Summary
基于振幅的最佳呼吸门控 （ORG） 有效地消除了临床 18F-氟氧葡萄糖 （FDG） 正电子发射断层扫描 （PET） 图像中的呼吸诱导运动模糊。修正这些呼吸运动人工制品的FDG-PET图像可提高图像质量、诊断和定量精度。去除呼吸运动人工制品对于使用PET的患者进行充分的临床管理非常重要。
Abstract
正电子发射断层扫描 （PET） 与 X 射线计算机断层扫描 （CT） 相结合是准确诊断和各种疾病的临床分期所需的重要分子成像平台。PET 成像的优势在于能够以高灵敏度和高精度在体内可视化和量化各种生物过程。但是，有多种因素决定了PET图像的图像质量和定量精度。影响胸部和上腹部PET成像图像质量的首要因素之一是呼吸运动，导致呼吸引起的解剖结构运动模糊。为了提供最佳的图像质量和 PET 图像的定量精度，需要校正这些伪像。
已开发出几种呼吸门控技术，通常依靠与 PET 数据同时采集呼吸信号。根据获得的呼吸信号，选择PET数据重建无运动图像。虽然这些方法已被证明可以有效地去除PET图像中的呼吸运动伪像，但性能取决于所获取的呼吸信号的质量。本研究讨论了基于振幅的优化呼吸门控（ORG）算法的使用。与许多其他呼吸门控算法相比，ORG 允许用户控制图像质量与重建的 PET 图像中被拒绝的运动量。这是通过基于采集的代理信号和用户指定的占空比（用于图像重建的 PET 数据的百分比）计算最佳振幅范围实现的。最佳振幅范围定义为仍包含图像重建所需的 PET 数据量的最小振幅范围。结果表明，ORG有效去除胸部和上腹部PET成像中呼吸诱导图像模糊，提高了图像质量和定量精度。
Introduction
正电子发射断层扫描（PET）与X射线计算机断层扫描（CT）相结合，是临床实践中广泛接受的成像工具，用于准确诊断和各种疾病的临床分期1。PET成像的优势在于能够可视化和量化体内的无数生物过程，具有高灵敏度和高准确性2。这是通过静脉注射给患者施用放射性标记的化合物（也称为放射追踪器）实现的。根据使用的放射分析器，组织特征，如葡萄糖代谢，细胞增殖，缺氧程度，氨基酸传输，蛋白质和受体的表达，可以可视化和量化2。
虽然已经开发、验证并用于临床实践，但放射性葡萄糖 模拟18F-氟二氧葡萄糖（FDG）是临床实践中使用最广泛的放射跟踪仪。鉴于FDG主要积聚在糖解率升高的细胞中（即葡萄糖吸收率升高的细胞，并转化为丙酮酸盐用于能量生产），因此有可能区分具有不同代谢状态的组织。与葡萄糖类似，FDG吸收的第一步是从血浆膜上细胞外空间运输到细胞内空间，由葡萄糖传输器（GLUT）3促进。一旦FDG进入细胞内空间，由六磷激酶进行磷酸化将导致FDG-6-磷酸盐的生成。然而，与葡萄糖-6-磷酸盐相比，FDG-6-磷酸盐不能进入克雷布斯循环进一步有氧异化，因为在第二（2'）碳位置没有羟基（OH）组。鉴于反向反应，FDG-6磷酸盐回FDG的去磷磷化，在大多数组织中几乎不发生，FDG-6-磷酸盐被困在细胞内3。因此，FDG吸收的程度取决于G胶（特别是G胶1和G胶3）在血浆膜上的表达，以及六角激酶的细胞内酶活性。这种连续吸收和诱捕的FDG的概念被称为代谢诱捕。FDG优先积累在代谢活性升高的组织中的事实如图 1a所示，显示了FDG在患者体内的生理分布。此 FDG-PET 图像显示心脏、大脑和肝脏组织（已知在正常条件下代谢活性器官）的吸收率较高。
由于改变的新陈代谢是许多疾病的重要标志，因此检测组织代谢状态差异的高灵敏度使FDG成为区分正常病组织的优秀放射追踪器。图1b中很容易描述这一点，显示了患有IV期非小细胞肺癌（NSCLC）的患者的FDG-PET图像。在原发性肿瘤和转移性病变中，吸收率增加。除了可视化之外，放射图器吸收的定量在患者的临床管理中起着重要的作用。从PET图像中提取的定量指数，反映放射性拉取器吸收程度，如标准化吸收值（SUV）、代谢体积和总病变糖解（TLG），可用于为不同患者组提供重要的预后信息和测量治疗反应。。在这方面，FDG-PET成像正越来越多地用于个性化肿瘤患者的放射治疗和系统治疗7。此外，还介绍了FDG-PET用于监测急性治疗诱发毒性，如放射诱发食道炎8、肺炎9和全身性炎症反应10等，为做出图像引导治疗决策提供了重要信息。
鉴于PET在患者临床管理中的重要作用，图像质量和定量精度对于根据PET图像适当指导治疗决策非常重要。然而，有许多技术因素，可以降低PET图像的定量精度11。与其他放射性成像模式（通常每个床位位置几分钟）相比，PET 的采集时间较长，是显著影响 PET 图像定量的一个重要因素。因此，患者通常被指示在PET成像期间自由呼吸。结果是PET图像受到呼吸诱导运动的影响，这可能导致胸部和上腹部内的器官明显模糊。这种呼吸诱导的运动模糊会显著影响放射分析器吸收的充分可视化和定量精度，这会影响患者在使用PET图像进行诊断和分期时对患者的临床管理，辐射治疗规划应用的目标体积定义，以及治疗反应的监测12。
已开发出几种呼吸门控方法，试图纠正呼吸运动人工制品的PET图像13。这些方法可分为前瞻性、回顾性和数据驱动的门控策略。前瞻性及追溯性呼吸门控技术通常依赖于在PET成像14期间获取呼吸代理信号。这些呼吸代理信号用于跟踪和监测患者的呼吸周期。呼吸跟踪装置的例子包括使用压力传感器12或光学跟踪系统（如摄像机）15检测胸壁，热电偶测量呼吸空气16的温度，以及测量气流的呼吸计，从而间接估计患者肺部的体积变化17。
