Ľudské hnedé zásoby tukového tkaniva sa automaticky segmentujú pozitrónovou emisnou tomografiou
Zhrnutie
Metóda uvedená v tomto dokumente používa 18 F-fluórodeoxyglukózu (18 F-FDG), pozitrónovú emisnú tomografiu/počítačovú tomografiu (PET-CT) a tukovú vodu zvlášť, magnetickú rezonančnú tomografiu (MRI), nasledujúcu 2-hodinovú expozíciu termo (skenované pri 24 ° C) a studenú Podmienky (17 ° C) na zobrazenie hnedého tukového tkaniva (BAT) u dospelých ľudských pacientov.
Abstrakt
Úvod
Aj keď počet štúdií BAT u zdravých dospelých ľudí rastie, nedávne štúdie o ľudských BAT obmedzili hlavne retrospektívne štúdie PET-CT 19,25, ľudské mŕtvoly 26,27, dospievajúci ľudia, ktorí už boli hospitalizovaní z iných dôvodov 27-30 a niektoré štúdie zdravých dospelých ľudí 31-35. Jednou z výziev pediatrických aj retrospektívnych štúdií je možnosť zmenených výsledkov pri skúmaní chorej populácie pacientov, ktorá môže mať vplyv na BAT. Okrem toho, pretože glukóza nie je preferovaným zdrojom energie BAT 36, PET štúdie nie vždy detegujú povolené BAT, a preto môžu nedostatočne reprezentovať prítomnosť BAT. Ďalšia ťažkosť pri vyšetrovaní BAT pomocou biomedicínskeho zobrazovania vedie k segmentácii obrazu, ktorá súvisí s hranicami tkanivových zásob. V súčasnosti sa segmentácia BAT v štúdiách na ľuďoch často spolieha na určitú manuálnu segmentáciu obrazu, a preto je náchylná na nesprávnu identifikáciu depotnej BAT a variabilitu medzi hodnotiteľmi.
Tu prezentované postupy získavajú MRI aj 18 F-FDG-PET-CT vyšetrení u subjektu, každé sa aktivuje po vystavení chladu aj termo-neutrálnym podmienkam. Chladom aktivované a termo 18 F-FDG PET-CT skenovania sa používajú na automatické vytváranie segmentovaných BAT oblastí (ROI) špecifických pre daný subjekt. Tieto BAT ROI sa potom použijú na skenovanie MRI registrované na spoluprácu na meranie charakteristík MRI v BAT potvrdených PET-CT.
Jedným obmedzením tohto protokolu je, že teplota vzduchu použitá pri vystavení subjektov pôsobeniu horúceho alebo studeného stimulu je pre každý subjekt konzistentná. Toto je obmedzenie, pretože teplota, pri ktorej je každému objektu teplo alebo chladené, môže byť iná. Preto vykonaním testovacej relácie, počas ktorej je teplota vzduchu upravená tak, aby zodpovedala reakcii jednotlivca, a potom použitím týchto teplôt v protokoloch aktivácie termo a za studena, je možné dosiahnuť lepšiu reakciu z hnedého tukového tkaniva.
Vyžaduje sa predplatné. Odporučte prosím JoVE svojmu knihovníkovi.
Protokol
1. Všeobecné otázky týkajúce sa bezpečnosti a obrazu MRI
- Ako hlavné magnetické pole v prístrojoch na magnetickú rezonanciu je potrebné vždy dbať na zaistenie bezpečnosti pacienta a všetkých osôb pracujúcich v oblasti MR. Vypnite všetky magnetické predmety na predmete a kohokoľvek v okolí.
- Počas náborovej fázy sa pýtajte na témy, ak nemajú v tele kov. 43. Ďalej bude musieť subjekt absolvovať magnetický bezpečnostný skríningový proces 44, aby zabezpečil, že každý kov v tele je schválený na MRI. Toto počiatočné preskúmanie môže pomôcť vylúčiť možnosť súhlasu s pacientom, ktorý môže vykonať MRI vyšetrenie.
- Ďalej, ak sa v tele testovaného subjektu nachádza nejaký kov kompatibilný s MR, zabezpečte, aby sa tento kov nenachádzal v blízkosti požadovaného tkaniva. Je to preto, že kov vytvára artefakty skreslenia obrazu, ktoré sťažujú, ba dokonca znemožňujú analýzu.
