Quantitative [¹⁸F]-Naf-PET-MRI-Analyse zur Bewertung des dynamischen Knochenumsatzes bei Patienten mit facetogenen Rückenschmerzen

Summary

Bildgebende Verfahren, die den dynamischen Knochenumsatz widerspiegeln, können bei der Charakterisierung einer Vielzahl von Knochenpathologien helfen. Wir präsentieren detaillierte Methoden zur Durchführung und Analyse dynamischer [¹⁸F]-NaF-PET-MRT-Daten bei Patienten mit facetogenen Rückenschmerzen unter Verwendung der Lendenfacetgelenke als prototypische Interessensregion.

Abstract

Bildgebende Verfahren, die den dynamischen Knochenumsatz widerspiegeln, können bei der Charakterisierung einer Vielzahl von Knochenpathologien helfen. Knochen ist ein dynamisches Gewebe, das sich kontinuierlich umgestaltet, mit der konkurrierenden Aktivität von Osteoblasten, die die neue Knochenmatrix produzieren, und Osteoklasten, deren Funktion darin besteht, mineralisierte Knochen zu beseitigen. [¹⁸F]-NaF ist ein Pet-Radiotracer (Positronemission Tomography), der die Visualisierung des Knochenstoffwechsels ermöglicht. [¹⁸F]-NaF wird in der Knochenmatrix durch Osteoblasten chemisch in Hydroxyapatit aufgenommen und kann somit nichtinvasiv osteoblastische Aktivität erkennen, die bei herkömmlichen bildgebenden Verfahren okkult ist. Die kinetische Modellierung dynamischer [¹⁸F]-NaF-PET-Daten liefert detaillierte quantitative Messgrößen für den Knochenstoffwechsel. Herkömmliche semiquantitative PET-Daten, die standardisierte Aufnahmewerte (SUVs) als Maß für die Radiotracer-Aktivität verwenden, werden aufgrund ihrer Momentaufnahme der Traceraufnahme in der Zeit als statische Technik bezeichnet.  Die kinetische Modellierung nutzt jedoch dynamische Bilddaten, bei denen Tracerebenen kontinuierlich erfasst werden, um eine zeitliche Auflösung der Traceraufnahme zu bieten. Aus der kinetischen Modellierung dynamischer Daten können quantitative Werte wie Blutfluss und Stoffwechselrate (d.h. potenziell informative Metriken der Tracerdynamik) extrahiert werden, alles in Bezug auf die gemessene Aktivität in den Bilddaten. In Kombination mit der dualen Modalität PET-MRT können regionsspezifische kinetische Daten mit anatomisch registrierten hochauflösenden strukturellen und pathologischen Informationen korreliert werden, die durch MRT zur Seite gelegt werden. Das Ziel dieses methodischen Manuskripts ist es, detaillierte Techniken zur Durchführung und Analyse dynamischer [¹⁸F]-NaF-PET-MRT-Daten zu skizzieren. Das Lendengelenk ist ein häufiger Ort der degenerativen Arthritis-Krankheit und eine häufige Ursache für axiale Rückenschmerzen.  Neuere Studien deuten darauf hin, dass [¹⁸F]-NaF-PET als nützlicher Biomarker für schmerzhafte facetogene Krankheiten dienen kann.  Das menschliche Lendengelenk wird daher als prototypische Interessensregion für die dynamische [¹⁸F]-NaF-PET-MRI-Analyse in diesem Manuskript verwendet.

Introduction

Standard-klinische bildgebende Verfahren der Knochenpathologie beschränken sich in erster Linie auf die Charakterisierung struktureller Veränderungen, die unspezifisch sein können. Zum Beispiel können asymptomatische morphologische Anomalien im Zusammenhang mit der normalen Alterung nicht von degenerativen Veränderungen zu unterscheiden sein, die für starke Schmerzen und Behinderung verantwortlich sind¹. Knochen ist ein dynamisches Gewebe, das sich kontinuierlich umgestaltet, mit der konkurrierenden Aktivität von Osteoblasten, die die neue Knochenmatrix produzieren, und Osteoklasten, deren Funktion darin besteht, mineralisierte Knochen zu beseitigen². [¹⁸F]-NaF ist ein Pet-Radiotracer (Positronemission Tomography), der die Visualisierung des Knochengewebestoffwechsels ermöglicht. [¹⁸F]-NaF wird durch Osteoblasten chemisch in Hydroxyapatit in der Knochenmatrix absorbiert und kann somit osteoblastische Aktivität nicht invasiv erkennen und so einen Stoffwechselprozess erkennen, der bei herkömmlichen bildgebenden Verfahren okkult ist. Als Ergebnis, [¹⁸F]-NaF wurde zur Charakterisierung der Knochenpathologie in einer zunehmenden Anzahl von Knochenerkrankungen einschließlich Neoplasmen, entzündliche, und degenerative Erkrankungen der Knochen und Gelenke^3,4,5 .

