גת נשימה אופטימלית מבוססת משרעת (ORG) מסירה ביעילות טשטוש תנועה הנגרם על ידי הנשימה מתמונות קליניות של 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) של פליטת פוזיטרונים (PET). תיקון תמונות FDG-PET עבור חפצי תנועה נשימתיים אלה משפר את איכות התמונה, האבחון והדיוק הכמותי. הסרת חפצי תנועה נשימתית חשובה לניהול קליני הולם של חולים המשתמשים ב- PET.
טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET) בשילוב עם טומוגרפיה ממוחשבת של קרני רנטגן (CT) היא פלטפורמת הדמיה מולקולרית חשובה הנדרשת לאבחון מדויק ולבימוי קליני של מגוון מחלות. היתרון של הדמיה PET הוא היכולת לדמיין ולכומת מספר עצום של תהליכים ביולוגיים ב vivo עם רגישות ודיוק גבוהים. עם זאת, ישנם גורמים רבים הקובעים את איכות התמונה ואת הדיוק הכמותי של תמונות PET. אחד הגורמים החשובים ביותר המשפיעים על איכות התמונה בהדמיית PET של בית החזה והבטן העליונה הוא תנועה נשימתית, וכתוצאה מכך טשטוש תנועה הנגרמת על ידי נשימה של מבנים אנטומיים. תיקון של חפצים אלה נדרש כדי לספק איכות תמונה אופטימלית ודיוק כמותי של תמונות PET.
פותחו מספר טכניקות גת נשימתיות, בדרך כלל תוך הסתמכות על רכישת אות נשימתי בו זמנית עם נתוני PET. בהתבסס על אות הנשימה שנרכש, נתוני PET נבחרים לשחזור תמונה ללא תנועה. למרות שיטות אלה הוכחו להסיר ביעילות חפצי תנועה נשימתית מתמונות PET, הביצועים תלויים באיכות האות הנשימתי הנרכש. במחקר זה, נדון השימוש באלגוריתם מגת נשימתי אופטימלי (ORG) המבוסס על משרעת. בניגוד לאלגוריתמים רבים אחרים של גת נשימתית, ORG מאפשרת למשתמש לשלוט באיכות התמונה לעומת כמות התנועה שנדחתה בתמונות PET המשוחזרות. הדבר מושג על ידי חישוב טווח משרעת אופטימלי המבוסס על אות הפונדקאית הנרכשת ומחזור עבודה שצוין על-ידי המשתמש (אחוז נתוני PET המשמשים לשחזור תמונה). טווח משרעת אופטימלי מוגדר כטווח משרעת הקטן ביותר עדיין המכיל את כמות נתוני PET הנדרשים לשחזור תמונה. הוכח כי תוצאות ORG בהסרה יעילה של טשטוש תמונה הנגרמת על ידי נשימה בהדמיית PET של בית החזה והבטן העליונה, וכתוצאה מכך איכות תמונה משופרת ודיוק כמותי.
טומוגרפיה פליטת פוזיטרונים (PET) בשילוב עם טומוגרפיה ממוחשבת רנטגן (CT) הוא כלי הדמיה מקובל בפועל קליני לאבחון מדויק ובימוי קליני של מגוון רחב שלמחלות 1. היתרון של הדמיה PET הוא היכולת לדמיין ולכומת מספר עצום של תהליכים ביולוגיים ב vivo עם רגישות גבוהה ודיוק2. זה מושגת באמצעות מתן דרך הווריד תרכובת שכותרתו רדיואקטיבית, הידוע גם בשם radiotracer, למטופל. בהתאם radiotracer בשימוש, מאפייני רקמות כגון חילוף החומרים של גלוקוז, התפשטות הסלולר, מידת היפוקסיה, הובלת חומצות אמינו, ביטוי של חלבונים וקוולטנים, ניתן לדמייןולכומת 2.
