Studi multi-traccianti sul metabolismo dell'ossigeno e del glucosio nel cervello utilizzando uno scanner per tomografia computerizzata con tomografia a emissione di positroni a tempo di volo

Riepilogo

Le misurazioni quantitative del metabolismo dell'ossigeno e del glucosio mediante PET sono tecnologie consolidate, ma i dettagli dei protocolli pratici sono scarsamente descritti in letteratura. Questo articolo presenta un protocollo pratico implementato con successo su uno scanner per tomografia computerizzata a emissione di positroni all'avanguardia.

Abstract

Gli autori hanno sviluppato un paradigma utilizzando la tomografia a emissione di positroni (PET) con traccianti radiofarmaceutici multipli che combina le misurazioni del tasso metabolico cerebrale del glucosio (CMRGlc), del tasso metabolico cerebrale dell'ossigeno (CMRO₂), del flusso sanguigno cerebrale (CBF) e del volume ematico cerebrale (CBV), culminando nelle stime della glicolisi aerobica cerebrale (AG). Queste stime in vivo del metabolismo ossidativo e non ossidativo del glucosio sono pertinenti allo studio del cervello umano in salute e malattia. I più recenti scanner per tomografia computerizzata a emissione di positroni (PET-CT) forniscono immagini a tempo di volo (TOF) e miglioramenti critici nella risoluzione spaziale e nella riduzione degli artefatti. Ciò ha portato a un miglioramento significativo dell'imaging con dosi di radiotraccianti più basse.

I metodi ottimizzati per i più recenti scanner PET-CT prevedono la somministrazione di una sequenza di monossido di carbonio (CO) e ossigeno (O₂) marcati con ¹⁵O per via inalatoria, ¹⁵acqua marcata con O (H₂O) per via endovenosa e ¹⁸F-deossiglucosio (FDG), il tutto all'interno di sessioni di scansione di 2 o 3 ore che producono misurazioni quantitative ad alta risoluzione di CMRGlc, CMRO₂, CBF, CBV e AG. Questo documento descrive gli aspetti pratici della scansione progettata per quantificare il metabolismo cerebrale con modelli cinetici traccianti e campioni di sangue arterioso e fornisce esempi di misurazioni di imaging del metabolismo cerebrale umano.

Introduzione

Il cervello umano è un forte consumatore di ossigeno e glucosio per il metabolismo. Una parte del metabolismo del glucosio nel cervello umano sano si verifica al di fuori dell'uso di ossigeno, nota come glicolisi aerobica cerebrale (AG), i cui scopi sono oggetto di intense indagini 1,2,3,4,5. Studi precedenti su modelli animali e sull'uomo riportano un'associazione tra AG e sviluppo e invecchiamento, sviluppo sinaptico e neuritico, memoria, deposizione di amiloide nella malattia di Alzheimer e funzione e malattia della sostanza bianca 1,6,7,8,9,10,11,12,13 . Pertanto, c'è un interesse continuo nello studio dell'AG e di altri aspetti del metabolismo cerebrale per comprendere meglio il cervello umano mentre invecchia e incorre in lesioni e malattie.

Attualmente, i metodi per valutare l'AG cerebrale umano in vivo richiedono l'imaging PET con più radiotraccianti di ossigeno e glucosio per misurare ciascuno del tasso metabolico cerebrale del glucosio (CMRGlc)¹⁴, del tasso metabolico cerebrale dell'ossigeno (CMRO₂)¹⁵, del flusso sanguigno cerebrale (CBF)¹⁶ e del volume ematico cerebrale (CBV)¹⁷. Oltre all'imaging, la misurazione quantitativa del metabolismo cerebrale con la PET richiede altre complessità, tra cui la valutazione della funzione di input arterioso, tipicamente tramite incannulamento e campionamento arterioso invasivo; garantire che i partecipanti seguano esattamente le istruzioni per l'inalazione di radiotraccianti limitando il movimento della testa; manipolazione sicura ed efficace di radiotraccianti con emivita molto breve (2 min); gestione di grandi set di dati; ed eseguire metodi analitici avanzati per calcolare accuratamente i parametri metabolici. Notevoli sono anche le limitazioni dell'uso di [¹⁸F]FDG per la stima di CMRGlc ^5,14.

Questo protocollo affronta le questioni pratiche più rilevanti per il successo delle misurazioni del metabolismo cerebrale quantitativo nella nostra esperienza. Questo protocollo include una descrizione delle procedure essenziali e note cautelative per evitare errori comuni. Rimanda un'attenta discussione di principi più generali del metabolismo, delle neuroscienze, dell'imaging, della cinetica del tracciante e dei metodi di inferenza dall'imaging PET con radiotracciante. Il pubblico a cui si rivolge comprende i neofiti delle misurazioni metaboliche con la PET, nonché i ricercatori e i medici PET più esperti interessati all'impiego di ^{radiotraccianti a 15}O. Questo protocollo presuppone la familiarità con gli studi di imaging umano, le procedure mediche invasive, i radiotraccianti e i metodi quantitativi di inferenza. Esistono numerosi ed eccellenti riferimenti sull'imaging PET cerebrale in generale¹⁸ e per la PET con ¹⁵O-ossigeno più specificamente¹⁹. Per [¹⁸F]FDG, così come per altre questioni pratiche relative all'esecuzione della PET, il Centro PET di Turku fornisce preziosi materiali di riferimento e collegamenti all'ampia letteratura di ricerca primaria²⁰.

