Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Behavior

Radiotracer Administration for High Temporal Resolution Positron Emission Tomoography of the Human Brain: Application to FDG-fPET

doi: 10.3791/60259 Published: October 22, 2019

Summary

Questo manoscritto descrive due protocolli di amministrazione del radiotracer per FDG-PET (infusione costante e bolus plus infusione) e li confronta con l'amministrazione del bolo. Le risoluzioni temporali di 16 s sono realizzabili utilizzando questi protocolli.

Abstract

La tomografia funzionale a emissione di positroni (fPET) fornisce un metodo per tracciare obiettivi molecolari nel cervello umano. Con un analogo al glucosio etichettato radioattivamente, 18F-fluordeoxyglucose (FDG-fPET), è ora possibile misurare la dinamica del metabolismo del glucosio con risoluzioni temporali che si avvicinano a quelle della risonanza magnetica funzionale (fMRI). Questa misura diretta dell'assorbimento del glucosio ha un enorme potenziale per comprendere la normale e anormale funzione cerebrale e sondare gli effetti delle malattie metaboliche e neurodegenerative. Inoltre, i nuovi progressi nell'hardware ibrido MR-PET consentono di cogliere le fluttuazioni del glucosio e dell'ossigenazione del sangue contemporaneamente utilizzando fMRI e FDG-fPET.

La risoluzione temporale e il segnale al rumore delle immagini FDG-fPET dipendono in modo critico dalla somministrazione del radiotracer. Questo lavoro presenta due protocolli alternativi di infusione continua e li confronta con un approccio tradizionale al bolo. Presenta un metodo per l'acquisizione di campioni di sangue, PET di blocco del tempo, risonanza magnetica, stimolo sperimentale e la somministrazione di traccianti non tradizionali. Utilizzando uno stimolo visivo, i risultati del protocollo mostrano le mappe corticali della risposta del glucosio a stimoli esterni a livello individuale con una risoluzione temporale di 16 s.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

La tomografia a emissione di positroni (PET) è una potente tecnica di imaging molecolare ampiamente utilizzata sia in ambito clinico che di ricerca (vedere Heurling et al.1 per una recente revisione completa). Gli obiettivi molecolari che possono essere immagine utilizzando PET sono limitati solo dalla disponibilità di radiotracciatori, e numerosi traccianti sono stati sviluppati per l'immagine di recettori del metabolismo neurale, proteine ed enzimi2,3. Nelle neuroscienze, uno dei radiotracciatori più utilizzati è 18F-fluorodeoxyglucose (FDG-PET), che misura l'assorbimento del glucosio, di solito interpretato come un indice del metabolismo cerebrale del glucosio. Il cervello umano richiede un apporto costante e affidabile di glucosio per soddisfare il suo fabbisogno energetico4,5, e 70-80% del metabolismo del glucosio cerebrale viene utilizzato dai neuroni durante la trasmissione sinaptica6. Cambiamenti al metabolismo del glucosio cerebrale sono pensati per avviare e contribuire a numerose condizioni, tra cui psichiatriche, neurodegenerative, e condizioni ischemiche7,8,9. Inoltre, poiché l'assorbimento degli FDG è proporzionale all'attività sinaptica10,11,12, è considerato un indice più diretto e meno confuso di attività neuronale rispetto al sangue più utilizzato la risposta di risonanza magnetica funzionale dipendente dal livello di ossigenazione (BOLD-fMRI). BOLD-fMRI è un indice indiretto dell'attività neurale e misura i cambiamenti nell'emoglobina deossigenata che si verificano a seguito di una cascata di cambiamenti neurovascolari a seguito dell'attività neuronale.

La maggior parte degli studi FDG-PET del cervello umano acquisiscono immagini statiche dell'assorbimento del glucosio cerebrale. Il partecipante riposa tranquillamente per 10 min con gli occhi aperti in una stanza buia. La dose completa di radiotracer viene somministrata come bolus per un periodo di secondi, e il partecipante poi riposa per altri 30 min. Dopo il periodo di assorbimento, i partecipanti vengono posizionati al centro dello scanner PET e viene acquisita un'immagine PET che riflette la distribuzione FDG cumulativa nel corso dei periodi di assorbimento e scansione. Pertanto, l'attività neuronale indicizzata dall'immagine PET rappresenta la media cumulativa di tutta l'attività cognitiva nei periodi di assorbimento e scansione e non è specifica dell'attività cognitiva durante la scansione. Questo metodo ha fornito una grande comprensione del metabolismo cerebrale del cervello e della funzione neuronale. Tuttavia, la risoluzione temporale è uguale alla durata della scansione (spesso 45 min, producendo in modo efficace una misurazione statica dell'assorbimento del glucosio; questo si confronta sfavorevolmente alla risposta neuronale durante i processi cognitivi e gli esperimenti comuni in neuroimaging. A causa della limitata risoluzione temporale, il metodo fornisce un indice non specifico dell'assorbimento del glucosio (cioè non bloccato a un compito o a un processo cognitivo) e non può fornire misure di variabilità all'interno del soggetto, il che può portare a conclusioni scientifiche errate dovute al Paradosso di Simpson13. Il Paradosso di Simpson è uno scenario, in cui le relazioni cervello-comportamento calcolate tra i soggetti non sono necessariamente indicative delle stesse relazioni testate all'interno dei soggetti. Inoltre, i recenti tentativi di applicare misure di connettività funzionale a FDG-PET possono misurare solo la connettività tra i soggetti. Pertanto, le differenze di connettività possono essere confrontate solo tra i gruppi e non possono essere calcolate per i singoli soggetti. Mentre è discutibile ciò che esattamente tra i soggetti misure di connettività14, è chiaro che le misure calcolate tra i soggetti, ma non all'interno di argomenti, non possono essere utilizzate come biomarcatore per gli stati di malattia o utilizzate per esaminare la fonte di variazione individuale.

Negli ultimi cinque anni, lo sviluppo e la più ampia accessibilità degli scanner RM-PET simultanei di grado clinico hanno suscitato un rinnovato interesse di ricerca nell'imaging FDG-PET2 nelle neuroscienze cognitive. Con questi sviluppi, i ricercatori si sono concentrati sul miglioramento della risoluzione temporale di FDG-PET per avvicinarsi agli standard di BOLD-fMRI (0,5,5 s). Si noti che la risoluzione spaziale di BOLD-fMRI può affrontare risoluzioni submillimetriche, ma la risoluzione spaziale di FDG-PET è fondamentalmente limitata a circa 0,54 mm di larghezza completa a metà massima (FWHM) a causa della gamma dipositron15. Le acquisizioni dinamiche di FDG-PET, spesso utilizzate clinicamente, utilizzano il metodo di amministrazione del bolus e ricostruiscono i dati in modalità elenco nei contenitori. Il metodo bolus dinamico FDG-PET offre una risoluzione temporale di circa 100 s (ad esempio, Tomasi et al.16). Questo è chiaramente molto meglio rispetto all'imaging statico FDG-PET, ma non è paragonabile a BOLD-fMRI. Inoltre, la finestra in cui può essere esaminata la funzione cerebrale è limitata, perché la concentrazione di plasma sanguigno del FDG diminuisce subito dopo la somministrazione del bolo.

Per ampliare questa finestra sperimentale, una manciata di studi17,18,19,20,21 hanno adattato il metodo di infusione del radiotracer precedentemente proposto da Carson22, 23. In questo metodo, talvolta descritto come "FDG-PET funzionale" (FDG-fPET, analogo a BOLD-fMRI), il radiotracer viene somministrato come infusione costante nel corso dell'intera scansione PET (90 min). L'obiettivo del protocollo di infusione è mantenere una fornitura costante di plasma di FDG per monitorare i cambiamenti dinamici nell'assorbimento del glucosio nel tempo. In uno studio proof-of-concept, Villien et al.21 ha utilizzato un protocollo di infusione costante e UNA risonanza magnetica simultanea, la RM/FDG-fPET per mostrare cambiamenti dinamici nell'assorbimento del glucosio in risposta alla stimolazione a scacchiera con una risoluzione temporale di 60 s. Studi successivi hanno utilizzato questo metodo per mostrare FDG-fPET bloccati dal blocco di attività (cioè bloccati nel tempo a uno stimolo esterno19) e FDG-fPET relativi alle attività (cioè non bloccati nel tempo a uno stimolo esterno17, 18)assorbimento del glucosio. Utilizzando questi metodi, sono state ottenute risoluzioni temporali FDG-fPET di 60 s, il che è un sostanziale miglioramento rispetto ai metodi di bolus. I dati preliminari mostrano che il metodo di infusione può fornire risoluzioni temporali di 20-60 s19.