然后，呼吸门控通常通过连续同时记录代理信号（指定 S（t））完成，并在图像采集过程中使用 PET 数据。使用采集的代理信号，可选择与特定呼吸相或振幅范围（基于振幅的浇注）对应的PET数据。相位浇注通过将每个呼吸循环划分为固定数量的门来执行，如图2a所示。然后，通过选择在患者呼吸周期的特定阶段获得的数据来进行呼吸门控，用于图像重建。同样，基于振幅的浇注依赖于定义呼吸信号的振幅范围，如图2b 所示。当呼吸信号值在设定的振幅范围内时，相应的PET列表模式数据将用于图像重建。对于回顾性浇注方法，将收集所有数据，并在图像采集后对 PET 数据进行重新装箱。虽然前向呼吸门控方法使用与回顾式浇注方法相同的概念来重新装箱PET数据，但这些方法依赖于在图像采集过程中对数据进行前瞻性收集数据。收集足够数量的 PET 数据后，图像采集将完成。这种前瞻性及追溯性浇注方法的困难在于保持可接受的图像质量，而不会显著延长不规则呼吸时的图像采集时间。在这方面，相基呼吸门控方法对不规则的呼吸模式13、19特别敏感，其中大量PET数据因拒绝不适当的触发因素而被丢弃，导致图像质量大幅降低或图像采集时间延长不可接受的时间。此外，当接受不适当的触发时，呼吸门控算法的性能以及PET图像的运动排斥效果可以降低，因为呼吸门在呼吸循环的不同阶段被定义，如图2a所示。事实上，据报，在呼吸信号13出现不规则时，基于振幅的呼吸门控比相位方法更稳定。虽然基于振幅的呼吸门控算法在存在不规则的呼吸频率时更健壮，但这些算法对呼吸信号的基线漂移更敏感。当患者的肌肉紧张（即患者在图像采集期间过渡到更放松的状态）或呼吸模式发生变化时，基线信号的漂移可能发生。为了防止信号的基线漂移，应注意将跟踪传感器牢固地连接到患者，并定期监测呼吸信号。
虽然这些问题是已知的，传统的呼吸门控算法只允许有限的控制图像质量，通常需要显著延长图像采集时间或增加放射跟踪量给患者。这些因素导致在临床常规中采用此类协议有限。为了规避与呼吸门控图像的可变质量相关的这些问题，提出了一种特定类型的振幅门控算法，也称为最佳呼吸门控（ORG）。使用 ORG 的呼吸门控允许用户通过提供占空比作为算法的输入来指定呼吸门禁图像的图像质量。占空比定义为用于图像重建的获取 PET 列表模式数据的百分比。与许多其他呼吸门控算法相比，这一概念允许用户直接确定重建的PET图像的图像质量。根据指定的占空比，计算出最佳振幅范围，将整个呼吸代理信号的具体特性考虑在内。特定占空比的最佳振幅范围将从呼吸信号的下振幅限（指定 （L） 的不同值的选择开始）来计算。对于每个选定的下限，调整的幅度上限（指定为 （U））的方式使所选 PET 数据的总和（定义为呼吸信号在振幅范围内 （L
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
涉及人类参与者的所有程序都符合Radboud大学医学中心内部审查委员会（IRB）的道德标准，以及1964年赫尔辛基宣言及其后来的修正案或类似的道德标准。ORG 算法是供应商特定的产品，可在西门子传记 mCT PET/CT 扫描仪系列和较新的 PET/CT 型号上找到。
1. 患者准备
- 患者阿南尼斯
- 检查病人的姓名和出生日期。包含条件类似于常规的非封闭 PET 扫描。不需要额外的 in 或 排除条件。
- 检查与含有放射图器的注射器（姓名、出生日期和活动量）一起传递的标签。
注：给患者施用的活动量取决于患者的身体质量，并且可能因机构而异（在该协议中，建议使用 3.2 MBq/kg）。 - 通过与患者面谈，确保申请表上的临床信息正确。询问患者最近治疗或药物治疗是否有任何相关变化。
- 询问患者是否患有糖尿病 （DM）。如果患者有 DM，请询问他或她是否进行了适当的准备（即，在 PET 扫描前 4 小时不服用短工作胰岛素，或使用降血糖剂（如二甲双正素）。
- 询问患者是否有过敏或使用抗凝剂。
- 通过将患者指尖的一侧刺在专用测试条上（血清葡萄糖不应超过 11.0 mmol/L）来测量患者的血糖。
- 向患者解释患者的准备和成像程序。
- 无线电跟踪器管理
- 通过将外周静脉管插入其中一个前静脉，确保静脉接触患者。
- 将带 Luer 锁的三路停止旋塞系统连接到含有盐水的 20 mL 注射器（这是辅助注射器）。
- 用盐水冲洗三路停止旋塞系统（用于脱气）。
- 用注射器将三路停止公鸡连接到静脉管的端。
- 通过小心地通过管管冲洗 10 mL 的盐水，检查静脉管是否获得专利（询问患者在冲洗过程中是否有任何投诉）。
- 将包含放射吸附器（主注射器）的注射器连接到三路停止旋塞上。转动三路止回旋的阀门，使流体流经系统的流量方向从包含无线电拉杆的注射器流向外围静脉管。通过缓慢推动注射器的柱塞来管理放射追踪器（包含示踪剂的注射器被放置在一个特殊的铅屏蔽容器中）。
- 转动三路停止旋塞的阀门，使含有盐水的注射器连接到主注射器（包含放射吸管），并冲洗注射器，以冲洗注射器的任何残留的放射吸管。
- 转动三路停止旋塞的阀门，并按下主注射器的柱塞，将注射器中剩余的放射性拉杆管理给患者。
- 重复步骤 1.2.7。和 1.2.8.三次。
- 转动三路停止旋塞（防止血液从患者静脉回流）并分离主注射器。连接第三个含有氟化碳的注射器，再次转动三路停止公鸡，通过推动注射器的柱塞，施用0.5克/千克的氟化指数（最大量为10毫克）。拆下外围静脉管，并使用无菌绷带向穿刺场施加压力。检查是否有明显出血和从穿刺现场，并使用医疗胶带固定绷带。
- 患者孵化
- 让患者在舒适的位置休息，最好在光线昏暗的房间里休息50分钟。
- 50分钟后，指示患者使膀胱失效。