Le sezioni del protocollo iniziano con considerazioni pertinenti per quanto riguarda la selezione dei partecipanti, essenziali per la conformità e il successo della scansione. Successivamente, il protocollo delinea gli aspetti relativi alla scansione di supporto con risonanza magnetica per la neuroanatomia. Successivamente, il protocollo descrive gli ordini di laboratorio clinico che includono misure importanti per la quantificazione del metabolismo dell'ossigeno e del glucosio. Successivamente, il protocollo elenca le questioni che coinvolgono il ciclotrone e la somministrazione di radiofarmaci. Le descrizioni si limitano a prendere il punto di vista degli investigatori che lavorano presso il punto di cura nella struttura di imaging, omettendo le considerazioni richieste alle strutture e al personale del ciclotrone. Successivamente, il protocollo descrive in dettaglio la preparazione e la gestione delle linee arteriose. La creazione e la manutenzione delle linee arteriose richiedono il rispetto di criteri di conformità specifici per le istituzioni e il protocollo delinea i flussi di lavoro di successo. Successivamente, il protocollo fornisce le procedure operative essenziali per la scansione con PET, inclusi i dettagli del posizionamento dei partecipanti, la TC per la correzione dell'attenuazione, la somministrazione di radiofarmaci e l'esecuzione di misurazioni arteriose. Il campionamento venoso discute le potenziali alternative al campionamento arterioso nelle misurazioni di CMRGlc con [¹⁸F]FDG. Una sezione sulla ricostruzione delle immagini PET e sull'archiviazione dei dati, i dettagli, i parametri del software e le questioni pratiche della tecnologia dell'informazione. La sezione sulla dimissione e il follow-up dei partecipanti rileva le comunicazioni essenziali per la sicurezza dei partecipanti. Vengono inoltre discusse importanti attività di taratura. Molti metodi di analisi e modelli cinetici adatti sono ben descritti nei rapporti scientifici pubblicati e nei loro numerosi antecedenti; Pertanto, questo protocollo indirizza in gran parte il lettore a riferimenti di approcci pubblicati. I risultati rappresentativi illustrano il successo dell'implementazione dei protocolli. La sezione di discussione elabora gli aspetti vantaggiosi e i limiti del protocollo, le sue potenzialità nelle neuroscienze umane e le questioni relative alla sicurezza.

Protocollo

NOTA: L'Institutional Review Board e il Radioactive Drug Research Committee della Washington University School of Medicine hanno approvato tutti gli studi basati sul protocollo descritto di seguito. Tutti i partecipanti umani hanno fornito il consenso informato scritto prima di partecipare a studi di ricerca basati sul protocollo seguente. Consultare la Tabella dei materiali per i dettagli relativi a tutte le apparecchiature, i materiali e i reagenti utilizzati in questo protocollo.

1. Selezione dei partecipanti

1. Criteri di inclusione
   1. Includi solo partecipanti adulti. Assicurarsi che i partecipanti siano in grado di seguire le procedure dello studio, comprese le istruzioni per l'inalazione di gas radiofarmaceutici, e siano in grado di fornire il consenso informato o l'assenso con un appropriato consenso surrogato. Assicurati che i partecipanti possano sottoporsi all'imaging in posizione supina per un massimo di 2-3 ore con pause e continuamente per 60 minuti senza interruzioni.
2. Criteri di esclusione
   1. Escludere i partecipanti che hanno controindicazioni alla ricerca di farmaci radioattivi, come la gravidanza al momento della PET. Escludere i partecipanti con controindicazioni alla risonanza magnetica, poiché la risonanza magnetica è necessaria per la registrazione anatomica dell'immagine, la normalizzazione spaziale e la correzione parziale del volume.
   2. Escludere i partecipanti con qualsiasi controindicazione all'incannulamento dell'arteria radiale quando deve essere eseguita l'incannulamento dell'arteria radiale. Escludere i partecipanti con anemia significativa o che hanno recentemente donato emoderivati, poiché il campionamento arterioso invasivo comporta una perdita totale di volume ematico che può superare i 100 ml.
   3. Escludere i partecipanti con malattie polmonari significative in quanto la loro capacità di inalare e scambiare con successo [¹⁵O]O₂ e [¹⁵O]CO nei polmoni potrebbe essere compromessa. Escludere gli individui con malattie mediche in corso oltre a quelle di interesse, che si prevede alterino significativamente il metabolismo cerebrale e il flusso sanguigno.
      NOTA: Ciò dipende dagli scopi e dai traguardi specifici di un particolare progetto, ad esempio, se il progetto è incentrato sull'invecchiamento sano, i grandi ictus o l'anemia falciforme possono essere tra i criteri di esclusione.
   4. Escludere i partecipanti che non riescono a raggiungere un livello di glucosio nel sangue inferiore a 165 mg/dL prima della somministrazione di [¹⁸F]FDG.

