PLoS ONE: Respiratory Motion Reduktion i PET /CT Brug Abdominal Compression for lungekræftpatienter

Abstrakt

Formål

Respiratory bevægelse forårsager betydelige artefakter i rekonstruerede PET billeder, når du bruger spiralformet CT som dæmpningen kortet i PET /CT scanning. I denne undersøgelse, vi havde til formål at reducere de respiratoriske artefakter i PET /CT-billeder af patienter med lunge tumorer ved hjælp af en abdominal kompression enhed.

Metoder

Tolv patienter med lungekræft placeret i midten eller lavere lap af lungen blev rekrutteret. Patienterne blev injiceret med 370 MBq

18F-FDG. Under PET, patienterne antaget to seng positioner for 1,5 min /seng. Efter at have gennemført frit vejrtrækning billeddannelse, opnåede vi billeder af patienter med abdominal kompression ved anvendelse af samme opsætning anvendes i den frie vejrtrækning scanning. Forskellene i den standardiserede optagelse værdi (SUV)

max, SUV

middelværdi, tumor volumen, og det geometriske tyngdepunkt af tumorerne mellem PET og forskellige CT-ordninger blev målt.

Resultater

SUV

max og SUV

betyder afledt af PET /CT billeddannelse under anvendelse af en abdominal kompressionsindretning steget for alle læsionerne, sammenlignet med dem opnået ved anvendelse af konventionelle tilgang. De procentvise stigninger var 18,1% ± 14% og 17% ± 16,8% for SUV

max og SUV

betyder hhv. PET /CT scanning kombineret med abdominal kompression generelt nedsat tumor misforhold mellem CT og de tilsvarende dæmpning korrigerede PET billeder, med et gennemsnitligt fald på 1,9 ± 1,7 mm over alle sager.

Konklusioner

PET /CT scanning kombineret med abdominal kompression reducerer respiratoriske artefakter og PET /CT fejlregistrering, og forbedrer kvantitativ SUV i tumor. Abdominal kompression er nem at sætte op og er en effektiv metode, der anvendes i PET /CT billeddannelse til klinisk onkologi, især i bryst omegn

Henvisning:. Huang TC, Wang YC, Chiou YR, Kao CH (2014) Respiratory Motion Reduktion i PET /CT Brug Abdominal Compression for lungekræftpatienter. PLoS ONE 9 (5): e98033. doi: 10,1371 /journal.pone.0098033

Redaktør: Juri G. Gelovani, Wayne State University, USA

Modtaget: Januar 28, 2014 Accepteret: 14. april, 2014 Udgivet: May 16, 2014

Copyright: © 2014 Huang et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Denne undersøgelse blev støttet af National Science Rådet for Taiwan (NSC 102-2221-E-039-010-MY3) og ved Taiwan Ministeriet for Sundhed og Velfærd Clinical Trial and Research center of Excellence (DOH102-TD-B-111-004). De finansieringskilder havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet

Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

Respiratory bevægelse forårsager billedartefakter i PET /CT-billeder og forskydning mellem PET og CT. I PET-billeddannelse, kan respiratorisk bevægelse giver anledning billede sløring, nedbrydning i billedets kontrast, og en overvurdering af læsionen volumen. I CT, kan respiratorisk bevægelse forvrænge tumor form og volumen [1]. Hertil kommer, når du bruger CT-billeder for at korrigere for dæmpning i PET-data, kan misforholdet mellem PET og CT-billeder forårsaget af respiration resultere i fejl lokalisere tumor i PET, hvilket fører til en unøjagtig standardiseret optagelse værdi (SUV) på grund af den store forskel i købet tid CT og PET. En overvurdering af omfanget og undervurdering af SUV af en lunge læsion forårsaget af respiratorisk bevægelse blev rapporteret af Nehmeh et al og Erdi et al [2] – [3]. Liu et al rapporterede den øgede usikkerhed i SUV for lungetumorer når dæmpning korrektion (AC) blev udført ved hjælp af skævt PET /CT [4]. Huang et al viste, at øget tumor bevægelse er tæt forbundet med den maksimale SUV (SUV

max) fald i patienter med lungecancer [5]. Disse artefakter og forskydningen kan forårsage potentielle fejldiagnoser når det kombineres med PET /CT afbildningsmodalitet for lungekræft diagnose [6].

