Оптимальное респираторное гатирование на основе амплитуды (ORG) эффективно удаляет дыхательные движения, размывающиеся от клинических 18изображений позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) 18 F-фтордеоксиглюкозы (FDG). Коррекция изображений FDG-PET для этих респираторных артефактов движения улучшает качество изображения, диагностическую и количественную точность. Удаление респираторных артефактов движения имеет важное значение для адекватного клинического лечения пациентов, использующих ПЭТ.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) в сочетании с рентгеновской компьютерной томографией (КТ) является важной молекулярной платформой визуализации, которая необходима для точной диагностики и клинической постановки различных заболеваний. Преимуществом ПЭТ-изображения является способность визуализировать и количественно множество биологических процессов in vivo с высокой чувствительностью и точностью. Однако существует множество факторов, определяющих качество изображения и количественную точность ПЭТ-изображений. Одним из основных факторов, влияющих на качество изображения в ПЭТ-изображении грудной клетки и верхней части живота, является движение дыхательных путей, что приводит к размываниям анатомических структур, вызванных дыханием. Коррекция этих артефактов необходима для обеспечения оптимального качества изображения и количественной точности ПЭТ-изображений.
Было разработано несколько методов респираторного гатинга, которые, как правило, опираются на получение респираторного сигнала одновременно с данными ПЭТ. На основе приобретенного респираторного сигнала для реконструкции изображения, свободного от движения, отбираются ПЭТ-данные. Хотя эти методы, как было показано, эффективно удалить дыхательные артефакты движения из ПЭТ-изображений, производительность зависит от качества дыхательного сигнала приобретаются. В этом исследовании обсуждается использование алгоритма оптимального респираторного гатинга (ORG) на основе амплитуды. В отличие от многих других алгоритмов респираторного закрытого управления, ORG позволяет пользователю иметь контроль над качеством изображения по сравнению с количеством отклоненных движений в реконструированных ПЭТ-изображениях. Это достигается путем расчета оптимального диапазона амплитуды на основе приобретенного суррогатного сигнала и указанного пользователем цикла службы (процент данных ПЭТ, используемых для реконструкции изображения). Оптимальный диапазон амплитуды определяется как самый маленький диапазон амплитуды, по-прежнему содержащий объем данных ПЭТ, необходимых для реконструкции изображения. Было показано, что ORG приводит к эффективному удалению искусственного дыхания изображения размытия в ПЭТ-изображения грудной клетки и верхней части живота, в результате чего улучшение качества изображения и количественной точности.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) в сочетании с рентгеновской компьютерной томографией (КТ) является общепринятым инструментом визуализации в клинической практике для точной диагностики и клиническойпостановки различных заболеваний 1. Преимуществом ПЭТ-изображения является способность визуализировать и количественно множество биологических процессов in vivo с высокой чувствительностью и точностью2. Это достигается путем внутривенного введения радиоактивно маркированных соединений, также известный как радиотракер, к пациенту. В зависимости от используемого радиотракера, характеристики тканей, такие как метаболизм глюкозы, клеточное пролиферацию, степень гипоксии, транспортировку аминокислот и экспрессию белков и рецепторов, могут быть визуализированы и количественно2.
Хотя несколько радиотракеров были разработаны, проверены и использованы в клинической практике, радиоактивный аналог глюкозы 18F-фтордеоксиглукозы (FDG) является наиболее широко используемым радиотрактором в клинической практике. Учитывая, что FDG преимущественно накапливается в клетках с повышенной гликолитической скоростью (т.е. клетки с повышенным поглощением глюкозы и преобразованием в пируват для производства энергии), можно различать ткани с различными метаболическими состояниями. Как и глюкоза, первым шагом поглощения FDG является транспортировка из внеклеточного пространства над плазменной мембраной во внутриклеточное пространство, чему способствуют транспортеры глюкозы (GLUT)3. После того, как FDG находится во внутриклеточном пространстве, фосфорилирование гексокиназами приведет к генерации FDG-6-фосфата. Однако, в отличие от глюкозы-6-фосфата, FDG-6-фосфат не может войти в цикл Кребса для дальнейшего аэробного непохожести из-за отсутствия группы гидроксила (OH) во втором (2′) углеродном положении. Учитывая, что обратная реакция, дефосфорилирование FDG-6-фосфата обратно в FDG, вряд ли происходит в большинстве тканей, FDG-6-фосфат находится в ловушке внутриклеточно3. Таким образом, степень поглощения FDG зависит от экспрессии GLUT (в частности GLUT1 и GLUT3) на плазменной мембране, а также от внутриклеточной энзиматической активности гексокинасов. Концепция этого непрерывного поглощения и захвата FDG называется метаболическим захватом. Тот факт, что FDG преимущественно накапливается в тканях с повышенной метаболической активностью, показан на рисунке 1a,демонстрируя физиологическое распределение FDG у пациента. Это изображение FDG-PET показывает более высокое поглощение в тканях сердца, мозга и печени, которые, как известно, метаболически активных органов в нормальных условиях.
