Waiting
Login processing...

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

Behavior

Radiotracer administration för hög temporal upplösning positron emissions tomografi av den mänskliga hjärnan: ansökan till FDG-fPET

doi: 10.3791/60259 Published: October 22, 2019

Summary

Detta manuskript beskriver två administrations protokoll för radiotracer för FDG-PET (konstant infusion och bolus plus infusion) och jämför dem med bolusadministrering. Tids upplösningar på 16 s kan uppnås med hjälp av dessa protokoll.

Abstract

Funktionell positron emissions tomografi (fPET) ger en metod för att spåra molekylära mål i den mänskliga hjärnan. Med en radioaktiv-märkt glukos-analog, 18F-fluordeoxyglukos (FDG-fpet), är det nu möjligt att mäta dynamiken i glukos metabolism med temporala resolutioner närmar sig de funktionella magnetisk resonanstomografi (fMRI). Detta direkta mått på glukosupptag har en enorm potential för att förstå normal och onormal hjärnfunktion och sondera effekterna av metabola och neurodegenerativa sjukdomar. Vidare, nya framsteg i hybrid MR-PET hårdvara gör det möjligt att fånga variationer i glukos och syresättning i blodet samtidigt med fMRI och FDG-fPET.

Den temporal upplösningen och signalera-till-stojar av FDG-fPET avbildar är kritiskt anhörigen på administrationen av radiotracer. Detta arbete presenterar två alternativa kontinuerliga infusionsprotokoll och jämför dem med en traditionell bolusmetod. Den presenterar en metod för att förvärva blodprov, TIDSLÅSNING PET, MRI, experimentell stimulans, och administrera den icke-traditionella spår leveransen. Med hjälp av en visuell stimulans, protokollet resultat visar kortikala kartor över glukos-svar på yttre stimuli på individnivå med en temporal upplösning på 16 s.

Introduction

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

Positron emissions tomografi (PET) är en kraftfull molekylär avbildning teknik som ofta används i både kliniska och forskning inställningar (se heurling et al.1 för en nyligen omfattande översyn). De molekylära mål som kan avbildas med hjälp av PET begränsas endast av tillgängligheten av radiotracers, och många spårämnen har utvecklats till bild neurala metabolism receptorer, proteiner, och enzymer2,3. I neurovetenskap, en av de mest använda radiotracers är 18F-fluorodeoxyglukos (FDG-PET), som mäter glukosupptag, vanligen tolkas som ett index av cerebral glukos metabolism. Den mänskliga hjärnan kräver en konstant och tillförlitlig tillförsel av glukos för att tillfredsställa dess energibehov4,5, och70-80% av cerebral glukos metabolism används av nervceller under synaptisk transmission6. Förändringar av cerebral glukos metabolism tros initiera och bidra till många villkor, inklusive psykiatriska, neurodegenerativa, och ischemiska villkor7,8,9. Eftersom FDG upptag är proportionellt mot synaptisk aktivitet10,11,12, anses det vara ett mer direkt och mindre kongrundat index för neuronala aktivitet jämfört med de mer utbredda blod syresättning nivå-beroende funktionell magnetisk resonanstomografi (BOLD-fMRI) svar. Bold-fMRI är ett indirekt index av neurala aktivitet och åtgärder förändringar i syrefattigt hemoglobin som uppstår efter en kaskad av neurovaskulära förändringar efter neuronala aktivitet.

De flesta FDG-PET-studier av den mänskliga hjärnan förvärvar statiska bilder av cerebralt glukosupptag. Deltagaren vilar tyst i 10 minuter med ögonen öppna i ett mörklagt rum. Den fullständiga dosen av radiotracer administreras som en bolus under en period av sekunder, och deltagaren vilar sedan i ytterligare 30 minuter. Efter upptagnings perioden placeras deltagarna i mitten av PET-skannern, och en PET-bild som återspeglar den kumulativa FDG-distributionen under loppet av upptag och skanning perioder förvärvas. Således representerar den neuronala aktiviteten indexerad av PET-bilden det kumulativa medelvärdet av all kognitiv aktivitet över upptag och skannings perioder och är inte specifik för kognitiv aktivitet under genomsökningen. Denna metod har gett stor insikt i hjärnans cerebral metabolism och neuronala funktion. Emellertid, den temporala upplösningen är lika med genomsökningen varaktighet (ofta ~ 45 min, effektivt ger en statisk mätning av glukosupptag; detta jämförs ogynnsamt till neuronala svar under kognitiva processer och vanliga experiment i neuroimaging. På grund av den begränsade temporala upplösningen ger metoden ett icke-specifikt index för glukosupptag (dvs. inte låst till en uppgift eller kognitiv process) och kan inte ge åtgärder för variationer i ämnet, vilket kan leda till felaktiga vetenskapliga slutsatser på grund till Simpsons Paradox13. Simpsons Paradox är ett scenario, där hjärnans beteende relationer beräknas över-ämnen är inte nödvändigtvis ett tecken på samma relationer testas inom-ämnen. De senaste försöken att tillämpa funktionella anslutningsåtgärder för att FDG-PET kan endast mäta över-ämnen anslutning. Skillnader i anslutning kan således endast jämföras mellan grupper och kan inte beräknas för enskilda ämnen. Även om det är diskutabla vad exakt över-ämne anslutningsåtgärder14, är det uppenbart att åtgärder som beräknas över-men inte inom-ämnen kan inte användas som en biomarkör för sjukdomstillstånd eller används för att undersöka källan till individuell variation.