PET-Daten werden am häufigsten semiquantitativ analysiert, was in der klinischen Routinepraxis mit standardisierten Aufnahmewerten (SUVs) problemlos durchgeführt werden kann. Als Metrik sind SUVs für Ärzte nützlich, da sie die Gewebeaufnahme im Vergleich zum Rest des Körpers darstellen⁶. Werte aus nachfolgenden Scans können verwendet werden, um Veränderungen der Aufnahme infolge der Behandlung oder des Krankheitsverlaufs zu beobachten. Die numerische Natur von SUVs hilft auch im Vergleich zwischen Patienten und aufeinanderfolgenden Scans bei demselben Patienten. Der Algorithmus zur Berechnung von SUVs, Gleichung 1, geht davon aus, dass der Tracer gleichmäßig über den Körper verteilt ist und dass die schlanke Körpermasse das gesamte Körpervolumen genau darstellt. SuVs sind daher eine semiquantitative Messung. Für eine bestimmte Region von Interesse (ROI), SUV_max (der maximale SUV-Wert innerhalb eines ROI) und_{SUV-Mittelwert} (der Mittelwert aller abgetasteten SUVs innerhalb eines ROI) sind häufig SUV-Metriken in der klinischen Praxis⁶verwendet.

Die kinetische Modellierung dynamischer PET-Daten kann auch für detailliertere quantitative Analysen durchgeführt werden. Während die SUV-Datenerfassung statisch ist, nutzt die kinetische Modellierung dynamische Bilddaten, bei denen kontinuierlich Tracer-Ebenen erfasst werden, die eine zeitliche Dimension bieten.  Aus der komplexeren kinetischen Modellierung dynamischer Daten können quantitative Werte und informative Metriken der Tracerdynamik in Bezug auf die gemessene Aktivität in den Bilddaten extrahiert werden. Abbildung 1⁷zeigt ein Mustermodell für zwei Gewebefächer, das für die dynamische kinetische Modellierung verwendet wird.  C_p ist die Konzentration des Tracers im Blutplasma, während Ce und C_t die Konzentration im ungebundenen interstitiellen Raum bzw. gebundenen Tracer in der Zielknochenmatrix darstellen. K_1, k₂, k₃, k₄, sind 4 Rate-Parameter, die das kinetische Modell für Tracer-Ein-/Auswaschen und Binden beschreiben. K₁ beschreibt den Tracer, der vom arteriellen Plasma in den interstitiellen Raum (C_t) aufgenommen wird, k₂ beschreibt den Bruchteil des Tracers, der vom interstitiellen Raum zum Plasma zurückdiffusiver, k₃ beschreibt den Tracer, der sich von interstitielle (C_e) Raum zu Knochen (C_t), und k₄ beschreibt den Tracer, der sich vom Knochen (C_t) zurück zum interstitiellen Raum (C_e) bewegt.

Abbildung 1 . Ein Beispielmodell für zwei Gewebefächer für die dynamische kinetische Modellierung. C_p ist die Tracerkonzentration im Blutplasmakompartiment, die C_e freie und nicht spezifisch gebundene Tracerkonzentration im Gewebe und die_speziell gebundene Tracerkonzentration im Gewebe. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Das kinetische Modell Patlak erzeugt K_{i_Patlak} als Maß für die Radiotracer-Zuflussrate (mL/ccm/min, kubisch cm = ccm) aus dem Blutpool in die Knochenmatrix. Die Tracerzuflussrate vom Blutpool zur Knochenmatrix kann dann mit Gleichung 2 und Gleichung 3 für K_{i_Patlak} bzw. K_{i_NonLinear} berechnet werden. K_{i_Patlak} und K_{i_NonLinear} sind die Raten, bei denen [¹⁸F]-NaF den arteriellen Blutpool verlässt und irreversibel an eine subsiteknochenmatrix bindet, mit den beiden Modellen. Ein Unterschied zwischen dem Patlak- und dem nichtlinearen kinetischen Modell liegt in der Nutzung der dynamischen Daten. Das Patlak-Modell erfordert das Erreichen des Gleichgewichts und berechnet dann die Zuflussrate aus der etablierten linearen Steigung. Das kinetische Modell Patlak erzeugt K_{i_Patlak} Zuflussraten, indem eine 24-minütige Zeit verwendet wird, um den Plasmapool C_pzum ungebundenen Pool C_uzu ausgrenzen.  Die 24-Minuten-Zeit kann sich je nach der für alle Unterwebsites gefundenen Zeit ändern, um eine Gleichgewichtsmöglichkeit mit dem Plasmapool in der Probe zu erreichen. Das rechenintensivere nichtlineare Modell verwendet die Gesamtheit der Zeitdaten, um eine Kurve anzupassen.