Adskillige teknikker er blevet undersøgt til at korrigere PET /CT forskydninger og reducere artefakter at forbedre kvantitativ nøjagtighed. Det respiratoriske gating af PET og CT, hvori de indsamlede data blev arkiveret lodret i visse respiratoriske faser, blev anvendt til at reducere bevægelsesartefakter og SUV fejl [7] – [8]. Resultaterne af at anvende 4-dimensional (4D) PET /CT ved hjælp 4D-CT-data med de kanaliserede PET billederne angivet forbedret læsion registrering og passende interne tumorvolumener [1], [9]. Men den lange erhvervelse og behandling tid, der kræves til at foretage undersøgelsen var uundgåelig. Den dybe inspiration holde vejret teknik er blevet foreslået at forbedre unøjagtige kvantificering af både SUV

max og metabolisk volumen, men denne metode er ikke praktisk for alle patienter, fordi det kræver patientefterlevelse og kan ikke være muligt for patienter med begrænset lungefunktion [6], [10]. Cine gennemsnit CT (CACT) blev foreslået for AC i PET og billederne udviste betydeligt mindre forskydninger og artefakter i forhold til de, der opnås ved anvendelse af traditionel spiralformet CT (HCT) -baseret AC [11]. Det største problem i CACT er, at det kræver indgivelse af en relativt høj strålingsdosis. For nylig, den interpolerede gennemsnitlige CT bruges til PET /CT AC korrigerede PET /CT fejlregistrering og forbedret læsion kvantificering ledsaget af stråling fradrag. Men den komplicerede postimaging proces er stadig en bekymring om brugen af ​​disse teknikker i klinisk praksis [12] – [14].

Abdominal kompression er almindeligt anvendt til at reducere thorax tumor bevægelse under behandlingen levering i stråling onkologi. Anvendelsen af ​​abdominal kompression for lung strålebehandlinger reducerer effektivt motion amplitude for læsioner tæt på membranen [15] – [16]. I dette studie demonstrerede vi respiratorisk bevægelse korrektion i PET /CT ved anvendelse af en abdominal kompressionsindretning, og undersøgt den potentielle forbedring af resultaterne blev sammenlignet med dem, der fremstilles ved anvendelse af traditionel CT (HCT) på patienter med lungecancer.

Materialer og metoder

Patient Befolkning

Den aktuelle undersøgelse blev gennemført fra august 2013 til oktober 2013. Tolv patienter (5 mænd, 7 kvinder, gennemsnitlig alder, 60 år, aldersgruppe, 43-77 år) med en diagnose af lungekræft bekræftet af en læge på Kina Medical University Hospital blev rekrutteret. Lungelæsionerne havde en størrelse fra 3 til 44 cm. Alle patienter, der blev udvalgt havde en tumor i midten eller nedre lap af lungen, som er regioner, hvor respiratorisk bevægelse klart forekommer. Et resumé af de kliniske karakteristika for patienterne er vist i tabel 1. skriftligt informeret samtykke blev opnået fra alle patienter. Alle dataindsamling og analyser udført i denne undersøgelse blev godkendt af Institutional Review Board of China Medical University Hospital.

Imaging Acquisition Protocol

Patienterne var alle injiceret med 370 MBq

18F-FDG. Under optagelsesfasen, der varede i ca. 40 minutter, patienterne forblev i en stadig position. Den første hele kroppen billede blev opnået, når patienterne var i rygleje og erhvervelse tid pr seng position var 1,5 min. Free-vejrtrækning hele kroppen CT blev udført ved 120 kV i spiralformet tilstand med en smart mA (interval 30-210 mA), 1.75:1 banen, og 0,5-s gantry rotation. For bryst PET, patienterne antaget to seng positioner med 1,5 min /seng. Efter at have udført frit vejrtrækning imaging ( 5 min), opnåede vi billeder af patienter med abdominal kompression ved at bruge samme setup som det, der anvendes i den fri vejrtrækning scanning

Alle scanninger blev erhvervet ved hjælp af en. GE PET /CT-16 skive og en Discovery STE (GE Medical System, Milwaukee, Wisconsin USA) kombineret med en abdominal kompression enhed (BodyFix Membran Control Elekta) i 3-dimensionel tilstand med transaksiale felt-of-visninger (FOVs) af 70 og 50 cm for PET og CT hhv. Den billeddannende protokol og patienten setup herunder abdominal kompressionsindretning er vist i figur 1a og 1b.