Nonostante i promettenti risultati del metodo di infusione costante, le curve di radioattività plasmatica di questi studi mostrano che il metodo di infusione non è sufficiente per raggiungere uno stato costante entro il lasso di tempo di una scansione di 90 min19,21. Oltre alla costante procedura di infusione, Carson22 ha anche proposto una procedura ibrida bolus/infusione, in cui l'obiettivo è quello di raggiungere rapidamente l'equilibrio all'inizio della scansione, e quindi sostenere i livelli di radioattività al plasma all'equilibrio per il durata della scansione. Rischka et al.20 ha recentemente applicato questa tecnica utilizzando un 20% bolus più 80% infusione. Come previsto, la funzione di input arterioso è rapidamente salita al di sopra dei livelli di base ed è stata sostenuta a un tasso più elevato per un tempo più lungo, rispetto ai risultati utilizzando una procedura di solo infusione19,21.

Questo documento descrive i protocolli di acquisizione per l'acquisizione di scansioni FDG-fPET ad alta risoluzione temporale utilizzando l'amministrazione di solo infusione e radiotracer bolus/infusione. Questi protocolli sono stati sviluppati per l'uso in un ambiente MRI-PET simultaneo con un tempo di acquisizione di 90-95 min19. Nel protocollo, vengono prelevati campioni di sangue per quantificare la radioattività del siero plasma per la successiva quantificazione delle immagini PET. Mentre l'obiettivo del protocollo è l'applicazione di metodi di infusione per il neuroimaging funzionale utilizzando BOLD-fMRI/FDG-fPET, questi metodi possono essere applicati a qualsiasi studio FDG-fPET indipendentemente dal fatto che la risonanza magnetica simultanea, BOLD-f La risonanza magnetica, la tomografia computerizzata (TC) o altre neuroimmagini vengono acquisite. Figura 1 Mostra il diagramma di flusso delle procedure in questo protocollo.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Questo protocollo è stato rivisto e approvato dal Comitato Etico della Ricerca Umana dell'Università di Monash (numero di approvazione CF16/1108 - 2016000590) in conformità con la dichiarazione nazionale australiana sulla condotta etica nella ricerca umana24. Le procedure sono state sviluppate sotto la guida di un fisico medico accreditato, tecnologo di medicina nucleare e radiografo clinico. I ricercatori dovrebbero fare riferimento ai loro esperti locali e linee guida per la somministrazione di radiazioni ionizzanti negli esseri umani.

1. Attrezzature e personale necessari

  1. Vedere la Tabella dei materiali per la sala scanner, laboratorio di radiochimica, e materiali generali. Per il radiotracer è stato utilizzato un fornitore commerciale.
  2. Nell'ambiente simultaneo MRI-PET, utilizzare quattro persone: un radiografo (RG) per eseguire la scansione, un tecnico medico nucleare (NMT) per supervisionare la somministrazione del radiotracer e l'acquisizione di campioni di sangue, un assistente di laboratorio (LA) per far girare il sangue, e un assistente di ricerca (RA) responsabile di supervisionare la presentazione sperimentale di progettazione e stimolo.

2. Preparazione

  1. Preparazione della dose di tracciamento da parte dell'NMT
    1. Calcolare il volume di infusione che verrà somministrato nel corso della scansione. In questo protocollo, il tasso di infusione è di 0,01 mL/s superiore a 95 min. Quindi, in una scansione di 95 min, i partecipanti ricevono 0,01 mL/s x 60 s x 95 min x 57 mL.
    2. Calcolare la dose di tracciante che verrà diluita nella soluzione salina somministrata. In questo protocollo, una dose totale di 260 MBq viene somministrata al partecipante oltre 95 min. Questa dose è stata scelta per limitare l'esposizione alle radiazioni a 4,9 mSv, per mantenere all'interno della categorizzazione "basso livello" secondo le linee guida dell'Agenzia australiana per la protezione dalle radiazioni e la sicurezza nucleare (ARPANSA) per l'esposizione degli esseri umani alle radiazioni ionizzanti25. Decadimento corretto 260 MBq dal punto di infusione centrale (47,5 min) torna a T0. Utilizzo dell'equazione 1, risolvere per A0