Under de senaste fem åren har utvecklingen och den bredare tillgängligheten av samtidiga MRI-PET-skannrar med klinisk kvalitet utlöst förnyat forskningsintresse i FDG-PET Imaging2 i kognitiv neurovetenskap. Med denna utveckling har forskarna fokuserat på att förbättra den tidsmässiga upplösningen av FDG-PET för att närma sig normerna i BOLD-fMRI (~ 0.5 − 2.5 s). Observera att den rumsliga upplösningen av BOLD-fMRI kan närma sig submillimeter resolutioner men den rumsliga upplösningen av FDG-PET är i grunden begränsad till cirka 0,54 mm full bredd på halva maximum (FWHM) på grund av positron Range15. Dynamic FDG-PET-anskaffningar, som ofta används kliniskt, använder bolusadministrationsmetoden och rekonstruera data för listläge till lagerplatser. Bolus Dynamic FDG-PET-metoden erbjuder en temporalupplösning på cirka 100 s (t. ex. Tomasi et al.16). Detta är klart mycket bättre jämfört med statisk FDG-PET Imaging men är inte jämförbar med BOLD-fMRI. Dessutom, det fönster där hjärnans funktion kan undersökas är begränsad, eftersom blodplasma koncentrationen av FDG minskar strax efter det att bolus administreras.

För att utvidga detta experimentella fönster, en handfull studier17,18,19,20,21 har anpassat radiotracer infusionsmetod som tidigare föreslagits av Carson22, 23. I denna metod, som ibland beskrivs som "funktionella FDG-PET" (FDG-fPET, analogt med Bold-fMRI), administreras radiotracer som en konstant infusion under loppet av hela PET-undersökningen (~ 90 min). Målet med infusionsprotokollet är att bibehålla en konstant plasma försörjning av FDG för att spåra dynamiska förändringar i glukosupptag över tid. I en proof-of-Concept-studie använde villien et al.21 ett konstant infusionsprotokoll och samtidig MRI/FDG-fPET för att Visa dynamiska förändringar i glukosupptag som svar på rutmönster stimulering med en temporal upplösning på 60 s. Senare studier har använt denna metod för att Visa uppgiftslåsta FDG-fPET (dvs tidslåst till en extern stimulans19) och uppgiftsrelaterade FDG-fPET (dvs inte tidslåst till en extern stimulans17, 18) glukosupptag. Med hjälp av dessa metoder, FDG-fPET temporala resolutioner av 60 s har erhållits, vilket är en betydande förbättring jämfört med bolus metoder. Preliminära data visar att infusionsvätskan kan ge temporala upplösningar på 20 − 60 s19.

Trots de lovande resultaten från den konstanta infusionsmetoden visar plasma radioaktiviteten i dessa studier att infusionshastigheten inte är tillräcklig för att nå en steady-state inom tidsramen för en 90 min Scan19,21. Förutom den konstanta infusionen, Carson22 föreslog också en hybrid bolus/infusion förfarande, där målet är att snabbt nå jämvikt i början av skanningen, och sedan upprätthålla plasma radioaktivitet nivåer vid jämvikt för varaktigheten för genomsökningen. Rischka et al.20 tillämpade nyligen denna teknik med hjälp av en 20% bolus plus 80% infusion. Som förväntat steg den arteriella inmatningsfunktionen snabbt över baslinjenivåerna och inröstades med en högre frekvens under en längre tid, jämfört med resultat med en infusion-endast förfarande19,21.

Denna uppsats beskriver förvärvs protokoll för att förvärva hög temporala upplösning FDG-fPET-skanningar med infusion-Only och bolus/infusion radiotracer administration. Dessa protokoll har utvecklats för användning i en samtidig MRI-PET-miljö med en 90 − 95 min förvärvs tid19. I protokollet tas blodprov för att kvantifiera plasma serum radioaktivitet för efterföljande kvantifiering av PET-bilder. Medan protokollet fokus är tillämpningen av infusionsmetoder för funktionell neuroimaging använder BOLD-fMRI/FDG-fPET, dessa metoder kan tillämpas på alla FDG-fPET-studie oavsett om samtidig MRT, Bold-f MRT, datortomografi (CT), eller andra neuroimages förvärvas. Figur 1 visar flödesschemat i detta protokoll.

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

Detta protokoll har granskats och godkänts av Monash University Human Research etik Committee (godkännandenummer CF16/1108-2016000590) i enlighet med det australiska nationella uttalandet om etiskt agerande i mänsklig forskning24. Förfaranden utvecklades under ledning av en ackrediterad medicinsk fysiker, nukleär medicin technologist, och klinisk Radiograf. Forskare bör hänvisa till sina lokala experter och riktlinjer för administrationen av joniserande strålning hos människor.

1. erforderlig utrustning och personal

  1. Se material tabellen för skanner rummet, radiokemi Lab och allmänna material. En kommersiell leverantör användes för radiotracer.
  2. I samtidig MRI-PET-miljö, använda fyra personer: en Radiograf (RG) för att köra Scan, en nukleär medicin skötare (NMT) att övervaka administrationen av radiotracer och förvärv av blodprov, en laboratorieassistent (La) att snurra blod, och en forskningsassistent (RA) som ansvarar för att övervaka experimentell design och stimulans presentation.

2. förberedelse

  1. Beredning av spår dos av NMT
    1. Beräkna den infusionsvolym som kommer att administreras under genomsökningen. I detta protokoll, infusionshastigheten är 0,01 mL/s över 95 min. Så, i en 95 min Scan, deltagare får 0,01 mL/s x 60 s x 95 min = 57 mL.
    2. Beräkna den spår dos som kommer att spädas till den administrerade koksaltlösningen. I detta protokoll administreras en total dos på 260 MBq till deltagaren över 95 min. Denna dos valdes för att begränsa strålningsexponeringen till 4,9 mSv, att hålla sig inom "låg risk" kategorisering enligt Australian strålskydds-och kärn säkerhets verket (ARPANSA) riktlinjer för exponering av människor för joniserande strålning25. Sönderfalls rätt 260 MBq från mitten av infusionspunkten (47,5 min) tillbaka till T0. Med hjälp av ekvation 1, lösa för en0

