定量 =18F_-Naf-PET-MRI 分析,用于评估面部腰痛患者的动态骨质周转率

摘要

反映动态骨质流动的成像技术可能有助于描述各种骨病。我们提供了详细的方法,用于使用腰面关节作为典型感兴趣的典型区域,在有面性腰痛的患者中执行和分析动态 [¹⁸F_-NaF-PET-MRI 数据]。

摘要

反映动态骨质流动的成像技术可能有助于描述各种骨病。骨骼是一种动态组织,通过成骨细胞的竞争性活动进行连续重塑,产生新的骨基质和成骨细胞,其功能是消除矿化骨。•¹⁸F_-NaF 是一种正电子发射断层扫描 (PET) 放射跟踪器,可实现骨代谢的可视化。•¹⁸F_-NaF被成骨细胞化学吸收到骨基质中的羟基磷灰石中,因此可以无创地检测成骨细胞活性,这是传统成像技术所隐匿的。动态 =¹⁸F_-NaF-PET 数据的动力学建模提供了骨代谢的详细定量测量。传统的半定量PET数据,利用标准化的摄取值(SUV)作为放射性跟踪器活性的量度,由于其对示踪剂摄取时间的快照,被称为静态技术。 然而,动力学建模利用动态图像数据,持续获取示踪器电平,提供跟踪器接收时间分辨率。从动态数据的动力学建模中,可以提取血流和代谢率(即,追踪动力学的潜在信息指标)等定量值,所有这些都与图像数据中的测量活动有关。当与双模PET-MRI结合使用时,区域特异性动力学数据可与MRI提供的解剖学登记的高分辨率结构和病理信息相关。本方法学手稿旨在概述执行和分析动态 +¹⁸F+-NaF-PET-MRI 数据的详细技术。腰面关节是退行性关节炎的常见部位,也是轴向腰痛的常见原因。 最近的研究表明,¹⁸F_-NaF-PET 可能是痛苦的面部疾病的有用生物标志物。 因此,本手稿中的人类腰面关节将作为动态 [¹⁸F]-NaF-PET-MRI 分析的原型区域。

引言

骨病理学的标准临床成像技术主要限于描述结构变化,这可能是非特异性的。例如,与正常老化相关的无症状形态异常可能与导致严重疼痛和残疾^的退行性改变无法区分。骨骼是一种动态组织,通过成骨细胞的竞争性活动进行连续重塑,产生新的骨基质和成骨细胞,其功能是消除矿化骨2。•¹⁸F_-NaF 是一种正电子发射断层扫描 (PET) 放射跟踪器,可实现骨组织代谢的可视化。•¹⁸F_-NaF 被成骨细胞化学吸收到骨基质中的羟基磷灰石中,因此可以无创地检测成骨细胞活性,从而检测出与传统成像技术不一致的神秘代谢过程。因此,[¹⁸F_-NaF] 已用于描述骨骼疾病中越来越多的骨骼疾病的特征,包括肿瘤、炎症和骨关节退行性疾病 3、4、5.

PET 数据最常以半定量方式分析,在具有标准化接受值 (SUV) 的常规临床实践中可以轻松执行。作为一个指标,SUV是有用的临床医生,因为它们代表组织接受相对于身体的其余部分6。后续扫描的值可用于观察治疗或疾病进展导致的摄入变化。SUV的数值特性也有助于比较患者和在同一患者的连续扫描之间。用于计算SUV的算法,公式1,假设示踪剂均匀地分布在全身,瘦体质量准确地表示全身体积。因此,SUV 是一种半定量的测量。对于给定的感兴趣区域 (ROI),SUV最大值(ROI 内的最大 SUV 值)和 SUV 平均值(ROI内所有抽样 SUV 的平均值)是临床实践中常用的 SUV 指标⁶。

动态 PET 数据的动力学建模也可以进行更详细的定量分析。虽然SUV数据采集是静态的,但动力学建模利用动态图像数据,持续获取示踪量,提供时态维度。 从动态数据的更复杂的动力学建模中,可以根据图像数据中的测量活动提取示踪动力学的定量值和信息指标。图17显示了用于动态动力学建模的双组织隔间模型样本。 C_p是血浆中示踪剂的浓度,而 C_e和 C_t分别表示目标骨基质中未结合的间隙空间和结合示踪剂中的浓度。K_1,k 2,k₃,k₄,是4个速率参数,用于描述示踪器洗涤输入/流出和绑定的动力学模型。K₁描述从动脉等离子体进入插页空间 (C t) 的示踪剂,k₂描述从插页空间扩散回等离子体的示踪器的分数,k₃描述从中移的示踪器间间 (C_e)空间到骨骼 (C_t), 和 k₄描述从骨骼 (C_t)移回间质空间 (C_e) 的示踪剂。