- 55 分钟后，护送患者到扫描仪，将手臂放在扫描仪床上的患者的上位。使用适当的扶手，使其尽可能舒适的病人。如果患者无法抬起手臂，可以使用与患者一起使用手臂位置进行扫描。
- 观察患者的呼吸模式，将呼吸带固定到患者胸部周围（通常，肋骨笼下方的位置是最佳位置）。确保传感器放置在目视检查后识别腹部壁偏移的位置（通常从中线 5-7 厘米）。使用基于尼龙搭扣的闭合系统将皮带固定在患者周围。
- 检查扫描仪显示屏上的呼吸信号是否仍位于最小和最大范围范围内（如果呼吸信号正在剪裁、固定或适当拧紧皮带）。
- 提示：确保皮带在患者胸部周围足够紧。鉴于患者在一段时间后进入更放松的状态，呼吸信号往往会下降（信号的基线漂移）。这可以防止信号超出界限，从而保持用于呼吸门控的代孕信号的高质量。
- 孵育时间后60分钟开始扫描。
2. 图像采集和重建
- 协议选择
- 选择扫描仪上的全身协议。这可以通过将光标移到适当的协议类别上（由检查卡中患者图标旁边的圆圈指示）并单击相应的协议（图3）来完成。
- ORG 采集协议将从患者的球探扫描（顶图）开始。要开始采集顶部图，请按扫描仪控制箱上的扫描仪启动键（带辐射标志的黄色圆键）（图 4）。要停止或中止获取顶部图，请分别按挂起或停止键。
- 首先规划顶部图上的 PET 床位置。这可以通过单击顶部图上的鼠标左键并设置扫描范围来完成。
- 选择要纠正呼吸运动的床位（图5）。
注：这些是覆盖胸部的"封闭"床位。"封闭"床的位置以列表模式记录。根据临床指示，覆盖上腹部的床位位置也可以封闭（例如，当成像指示肝脏或胰腺病变时）。对于非门控床位置，只需记录图像重建的 sinogram。 - 设置 PET 床位置的图像记录时间（图 5）。
注：根据注射活动量，非封闭床位置的扫描持续时间必须进行调整，以产生足够的图像质量。此外，非门控床位置的录制时间与用于门控床位置图像重建的占空比相结合，确定门控床位置的录制时间。例如，对于 35% 的占空比，按因子 3 延长扫描可产生与门控和非门控床位置大致相似的统计数据。Radboud 大学医学中心的建议成像方案是非封闭床位 2 分钟的记录时间，而门控床位置的录制时间是 6 分钟，使用 35% 的占空比 - 设置采集参数后，按住扫描仪控制箱上的启动键（带辐射标志的黄色圆形按钮），然后等待扫描仪床移回起始位置。再次按启动键，从患者（头到脚）获得低剂量CT扫描。获取 CT 扫描后，按启动键启动 PET 扫描。
- 在图像采集过程中，定期检查患者和呼吸信号的质量（如果需要，调整呼吸带）。
注：只有在未获得呼吸门控床位置时，才应调整皮带。因此，应在获得这些床位之前或之后进行调整。在采集门控床位置时调整皮带会影响 ORG 图像的质量。在获得封闭床位置之前，需要仔细观察呼吸信号和呼吸带的可能调整，以抵消在 PET 扫描期间信号的任何显著基线漂移。
- 图像重建
- 检查已获取的呼吸信号，并选择封闭床位置的适当占空比（图 6）。
注：用于呼吸门控的振幅范围叠加在呼吸信号上）。检查呼吸信号中可能影响呼吸门控质量的不康定或基线漂移。 - 选择优化查看的图像重建协议（图 7）。这通常是一种高分辨率图像重建协议，具有较小的体美体尺寸，用于检测小病变。认识到 ORG 算法将通过使用所选床位的整个呼吸信号计算最佳振幅范围非常重要。虽然不同的床位可以使用不同的占空比码（例如，纠正不同质量的呼吸信号），但建议不要对不同的床位使用不同的占空比，因为这将在不同床位之间引入图像质量的变化。
注：下面是一个示例图像重建协议，用于查看：- 算法： Truex + TOF （超高清 PET）
- 迭代次数：3
- 子集数： 21
- 矩阵大小：400× 400
- 重建后过滤，内核（3D 高斯），全宽半最大值（FWHM）：3.0 毫米
- 占空比 35%
- 此外，使用符合研究4Life（EARL）定量PET成像计划的协议重建PET图像。这些图像通常是分辨率较低的图像，应用了特定的重建后过滤。
注：下面是用于图像量化的图像重建协议示例：- 算法： Truex + TOF （超高清 PET）
- 迭代次数： 3
- 子集数： 21
- 矩阵大小： 256
- 重建后过滤，内核（3D 高斯），全宽半最大值（FWHM）：8.0 毫米
- 占空比 35%
- 将重建的图像发送到 PACS 存档。图像现在准备由核医学医生评估
- 检查已获取的呼吸信号，并选择封闭床位置的适当占空比（图 6）。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
在PET中使用组织可全面减少图像的呼吸引起的模糊。例如，在非小细胞肺癌患者（NSCLC）的临床评估中，ORG导致发现更多的肺病变和肺淋巴结20。图 8 和图 9中很容易证明这一点，显示了 NSCLC 患者的非封闭和 ORG PET 图像。
特别是，ORG 导致早期疾病阶段 （I-IIB） 患者的管理变化，其中淋巴结额外病变的检测可显著影响规定的治疗和所需的额外诊断程序。这些结果得到了范德古赫特等人对位于21号腹部的病变的研究证实的。使用组织导致在FDG-PET中检测更多的病变，治疗肝和近位病变的患者。虽然这些结果支持使用 ORG 可能导致改善患者的诊断和分期，但 ORG 的确切临床影响仍不清楚。