      När ent är radioaktiviteten (MBq) vid den mellersta tidpunkten för infusionen, är en0 den initiala radioaktiviteten och λ är den radioaktiva sönderfalls konstanten som är specifik för spårämne. För FDG är värdet av λ ≈ 0.693/T1/2. T1/2 är halveringstiden för 18F (110 min).
      Anmärkning: i detta exempel, ent = 260 MBq, λ = 0.693/110, och t =-47,5, så en0 = 350,942 MBq.
    3. Beräkna den erforderliga dosen av radiotracer för den 100 mL saltlösning som ska användas för att administrera dosen till deltagaren. Den erforderliga radiospårningskasse för saltlösning späds upp till en total volym på 5 mL och dras upp i en 5 mL spruta. Därför, för 100 mL saltlösning, är utspädningsfaktorn volymen av saltlösning (100 mL) utöver den 5 mL volym av sprutan med radiotracer. Denna totala volym på 105 mL divideras med infusionshastigheten på 57 mL (dvs. 105 mL/57 mL = 1,842). Så, den totala radioaktiviteten i en volym av 5 mL som krävs för tillägg till 100 mL påsen är en0 x utspädningsfaktorn (dvs 350,942 MBq x 1,842 = 646,44 MBq). Tillsätt aseptiskt radiotracer till koksalt påsen.
      Obs: det är viktigt att notera att den beräknade aktiviteten av 646,44 MBq som tillsätts i saltlösning påsen är den aktivitet som krävs vid inledningen av infusionen. Generellt, doserna för detta protokoll bereds mellan 15 min till 1 h före administrering. Därför är det viktigt att faktorn i sönderfallet av radioisotopen. Ekvation 1 i 2.1.2. kan användas för att redogöra för detta, där tid (t) är det totala antalet minuter från beredningen av dosen till när aktiviteten kommer att administreras, ent = 646,44 MBq, genom att lösa för en0.
    4. Förbered priming-dosen. Dra upp 20 mL från påsen i en spruta och lock den. Kalibrera denna 20 mL-spruta och etikett. Sprutan är kalibrerad som en Referenskontroll för att säkerställa att radioaktiviteten har jämnt spridda i saltlösning påsen.
    5. Förbered dosen. Använd en 50 mL spruta och dra upp 60 mL från påsen och locket med en röd kombi propp. Denna spruta är inte kalibrerad eftersom koncentrationen av radioaktiviteten är känd från den tidpunkt då den sattes i saltlösning (steg 2.1.3). Förvara båda sprutorna i radiokemi labbet tills du är redo att skanna.
      Obs: det är möjligt att dra en 60 mL volym i en 50 mL spruta, eftersom Terumo sprutor är markerade till 20% över den märkta volymen (dvs, en 50 mL spruta är märkt till 60 mL).
    6. Förbered referensdosen. Fyll en 500 mL mätkolv med cirka 480 mL destillerat vatten. Dra upp 10 MBq av 18F-FDG i en spruta, sönderfalls-korrigerad till skannings starttiden (med hjälp av ekvation 1) och tillsätt den till kolven. Topp volymen upp till 500 mL-märket med mer destillerat vatten och blanda ordentligt. Fäst etiketterna före och efter kalibreringen för sprutan.
  2. Förberedelse av skanner rummet av NMT
    1. När deltagaren är placerad i skannern, det finns mycket lite utrymme för att manipulera eller rädda linjen för infusion eller blodprov om blockering inträffar. Förbered skanner rummet för att minimera risken för blockering av linjen.
    2. Se till att all utrustning för blod insamling är inom räckhåll från samlingsplatsen. Placera underlägg i slutet av kanyl och på alla ytor som kommer att hålla blodbehållare. Placera papperskorgar för regelbundet avfall och biologiskt farligt avfall inom räckhåll från blod insamlingsstället.
  3. Beredning av infusionspump av NMT
    1. Ställ in infusionspumpen i skanner rummet på den sida som ska anslutas till deltagaren. Bygg blytegel runt basen av pumpen och placera bly sköld framför pumpen. Anslut slangen till infusionspumpen som levererar infusionen till deltagaren och se till att korrekt infusionshastighet har matats in. För detta protokoll är hastigheten 0,01 mL/s.
    2. Slangen innan den ansluts till deltagarens kanyl. Anslut 20 mL-priming-dosen till infusionspumpen. På änden av slangen som kommer att anslutas till deltagaren, bifoga en trevägskran och en tom 20 mL spruta. Se till att kranen är placerad så att 18F-FDG-lösningen kan flöda från priming-dosen genom slangen och endast samlas i den tomma sprutan.
    3. För inställning av infusionspumpen till en volym på 15 mL. Välj Prime -knappen på pumpen och följ anvisningarna för att Prime linjen.
    4. Fäst doseringssprutan på 50 mL i infusionspumpen i stället för priming-dosen. Den 15 mL primade dosen på trevägskranen kan förbli där tills deltagaren är redo att anslutas till pumpen.
  4. Deltagares förberedelse av NMT, RA och RG
    1. Råda deltagarna att snabbt för 6 h, och att konsumera endast vatten (cirka två glas), före skanningen.
    2. Har RA genomföra medgivande förfaranden och få ytterligare åtgärder (t. ex., demografiska undersökningar, kognitiva batterier, etc.). Har NMT och RG genomföra säkerhets skärmar, NMT översyn säkerhet för PET skanning (t. ex. uteslutning för graviditet, diabetes, kemoterapi eller strålbehandling under de senaste 8 veckorna, och kända allergier), och RG Review deltagaren säkerhet för MRI-skanning (t. ex. exkludering för graviditet, medicinska eller icke-medicinska metalliska implantat, icke-flyttbara tandimplantat, klaustrofobi).
    3. Deltagaren.
      1. Använd två kanylor: en för dos administration och den andra för blodprovstagning. Den lämpligaste kanyl varierar mellan deltagarna, men den lämpligaste venen bör reserveras för blod insamling. En 22 G kanyl är den föredragna minimistorleken. Samla ett 10 mL baslinje blodprov medan kanylering. Koppla bort alla saltlösning spolar under tryck för att bibehålla patency av linjen.
      2. Testa deltagarens blodsockernivå och andra grundläggande blod åtgärder (t. ex. hemoglobin) från baslinje provet.
  5. Deltagare positionering i skannern av RG och NMT
    1. Har RG position deltagaren i skannern tråkmåns. För långa skanningar, är det absolut nödvändigt att säkerställa komfort för att minska risken för att deltagaren hoppar ut och rörelse artefakt på grund av obehag. Deltagaren ska täckas med en engångsfilt för att bibehålla en behaglig kroppstemperatur.
    2. Har NMT spola kanylen för att säkerställa att den är patenterad med minimalt motstånd innan du ansluter infusionsslang. När den är ansluten, kan slangen lätt tejpade nära handleden. Instruera deltagaren att hålla sin arm rätas. Använd stöd såsom skum eller kuddar för komfort. Har NMT också kontrollera kanyl som kommer att användas för plasmaprover för att säkerställa att den kan ta ut blod med minimalt motstånd. Det kan vara nödvändigt att ansluta en förlängningsrör primas med normal saltlösning för att göra kanyla mer tillgänglig medan deltagaren är i skannern. Om detta krävs, bör det kontrolleras för läckage.
    3. När motivet är i skannern Bore, har NMT Kontrollera att de har lämplig tillgång till båda kanylar.
    4. Har NMT meddela RG och RA om det finns några problem med blod insamling kanyl, infusion Kanyl, eller infusionspumpen (t. ex. ocklusion, batteri, extravasation) när som helst under genomsökningen.