图 1.用于动态动力学建模的两组织隔间模型示例。C_p是血浆室中的示踪剂浓度,C_e自由和非特约结合的示踪剂在组织中浓度,C_t特特定结合示踪剂浓度在组织中。请点击此处查看此图的较大版本。

Patlak 动力学模型生成 K_{i_Patlak}作为放射性跟踪器流入率(mL/ccm/min、立方厘米 = ccm)从血库中流入骨基质的量度。然后,可以使用公式 2和公式 3 分别计算从血库中到骨骼矩阵的示踪量和公式3,分别用于 K_{i_Patlak}和 K_{i_非线性。} K_{i_Patlak}和 K_{i_非线性}是分别使用两个模型将^动脉血库和不可逆地结合到子站点骨骼矩阵的速率。帕特拉克模型和非线性动力学模型在动态数据的利用上存在差异。帕特拉克模型要求达到平衡,然后从已建立的线性斜率计算流入率。Patlak 动力学模型通过使用 24 分钟的时间将等离子池 C_p平衡到未绑定池 C_u,从而产生 K_{i_Patlak}的流入率。 24 分钟的时间可能会根据发现的所有子位与样品中的血浆池达到平衡的时间而变化。计算严谨的非线性模型使用整个时间数据来拟合曲线。

本方法学手稿旨在概述执行动态 +¹⁸F+-NaF-PET-MRI 的详细技术。 腰面关节是退行性关节炎的常见部位,也是轴向腰痛的常见病因8。 最近的研究表明,¹⁸F_-NaF-PET-MRI可能是痛苦的面部^疾病9的有用生物标志物。 因此,将分析单个患者的面部腰椎关节,作为典型 ROI 进行动态 +¹⁸F_-NaF-PET-MRI 分析。

研究方案

这一前瞻性可行性研究在获得人类研究IRB批准并遵守HIPAA法规后招募了患者。

1. 幻影

1. 用直径范围(5 - 38 mm)的空心圆柱形刀片填充空心圆柱形,直径为 185 MBq =¹⁸F+-NaF。
2. 使用 CT 或以前为此幻像生成的模板生成幻像的衰减贴图。
3. 将幻像放入 PET/MR 的中心,并使用成像控制台获取 PET 数据 5-10 分钟,记录结果图像。
4. 使用基于 CT 的衰减图使用成像控制台重建,使用与用于成像人体的相同重建算法相匹配的算法。
5. 使用免费软件 AMIDE 计算所有尺寸相同尺寸的每个气缸(左和右)的平均活动量。
6. 列出平均活动与气缸大小。
7. 通过将每个圆柱体的平均活动除以参考圆柱体均值活动来计算部分体积误差 (PVE)。
8. 按圆柱体大小绘制 PVE。
9. 在患者数据中校正 PVE 时,使用双缸尺寸之间的线性方程。

2. 患者准备

1. 在招募患者之前,获得任何必要的人类研究IRB批准并遵守HIPPA法规。
2. 为兴趣研究制定适当的包容和排除标准。
   1. 纳入标准如下:年满18岁的成年人,具有知情同意的能力;轴向非辐射性腰痛的报告史;脊柱介入放射学家的建议。
   2. 排除标准如下:脊柱骨折或肿瘤史;怀孕或哺乳的妇女;有MRI或示踪剂或对比的禁忌;以前的腰椎手术或仪器。
3. 收集患者的书面知情同意,经人类研究委员会批准。
4. 获取与您的兴趣研究相关的任何临床检查和/或患者调查数据。
5. 有主题改变到礼服,建立IV访问,管理怀孕测试,如果患者是女性和育龄,检查肌氨酸/GFR是否安全使用对比,并检索[18 F_-NaF剂量。指导患者在整个检查过程中保持静止的重要性。
6. 在 PET/MRI 中首先放置患者的上足和脚。

