Resumen
Antecedentes
La imagen de ventilación de tomografía computarizada (CT) (CTVI) es una técnica de imagen de ventilación emergente. Las implementaciones de CTVI se han validado ampliamente contra las técnicas alternativas de imágenes de ventilación, pero se han limitado solo a la investigación clínica. El primer producto comercial CTVI, CT LVAS (4dmedical, Melbourne, Australia), se lanzó recientemente permitiendo su uso en la práctica clínica. Este estudio compara cuantitativamente las imágenes de ventilación de los LVA CT y los algoritmos CTVI de investigación previamente validados con la ventilación de PET de Galligas.
Métodos
Se tomaron 16 pacientes con PET de Galligas y imágenes de TC de inhalación/exhalación de un conjunto de datos disponible públicamente en el archivo de imágenes de cáncer. Las imágenes de ventilación se produjeron utilizando LVA CT y dos algoritmos publicados previamente: (1) utilizando la diferencia de la unidad Hounsfield (CTVI_HU); y (2) utilizando el determinante jacobiano (CTVI_JAC). Las imágenes de CTVI se compararon con la PET estándar de referencia Galligas utilizando el análisis Bland-Altman de la ventilación lobar, la correlación de Spearman con vóxel y el coeficiente de similitud de dados (DSC) de regiones de interés que representan el 85% superior y el 15% de la función de ventilación.
Resultados
El análisis Bland-Altman mostró un sesgo general de <0.01% para todos los métodos CTVI (intervalo de confianza del 95%: ± 7.4% para LVA CT, ± 9.1% para CTVI_HU, ± 7.9% para CTVI_JAC). La correlación media de Spearman entre CTVI y Galligas PET fue 0.61 ± 0.14 (P <0.01) para LVA CT, 0.68 ± 0.10 (P <0.01) para CTVI_HU y 0.57 ± 0.15 (P <0.01) para CTVI_JAC. El DSC medio para el 85% superior fue 0.91 ± 0.03 para LVA CT, 0.92 ± 0.02 para CTVI_HU y 0.91 ± 0.03 para CTVI_JAC, con el DSC para CTVI_HU significativamente más alto que los otros dos métodos CTVI. El DSC para el 15% superior fue de 0.47 ± 0.17 para LVA CT, 0.53 ± 0.16 para CTVI_HU y 0.47 ± 0.18 para CTVI_JAC.
Conclusiones
En una comparación con las imágenes de ventilación de mascotas de Galligas, CT LVAS funciona de manera similar a los métodos CTVI anteriores. El análisis Bland-Altman para la cuantificación de la ventilación lobar demuestra un sesgo insignificante. Las correlaciones medias de Spearman en vóxel son moderadas a buenas. DSC de regiones pulmonares umbrales funcionalmente es similar para todos los métodos CTVI. Estos resultados justifican una mayor investigación de los LVA CT como una herramienta de imagen de ventilación fácilmente disponible en caracterización de la enfermedad, evaluación de salud pulmonar y planificación del tratamiento quirúrgico y dirigido.
Registro de prueba
Número de registro de los ensayos clínicos de Nueva Zelanda australiano (ANZCTR) ACTRN12612000775819, registrado el 23/07/2012.
Fondo
Se desarrolló una evaluación funcional en la imagen en el tórax pulmonar para superar las evaluaciones estructurales o basadas en densidad simples (1). Se han desarrollado métodos de procesamiento de imágenes computacionales que permiten rastrear una pequeña región de pulmón a través de imágenes estáticas a niveles respiratorios conocidos. La velocidad de rayos X utiliza correlación cruzada para rastrear el movimiento pulmonar a través de una serie de imágenes tomadas en el ciclo de respiración cuantificando la expansión pulmonar y se ha propuesto como una herramienta cuantitativa para ayudar o extender el diagnóstico y el manejo de la enfermedad pulmonar actual (((2, 3). El uso de la tomografía computarizada (TC) en lugar de la rayos X planos permite la investigación del cambio inducido por fase respiratoria en la relación aire/tejido en una pequeña región de pulmón a través de un cambio en la unidad de Hounsfield (HU) para esa región. Galbán et al. utilizado en exhalación de la TC de manera deformable e inhalado con diferentes umbrales en cada uno para clasificar las regiones pulmonares afectadas por la pequeña enfermedad de las vías respiratorias funcionales o el enfisema (4). La imagen de ventilación CT (CTVI) es una tecnología emergente para generar mapas tridimensionales de función pulmonar regional relacionada con la ventilación.
CTVI fue propuesto por primera vez como un concepto por Simon (4, 5). Las imágenes de CT de fases distintas del ciclo de respiración, típicamente inhalación máxima y exhalación máxima a volumen de marea normal, se registran de forma defectuosa y el movimiento de inhalación a exhalación analizado para extraer el cambio local en el volumen de aire. El desarrollo de la técnica se ha llevado a cabo en gran medida con la aplicación para ahorrar pulmón sano durante el tratamiento del cáncer de radioterapia, donde las imágenes de TC 4D son el estándar de atención de rutina (6). Sin embargo, el potencial de imágenes de funciones de alta resolución y la disponibilidad generalizada de CT proporciona la aplicación de esta técnica a imágenes de diagnóstico más amplias. Se ha demostrado que los marcadores de imágenes CTVI son predictivos de la progresión de la enfermedad en la fibrosis pulmonar idiopática (7) y enfermedad pulmonar intersticial (8) y puede proporcionar una alternativa a las técnicas de medicina nuclear para la ventilación de imágenes.
Los métodos directos de imagen de la distribución tridimensional de la ventilación en el pulmón implican imágenes de un gas inhalado. Las imágenes de ventilación de CT de emisión de positrones individuales (SPECT) se logra mediante la inhalación de nanopartículas de carbono nebulizadas marcadas con un emisor de rayos gamma como Technecium-99 M (9, 10). Los desafíos en las imágenes de ventilación SPECT incluyen el agrupamiento del radiotracer, la resolución espacial limitada y las dificultades para obtener imágenes completamente cuantitativas (11). La inhalación de gas xenón se puede usar para extraer una imagen 3D de ventilación en un sistema CT de doble energía (12), pero la disponibilidad de sistemas CT de doble energía vuelve a ser limitada. La tomografía de emisión de positrones (PET) también se puede utilizar para la imagen de ventilación que utiliza un sistema de partículas nebulizado similar radiolabelado con emisor positrón Gallium-68 (Galligas). Las imágenes de ventilación para mascotas ofrecen una mayor resolución espacial que SPECT y cierta mejora potencial en el grupo (13) pero enfrenta desafíos de un costo de capital más alto y, por lo tanto, una disponibilidad más limitada (14). Las imágenes de ventilación de resonancia magnética (MRI) se han demostrado mediante la inhalación de un gas hiperpolarizado. A pesar de las ventajas como la imagen directa del intercambio de gases a través de la difusión del gas a través de la barrera de gas en sangre, la resonancia magnética hiperpolarizada de gas requiere equipos especializados y tiene una disponibilidad extremadamente limitada. La producción de mapas de ventilación a partir de resonancia magnética de protones de respiración libre (15, 16) ha sido investigado con resultados prometedores en varios tipos de enfermedades, superando los desafíos de disponibilidad y complejidad de la resonancia magnética de gas hiperpolarizado (17, 18); Sin embargo, la adopción en la práctica clínica sigue siendo baja. La complejidad logística de las imágenes de TC sin contraste es muy baja en comparación con los métodos de gammagrafía de medicina nuclear SPECT y PET y la TC está más disponible que la resonancia magnética, por lo tanto, CTVI tiene un valor clínico considerable.
CTVI se ha comparado con estos métodos alternativos para determinar la distribución regional de la ventilación. Hegi-Johnson et al. llevó a cabo una revisión sistemática de la validación de CTVI contra otros métodos de imagen, concluyendo una correlación moderada a fuerte a nivel lobar y de pulmón completo (19). Un gran desafío internacional dirigido a través de la Asociación Americana de Físicos en Medicina validada CTVI producida por participantes contra tres modalidades diferentes de imágenes coincidentes: Spect, Galligas Pet y Xenon-CT (20). Las entradas se juzgaron utilizando correlaciones de Spearman con vóxel entre el CTVI y tres modalidades estándar de referencia, y los coeficientes de similitud de dados (DSC) para la segmentación funcional umbral del pulmón. Los autores concluyeron que se necesitaba un mayor trabajo de validación e identificación de una modalidad de imagen de ‘estándar de oro’, haciéndose eco de las conclusiones de una revisión sistemática de imágenes pulmonares funcionales para la radioterapia en 2016 (21). El desarrollo de CTVI para identificar el pulmón sano y funcional para ahorrar durante la radioterapia ha progresado con solo correlaciones moderadas en forma de vóxel entre modalidades, pero con indicaciones emergentes de utilidad. La aplicación de CTVI en los ensayos clínicos humanos prospectivos de fase II de advertencia de pulmón sano ha mostrado resultados positivos (22, 23), avanzando la técnica hacia la absorción clínica en el contexto de la radioterapia.
Las técnicas CTVI publicadas anteriormente se dividen ampliamente en dos categorías, métodos basados en jacobianos que asocian la ventilación con la expansión del pulmón derivado de un campo de vectores de deformación, y métodos basados en la unidad de Hounsfield que cuantifican el cambio de fracción de tejido de aire entre pares de imágenes registradas deformablemente, como se describe en Kipritidis et al. (24). Una implementación de estos dos métodos se ha publicado previamente en comparación con Galligas PET como un estándar de referencia. Eslick et al. (2016) (25) Comparó la ventilación lobar del método de la unidad de Hounsfield solo con Galligas PET e identificó fuertes correlaciones en la cuantificación de la función lobar. Eslick et al. (2018) (26) Usó la correlación de Spearman de Voxel-Wise para demostrar que CTVI derivado de la respiración, CT dio una mejor correspondencia a la ventilación de PET de Galligas que CTVI derivada de 4DCT, probablemente debido a artefactos de movimiento que afectan la precisión de registro deformable.
Recientemente ha lanzado recientemente un software de análisis de análisis de ventilación con ventilación CT de CT Tecnología de CT (LVAS CT) (4DMEDICAL LTD, Melbourne) aprobado recientemente por los reguladores en Australia y los EE. UU., Lo que hace que CTVI esté disponible para uso clínico. Para apoyar la traducción clínica de la nueva tecnología, este estudio evalúa los LVA CT contra un estándar de referencia de PET de Galligas y los algoritmos CTVI de investigación previamente validados. Para la transparencia y para facilitar la comparación futura se utiliza un conjunto de datos disponible públicamente. Algunas medidas para comparar los métodos CTVI con Galligas PET publicado previamente en Eslick et al. 2016 y 2018 (25, 26) se han repetido en este estudio para garantizar que los resultados sean comparables con la publicación anterior, ya que el flujo de trabajo de procesamiento de imágenes difiere ligeramente.
Métodos
Aprobación ética
Este estudio utilizó datos de un ensayo clínico registrado en el Registro de ensayos clínicos de Nueva Zelanda de Australia (ANZCTR) bajo el número de registro ACTRN12612000775819, con una fecha de registro del 23/07/2012. El ensayo clínico recibió la aprobación del Comité de Ética del Distrito de Salud local (HREC/12/169) de acuerdo con la ética …
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