当 ORG 用于校正呼吸运动 PET 图像时，图像量化将受到显著影响，尤其是对于位于肺隔膜和呼拉尔区域附近的肺病变。在一项调查 ORG 对 66 名肺癌患者的影响的研究中，与非封闭 PET 图像一起，ORG 图像中平均 SUV （SUV 均值 ） 的吸收量在统计学上显著增加。与非封闭PET图像相比， ORG PET 图像显示，SUV 平均 6.2±12.2%（p<0.0001）， 7.4±13.3%（p<; 0.0001）和 9.2±14.0%（p<0.0001），占空比分别为 50%、35% 和 20%12。
此外，在进行组织时，观察到病变代谢量在统计学上显著下降。这些卷使用区域增长固定阈值（最大吸收率（SUV最大值）的 40%）分段算法进行分割。下跌6.9±19.6%（p=0.02%），8.5±19.3%（p<0.000）1），和11.3±20.2%（P<0.0001），占空比的占空比率分别为50%、35%和20%。吸收量显著增加，代谢量减少，表明在进行组织时，有效去除PET图像中呼吸诱导的图像模糊。此外，还表明呼吸运动人工制品对病变吸收量和体积的定量的影响取决于解剖位置。SUV平均值只显著增加，位于下肺叶和中央（特别是高拉尔）的病变数量减少。解剖位置的作用在图10中很容易证明，显示了一个病人的两个不同的NSCLC病变。此外，将占空比为 35% 的 ORG PET 图像与非封闭等效图像进行比较，可以发现图像噪声水平具有可比性，表明使用 ORG12时图像质量保持不变。
通过计算未受影响的肺帕伦奇马中FDG吸收率（COV）的变化系数（COV），证明了占空比与图像噪声的关系。使用所有可用数据的非封闭图像中的COV平均为26.1±6.4%，而在占空比为20%的组织中重建的COV为39.4±7.5%。在占空比为 35%（32.8±6.4%） 重建的 ORG PET 图像之间，COV 存在非显著差异及其非封闭等效图像（31.8±5.6%）。图 11显示了两个不同的 ORG PET 和非封闭 PET 图像，其统计质量不同。该图表明，降低占空比会增加噪声量，而用占空比为 35% 重建的 ORG PET 图像质量和非门控等效图像保持不变。虽然组织导致显著减少病变体积，如PET图像量化，绝对体积减少没有显著节省辐射剂量交付给有风险的器官（OARs）在放射治疗规划，如另一项研究22。
呼吸运动的模糊效应也影响肿瘤内异质性的定量。在60名NSCLC患者中，ORG在中下肺叶23的质地特征定量上产生了统计学上显著的差异。对于纹理特征;高强度强调 （HIE）、熵、区域百分比 （ZP） 和不同性， 相对增长16.8%±17.2%（p = 0.006），1.3±1.5%（p = 0.02），2.3% ± PET 图像与其非门控等效 PET 图像之间，± 2.2%（p = 0.002）、11.6% 和 11.8%（p = 0.006）。 肿瘤内异质性的定量对上肺叶的病变没有显著影响。这些纹理特征的均值下降为 1.0% ± 7.7%（p = 0.3%）， 0.35% ± 1.8%（p = 0.3）， 1 .7% ± 13.2%（p = 0.4）， 0.4% ± 2.7%（p = 0.5%）， 不同， 熵， 嗨， 和 ZP 分别。此外，在位于中心位置的病变中，ORG和非封闭PET图像之间没有显著差异， 平均增长 0.58% ± 3.7% （P = 0.6）， 5.0% ± 19.0% （P = 0.4）， 0.59% ± 4.0% （P = 0.9）， 4.4% ± 27.8% （P = 0.4）， 对于熵， 不同， ZP 和 HIE 分别。虽然对位于中下肺叶的病变的纹理特征的定量影响显著，但多变量考克斯回归模型的生存并没有显著影响23。除了对肺病变的肿瘤内异质性进行定量外，呼吸运动还可对位于上腹部区域的病变的肿瘤内异质性进行定量显著变化。这在调查 ORG 对胰腺导管腺癌 （PDAC）24患者量化的影响的研究中很容易证明。使用 ORG 从 PET 图像中删除呼吸运动伪影可显著影响 PDAC 病变中纹理特征的定量。观察到计算纹理特征与整体生存的相关性受到显著影响。
图1：a）接受正电子发射断层扫描（PET）成像的患者的 18个F氟氧糖酶（FDG）的生理分布。在患者的心脏、大脑和肝脏中，FDG的吸收量显著。 b）与大多数其他非受影响的组织相比，在四期非小细胞肺癌（NSCLC）患者中，多肺、淋巴结和远距离转移的FDG吸收率增加，表明FDG在癌症病变中优先接受。 请单击此处查看此图的较大版本。
图2：正电子发射断层扫描（PET）中基于相位和振幅的浇注。a） 基于相位的浇注，b） 基于振幅的浇注， 和 c） 最佳呼吸门控 （ORG）。在基于相位的门控过程中，每个呼吸循环被细分为固定数量的门（本例中为 4）。在特定门中收集的数据将用于重建从中去除主要呼吸运动部件的图像。基于振幅的浇注依赖于对上下振幅限制的定义。基于振幅的呼吸门控方法通常依赖于用户对振幅范围的规范。当呼吸信号在定义的振幅范围内时收集的数据将用于图像重建。最佳呼吸门控 （ORG） 算法使用这种基于振幅的方法，并将根据提供的占空比（图像重建所需的 PET 数据百分比）计算最佳振幅范围。仍包含图像重建所需的指定数据量的最小振幅范围（以蓝色着色的区域的总和）被选为最佳振幅范围 （W）。为了实现这一点，ORG 算法根据下限 （L） 的不同值调整上限 （U）。通常，增加门数或减小振幅范围将导致以增加图像噪声为成本更有效地抑制呼吸运动。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 3：选择适当的映像协议。可以通过从特定类别中选择协议（通过将鼠标悬停在协议类别（由红色框指示）和从下拉菜单中选择协议来选择预定义的映像协议。