3. Skanna deltagaren

  1. Starta skanningen med NMT, RG och RA
    1. I början av skanningen placerar du NMT i skanner rummet för att övervaka infusionsutrustningen. Se till att NMT är klädd i hörselskydd och använda barriär skyddet för att minimera strålningsexponeringen från den dos där det är möjligt.
    2. Som RG utför Localizer skanna för att säkerställa att deltagaren är i rätt position, kontrollera detaljerna för PET förvärvet (t. ex., skanna varaktighet, lista-läge datainsamling, korrekt isotop).
    3. Utforma protokollet så att PET-förvärvet inleds med den första MRI-sekvensen. RG förbereder och startar MRI-sekvensen. Starttiden för 95 min PET-förvärvet är tidslåst till starten av MRI-sekvensen. Vid behov ska NMT leverera bolus vid tidpunkten för PET-förvärvet (figur 1).
    4. Starta infusionspumpen. Den RG bör signalera NMT (t. ex. via en tummen upp tecken) för att starta pumpen 30 s efter starten av PET förvärvet. Detta protokoll startar infusionspumpen 30 s efter genomsöknings starttid för att tillhandahålla en säkerhetbuffert vid felsökning. Detta säkerställer också att den första bilden som tas under PET-skanning indexerar hjärnan före radiotracer administration för fullständig tid aktivitets kurva datainsamling. Har NMT följa pumpen för att säkerställa att den har börjat ingjuta 18F-FDG och att det inte finns någon omedelbar ocklusion av linjen.
    5. Har RA initiera någon yttre stimulans på överenskommen tid (dvs, i början av en funktionell Run/experimentell block) och beräkna tider för blodprov. Ett exempel på ett postformulär visas i tillägg 1. Ha RA beräkna förväntad tid för varje blodprov och ge kopior till NMT och Lab Assistant (LA). Ha RA se till att NMT tar blodprover vid ungefär rätt tid, och övervakar utrustning (t. ex. infusionspump, stimulus) för eventuella tecken på fel.
  2. Ta blodprov med jämna mellanrum
    1. Har NMT och RA ta ett prov var 10 min. Det finns vanligtvis 10 prover totalt, inte inklusive baslinje provet.
    2. Om att förvärva MRI-skanningar samtidigt med PET-skanningar, ha NMT slitage hörselskydd när du går in i skanner rummet.
    3. Har NMT bära handskar och Svabb spetsen på kanyl ren. Medan kanylstället torkar, öppna en 5 mL och en 10 mL spruta, vacutainer, och en 10 mL saltlösning flush.
    4. Dra upp 4-5 mL färskt blod med hjälp av 5 mL-sprutan och Kassera sprutan i biologiskt avfall.
    5. Dra upp till 10 ml blod med hjälp av 10 mL-sprutan. Volymen kan begränsas av hur lätt blodet kan tas ut. Det är viktigt att minimera alla motstånd som därefter orsakar skador på de röda blodkropparna som kan hemolyze. Vid mittinsamlingspunkten, har NMT signalen till RA, som kommer att markera den här gången på postformuläret (tillägg 1) som den "faktiska" tiden för provet.
    6. Anslut 10 mL-sprutan till vacutainer och sätt sedan in blodet i det aktuella blod röret.
    7. Spola snabbt kanyl med 10 mL saltlösning, frånkopplad under tryck, för att minimera risken för koagulering av linan.
    8. Ta omedelbart blodprovet till radiokemi Lab för analys.
  3. Spinning blodet av LA
    1. Har LA få all utrustning redo (tabell 1) och bära handskar. Ha tre rack som anges för proverna: en för blod rör, en för pipettering av provet, och en för fyllda pipetterade prover (före och efter räkning).
      1. Har LA regelbundet byta handskar under hela förfarandet, särskilt vid hantering av räkneröret. Om LA har någon radioaktiv plasmakontamination på sina handskar, kan den överföras till räkneröret och spuriously öka antalet inspelade antal av provet.
    2. Blodprovet kan placeras i centrifugen eftersom tillgången på personalresurser medger det, eftersom den tidpunkt då blodprovet togs och den tid det räknades noterades. Snurra alla prover med en relativ centrifugalkraft på 724 x g. De centrifug inställningar som används för detta protokoll är 2 000 rpm i 5 minuter med accelerations-och retardation-kurvor inställda på åtta.
    3. När provet har spunnits, placera röret i pipettering rack. Ta bort rör locket för att inte störa prov separationen. Placera ett märkt räknerör i racket. Etiketten ska motsvara blod röret.
    4. Se till att spetsen är ordentligt fastsatt på pipetten. Ha en vävnad redo för alla droppar. Stadigt Pipettera 1 000 μL plasma från blod röret, överföring till räkneröret, och ersätta locken på räkneröret och blod röret.
    5. Placera räkneröret i brunnen räknaren och räkna i 4 min. registrera räknarens starttid på post bladet (' Mätningstid ') för varje prov. Detta krävs för efterföljande korrigeringar av starttiden för PET-anskaffningen. Vid senare tidpunkter under genomsökningen, har LA utföra varje steg i snabb följd för att undvika en eftersläpning av prover.
    6. Kassera allt blod avfall i bio risk påsar.