Patient opsætning med abdominal kompressionsindretning (a) placeret i den øvre del af maven region at begrænse mængden af ​​respiration. (B) dataopsamling protokol for PET /CT scanning af patienter med abdominal kompression umiddelbart efter udførelse af fri-vejrtrækning billeddannelse.

Vi brugte de samme kliniske genopbygning parametre for både frit vejrtrækning PET og abdominal-komprimering PET billeder. PET

FB og PET

ab billeder blev rekonstrueret ved hjælp af iterative algoritmer (Fourier rebinning og dæmpning-vægtet bestilt-delmængde forventning maksimering, to iterationer, 20 delmængder, og en 6-mm Gauss filter) og AC ved hjælp af HCT og abdominal-kompression CT (CT

ab), hhv. Dataene blev rekonstrueret under anvendelse af en 128 x 128 matrix og et 3 mm tykt skive. Alle PET og CT-billeder blev overført til en GE-arbejdsstation, hvorfra fusion PET /CT-billeder blev konstrueret.

Læsion Analyse

I den 3-dimensionelle (3D) PET /CT-billeder, en 3D volumen af ​​interesse (VOI) blev manuelt trukket af en erfaren læge for hver læsion i PET-billeder [17]. Den maksimale værdi og den gennemsnitlige SUV værdien i VOI blev defineret som SUV

max og SUV

middelværdi hhv. Den tilsvarende afgrænsning af VOI i CT billeder blev udført ved en stråling onkolog. SUV

max blev opnået for alle læsioner vises i PET

FB og PET

ab billeder. Værdierne af SUV

max, SUV

betyder, og VOI blev sammenlignet. De kontinuerlige variabler blev udtrykt som gennemsnittet ± standardafvigelsen (SD). Statistiske analyser blev udført ved hjælp af den uparrede Students

t

test og parret

t

test. En

P

værdi 0,05 blev anset for at være statistisk signifikant. Desuden koordinaterne for det geometriske tyngdepunkt af læsionen i PET

FB, CT og PET

ab, og CT

ab billeder blev bestemt på grundlag af den valgte vois. Afstandene

d

mellem tumor geometriske tyngdepunkt i PET billedet og den tilhørende CT-billedet blev derefter målt.

Resultater

SUV

max og SUV

betyder for alle tumorer er opsummeret i tabel 2. PET

ab billedet generelt viste øget SUV

max og SUV

betyder for alle de læsioner sammenlignet med dem, der vises i PET

FB billede. Den procentvise stigning (% diff) var 18,1% ± 14% og 17% ± 16,8% for SUV

max og SUV

betyder hhv. Den procentvise forskel i tumorvolumen i PET var i området fra 0,1% til 41%. PET /CT-billeddannelse kombineret med abdominal kompression generelt nedsat mismatch tumor

d

mellem CT billede og den tilsvarende dæmpning korrigeret PET billeder, som vist i tabel 2, med et gennemsnitligt fald på 1,9 ± 1,7 mm på tværs af alle tumorerne .

i figur 2, de koronale udsigt over PET

FB /CT og PET

ab /CT

ab fusion billeder viser tumoren i højre nedre lap for en valgte patient, patient 4, der blev brugt som et repræsentativt eksempel. Fejljustering omkring tumoren (rød pil) blev observeret i PET

FB /CT fusionsbilleder og forskydningen blev væsentligt forbedret i PET

ab /CT

ab billede, som vist i fig. 2 (a) og fig. 2 (b), hhv. Værdierne for PET

ab var større end for PET

FB med 8% og 13%. Desuden er de lodrette profiler er tegnet i fig. 2 (c) viser, at den fulde bredde ved halvt maksimum var mindre for tumoren vist i PET

ab billede, hvilket indikerer mindre sløring omkring kanterne af tumoren i billedet, og en større SUV

max var også let observeret i PET

ab billede, hvilket muliggør mere nøjagtig og præcis tumordetektion

Koronale billeder af (a) PET

FB /CT-fusion billede (til venstre).; PET

FB (til højre) og (b) PET

ab /CT

ab fusion billede (til venstre); og PET

ab (til højre) for den valgte patient, Patient 4. Skævhed omkring tumoren blev observeret i PET

FB /CT fusion billeder (rød pil). (C) Lodret billede profiler er trukket tværs tumoren i PET

FB og PET

ab billeder.