      Quando At è la radioattività (MBq) a metà tempo dell'infusione, A0 è la radioattività iniziale, e il - è la costante di decadimento radioattivo specifica per il tracciante. Per la FDG, il valore di è s 0,693/T1/2. T1/2 è l'emivita di 18F (110 min).
      NOTA: In questo esempio, At è 260 MBq, s, 0,693/110, e t -47,5, quindi A0 è 350.942 MBq.
    3. Calcolare la dose di radiotracer necessaria per il sacchetto salino da 100 mL che verrà utilizzato per somministrare la dose al partecipante. Il radiotracer necessario per il sacchetto salitico viene diluito fino a un volume totale di 5 mL e redatto in una siringa da 5 mL. Pertanto, per il sacchetto salino da 100 mL, il fattore di diluizione è il volume della salina (100 mL) oltre al volume di 5 mL della siringa con radiotracciatore. Questo volume totale di 105 mL è diviso per il volume di infusione di 57 mL (cioè 105 mL/57 mL - 1.842). Quindi, la radioattività totale in un volume di 5 mL necessaria per l'aggiunta al sacchetto da 100 mL è A0 x il fattore di diluizione (cioè 350.942 MBq x 1.842 x 646,44 MBq). Aggiungere aquestolmente il radiotracer al sacchetto salino.
      NOTA: È importante notare che l'attività calcolata di 646,44 MBq che viene aggiunta al sacchetto salina è l'attività richiesta all'inizio dell'infusione. Generalmente, le dosi per questo protocollo sono preparate tra 15 min a 1 h prima della somministrazione. Pertanto, è importante tenere conto del decadimento del radioisotopo. Equazione 1 in 2.1.2. può essere utilizzato per tenere conto di questo, dove il tempo (t) è il numero totale di minuti dalla preparazione della dose a quando l'attività sarà somministrata, At - 646,44 MBq, risolvendo per A0.
    4. Preparare la dose di innesco. Ritirare 20 mL dalla borsa in una siringa e farla avvolgere. Calibrare questa siringa da 20 mL e l'etichetta. La siringa è calibrata come controllo di riferimento per garantire che la radioattività si sia dispersa uniformemente all'interno del sacchetto salino.
    5. Preparare la dose. Utilizzando una siringa da 50 mL, ritirare 60 mL dal sacchetto e il tappo con un tappo Rosso Combi. Questa siringa non è calibrata, in quanto la concentrazione della radioattività è nota dal momento in cui è stata aggiunta al sacchetto salino (passaggio 2.1.3). Conservare entrambe le siringhe nel laboratorio di radiochimica fino a quando non è pronto per la scansione.
      NOTA: È possibile disegnare un volume di 60 mL in una siringa da 50 mL, perché le siringhe Terumo sono contrassegnate al 20% al di sopra del volume etichettato (ad esempio, una siringa da 50 mL è contrassegnata da 60 mL).
    6. Preparare la dose di riferimento. Riempire un flacone volumetrico da 500 ml con circa 480 mL di acqua distillata. Disegnare 10 MBq di 18F-FDG in una siringa, corretta dal decadimento all'ora di inizio della scansione (utilizzando l'equazione 1) e aggiungerla al pallone. Completa il volume fino alla marca di 500 mL con più acqua distillata e mescola accuratamente. Apporre etichette pre e post-calibrazione per la siringa.
  2. Preparazione della sala scanner da parte dell'NMT
    1. Una volta che il partecipante è posizionato nello scanner, c'è molto poco spazio per manipolare o recuperare la linea per l'infusione o campioni di sangue se si verifica un blocco. Preparare la sala scanner per ridurre al minimo la possibilità di blocco della linea.
    2. Assicurarsi che tutte le attrezzature per la raccolta del sangue siano facilmente raggiungibili dal sito di raccolta. Posizionare i sottopad alla fine della cannula e su qualsiasi superficie che conterrà contenitori di sangue. Posizionare i bidoni per rifiuti regolari e rifiuti biopericolosi a portata di mano del sito di raccolta del sangue.
  3. Preparazione della pompa di infusione da parte del NMT
    1. Impostare la pompa di infusione nella sala scanner sul lato che verrà collegata al partecipante. Costruire mattoni di piombo intorno alla base della pompa e posizionare lo scudo di piombo di fronte alla pompa. Collegare il tubo per la pompa di infusione che fornisce l'infusione al partecipante e assicurarsi che sia stato inserito il tasso di infusione corretto. Per questo protocollo, la frequenza è 0,01 mL/s.
    2. Prime il tubo prima che sia collegato alla cannula del partecipante. Collegare la dose di innesco da 20 ml alla pompa di infusione. Alla fine del tubo che sarà collegato al partecipante, allegare un rubinetto a tre vie e una siringa vuota da 20 mL. Assicurarsi che il rubinetto sia posizionato per consentire alla soluzione 18F-FDG di fluire dalla dose di innesco attraverso il tubo e raccogliere solo nella siringa vuota.
    3. Preimpostare la pompa di infusione per innescare un volume di 15 mL. Selezionare il pulsante Prime sulla pompa e seguire le istruzioni per inizializzare la linea.
    4. Collegare la siringa di dose da 50 mL alla pompa di infusione al posto della dose di priming. La dose innescata da 15 mL sul rubinetto a tre può rimanere lì fino a quando il partecipante non è pronto per essere collegato alla pompa.
  4. Preparazione dei partecipanti da parte di NMT, RA e RG
    1. Consigliare ai partecipanti di digiunare per 6 h e di consumare solo acqua (circa due bicchieri), prima della scansione.
    2. Chiedi all'AR di eseguire le procedure di consenso e di acquisire misure aggiuntive (ad esempio, indagini demografiche, batterie cognitive, ecc.). Avere le nmT e RG condurre gli schermi di sicurezza, la sicurezza di revisione NMT per la scansione PET (ad esempio, l'esclusione per gravidanza, diabete, chemioterapia o radioterapia nelle precedenti 8 settimane e le allergie note), e la sicurezza dei partecipanti revisione RG per la scansione RM (ad esempio, l'esclusione per gravidanza, impianti metallici medici o non medici, impianti dentali non rimovibili, claustrofobia).
    3. Cannula il partecipante.
      1. Utilizzare due cannule: una per la somministrazione della dose e l'altra per il prelievo del sangue. La cannula più appropriata varia da partecipante a seconda dei partecipanti, ma la vena più adatta dovrebbe essere riservata alla raccolta del sangue. Una cannula da 22 G è la dimensione minima preferita. Raccogliere un campione di sangue di base da 10 ml durante la cannulating. Scollegare tutti i vampate di salina sotto pressione per mantenere la pacienza della linea.
      2. Verificare il livello di zucchero nel sangue del partecipante e altre misure del sangue di base (ad esempio, l'emoglobina) dal campione di base.
  5. Posizionamento del partecipante nello scanner da parte di RG e NMT
    1. Fare in modo che il file RG posizioni il partecipante nel foro dello scanner. Per scansioni lunghe, è imperativo garantire il comfort al fine di ridurre il rischio di abbandono del partecipante e movimento artefatto a causa di disagio. Il partecipante deve essere coperto con una coperta usa e getta per mantenere una temperatura corporea confortevole.
    2. Avere il NMT lavare la cannula per assicurarsi che sia brevettata con resistenza minima prima di collegare la linea di infusione. Una volta collegato, il tubo può essere leggermente registrato vicino al polso. Istruire il partecipante a tenere il braccio raddrizzato. Utilizzare supporti come schiuma o cuscini per il comfort. Chiedi al NMT anche di controllare la cannula che verrà utilizzata per i campioni di plasma per garantire che sia in grado di prelevare il sangue con una resistenza minima. Potrebbe essere necessario collegare un tubo di estensione innescato con normale salina per rendere la cannula più accessibile mentre il partecipante è nello scanner. Se necessario, deve essere controllato per eventuali perdite.
    3. Una volta che il soggetto è nel foro dello scanner, assicurarsi che il NMT controlli di avere un accesso adeguato a entrambe le cannule.
    4. Chiedi al NMT di informare l'RG e l'AR se ci sono problemi con la cannula di raccolta del sangue, la cannula di infusione o la pompa di infusione (ad esempio, occlusione, batteria, stravaganze) in qualsiasi momento durante la scansione.

3. Eseguire la scansione del partecipante

  1. Avvio della scansione con NMT, RG e RA
    1. All'inizio della scansione, collocare l'NMT nella sala scanner per monitorare l'apparecchiatura di infusione. Assicurarsi che l'NMT indossi la protezione dell'udito e utilizzi lo scudo barriera per ridurre al minimo l'esposizione alle radiazioni dalla dose, ove possibile.
    2. Mentre il RG esegue la scansione del localizzatore per assicurarsi che il partecipante si trova nella posizione corretta, controllare i dettagli per l'acquisizione PET (ad esempio, la durata della scansione, la raccolta dei dati in modalità elenco, l'isotopo corretto).
    3. Progettare il protocollo in modo che l'acquisizione del PET inizi con la prima sequenza di risonanza magnetica. Il RG prepara e inizia la sequenza di risonanza magnetica. L'ora di inizio dell'acquisizione PET di 95 min è bloccata nel tempo all'inizio della sequenza MRI. Se necessario, l'NMT deve fornire il bolus al momento dell'acquisizione pet (Figura 1).
    4. Avviare la pompa di infusione. Il RG deve segnalare il NMT (ad esempio, tramite un segno di pollice in su) per avviare la pompa 30 s dopo l'inizio dell'acquisizione PET. Questo protocollo avvia la pompa di infusione 30 s dopo l'ora di inizio della scansione per fornire un buffer di sicurezza in caso di guasto della scansione. Ciò garantisce inoltre che la prima immagine scattata durante la scansione PET indicizzi il cervello prima della somministrazione del radiotracer per la raccolta completa dei dati della curva di attività temporale. Avere il NMT osservare la pompa per assicurarsi che ha iniziato a infondere il 18F-FDG e che non vi è alcuna occlusione immediata della linea.
    5. Chiedere all'AR di avviare qualsiasi stimolo esterno al momento concordato (cioè, all'inizio di un blocco funzionale run/experimental) e di calcolare i tempi dei campioni di sangue. Un modulo di record di esempio è illustrato nel Supplemento 1. Chiedi all'AUTORITÀ di calcolare il tempo previsto di ogni campione di sangue e di fornire copie all'NMT e all'assistente di laboratorio (LA). Chiedere all'AR di assicurarsi che l'NMT prenda i campioni di sangue all'incirca al momento corretto e monitori le apparecchiature (ad esempio, pompa di infusione, stimolo) per eventuali segni di errori.
  2. Prelevare campioni di sangue a intervalli di tempo regolari
    1. Chiedi al NMT e all'AR di prendere un campione ogni 10 min. Di solito ci sono 10 campioni in totale, senza includere il campione di base.
    2. Se si acquisiscono scansioni RM contemporaneamente con scansioni PET, fare in modo che il NMT indossi la protezione dell'udito quando entra nella sala scanner.
    3. Fai pulire i guanti e i tamponi NMT. Mentre il sito di cannula si asciuga, aprire una siringa da 5 mL e una siringa da 10 mL, un vacutainer e un colore salina da 10 mL.
    4. Utilizzando la siringa da 5 mL, ritirare 4-5 mL di sangue fresco e scartare la siringa nei rifiuti di pericolo biologico.
    5. Utilizzando la siringa da 10 mL, ritirare fino a 10 mL di sangue. Il volume può essere limitato dalla facilità con cui il sangue può essere prelevato. È importante ridurre al minimo qualsiasi resistenza causando successivamente danni ai globuli rossi che possono emolizzare. Nel punto di raccolta media, chiedi al segnale NMT all'AR, che segnerà questa volta sul modulo di registrazione (Supplemento 1) come tempo 'effettivo' del campione.
    6. Collegare la siringa da 10 mL al vacutainer e quindi depositare il sangue nel relativo tubo sanguigno.
    7. Sciacquare rapidamente la cannula con 10 mL di salina, scollegata sotto pressione, per ridurre al minimo la possibilità di coagulazione della linea.
    8. Immediatamente portare il campione di sangue al laboratorio di radiochimica per l'analisi.
  3. Girare il sangue vicino al LA
    1. Chiedi al LA di preparare tutta l'attrezzatura (Tabella 1) e di indossare i guanti. Hanno tre rack per i campioni: uno per i tubi del sangue, uno per il pipettaggio del campione e uno per i campioni con tubi riempiti (pre e post-conteggio).
      1. Avere il LA cambiare regolarmente i guanti durante la procedura, soprattutto quando si maneggia il tubo di conteggio. Se l'ANA ha una contaminazione radioattiva al plasma sui guanti, può essere trasferita al tubo di conteggio e aumentare spuriamente il numero di conteggi registrati del campione.
    2. Il campione di sangue può essere collocato nella centrifuga come la disponibilità di risorse di personale permette, perché il tempo che il campione di sangue è stato prelevato, e il tempo è stato contato è stato notato. Girare tutti i campioni ad una forza centrifuga relativa di 724 x g. Le impostazioni di centrifuga utilizzati per questo protocollo sono 2.000 rpm per 5 min con le curve di accelerazione e decelerazione impostate su otto.
    3. Una volta che il campione è stato filato, posizionare il tubo nel rack di pipettaggio. Rimuovere il tappo del tubo per non disturbare la separazione del campione. Posizionare un tubo di conteggio etichettato nel rack. L'etichetta deve corrispondere al tubo sanguigno.
    4. Assicurarsi che la punta sia fissata saldamente alla pipetta. Avere un tessuto pronto per le gocce. Costantemente pipette 1.000 .
    5. Posizionare il tubo di conteggio nel contatore dei pozzi e contare per 4 min. Registrare l'ora di inizio del conteggio sul foglio di registrazione ('tempo di misurazione') per ogni campione. Ciò è necessario per le successive correzioni all'ora di inizio dell'acquisizione PET. In momenti successivi durante la scansione, fare in modo che l'AN esegua ogni fase in rapida successione per evitare un arretrato di campioni.
    6. Smaltire eventuali rifiuti di prodotti ematici in sacchetti per il rischio biologico.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Metodi specifici dello studio
Qui vengono riportati i dettagli specifici dello studio per i risultati rappresentativi. Questi dettagli non sono critici per la procedura e variano a seconda degli studi.