2. Risonanza magnetica per neuroanatomia

1. Programmare la risonanza magnetica prima della scansione PET. Garantire un protocollo MRI per uno scanner 3T che includa una sequenza di impulsi MPRAGE (Magnetization Prepared Rapid Gradient Echo) con risoluzione isotropa di 0,8-1,0 mm e, idealmente, metodi prospettici per la correzione del movimento²¹.
   NOTA: La correzione prospettica del movimento fornisce un'ulteriore ottimizzazione dell'anatomia T1w per l'uso nella fusione con l'imaging PET, ma è improbabile che l'omissione della correzione prospettica del movimento sia altamente consequenziale per l'attuale imaging PET nei partecipanti che sono aderenti a evitare il movimento della testa. L'anatomia T1w di alta qualità è significativa per la correzione parziale del volume della PET^22,23.
2. Acquisire la risonanza magnetica neuroanatomica per parcellazioni e segmentazioni regionali, registrazioni dell'atlante e correzioni parziali del volume. Verificare il successo della risonanza magnetica neuroanatomica prima di programmare e sottoporre un partecipante a linee arteriose invasive e radiofarmaci.

3. Ordini di laboratorio

1. Ordina l'emogasanalisi arteriosa, l'emoglobina, l'ematocrito e la glicemia plasmatica da laboratori clinicamente certificati. Ordina ossiemoglobina, carbossiemoglobina e metaemoglobina quantitativa per i fumatori e per quelli con condizioni mediche associate a emoglobine alterate.
2. Misura la pulsossimetria utilizzando dispositivi convalidati, come quelli progettati per l'assistenza medica critica.

4. Consegna di radiofarmaci

NOTA: La misurazione del metabolismo dell'ossigeno cerebrale e dell'AG con la PET richiede un impianto di ciclotrone in grado di produrre e somministrare ^{radiofarmaci a 15}O, che hanno un'emivita di 122 s. Il trasporto dei radiofarmaci tra l'impianto di ciclotrone e lo scanner PET deve essere sufficientemente rapido e affidabile da fornire un dosaggio adeguato al momento della somministrazione del radiotracciante.

1. Assicurarsi che tutti i calibratori di dose di radioattività siano alimentati e prevedere un sufficiente riscaldamento dello strumento (in genere, almeno 60 minuti).
2. Per i radiofarmaci gassosi, posizionare una bomboletta di gas protetta e il calibratore di dose pico-amperometro incorporato vicino al portale PET dello scanner PET. Garantire il fissaggio sicuro di soffietti espandibili sterilizzati, filtro antiparticolato, tubi in polimero plastico di grande diametro, morsetto e boccaglio monouso. Vedere la Figura 1.
3. Procedure complete di garanzia della qualità per tubazioni del gas in nylon, diametro interno di 1/8 di pollice, sotto scarico, dal ciclotrone per l'erogazione di [¹⁵O]CO e [¹⁵O]O₂. Garanzia di qualità completa delle fonti di idrogeno purificato e delle unità di trattamento per la generazione di radiofarmaci [¹⁵O]H₂O come derivato di [¹⁵O]O₂, per la successiva iniezione. Vedere la Figura 1.

5. Linee arteriose

1. Collocamento e gestione
   1. Incannulare l'arteria radiale consultando un medico con formazione specialistica per il posizionamento di routine delle linee arteriose, ad esempio radiologia interventistica, anestesiologia o medicina di terapia intensiva.
      1. Mettere a disposizione un dispositivo a ultrasuoni con una sonda adatta per l'imaging dell'arteria radiale.
      2. Fornire al medico interventista i materiali di consumo preferiti per il posizionamento della linea arteriosa, più comunemente, un kit con un filo guida che implementa la tecnica di Seldinger.
      3. Fare ogni sforzo per inserire l'angiocatheter nella mano non dominante del partecipante.
   2. Valutare e gestire il partecipante durante l'incannulamento dell'arteria radiale utilizzando i servizi di un infermiere esperto o di un operatore sanitario equivalente.
      1. Garantire la circolazione arteriosa collaterale della mano mediante ultrasuoni.
      2. Preparare e gestire il campo sterile durante l'incannulamento arterioso.
      3. Assistere il medico interventista con procedure di incannulamento sterile.
      4. Adescare le linee di pressione rigide e fornire soluzione fisiologica normale pressurizzata a 300 mm Hg.
   3. Eseguire la gestione continua della linea arteriosa durante il protocollo di 2-3 ore, compreso il monitoraggio di routine delle forme d'onda della pressione arteriosa e la manipolazione dei circuiti della linea arteriosa. Per il campionamento arterioso continuo, è possibile commutare i rubinetti in linea dall'alimentazione della contropressione per l'arteria radiale all'estrazione del sangue arterioso mediante pompaggio peristaltico al lavaggio e al mantenimento dell'accesso all'arteria radiale. Quando si innescano segmenti di linea che non fluiscono mai nell'arteria radiale, lavare con soluzioni eparinizzate (fino a 10 U/mL) per aiutare a mantenere la pervietà.
      NOTA: Ridurre al minimo l'uso di eparina quando possibile per mantenere il catetere dell'arteria radiale data l'evidenza incerta della sua efficacia e per evitare il rischio di provocare trombocitopenia indotta da eparina.
   4. Utilizzare una tavola del braccio modellabile, ma rigida, per fissare il catetere e le linee dell'arteria radiale. Assicurarsi che le manipolazioni ripetute dei rubinetti non disturbino il catetere dell'arteria radiale.
   5. Confermare le normali forme d'onda della pressione arteriosa prima di ogni somministrazione di radiotracciante per garantire la pervietà del catetere dell'arteria radiale.
2. Rivelatori gamma per campioni arteriosi
   NOTA: Utilizzare una sonda di rilevamento gamma e una pompa peristaltica per la misurazione della funzione di input arterioso. Sebbene i campioni prelevati a mano siano fattibili per [¹⁸F]FDG e altri radiotraccianti a emivita più lunga, l'impiego di una sequenza di quattro scansioni rapide a ¹⁵O è notevolmente facilitato dal campionamento automatizzato che utilizza una pompa peristaltica e un rivelatore gamma sufficientemente compatto da poter essere posizionato accanto alla mano del partecipante.
   1. Posizionare i gruppi della linea arteriosa il più vicino possibile al catetere dell'arteria radiale per effettuare misurazioni con dispersione e ritardo minimi alla sonda di rilevamento gamma. Assicurarsi che il percorso dal sito di incannulamento attraverso i gruppi di linea fino alla sonda di rilevamento gamma sia coerente con i dati di calibrazione disponibili per il gruppo di linea.
   2. Fornire alimentazione continua attraverso un gruppo di continuità per garantire la stabilità dei fotomoltiplicatori per i rivelatori gamma a coincidenza. Per il rilevamento delle coincidenze, utilizzare finestre di temporizzazione di 100 ns e assicurarsi che la sensibilità di rilevamento nominale sia di almeno 2,4 cps ^{kBq-1 mL-1} con una linearità del <1% fino a 10 kcps.
      NOTA: Le guide d'onda riempite di liquido per il rilevamento delle coincidenze sono fragili e richiedono attenzione durante la movimentazione e il trasporto dalle aree di stoccaggio alla suite PET.