2. Získanie súhlasu po informovaní
- Stretnutie s predmetom získate písomný informovaný súhlas. Na tomto stretnutí sa dozviete všetky podrobnosti štúdie, napríklad: počet návštev, čas strávený jednou návštevou, aké sú požiadavky na presunutie predmetu z hľadiska obmedzení a/alebo jedla, čo je predmetom a čo sa počas návštevy nemá robiť (napríklad spánok) a všetky ďalšie špeciálne funkcie. Túto reláciu použite na naplánovanie návštev skenovania, pretože je zvyčajne jednoduchšie naplánovať ich osobne ako viac e-mailov.
3. Postup pred návštevou
- Poznámky k predmetu
- Počas 24 hodín pred príchodom na štúdiu nechajte pacientka upustiť od alkoholu, kofeínu, liekov alebo akéhokoľvek namáhavého cvičenia alebo aktivity.
- Zadajte predmet rýchlo a zabráňte kalorickému príjmu počas 8 hodín pred príchodom na skúšku. Subjekty môžu piť vodu.
- Kontaktovanie dobrovoľníka
- Pripomeňte dobrovoľníkovi inštrukcie deň pred začatím ich 24-hodinovej prípravy. Slúži ako pripomienka skenovania a tiež pomáha zabezpečiť, aby si subjekt pamätal svoje obmedzenia (t. J. Nejedenie, cvičenie, alkohol atď.).
4. Postup v deň štúdia - na MRI
5. Postup v deň štúdia - pre PET-CT
- Ukladajte reálne a imaginárne obrázky MR na off-line spracovanie. Signál meraný pomocou MRI je vektorová veličina vo veľkosti aj v smere, ktorú je možné reprezentovať ako komplexné číslo so skutočnou a imaginárnou časťou. V klinickom prostredí sa obvykle zobrazuje množstvo obrázkov. Na spracovanie sú však potrebné komplexné informácie na obrázkoch tuku a vody.
- Vykonajte trojrozmernú separáciu vody a tukov a odhad R 2 * na základe viacúrovňového algoritmu optimalizácie full-frame 45 implementovaného v C ++ pre jednotlivé vrstvy vrstiev. Tuk je modelovaný s 9 špičkami až do> 46.
- Zlikvidujte prvú ozvenu každého sledu 4-ozveny, aby ste predišli kontaminácii vírivých prúdov v komplexnom signálnom modeli voda-tuk.
- Načítajte údaje CT DICOM do MATLABu a prevádzajte ich na jednotky Hounsfield (HU) pomocou hodnoty zmeny mierky dodanej skenerom na údajových hodnotách.
- Načítajte údaje PET DICOM do MATLABu a prevádzajte ich na štandardizované hodnoty príjmu (SUV) pomocou nasledujúceho vzorca:
kde „hodnota pixelu“ je uložená hodnota v súbore DICOM pre dané umiestnenie pixelu.
POZNÁMKA: Aktivita stopovacieho prvku PET je celková dávka rádionuklidu a je možné ju načítať z metadát obrázka (hlavičkový súbor DICOM).
.jpg "/> - Interpolujte údaje PET, aby mali rovnaké rozmery ako údaje CT.
- Pretože obrázky PET a CT sa získavajú s rovnakou hrúbkou rezu, vykonajte interpoláciu pomocou dvojrozmernej spline funkcie v rovine XY.
Vyžaduje sa predplatné. Odporučte prosím JoVE svojmu knihovníkovi.
Reprezentatívne výsledky
Získanie skenov MRI a PET-CT na rovnakom subjekte a vykonanie spoločnej registrácie všetkých skenov umožňuje spoľahlivé meranie kvantitatívnych metrík MRI BAT. ilustrácia 1 ukazuje nespracované teplé (TN) a studené (CA) PET-CT a MRI snímky subjektu. Získaním údajov TN a CA PET-CT je možné zreteľne odlíšiť studené aktivované BAT depoty zvýšeným vychytávaním 18 F-FDG. Po spoločnej registrácii všetkých štyroch vzoriek (Obrázok 2 a 3), je možné vygenerovať BAT masku špecifickú pre danú tému pomocou kritérií odvodených z PET-CT obrázkov, ako je to v Obrázok 4 vidieť. Túto masku možno potom použiť so štyrmi spoločne zaregistrovanými skenmi na získanie metrík obrázkov v depách BVT. Reprezentatívne hodnoty témy sú v stôl 1 zobrazené.
| Zobrazovacia metóda | Hodnota: |
| Priemer ± 95% IS | |
| Thermo CT [HU] | -68,62 ± 9,35 |
| Aktívne CT za studena [HU] | -55,04 ± 7,72 |
| Thermo PET [SUV] | 0,52 ± 0,05 |
| Aktívny PET za studena [SUV] | 7,15 ± 1,16 |
| Termo FSF [%] | 41,62 ± 5,04 |
| Aktívny FSF za studena [%] | 47,76 ± 5,15 |
| Thermo R2 * [1/s] | 128,22 ± 19,48 |
| Aktívny za studena R2 * [1/s] | 101,27 ± 24,92 |
Tabuľka 1 Numerické hodnoty (stredný 95% interval spoľahlivosti) z dvoch studených aktivovaných a termálnych snímok pre subjekt.