Partecipanti e progettazione delle attività
I partecipanti (n - 3, tabella 2) hanno subito uno studio simultaneo BOLD-fMRI/FDG-fPET. Poiché questo manoscritto si concentra sul protocollo di acquisizione PET, i risultati della risonanza magnetica non vengono riportati. I partecipanti hanno ricevuto 260 MBq di 18F-FDG nel corso di una scansione di 95 min. Il partecipante 1 ha ricevuto la dose completa come bolus all'inizio della scansione. Il partecipante 2 ha ricevuto la dose in un protocollo solo per infusione. Il partecipante 3 ha ricevuto la stessa dose con un'infusione ibrida del 50% più il 50%. Per entrambi i protocolli solo per infusione e bolus/infusione, la durata dell'infusione è stata di 50 min.

Il compito è stato presentato in un progetto di blocco incorporato (Figura 2)19. Questo progetto è stato precedentemente dimostrato per fornire contrasto simultaneo per i dati BOLD-fMRI e FDG-fPET evocati da attività. In breve, il compito alternato tra 640 s blocchi a scacchiera lampeggiante e 320 s blocchi di riposo. Questa lenta alternanza fornisceil contrasto FDG-f PET. Questi parametri di temporizzazione sono stati inseriti nei modelli lineari generali di primo livello durante l'analisi. All'interno dei blocchi a scacchiera 640 s, scacchiera e periodi di riposo alternati ad una velocità di 20 s su/ 20 s off. Questa rapida alternanza, adatta a BOLD-fMRI, si spera sia rilevabile con FDG-fPET con progressi futuri di analisi e ricostruzione. In questo protocollo, i periodi di riposo erano con gli occhi aperti, fissati su una croce presentata centralmente sullo schermo.

Acquisizione ed elaborazione delle immagini
Le immagini MR e PET sono state acquisite su un Siemens 3T Biograph mMR. I dati PET sono stati acquisiti in modalità elenco. Le scansioni RM e PET sono state acquisite nel seguente ordine (dettagli forniti solo per le immagini rilevanti per il manoscritto attuale): (i) T1-peso 3D MPRAGE (TA - 7.01 min, TR - 1.640 ms, TE - 2,34 ms, angolo di capovolgimento 8, FOV - 256 x 256 mm2, dimensione voxel , 1 x 1 mm 2>3, 176 fette, acquisizione sagittale; (ii) STILE di T2 (TA - 5,52 min); (iii) QSM (TA - 6,86 min); (iv) mappa del campo sfumatura TA - 1,03 min; (v) Correzione dell'attenuazione MR Dixon (TA - 0,39 min, TR - 4,1 ms, TEin fase 2,5 ms, TEfuori fase - 1,3 ms, angolo di capovolgimento : 10 o più); (vi) Immagini eco-planari ponderate T2 (EPIs) (TA - 90,09 min), correzione di fase P-A (TA - 0,36 min); (vii) UTE (TA : 1,96 min). L'inizio dell'acquisizione del PET è stato bloccato all'inizio degli EPI T2.

Le immagini strutturali ponderate T1 sono state ritagliate con il collo utilizzando FSL-robustfov26, la distorsione corretta utilizzando N427e il cervello estratto utilizzando ANTs28,29 con modelli OASIS-2030,31. Le immagini ponderate T1 sono state normalizzate in modo non lineare in un modello MNI da 2 mm utilizzando ANTs32 con il set di parametri di default definito da antsRegistrationSyN.sh.

Questo manoscritto ha esaminato i risultati dinamici di FDG-fPET con la dimensione del contenitore 16 s. Tutti i dati sono stati ricostruiti offline utilizzando Siemens Syngo E11p e corretti per l'attenuazione utilizzando pseudoCT33. L'algoritmo ordinario di massimizzazione delle aspettative dei sottoinsiemi ordinati di Poisson (OP-OSEM) con modellazione della funzione di diffusione punti (PSF)34 è stato utilizzato con tre iterazioni, 21 sottoinsiemi e 344 x 344 x 127 (dimensioni voxel: 2,09 x 2,09 x 2,03 mm3) ricostruzione dimensione della matrice. Alle immagini ricostruite finali sono stati applicati un post-filtraggio gaussiano gaussiano 3D da 5 mm.

Il riallineamento spaziale è stato eseguito sulle immagini dinamiche FDG-fPET utilizzando FSL MCFLIRT35. Un'immagine FDG-PET media è stata derivata dall'intero timeseries dinamico e rigidamente normalizzata all'immagine ad alta risoluzione t1 dell'individuo utilizzando strumenti di normalizzazione avanzati (ANT)32. Le immagini dinamiche di FDG-fPET sono state poi normalizzate nello spazio MNI utilizzando la rigida trasformazione in combinazione con l'ordito non lineare da T1 a MNI.

Sono stati stimati modelli lineari generali di primo livello utilizzando SPM12 (Wellcome Centre for Human Neuroimaging) con il corso temporale dell'evento (checkerboard su, fissazione) modellato come effetto di interesse. L'assorbimento medio in una regione di controllo, la corteccia frontopolare (sinistra e destra FP1/236), è stata inclusa come covariata. Il modello non includeva la normalizzazione globale, il filtro con passaggio elevato, la convoluzione con la risposta emodinamica, il modello autoregressivo o la soglia di mascheramento. Una maschera esplicita della corteccia visiva in hOC1-5 (sinistra e destra hOC1,2,3d,3v,4d,4la4lp,4v,537,38,39; SPM Anatomy Toolbox v 2.2b40,41,42) è stato incluso nel modello per limitare la stima del modello alle aree di interesse (ROI). Nell'ambiente clinico, più regioni vengono analizzate utilizzando atlanti cerebrali. I contrasti T sono stati utilizzati per stimare le mappe dei parametri dell'attività a livello individuale, liberamente sogliate a p - 0,1 (non corretto), k 50 voxel. I risultati per ogni individuo sono mostrati anche a soglie multiple nel Supplemento 2.