6. Scansione

1. Ridurre al minimo i movimenti della testa
   1. Prima della scansione, educare il partecipante sull'importanza di evitare i movimenti della testa durante la scansione.
2. Posizionamento dei partecipanti allo studio
   1. Assicurarsi che le configurazioni hardware e software della PET-CT consentano la scansione con il posizionamento del partecipante allo studio con la testa o con i piedi. Quando possibile, preferire il posizionamento con i piedi per la PET, in modo tale che le estremità e il busto del partecipante si trovino oltre il portale PET, la testa del partecipante rimanga centrata all'interno del portale PET e il portale CT rimanga non occupato (Figura 1).
   2. Guidare e posizionare il partecipante in modo che si sdrai sul tavolo a portale ribassato in conformità con tutti i protocolli preesistenti per la scansione PET-CT umana, come garantire lo svuotamento urinario recente, indossare indumenti appropriati e rimuovere occhiali, gioielli o ornamenti per capelli incompatibili con lo scanner.
   3. Garantire l'integrità di tutte le linee arteriose e venose quando il tavolo del gantry si sposta nel foro dello scanner. Garantire il collegamento continuo delle linee arteriose con sorgenti saline pressurizzate. Assicurarsi che le pompe peristaltiche, le sonde di rilevamento gamma e qualsiasi altro dispositivo che non possa passare attraverso il foro dello scanner e la successiva riconnessione.
   4. Garantire il comfort del partecipante, in particolare cuscini adeguati per il posizionamento della testa, del collo, della colonna vertebrale, dei fianchi e della flessione delle gambe. Garantire un comodo posizionamento della testa sui poggiatesta in schiuma posizionati liberamente, quindi fissare la fronte del partecipante al tavolo a portale con un avvolgimento elastico, autoadesivo e autorimovibile come promemoria per il partecipante per evitare il movimento della testa. Garantire coperte sufficienti per il comfort termico. Confermare la comprensione del partecipante della necessità di evitare il movimento della testa durante la scansione TC e PET.
      NOTA: I poggiatesta e l'avvolgimento elastico limitano sostanzialmente il movimento della testa anche nei partecipanti con disabilità cognitive.
   5. Assicurarsi che il tavolo del gantry passi attraverso il foro dello scanner fino a quando le estremità e il busto del partecipante non si trovano oltre il gantry CT e la testa del partecipante è centrata nel gantry CT. Allineare la linea canthomeatale del partecipante con i marcatori laser verticali all'ingresso nel portale CT, quindi inclinare il mento leggermente in basso. Eseguire la TC come descritto di seguito. Confermare alla TC che questo posizionamento catturi l'intero cervello e il cervelletto all'interno del campo visivo della PET.
   6. Assicurarsi che il tavolo del portale continui attraverso il foro dello scanner fino a quando la testa del partecipante non è centrata nel portale in PET. Garantire un accesso adeguato alle linee arteriose e venose, nonché un'adeguata estensione del polso per accogliere l'incannulamento dell'arteria radiale. Assicurarsi che le prese d'aria di scarico a soffitto possano rimuovere efficacemente i gas radiotraccianti esalati inavvertitamente vicino al bordo del portale in PET. Eseguire la TAC e la PET come descritto di seguito nei passaggi 6.3-6.5.
   7. Monitorare regolarmente il partecipante durante la PET, valutando il comfort del partecipante con una comunicazione verbale minima durante la scansione.
      NOTA: Il posizionamento con i piedi facilita la somministrazione di gas radiotraccianti con comunicazioni migliorate e manipolazioni migliorate dei tubi di inalazione. Tuttavia, per la maggior parte dei tavoli a portale, il posizionamento con i piedi può essere incompatibile con l'uso di maschere termoplastiche di ritenzione della testa. Il posizionamento con i piedi può anche essere incompatibile con i dispositivi che proteggono la testa dalle emissioni originate dal corpo inferiore alla testa. Tali scudi possono altrimenti ridurre i casuali provenienti dal corpo.
3. CT per la correzione dell'attenuazione
   1. Ottenere una TC della testa a bassa dose di radiazioni appropriata per la correzione dell'attenuazione. Se il partecipante richiede una pausa durante la scansione e lascia lo scanner, ripetere la scansione TC prima di riprendere la sessione PET per consentire la ricostruzione basata su console del successivo imaging PET. I parametri CT utili includono la corrente del tubo 75 mA, il tempo di rotazione 0,5 s, il passo della spirale 1,5 e la tensione del tubo 120 kVp, con kernel di convoluzione consigliati dal fornitore e ricostruzione a matrice 512 x 512 x 88, risoluzione 0,98 x 0,98 x 3,00 mm³.
4. Somministrazione di radiofarmaci gassosi
   1. Istruire i partecipanti sulla procedura di inalazione prima della prima somministrazione di gas, con particolare attenzione all'inalazione e all'espirazione attraverso il tubo e alla non respirazione attraverso il naso.