| parameter | odporúčanie | |||
| všeobecne | Typ sekvencie | Multi-Echo Fast Field Echo (MFFE) | ||
| RF vysielacia cievka | Kvadratúrne telo | |||
| Prijímacia cievka | Trup SENSE-XL | |||
| Celkové trvanie skúšky (min: s) | 00,25 (na stanicu) | |||
| geometria | Viacnásobné odoslanie | Áno | ||
| Anatomická rovina | Kríž | |||
| Počet plátkov | 20 | |||
| Hrúbka vrstvy (mm) | 7.5 | |||
| Vzdialenosť medzivrstvy (mm) | 0 | |||
| Získaná matica | 260 x 204 | |||
| Rekonštrukčná matica | 288 | |||
| Zorné pole (mm) | 520 x 408 | |||
| Rekonštruovaná veľkosť voxelu (mm) | 1,81 x 1,82 x 7,5 | |||
| ZMYSEL | Áno | |||
| P redukcia (AP) | 3 | |||
| Poradie skenovania disku | Stúpanie | |||
| Smer preloženia | Vpred dozadu- | |||
| Smer prepínania tuku | Vľavo | |||
| kontrast | Režim skenovania | Viacvrstvové- | ||
| Opakovanie (ms) | 83 | |||
| Ozveny | 4 | |||
| Prekladaný MFFE | Áno | |||
| Prekladané číslo | 2 | |||
| Echo time (first) (ms) | 1,023 | |||
| Časový interval ozveny (ms) | 1,559 | |||
| Efektívny čas vnorenej echa (ms) | 0,7793 | |||
| Uhol výkyvu budenia (°) | 12 | |||
| RF podložka | Adaptívne | |||
| Získavanie signálu | Paralelné zobrazovanie | SENSE faktor = 3 | ||
| Čiastočný Fourier- | Žiadne | |||
| Šírka pásma/pixel (Hz/pixel) | 1346,1 | |||
Tabuľka 2. Parametre použité na získanie MRI tuk-voda (FWMRI).
| parameter | odporúčanie |
| Režim akvizície | Špirálovitý |
| Priemer zberu údajov (mm) | 500 |
| Priemer rekonštrukcie (mm) | 700 |
| Expozičný čas (sekundy) | 873 |
| Konvolučné jadro | predvolené |
| Čas rotácie (s) | 0,8 |
| Šírka jednej kolimácie (mm) | 1.25 |
| Faktor špirálovej výšky tónu | 1,675 |
| Zorné pole - CT | 512 x 512 |
| Zorné pole - PET | 128 x 128 |
| Hrúbka vrstvy (mm) | 3.75 |
| Rekonštruovaná veľkosť voxelov (mm) - CT | 1,37 x 1,37 x 3,75 |
| Zrekonštruovaná veľkosť voxelu (mm) - PET | 5,47 x 5,47 x 3,75 |
| Celkový počet rezov | 299-335 |
Tabuľka 3. Parametre použité na zobrazovanie PET-CT.
Vyžaduje sa predplatné. Odporučte prosím JoVE svojmu knihovníkovi.
Diskusia
Jednou z nevýhod tohto výskumného protokolu je prístup „univerzálnej pre všetkých“ k zahrievaniu aj chladeniu priehradiek. Budúcim prácam by prospelo použitie individualizovanejšieho prístupu na maximalizáciu termogenézy bez chladu, a teda maximalizáciu aktivácie BAT pre každý subjekt. Navyše, zahriatie subjektu na tepelné podmienky by mohlo mať prospech z použitia špecifickej teploty subjektu, aby sa zabezpečilo, že BAT už nebude v aktívnom individualizovanom stave. Výhoda použitia jednotlivých chladiacich protokolov bola zdôraznená v nedávnej publikácii van der Lans et al. 52 a predstavuje hlavnú potenciálnu zmenu na zlepšenie tohto protokolu. Ďalej v tomto protokole chýba, že u dobrovoľníčok nedošlo k žiadnym pokusom o stanovenie stavu menštruačného cyklu. To by sa dalo ľahko napraviť pre budúce štúdie.
Vyžaduje sa predplatné. Odporučte prosím JoVE svojmu knihovníkovi.