Risultati della concentrazione di radioattività al plasma
La curva di concentrazione di radioattività al plasma per ogni partecipante è indicata nella figura 3. La più grande concentrazione di radioattività al plasma (3,67 kBq/mL) è stata ottenuta utilizzando il metodo bolus. Ispezione visiva della figura 3 mostra che il picco si verifica entro i primi 10 min del protocollo e la concentrazione diminuisce in seguito. Si noti che i protocolli che utilizzano il campionamento arterioso o automatico ad una velocità inferiore a 1 min troveranno probabilmente una concentrazione di plasma di picco entro il primo minuto. Il ritardo qui è perché il primo campione di sangue è stato prelevato a 5 min post-bolus. Alla fine del periodo di registrazione, la radioattività al plasma era del 35% del picco (1,28 kBq/mL). Il protocollo solo infusione ha raggiunto il massimo (2,22 kBq/mL) a 50 min, alla fine del periodo di infusione. Alla fine del periodo di registrazione, la concentrazione era sostenuta al 68% del suo picco (1,52 kBq/mL). Come il protocollo solo bolus, il protocollo bolus/infusione ha raggiunto la sua concentrazione massima di radioattività plasmatica (2,77 kBq/mL) entro i primi 5 min. Alla fine del periodo di registrazione, la concentrazione di bolus/infusione era al 53% del picco (1,49 kBq/mL).

Qualitativamente, i livelli di radioattività plasmatica sono stati sostenuti per la durata più lunga nel protocollo bolus/infusione. Entrambi i protocolli solo per l'infusione e bolus/infusione mostrano un'apparente riduzione della radioattività al termine del periodo di infusione (50 min). Confrontando visivamente i protocolli solo bolus e bolus/infusione, la radioattività plasmatica era più piccola in bolus-only vs bolus/infusione di 40 min post-iniezione. Criticamente, la radioattività al plasma è stata minimamente variata per un periodo di circa 40 min nel protocollo bolus/infusione. Al contrario, né il protocollo solo infusione né solo bolus mostrano un periodo qualitativamente sostenuto di attività costante.

Risultati del segnale PET
Le mappe dei parametri a livello individuale del modello lineare generale, della risposta con segnale PET e GLM e gli errori sono riportati nella Figura 4. Le mappe dei parametri vengono inoltre visualizzate a diverse soglie statistiche nel Supplemento 2.

Figura 4ii Mostra il segnale PET attraverso il periodo di scansione (cioè, attraverso la stimolazione e periodi di riposo) nella corteccia visiva bilaterale (hOC1-5) e nella regione di controllo (polo frontale, FP1/2) per i tre protocolli di amministrazione. Qualitativamente, il partecipante bolus/infusionha ha mostrato differenze più chiare tra i ROI, rispetto ai partecipanti solo bolus e solo infusione. Per il protocollo bolus/infusione, il ROI frontopolare ha mostrato la massima intensità dell'immagine, con la più bassa per hOC4. Per il partecipante solo bolus, c'è stata una tendenza simile, con hOC5 e FP1/2 che mostravano la massima intensità, con hOC4 che mostra la più bassa. Per il partecipante solo infusione, l'FP1/2 e il hOC5 destro hanno mostrato la massima intensità, con poca differenza tra i ROI rimanenti.

L'ispezione visiva della Figura 4ii suggerisce che nel protocollo solo bolus, c'è un forte aumento del segnale dopo il bolus. La pendenza dell'assorbimento è relativamente veloce nei prossimi 20-30 min, ma il tasso di assorbimento diminuisce nel resto del periodo di misurazione. Nel protocollo bolus/infusione, c'è un forte aumento dell'assorbimento all'inizio della scansione che è di grandezza inferiore rispetto al protocollo solo bolus, e l'assorbimento continua ad un tasso relativamente più veloce per la durata della scansione. Alla fine del periodo di registrazione, il protocollo bolus/infusione mostra un assorbimento più ampio rispetto al protocollo solo bolus. In confronto, il protocollo solo infusione mostra un segnale basso per i primi 40 min della scansione, e l'assorbimento di picco è sostanzialmente inferiore al protocollo solo bolus o bolus/infusione. L'assorbimento è il più veloce nei primi 50 min della scansione e rallenta per il resto del periodo di registrazione.

Mappe dei parametri e risultati della risposta adattataParameter Maps and Fitted Response Results
Figura 4i Mostra le mappe T a livello individuale per i tre protocolli di amministrazione. Figura 4iii mostra la risposta modello lineare generale montato e l'errore al picco voxel per ogni soggetto. Si noti che per il protocollo solo infusione (Figura 4Biii), la scala è maggiore rispetto ai protocolli solo bolus e bolus/infusione. Inoltre, per il protocollo solo per l'infusione, il segnale durante il primo blocco di riposo era vicino allo zero, poiché molto poco del tracciante era stato somministrato durante quel periodo, e la stima generale del modello lineare non è riuscita se si considera questo blocco. Pertanto, il modello lineare generale è stato stimato per questo partecipante a partire dal primo blocco di attività e la risposta adattata viene visualizzata dall'inizio del primo periodo a scacchiera.

Per visualizzare gli effetti delle attività nel tempo, sono stati estratti i dati del corso temporale per ciascun soggetto (primo eigenvariate) e l'inversa del coefficiente di variazione (media/deviazione standard) è stata calcolata per ogni blocco. L'inverso del coefficiente di variazione si avvicina al rapporto segnale-rumore. Come si può vedere dalla Figura 5, il segnale è aumentato approssimativamente linearmente durante il periodo di registrazione per i tre protocolli. La pendenza della linea era più alta per il protocollo solo per infusione (m - 2.794), intermedia per il solo bolus (1.377) e più piccola per il protocollo bolus/infusione (1.159).

Figure 1
Figura 1: Diagramma di flusso delle procedure per gli esperimenti FDG-fPET. Top: procedure per la pre-screening dei partecipanti prima dell'assunzione dello studio. In basso: procedure per i protocolli solo bolus (sinistra), solo infusione (al centro) e bolus/infusione (a destra). Il membro del personale responsabile di ogni procedura è elencato tra parentesi. Gli identificatori di sezione fanno riferimento alle sezioni del testo in cui viene descritta la procedura. L'EXCL indica i tempi in cui i partecipanti possono essere esclusi, sia per l'incompatibilità di scansione RM o PET, sia per non soddisfare i requisiti di ingresso dello studio (ad esempio, requisiti cognitivi e psicologici). NMT - Tecnologo di Medicina Nucleare, RA - Assistente di Ricerca, RG - Radiografo, La - Assistente di laboratorio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Parametri di temporizzazione e radioattività plasma prevista dai tre protocolli. Le tracce rosse, verdi e blu rappresentano le curve di radioattività plasmatica ipotizzate rispettivamente per i protocolli bolus, infusione e bolus/infusione. Si noti che queste tracce sono solo a scopo illustrativo. Vedere la figura 3 per le curve di radioattività al plasma ottenute. I parametri di temporizzazione sono sovrapposti per mostrare la tempistica relativa dell'attività rispetto alla radioattività plasmatica prevista. Il design a blocchi incorporato (Jamadar et al. 201919) ha una lenta alternanza (10/5 min) tra la stimolazione a scacchiera e il riposo occhi aperto. Incorporato all'interno dei blocchi 'on' è un rapido alternanza (20 s) on / off design. La lenta alternanza fornisce il contrasto FDG-fPET. L'alternanza veloce fornisce il contrasto BOLD-fMRI. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Curve di radioattività al plasma per i tre partecipanti. Il decadimento è stato corretto al momento in cui il sangue è stato campionato. La freccia indica la cessazione dell'infusione per i protocolli solo infusione e bolus/infusione. Il tempo è in minuti. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Mappe dei parametri a livello individuale dal modello lineare generale, dal segnale PET e dal GLM di risposta ed errore. (i) Il parametro statistico a livello individuale (T) maps per ciascuno dei tre soggetti, sogliato a p (non corretto) < 0,1, k , 50 voxel. (ii) segnale PET attraverso la corteccia visiva nelle regioni di interesse: cinque aree di controllo occipitali (sinistra e destra hOC1, hOC2, media hOC3d/3v, media 4d/4la/4lp/4v, hOC5) e frontale (media sinistra e destra FP1/2). Si noti che le regioni a sinistra sono visualizzate in linee continue, regioni a destra visualizzate in linee tratteggiate. (iii) Adattamento ed errore del modello nel tempo per il picco di attività in ogni soggetto. La freccia indica la fine del periodo di infusione. (Aiii) bolus-only attività di picco Unità MNI (-24, -100, 12), T - 4,07; l'attività di picco di sola infusione (Biii) coordinata MNI (10, -86, 12), T - 4,25; bolus/infusione coordinata di picco di attività (26, -65, -10), T - 5,17. Si noti che per il protocollo solo infusione, il modello non può essere stimato per il primo periodo di riposo a causa di un segnale molto basso. Si noti inoltre la scala più grande per il protocollo solo infusione rispetto ai protocolli solo bolus e bolus/infusione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: rapporto segnale-rumore nel periodo di registrazione. La trama mostra l'inverso del coefficiente di variazione (media/SD) del primo eigenvariate dell'attività all'interno del voxel di picco in ogni blocco a scacchiera. SD - deviazione standard. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Partecipante 1 Partecipante 2 Partecipante 3
Protocollo di amministrazione bolus solo solo infusione bolus/infusione
Età (anni) 18 19 19
Sesso F m F
Manualità R R R
Anni di istruzione 12 14 14
Malattia psichiatrica dell'Asse I attuale nessuno nessuno nessuno
Storia delle malattie cardiovascolari nessuno nessuno nessuno
Farmaci regolari nessuno nessuno nessuno

Tabella 1: Informazioni demografiche per i tre partecipanti.