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 4：西门子 MCT 和 Horizon PET/CT 扫描仪控制盒上不同的键。1） 移动键，用于将患者表移动到下一个测量位置，2） 卸载患者键：用于在图像采集后将患者表移动到卸载位置，3） 启动键：用于触发扫描，辐射警告标志 （4） 在图像采集期间会点亮，4） 辐射警示灯：在 X 射线管打开时指示并提供警告信号，5） 暂停键：用于保持扫描程序。这是在完成之前中断扫描的首选方法。挂起选项允许在停止时重新启动映像协议， 6） 听到患者键：按此键听患者，光二极管指示侦听连接处于活动状态，再次按此键释放听音连接，7） 扬声器，8） 呼叫患者键：按住此键，同时对麦克风 （10） 向患者提供指令，9） 停止键：用于立即停止扫描程序，在紧急情况下使用，10） 麦克风。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 5：获取顶部图后，必须指定不同床位的采集时间（在"常规"选项卡中）。在此示例中，门控床位置记录 6 分钟（床 2），非门控床位置在 2 分钟内获取（床 1 和 3）。可以通过在第二列中将选项"Physio"设置为"打开"来设置封闭床位置（在顶部图中以橙色突出显示）。 请单击此处查看此图的较大版本。
图6：患者的呼吸波形与"触发"选项卡中呼吸频率（下部）的直方图一起显示在仪表板的上部。从右侧下拉菜单中选择占空比（本例中为 35%）。该协议的标准图像采集时间为每个床位位置 6 分钟，非封闭床位置的标准图像采集时间为 2 分钟。 请单击此处查看此图的较大版本。
图 7：选择图像重建协议（"Recon"选项卡），可以通过填写相关字段为每个协议指定图像重建的详细信息。为了查看，建议高分辨率图像重建协议在重建的PET图像中提供细节。为了量化PET图像上的无线电跟踪器吸收，建议使用符合EAR标准的重建协议。 请单击此处查看此图的较大版本。
图8：非小细胞肺癌患者（NSCLC）的非门控和最佳门控（ORG）FDG-PET+CT图像。此图显示了左下叶有单独 NSCLC病变的患者在站 X 中的无门 （ a ） 和 ORG PET （b） 的图像。使用 35% 的占空比重建 ORG PET 图像。减少呼吸运动的模糊效应会导致该患者从 cT1N0M0 上升至 cT1N1M0，并需要使用内分气道超声 （EBUS） 对高发淋巴结进行组织学评估。这一数字已修改从Grootjans 等人（ 肺癌2015年）。 请单击此处查看此图的较大版本。
图9：右肺高卢原核 NSCLC 病变和卫星病变的非门 （a） 和最佳呼吸门 （ORG） （b） FDG-PET+CT 图像。主要病变用"p"表示，而卫星病变用图中的"s"表示。此患者的呼吸门控改善了与主要病变相邻的卫星病变的对比度恢复。病变的存在在后续CT成像上得到证实，尽管这些发现不会显著影响该患者的临床管理，但组织导致另外的肺病变的检测。这一数字已修改从Grootjans 等人（ 肺癌2015年）。 请单击此处查看此图的较大版本。
图10：左下叶和肺隆有NSCLC病变的患者的非封闭和最佳呼吸门禁（ORG）FDG-PET+CT图像。本示例显示呼吸诱导运动模糊对 NSCLC 病变的可视化和定量的影响。 a） 非门控PET图像描绘左下叶的病变 ，b）ORG PET图像，用左下叶35%的病变重建 ，c） 非门控PET图像描绘左肺隆的病变 ，d） ORGPET图像，用左肺隆的35%的占空比重建。在这个患者中，位于肺高卢的病变受到相当大的呼吸诱导运动，在进行组织时对病变吸收和代谢体积的定量有很大影响。对于此病变，观察到平均标准化吸收值（SUVmean）增加31.9%，代谢量减少23.0%。呼吸运动对上肺叶病变的吸收量和体积的定量作用分别是5.3%和1.9%。这一数字已由Grootjans 等人修改（Eur Radiol，2014年）。 请单击此处查看此图的较大版本。
图11：对患有IV期非小细胞肺癌（NSCLC）的患者具有不同计数统计的最佳呼吸门（ORG）和非封闭PET图像的比较。左列（a 和 c）显示用记录数据的所有 （a） 和 35% （ c ） 重建的非封闭PET图像。比较 图像 a 和 c 时，当用于图像重建的数据较少时，噪声水平会增加，尤其是在相对均匀的吸收区域（如肝脏（用星号"*"表示）中尤为明显。右侧的列 （b 和 d） 显示用 50% 和 35% 占空比重建的 ORG PET 图像。这些图像显示，当占空比降低时，噪声量增加。将非封闭PET图像（c）与组织PET等效图像（d）进行比较，表明 ORG 图像中呼吸诱导的模糊效应降低，这反映在肾上腺（用加号"+"表示）和左肾的肾骨（用'x'表示）的转移性病变的明显大小上。 请单击此处查看此图的较大版本。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