למרות מספר radiotracers פותחו, מאומת, בשימוש בפועל קליני, אנלוגי גלוקוז רדיואקטיבי 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) הוא רדיוטרטר בשימוש הנפוץ ביותר בפועל קליני. בהתחשב בכך ש- FDG מצטבר בעיקר בתאים עם קצב גליקוליטי גבוה (כלומר, תאים עם ספיגת גלוקוז גבוהה והמרה לפירובט לייצור אנרגיה), ניתן להפלות רקמות עם מצבים מטבוליים שונים. בדומה לגלוקוז, השלב הראשון של ספיגת FDG הוא הובלה מהמרחב החוץ-תאי מעל קרום הפלזמה לחלל האינטר-תאי, המתאפשר על ידי מובילי גלוקוז (GLUT)3. ברגע שה-FDG נמצא במרחב האינטר-תאי, זרחון על ידי הקסוקינאס יגרום לדור של FDG-6-פוספט. עם זאת, בניגוד לגלוקוז-6-פוספט, FDG-6-פוספט לא יכול להיכנס למחזור קרבס לפירוק אירובי נוסף עקב היעדר קבוצת הידרוקסיל (OH) בתמונת הפחמן השנייה (2′). בהתחשב בכך התגובה ההפוך, dephosphorylation של FDG-6-פוספט בחזרה FDG, בקושי מתרחשת ברוב הרקמות, FDG-6-פוספט לכודתאית 3. לכן, מידת ספיגת ה- FDG תלויה בביטוי של GLUT (בפרט GLUT1 ו- GLUT3) על קרום הפלזמה, ובפעילות האנזימטית התאית של ההקסוקינאזות. הרעיון של ספיגה מתמשכת זו לכידות של FDG נקרא לכידות מטבולית. העובדה כי FDG מצטברת ברקמות עם פעילות מטבולית מוגברת מוצגת איור 1a, המדגים את ההתפלגות הפיזיולוגית של FDG בחולה. תמונה זו FDG-PET מראה ספיגה גבוהה יותר ברקמות הלב, המוח והכבד, אשר ידועים להיות איברים פעילים מטבולית בתנאים נורמליים.
הרגישות הגבוהה לגילוי הבדלים במצב חילוף החומרים של הרקמות הופכת את FDG לרדיוטרקס מצוין להפלות נורמלי מרקמות חולה, בהתחשב בכך שמטבוליזם שהשתנה הוא סימן היכר חשוב למחלות רבות. זה מתואר בקלות איור 1b, מראה תמונה FDG-PET של חולה עם סרטן ריאות תאים לא קטנים בשלב IV (NSCLC). יש ספיגה מוגברת בגידול העיקרי, כמו גם נגעים גרורתיים. בנוסף להדמיה, כימות ספיגת radiotracer ממלא תפקיד חשוב בניהול קליני של חולים. מדדים כמותיים הנגזרים מתמונות PET המשקפות את מידת ספיגת radiotracer, כגון ערך ספיגה מתוקן (SUV), נפחים מטבוליים, גליקוליזה הנגע הכולל (TLG), ניתן להשתמש כדי לספק מידע פרוגנוסטי חשוב ולמדוד תגובה לטיפולעבור קבוצות חולים שונות 4,5,6. בהקשר זה, הדמיה FDG-PET משמש יותר ויותר כדי להתאים אישית הקרנות וטיפול מערכתי בחולים אונקולוגיים7. יתר על כן, השימוש ב- FDG-PET לניטור רעילות הנגרמת על ידי טיפול אקוטי, כגון דלקת הוושט הנגרמת עלידי קרינה 8, דלקת ריאות9 ותגובות דלקתיות מערכתיות 10, תוארה ומספקת מידע חשוב לקבלת החלטות טיפול מונחות תמונה.
בהתחשב בתפקיד החשוב של PET לניהול קליני של חולים, איכות התמונה ודיוק כמותי חשובים להנחיית החלטות הטיפול כראוי המבוססות על תמונות PET. עם זאת, ישנם גורמים טכניים רבים שיכולים להתפשר על דיוק כמותי של תמונות PET11. גורם חשוב שיכול להשפיע באופן משמעותי על כימות התמונה ב PET קשורה זמני הרכישה הארוכים יותר של PET לעומת דרכים אחרות הדמיה רדיולוגית, בדרך כלל כמה דקות לכל תנוחת המיטה. כתוצאה מכך, חולים מונחים בדרך כלל לנשום בחופשיות במהלך הדמיה PET. התוצאה היא שתמונות PET סובלות מתנועה נשימתית, מה שעלול להוביל לטשטוש משמעותי של איברים הממוקמים בתוך בית החזה והבטן העליונה. טשטוש תנועה זה המושרה על ידי הנשימה עלול לפגוע באופן משמעותי בהדמיה נאותה ובדיוק כמותי של ספיגת radiotracer, אשר יכול להשפיע על ניהול קליני של חולים בעת שימוש בתמונות PET לאבחון ובימוי, הגדרת נפח היעד עבור יישומי תכנון טיפול בהקרנות, וניטור של תגובהטיפולית 12.