Supplemento 1: Esempio di modulo di registrazione del partecipante. In questo protocollo, l'AR è responsabile della registrazione del tempo di inizio bolus e infusione e del calcolo del tempo dei campioni di sangue. L'AR fornisce quindi copie di questo modulo all'NMT e all'ANA. Durante l'esperimento, l'AR registra i tempi in cui i campioni sono stati prelevati per la successiva correzione del decadimento. L'oggetto LA registra il tempo di misurazione e i valori di misurazione nella sezione Note. Fare clic qui per visualizzare questo file (fare clic con il pulsante destro del mouse per scaricare).

Supplemento 2: Variabilità nelle mappe dei parametri statistici con soglie statistiche diverse. I risultati sono presentati in sezioni a un intervallo di soglie da p - 1,0 a FWE p < 0,05. Fare clic qui per visualizzare questo file (fare clic con il pulsante destro del mouse per scaricare).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

FDG-PET è una potente tecnologia di imaging che misura l'assorbimento del glucosio, un indice del metabolismo del glucosio cerebrale. Ad oggi, la maggior parte degli studi di neuroscienze che utilizzano FDG-PET utilizzano un approccio tradizionale di somministrazione di bolus, con una risoluzione statica dell'immagine che rappresenta l'integrale di tutta l'attività metabolica nel corso della scansione2. Questo manoscritto descrive due protocolli alternativi di amministrazione dei radiotracer: i protocolli solo infusione (ad esempio, Villien et al., Jamadar et al.19,21) e i protocolli ibridi bolus/infusione (ad esempio, Rischka et al.20). I tre protocolli hanno dimostrato una risoluzione temporale di 16 s, bloccata nel tempo a uno stimolo, a livello individuale.

Il punto critico del metodo è l'inizio del protocollo di scansione. A questo punto, l'inizio dell'acquisizione PET deve essere bloccato all'inizio della sequenza BOLD-fMRI (se si utilizza MR-PET simultaneo), nonché l'inizio della presentazione dello stimolo. L'insetto e le durate dello stimolo devono essere in grado di essere bloccati all'inizio della scansione per i modelli di primo livello. Nel protocollo solo bolus, il bolus deve essere consegnato all'inizio dell'acquisizione PET per catturare il segnale di picco (Figura 4). Nel protocollo solo infusione, l'inizio dell'infusione deve essere bloccato per l'acquisizione del PET, per garantire una modellazione accurata dell'assorbimento al primo livello. Nel protocollo bolus/infusione, il bolus deve essere bloccato nel tempo per l'acquisizione del PET, con l'infusione a partire da un periodo noto, breve, dopo il bolus. Affinché le procedure scorra correttamente entro questo breve periodo di tempo, ciascuno dei membri del personale (NMT, RG, RA) deve essere adeguatamente preparato prima dell'inizio della scansione (Figura 1). Le prove di abbigliamento sono consigliate per coreografare i tempi di questa fase critica.

Ad oggi, circa 60 soggetti sono stati testati utilizzando uno di questi protocolli nel nostro laboratorio (il numero più grande utilizzando il protocollo solo per infusione). Ci sono due cause comuni di logoramento soggetto o fallimento di acquisizione. (1) I ricercatori non sono in grado di cannulare il partecipante a causa della difficoltà di ricerca delle vene. Per risolvere questo problema, tutti i partecipanti devono bere almeno due bicchieri d'acqua prima della scansione. Se è possibile ottenere una sola cannula, il campionamento del sangue viene omesso per tale partecipante. (2) I partecipanti non sono in grado di completare la scansione. A differenza della risonanza magnetica, l'acquisizione PET non può essere sospesa e riavviata. Le cause più comuni di ritiro dei partecipanti in-scan sono dovute a interruzioni del water e difficoltà con la regolazione termica. I partecipanti hanno riferito che il requisito di consumare acqua prima della scansione aumenta la necessità di urinare. Pertanto, tutti i partecipanti sono tenuti a farlo prima della scansione. I partecipanti hanno anche riferito che l'infusione del tracciante li lascia molto freddi, e brividi è innescato in alcune persone. Studi precedenti hanno dimostrato che la temperatura ambiente può influenzare l'attività artefatto nelle scansioni FDG-PET46. Questo problema viene risolto utilizzando una trapunta usa e getta per tutti i partecipanti durante la scansione.

I risultati sono mostrati a livello di singolo soggetto per i tre protocolli di amministrazione. Come previsto, la concentrazione di radioattività del plasma sanguigno (Figura 3) ha avuto il picco più grande per il protocollo solo bolus, ma la radioattività più sostenuta è stata ottenuta nel protocollo bolus/infusione. La concentrazione di plasma era più bassa per il protocollo solo infusione. Per entrambi i protocolli solo infusione e bolus/infusione, la concentrazione è diminuita al momento della cessazione dell'infusione. Il segnale PET attraverso i ROI(Figura 4Bii) ha mostrato il segnale più grande nel protocollo bolus/infusione. Questo partecipante ha anche mostrato la differenziazione più chiara tra i ROI. Qualitativamente, il segnale PET era più debole nel protocollo solo infusione. È possibile che il protocollo solo infusione produca risultati migliori in un esperimento più lungo (>50 min). Tuttavia, ciò probabilmente aumenterebbe il tasso di logoramento dei partecipanti. Nei modelli lineari generali di primo livello, l'errore del modello era molto maggiore nel protocollo solo infusione rispetto ai protocolli solo bolus e bolus/infusion (Figura 4iii). Il segnale-rumore durante i periodi di attività (Figura 5) ha suggerito che il segnale più stabile durante il periodo di registrazione è stato ottenuto utilizzando il protocollo bolus/infusione. Ulteriori studi sono necessari per determinare se questi effetti sono sostenuti in un campione più grande.

fPET è un metodo relativamente nuovo (pubblicato per la prima volta da Villien et al.21),e i dati sono relativamente complessi da acquisire rispetto agli approcci di neuroimaging tradizionali come PET statico e RM/fMRI. Pertanto, vi sono notevoli margini di miglioramento per i protocolli di acquisizione dei dati. Questo studio presenta il protocollo di acquisizione per tre protocolli di somministrazione del tracciante (solo bolus, solo infusione e bolus plus infusione) e i risultati rappresentativi dei singoli soggetti per ciascun metodo. In questo gruppo, non è stato eseguito alcun campionamento arterioso a causa dell'invasività della procedura e del requisito di un MD in loco. Le nostre analisi delle immagini non traggono pertanto vantaggio dalle informazioni quantitative fornite dal campionamento arterioso. Si noti che Hahn et al.17 trovato un ottimo accordo tra il campionamento arterioso e venoso per determinare il tasso metabolico cerebrale corticale di glucosio (CMRGlc) per l'infusione costante FDG-fPET. Altre opere pubblicate43,44,45 illustrano in dettaglio le funzioni di input arteriose, venose e derivate dall'immagine per il PET.

Il campionamento manuale del sangue, sia arterioso che venoso, richiede al personale di entrare nella sala scanner mentre è in corso la scansione. La maggior parte degli scanner dispone di un interlock RF per la sala scanner, che consente al personale di accedere alla stanza durante la scansione senza causare artefatti di interferenza elettromagnetica nelle immagini MR. Tuttavia, il personale che entra nella stanza durante la scansione può aumentare l'esposizione alle radiazioni al personale, causare disagio ai partecipanti e aumentare il movimento e il disimpegno dei partecipanti dai compiti cognitivi. Questi fattori incoraggiano la raccolta di un numero di campioni al numero necessario. Prelievo di campioni ogni 5/10 min mentre la dose viene somministrata è sufficiente per osservare la dinamica del sangue a bassa frequenza prevista dai tre protocolli esaminati qui. Tuttavia, questa frequenza di campionamento limita la capacità di quantificare le caratteristiche temporali ad alta frequenza, in particolare le dimensioni esatte e la forma del picco che segue l'amministrazione del bolus. Quando tali caratteristiche sono importanti, l'uso di apparecchiature automatizzate per il campionamento del sangue può essere utile.