   2. Preparare il contenitore di stoccaggio del gas protetto dotato di un calibratore di dose pico-amperometro. All'interno del contenitore del gas, collegare il soffietto espandibile al tubo rigido in nylon di diametro stretto dal ciclotrone e a un tubo semirigido in polimero plastico di grande diametro che viene mantenuto bloccato tranne durante la somministrazione. Posizionare un filtro antiparticolato in linea con il tubo di grande diametro in base ai requisiti di controllo delle infezioni formulati per la pandemia di Covid-19. Collegare un bocchino di plastica usa e getta all'estremità del tubo.
   3. Richiedere che l'impianto di ciclotrone fornisca radiofarmaci gassosi al contenitore del gas.
   4. Prepararsi a somministrare tutti i radiofarmaci gassosi sotto forma di boli. La procedura per l'inalazione è identica in tutti i casi.
      1. Monitorare l'attività di ciascun gas erogato al soffietto espandibile fino al picco di attività, quindi attendere che l'attività scenda al di sotto della dose massima consentita dal Radioactive Drug Research Committee (55 mCi). Monitora le attività utilizzando i calibratori di dose pico-amperometrici. Avviare l'acquisizione delle emissioni da parte dello scanner.
      2. Iniziare la scansione immediatamente prima dell'inizio dell'inalazione per garantire l'acquisizione dell'inizio della curva di attività temporale. Ottenere 6-7 minuti di emissioni con 3 s fotogrammi x 23, 5 s fotogrammi x 6, 10 s fotogrammi x 20 e poi 30 s fotogrammi per il resto della scansione.
      3. Chiedi al partecipante di espirare completamente e di abbassare la maschera del partecipante.
      4. Metti il bocchino nella bocca del partecipante. Chiedi al partecipante di formare una chiusura ermetica attorno al boccaglio con le labbra e poi inspira il più possibile. Chiedi al partecipante di trattenere il respiro per alcuni secondi per facilitare l'assorbimento del radiofarmaco gassoso da parte dei polmoni.
      5. Chiedi al partecipante di espirare di nuovo attraverso il tubo, soffiando nuovamente il radiofarmaco gassoso residuo nel soffietto. Riavvitare il tubo e recuperarlo dal partecipante.
      6. Monitorare l'attività del gas nel soffietto dall'inizio dell'inspirazione alla fine dell'espirazione. Calcolare la dose totale somministrata in base alla differenza di attività. Puntare a che la dose totale somministrata superi i 20 mCi.
   5. Somministrare una dose di [¹⁵O]CO. Monitorare le misurazioni arteriose per le curve di attività del tempo nominale. Se le misurazioni arteriose sono tecnicamente insufficienti, somministrare una dose sostitutiva di [¹⁵O]CO. Lasciare che il [¹⁵O]CO intravascolare raggiunga lo stato stazionario, richiedendo circa 1-2 minuti¹⁷.
   6. Somministrare due dosi sequenziali di [¹⁵O]O₂. Monitorare le misurazioni arteriose per le curve di attività del tempo nominale.
      NOTA: Questa procedura è robusta anche con partecipanti lievemente compromessi cognitivi. Tuttavia, i partecipanti incapaci di eseguire questa procedura, a causa di grave deterioramento cognitivo o debolezza facciale, sono esclusi per ridurre al minimo il rischio di somministrazione inadeguata di radiotraccianti e perdite di gas nell'aria ambiente durante l'espirazione. Per la somministrazione continua e l'uso di maschere per lo scavenging di radiotraccianti gassosi, consultare i metodi alternativi riportati e citati da Iguchi et ^al.24 Si raccomanda la ripetizione del dosaggio di [¹⁵O]O₂ in duplicato a causa dei rapporti segnale/rumore più bassi (conteggi equivalenti di rumore sfavorevoli) tipicamente ottenuti con [¹⁵O]O₂.
5. Somministrazione di radiofarmaci per via iniettiva
   1. Richiedere che l'impianto di ciclotrone fornisca radiofarmaci per via endovenosa all'alloggiamento dello scanner.
   2. Prepararsi a somministrare tutti i radiofarmaci per via endovenosa sotto forma di boli. La procedura per l'iniezione endovenosa è simile per tutti i casi.
      1. Monitorare la dose in un dosimetro ben contabile fino a quando non scende al di sotto del massimo consentito (25 mCi per [¹⁵O]H,₂O e 6 mCi per [¹⁸F]FDG).
      2. Iniziare la scansione immediatamente prima dell'iniezione endovenosa per garantire l'acquisizione dell'inizio della curva di attività temporale. Per [¹⁵O]H₂O, ottenere 6-7 minuti di emissioni con 3 s fotogrammi x 23, 5 s fotogrammi x 6, 10 s fotogrammi x 20 e poi 30 s fotogrammi per il resto della scansione. Per [¹⁸F]FDG, ottenere 60 minuti di emissioni con 3 s fotogrammi x 23, 5 s fotogrammi x 24, 20 s fotogrammi x 9, 60 s fotogrammi x 13, 300 s fotogrammi x 7 e 351 s x 1.
      3. Iniettare prontamente la dose endovenosa. Misurare la radioattività residua nella siringa per calcolare la dose somministrata in base alle differenze. Assicurarsi che la dose totale somministrata non sia inferiore alla dose minima consentita (15 mCi per [¹⁵O]H,₂O e 4 mCi per [¹⁸F]FDG).
      4. Monitorare le misurazioni arteriose per le curve di attività del tempo nominale. Per [¹⁵O]H₂O, se le misurazioni arteriose sono tecnicamente insufficienti, somministrare una dose sostitutiva.
         NOTA: La somministrazione di [¹⁵O]H₂O è per certi aspetti più semplice della somministrazione di gas, in quanto la prima può essere iniettata per via endovenosa. Tuttavia, a causa della breve emivita di [¹⁵O]H₂O, ciò richiede ancora un'attenta orchestrazione, a seconda della posizione dello scanner PET e del luogo in cui viene prodotto e ottenuto [¹⁵O]H₂O.