在核医学界，动动人工制品在PET成像中不断恶化的影响早已得到人们的认可。许多研究表明，呼吸运动人工制品的模糊效应可以显著影响图像的定量和病变的可检测性。虽然已经开发出几种呼吸门控方法，但呼吸门控目前尚未在临床实践中得到广泛应用。这尤其是由于由此产生的图像质量可变、图像采集时间无法接受的延长，以及呼吸门控在临床全身成像协议中的非理想集成。ORG 的优点是，它允许在标准全身 PET 成像协议中方便地集成，因此可以无缝集成单个图像中的多个门控和非封闭床位。此外，ORG算法在计算最佳振幅范围时考虑到整个呼吸信号（如高原相）的特定特征，而用户则能够通过指定占空比直接指定重建的PET图像的图像质量。然而，与许多其他呼吸门控方法类似，ORG 要求使用用于进行呼吸门控的外部传感器。此外，根据使用的占空比，大量 PET 数据被丢弃，不用于重建最终图像。因此，使用 ORG 成功进行呼吸门控依赖于使用外部传感器对呼吸运动进行适当跟踪，并延长图像采集时间或给患者的施用活性量。与使用传感器相关的困难激发了数据驱动或无传感器呼吸门控方法25、26、27的发展。这些数据驱动技术通过从PET列表模式数据本身中提取呼吸运动信息，省略了外部代理信号的要求。这些数据驱动技术由多个PET供应商开发，并已被提出作为基于传感器的方法的临床适用替代品，促进常规PET呼吸门控在临床实践中。
除了仅从PET数据中提取有关呼吸运动的信息外，较新的方法允许使用所有PET数据记录在图像重建28。这些运动补偿图像重建通过将PET数据从不同的呼吸阶段弹性转换为从中移除运动伪像的单个图像来执行。与传统的基于传感器的呼吸门控相比，运动补偿重建不需要延长图像采集时间，并且不会防止在门控期间使用额外的硬件。这些方法有效地去除PET图像的呼吸运动，同时保持图像质量29。此外，随着混合PET和磁共振（MR）成像的出现，已经开发出几种方法，利用从 MR 派生的运动信息来校正 PET 图像 30、31、32、33 。虽然这些方法在研究环境中已经存在了一段时间，但第一批数据驱动的呼吸门控方法已经进入市场。然而，这些方法大部分仍在积极开发和持续改进中，需要更大的临床研究来评估这些算法的性能和鲁棒性。
虽然呼吸门控方法主要侧重于校正呼吸运动人工制品的PET图像，但这些算法通常不考虑获得的CT数据。在临床实践中，低剂量（LD）CT通常不提供呼吸指令的情况下进行。当患者自由呼吸时，获得LDCT的注册可能导致呼吸门控PET和LDCT之间的明显空间不匹配，特别是呼吸过程中移动的解剖结构。除了精确定位无线电跟踪器吸收外，LDCT 还用于 PET 图像的衰减校正。因此，PET 和 CT 之间的空间不匹配的影响可以在 PET 中引入深刻的定量不准确，特别是当放射图器吸收位于密度差异较大的结构附近时，例如肺和骨组织。几位作者研究过同步图像采集的不同方法，以减少PET和CT图像之间的空间不匹配。一个建议的方法是在CT采集期间向患者提供呼吸指令。虽然标准CT呼吸指令与组织相结合，在CT和PET35之间的空间匹配方面没有改善，但基于同一呼吸信号和振幅范围的患者特异性指令确实导致PET和CT36之间的空间匹配得到全面改善。但是，这些方法对操作员指令和患者解释的变化很敏感。通过在 PET-CT 成像前与患者进行培训课程，取得了更好的结果。然而，鉴于一些患者由于身体状况受损而难以遵守这些呼吸指令，在临床环境中，成功与否可能仍为变数。其他方法包括使用呼吸触发CT，其中呼吸信号用于触发CT采集34。这种方法与 ORG 相结合，显著减少了 PET 和 CT 图像之间的空间不匹配。在一项评估触发到标准CT协议的研究中，SUV最大 和SUV均值 分别增加了5.7%±11.2%（P <0.001%）和6.1%±10.2%（P = 0.001）。虽然已提出完整的 4D CT 门控与 PET 和 CT 图像相匹配，但鉴于患者受到的辐射暴露率高，此类策略不适用于常规临床实践。减少PET和CT图像空间不匹配的不同方法仍在评估中，其有效性和临床用途。
虽然呼吸运动对PET图像的图像量化影响很大，但为了保持PET图像的可重复性和定量精度，还有许多其他技术因素需要考虑。这些因素与患者准备、成像采集设置和重建方案有关。重要的是要遵守严格的采集协议，包括使用类似的病人准备程序，评估特定时间点的放射跟踪器吸收，以及扫描和重建参数11，37。在这方面，欧洲核医学协会（EANM）为多中心比较提供了定量FDGPET+CT的指南。结果表明，使用标准化准则统一成像方案可全面提高不同机构PET图像的可比性。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
提交人声明没有利益冲突。
Acknowledgments
作者要感谢理查德·拉格胡提供了图1所示的 PET图像。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sensor Port, sensor, black box, wave deck, elastic band, load cell sensor (complete set) | anzai medical co. | respiratory gating system AZ-733V | http://www.anzai-med.co.jp/en/product/item/az733v |
References
- Kostakoglu, L., Agress, H., Goldsmith, S. J. Clinical Role of FDG PET in Evaluation of Cancer Patients. Radiographics. 23 (2), 315-340 (2003).
- Grootjans, W., et al. PET in the management of locally advanced and metastatic NSCLC. Nature Reviews Clinical Oncology. 12 (7), 395-407 (2015).