Diskussion

En abdominal kompression enhed kan bruges til at reducere lungetumor bevægelse [18]. Effektiviteten af ​​abdominal kompression til reduktion lungetumor bevægelse afhænger af tumoren placering i lungen. De signifikante virkninger af abdominal kompression blev vurderet ved Bouilhol et al [16]. Den foreliggende undersøgelse endvidere vist, at PET /CT scanning indarbejde abdominal kompression potentielt forbedret rekonstrueret PET billedkvalitet og producerer øgede SUV’er af tumorer og reducerede de respiratoriske artefakter indeholder rumlige match i PET og CT fusion billeder. Flere bekymringer, der kan opstå, er, at den øgede SUV i abdominal-komprimering billeder var forårsaget af abdominal kompression, eller at det i virkeligheden, vil SUV stige i aktive tumorer med tiden efter injektion, fordi erhvervelsen abdominal-kompression PET blev udført efter at have gennemført frit vejrtrækning erhvervelse PET på alle patienterne. Men resultaterne af denne undersøgelse viste, at den gennemsnitlige PD for SUV

max var 18%, hvilket er for højt til at opnå tid efter injektion på tumoren inden for mindre end 5 minutter. Derudover yderligere forberedelse er nødvendig for at etablere den abdominale kompressionsindretning var typisk mindre end 5 minutter i vores kliniske praksis. Derfor bruger den abdominale kompressionsindretning til thorax PET /CT erhvervelse er muligt for rutinemæssig klinisk anvendelse. Der er to bekymringer vedrørende brugen af ​​abdominal kompression: For det første kan imaging kombineret med abdominal kompression forårsage ubehag og mulig angst for nogle patienter og er også ubrugelig for overvægtige patienter. For det andet, kan abdominal kompression være en potentiel kilde til øget tumor bevægelse variabilitet, hvilket fører til uoverensstemmelser i tumor afgrænsning under simulering CT til strålebehandling planlægning [19]. For at løse dette problem, sammenkæde den deformerbare billede registrering til abdominal kompression er en mulighed for at knytte simulering CT og CT

ab for afgrænser tumorer [20].

Flere undersøgelser har rapporteret, at et fald i SUV i 3D PET-scanninger er forårsaget af mængden af ​​forskydning, der opstår, og mønstret af respiration bevægelse. 4D PET scanning kan anvendes til at reducere faldet i SUV induceret af respiratorisk bevægelse [6], [21] – [22]. Denne undersøgelse viste, at PET billedbehandling kombineret med abdominal kompression enhed også kan forbedre SUV. Stigninger i både SUV

max og SUV

betyder for PET

ab sammenlignet med dem for PET

FB blev observeret i denne undersøgelse. Tumorer tættere på mellemgulvet klart bevæget med en stor amplitude i overlegen ringere retning; derfor store SUV

max forskelle mellem 4D PET og 3D PET scanninger eksisterer og er blevet rapporteret i talrige undersøgelser. I denne undersøgelse blev patient med tumorer placeret i midten til lavere lapper af lungen ansat og SUV

max blev forbedret succes med ca. 7% -54%.

Bevægelsen af ​​strukturerne i thorax er stærkt korreleret til mellemgulvet bevægelse, der opstår under respiration [23]. Denne bevægelse bevirker typisk et større tumorvolumen størrelse sammen i PET-billeder, i forhold til den faktiske størrelse af tumoren, hvilket fører til PET /CT fejljustering [14]. Bevægelsen er endnu mere komplekst, når læsionerne er fastgjort til den stive konstruktion af brystkassen, (f.eks lungehinden nær brystkassen (Patienter 3 og 10) og membranen (Patient 5)). I denne undersøgelse har vi observeret signifikante forskelle i kvantificeringen resultater, som viste, at læsionerne knyttet til den stive konstruktion af thorax demonstrerede store volumenændringer (fig. 3) mellem billederne opnået med og uden anvendelse af abdominal kompression. Men konsekvenserne af at bruge abdominal kompression på læsionen størrelse, beliggenhed, optagelse ratio, og bevægelsesmønster bliver yderligere undersøgt i vores nuværende undersøgelse.

Konklusion

Vi forudsat den foreløbige resultater vedrørende forskellen i tumor bevægelse forårsaget af åndedræt hos 12 patienter med lungecancer filmede med en abdominal kompressionsindretning, sammenlignet med de billeder opnået under anvendelse af konventionelle tilgang. Resultaterne viste, at reduktionen i den samlede PET billedkvalitet skyldes respiratorisk bevægelse og misforholdet mellem PET og CT skyldes brug af CT til AC i PET til at indarbejde den abdominale kompression enhed i PET /CT forestille.