Das Ziel dieses methodischen Manuskripts ist es, detaillierte Techniken zur Durchführung dynamischer [¹⁸F]-NaF-PET-MRT zu skizzieren.  Das Lendengelenk ist ein häufiger Ort der degenerativen Arthritis-Krankheit und eine häufige Ursache für axiale Rückenschmerzen⁸.  Neuere Studien deuten darauf hin, dass [¹⁸F]-NaF-PET-MRI als nützlicher Biomarker für schmerzhafte gesichtstogene^Krankheiten9 dienen kann.  Die menschlichen Lendengelenke eines einzelnen Patienten mit facetogenen Rückenschmerzen werden somit als prototypischer ROI für die dynamische [¹⁸F]-NaF-PET-MRI-Analyse analysiert.

Protocol

Diese prospektive Machbarkeitsstudie rekrutierte Patienten, nachdem sie die Human Study IRB-Zulassung erhalten und die HIPAA-Vorschriften eingehalten hatte.

1. Phantom

1. Füllen Sie ein hohles zylindrisches Phantom mit einem Einsatz mit Hohlzylindern mit einem Durchmesserbereich von 5 - 38 mm mit 185 MBq von [¹⁸F]-NaF.
2. Generieren Sie eine Dämpfungszuordnung des Phantoms mithilfe von CT oder einer Vorlage, die zuvor für dieses Phantom generiert wurde.
3. Legen Sie das Phantom in die Mitte von PET/MR und erfassen Sie PET-Daten für 5-10 min Aufnahme des resultierenden Bildes mit der Bildgebungskonsole.
4. Rekonstruieren Sie die Bildgebungskonsole mit der CT-basierten Dämpfungskarte mit einem Algorithmus, der mit demselben Rekonstruktionsalgorithmus übereinstimmt, der für die Abbildung menschlicher Probanden verwendet wird.
5. Berechnen Sie die mittlere Aktivität in jedem Zylinder (links und rechts) gleicher Größe für alle Größen mit Freeware AMIDE.
6. Tabuulieren Sie die mittlere Aktivität im Vergleich zur Zylindergröße.
7. Berechnen Sie die Teilvolumenfehler (PVE), indem Sie die mittlere Aktivität jedes Zylinders durch die Mittelwertaktivität des Referenzzylinders dividieren.
8. Plotten Sie die PVE nach der Größe des Zylinders.
9. Verwenden Sie die lineare Gleichung zwischen Zweizylindergrößen, wenn Sie PVE in den Patientendaten korrigieren.

2. Patientenvorbereitung

1. Bevor Sie Patienten rekrutieren, erhalten Sie die erforderliche Human Study IRB-Zulassung und halten Sie sich an die HIPPA-Vorschriften.
2. Festlegung geeigneter Inklusions- und Ausschlusskriterien für die Untersuchung von Interesse.
   1. Die Kriterien für die Aufnahme waren wie folgt: Erwachsene, die mindestens 18 Jahre alt sind und über die Möglichkeit der Einwilligung in Kenntnis der Sachlage verfügen; eine berichtete Geschichte von axialen nicht-radikulären Rückenschmerzen; von den interventionellen Sapine-Radiologen empfohlen.
   2. Ausschlusskriterien waren wie folgt: die Geschichte der Fraktur oder Tumor der Wirbelsäule; Frauen, die schwanger sind oder stillen; Kontraindikationen für eine MRT oder die Verabreichung von Tracer oder Kontrast; vor der Lendenwirbelsäulenoperation oder -instrumentierung.
3. Sammeln Sie die schriftliche Zustimmung des Patienten in Kenntnis der Sachlage, die vom Ausschuss für Humanforschung genehmigt wurde.
4. Erhalten Sie alle relevanten klinischen Prüfungs- und/oder Patientenbefragungsdaten, die für Ihre Studie von Interesse sind.
5. Lassen Sie sich in das Kleid wechseln, stellen Sie IV-Zugang her, verabreichen Sie einen Schwangerschaftstest, wenn der Patient weiblich ist und das gebärfähigkeitsgebärbte Alter hat, überprüfen Sie Kreatinin/GFR auf die sichere Verwendung von Kontrast, und rufen Sie [¹⁸F]-NaF-Dosis ab. Coachen Sie den Patienten darüber, wie wichtig es ist, während der gesamten Dauer der Untersuchung still zu bleiben.
6. Positionieren Sie patientensupine und füße zuerst im PET/MRT.