Infine, sono stati sviluppati metodi tradizionali di modellazione PET per l'imaging statico (ad esempio, cinetico, Patlak). Sono necessari ulteriori lavori per aggiornare i modelli matematici per l'applicazione ai dati fPET.

In sintesi, questo manoscritto presenta metodi alternativi di amministrazione del radiotracer FDG per l'alta risoluzione temporale FDG-PET, con una risoluzione di 16 s. Questa risoluzione temporale si confronta favorevolmente con gli standard attuali della letteratura. Hahn et al., Jamadar et al., e Villien et al.17,18, 19,21 rapporto FDG-fPET con risoluzione 1 min, e Rischka et al.20 raggiunto risultati FDG-fPET stabili con una durata del frame di 12 s usando l'infusione del bolus 20/80%. Il protocollo bolus/infusione qui presentato sembra fornire il segnale più stabile per il periodo di tempo più lungo rispetto ai protocolli solo bolus e solo infusione.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Gli autori non dichiarano alcun conflitto di interessi. La fonte di finanziamento non è stata coinvolta nella progettazione dello studio, nella raccolta, nell'analisi e nell'interpretazione dei dati.

Acknowledgments

Jamadar è supportato da un Australian Council for Research (ARC) Discovery Early Career Researcher Award (DECRA DE150100406). Jamadar, Ward ed Egan sono supportati dal Centro di eccellenza ARC for Integrative Brain Function (CE114100007). Chen e Li sono sostenuti da finanziamenti della Reignwood Cultural Foundation.

