Количественный :18F-Naf-PET-МРТ Анализ для оценки динамического оборота костей у пациента с facetogenic Низкая боль в спине

Резюме

Методы визуализации, отражающие динамический текучесть костей, могут помочь в характеристике широкого спектра костных патологий. Мы представляем подробные методологии для выполнения и анализа динамических данных^{No 18}F-NAF-PET-MRI у пациента с лицом лицогенных болей в пояснице, используя поясничные фаматические суставы в качестве прототипной области интереса.

Аннотация

Методы визуализации, отражающие динамический текучесть костей, могут помочь в характеристике широкого спектра костных патологий. Кость представляет собой динамическую ткань, постоянно переделываемую с конкурирующими активностью остеобластов, которые производят новую костную матрицу, и остеокластов, функция которых заключается в устранении минерализованной кости. ¹⁸ФЗ-НАФ является позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) радиотрейстом, которая позволяет визуализировать метаболизм костей. ¹⁸ФЗ-НАФ химически всасывается в гидроксиапатит в костной матрице с помощью остеобластов и, таким образом, неинвазивно может обнаружить остеобластную активность, которая оккультизмна к обычным методам визуализации. Кинетическое моделирование динамических данных No¹⁸F-NaF-PET обеспечивает подробные количественные показатели метаболизма костей. Обычные полуколичественные ПЭТ-данные, использующие стандартизированные значения поглощения (SUV) в качестве показателя активности радиотрактора, называются статическим методом из-за снимка поглощения трассировщика во времени.  Кинетическое моделирование, однако, использует динамические данные изображения, где уровни трассировщика постоянно приобретаются, обеспечивая височное разрешение поглощения трассировщика. Из кинетического моделирования динамических данных можно извлечь количественные значения, такие как кровоток и скорость обмена веществ (т.е. потенциально информативные показатели динамики трассировщика), все с точки зрения измеренной активности в данных изображения. В сочетании с двойной модальности ПЭТ-МРТ, конкретные региональные кинетические данные могут быть коррелированы с анатомически зарегистрированной структурной и патологической информацией высокого разрешения, предоставляемой МРТ. Цель этой методологической рукописи состоит в том, чтобы наметить подробные методы для выполнения и анализа динамических данных¹⁸F-NaF-PET-MRI. Поясничный сустав является общим местом дегенеративных артритов и распространенной причиной осевой боли в пояснице.  Недавние исследования показывают, что¹⁸ФЗ-НаФ-ПЭТ может служить полезным биомаркером болезненных лицом лицом генетических заболеваний.  Таким образом, поясничный сустав человека будет использоваться в качестве прототипа области, представляющих интерес для динамического анализа¹⁸F--NAF-PET-MRI в этой рукописи.

Введение

Стандартные методы клинической визуализации костной патологии в первую очередь ограничиваются характерными структурными изменениями, которые могут быть неспецифическими. Например, бессимптомные морфологические аномалии, связанные с нормальным старением, могут быть неотличимы отдегенеративных изменений, которые отвечают за сильную боль и инвалидность 1. Кость является динамической ткани переживает непрерывную ремоделирование с конкурирующими деятельности остеобластов, которые производят новую костную матрицу, и остеокласты, функция которых заключается в ликвидации минерализованной кости². ¹⁸ФЗ-НАФ является позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) радиотрейстом, которая позволяет визуализировать метаболизм костной ткани. ¹⁸ФЗ-НАФ химически всасывается в гидроксиапатит в костной матрице с помощью остеобластов и, таким образом, неинвазивно обнаруживает остеобластную активность, тем самым обнаруживая метаболический процесс, который оккультизмом для обычных методов визуализации. В результате, No¹⁸ФЗ-НаФ был использован для характеристики костной патологии во все большем числе костных расстройств, включая неоплазмы, воспалительные и дегенеративные заболевания костей и суставов^3,4,5 .

ПЭТ-данные чаще всего анализируются полуколичественным способом, что может быть легко выполнено в обычной клинической практике со стандартизированными значениями поглощения (SUVs). Как метрика, внедорожники полезны для клиницистов, поскольку онипредставляют собой поглощение тканей по отношению к остальной части тела 6. Значения от последующего сканирования могут быть использованы для наблюдения за изменениями в поглощении в результате лечения или прогрессирования заболевания. Численный характер внедорожников также помогает в сравнении между пациентами и между последовательными сканирования в том же пациенте. Алгоритм, используемый для расчета внедорожников, Уравнение 1, делает предположение, что трассировщик равномерно распределен по всему телу и что мышечная масса тела точно представляет весь объем тела. Таким образом, внедорожники представляют собой полуколичественное измерение. Для данного региона интереса (ROI), внедорожник_макс (максимальная стоимость внедорожника в пределах рентабельности инвестиций), и внедорожник_{среднем} (среднее всех отобранных внедорожников в пределах рентабельности) обычно используются внедорожник метрик и в клинической практике⁶.

Кинетическое моделирование динамических данных ПЭТ также может быть выполнено для более детального количественного анализа. В то время как приобретение данных SUV является статичным, кинетическое моделирование использует динамические данные изображения, где уровни трассировщика постоянно приобретаются, обеспечивая временное измерение.  Из более сложного кинетического моделирования динамических данных можно извлечь количественные значения и информативные показатели динамики трассировщика в отношении измеренной активности в данных изображения. Образец двухтканевого отсека модели, используемой для динамического кинетического моделирования, показан на рисунке 1⁷.  C_p является концентрацией трассировщика в плазме крови, в то время как C_e и C_t представляют собой концентрацию в неограниченном интерстициальном пространстве и связанном трассировщике в матрице мишени кости соответственно. K_1, k₂, k₃, k₄, являются 4 параметров скорости, которые описывают кинетическую модель для трассировщика мыть в / из и связывания. K₁ описывает трассировщик, взятый из артериальной плазмы в интерстициальное пространство (C_t),k₂ описывает фракцию трассировщика, которая рассеивается от интерстициального пространства к плазме, k₃ описывает трассировщик, который перемещается от интерстициальный (C_e) пространство к кости (C_т), и k₄ описывает трассировщик, который движется от кости (C_т) обратно в интерстициальное пространство (C_e).

Рисунок 1 . Образец двухтканевого отсека модели для динамического кинетического моделирования. C_p является трассик концентрации в плазме крови отсека, C_e свободной и неспецифически связаны трассировщик концентрации в ткани, и C_т специально связаны трассировщик концентрации в ткани. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Кинетическая модель Patlak производит K_i'Patlak в качестве показателя скорости притока радиотрапиков (mL/ccm/m, кубический см и ccm) из бассейна крови в костную матрицу. Скорость притока трассировщиков из кровяного пула в костную матрицу может быть рассчитана с помощью уравнения 2 и уравнения 3 для K_i'Patlak и K_i'NonLinear соответственно. K_i'Patlak и K_i'NonLinear — это темпы, при которых¹⁸ФЗ-НаФ покидает артериальный кровяный бассейн и необратимо связывается с подстойной костной матрицей, используя эти две модели соответственно. Разница между Patlak и нелинейной кинетической моделью заключается в их использовании динамических данных. Модель Patlak требует равновесия, а затем рассчитывает скорость притока от установленного линейного склона. Кинетическая модель Patlak производит K_i'Patlak коэффициенты притока, с помощью 24-минутного времени для уравновешения плазменного бассейна, C_p, к неограниченному бассейну, C_u.  24-минутное время может меняться в зависимости от времени, найденного для всех подсайтов, чтобы достичь равновесия с плазменным бассейном в образце. Более вычислительно строгая нелинейная модель использует всю височной информации в соответствии с кривой.

Цель этой методологической рукописи состоит в том, чтобы наметить подробные методы для выполнения динамических No¹⁸ФЗ-НА-ПЭТ-МРТ.  Поясничный сустав является общим местом дегенеративных артритов и распространенной причиной осевой боли в пояснице⁸.  Недавние исследования показывают, что^{No 18}ФЗ-НАФ-ПЭТ-МРТ может служить полезным биомаркером болезненного лицомогущего заболевания⁹.  Таким образом, поясничные суставы человека от одного пациента с лицом ежефевой боли в пояснице будут проанализированы в качестве прототипа рентабельности инвестиций для динамического анализа¹⁸F-NAF-PET-MRI.

протокол

Это перспективное технико-экономическое обоснование набрал пациентов после получения одобрения Human Study IRB и соблюдения правил HIPAA.

1. Фантом

1. Заполните полый цилиндрический фантом вставкой, которая имеет полые цилиндры с диапазоном диаметров (5 - 38 мм) с 185 MBq из¹⁸F-NaF.
2. Создайте карту затухания фантома с помощью Ct или шаблона, который был создан ранее для этого фантома.
3. Поместите фантом в центр ПЭТ/МР и приобретите данные ПЭТ в течение 5-10 минут, записывая резущевое изображение с помощью консоли изображений.
4. Реконструкция с помощью консоли изображений с помощью карты затухания на основе КТ с помощью алгоритма, который соответствует тому же алгоритму реконструкции, который будет использоваться для визуализации человеческих субъектов.
5. Рассчитайте среднее действие в каждом цилиндре (слева и вправо) одинакового размера для всех размеров с помощью бесплатного АМИСЕ.
6. Табулировать средняя активность по сравнению с размером цилиндра.
7. Рассчитайте частичные ошибки громкости (PVE), разделив среднее действие каждого цилиндра на среднее действие эталонного цилиндра.
8. Участок PVE по размеру цилиндра.
9. Используйте линейное уравнение между размерами двух цилиндров при коррекции Для PVE в данных пациента.

2. Подготовка пациентов

1. Перед набором пациентов, получить любое необходимое одобрение Человеческого исследования IRB и соблюдать правила HIPPA.
2. Установить соответствующие критерии включения и исключения для изучения интересов.
   1. Критерии включения были следующими: взрослые, по крайней мере 18 лет, способные к информированию о согласии; сообщила история осевых нерадикулярных болей в пояснице; рекомендуется позвоночником интервенционных радиологов.
   2. Критерии исключения были следующими: история перелома или опухоли позвоночника; беременные или кормящие грудью женщины; противопоказания к мРТ или администрированию трассировщика или контраста; до поясничной хирургии или приборов.
3. Соберите письменное информированное согласие пациента, одобренное Комитетом по исследованиям в области человека.
4. Получить любые соответствующие клинические экзамены и / или данные обследования пациентов, относящихся к вашему исследованию интересов.
5. Ите предмет изменения в платье, установить iv доступ, управлять тест на беременность, если пациент женского и детородного возраста, проверить креатинин / GFR для безопасного использования контраста, и получить дозу¹⁸F-NAF. Тренер пациента о важности оставаясь еще на протяжении всего экзамена.
6. Позиция пациента на спине и ногах сначала в ПЭТ/МРТ.

3. Протокол визуализации

1. Используйте 3.0 T ПЭТ /МРТ сканер для одновременного приобретения ПЭТ и Mr изображения.
2. Используйте задний массив центрального молекулярного массива изображений катушки для мР изображений.
3. Убедитесь, что FOV как MR и ПЭТ-изображения условия по центру, чтобы покрыть нижнюю область позвоночника от T12 до S3.
4. Клинические мРТ последовательности для протокола поясничного отдела позвоночника включает в себя: Sagittal T1 (время повторения/эхо-время (TR/TE) - 510/8,6 мс, разрешение в самолете 0,75 мм, разрешение через плоскость 4 мм), Sagittal T2 насыщенный жиром (FS) (TR/TE 4208/86 ms, в плоскости, в плоскости, в плоскости, в плоскости, в плоскости, насыщенный жиром (FS) (TR/TE 4208/86 ms, в плоскости, в плоскости, в плоскости, в плоскости, в плоскости, в плоскости насыщенный (FS) (TR/TE 4208/86 ms, в плоскости, в плоскости, в плоскости, в плоскости, в плоскости, в плоскости разрешение 0,75 мм, разрешение через плоскость 4 мм) Axial T2 быстрое расслабление быстрого спина эхо (FRFSE) с и без насыщения жира (TR/TE 750/9.2 мс, в плоскости резолюции 0,7 мм, через плоскости резолюции 4 мм), Axial T1 быстрый спин эхо (FSE) Pre Gadolinium (TR/ TE 575/8.9 ms, разрешение в самолете 0.65mm, разрешение через плоскость 4mm, Axial T1 FSE Post Gadolinium (TR/TE 562/8.6 ms, разрешение в самолете 0.65mm, разрешение через самолет 4mm).
5. Впрыск0,1 мм/кг гадобутрола (1М Гавайдс) в антекубитальную ямку пациента непосредственно перед приобретением последовательностей МРТ, требующих этого.
6. До динамического ПЭТ-сканирования вводить в пациента радиоактивную дозу¹⁸ФЗ-НА в концентрацию 2,96 МБК/кг¹⁸ФЗ-НА.
7. Выполните 60 минут динамического ПЭТ-сканирования с использованием 3 отдельных височных фаз, сосредоточенных над нижним позвоночником, T12 до S3.
8. Приобретите первую фазу динамического сканирования с 12 кадрами по 10 с каждый.
9. Приобретите вторую фазу из 4 кадров по 30 с каждая.
10. Приобретите последнюю фазу из 14 кадров по 4 мин каждый.
11. Рассчитайте коррекцию затухания MR (MRAC) для области поясничного отдела позвоночника с помощью стандартного двухточечного метода Диксона. Метод Диксонсегментсегменты МР сигналы жира и воды в воздух, мягкие ткани, легкие и жир (хотя и не кости).
12. Убедитесь, что ПЭТ-данные сорегистрируются на осевые изображения Насыщенных жирными fsFSE Т2.
13. Реконструкция ПЭТ-данных на консоли с использованием следующих параметров: 60 см поля зрения (FOV), 3 мм после фильтра, стандартный фильтр оси, 256 х 256 матрицы, 28 подмножеств, и VPFX (Время полета - Заказ подмножества Максимальная, TOF-OSEM) с 4 итерациями .
14. Убедитесь, что реконструкция включает в себя послеобработку для коррекции распада, затухания, рассеяния и мертвого времени.

4. Анализ изображений

1. Ослепленный радиолог интерпретирует клинические последовательности МРТ.
2. Оцените жир-подавленный T2- взвешенный и сало подавленные T1-взвешенные post-contrast последовательности для профилировать синовит фасент- как ранее описано Czervionke и Fenton¹⁰.
   1. Используйте следующие аспекты классификации является: МРТ класса 0 - нет аномалии граненого сустава, 1 - ненормальное повышение или T2 гиперинтенсивность ограничена совместной капсулы, 2 - ненормальное экстракапсуляльное повышение или T2 гиперинтенсивность с участием lt; 50% от периметра FJ, 3 экстракапсулярное повышение или T2 гиперинтенсивность с участием йgt;50% от периметра FJ, и 4 класса 3 с расширением отеков в нейрофораменов, ligementum flavum, pedicle, поперечный процесс, или позвонков тела. Как поясняется в рефери: Червионке LF, Фентон DS. Насыщенные жирами МР-изображения при обнаружении воспалительной фаховой артропатии (синовит) в поясничном отделе позвоночника. ¹⁰ Лет

5. Анализ данных

1. Передача ПЭТ и МРТ изображений на специальную рабочую станцию, оборудованную для анализа динамических данных ПЭТ, таких как программное обеспечение PMOD. Проанализируйте граненые суставы поясничного отдела позвоночника от L1-L2 до L5-S1.
2. Найдите регионы, которые будут оцениваться для измерения поглощения¹⁸ФЗ-НАФ: двусторонние граненые соединения на каждом уровне. Выберите объемы интереса (VOI) с использованием анатомических изображений T2 MR, а затем перенесите на ПЭТ-изображения.
3. Определите центральную точку каждого поясничного граненого соединения путем визуальнотриляции с помощью сагиттальных и осевой плоскости T2 MR-изображений и записи среза номер приблизительного центра.
4. При открытии данных о пациенте во вкладке «Вид»щелкните кнопку VOI с боковой панели и выберите SPHERE (Объект).
5. В предопределенном окне, которое всплывает, введите в 7,5 мм в качестве радиуса и нажмите Создать новый VOI.
6. Поместите сферический VOI (7,5 мм в диаметре) в центре каждого граненого сустава, нажав на грань. Отрегулируйте сферу левым нажатием и перетаскиванием до визуального центрирования на грани.
7. Повторите по мере необходимости для всех аспектов, представляющих интерес, нажав Создать новый VOI и выполнения шага 5.5
8. Поместите сферический VOI (диаметр 5 мм) в правый подвздошной гребень в полосте центрального мозга (чтобы исключить участие коры) в качестве эталонной области. Нажмите Создать новый VOI и левый клик в мозг правого подвздошения.
9. Позиция VOI так края находятся в пределах мозга полностью.
10. Убедитесь, что VOI находятся аналогично изображению, показывающему позвоночный сустав для тела (FJ) VOIs на рисунке 2 в том, что они инкапсулируют центр граненого сустава.

