessuto adiposo riducendo al minimo l'inclusione del muscolo scheletrico, l'osso ed altro strutture non-BAT ovvie. Attiva BAT è anche raramente presente in depositi adiposi sottocutanei, quindi consigliamo agli utenti di evitare queste aree durante la costruzione di ROIs. Come indicato nel protocollo, BAT è distribuito in diverse regioni anatomiche distinte, tra cui la cervicale, dorsocervicale, supraclavicular, ascellari, mediastinici, paraspinal e depositi addominale. Questi depositi sono distribuiti in modo che uno assiale affettare maggio contenere più di BAT da depositi multipli. Per esempio, una sezione assiale nella regione toracica può contenere BAT dal depot mediastinico (prossimale e anteriore), deposito di paraspinal (prossimale e posteriore, lungo la colonna vertebrale) e ascellare depot (laterale e vicino alla linea di metà-antero-posteriore). Conoscenza di questi depositi possa aiutare gli utenti a creare ROIs nelle varie regioni del corpo, poiché si presentano posizioni pre-descritti sono in gran parte contigue, come descritto nel nostro protocollo. Tuttavia, perché invitiamo gli utenti a disegnare solo un ROI per fetta per evitare sovrapposizione ROI, i passaggi aggiuntivi di generare una maschera BAT e disegno sagittale ROIs è necessaria per separare i voxel BAT precedentemente identificati in depositi regionali distinti se informazioni di distribuzione BAT sono desiderati, cioè, che separa mediastinico, paraspinal e ascellare BAT rilevato nello stesso ROI assiale in depositi basato su posizione sagittale (Figura 3).

Il software del Visualizzatore di PET/CT è utilizzabile anche per quantificare l'attività di tessuti diversi da pipistrello, per esempio brividi del muscolo scheletrico, che svolge anche importanti un freddo di ruolo indotta termogenesi19, o varie aree del cervello o del fegato che sono state suggerito come tessuti di riferimento per la PET/CT analisi21. Tuttavia, questi tessuti avranno densità e distribuzioni anatomiche che differiscono da BAT e sono fuori il focus del nostro protocollo corrente. Indirizziamo i lettori per il documento di consenso per maggiori dettagli su questi soggetti21. Infine, vi consigliamo di tutti gli utenti continuamente aggiornare ImageJ e visitare petctviewer.org per plug-in aggiornamenti e assistenza software.

Anche se noi crediamo che questo rigoroso metodo è più preciso di metodi automatizzati26,28 e metodi che utilizzano un ROI semplificato, unico per la stima totale BAT volume9,30, non è senza limitazioni. Non esiste un metodo ideale per quantificare non invadente BAT in esseri umani, e 18F-FDG rappresenta solo l'assorbimento del glucosio, che non è la stessa come glucosio metabolismo11. Tuttavia, anche se altri traccianti radioattivi sono stati usati31,32,33, 18F-FDG è il tracciante più importante usato per studiare umano BAT. Così, lo sviluppo di metodi standardizzati per analizzare le immagini 18F-FDG PET/CT continuerà ad essere incisivo nello studio della fisiologia umana BAT per il prossimo futuro.

Il metodo che proponiamo, creando un ROI su ogni fetta assiale BAT-contenente, evitando aree problematiche comuni, è laborioso e richiede all'utente di avere una certa conoscenza dell'anatomia sottostante. È anche possibile che la rigorosa selezione di ROI può introdurre falsi negativi, poiché alcuni depositi contenenti BAT possono essere evitati. ROIs di disegno su ogni fetta assiale dell'immagine PET/CT fuso consente un'attenta discriminazione tra tessuto adiposo e vicini tessuti metabolicamente attivi e/o regioni interessate dalla fuoriuscita di sopra e di effetti di volume parziale34. Tuttavia, il tempo che necessario per completare l'analisi di una singola scansione possa variare da tre a otto ore, con la possibilità di abbreviare il periodo di tempo con la pratica e l'esperienza. Apprendimento automatico vari approcci possono essere in grado di ridurre il lavoro e le competenze necessarie per eseguire questa operazione. Tuttavia, la creazione di un metodo più automatico che può rilevare con precisione il pipistrello ed è robusto a falsi positivi creati da limitazioni correnti di formazione immagine richiederà un dataset di grandi dimensioni con gli individui del corpo varia composizione e distribuzione di BAT. Ci auguriamo che questo metodo può essere utilizzato per produrre un dettagliato Atlante di pipistrello che può servire come modello per approcci più sofisticati di grandi quantità di dati.

In conclusione, abbiamo dimostrato un approccio di analisi dettagliate immagini per quantificare il volume di tessuto adiposo marrone umano, attività e distribuzione utilizzando scansioni di FDG PET/CT indotta dal freddo. I passaggi critici includono 1) continuamente e in modo sequenziale analizzando assiale ROIs e 2) valutare i depositi di BAT pertinenti per la loro posizione anatomica, evitando altri tessuti metabolicamente attivi. Questo approccio di rigorosa quantificazione può essere utilizzato dai ricercatori nel campo per studiare la fisiologia BAT e servire come riferimento standard per sviluppare automatizzato umano BAT quantificazione approcci in futuro.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Vorremmo ringraziare tutti i volontari di studio, di professione d'infermiera e personale clinico e i dietologi del centro clinico di NIH per la loro partecipazione nei nostri studi di esposizione al freddo e cure prestate durante la degenza soggiorni. Vorremmo anche ringraziare il Dr. Bill Dieckmann per tutti della sua assistenza con l'acquisizione e la distribuzione delle immagini PET-CT per i nostri studi. Questo lavoro è stato supportato dal programma di ricerca intramurale del Istituto nazionale di diabete e digestivo e rene malattie sovvenzioni Z01 DK071014 (per denarrau) e DK075116-02 (a A.M.C.).

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