Einfluss einer Phasen-basierten Methode zum Respiratory Gating auf die PET-Quantifizierung bei Patienten mit Lungenkarzinom

Abstract

Ziel: Die PET/CT hat sich in den vergangenen 15 Jahren im klinischen Alltag als hilfreiches diagnostisch-bildgebendes Verfahren bewährt und enorm an Bedeutung gewonnen. Es bestehen jedoch Herausforderungen, die es für die Weiterentwicklung der Methode zu berücksichtigen gilt. Hierzu ist die Atmung des Patienten zu zählen, die zu unvermeidlichen vor allem thorakalen Organbewegungen führt und die während der PET-Akquisition eine negative Beeinträchtigung der Bildqualität zur Folge haben kann. Davon betroffen sind vor allem Patienten mit Pathologien im Bereich des Thorax - allen voran das Lungenkarzinom. Da die lange PET-Akquisitionszeit eine Atemanhalte- Technik verbietet, wurde das Atemgating Gegenstand zahlreicher Studien und als bessere Alternative zunehmend vorgeschlagen. Das Phasengating ist eine Atemgating- Methode, durch die diese Problematik angegangen werden kann. Diese Arbeit befasst sich mit der Frage, inwieweit das Phasengating einen Einfluss auf die PET/CT-Quantifizierung bei Patienten mit Lungenkarzinom hat. Diese Fragestellung wird in Abhängigkeit von der Lokalisation (Oberlappen, Unterlappen) und dem Schweregrad der Lungenfunktionseinschränkung analysiert. Methode: Insgesamt nahmen 43 Patienten an der retrospektiven Studie teil. Sie hatten sich im Vorfeld einer atemgetriggerten PET/CT-Untersuchung unterzogen. Die aufgenommenen PET-Datensätze wurden zum einen unter Anwendung der Phasengating-Methode in sechs Zeitintervalle gegliedert, anhand derer wiederum entsprechend des jeweiligen Intervalls sechs Schnittbilder rekonstruiert wurden. Zum anderen erfolgte eine Rekonstruktion ohne Berücksichtigung des Atemsignals (3DPET/ CT). Diese beiden Datensätze dienten als Grundlage für die vergleichende Bewertung der 3D-PET/CT und der Phasengating-PET/CT. Unter Zuhilfenahme der manuell gelegten VOI wurden der maximale und der mittlere „standardised uptake value“ (SUVmax und mSUV70) bestimmt. Das Tumorvolumen wurde über einen semiautomatischen, kontrastorientierten Algorithmus berechnet, der an der hiesigen Klinik für Nuklearmedizin entwickelt worden war (SCHAEFER et al., 2008). Zunächst erfolgte eine allgemeine vergleichende Analyse der Parameter. In einem weiteren Schritt wurden bei der Bewertung der einzelnen Parameter die Lokalisation des Karzinoms (Oberlappen, Unterlappen) und die Lungenfunktion der Patienten berücksichtigt. Ergebnisse: Der SUVmax, der mSUV70 und das Volumen der Phasengating-PET/CT und der 3D-PET/CT verhielten sich jeweils statistisch signifikant verschieden (Wilcoxon- Test, jeweils p <0,001). Die SUV-Werte des Phasengating-PET/CT lagen über denen der 3D-PET/CT. Die prozentualen Änderungen betrugen 10,20 ±11,58% für den SUVmax und 9,03 ±12,12% für den mSUV70 (Mittelwert ±Standardabweichung). Bei den bestimmten Volumina verhielt es sich ähnlich. Die 3D-PET/CT überschätzte die Tumorvolumina bei fast allen Patienten. Hier lag die prozentuale Änderung bei -9,79 ±15,36%. Im nächsten Schritt wurde der Einfluss der Tumorlokalisation berücksichtigt. Die prozentualen Änderungen zwischen der 3D-PET/CT und der Phasengating-PET/CT waren im Unterlappen mehrheitlich (SUVmax: 13,31 ±15,16%; mSUV70: 13,04 ±15,40%; Volumen: -10,74 ±19,57%) ausgeprägter als im Oberlappen (SUVmax: 7,80 ±6,73%; mSUV70: 5,70 ±7,29%; Volumen: -9,00 ±11,16%). Der Unterschied war jedoch nicht statistisch signifikant (Wilcoxon-Test, SUVmax: p= 0,191; mSUV70: p= 0,086; Volumen: p= 0,332). Darauffolgend wurde die Rolle des Schweregrades der Lungenfunktionseinschränkung der Patienten analysiert. Bei Patienten mit einer eingeschränkten Lungenfunktion (SUVmax: 8,78 ±8,80%; mSUV70: 8,39 ±8,51%; Volumen: -11,83 ±14,15%) lagen die prozentualen Änderungen der jeweiligen Parameter etwas unter denen von Patienten mit einer physiologischen Lungenfunktion (SUVmax: 9,32 ±11,55%; mSUV70: 8,07 ±10,74%; Volumen: -8,86 ±18,35%). Der dargestellte Unterschied wies ebenfalls keine statistische Signifikanz auf (Wilcoxon-Test, SUVmax: p= 0,534; mSUV70: p= 0,213; Volumen: p= 0,328). Schlussfolgerung: Die vorliegende Arbeit belegt bei Patienten mit Lungenkarzinom den signifikanten gewinnbringenden Einfluss des Phasengatings auf die PETQuantifizierung. Dabei spielen sowohl die Lokalisation des Tumors als auch der Schweregrad der Lungenfunktionseinschränkung eine wichtige Rolle. Das Phasengating leistet für dieses Patientenkollektiv demnach einen entscheidenden Beitrag zur weiteren Optimierung der PET/CT.

Aim: Over the past 15 years, PET/CT has proven to be a helpful diagnostic imaging procedure in clinical practice and has gained enormously in importance. However, there are challenges that need to be overcome by further developments. These include the patient's breathing, which leads to unavoidable, above all thoracic organ movements, resulting in an impairment of image quality during PET acquisition. Patients with pathologies in the thoracic region - especially lung carcinoma - are particularly affected. Since the long PET acquisition time prohibits a breath holding technique, respiratory gating has been the subject of numerous studies and has increasingly been proposed as a better alternative. Phase gating one of those respiratory gating methods that can be used to address this problem. This study analyzes the question to what extent phase gating has an influence on PET/CT quantification in patients with lung cancer. This question is analyzed depending on the localization (upper lobe, lower lobe) and the severity of the lung function restriction. Methods: A total of 43 patients participated in this retrospective study. They had previously undergone a breath-triggered PET/CT examination. The recorded PET data sets were divided into six time intervals using the phase gating method, on the basis of which six sectional images were reconstructed according to their respective interval. Additionally, a reconstruction without consideration of the breath signal (3D-PET/CT) was performed. These two data sets served as the basis for the comparative evaluation of the 3D PET/CT and the phase gating PET/CT. The maximum and the mean standardized uptake value (SUVmax and mSUV70) were determined with the aid of the manually applied VOI. The tumor volume was calculated using a semi-automatic, contrast-oriented algorithm developed at the Department of Nuclear Medicine (Schaefer et al., 2008). First, a general comparative analysis of the parameters was conducted. Second, the localization of the carcinoma (upper lobe, lower lobe) and the lung function of the patients were considered in the evaluation of the individual parameters. Results: The SUVmax, mSUV70, and volume of phase gating PET/CT and 3D PET/CT were statistically significantly different (Wilcoxon test, each p <0.001). The SUV of the phase gating PET/CT were higher than those of the 3D PET/CT. The percentage changes were 10.20 ±11.58% for the SUVmax and 9.03 ±12.12% for the mSUV70 (arithmetic average ±standard deviation). The determined volumes provided similar observations. 3D-PET/CT overestimated tumor volumes of almost all patients. Here the percentage change was -9.79 ±15.36%. In the next step, the influence of tumor localization was considered. The percentage changes between 3D PET/CT and phase gating PET/CT were mostly more pronounced in the lower lobe (SUVmax: 13.31 ±15.16%; mSUV70: 13.04 ±15.40%; volume: -10.74 ±19.57%) than in the upper lobe (SUVmax: 7.80 ±6.73%; mSUV70: 5.70 ±7.29%; volume: -9.00 ±11.16%). However, the difference was not statistically significant (Wilcoxon test, SUVmax: p= 0.191; mSUV70: p= 0.086; volume: p= 0.332). Subsequently, the role of the severity of lung function impairment in patients was analyzed. In patients with impaired lung function (SUVmax: 8.78 ±8.80%; mSUV70: 8.39 ±8.51%; volume: -11.83 ±14.15%) the percentage changes of the respective parameters were slightly below those of patients with physiological lung function (SUVmax: 9.32 ±11.55%; mSUV70: 8.07 ±10.74%; volume: -8.86 ±18.35%). The difference also showed no statistical significance (Wilcoxon test, SUVmax: p= 0.534; mSUV70: p= 0.213; volume: p= 0.328). Conclusion: The present study demonstrates the significant profitable influence of phase gating on PET quantification. Both the localization of the tumor and the severity of the lung function restriction play an important role. Thus, phase gating makes a decisive contribution to the further optimization of PET/CT.