7. Misurazioni arteriose

1. Dopo aver posizionato il partecipante allo studio nello scanner, preparare tutti i dispositivi necessari per le misurazioni arteriose delle attività radiofarmaceutiche.
   1. Garantire l'integrità dei collegamenti tra l'angioletere dell'arteria radiale, le linee di pressione rigide, i rubinetti, la sacca pressurizzata per l'alimentazione di soluzione fisiologica normale, i set di cateteri di estensione per i rivelatori gamma e i set di cateteri di estensione per le pompe peristaltiche. Assicurarsi che l'adescamento sia corretto in modo che non possano essere introdotte bolle d'aria nell'arteria radiale e che nessuna bolla d'aria interferisca con il pompaggio peristaltico per l'estrazione del sangue arterioso.
      1. Per il rivelatore gamma, utilizzare set di estensione del catetere microbore con lunghezza non superiore a 48 cm e volume di adescamento non superiore a 0,6 mL.
      2. Per la pompa peristaltica, impostare il limite massimo consentito di pressione di occlusione.
      3. Se la pompa peristaltica è una pompa per infusione funzionante con direzioni di flusso invertite, selezionare la portata minima per mantenere il recipiente aperto (KVO).
2. Immediatamente prima della somministrazione dei radiofarmaci, chiudere il rubinetto della sacca a pressione e del monitor di pressione e azionare la pompa a 300 mL/h. Confermare l'estrazione del sangue dall'arteria radiale e il suo passaggio attraverso i set di cateteri di estensione per i rilevatori gamma e i set di cateteri di estensione per la pompa. Confermare le misurazioni continue dell'attività dei radiofarmaci nei rivelatori gamma durante il passaggio in bolo dei radiofarmaci attraverso la circolazione arteriosa²⁵.
3. Verifica l'acquisizione simultanea delle curve di attività temporali dallo scanner PET.
4. Continuare a pompare a 300 mL/h e verificare le misurazioni dell'attività radiofarmaceutica nei rivelatori gamma per almeno 300 s dopo l'inalazione di [¹⁵O]CO, 120 s dopo l'inalazione di [¹⁵O]O₂, 120 s dopo l'iniezione di [¹⁵O]H₂O e 300 s dopo l'iniezione di [¹⁸F]FDG.
   1. Per [¹⁸F]FDG, continuare a pompare il sangue a velocità di pompaggio ridotte non inferiori a 20 mL/h fino al termine della scansione PET.
5. Dopo ogni misurazione arteriosa, riconfigurare le linee arteriose per lavare il catetere dell'arteria radiale; Quindi, lavare il circuito di linea che alimenta i rivelatori gamma e la pompa. Per il circuito isolato attraverso la pompa, impostare la velocità della pompa a 300 mL/h. Facoltativamente, utilizzare una seconda sacca di soluzione salina eparinizzata per gravità per fornire flussi aggiuntivi per l'eliminazione del sangue dalla pompa.
   NOTA: Dato il protocollo di imaging prolungato e il campionamento ripetuto del sangue arterioso, il rischio di occlusione della linea può essere elevato, richiedendo una vigilanza continua da parte del team di investigatori e dell'infermiere. Utilizzare rigorose misure di sterilità e mantenere un circuito chiuso configurato solo da rubinetti.