Высокая чувствительность для выявления различий в метаболическом состоянии тканей делает FDG отличным радиотракером для дискриминации нормальных от больных тканей, учитывая, что измененный метаболизм является важной отличительной чертой для многих заболеваний. Это легко изображается на рисунке 1b, показывая FDG-PET изображение пациента с IV стадией не-мелкоклеточного рака легких (NSCLC). Увеличивается поглощение первичной опухоли, а также при метастатических поражениях. В дополнение к визуализации, количественная оценка поглощения радиотракера играет важную роль в клиническом управлении пациентами. Количественные индексы, полученные из ПЭТ-изображений, отражающих степень поглощения радиотрактора, такие как стандартизированное значение поглощения (SUV), метаболические объемы и общий гликолиз поражения (TLG), могут быть использованы для предоставления важной прогностический ответ лечениядля различных групп пациентов 4,5,6. В связи с этим, FDG-PET изображения все чаще используется для персонализации лучевой терапии и системного лечения у онкобольных7. Кроме того, использование FDG-PET для мониторинга острой терапии индуцированной токсичности, таких как радиационный индуцированныйэзофагит 8,пневмонит 9 и системные воспалительныереакции 10, был описан и предоставляет важную информацию для принятия изображений управляемых решений лечения.
Учитывая важную роль ПЭТ для клинического ведения пациентов, качество изображения и количественная точность имеет важное значение для надлежащего руководства решения лечения на основе ПЭТ-изображений. Тем не менее, существует множество технических факторов, которые могут поставить под угрозу количественную точностьПЭТ-изображений 11. Важным фактором, который может существенно повлиять на количественную оценку изображения в ПЭТ, является более длительное время приобретения ПЭТ по сравнению с другими радиологическими условиями визуализации, как правило, несколько минут на одну кровать. Как следствие, пациенты, как правило, проинструктированы свободно дышать во время ПЭТ-изображения. Результатом является то, что ПЭТ изображения страдают от дыхательных индуцированных движения, что может привести к значительному размытию органов, расположенных в грудной клетке и верхней части живота. Это дыхательное размытие движения может значительно ухудшить адекватную визуализацию и количественную точность поглощения радиотракера, что может повлиять на клиническое управление пациентами при использовании ПЭТ-изображений для диагностики и постановки, определение целевого объема для применения планирования лучевой терапии, а также мониторинг реакциитерапии 12.
Несколько дыхательных gating методы были разработаны в попытке исправить ПЭТ изображения для дыхательных артефактов движения13. Эти методы можно классифицировать по перспективным, ретроспективным и ориентированным на данные стратегиям закрытых работ. Перспективные и ретроспективные методы респираторного отмытия обычно полагаются на приобретение респираторного суррогатного сигнала во время ПЭТ-изображения14. Эти респираторные суррогатные сигналы используются для отслеживания и мониторинга дыхательного цикла пациента. Примерами устройств слежения за дыханием являются обнаружение экскурсии по стенке груднойклетки с помощью датчиков давления 12 или оптических систем слежения(например, видеокамер) 15,термоуплейдля измерения температуры дышащего воздуха 16, и спирометров для измерения воздушного потока и тем самым косвенной оценки изменений объемав легких пациента 17.
Дыхательные gating затем, как правило, осуществляется путем непрерывной и одновременной записи суррогатного сигнала (назначенный S (t)), с данными ПЭТ во время получения изображения. Используя полученный суррогатный сигнал, ПЭТ данные, соответствующие определенной дыхательной фазе или диапазону амплитуды (амплитуды на основе gating)могут быть выбраны 12,13,18. Фазовая гатирование выполняется путем деления каждого дыхательного цикла на фиксированное количество ворот, как по рисунку 2a. Дыхательные gating затем выполняется путем выбора данных, полученных на определенном этапе во время дыхательного цикла пациента, которые будут использоваться для реконструкции изображения. Аналогичным образом, амплитуда на основе gating опирается на определение диапазона амплитуды респираторного сигнала, как показано на рисунке 2b. Когда значение респираторного сигнала попадает в диапазон амплитуды набора, соответствующие данные СПИСКА ПЭТ будут использоваться для реконструкции изображения. Для ретроспективных подходов к закрытости все данные собираются, а повторное обработку данных ПЭТ выполняется после получения изображения. Хотя перспективные методы респираторного отбеливания используют те же концепции, что и ретроспективные подходы к повторному использованию ПЭТ-данных, эти методы опираются на сбор данных в перспективе во время сбора изображений. При сборе достаточного объема ДАННЫх ПЭТ-изображения будет завершено приобретение изображений. Сложность таких перспективных и ретроспективных подходов к закрытому использованию заключается в поддержании приемлемого качества изображения без существенного продления времени приобретения изображения при нерегулярномдыхании 13. В связи с этим фазо-методы респираторного отмаирования особенно чувствительнык нерегулярным дыхательным моделям 13,19,где значительные объемы ПЭТ-данных могут быть отброшены из-за отторжения неуместных триггеров, что приводит к значительному снижению качества изображения или неприемлемому удлинению времени получения изображения. Кроме того, когда принимаются неуместные триггеры, производительность алгоритма дыхательного гатинга и тем самым эффективность отторжения движения от ПЭТ-изображений может быть снижена в связи с тем, что дыхательные ворота определяются на разных стадиях дыхательного цикла, как по рисунку 2a. Действительно, было сообщено, что амплитуда основе дыхательных gating является более стабильным, чем фазовой подходов в случае нарушений в дыхательных сигнал13. Хотя алгоритмы амплитуды на основе респираторного гатинга являются более надежными в присутствии нерегулярных частот дыхания, эти алгоритмы более чувствительны к базовому дрейфу респираторного сигнала. Дрифтинг базового сигнала может произойти по многочисленным причинам, когда мышечное напряжение пациента (т.е. переход пациента в более расслабленное состояние во время получения изображения) или изменение дыхания. Для предотвращения такого базового дрейфа сигнала следует позаботиться о безопасном прикреплении датчиков слежения к пациенту и проведении регулярного мониторинга респираторного сигнала.