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

Studie-specifika metoder
Här rapporteras studie-specifika Detaljer för representativa resultat. Dessa uppgifter är inte avgörande för förfarandet och kommer att variera mellan studierna.

Deltagare och uppgifts design
Deltagarna (n = 3, tabell 2) genomgick en samtidig fet-fMRI/FDG-fPET-studie. Eftersom detta manuskript fokuserar på PET förvärvs protokoll, MRI-resultat rapporteras inte. Deltagarna fick 260 MBq på 18F-FDG under loppet av en 95 min Scan. Deltagare 1 fick hela dosen som bolus i början av skanningen. Deltagare 2 fick dosen i ett protokoll för infusion. Deltagare 3 fick samma dos med en hybrid 50% bolus plus 50% infusion. För både infusion och bolus/infusionsprotokoll var infusionstiden 50 min.

Uppgiften presenterades i en inbäddad block design (figur 2)19. Denna design har tidigare visat sig ge samtidig kontrast för Task-framkallat BOLD-fMRI och FDG-fPET-data. Kortfattat alternerade uppgiften mellan 640 s blinkande rutmönster block och 320 s rast block. Denna långsamma Alternerings ger FDG-fPET-kontrast. Dessa tidsinställnings parametrar angavs i de generella linjära modellerna på den första nivån under analysen. Inom 640 s rutmönster block, rutmönster och viloperioder alternerade med en hastighet av 20 s på/20 s off. Denna snabba alternation, som är lämpad för BOLD-fMRI, kommer förhoppningsvis att kunna spåras med FDG-fPET med framtida analys och återuppbyggnad förskott. I detta protokoll, viloperioder var med ögonen öppna, fixerade på ett kors centralt presenteras på skärmen.

Bild anskaffning och-bearbetning
MR och PET-bilder förvärvades på en Siemens 3T Biograph mMR. PET-data förvärvades i list läge. MRI-och PET-skanningar förvärvades i följande ordning (uppgifter lämnas endast för bilder som är relevanta för det aktuella manuskriptet): (i) T1-vägd 3D MPRAGE (TA = 7,01 min, TR = 1 640 MS, TE = 2,34 MS, vänd vinkel = 8 °, FOV = 256 x 256 mm2, Voxel storlek = 1 x 1 x 1 mm < c 2 > 3, 176 skivor, sagittal förvärv; II) T2-vägd FLAIR (TA = 5,52 min). III) QSM (TA = 6,86 min). (IV) karta över övertoningsfält TA = 1,03 min; (v) MR dämpning korrigering Dixon (TA = 0,39 min, TR = 4,1 MS, TEi fas = 2,5 MS, teut fas = 1,3 MS, vänd vinkel = 10 °); Vi) T2 *-viktade eko-planar-bilder (EPIs) (TA = 90,09 min), P-A-fas korrigering (TA = 0,36 min). (VII) UTE (TA = 1,96 min). Uppkomsten av PET förvärvet var låst till uppkomsten av T2 * EPIs.

T1-viktade strukturella bilder var hals beskurna med hjälp av FSL-robustfov26, bias korrigeras med hjälp av N427, och hjärnan utvinns med hjälp av myror28,29 med Oasis-20 mallar30,31. T1-viktade bilder var icke-linjärt normaliserade till en 2 mm MNI-mall med hjälp av ANTs32 med standardparameter uppsättningen som definieras av antsRegistrationSyN.sh.

Detta manuskript undersökte dynamiskt FDG-fPET-resultat med bin storlek 16 s. Alla data rekonstruerades offline med hjälp av Siemens Syngo E11p och korrigerades för dämpning med pseudoCT33. Den vanliga Poisson beställde delmängd förväntan maximering (OP-OSEM) algoritm med punkt spread funktion (polyesterstapelfibrer) modellering34 användes med tre iterationer, 21 undergrupper, och 344 x 344 x 127 (Voxel storlek: 2,09 x 2,09 x 2,03 mm3) rekonstruktion matrisstorlek. En 5-mm 3D Gaussian efter filtrering tillämpades på den slutliga rekonstruerade bilder.

Rumslig omjustering utfördes på de dynamiska FDG-fPET-bilderna med hjälp av FSL MCFLIRT35. En genomsnittlig FDG-PET bild härleddes från hela dynamiska timeseries och stelt normaliserade till individens högupplöst T1-vägd bild med hjälp av avancerad normalisering verktyg (ANT)32. De dynamiska FDG-fPET-bilderna normaliserades sedan till MNI-rymden med hjälp av den stela transformationen i kombination med den icke-linjära T1 till MNI Warp.

Första nivån allmänna linjära modeller beräknades med hjälp av SPM12 (Wellcome centrum för Human neuroimaging) med händelsen tid-kurs (schackbräde på, fixering) modelleras som effekten av ränta. Det genomsnittliga upptaget i ett kontrollområde, frontopolära Cortex (vänster och höger FP1/236), ingick som en kovariat. Modellen innehöll inte global normalisering, högpassfilter, faltning med hemodynamiska svar, autoregressiv modell eller maskering tröskel. En explicit mask av syn barken i hOC1 − 5 (vänster och höger hOC1, 2, 3D, 3V, 4D, 4la4lp, 4V, 537,38,39; SPM Anatomy Toolbox v 2.2 b40,41,42) ingick i modellen för att begränsa modell uppskattningen till intresseområden (ROI). I den kliniska miljön analyseras flera regioner med hjälp av hjärnatlaser. T kontraster användes för att uppskatta parameter kartor över individnivå aktivitet, frikostigt thresholded på p = 0,1 (okorrigerad), k = 50 voxels. Resultaten för varje individ visas också på flera tröskelvärden i tillägg 2.