3. 成像协议

1. 使用 3.0 T PET/MRI 扫描仪同时采集 PET 和 MR 图像。
2. 使用后阵列中央分子成像阵列线圈进行 MR 成像。
3. 确保 MR 和 PET 成像模式的 FOV 均居中,以覆盖 T12 到 S3 的下脊柱区域。
4. 腰椎协议的临床 MRI 序列包括:射手 T1(重复时间/回波时间 (TR/TE) = 510/8.6 ms,平面内分辨率 = 0.75mm,透平面分辨率 = 4mm),射手 T2 脂肪饱和度 (FS)(TR/TE = 4208/86.2 ms,平面内分辨率 = 0.75mm,穿过平面分辨率 = 4mm) 轴向 T2 快速松弛快速旋转回波 (FRFSE),带和无脂肪饱和度(TR/TE = 750/9.2 ms,平面内分辨率 = 0.7mm,透平面分辨率 = 4mm),轴向 T1 快速旋转回波 (FSE) 预高光 (TR/TE = 575/8.9 ms,平面内分辨率 = 0.65mm,透平面分辨率 = 4mm,轴向 T1 FSE 后高光(TR/TE = 562/8.6 ms,平面内分辨率 = 0.65mm,透平面分辨率 = 4mm)。
5. 在获得需要它的MRI序列之前,将0.1毫米/千克的加多布特罗(1M Gadavist)对比直接注射到患者的前牙叶fosa IV中。
6. 在动态PET扫描之前,^将β18F+-NaF的放射性剂量注入患者体内,浓度为2.96 MBq/kg=18F+-NaF。
7. 使用 3 个位于下脊柱、T12 到 S3 的单独时间相位执行 60 分钟的动态 PET 扫描。
8. 获取动态扫描的第一阶段,每12帧,每帧10s。
9. 获取第二阶段 4 帧,每个 30 s。
10. 获取 14 帧的最后阶段,每个 4 分钟。
11. 使用标准的双点迪克森方法计算腰椎区域的 MR 衰减校正 (MRAC)。迪克森方法将脂肪和水的MR信号分割成空气、软组织、肺和脂肪(尽管不是骨骼)。
12. 确保 PET 数据共同注册到轴向 T2 脂肪饱和 FRFSE 图像。
13. 使用以下参数在控制台上重建 PET 数据:60 cm 视场 (FOV)、3 mm 后滤波器、标准 Z 轴滤波器、256 x 256 矩阵、28 个子集和 VPFX(飞行时间 - 有序子集期望最大化、TOF-OSEM),4 次迭代.
14. 确保重建包括后期处理,以纠正衰减、衰减、散射和死时。

4. 图像分析

1. 有失明的放射科医生解释临床MRI序列。
2. 评估脂肪抑制T2加权和脂肪抑制T1加权后对比序列的分级面性synovitis,如之前描述的Czervionke和芬^顿10。
   1. 使用以下面分级是:MRI 等级 0 = 面关节无异常,1 = 异常增强或 T2 超强度仅限于关节胶囊,2 = 异常外盖增强或 T2 超强度涉及 < FJ 周长 50%,3 = 异常外囊增强或T2超强度,涉及>50%的FJ周长,4=3级,水肿延伸到神经福气,结扎片,足底,横向过程,或椎体。如参考中所述: 采维翁克 LF, 芬顿 DS.脂肪饱和MR成像在腰椎的炎症性面关节病(面性阴膜炎)的检测。¹⁰

5. 数据分析

1. 将 PET 和 MRI 图像传输到专用工作站,该工作站配备用于分析动态 PET 数据,如软件 PMOD。分析从 L1-L2 到 L5-S1 的腰椎的面关节。
2. 找到将针对 [¹⁸F_-NaF 求取量测量值]进行评估的区域:每个级别的双边面关节。使用解剖 T2 MR 图像选择感兴趣体积 (VOI),然后传输到 PET 图像。
3. 通过使用剖面和轴向平面 T2 MR 图像进行视觉三角测量,并记录近似中心的切片编号,识别每个腰面关节的中心点。
4. 在"查看"选项卡中打开患者数据后,单击侧边栏中的 VOI 按钮并选择SPHERE(对象)。
5. 在弹出的预定义窗口中,键入 7.5 mm 作为半径,然后单击"创建新VOI"。
6. 通过左键单击面,将球形 VOI(直径 7.5 mm)放在每个面关节的中心。通过左键单击和拖动来调整球体,直到在面上以视觉为中心。
7. 单击"创建新 VOI并执行步骤 5.5",根据需要对感兴趣的所有方面重复
8. 将球形 VOI(5 毫米直径)放在中央骨髓腔的右侧音峰(以排除皮层参与)作为参考区域。单击"创建新VOI",然后左键单击右侧 iliac 骨髓中。
9. 位置 VOI,使边缘完全在骨髓内。
10. 确保 VOI 的放置方式与图 2中显示椎体面关节 (FJ) VOI 的图像类似,因为它们封装了面关节的中心。