Jamadar, Ward, Carey e McIntyre hanno progettato il protocollo. Carey, McIntyre, Sasan e Fallon hanno raccolto i dati. Jamadar, Ward, Parkes e Sasan hanno analizzato i dati. Jamadar, Ward, Carey e McIntyre scrissero la prima bozza del manoscritto. Tutti gli autori hanno esaminato e approvato la versione finale.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Blood Collection Equipment
--12-15 vacutainers Becton Dickinson, NJ USA 364880 Remain in sterile packaging until required to put blood in tube
--12-15 10mL LH blood collecting tubes Becton Dickinson 367526 Marked with the sample number (e.g., S1, S2…) and subsequently marked with the sample time (e.g., time 0 + x min [T0+x])
--2-15 10mL Terumo syringe Terumo Tokyo, Japan SS+10L These are drawn up on the day of the study and capped with the ampoule that contained the saline
-- pre-drawn 0.9% saline flushes Pfizer, NY, USA 61039117
--12-15 5mL Terumo syringes Terumo Tokyo, Japan SS+05S Remain in sterile packaging until ready to withdraw a blood sample
Safety & Waste Equipment All objects arranged on a plastic chair inside the scanner room on the same side as the arm from which the blood samples will be taken. Biohazard and non-biohazard waste bags to be used. Gloves and waste bags to be easily accessible when preparing the radioactivity in the dispensing area and when pipetting the plasma samples. Biohazard and non-biohazard waste bags to be used. All waste generated is checked with the Geiger counter to ensure that radioactive contaminated waste is stored until it is safe to be disposed of according to Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency (APRANSA) guidelines for Radiation protection series No.6 (2017).
-- Gloves Westlab, VIC, Australia 663-219
-- waste bags Austar Packaging, VIC, Australia YIW6090
--cello underpads ‘blueys’ Underpads 5 Ply Halyard Health, NSW, Australia 2765A
--Blue Sharpie pen Sharpie, TN, USA S30063
Dose Syringes Remain in sterile packaging until ready for use. All syringes used in this facility have an additional 20% volume capacity above the stated volume on the packaging. This is important for the 50mL syringe where the total capacity of 60mL is used
--5mL Terumo Tokyo, Japan SS+05S
-- 20mL Terumo Tokyo, Japan SS+20L
--50mL Terumo Tokyo, Japan SS*50LE
--1 Terumo 18-gauge needle Terumo Tokyo, Japan NN+1838R Remain in sterile packaging until ready to inject [18F]FDG into the saline bag
--100mL 0.9% saline bag Baxter Pharmaceutical, IL, USA AHB1307 Remain in sterile packaging until ready to inject [18F]FDG
Radiochemistry Lab Supplies
--Heraeus Megafuge 16 centrifuge; Rotor Bioshield 720 ThermoScientific MA, USA 75004230 Relative Centrifugal Force = 724 Our settings are 2000RPM for 5mins. Acceleration and deceleration curves set to 8
--Single well counter Laboratory Technologies, Inc. IL, USA 630-365-1000 Complete daily quality control (includes background count) and protocol set to 18F and 4mins. Cross calibration is performed between the well counter, dose calibrator and scanner on a bi-monthly basis.
--Pipette ISG Xacto, Vienna, Austria LI10434 We use a 100-1000 μL set to 1000μL. It is calibrated annually.
--12-15 plasma counting tubes Techno PLAS; SA Australia P10316SU Marked in the same manner as the LH blood tubes
--12-15 pipette tips Expell Capp, Denmark 5130140-1
--3 test tube racks Generic Checked with a Geiger counter to ensure there is no radiation contamination on them
--500mL volumetric flask and distilled water Generic Need approximately 500mL of distilled water to prepare the reference for gamma counting
--Synchronised clocks in scanner room, console and radiochemistry lab Generic Synchronisation checks are routinely completed in the facility on a weekly basis
--Haemoglobin Monitor EKF Diagnostic Cardiff, UK Haemo Control. 3000-0810-6801 Manufacturer recommended quality control performed before testing on participant’s blood sample.
--Glucometre Roche Accu-Chek 6870252001 Accu-Chek Performa is used to measure participant blood sugar levels in mmol/L. Quality control is performed daily using high and low concentration solution control test.
Cannulating Equipment Check expiry dates and train NMT to prepare aseptically for cannulation.
--Regulation tourniquet CBC Classic Kimetec GmBH K5020
--20, 22 and 24 gauge cannulas Braun, Melsungen Germany 4251644-03; 4251628-03; 4251601-03
--tegaderm dressings 3M, MN USA 1624W
--alcohol and chlorhexidine swabs Reynard Health Supplies, NSW Australia RHS408
--0.9% saline 10mL ampoules; for flushes Pfizer, NY, USA 61039117
--10mL syringes Terumo Tokyo, Japan SS+10L
--3-way tap Becton Dickinson Connecta 394600
--IV bung Safsite Braun PA USA 415068
--Optional extension tube, microbore extension set M Devices, Denmark IV054000
Scanner Room Equipment
--Siemens Biograph 3T mMR Siemens, Erlangen, Germany
--Portable lead barrier shield Gammasonics Custom-built MR-conditional lead barrier shield. Positioned at the 2000 Gauss line with the castors locked to provide additional shielding of the radioactivity connected to the infusion pump.
--Infusion pump BodyGuard 323 MR-conditional infusion pump Caesarea Medical Electronics 300-040XP MR-compatible. This model is cleared for use on 1.5 and 3T scanners at 2000 Gauss with castors locked.
--Infusion pump tubing Caesarea Medical Electronics 100-163X2YNKS Tubing is administration set with an anti-siphon valve and male luer lock (REF 100-163X2YNKS).
--Lead bricks Custom built Tested for ferromagnetic translational force
Other Equipment
--Syringe shields Biodex, NY USA Custom-built There is a 5mL tungsten syringe shield that is MR-safe, as well as a 50mL lead shield that has been tested for ferromagnetic attraction prior to use in the MR-PET scanner. It is used to transport the radioactive dose from the radiochemistry lab into the scanner to minimise radiation exposure to the NMT.
--Geiger counter Model 26-1 Integrated Frisker Ludlum Measurements, Inc. TX USA 48-4007 This is calibrated annually and used to monitor potential contamination and waste. It is not taken into the MR-PET scanner.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Heurling, K., et al. Quantitative positron emission tomography in brain research. Brain Research. 1670, 220-234 (2017).
  2. Chen, Z., et al. From simultaneous to synergistic MR-PET brain imaging: A review of hybrid MR-PET imaging methodologies. Human Brain Mapping. 39, (12), 5126-5144 (2018).
  3. Jones, T., Rabiner, E. A. The development, past achievements, and future directions of brain PET. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 32, (7), 1426-1454 (2012).
  4. Kety, S. S. Metabolism of the nervous system. Elsevier. 221-237 (1957).
  5. Sokoloff, L. The metabolism of the central nervous system in vivo. Handbook of Physiology, section I, neurophysiology. 3, 1843-1864 (1960).
  6. Harris, J. J., Jolivet, R., Attwell, D. Synaptic energy use and supply. Neuron. 75, (5), 762-777 (2012).
  7. Mosconi, L., et al. FDG-PET changes in brain glucose metabolism from normal cognition to pathologically verified Alzheimer's disease. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 36, (5), 811-822 (2009).
  8. Pagano, G., Niccolini, F., Politis, M. Current status of PET imaging in Huntington's disease. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 43, (6), 1171-1182 (2016).
  9. Petit-Taboue, M., Landeau, B., Desson, J., Desgranges, B., Baron, J. Effects of healthy aging on the regional cerebral metabolic rate of glucose assessed with statistical parametric mapping. Neuroimage. 7, (3), 176-184 (1998).
  10. Chugani, H. T., Phelps, M. E., Mazziotta, J. C. Positron emission tomography study of human brain functional development. Annals of Neurology. 22, (4), 487-497 (1987).
  11. Phelps, M. E., Mazziotta, J. C. Positron emission tomography: human brain function and biochemistry. Science. 228, (4701), 799-809 (1985).
  12. Zimmer, E. R., et al. [18 F] FDG PET signal is driven by astroglial glutamate transport. Nature Neuroscience. 20, (3), 393 (2017).
  13. Roberts, R. P., Hach, S., Tippett, L. J., Addis, D. R. The Simpson's paradox and fMRI: Similarities and differences between functional connectivity measures derived from within-subject and across-subject correlations. Neuroimage. 135, 1-15 (2016).
  14. Horwitz, B. The elusive concept of brain connectivity. Neuroimage. 19, (2), 466-470 (2003).
  15. Moses, W. W. Fundamental limits of spatial resolution in PET. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 648, S236-S240 (2011).
  16. Tomasi, D. G., et al. Dynamic brain glucose metabolism identifies anti-correlated cortical-cerebellar networks at rest. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 37, (12), 3659-3670 (2017).
  17. Hahn, A., et al. Quantification of task specific glucose metabolism with constant infusion of 18F-FDG. Journal of Nuclear Medicine. 57, (12), 1933-1940 (2016).
  18. Hahn, A., et al. Task-relevant brain networks identified with simultaneous PET/MR imaging of metabolism and connectivity. Brain Structure and Function. 223, (3), 1369-1378 (2018).
  19. Jamadar, S. D., et al. Simultaneous task-based BOLD-fMRI and [18-F] FDG functional PET for measurement of neuronal metabolism in the human visual cortex. Neuroimage. 189, 258-266 (2019).
  20. Rischka, L., et al. Reduced task durations in functional PET imaging with [18F] FDG approaching that of functional MRI. Neuroimage. 181, 323-330 (2018).
  21. Villien, M., et al. Dynamic functional imaging of brain glucose utilization using fPET-FDG. Neuroimage. 100, 192-199 (2014).
  22. Carson, R. E. PET physiological measurements using constant infusion. Nuclear Medicine and Biology. 27, (7), 657-660 (2000).
  23. Carson, R. E., et al. Comparison of bolus and infusion methods for receptor quantitation: application to [18F] cyclofoxy and positron emission tomography. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 13, (1), 24-42 (1993).
  24. National Health and Medical Research Council. National statement on ethical conduct in human research. (2007).
  25. Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency. Code of practice for the exposure of humans to ionizing radiation for research purposes. (2005).
  26. Jenkinson, M., Beckmann, C. F., Behrens, T. E., Woolrich, M. W., Smith, S. M. FSL. Neuroimage. 62, (2), 782-790 (2012).
  27. Tustison, N. J., et al. N4ITK: improved N3 bias correction. IEEE Transactions on Medical Imaging. 29, (6), 1310 (2010).
  28. Avants, B., Klein, A., Tustison, N., Woo, J., Gee, J. C. 16th Annual Meeting for the Organization of Human Brain Mapping. (2010).
  29. Avants, B. B., Epstein, C. L., Grossman, M., Gee, J. C. Symmetric diffeomorphic image registration with cross-correlation: evaluating automated labeling of elderly and neurodegenerative brain. Medical Image Analysis. 12, (1), 26-41 (2008).
  30. Klein, A., et al. Mindboggling morphometry of human brains. PLoS Computational Biology. 13, (2), e1005350 (2017).
  31. Tustison, N. J., et al. Large-scale evaluation of ANTs and FreeSurfer cortical thickness measurements. Neuroimage. 99, 166-179 (2014).
  32. Avants, B. B., et al. A reproducible evaluation of ANTs similarity metric performance in brain image registration. Neuroimage. 54, (3), 2033-2044 (2011).
  33. Burgos, N., et al. Attenuation correction synthesis for hybrid PET-MR scanners: application to brain studies. IEEE Transactions on Medical Imaging. 33, (12), 2332-2341 (2014).
  34. Panin, V. Y., Kehren, F., Michel, C., Casey, M. Fully 3-D PET reconstruction with system matrix derived from point source measurements. IEEE Transactions on Medical Imaging. 25, (7), 907-921 (2006).
  35. Jenkinson, M., Bannister, P., Brady, M., Smith, S. Improved optimization for the robust and accurate linear registration and motion correction of brain images. Neuroimage. 17, (2), 825-841 (2002).
  36. Bludau, S., et al. Cytoarchitecture, probability maps and functions of the human frontal pole. Neuroimage. 93, 260-275 (2014).
  37. Amunts, K., Malikovic, A., Mohlberg, H., Schormann, T., Zilles, K. Brodmann's areas 17 and 18 brought into stereotaxic space-where and how variable? Neuroimage. 11, (1), 66-84 (2000).
  38. Malikovic, A., et al. Cytoarchitectonic analysis of the human extrastriate cortex in the region of V5/MT+: a probabilistic, stereotaxic map of area hOc5. Cerebral Cortex. 17, (3), 562-574 (2006).
  39. Wilms, M., et al. Human V5/MT+: comparison of functional and cytoarchitectonic data. Anatomy and Embryology. 210, (5-6), 485-495 (2005).
  40. Eickhoff, S. B., Heim, S., Zilles, K., Amunts, K. Testing anatomically specified hypotheses in functional imaging using cytoarchitectonic maps. Neuroimage. 32, (2), 570-582 (2006).
  41. Eickhoff, S. B., et al. Assignment of functional activations to probabilistic cytoarchitectonic areas revisited. Neuroimage. 36, (3), 511-521 (2007).
  42. Eickhoff, S. B., et al. A new SPM toolbox for combining probabilistic cytoarchitectonic maps and functional imaging data. Neuroimage. 25, (4), 1325-1335 (2005).
  43. Everett, B. A., et al. Safety of radial arterial catheterization in PET research subjects. Journal of Nuclear Medicine. 50, (10), 1742-1742 (2009).
  44. Takagi, S., et al. Quantitative PET cerebral glucose metabolism estimates using a single non-arterialized venous-blood sample. Annals of Nuclear Medicine. 18, (4), 297-302 (2004).
  45. 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).
  46. O'Loughlin, S., Currie, G. M., Trifonovic, M., Kiat, H. Ambient temperature and cardiac accumulation of 18F-FDG. Journal of Nuclear Medicine Technology. 42, (3), 188-193 (2014).
Radiotracer Administration for High Temporal Resolution Positron Emission Tomoography of the Human Brain: Application to FDG-fPET
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Jamadar, S. D., Ward, P. G. D., Carey, A., McIntyre, R., Parkes, L., Sasan, D., Fallon, J., Orchard, E., Li, S., Chen, Z., Egan, G. F. Radiotracer Administration for High Temporal Resolution Positron Emission Tomography of the Human Brain: Application to FDG-fPET. J. Vis. Exp. (152), e60259, doi:10.3791/60259 (2019).More

Jamadar, S. D., Ward, P. G. D., Carey, A., McIntyre, R., Parkes, L., Sasan, D., Fallon, J., Orchard, E., Li, S., Chen, Z., Egan, G. F. Radiotracer Administration for High Temporal Resolution Positron Emission Tomography of the Human Brain: Application to FDG-fPET. J. Vis. Exp. (152), e60259, doi:10.3791/60259 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter