使用放射性示踪剂进行人脑正电子发射断层扫描成像

摘要

来源：Jamadar, S. et. al. 人脑高时间分辨率正电子发射断层扫描的放射性示踪剂给药：FDG-fPET 应用。J. Vis. Exp. (2019)

本视频展示了使用正电子发射断层扫描（PET）定量分析大脑葡萄糖代谢的方法。在扫描过程中，受试者被注入示踪剂氟-18标记的脱氧葡萄糖（FDG）。FDG在活跃的神经元中积聚，并在氟-18衰变时释放正电子。这些正电子与电子相互作用，产生光子，由PET扫描仪探测，从而生成高分辨率的大脑活动图谱。

方案

所有涉及人类参与者的操作均按照机构、国家和国际关于人类福祉的指南进行，并已通过当地机构审查委员会的审查。

1. 所需设备与人员

1. 参见材料表中关于扫描室、放射化学实验室及通用材料的列表。放射性示踪剂由商业供应商提供。
2. 在同步进行的磁共振成像-正电子发射断层扫描（MRI-PET）环境中，需配备四名人员：一名放射技师（RG）负责运行扫描，一名核医学技术员（NMT）负责监督放射性示踪剂的给药及血液样本采集，一名实验室助理（LA）负责离心血液，以及一名研究助理（RA）负责监督实验设计和刺激呈现。

2. 准备

1. 由核医学技术人员（NMT）准备示踪剂剂量
   1. 计算在扫描期间将输注的总体积。本方案中，输注速率为0.01 mL/s，持续95分钟。因此，在95分钟的扫描中，受试者接受的总体积为0.01 mL/s × 60 s × 95 min = 57 mL。
   2. 计算将稀释到输注用生理盐水溶液中的示踪剂剂量。本方案中，受试者在95分钟内接受的总剂量为260 MBq。选择该剂量是为了将辐射暴露限制在4.9 mSv以内，符合澳大利亚辐射防护与核安全局（ARPANSA）关于人类接触电离辐射的“低风险”分类指南。将260 MBq从输注中点（47.5分钟）衰变校正回T0。使用公式1求解A₀ 其中A_t为输注中点时刻的放射性活度（MBq），A₀为初始放射性活度，λ为该示踪剂特有的放射性衰变常数。对于FDG，λ ≈ 0.693/T_1/2。T_1/2为¹⁸F的半衰期（110分钟）。
      注意：在本例中，A_t = 260 MBq，λ = 0.693/110，t = -47.5，因此A₀ = 350.942 MBq。
   3. 计算用于向受试者输注剂量的100 mL生理盐水袋所需的放射性示踪剂剂量。所需放射性示踪剂稀释至总体积5 mL，并用5 mL注射器抽取。因此，对于100 mL生理盐水袋，稀释因子为生理盐水体积（100 mL）加上含放射性示踪剂的注射器体积（5 mL）。该总体积105 mL除以输注体积57 mL（即105 mL/57 mL = 1.842）。因此，需加入100 mL盐水袋的5 mL体积中所含的总放射性活度为A₀ × 稀释因子（即350.942 MBq × 1.842 = 646.44 MBq）。无菌条件下将放射性示踪剂加入生理盐水袋。
      注意：需注意，加入生理盐水袋的计算活度646.44 MBq是输注开始时所需的活度。通常，本方案的剂量在给药前15分钟至1小时之间准备。因此，必须考虑放射性核素的衰变。可使用2.1.2节中的公式1进行校正，其中时间（t）为从剂量制备到实际给药之间的总分钟数，A_t = 646.44 MBq，通过求解A₀获得所需初始活度。
   4. 准备预冲剂量。从盐水袋中用注射器抽出20 mL并盖上帽。对该20 mL注射器进行校准并贴标签。该注射器作为参考检查，以确保放射性物质在生理盐水袋中均匀分布。
   5. 准备给药剂量。使用50 mL注射器从袋中抽出60 mL，并用红色Combi塞子封口。该注射器无需校准，因为其放射性浓度在加入生理盐水袋时（步骤2.1.3）已知。将两个注射器均存放于放射化学实验室，直至准备扫描。
      注意：尽管使用50 mL注射器，仍可抽取60 mL体积，因为Terumo注射器的刻度超出标示容量20%（即50 mL注射器刻度可达60 mL）。
   6. 准备参考剂量。用约480 mL蒸馏水填充500 mL容量瓶。将10 MBq的¹⁸F氟脱氧葡萄糖（¹⁸F-FDG）抽取入注射器中，并根据扫描开始时间进行衰变校正（使用公式1），然后加入容量瓶中。再用蒸馏水定容至500 mL刻度线，充分混匀。在注射器上贴上校准前和校准后的标签。
2. 由核医学技术人员（NMT）准备扫描室
   1. 一旦受试者进入扫描仪定位，若发生堵塞，几乎没有空间对输注管路或采血管路进行操作或补救。应提前准备扫描室，以尽量减少管路堵塞的可能性。
   2. 确保所有采血设备均位于采血点附近易于取用的位置。在导管末端及放置血液容器的任何表面铺设垫巾。在采血点附近放置普通废物和生物危害废物垃圾桶。
3. 由核医学技术人员（NMT）准备输注泵
   1. 在扫描室内，将输注泵设置在将连接受试者的一侧。在泵底部周围堆砌铅砖，并在泵前方放置铅屏蔽。连接输送输注液至受试者的输注管路，并确保已输入正确的输注速率。本方案中，速率为0.01 mL/s。
   2. 在将管路连接至受试者导管前，先进行预冲。将20 mL预冲剂量连接至输注泵。在将连接至受试者的管路末端，安装一个三通阀和一个空的20 mL注射器。确保三通阀位置允许¹⁸F-FDG溶液从预冲剂量经管路流入空注射器中收集。
   3. 预设输注泵以预冲15 mL体积。在泵上选择“预冲”按钮，并按照提示完成管路预冲。
   4. 将50 mL剂量注射器替换预冲剂量连接至输注泵。三通阀上已预冲的15 mL剂量可保留在原位，直至受试者准备连接泵。
4. 由核医学技术人员（NMT）、研究助理（RA）和放射科医师（RG）准备受试者
   1. 告知受试者在扫描前需禁食6小时，仅可饮用清水（约两杯）。
   2. 由研究助理（RA）完成知情同意程序，并收集其他测量数据（如人口统计学调查、认知测验等）。由核医学技术人员（NMT）和放射科医师（RG）进行安全筛查：NMT负责PET扫描安全审查（如排除妊娠、糖尿病、过去8周内接受化疗或放疗、已知过敏史），RG负责MRI扫描安全审查（如排除妊娠、医疗或非医疗金属植入物、不可拆除的牙科植入物、幽闭恐惧症）。
   3. 为受试者置入导管。
      1. 使用两个导管：一个用于给药，另一个用于采血。不同受试者适用的导管可能不同，但应保留最合适的静脉用于采血。建议最小规格为22 G导管。置管时采集10 mL基础血液样本。断开所有加压生理盐水冲洗装置，以维持管路通畅。
      2. 利用基础样本检测受试者的血糖水平及其他基础血液指标（如血红蛋白）。
5. 由放射科医师（RG）和核医学技术人员（NMT）在扫描仪中定位受试者
   1. 由放射科医师（RG）将受试者置于扫描仪孔内。对于长时间扫描，必须确保受试者舒适，以降低中途退出或因不适导致运动伪影的风险。应使用一次性毯子覆盖受试者，以维持舒适的体温。
   2. 由核医学技术人员（NMT）冲洗导管，确保其通畅且阻力最小，再连接输注管路。连接后，可在腕部附近轻贴胶带固定管路。指导受试者保持手臂伸直。使用泡沫垫或靠垫等支撑物提高舒适度。NMT还需检查将用于血浆样本采集的导管，确保其能以最小阻力抽出血液。必要时，可连接一段用生理盐水预冲的延长管，以便在受试者位于扫描仪内时更易操作导管。若需如此，应检查是否存在泄漏。
   3. 受试者进入扫描仪孔后，由核医学技术人员（NMT）确认其能够方便接触两个导管。
   4. 在扫描期间，若采血导管、输注导管或输注泵出现任何问题（如堵塞、电池电量、渗出等），NMT应及时通知放射科医师（RG）和研究助理（RA）。

3. 扫描受试者

1. 使用NMT、RG和RA启动扫描
   1. 扫描开始时，将NMT安置在扫描室内以监控输注设备。确保NMT佩戴听力保护装置，并在可能的情况下使用防护屏蔽，以尽量减少来自放射性药物的辐射暴露。
   2. 当RG执行定位扫描以确认受试者处于正确位置时，检查PET采集的相关参数（例如，扫描持续时间、列表模式数据采集、正确的同位素）。
   3. 设计实验方案，使PET采集与第一个MRI序列同时开始。RG准备并启动MRI序列。95分钟的PET采集起始时间与MRI序列的开始时间同步锁定。如有需要，NMT应在PET采集开始时注射示踪剂（图1）。
   4. 启动输液泵。RG应在PET采集开始后30秒通过信号（例如竖起大拇指）通知NMT启动输液泵。本方案将输液泵的启动时间设定为PET采集开始后30秒，以便在扫描失败时提供安全缓冲。这也能确保PET扫描采集的第一幅图像反映的是放射性示踪剂注射前的脑部状态，从而完整获取时间-活度曲线数据。要求NMT观察输液泵，确认¹⁸F-FDG已开始输注，且输液管路无即刻堵塞现象。
   5. 由RA在约定时间（即功能扫描/实验区块开始时）启动任何外部刺激，并计算血液采样的时间点。RA应计算每次血液采样的预计时间，并将时间表副本提供给NMT和实验助理（LA）。RA需确保NMT在大致正确的时间点采集血样，并监控设备（例如输液泵、刺激系统）是否存在任何异常迹象。

结果

图1：FDG-fPET实验流程图。 上部：研究招募前对受试者的初步筛选流程。下部：仅推注（左侧）、仅输注（中部）和推注/输注结合（右侧）三种方案的流程。每项操作的责任人员以括号标注。各部分编号对应文中描述该操作的章节。*EXCL 表示受试者可能被排除的时间点，原因包括不符合MR或PET扫描条件，或未达到研究入组标准（...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
采血设备
--12-15 真空采血管	美国新泽西州 BD 公司	364880	在需要将血液注入试管前，保持无菌包装状态
--12-15 个10 mL LH 血液采集管	Becton Dickinson	367526	用样品编号（如 S1、S2…）标记，随后标记样品采集时间（如 0 + x 分钟 [T0+x]）
--2-15 10 mL Terumo 注射器	Terumo 东京，日本	SS+10L	这些在研究当天抽取，并用盛装生理盐水的安瓿瓶盖封存
0.9%生理盐水预充式冲洗器	美国纽约辉瑞公司	61039117
--12-15 支 5 mL Terumo 注射器	Terumo 东京，日本	SS+05S	保持无菌包装直至准备采集血样时再打开
安全 & 废弃设备			扫描室内，所有物品应放置在与采血手臂同侧的塑料椅上。准备放射性药物及移取血浆样本时，应使用生物危害和非生物危害废物袋，并确保手套和废物袋易于取用。所有产生的废物均需用盖革计数器检测，以确保放射性污染废物被妥善保存，直至符合澳大利亚辐射防护与核安全机构（APRANSA）《辐射防护系列第6号》（2017年）指南要求后方可处置。
手套	西澳大利亚州维克，澳大利亚	663-219
-- 废物袋	Austar 包装，维多利亚州，澳大利亚	YIW6090
--大提琴下垫“蓝垫” 下垫 5 层	Halyard Health，新南威尔士州，澳大利亚	2765A
蓝色Sharpie记号笔	Sharpie，TN，美国	S30063
剂量注射器			使用前请保持在无菌包装内。本机构使用的所有注射器在包装上标注体积的基础上均额外具有20%的容积容量。对于50 mL注射器而言，此点尤为重要，因其实际总容量为60 mL。
5 mL	Terumo 东京，日本	SS+05S
20 mL	Terumo 东京，日本	SS+20L
50 mL	Terumo 东京，日本	SS*50LE
--1 支泰尔茂 18 号针头	Terumo 日本东京	NN+1838R	保持无菌包装状态，直至准备将[18F]FDG注入生理盐水袋中
100 mL 0.9% 生理盐水袋	Baxter Pharmaceutical，伊利诺伊州，美国	AHB1307	保持无菌包装直至准备注射 [18F]FDG
放射化学实验室用品
--Heraeus Megafuge 16 离心机；转子 Bioshield 720	ThermoScientific 公司，马萨诸塞州，美国	75004230	相对离心力 = 724 × g，我们的设置为 2000 RPM 离心 5 分钟，加速度和减速度曲线均设为 8
单井计数器	美国伊利诺伊州实验室技术公司	630-365-1000	完成每日质量控制（包括本底计数），并将协议设置为18F和4分钟。井型计数器、剂量校准器与扫描仪之间每两个月进行一次交叉校准。
--移液器	ISG Xacto，奥地利维也纳	LI10434	我们使用100-1000 μL的移液器，设定体积为1000 μL，每年校准一次。
12-15 个血浆计数管	Techno PLAS；南澳大利亚州，澳大利亚	P10316SU	与 LH 血液试管以相同方式标记
12-15 微量移液器吸头	Expell Capp，丹麦	5130140-1
--3 个试管架	通用型		使用盖革计数器检测，确保其表面无放射性污染
500 mL 容量瓶和蒸馏水	通用		需要约 500 mL 蒸馏水用于制备 γ 计数的参考样品
扫描室、控制台和放射化学实验室中的同步时钟	通用		同步检查在该机构内每周定期进行
血红蛋白监测仪	英国卡迪夫 EKF Diagnostic 公司，Haemo Control。	3000-0810-6801	在对参与者的血液样本进行检测之前，执行制造商建议的质量控制程序。
血糖仪	罗氏 Accu-Chek	6870252001	Accu-Chek Performa 用于测量受试者血液中的血糖水平，单位为 mmol/L。每天使用高浓度和低浓度溶液对照进行质量控制检测。
灌注设备			检查有效期，并培训非医疗人员（NMT）以无菌操作法进行插管准备。
调节式止血带	CBC Classic Kimetec GmBH	K5020
20、22 和 24 号套管针	Braun，美尔松根，德国	4251644-03; 4251628-03; 4251601-03
--透明敷料	3M，明尼苏达州，美国	1624W
酒精和氯己定棉片	Reynard Health Supplies，新南威尔士州，澳大利亚	RHS408
0.9% 氯化钠溶液 10 mL 安瓿瓶；用于冲洗	辉瑞，纽约，美国	61039117
10 mL 注射器	日本东京，Terumo	SS+10L
三通旋塞阀	Becton Dickinson Connecta	394600
--IV bung	Safsite Braun PA 美国	415068
--可选延长管，微径延长套件	M Devices，丹麦	IV054000
扫描室设备
西门子 Biograph 3T mMR	西门子，德国埃朗根
便携式铅防护屏蔽板	Gammasonics	定制构建	MR条件性导联屏障屏蔽装置。置于2000高斯线处，锁定脚轮，以对连接输液泵的放射性物质提供额外屏蔽。
--输液泵 BodyGuard 323 MR条件性输液泵	凯萨里亚医学电子有限公司	300-040XP	与磁共振成像兼容。该型号在铸轮锁定条件下，适用于1.5和3特斯拉扫描仪，磁场强度达2000高斯。
输液泵管路	凯撒利亚医学电子公司	100-163X2YNKS	输液管为带防虹吸阀和鲁尔锁母接头的输液装置（货号 100-163X2YNKS）。
--铅砖	定制构建		经测试具有铁磁性平移力
其他设备
注射器屏蔽罩	Biodex，纽约州，美国	定制构建	配备一个5 mL的钨制注射器屏蔽套，该屏蔽套为磁共振安全（MR-safe），以及一个50 mL的铅屏蔽套，其在用于MR-PET扫描仪前已通过铁磁性吸引力测试。该装置用于将放射性剂量从放射化学实验室运送至扫描仪，以尽量减少核医学技术人员（NMT）的辐射暴露。
盖革计数器型号26-1集成式表面污染探测器	Ludlum测量公司，德克萨斯州，美国	48-4007	该设备每年校准一次，用于监测潜在污染和废弃物。不得带入MR-PET扫描仪中。