3. Imaging-Protokoll

1. Verwenden Sie einen 3,0 T PET/MRT-Scanner zur gleichzeitigen PET- und MR-Bildaufnahme.
2. Verwenden Sie die zentrale molekulare Bildmaterial-Array-Spule des hinteren Arrays für die MR-Bildgebung.
3. Stellen Sie sicher, dass der FOV der MR- und PET-Bildgebungsmodalitäten zentriert ist, um den unteren Wirbelsäulenbereich von T12 bis S3 abzudecken.
4. Die klinischen MRT-Sequenzen für das Lumbar-Spine-Protokoll umfassen: Sagittal T1 (Wiederholungszeit/Echozeit (TR/TE) = 510/8,6 ms, In-Plane-Auflösung = 0,75 mm, Durchgangsebene Auflösung = 4mm), Sagittal T2 fettgesättigt (FS) (TR/TE = 4208/86,2 ms, in-plane Auflösung = 0,75mm, Durchgangsebene Auflösung = 4mm) Axial T2 Schnellentspannung Schnellspin Echo (FRFSE) mit und ohne Fettsättigung (TR/TE = 750/9,2 ms, In-Plane-Auflösung = 0,7mm, Durchgangsebene Auflösung = 4mm), Axial T1 Schnellspin Echo (FSE) Pre Gadolinium (TR/ TE = 575/8,9 ms, In-Plane-Auflösung = 0,65 mm, Durchgangsebenenauflösung = 4mm), Axial T1 FSE Post Gadolinium (TR/TE = 562/8,6 ms, In-Plane-Auflösung = 0,65 mm, Durchgangsebenenauflösung = 4mm).
5. Injizieren Sie 0,1 mm/kg Gadbutrol (1M Gadavist) direkt vor dem Erwerb der MRT-Sequenzen, die sie erfordern, in die antecubitale Fossa IV des Patienten.
6. Vor dem dynamischen PET-Scan injizieren Sie die radioaktive Dosis von [¹⁸F]-NaF in eine Konzentration von 2,96 MBq/kg [¹⁸F]-NaF.
7. Führen Sie einen dynamischen PET-Scan von 60 min mit 3 separaten Zeitphasen aus, die über der unteren Wirbelsäule zentriert sind, T12 bis S3.
8. Erwerben Sie die erste Phase des dynamischen Scans mit 12 Bildern zu je 10 s.
9. Erwerben Sie die zweite Phase von 4 Bildern zu je 30 s.
10. Erwerben Sie die letzte Phase von 14 Bildern zu je 4 min.
11. Berechnen Sie die MR-Dämpfungskorrektur (MRAC) für den Lendenwirbelsäulenbereich mit der standardmäßigen Zweipunkt-Dixon-Methode. Die Dixon-Methode segmentiert die MR-Signale von Fett und Wasser in Luft, Weichgewebe, Lunge und Fett (wenn auch nicht Knochen).
12. Stellen Sie sicher, dass PET-Daten gemeinsam in axiale T2-fettgesättigte FRFSE-Bilder registriert werden.
13. Rekonstruieren Sie die PET-Daten auf der Konsole mit den folgenden Parametern: 60 cm Sichtfeld (FOV), 3 mm Nachfilter, Standard-Z-Achsenfilter, 256 x 256 Matrix, 28 Teilmengen und VPFX (Time of Flight - Ordered Subsets Expectation Maximization, TOF-OSEM) mit 4 Iterationen .
14. Stellen Sie sicher, dass die Rekonstruktion eine Nachbearbeitung umfasst, um Zerfall, Dämpfung, Streuung und Totzeit zu korrigieren.