- Croteau, E., et al. PET Metabolic Biomarkers for Cancer. Biomarkers in Cancer. 8, Suppl 2 61-69 (2016).
- Vlenterie, M., et al. Early Metabolic Response as a Predictor of Treatment Outcome in Patients With Metastatic Soft Tissue Sarcomas. Anticancer Research. 39 (3), 1309-1316 (2019).
- Barrington, S. F., Meignan, M. A. Time to prepare for risk adaptation in lymphoma by standardising measurement of metabolic tumour burden. Journal of Nuclear Medicine. 60 (8), 1096-1102 (2019).
- Grootjans, W., et al. Performance of automatic image segmentation algorithms for calculating total lesion glycolysis for early response monitoring in non-small cell lung cancer patients during concomitant chemoradiotherapy. Radiotherapy and Oncology. 119 (3), 473-479 (2016).
- Grootjans, W., Geus-Oei, L. F., Bussink, J. Image-guided adaptive radiotherapy in patients with locally advanced non-small cell lung cancer: the art of PET. Quarterly Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 62 (4), 369-384 (2018).
- Everitt, S., et al. Acute radiation oesophagitis associated with 2-deoxy-2-[18F]fluoro-d-glucose uptake on positron emission tomography/CT during chemo-radiation therapy in patients with non-small-cell lung cancer. Journal of Medical Imaging and Radiation Oncology. 61 (5), 682-688 (2017).
- Castillo, R., et al. Pre-radiotherapy FDG PET predicts radiation pneumonitis in lung cancer. Radiation Oncology. 74 (9), 1-10 (2014).
- Lee, J. W., Seo, K. H., Kim, E. S., Lee, S. M. The role of 18F-fluorodeoxyglucose uptake of bone marrow on PET/CT in predicting clinical outcomes in non-small cell lung cancer patients treated with chemoradiotherapy. European Radiology. 27 (5), 1912-1921 (2017).
- Aide, N., et al. EANM/EARL harmonization strategies in PET quantification: from daily practice to multicentre oncological studies. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 44, Suppl 1 17-31 (2017).
- Grootjans, W., et al. Amplitude-based optimal respiratory gating in positron emission tomography in patients with primary lung cancer. European Radiology. 24 (12), 3242-3250 (2014).
- Dawood, M., Büther, F., Lang, N., Schober, O., Schäfers, K. P. Respiratory gating in positron emission tomography: A quantitative comparison of different gating schemes. Medical Physics. 34 (7), 3067 (2007).