6. SUV计算和动力学数据

1. 要计算动脉输入函数,放置一个圆柱形 VOI,覆盖腹部主动脉的两个轴向切片。确保直径等于主塔的直径。
2. 右键单击轴向图像,选择数据检查。
3. 测量腹部主数接近其分叉的直径。
4. 左键单击主动脉壁的右侧,并将光标移到主动脉壁的左侧。
5. 在"数据检查器"窗口中记录主动脉壁直径的距离。这将用于计算部分体积校正 (PVC) 系数。
6. 左键单击侧边栏中的 VOI 按钮,选择"循环 (ROI) "。
7. 在步骤 6.5 中,以指定半径为先前测量直径的一半创建圆 ROI
8. 单击"创建新VOI",然后左键单击主动脉中心,必要时重新定位,以确保圆近似主动脉壁位置。
9. 在轴向平面上降下一个切片,重复步骤 6.7-6.9,从而从两个圆形 ROI 中制作一个圆柱体。

7. PET 部分音量校正

注: 由于 PVE,跟踪器活动相对于目标的大小被低估。因此,将采取措施更正 PVE。

1. 使用 PET/CT 幻像绘制圆柱直径的大小与恢复活动与实际活动的比率,使用较早使用 PET/CT 幻像派生的恢复系数。
2. 将恢复系数应用于降序主动脉上基于图像的测量,以创建部分体积校正的动脉输入。
3. 将部分体积校正的动脉输入替换为 PMOD,用于动力学建模和示踪动力学的精确量化。

8. SUV计算和动力学数据

注意:用于计算标准接受值 (SUV) 公式 1 的算法假定示踪器在整个身体中分布均匀,而瘦体质量准确表示全身体积。因此,SUV被称为半定量测量。
公式 1:标准接受值

1. 使用 60 分钟时间点计算每个子站点的 SUV_最大值和 SUV_平均值。
   注:用于动力学建模的双组织隔间模型如图 1 所示。C_p是血浆中示踪剂的浓度,而 C_e和 C_t分别表示目标骨基质中未结合的间隙空间和结合示踪剂中的浓度。K_{1,k 2},k₃, k₄, 是描述示踪器洗涤和绑定的动力学模型的 4 个参数。
2. 在动力学分析期间,使用双组织隔间对帕特拉克线性模型和非线性回归模型进行不可逆
   注意:双组织不可逆隔间模型用于计算[18 F]-NaF¹¹的特定于区域的流入率常数(以最小^-1)。
3. 使用帕特克动力学模型时,确保平衡时间设置为 24 分钟
4. 使用非线性回归模型生成 K_{i_非线性}流入速率时,输入 k₄ = 0。
5. 分别使用 K_{i_Patlak}和 K_{i_非线性}的公式 2和公式 3计算从血库中到骨骼矩阵的示踪量。K_{i_Patlak}和 K_{i_非线性}是分别使用两个模型将^动脉血库和不可逆地结合到子站点骨骼矩阵的速率。
   1. 方程 2: 帕特拉克图形动力学模型
      • 拦截
   2. 公式 3: 非线性回归动力学模型
      

9. 统计分析

1. 使用线性回归分析来评估^[18F]-NaF K_{i_Patlak}的流入率是否与以下相关: SUV_平均值、SUV 最大值、K_{i_非线性,}以及特定于研究的任何临床评分等级。
2. 使用双尾 t 检验和 Pearson 相关性来测试以前相关性中的统计显著性。

结果

¹⁸NaF-PET 摄取值在 L1-L2 至 L5-S1 椎骨水平的双边面关节中测量,在轴向腰痛的单位代表患者中共测量 10 个 ROIs。代表 =¹⁸F_-NaF-PET、轴向 T2 脂肪抑制和轴向 T1 后对比度脂肪抑制的 MR 图像通过 L3-L4 分面关节的水平如图2所示。 表1中总结了代表性患者10个采样面关节的K_{i_Patlak、SUV}平均值、SUV_最大值和MRI面关节病等级。K_{i_Patlak}

讨论

在本文的手稿中,我们提供了动态 [¹⁸F]-NaF-PET-MRI 对评估各种骨病学的潜在效用的背景,并概述了动态 [¹⁸F]-NaF-PET-MRI 图像的技术利用人腰面关节作为感兴趣的典型区域进行采集和分析。双模位 PET-MRI 允许在与 MR 数据采集所需的时间段内采集动态 PET 数据,从而最大限度地延长扫描时间的重叠。虽然 MRI 提供脊柱的高分辨率结构成像,可轻松识别广泛的骨病,但添加具有混合 PET-MRI 的定量动...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Gadolinium Contrast agent (Gadovist)	Bayer	na	1.0mmol/ml solution for IV injection.
[18F]-NaF Radiotracer	na	na	2.96 MBq/kg
GE Signa PET-MRI Scanner	General Electric	na	3.0Tesla 60cm Bore PET-MRI scanner
PMOD Kinetic Modeling Software	PMOD Technologies, LLC	na	Version 3.8