4. Bildanalyse

1. Lassen Sie blinde Radiologen die klinischen MRT-Sequenzen interpretieren.
2. Bewerten Sie fettunterdrückte T2- gewichtete und fett unterdrückte T1-gewichtete Postkontrastsequenzen zur Einstufung facet synovitis, wie zuvor von Czervionke und Fenton¹⁰beschrieben.
   1. Verwenden Sie die folgende Facette-Einstufung ist: MRT-Grad 0 = keine Anomalie des Facettengelenks, 1 = abnormale Verbesserung oder T2-Hyperintensität begrenzt auf Gelenkkapsel, 2 = abnormale extrakapsuläre Verbesserung oder T2-Hyperintensität mit < 50% des Y-Umfangs, 3 = abnormal extrakapsuläre Verbesserung oder T2-Hyperintensität mit >50% fj Perimeter, und 4 = Grad 3 mit Verlängerung des Ödems in das Neuroforamen, Ligementum flavum, Pedikle, Querprozess oder Wirbelkörper. Wie in der Ref: Czervionke LF, Fenton DS erklärt. Fettgesättigte MR-Bildgebung beim Nachweis von entzündlicher Facettenarthropathie (Facet Synovitis) in der Lendenwirbelsäule. ¹⁰

5. Datenanalyse

1. Übertragen Sie PET- und MRT-Bilder an einen dedizierten Arbeitsplatz, der zur Analyse dynamischer PET-Daten wie der Software PMOD ausgestattet ist. Analysieren Sie die Facettengelenke der Lendenwirbelsäule von L1-L2 bis L5-S1.
2. Suchen Sie Regionen, die für [¹⁸F]-NaF-Aufnahmemessungen ausgewertet werden: bilaterale Facettengelenke auf jeder Ebene. Wählen Sie Volumes of Interest (VOI) mithilfe anatomischer T2-MR-Bilder aus und übertragen Sie sie dann auf die PET-Bilder.
3. Identifizieren Sie den Mittelpunkt jeder Lendenhülse, indem Sie visuell triangulierend mit sagittalen und axialen T2-MR-Bildern und die Scheibennummer des ungefähren Zentrums aufzeichnen.
4. Wenn die Patientendaten auf der Registerkarte Ansichtgeöffnet sind, klicken Sie in der Seitenleiste auf die VOI-Schaltfläche und wählen Sie SPHERE (Objekt).
5. Geben Sie im vordefinierten Fenster, das angezeigt wird, 7,5 mm als Radius ein, und klicken Sie auf Neue VOI erstellen.
6. Platzieren Sie einen kugelförmigen VOI (7,5 mm Durchmesser) in der Mitte jeder Facettenverbindung, indem Sie mit der linken Maustaste auf die Facette klicken. Passen Sie die Kugel per Linksklick und Ziehen an, bis sie visuell auf der Facette zentriert ist.
7. Wiederholen Sie dies bei Bedarf für alle Interessensgebiete, indem Sie auf Neue VOI erstellen klicken und Schritt 5.5 ausführen
8. Platzieren Sie einen kugelförmigen VOI (5 mm Durchmesser) in den rechten Iliaskamm in der zentralen Markhöhle (um die Kortexbeteiligung auszuschließen) als Referenzbereich. Klicken Sie auf Neue VOI erstellen und klicken Sie mit der linken Maustaste in das Mark der rechten Ilias.
9. Positionieren Sie VOI so Kanten sind innerhalb des Mark vollständig.
10. Stellen Sie sicher, dass VOIs ähnlich wie das Bild platziert sind, das die VOIs des Wirbelkörpers (FJ) in Abbildung 2 zeigt, da sie die Mitte des Facettengelenks verkapseln.