- Fayad, H., Lamare, F., Thibaut, M., Visvikis, D. Motion correction using anatomical information in PET/CT and PET/MR hybrid imaging. Quarterly Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 60 (1), 12-24 (2016).
- Nehmeh, S. A., et al. A novel respiratory tracking system for smart-gated PET acquisition. Medical Physics. 38 (1), 531-558 (2011).
- Boucher, L., Rodrigue, S., Lecomte, R., Bénard, F. Respiratory Gating for 3-Dimensional PET of the Thorax: Feasibility and Initial Results. Journal of Nuclear Medicine. 45 (2), 214-229 (2004).
- Kokki, T., et al. Linear relation between spirometric volume and the motion of cardiac structures: MRI and clinical PET study. Journal of Nuclear Cardiology. 23 (3), 475-485 (2016).
- van Elmpt, W., et al. Optimal gating compared to 3D and 4D PET reconstruction for characterization of lung tumours. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 38 (5), 843-855 (2011).
- Tsutsui, Y., et al. Accuracy of amplitude-based respiratory gating for PET/CT in irregular respirations. Annals of Nuclear Medicine. 28 (8), 770-779 (2014).
- Grootjans, W., et al. The impact of respiratory gated positron emission tomography on clinical staging and management of patients with lung cancer. Lung Cancer. 90 (2), 217-223 (2015).
- Van Der Gucht, A., et al. Impact of a new respiratory amplitude-based gating technique in evaluation of upper abdominal PET lesions. European Journal of Radiology. 83 (3), 509-515 (2014).
- Wijsman, R., et al. Evaluating the use of optimally respiratory gated 18F-FDG-PET in target volume delineation and its influence on radiation doses to the organs at risk in non-small-cell lung cancer patients. Nuclear Medicine Communications. 37 (1), 66-73 (2016).
- Grootjans, W., et al. The Impact of Optimal Respiratory Gating and Image Noise on Evaluation of Intratumor Heterogeneity on 18F-FDG PET Imaging of Lung Cancer. Journal of Nuclear Medicine. 57 (11), 1692-1698 (2016).
- Smeets, E. M. M., et al. Optimal respiratory-gated [18F]FDG PET/CT significantly impacts the quantification of metabolic parameters and their correlation with overall survival in patients with pancreatic ductal adenocarcinoma. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging Research. 9 (1), 1-10 (2019).
- Büther, F., Vehren, T., Schäfers, K. P., Schäfers, M. Impact of Data-driven Respiratory Gating in Clinical PET. Radiology. 281 (1), 229-238 (2016).
- Feng, T., et al. Self-Gating: An Adaptive Center-of-Mass Approach for Respiratory Gating in PET. IEEE Transactions on Medical Imaging. 37 (5), 1140-1148 (2018).
- Schleyer, P. J., O'Doherty, M. J., Marsden, P. K. Extenstion of a data-driven gating technique to 3D, whole body PET studies. Physics in Medicine & Biology. 56 (13), 3953-3965 (2011).
- Lamare, F., Fayad, H., Fernandez, P., Visvikis, D. Local respiratory motion correction for PET/CT imaging: Application to lung cancer. Medical Physics. 42 (10), 5903-5912 (2015).
- Lamare, F., et al. List-mode-based reconstruction for respiratory motion correction in PET using non-rigid body transformations. Physics in Medicine & Biology. 52 (17), 5187-5204 (2007).
- Manber, R., et al. Clinical Impact of Respiratory Motion Correction in Simultaneous PET/MR, Using a Joint PET/MR Predictive Motion Model. Journal of Nuclear Medicine. 59 (9), 1467-1473 (2018).
- Rank, C. M., et al. Respiratory motion compensation for simultaneous PET/MR based on highly undersampled MR data. Medical Physics. 43 (12), 6234-6245 (2016).
- Küstner, T., et al. MR-based respiratory and cardiac motion correction for PET imaging. Medical Image Analysis. 42, 129-144 (2017).
- Fayad, H., et al. The use of a generalized reconstruction by inversion of coupled systems (GRICS) approach for generic respiratory motion correction in PET/MR imaging. Physics in Medicine & Biology. 60 (6), 2529-2546 (2015).
- van der Vos, C. S., et al. Improving the Spatial Alignment in PET/CT Using Amplitude-Based Respiration-Gated PET and Respiration-Triggered CT. Journal of Nuclear Medicine. 56 (12), 1817-1822 (2015).
- van der Vos, C. S., et al. Comparison of a Free-Breathing CT and an Expiratory Breath-Hold CT with Regard to Spatial Alignment of Amplitude-Based Respiratory-Gated PET and CT Images. Journal of Nuclear Medicine Technology. 42 (4), 269-273 (2014).
- van der Vos, C. S., Meeuwis, A. P. W., Grootjans, W., de Geus-Oei, L. F., Visser, E. P. Improving the spatial alignment in PET/CT using amplitude-based respiratory-gated PET and patient-specific breathing-instructed CT. Journal of Nuclear Medicine Technology. 47 (2), 154-159 (2018).
- Houdu, B., et al. Why harmonization is needed when using FDG PET/CT as a prognosticator: demonstration with EARL-compliant SUV as an independent prognostic factor in lung cancer. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 46 (2), 421-428 (2019).
- Kaalep, A., et al. EANM/EARL FDG-PET/CT accreditation - summary results from the first 200 accredited imaging systems. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 45 (3), 412-422 (2018).