Хотя эти проблемы известны, традиционные алгоритмы респираторного гатинга позволяют только ограниченный контроль над качеством изображения и, как правило, требуют значительного удлинения времени получения изображения или увеличение количества радиотракера, которые будут вводиться пациенту. Эти факторы привели к ограниченному внедрению таких протоколов в клиническую рутину. Для того, чтобы обойти эти проблемы, связанные с переменным качеством дыхательных закрытых изображений , определенный тип амплитуды на основе алгоритма gating, также известный как оптимальный дыхательный gating (ORG), былопредложено 18. Дыхательные gating с ORG позволяет пользователю указать качество изображения дыхательных закрытых изображений, предоставляя цикл службы в качестве ввода в алгоритм. Цикл пошлины определяется как процент от приобретенных данных ПЭТ-режима списка, которые используются для восстановления изображения. В отличие от многих других алгоритмов респираторного гатинга, эта концепция позволяет пользователю напрямую определить качество изображения реконструированных ИЗОБРАЖЕНИЙ ПЭТ. На основе указанного цикла службы рассчитывается оптимальный диапазон амплитуды, который учитывает специфические характеристики всего респираторного суррогатного сигнала18. Оптимальный диапазон амплитуды для определенного цикла службы будет рассчитываться, начиная с выбора различных значений для нижнего предела амплитуды, обозначенного (L), респираторного сигнала. Для каждого выбранного нижнего предела предел верхней амплитуды, обозначенный (U), корректируется таким образом, что сумма выбранных данных ПЭТ, определяемых как данные, полученные при падении респираторного сигнала в пределах диапазона амплитуды (L’lt;S(t) и lt;U), равна указанному циклу службы. Например, для цикла пошлины в 50% и 6 минут приобретенных данных СПИСКА ПЭТ диапазон амплитуды адаптируется к трем минутам (50%) ПЭТ-данных. Оптимальный диапазон амплитуды (W) определяется как самый маленький диапазон амплитуды, используемый для дыхательного gating, который по-прежнему содержит необходимое количество данных ПЭТ (т.е. ArgMax(U–L)), как по изображено на рисунке 2c12. Таким образом, указав цикл обязанностей, пользователь делает компромисс между количеством шума и степенью остаточного движения, проживающего в изображениях ORG PET. Снижение цикла пошлины увеличит количество шума, хотя это также уменьшит количество остаточного движения в ПЭТ-изображениях (и наоборот). Хотя концепции и последствия ORG были описаны в предыдущих докладах, цель этой рукописи заключается в предоставлении врачам подробной информации о конкретных протоколах при использовании ORG в клинической практике. Таким образом, использование ORG в протоколе клинической визуализации описано. Будет обеспечен ряд практических аспектов, включая подготовку пациентов, приобретение изображений и протоколы реконструкции. Кроме того, рукопись будет охватывать пользовательский интерфейс программного обеспечения ORG и конкретные варианты, которые могут быть сделаны при выполнении дыхательных gating во время ПЭТ-изображения. Наконец, обсуждается влияние ORG на обнаруживаемость поражения и количественную оценку изображений, как показано в предыдущих исследованиях.
В сообществе ядерной медицины, ухудшение воздействия респираторных артефактов движения в ПЭТ-изображений были хорошо признаны в течение длительного времени. Во многих исследованиях было показано, что размытие эффекта респираторных артефактов движения может существенно повлиять на ?…
The authors have nothing to disclose.
Авторы хотели бы поблагодарить Ричарда Рагу за предоставление ПЭТ-изображений, показанных на рисунке 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 |