6. SUV-Berechnungen und kinetische Daten

1. Um die arterielle Eingangsfunktion zu berechnen, platzieren Sie einen zylindrischen VOI, der zwei axiale Scheiben der Bauchaorta abdeckt. Stellen Sie sicher, dass der Durchmesser dem Durchmesser der Aorta entspricht.
2. Rechtsklick auf das Axialbild, wählen Sie Datenprüfung.
3. Messen Sie den Durchmesser der Bauchaorta proximal zu ihrer Bifurkation.
4. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf die rechte Seite der Aortenwand und bewegen Sie den Cursor auf die linke Seite der Aortenwand.
5. Zeichnen Sie den Abstand des Aortenwanddurchmessers im Fenster Dateninspektor auf. Dies wird verwendet, um den Koeffizienten der Teilvolumenkorrektur (PVC) zu berechnen.
6. Klicken Sie in der Seitenleiste mit der linken Maustaste auf die SCHALTFLÄCHE VOI, wählen Sie CIRCLE (ROI).
7. Erstellen eines Kreis-ROI mit einem angegebenen Radius von der Hälfte des zuvor gemessenen Durchmessers in Schritt 6.5
8. Klicken Sie auf Neue VOI erstellen und klicken Sie mit der linken Maustaste in die Mitte der Aorta, positionieren Sie sie ggf. neu, um sicherzustellen, dass der Kreis die Aortenwandposition annähert.
9. Eine Scheibe in der Axialebene absteigen und die Schritte 6.7-6.9 wiederholen, wodurch ein Zylinder aus den beiden kreisförmigen ROI s wird.

7. PET Partielle Volumenkorrektur

HINWEIS: Aufgrund von PVE wird die Traceraktivität im Verhältnis zur Größe des Ziels unterschätzt. Daher werden Schritte unternommen, um die PVE zu korrigieren.

1. Verwenden Sie die zuvor abgeleiteten Rückgewinnungskoeffizienten mithilfe des PET/CT-Phantoms, indem Sie die Größe des Zylinderdurchmessers im Vergleich zum Verhältnis der wiedergewonnenen Aktivität zur tatsächlichen Aktivität zeichnen.
2. Wenden Sie die Wiederherstellungskoeffizienten auf die bildbasierte Messung über die absteigende Aorta an, um eine teilvolumenkorrigierte arterielle Eingabe zu erstellen.
3. Ersetzen Sie diesen teilvolumenkorrigierten arteriellen Eingang in PMOD für die Kinetikmodellierung und die genaue Quantifizierung der Tracerkinetik.

8. SUV-Berechnungen und kinetische Daten

Anmerkung: Der Algorithmus zur Berechnung des Standard-Aufnahmewerts (SUV), Gleichung 1, geht davon aus, dass der Tracer gleichmäßig über den Körper verteilt ist und dass die schlanke Körpermasse das gesamte Körpervolumen genau darstellt. Daher werden SUVs als semiquantitative Messung bezeichnet.
Gleichung 1: Standardaufnahmewert

1. Berechnen Sie die_MITTELwerte SUV_maxund SUV für jede Unterwebsite mit dem 60-Minuten-Zeitpunkt.
   Anmerkung: Das Zwei-Gewebe-Fachmodell, das für die kinetische Modellierung verwendet wird, ist in Abb. 1 dargestellt. C_p ist die Konzentration des Tracers im Blutplasma, während Ce und C_t die Konzentration im ungebundenen interstitiellen Raum bzw. gebundenen Tracer in der Zielknochenmatrix darstellen. K_1, k₂, k₃, k₄, sind 4 Parameter, die das kinetische Modell für Tracer-Ein-/Auswaschen und Binden beschreiben.
2. Verwenden Sie das Zwei-Gewebe-Fach irreversibel für Patlak Linear-Modell und nicht-lineare Regressionsmodelle während der kinetischen Analyse
   Anmerkung: Ein irreversibles Zwei-Gewebe-Kompartimentmodell wird verwendet, um regionsspezifische Zuflussratenkonstanten (in min^-1) für [¹⁸F]-NaF¹¹zu berechnen.
3. Stellen Sie sicher, dass die Zeit bis zum Gleichgewicht auf 24 Minuten eingestellt ist, wenn Sie das kinetische Patlak-Modell verwenden
4. Eingabe k₄ = 0, wenn das nichtlineare Regressionsmodell verwendet wird, um K_{i_NonLinear-Zuflussraten} zu erzeugen.
5. Berechnen Sie die Tracer-Zuflussrate vom Blutpool zur Knochenmatrix mit Gleichung 2 und Gleichung 3 für K_{i_Patlak} bzw. K_{i_NonLinear.} K_{i_Patlak} und K_{i_NonLinear} sind die Raten, bei denen [¹⁸F]-NaF den arteriellen Blutpool verlässt und irreversibel an eine subsiteknochenmatrix bindet, mit den beiden Modellen.
   1. Gleichung 2: Patlak Graphical Kinetic Model
      + Abfangen
   2. Gleichung 3: Nichtlineares Regressionskinetikmodell
      

9. Statistische Analyse

1. Verwenden Sie eine lineare Regressionsanalyse, um zu bewerten, ob [¹⁸F]-NaF K_{i_Patlak} Zuflussrate korreliert war mit: SUV_mittel, SUV_max, K_{i_NonLinear}, und alle klinischen Scoring-Grade spezifisch für die Studie.
2. Verwenden Sie zweischwanzige t-Test- und Pearson-Korrelation, um auf statistische Signifikanz in früheren Korrelationen zu testen.