8. Campionamento venoso

1. Prima della scansione, stabilire due siti per l'accesso endovenoso, controlaterale all'incannulamento dell'arteria radiale per l'iniezione di radiofarmaci e omolaterale all'incannulamento dell'arteria radiale per il campionamento venoso. Preferire l'accesso antecubitale.
2. Prima della scansione, preparare siringhe e tappi per siringhe; Marcare in modo indelebile siringhe e tappi, tappare tutte le siringhe e pesare le siringhe con tappo con una bilancia analitica con una precisione di 0,0001 g. Registrare i tempi di prelievo venoso all'inizio e al completamento del prelievo di almeno 2 ml di sangue. A temperatura ambiente (20-25 °C), centrifugare 1 mL di sangue a una RCF di 3.300 × g per almeno 60 s per estrarre il plasma. Contare le attività nel sangue intero e nel plasma utilizzando un contatore a pozzetti calibrato per 68 Ge.
   NOTA: Il campionamento venoso è più appropriato per misurazioni di [¹⁸F]FDG 30-60 minuti dopo l'iniezione. I campioni venosi ottenuti durante la scansione ^{a 15}O sono tecnicamente molto impegnativi e difficili da controllare e non si correlano bene con i campioni arteriosi.

9. Ricostruzione delle immagini PET e archiviazione dei dati

1. Ricostruisci le immagini dalla PET-CT, preferendo i sottoinsiemi ordinati 3D ordinari-Poisson di massimizzazione dell'aspettativa (OSEM) con 4-8 iterazioni di cinque sottoinsiemi, TOF, casuali ritardati, ridimensionamento della dispersione assoluta basato su modelli, correzione dell'attenuazione, filtraggio all-pass (nessun filtraggio), senza modelli con funzione di diffusione dei punti, correzione del decadimento all'inizio della scansione, ridimensionamento a Bq mL-1, dimensione della matrice di 220, zoom 2 e voxel isotropi di 1,65 mm lunghezza.
   NOTA: Zoom 2 riduce della metà il campo visivo trasversale della ricostruzione dell'immagine, ignorando così lo spazio ambientale tra la testa del partecipante e gli anelli del rivelatore PET. I parametri dichiarati sono i valori iniziali per il gas [¹⁵O]O₂ , che è altamente suscettibile alla variabilità di scattering e richiede una scala di dispersione assoluta basata su modelli; storicamente, la scelta dei modelli per lo scattering ha fortemente influenzato la qualità della ricostruzione dei traccianti a ¹⁵O. Inoltre, le interazioni dei modelli di scattering implementati dal fornitore con altri modelli, come i modelli con funzione di diffusione dei punti, sono attualmente poco comprese. Di conseguenza, questo protocollo implementa solo modelli di scattering senza modelli di diffusione dei punti.
2. Esaminare i dati PET ricostruiti sulla console dello scanner per garantire un'adeguata somministrazione del radiotracciante e un movimento minimo.
   1. Salva i file DICOM per i dati PET, CT, normativi e i dati in modalità elenco ricostruiti.
      NOTA: i dati in modalità elenco sono essenziali per le ricostruzioni ottimizzate, che sono costose dal punto di vista computazionale e in genere non possono essere eseguite dalla console dello scanner. I dati in modalità elenco sono molto grandi (>40 GB per sessione PET) e devono essere riservati dispositivi di archiviazione adeguati.

10. Dimissione e follow-up dei partecipanti

1. Rimozione della linea
   1. Rimuovere il catetere arterioso radiale utilizzando una tecnica sterile e applicare manualmente la pressione diretta dell'arteria radiale (questa operazione deve essere eseguita da un operatore sanitario qualificato).
   2. Applicare pressione per 15 minuti utilizzando la tecnica dell'emostasi brevettata per ridurre al minimo il rischio di occlusione dell'arteria radiale.
   3. Ispezionare la punta del catetere per verificare la presenza di coaguli o rotture.
   4. Dopo essersi assicurati di aver raggiunto un'emostasi adeguata, applicare una medicazione a pressione con garza sterile e avvolgimento elastico autoadesivo. Ispezionare la mano per verificare la presenza di eventuali cambiamenti di colore, temperatura, sensazione o funzione.
2. Istruzioni per l'assistenza domiciliare
   1. Istruire i partecipanti a mantenere le medicazioni a pressione per 2 ore dopo la dimissione.
      1. Istruire i partecipanti a esaminare il sito di incannulamento per sanguinamento o lividi a 2 ore, quindi posizionare un bendaggio da banco.
      2. Istruire i partecipanti a evitare di piegare o bagnare il polso/braccio interessato per 24 ore ed evitare attività faticose che coinvolgono il polso/braccio per 48 ore.
   2. Istruire i partecipanti a ispezionare il polso/braccio interessato per segni di infezione, lesioni o sanguinamento durante le 48 ore successive alla dimissione.
   3. Fornire diversi metodi per contattare il team dello studio, se necessario.
   4. Fornire rassicurazioni per le complicanze comuni di lividi lievi e disagio transitorio.
   5. Contattare il partecipante allo studio 24-48 ore dopo la dimissione per assicurarsi che non siano sorte ulteriori complicazioni.