6. Расчеты внедорожников и кинетические данные

1. Для расчета функции ввода артерий место цилиндрической VOI, охватывающих два осевых ломтиков брюшной аорты. Убедитесь, что диаметр равен диаметру аорты.
2. Нажмите правой кнопкой мыши на изображение Axial,выберите проверку данных.
3. Измерьте диаметр проксимальной аорты брюшной полости к ее бифуркации.
4. Слева щелкните по правой стороне стенки аорты и переместите курсор на левую сторону стенки аорты.
5. Запись расстояния диаметра стены аорты в окне инспектора данных. Это будет использовано для расчета коэффициента коррекции частичного объема (ПВХ).
6. Слева нажмите кнопку VOI с боковой панели, выберите CIRCLE (ROI).
7. Создайте roI круга с указанным радиусом половины ранее измеренного диаметра в шаге 6.5
8. Нажмите Создать новый VOI и левый клик в центре аорты, изменить положение в случае необходимости, чтобы обеспечить круг приближенных аорты положение стены.
9. Спустите один срез в осевую плоскость и повторите шаги 6.7-6.9, тем самым сделав цилиндр из двух круговых ROI.

7. ПЭТ Частичная коррекция объема

ПРИМЕЧАНИЕ: Из-за PVE активность трассировщика недооценена по отношению к размеру цели. Таким образом, предпринимаются шаги, чтобы исправить для PVE.

1. Используйте коэффициенты восстановления, которые были получены ранее с помощью ПЭТ/КТ-фантома, построив размер диаметра цилиндра по сравнению с соотношением восстановленной активности к истинной активности.
2. Примените коэффициенты восстановления к измерению на основе изображения по сравнению с нисходящей аортой для создания частичного объема исправленного артериального ввода.
3. Замените этот частичный объем исправленного артериального ввода в PMOD для использования в кинетической моделировании и точной количественной оценке кинетики трассировщика.

8. Расчеты внедорожников и кинетические данные

Примечание: Алгоритм, используемый для расчета стандартного значения поглощения (SUV), уравнение 1, делает предположение, что трассировщик равномерно распределен по всему телу и что мышечная масса тела точно представляет объем всего тела. Таким образом, внедорожники называются полуколичественными измерениями.
Уравнение 1: Стандартное значение поглощения

1. Рассчитайте_максвнедорожника, а также_{средние} значения для каждого подсайта, используя 60-минутную точку времени.
   Примечание: Модель отсека из двух тканей, используемая для кинетического моделирования, показана в рисе 1. C_p является концентрацией трассировщика в плазме крови, в то время как C_e и C_t представляют собой концентрацию в неограниченном интерстициальном пространстве и связанном трассировщике в матрице мишени кости соответственно. K_1, k₂, k₃, k₄, являются 4 параметрами, которые описывают кинетическую модель для трассировщика мыть в /вне и связывания.
2. Используйте двухтканевую отсек, необратимый для модели Patlak Linear и нелинейных моделей регрессии во время кинетической экспертизы
   Примечание: Модель необратимого отсека из двух тканей используется для расчета констант скорости притока (в мин^-1)для No¹⁸F-NaF¹¹.
3. Убедитесь, что время равновесия установлено до 24 минут при использовании кинетической модели Patlak
4. Ввод k₄ и 0 при использовании нелинейной регрессионной модели для получения коэффициентов притока K_i'NonLinear.
5. Рассчитайте скорость притока трассировщиков из кровяного пула в костную матрицу, используя Equation 2 и Equation 3 для K_i'Patlak и K_i'NonLinear соответственно. K_i'Patlak и K_i'NonLinear — это темпы, при которых¹⁸ФЗ-НаФ покидает артериальный кровяный бассейн и необратимо связывается с подстойной костной матрицей, используя эти две модели соответственно.
   1. Уравнение 2: Патлак Графическая кинетической модели
      Перехват
   2. Уравнение 3: Нелинейная регрессионная кинетическая модель
      

9. Статистический анализ

1. Используйте линейный регрессионный анализ, чтобы оценить, если¹⁸F-NaF K_i'Patlak коэффициент притока был коррелирован с: внедорожник_{означает}, внедорожник_макс, K_i'NonLinear, и любые клинические оценки скоринга, характерные для исследования.
2. Используйте двуххвостый t-test и корреляцию Пирсона для проверки статистической значимости в предыдущих корреляциях.

Результаты

^{18 лет} Значения поглощения NaF-PET измеряются в двусторонних граньных суставах на L1-L2 через L5-S1 позвонков уровнях в общей сложности 10 ROIs в одном представительном пациенте с осевой боли в пояснице. Представитель No¹⁸ФЗ-NAF-PET, осевый жир T2 подавлен, и осевые T1 пост-контрастных жира под...

Обсуждение

В этой методологической рукописи, мы предоставили справочную информацию о потенциальной полезности динамических No¹⁸F-NaF-PET-MrI для оценки широкого спектра костных патологий и изложили методы для динамического^{изображения}F--NaF-PET-MRI приобретение и анализ с использованием поясни?...

Материалы

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