מספר שיטות גת נשימה פותחו בניסיון לתקן תמונות PET עבור חפצי תנועה נשימתית13. ניתן לסווג שיטות אלה לאסטרטגיות גת פוטנציאליות, רטרוספקטיביות ומונעות נתונים. טכניקות גת נשימה פוטנציאליות רטרוספקטיביות בדרך כלל להסתמך על רכישת אות פונדקאית נשימתית במהלך הדמיה PET14. אותות פונדקאיים נשימתיים אלה משמשים למעקב וניטור מחזור הנשימה של המטופל. דוגמאות למכשירי מעקב נשימתי הן זיהוי של טיול קירהחזה באמצעות חיישני לחץ 12 או מערכות מעקב אופטי (למשל, מצלמותוידאו) 15, תרמוקופלס כדי למדוד אתהטמפרטורה של אוויר נושם 16, ספירומטרים כדי למדוד את זרימת האוויר ובכך בעקיפין להעריך שינויים בנפח הריאותשל המטופל 17.
לאחר מכן, גתים נשימתיים מושגים בדרך כלל על ידי הקלטה רציפה ובו זמנית של אות פונדקאי (S(t)), עם נתוני PET במהלך רכישת תמונה. באמצעות האות הפונדקאי שנרכש, ניתן לבחור נתוני PET התואמים לשלב נשימתי מסוים או לטווח משרעת מסוים (גת מבוסס משרעת)12,13,18. גתות מבוססות פאזה מבוצעות על ידי חלוקת כל מחזור נשימה למספר קבוע של שערים, כפי שמתואר איור 2א. לאחר מכן, גתים נשימתיים מבוצעים על ידי בחירת נתונים שנרכשו בשלב מסוים במהלך מחזור הנשימה של המטופל שישמש לשחזור תמונה. באופן דומה, גתות מבוססות משרעת מסתמכות על הגדרת טווח משרעת של אות הנשימה, כפי שמוצג איור 2b. כאשר הערך של אות הנשימה נופל בתוך טווח משרעת להגדיר, הנתונים המתאימים PET listmode ישמשו לשחזור תמונה. עבור גישות גתים רטרוספקטיביות, כל הנתונים נאספים ומחסנים מחדש את נתוני PET מבוצעים לאחר רכישת תמונה. למרות ששיטות גת נשימה פוטנציאליות משתמשות באותם מושגים כמו גישות גת רטרוספקטיביות לשיסוף מחדש של נתוני PET, שיטות אלה מסתמכות על איסוף נתונים באופן פוטנציאלי במהלך רכישת תמונה. כאשר כמות מספקת של נתוני PET נאספת, רכישת התמונה תוסופי. הקושי של גישות גת פוטנציאליות ו רטרוספקטיביות כאלה הוא שמירה על איכות תמונה מקובלת מבלי להאריך באופן משמעותי את זמני רכישת התמונה כאשר נשימה לא סדירהמתרחשת 13. בהקשר זה, שיטות גת נשימה מבוססות פאזה רגישות במיוחדלדפוסי נשימה לא סדירים 13,19, שבו כמויות משמעותיות של נתוני PET ניתן להשליך עקב דחייה של גורמים בלתי הולמים, וכתוצאה מכך ירידה ניכרת באיכות התמונה או הארכה בלתי מתקבלת על הדעת של זמן רכישת תמונה. בנוסף, כאשר מתקבלים גורמים בלתי הולמים, ניתן להפחית את הביצועים של אלגוריתם הגט הנשימתי ובכך את האפקטיביות של דחיית תנועה מתמונות PET בשל העובדה ששערי הנשימה מוגדרים בשלבים שונים של מחזור הנשימה, כפי שמתואר איור 2א. ואכן, דווח כי גת נשימה מבוסס משרעת יציבה יותר מאשר גישות מבוססות פאזה במקרה של אי סדרים באותהנשימה 13. למרות שאלגוריתמי גת נשימתיים מבוססי משרעת חזקים יותר בנוכחות תדרי נשימה לא סדירים, אלגוריתמים אלה רגישים יותר להיסחף בסיסי של אות הנשימה. נסחף של האות הבסיסי יכול להתרחש מסיבות רבות כאשר מתח השרירים של המטופל (כלומר, מעבר של חולה למצב רגוע יותר במהלך רכישת תמונה) או שינויים בדפוס הנשימה. על מנת למנוע נסחף בסיסי כזה של האות, יש לדאוג לצרף באופן מאובטח חיישני מעקב למטופל ולבצע ניטור קבוע של האות הנשימתי.
למרות בעיות אלה ידועים, אלגוריתמים מסורתיים gating הנשימה רק לאפשר שליטה מוגבלת על איכות התמונה ובדרך כלל דורשים הארכה משמעותית של זמן רכישת תמונה או כמויות מוגברות של radiotracer להינתן למטופל. גורמים אלה הביאו לאימוץ מוגבל של פרוטוקולים כאלה בשגרה קלינית. על מנת לעקוף בעיות אלה הקשורות לאיכות המשתנה של תמונות מגודרות הנשימה , סוג מסוים של אלגוריתם gating מבוסס משרעת, הידוע גם בשם גת נשימה אופטימלית (ORG),הוצע 18. גת נשימתית עם ORG מאפשרת למשתמש לציין את איכות התמונה של התמונות מגודרות הנשימה על ידי מתן מחזור חובה כקלט לאלגוריתם. מחזור החובה מוגדר כאחוז מנתוני מצב הרשימה של PET שנרכשו המשמשים לשחזור תמונה. בניגוד לאלגוריתמים רבים אחרים של גת הנשימה, מושג זה מאפשר למשתמש לקבוע ישירות את איכות התמונה של תמונות PET משוחזרות. בהתבסס על מחזור העבודה שצוין, מחושב טווח משרעת אופטימלי, אשר לוקח את המאפיינים הספציפיים של האות הפונדקאי הנשימתי כולו בחשבון18. טווח משרעת אופטימלי עבור מחזור עבודה מסוים יחושב על ידי התחלה עם מבחר של ערכים שונים עבור מגבלת משרעת נמוכה יותר, המיועד (L), של אות הנשימה. עבור כל גבול תחתון שנבחר, מגבלת משרעת העליונה, המיועדת (U), מותאמת באופן כזה שסך נתוני PET שנבחרו, המוגדרים כנתונים שנרכשו כאשר אות הנשימה נמצא בטווח משרעת (L<S(t)<U), שווה למחזור החובה שצוין. לדוגמה, עבור מחזור עבודה של 50% ושש דקות של נתוני PET listmode שנרכשו, טווח משרעת מותאם לכלול שלוש דקות (50%) של נתוני PET. טווח משרעת אופטימלי (W) מוגדר כטווח משרעת הקטן ביותר המשמש לגתות נשימתיות שעדיין מכיל את הכמות הנדרשת של נתוני PET (כלומר, ArgMax([U-L)),כפישמתואר באיור 2c12. לכן, על ידי ציון מחזור העבודה, המשתמש עושה טרייד-אוף בין כמות הרעש לבין מידת התנועה שיורית המתגוררת בתמונות PET ORG. הורדת מחזור העבודה תגדיל את כמות הרעש, אם כי זה גם יקטין את כמות התנועה שיורית בתמונות PET (ולהיפך). למרות שהמושגים וההשפעות של ORG תוארו בדו”חות קודמים, מטרת כתב יד זה היא לספק לרופאים פרטים על הפרוטוקולים הספציפיים בעת שימוש ב- ORG במרפאה. לכן, מתואר השימוש ב- ORG בפרוטוקול הדמיה קלינית. יסופקו מספר היבטים מעשיים, לרבות הכנת מטופלים, פרוטוקולי רכישת תמונה ושחזור. יתר על כן, כתב היד יכסה את ממשק המשתמש של תוכנת ORG ובחירות ספציפיות שניתן לבצע בעת ביצוע גתים נשימתיים במהלך הדמיית PET. לבסוף, ההשפעה של ORG על זיהוי נגע וכימות תמונה, כפי שמוצג במחקרים קודמים, נדונים.
בקהילת הרפואה הגרעינית, ההשפעות המידרדרות של חפצי תנועה נשימתית בהדמיית PET מוכרות היטב כבר זמן רב. הוכח במחקרים רבים כי ההשפעה המטושטשת של חפצי תנועה נשימתית יכולה להשפיע באופן משמעותי על כימות התמונה ועל יכולת גילוי הנגע. למרות מספר שיטות gating הנשימה פותחו, gating הנשימה אינו נמצא כיום בשימו?…
The authors have nothing to disclose.
המחברים רוצים להודות לריצ’רד ראגו על שסיפק את תמונות ה-PET המוצגות איור 1.
Sensor Port, sensor, black box, wave deck, elastic band, load cell sensor (complete set) | anzai medical co. | respiratory gating system AZ-733V | http://www.anzai-med.co.jp/en/product/item/az733v |