Representative Results

¹⁸ Die NaF-PET-Aufnahmewerte werden in den bilateralen Facettengelenken der Wirbelstufen L1-L2 bis L5-S1 für insgesamt 10 ROIs bei einem einzigen repräsentativen Patienten mit axialen Rückenschmerzen gemessen. Repräsentative [¹⁸F]-NaF-PET, axiales T2-Fett unterdrückt und axiale T1-nachkontrastsunterdrückte MR-Bilder durch den Pegel der L3-L4 Facettengelenke sind in Abbildung 2dargestellt.  Die K_{i_Patlak}, SUV_mittel, SUV_max, und MRT Facet Arthropathie Grade für jede der 10 probenierten Facettengelenke in einem repräsentativen Patienten sind in Tabelle 1zusammengefasst . K_{i_Patlak} Zuflussraten werden wieder SUV_mittelmittel und MRT-basierte Facet Arthropathie-Grade in Abbildung 3dargestellt.  In diesem repräsentativen Fall weist das Facettengelenk mit der höchsten MRT-Klasse der degenerativen Facettenarthropathie (linksseitige L3-L4) die höchsten K i_{i_Patlak-} und SUV-Mittelwerte auf.

Abbildung 2 . Repräsentant [¹⁸F]-NaF-PET und MR-Bilder von Lendenwirbelgelenken. A) Axiales [¹⁸F]-NaF-PET SUV-Image durch die L3-L4 Facettengelenke, die eine asymmetrische Radiotraceraufnahme auf der linken Seite zeigen.  Rot gestrichelte Kreise skizzieren den ungefähren ROI für die Analyse jedes Facettengelenks.  Axial E2 fettunterdrückte (B) und axiale T1 post-kontrastfettunterdrückte (C) Bilder durch den L3-L4-Spiegel bei demselben Patienten, der asymmetrische linksseitige Perifacet Ödeme und Verbesserung (weiße Pfeile in B und C) zeigt bzw.). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3 . K_{i_Patlak} Plots: K_{i_Patlak} versus SUV_mean (A) und K_{i_Patlak} versus MRT facet arthropathy grade (B) für alle 10 Lendengelenke bei einem repräsentativen Patienten. Der einzelne isolierte Datenpunkt mit relativ erhöhtem K_{i i_Patlak}, SUV_Mittelwertund MRT Facettengrad im oberen rechten Quadranten jedes Diagramms entspricht den Patienten links L3-L4 Facettengelenk. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Facet Joint	Ki_Patlak mL/ccm/min*	SUV-Mittelwert	SUVmax	MRT-Klasse
Rechts L1-L2	0.015	3.1	5.4	1
Links L1-L2	0.009	2.4	5.4	1
Rechts L2-L3	0.014	2.9	5.9	1
Links L2-L3	0.012	2.8	5.7	1
Rechts L3-L4	0.013	2.7	5.4	1
Links L3-L4	0.028	7	13.6	3
Rechts L4-L5	0.011	2.9	5.5	1
Links L4-L5	0.014	3.3	5.7	1
Rechts L5-S1	0.011	3.3	6.6	1
Links L5-S1	0.013	3.3	5.9	0
*mL/ccm/min=Milliliter pro Kubikzentimeter pro Min

Tabelle 1: K_{i_Patlak}, SUV_mittel,SUV_maxund MRT Facet Arthropathy Grade für jedes der 10 beprobten Facettengelenke bei einem repräsentativen Patienten.

Discussion

In diesem methodischen Manuskript haben wir Hintergrundinformationen zum potenziellen Nutzen von dynamischem [¹⁸F]-NaF-PET-MRT zur Bewertung einer Vielzahl von Knochenpathologien geliefert und die Techniken für dynamisches [¹⁸F]-NaF-PET-MRI-Bild skizziert. Erfassung und Analyse unter Verwendung der menschlichen Lendengelenke als prototypische Interessengebiete. Die duale Modalität PET-MRT ermöglicht die Erfassung dynamischer PET-Daten über einen Zeitraum, der dem für die MR-Datenerfassung allein erforderlichen Zeitraum ähnelt, wodurch die Überlappung der Scanzeit maximiert wird. Während MRT eine hochauflösende strukturelle Bildgebung der Wirbelsäule bietet, die leicht eine breite Palette von Knochenpathologien identifizieren kann, kann die Zugabe von quantitativem dynamischen PET mit hybridem PET-MRT als funktioneller Biomarker des aktiven Knochenumsatzes einen Vorteil bringen. Obwohl wir Techniken für die duale Modalität PET-MRT beschreiben, könnten unsere Methoden leicht nur für PET-Datensätze oder kombinierte PET-CT-Datensätze angepasst werden.

SUV-Werte gehen davon aus, dass Radiotracer gleichmäßig über den gesamten Körper verteilt ist und die Messung von einem schlanken Körpermassenkoeffizienten abstützen. Kinetische Indizes der Radiotraceraufnahme wie K_{i_Patlak} messen dagegen spezifische Konzentrationen von Radiotracer, die das Ziel über das arterielle System über die Scandauer erreichen. Diese zusätzlichen Informationen können die subtilen Veränderungen im Fluss des Tracers zu Regionen von Interesse aufdecken, die andernfalls übersehen würden.  Brenner und Kollegen berichteten zuvor von einer linearen Beziehung zwischen SUV_mittel, SUV_max und K_{i_Patlak} in einer Vielzahl von normalen und pathologischen Knochenerkrankungen¹². Frühere Arbeiten haben weiter eine starke positive lineare Korrelation zwischen K_{i_Patlak} von Facettengelenken und klinischen Messungen von facetogenen Rückenschmerzen¹³gezeigt.  Laufende prospektive klinische Studien sind im Gange, um das Potenzial für [¹⁸F]-NaF-PET-MRT zu bewerten, um bei der Behandlungsplanung und Längsüberwachung von degenerativen Lendenwirbel-Gesichtserkrankungen zu helfen. Obwohl in den frühen Stadien der klinischen Übersetzung, dynamische [¹⁸F]-NaF-PET-MRI-Analyse birgt großes Potenzial für eine Vielzahl von häufigen Knochen- und Gelenkerkrankungen.

Neben facetogenen Rückenschmerzen gibt es viele Einsatzmöglichkeiten für diese Technologie.  Zum Beispiel wird die osteoblastische Aktivität, die zu hypertrophen Osteophyten führt, die in Gelenken mit ankylosierender Spondylitis gefunden werden, durch entzündliche Zytokine, flügellose (wnt) und Knochen morphogene Proteine gesteuert. Wnt-Proteine wirken, um eine anabole Skelettreaktion^{verursachen 14}. Ein regulatorisches Protein von Wnt bekannt als Dickkopf, DKK, konkurriert mit wnt und reguliert damit die osteoblastische Aktivität. Niedrigere DKK-Spiegel führen zu einer erhöhten osteoblastischen Aktivität und einer erhöhten Knochenbildung bei ankylosierenden Spondylitis-Patienten. Der Weg von entzündlichem Zytokin zur osteoblastischen Aktivität ist noch nicht bekannt¹⁵. Die Verbindung zwischen diesen Wegen bei ankylosierender Spondylitis und pathologischer osteoblastischer Aktivität bei Arthrose ist zu diesem Zeitpunkt rein spekulativ. Aber, Es hat durch immunhistochemische Analyse von Facettengelenken gezeigt, dass sowohl ankylosierende Spondylitis und Arthrose einen Reparaturmechanismus der neuen Knochenbildung durch osteoblastische Aktivität teilen können¹⁵. Diese Veränderungen der osteoblastischen Aktivität können quantitativ mit den hier beschriebenen [¹⁸F]-NaF-PET-MRI PET-Techniken beobachtet werden.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Gadolinium Contrast agent (Gadovist)	Bayer	na	1.0mmol/ml solution for IV injection.
[18F]-NaF Radiotracer	na	na	2.96 MBq/kg
GE Signa PET-MRI Scanner	General Electric	na	3.0Tesla 60cm Bore PET-MRI scanner
PMOD Kinetic Modeling Software	PMOD Technologies, LLC	na	Version 3.8