Resultat av radio aktivitetskoncentrationen i plasma
Koncentrationen av radioaktivitet i plasma för varje deltagare anges i figur 3. Den största maximala plasmakoncentrationen av radioaktivitet (3,67 kBq/mL) erhölls med hjälp av bolusmetoden. Visuell inspektion av figur 3 visar att toppen sker inom de första 10 minuter av protokollet, och koncentrationen minskar därefter. Observera att protokoll som använder arteriell eller automatiserad provtagning med en hastighet av mindre än 1 min kommer sannolikt att hitta en maximal plasmakoncentration inom den första minuten. Förseningen här beror på att det första blodprovet togs vid 5 min post-bolus. I slutet av inspelnings perioden var radioaktiviteten i plasma 35% av toppen (1,28 kBq/mL). Det infusionssbara protokollet nådde maximalt (2,22 kBq/mL) vid 50 min, i slutet av infusionsperioden. I slutet av inspelnings perioden inröstades koncentrationen på 68% av dess topp (1,52 kBq/mL). Liksom bolus-Only-protokollet nådde bolus/infusion protokollet sin maximala plasma radioaktivitet koncentration (2,77 kBq/mL) inom de första 5 min. I slutet av inspelnings perioden var bolus/infusionskoncentrationen 53% av toppen (1,49 kBq/mL).

Kvalitativt, plasma radioaktivitet nivåer upprätthölls för den längsta varaktigheten i bolus/infusion protokollet. Både infusion endast och bolus/infusion protokoll visar en skenbar minskning av radioaktivitet när infusionsperioden slutar (50 min). Att visuellt jämföra bolus-och bolus/infusionsprotokoll var radioaktiviteten i plasma mindre i bolusdos jämfört med bolus/infusion med 40 min efter injektion. Kritiskt var plasma radioaktiviteten minimalt varierad under en period av cirka 40 min i bolus/infusionsprotokollet. Däremot uppvisar varken infusionen enbart eller bolus-Only-protokollet en kvalitativt varaktig period av konsekvent aktivitet.

PET signal resultat
Individuell nivå parameter kartor från den allmänna linjära modellen, PET-signal och GLM monterad respons, och fel visas i figur 4. Parameter kartor visas också vid olika statistiska tröskelvärden i tillägg 2.

Figur 4II visar PET-signalen över hela skannings perioden (dvs. över stimulering och viloperioder) i den bilaterala syn barken (hOC1 − 5) och i kontroll regionen (frontal Polen, FP1/2) för de tre administrations protokollen. Kvalitativt, den bolus/infusion deltagaren visade tydligare skillnader mellan ROIs, jämfört med bolus-endast och infusion-endast deltagare. För bolus/infusion protokollet visade frontopolar ROI den högsta bildens intensitet, med den lägsta för hOC4. För den bolus-enda deltagaren, det fanns en liknande trend, med Hoc5 Daily och FP1/2 visar den högsta intensiteten, med hOC4 visar den lägsta. För deltagare med enbart infusion visade FP1/2 och Right Hoc5 Daily den högsta intensiteten, med liten skillnad mellan de kvarvarande ROIs.

Visuell inspektion av figur 4II tyder på att det i bolusprotokollet endast finns en kraftig ökning av signalen efter bolusdosen. Lutningen av upptaget är förhållandevis fastar i de nästa 20 − 30 min, men klassar av upptag minskningar i resten av mätnings perioden. I bolus/infusion protokollet, det finns en kraftig ökning av upptaget i början av skanningen som är av mindre storlek än i bolus-Only protokollet, och upptaget fortsätter i en jämförelsevis snabbare takt under genomsökningen. I slutet av inspelnings perioden visar bolus/infusionsprotokollet ett större upptag än det bolus-Only protokollet. Som jämförelse visar det endast infusion-protokollet låg signal för den första 40 min av skanningen, och toppupptag är betydligt lägre än bolus-Only eller bolus/infusion protokoll. Upptaget är snabbast i den första ~ 50 min av skanningen och saktar under återstoden av inspelnings perioden.

Parameter kartor och monterade svarsresultat
Figur 4jag visar T-kartorna på individnivå för de tre administrations protokollen. Figur 4III visar den generella linjära modellen monterad respons och fel vid toppen Voxel för varje ämne. Observera att för det infusionssbara protokollet (figur 4BIII) är skalan större än för protokollen bolus-Only och bolus/infusion. Dessutom var signalen under det första vilo blocket nära noll för protokollet med enbart infusion, eftersom mycket lite av spårämne hade administrerats under den tiden, och den generella linjära modell uppskattningen misslyckades när detta block övervägdes. Den generella linjära modellen beräknades därför för den här deltagaren från och med det första uppgifts blocket, och det monterade svaret visas från början av den första rutmönster-perioden.

För att visualisera aktivitets effekterna över tiden, extraherades tid kurs data för varje ämne (första eigenvariat) och inversen av variationskoefficienten (medelvärde/standardavvikelse) beräknades för varje block. Inversen av variationskoefficienten approximerar signal-brus-förhållandet. Som framgår av figur 5ökade signalen ungefär linjärt över inspelnings perioden för de tre protokollen. Lutningen på linjen var störst för endast infusion-protokollet (m = 2,794), mellanliggande för bolus-Only (1,377) och minsta för bolus/infusion Protocol (1,159).

Figure 1
Figur 1: flödesschemat för FDG-fPET-experiment. Överst: procedurer för prescreening av deltagare före studie rekrytering. Botten: procedurer för bolus-Only (vänster), infusion-Only (Center), och bolus/infusion (höger) protokoll. Den anställde som ansvarar för varje förfarande listas inom parentes. Sektions identifierare hänvisar till avsnitten i texten där proceduren beskrivs. * Exkl anger tidpunkter när deltagare kan uteslutas, antingen för Mr eller PET skanning inkompatibilitet, eller inte uppfyller kraven studie inträde (t. ex., kognitiva och psykologiska krav). NMT = nukleärmedicinsk teknolog, RA = forskningsassistent, RG = Radiograf, LA = Lab Assistant. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: tidsparametrar och förväntad plasma radioaktivitet från de tre protokollen. Röda, gröna och blå spår representerar de hypotetiska plasma radio aktivitets kurvorna för bolus-, infusion-respektive bolus-/infusionsprotokollen. Observera att dessa spår endast är för illustrativt syfte. Se figur 3 för erhållna radio aktivitets kurvor i plasma. Tids parametrarna läggs ovanpå för att visa den relativa tidpunkten för uppgiften i förhållande till den förväntade plasma radioaktiviteten. Den inbäddade block design (jamadar et al. 201919) har en långsam Alternerings (10/5 min) mellan schackbräde stimulering och ögon-öppen vila. Inbäddad i "på" block är en snabb alternerande (20 s) på/av design. Den långsamma växlingen ger FDG-fPET-kontrast. Den snabba växlingen ger fet-fMRI-kontrast. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: radio aktivitets kurvor i plasma för de tre deltagarna. Sönderfallet korrigerades till den tid då blodet samplades. Pilen indikerar att infusionen har upphört för enbart infusion och bolus/infusionsprotokoll. Tiden är på några minuter. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: parameter kartor på individnivå från den generella linjära modellen, PET-signal och GLM-monterad respons och fel. (i) statistiska parametrar på individnivå (T) för vart och ett av de tre försökspersonerna, thresholded vid p (okorrigerad) < 0,1, k = 50 voxels. (II) PET-signal över syn barken i områden av intresse: fem occipital (vänster och höger HOC1, hoc2 Daily, genomsnitt hOC3d/3V, genomsnitt 4D/4la/4lp/4V, hoc5 Daily) och frontal (vänster och höger genomsnitt FP1/2) kontrollområden. Observera att de vänstra regionerna visas i heldragna linjer, högra regioner som visas i prickade linjer. (III) modell passform och fel över tid för toppen av verksamheten i varje ämne. Pilen visar slutet av infusionsperioden. (AIII) bolus-endast Peak Activity MNI-koordinat (-24,-100, 12), T = 4,07; endast infusion (BIII) Peak Activity MNI-koordinat (10,-86, 12), T = 4,25; bolus/infusion Peak Activity koordinat (26,-65,-10), T = 5,17. Observera att för endast infusion-protokollet kunde modellen inte uppskattas för den första viloperioden på grund av en mycket låg signal. Notera också den större skalan för endast infusion protokoll jämfört med bolus-Only och bolus/infusion protokoll. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Bild 5: signal-brus-förhållande över inspelnings perioden. Tomten visar inversen av koefficienten för variation (medelvärde/SD) för den första eigenvariatet av aktiviteten inom toppen Voxel i varje schackbräde block. SD = standardavvikelse. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Deltagare 1 Deltagare 2 Deltagare 3
Administration Protocol bolus endast endast infusion bolus/infusion
Ålder (år) 18 19 19
Sex F M F
Vänsterhänthet R R R
År av utbildning 12 14 14
Aktuell axel I psykiatrisk sjukdom Ingen Ingen Ingen
Historia av kardiovaskulär sjukdom Ingen Ingen Ingen
Regelbunden medicinering Ingen Ingen Ingen

Tabell 1: demografisk information för de tre deltagarna.

Tillägg 1: exempel på deltagar postformulär. I detta protokoll är RA ansvarig för att registrera tiden för bolus och infusion start och beräkna tiden för blodprov. RA ger sedan kopior av detta formulär till NMT och LA. Under experimentet registrerar RA de gånger som proverna togs för efterföljande sönderfalls korrigering. LA registrerar Mät tiden och mätvärdena i anteckningsavsnittet. Vänligen klicka här för att se denna fil (Högerklicka för att ladda ner).

Supplement 2: variationer i statistisk parameter kartor med olika statistiska tröskelvärden. Resultaten presenteras i skivor med en rad tröskelvärden från p = 1,0 till FWE p < 0,05. Vänligen klicka här för att se denna fil (Högerklicka för att ladda ner).

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 är en kraftfull avbildningsteknik som mäter glukosupptag, ett index av cerebral glukos metabolism. Hittills har de flesta neurovetenskapliga studier som använder FDG-PET använt en traditionell bolusadministrationsmetod, med en statisk bildupplösning som representerar integralen av all metabolisk aktivitet under genomsökningen2. Detta manuskript beskriver två alternativa protokoll för radiotracer administration: endast infusion (t. ex. villien et al., jamadar et al.19,21) och hybriden bolus/infusion (t. ex. rischka et al.20) protokoll. De tre protokollen visade en temporal upplösning av 16 s, tajmen-låst till en stimulans, på individ-jämna.

Den kritiska punkten i metoden är början på skannings protokollet. Vid denna punkt, början av PET förvärvet måste vara tidslåst till början av BOLD-fMRI sekvens (om du använder samtidig MR-PET), samt början av stimulans presentationen. Stimulus ansats och varaktigheter måste kunna låsas till början av skanningen för den första nivån modeller. I den bolus-Only protokoll, den bolus skulle bli levererat på begynnelsen av den sällskapsdjur förvärvandet till ta till fånga den topp signalen (bild 4). I endast infusion-protokollet bör början av infusionen låsas till PET förvärvet, för att säkerställa korrekt modellering av upptaget på första nivån. I bolus/infusion protokoll, den bolus skulle bli tid-låste till sällskapsdjur förvärvandet, med det infusion startande på en känt, kort period, efter den bolus. För att förfarandena ska kunna flöda korrekt inom denna korta tidsperiod bör var och en av personalen (NMT, RG, RA) vara tillräckligt förberedd innan genomsökningen påbörjas (figur 1). "Generalrepetitioner" rekommenderas att koreografera tidpunkten för detta kritiska skede.

Hittills har cirka 60 försökspersoner testats med ett av dessa protokoll i vårt labb (det största antalet med enbart infusion-protokollet). Det finns två vanliga orsaker till subjekt attrition eller förvärv misslyckande. (1) forskarna kan inte kannulate deltagaren på grund av svårigheter att hitta vener. För att ta itu med detta måste alla deltagare dricka minst två glas vatten innan skanningen. Om endast en kanyl kan uppnås utelämnas blodprovstagning för den deltagaren. (2) deltagarna kan inte slutföra skanningen. Till skillnad från MRI kan PET-förvärvet inte pausas och startas om. De vanligaste orsakerna till in-Scan deltagare tillbakadragande beror på toalett pauser och svårighet med termisk reglering. Deltagarna har rapporterat att kravet på att konsumera vatten innan skanningen ökar behovet av att urinera. Därför måste alla deltagare göra det före skanning. Deltagarna har också rapporterat att infusion av Tracer lämnar dem känner mycket kallt, och frossa utlöses i vissa människor. Tidigare studier har visat att omgivningstemperaturen kan påverka den faktiska aktiviteten i FDG-PET skannar46. Problemet åtgärdas med hjälp av ett engångstäcke för alla deltagare under genomsökningen.

Resultaten visas på individuell ämnesnivå för de tre administrations protokollen. Som förväntat hade blodplasma koncentrationen av radioaktivitet (figur 3) den största toppen för enbart bolusprotokollet, men den mest ihållande radioaktiviteten erhölls i bolus/infusionsprotokollet. Plasmakoncentrationen var lägst för det infusionssbara protokollet. För både infusionslösningar och bolus/infusionsprotokoll minskade koncentrationen vid den tidpunkt då infusionen upphörde. PET-signal över ROIs (figur 4BII) visade den största signalen i bolus/infusionsprotokollet. Denna deltagare visade också den tydligaste differentieringen mellan ROIs. Kvalitativt sett var PET-signalen svagast i det infusionssbara protokollet. Det är möjligt att endast infusion-protokollet skulle ge bättre resultat i ett längre experiment (> 50 min). Detta skulle dock sannolikt öka andelen deltagares bortfall. I den första nivån generella linjära modeller var modell felet mycket större i det infusionssbara protokollet jämfört med protokollen bolus-Only och bolus/infusion (figur 4III). Signal-till-brus under aktivitets perioderna (figur 5) föreslog att den mest stabila signalen över inspelnings perioden erhölls med hjälp av bolus/infusionsprotokollet. Ytterligare studier krävs för att avgöra om dessa effekter är ihållande i ett större prov.

fPET är en relativt ny metod (först Publicerad av Villien et al.21), och uppgifterna är relativt komplicerade att förvärva jämfört med traditionella neuroimaging metoder som statisk PET och MRI/fMRI. Sålunda, det finns betydande utrymme för förbättringar för datainsamlingsprotokoll. Denna studie presenterar förvärvs protokollet för tre spår administrations protokoll (bolus-Only, infusion endast, och bolus plus infusion) och representativa resultat från enskilda ämnen för varje metod. I denna grupp utfördes ingen arteriell provtagning på grund av invasivitet av förfarandet och kravet på en MD på plats. Våra bildanalyser gynnas därför inte av den kvantitativa information som tillhandahålls av arteriell provtagning. Observera att Hahn et al.17 funnit ett utmärkt avtal mellan arteriell och venös provtagning för bestämning av kortikal cerebral metabolisk glukos (CMRGlc) för konstant infusion FDG-fpet. Andra publicerade verk43,44,45 diskutera arteriell, venös, och bild-härledda inmatningsfunktioner för PET i detalj.

Manuell blodprovstagning, oavsett om det är arteriell eller venös, kräver att personalen går in i skanner rummet medan skanning pågår. De flesta skannrar har en RF-Interlock för skanner rummet, vilket gör det möjligt för personalen att komma åt rummet under skanning utan att orsaka elektromagnetiska störningar artefakter i MR-bilder. Men personal som kommer in i rummet under genomsökningen kan öka strålningsexponeringen för personalen, orsaka deltagarnas obehag, och öka deltagarnas rörelse och tillbakadragande från kognitiva uppgifter. Dessa faktorer uppmuntrar insamlingen av så få prover som behövs. Ta prover var 5 − 10 min medan dosen administreras är tillräcklig för att iaktta lågfrekventa bloddynamiken förväntas från de tre protokoll som granskas här. Denna provtagningsfrekvens begränsar dock förmågan att kvantifiera högfrekventa temporala egenskaper, särskilt den exakta storleken och formen på toppen efter bolusadministreringen. Om sådana egenskaper är av betydelse kan användningen av automatiserad blod provs utrustning vara fördelaktig.

Slutligen utvecklades traditionella PET-modelleringsmetoder för statisk avbildning (t. ex. Kinetic, Patlak). Mer arbete krävs för att uppdatera de matematiska modellerna för applicering till fPET-data.

Sammanfattnings, presenterar detta manuskript alternativa metoder för FDG radiotracer administration för High temporal resolution FDG-PET, med en upplösning på 16 s. Denna temporal upplösning jämför gynnsamt till ström normal i litteraturen. Hahn et al., jamadar et al., och villien et al.17,18,19,21 rapport FDG-fpet med 1 min upplösning, och rischka et al.20 uppnått stabila FDG-fpet resultat med en ram varaktighet 12 s med 20/80% bolus plus infusion. Den bolus/infusion protokoll som presenteras här verkar ge den mest stabila signalen för den längsta tidsperioden jämfört med bolus-endast och infusion endast protokoll.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna förklarar ingen intressekonflikt. Finansieringskällan var inte inblandad i studiens utformning, insamling, analys och tolkning av data.

Acknowledgments

Jamadar stöds av ett australiskt råd för forskning (ARC) Discovery Early karriär forskare Award (DECRA DE150100406). Jamadar, Ward och Egan stöds av ARC Centre of Excellence för integrativ hjärnfunktion (CE114100007). Chen och Li stöds av finansiering från Reignwood Cultural Foundation.

Jamadar, Ward, Carey och McIntyre har utformat protokollet. Carey, McIntyre, Sasan och Fallon samlade in data. Jamadar, Ward, Parkes och Sasan analyserade data. Jamadar, Ward, Carey, och McIntyre skrev det första utkastet till manuskriptet. Alla författare har granskat och godkänt den slutgiltiga versionen.

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 för hög temporal upplösning positron emissions tomografi av den mänskliga hjärnan: ansökan till 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