11. Calibrazioni

1. Calibrazione incrociata
   1. Utilizzare sorgenti di riferimento a barra di ⁶⁸Ge o ²²Na per la calibrazione assoluta dei contatori di pozzi.
   2. Successivamente, effettuare la calibrazione incrociata utilizzando soluzioni di 10-37 MBq di [¹⁸F]FDG in 30-670 mL di acqua con acetonitrile al 2% o solvente organico simile. Utilizzare flaconi rigidi per terreni (polietilene tereftalato o polietilene ad alta densità) che forniscano il contenimento della radioattività con un'attenuazione gamma trascurabile. Utilizzare flaconi di volume inferiore per ridurre l'attività di calibrazione incrociata nel foro dello scanner. Calibrare in modo incrociato tutti gli altri strumenti di rilevamento gamma utilizzando aliquote prelevate dalla bottiglia.
2. Calibrazione del catetere
   1. Eseguire studi di calibrazione della dispersione e del ritardo derivanti dall'uso di cateteri e linee tra l'arteria radiale e la sonda di rilevamento gamma.
      1. Utilizzare emoderivati scaduti dalla banca del sangue locale, un bagno a temperatura controllata e una variazione controllata dell'ematocrito degli emoderivati.
      2. Assemblare dispositivi compartimentali per alternare rapidamente tra emoderivati non etichettati e prodotti ematici marcati con [¹⁸F]FDG, che vengono consegnati all'assemblaggio di cateteri, linee, sonda rivelatore gamma e pompa peristaltica. Fornire input "a gradini" Heaviside all'assemblaggio e misurare la radioattività nel tempo.
      3. Stimare il kernel di convoluzione per la dispersione e il ritardo. Parametrizzare i chicchi in modo che vadano con l'ematocrito. Eseguire tutte le calibrazioni con la fonte di emoderivati a 37 °C. Riutilizza il kernel per tutti gli studi sull'uomo che utilizzano lo stesso assemblaggio.
         NOTA: Queste calibrazioni tengono conto solo della dispersione e del ritardo attraverso gli assemblaggi di linee esterne, non dell'anatomia interna.

Risultati

Alcuni degli aspetti tecnicamente più impegnativi di questo protocollo riguardano la configurazione, la gestione e la raccolta di dati dalle linee arteriose, somministrando contemporaneamente radiotraccianti a breve emivita e facendo funzionare lo scanner. La Figura 1 fornisce un punto di vista a volo d'uccello dell'attuale configurazione che riassume l'organizzazione e i flussi di lavoro operativi richiesti ai coordinatori dello studio, agli interventisti,...

Discussione

L'imaging PET del metabolismo dell'ossigeno e del glucosio utilizzando gas [¹⁵O]CO e [¹⁵O]O₂ per via inalatoria, l'iniezione endovenosa di [¹⁵O]H₂O e l'iniezione endovenosa di [¹⁸F]FDG hanno precedenti storici significativi basati sull'imaging accumulato dalle precedenti generazioni di scanner PET 14,15,16,17,26,27

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
3/16" outer diameter 1/8" innner diameter nylaflow tubing	Nylaflow Tubing, Zazareth, PA
4 x 4 in. gauze	McKesson MedSurg	16-4242
Analytical balance	Fisher Scientific/OHUAS	Pioneer Exal Model 90 mm platform #PA84
Bacterial/Viral filter	Hudson RCI, Teleflex, Perak, Malaysia	REF 1605 (IPN042652)
BD SmartSite Needle-Free Valve	Becton Dickinson	2000E
Biograph mMR	Siemens, Erlangen, Germany
Biograph Vision 600 Edge	Siemens, Erlangen, Germany
Caprac wipe counter	Mirion Medical (Capintec), Florham Park, NJ	from 1991 or newer	NaI drilled well crystal
Coban self-adhesive wrap	3M		commonly used in intensive care units
dressing, tegaderm, 4 x 4"	3M Health Care	#1626
ECAT EXACT HR+	CTI PET Systems, Knoxville, TN
Edwards TruWave 3 cc/84 in (210 cm)	Edwards Lifescience	PX284R
extension catheter 48 cm length, 0.642 mL priming volume	Braun	V5424
heparin sodium, solution 2 U/mL, 1,000 mL	Hospira Worldwide	#409762059
I.V. armboard flexible 4 x 9 in. adult	DeRoyal	M8125-A
Keithley pico-ammeter	Tekronix
Magnetom Prisma fit	Siemens, Erlangen, Germany		3T
male-male adapter for Luer valves	Argon Medical Co.	040184000A
MiniSpin Personal Microcentrifuge	Eppendorf, Hamburg, Germany	EP-022620151
Mouthpiece 15 mm ID, 22 mm OD	Hudson RCI, Teleflex, Perak, Malaysia	REF 1565 (IPN042595)
MRIdium	Iradmed, Winter Springs, FL	3860+
Nalgene square PET media bottle with closure, 650 mL	Thermo Scientific	#3420400650	for cross-calibration
pressure infusion bag with bulb, accommodating 1,000 mL	Health Care Logi	#10401
pressure monitoring tray polyethylene catheter; 2.5Fr (2.5 cm) angiocath; 0.015" 15 cm wire; 22G (2 cm) needle	Cook Medical	C-P MSY-250, G02854
RDS 11 MeV Cyclotron	Siemens, Erlangen, Germany		proton bombardment of 15N to generate 15O
sodium chloride IV solution 0.9%, 1,000 mL	B. Braun Medical	E8000
steri-strips (closure, skin reinf LF 1/2x4")	McKesson MecSurg	#3010
Twilite II	Swisstrace, Zurich, Switzerland
Uninterruptible Power Supply battery backup and surge protector	APC	BR1500MS2