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使用[18F]氟脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（FDG-PET/CT）定量评估动脉粥样硬化斑块活性与血管炎症

DOI：

10.3791/3777

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2012年5月2日

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1Division of Cardiovascular Medicine, University of Pennsylvania, Perelman School of Medicine, 2Department of Radiology, University of Pennsylvania, Perelman School of Medicine, 3Department of Dermatology, University of Pennsylvania, Perelman School of Medicine

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

迫切需要无创地识别动脉粥样硬化，本文展示了如何利用FDG-PET/CT来检测和量化动脉粥样硬化斑块的活性及血管炎症。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

动脉粥样硬化的传统无创成像方式，如冠状动脉钙化（CAC）1和颈动脉内膜中层厚度（C-IMT）2，可提供有关疾病负荷的信息。然而，尽管CAC3-5和C-IMT2,6已有多项验证研究，这些成像方式并不能准确评估斑块特征7,8，而斑块的组成成分及其炎症状态决定了其稳定性，从而影响临床事件的风险9-13。

利用正电子发射断层扫描（PET）/计算机断层扫描（CT）进行 [18F]-2-氟-2-脱氧-D-葡萄糖（FDG）成像已在肿瘤代谢研究中得到广泛探讨14,15。采用动物模型及人类免疫组织化学的研究表明，FDG-PET/CT 对检测巨噬细胞活性具有极高的敏感性16，而巨噬细胞活性是血管壁细胞炎症的重要来源。最近，我们17,18 及其他研究者已证实，FDG-PET/CT 能够对大中型动脉粥样硬化斑块的炎症活性进行高度精确且新颖的测量9,16,19,20。与其他影像学方法相比，FDG-PET/CT 研究具有诸多优势：1）高对比度分辨率；2）可对斑块体积和代谢活性进行定量，从而实现多模态动脉粥样硬化斑块定量分析；3）具备动态、实时的体内成像能力；4）操作者依赖性极低。最后，FDG-PET/CT 检测到的血管炎症已被证明可独立于传统危险因素预测心血管（CV）事件21,22，并且与动脉粥样硬化的总体负担密切相关23。FDG-PET/CT 所测得的斑块活性会受到已知有益的心血管干预措施的影响，例如短期（12 周）他汀类药物治疗24 以及长期（16 个月）治疗性生活方式改变25。

目前，量化动脉粥样硬化斑块中氟脱氧葡萄糖（FDG）摄取的方法涉及测量目标动脉和静脉血池的标准摄取值（SUV），以计算靶/本底比值（TBR），该比值通过将动脉SUV除以静脉血池SUV获得。该方法已被证明在时间上具有稳定且可重复的表型，对血管炎症的检测具有高敏感性，并且具有良好的观察者间和观察者内可靠性26。本文介绍了我们在患者准备、图像采集以及使用SUV、TBR和一种称为代谢容积乘积（MVP）的全局参数对动脉粥样硬化斑块活性和血管炎症进行定量分析的方法。这些方法可用于以一致的方式评估各种研究样本中的血管炎症，我们已在多项前期研究中展示了其应用9,20,27,28。

方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 患者准备与图像获取

  1. 在 PET/CT 扫描仪上至少预约一小时的成像时间，最好选择具备飞行时间（time-of-flight）功能的设备，以提高图像质量。在我们机构，使用的是 Gemini TF 扫描仪，这是飞利浦医疗系统公司最新的 PET/CT 系统，结合了基于 LYSO 探测器的 PET 扫描仪与 16 层 Brilliance CT 系统。
  2. 要求受试者在进行 FDG-PET/CT 扫描前禁食 8 小时。通过指尖采血检测空腹血清葡萄糖（FSG）水平，确保在注射 FDG 前血清葡萄糖 < 200 mg/dL。这可确保体内葡萄糖不会与 FDG 竞争。
  3. 若 FSG < 200 mg/dL，则应建立不小于 20 号的静脉通路（IV），用于静脉注射放射性示踪剂（FDG）。FDG 的注射剂量约为 5.2 MBq/kg。
  4. 静脉注射 FDG 后约 60 分钟，对全身进行低剂量 CT 成像。随后从颅顶至足部采集 PET 发射图像。对于第 1.1) 条中列出的特定 PET/CT 系统，图像重建通常采用列表模式的最大似然期望最大化（ML-EM）算法，包含 33 个有序子集和 3 次迭代，系统模型中包含飞行时间信息以及归一化、衰减、随机事件和散射校正。低剂量 CT 图像经重新缩放后，自动用于 PET 图像的衰减校正，与仅使用 PET 设备时依赖外部放射源进行衰减校正的方法相比，可缩短检查时间并提高图像质量。

2. PET 图像定性评估

  1. 结合使用低剂量非增强CT图像进行衰减校正与非衰减校正的轴向、矢状和冠状PET重建图像，以精确定义感兴趣血管结构的空间范围，并准确定位PET图像上显示的放射性示踪剂摄取增高区域的解剖位置。

3. PET 图像定量评估

  1. 在对图像进行定性评估后，确定分界以将主动脉划分为以下节段：升主动脉、主动脉弓、降胸主动脉、肾上腹主动脉和肾下腹主动脉。为简化起见，主动脉弓可定义为在横断图像上从头侧向尾侧移动时呈现为连续节段的胸主动脉部分，此时升主动脉和降主动脉部分在图像上不相连。腹腔干动脉的起始部可作为降胸主动脉与腹主动脉之间的解剖标志，而肾动脉则作为腹主动脉肾上段与肾下段之间的解剖标志。
  2. 通过在配准后的横断面 PET/CT 图像上感兴趣动脉所经过的层面围绕每条目标动脉放置感兴趣区域（ROI），测量腿部和颈部动脉的氟脱氧葡萄糖（FDG）摄取（作为动脉炎症的指标）。对于主动脉，从最上方的主动脉层面开始，仔细绘制每个 ROI，使其包含该层面全部的 FDG 摄取区域，同时避免包含周围其他具有较高放射性示踪剂摄取的组织（图1）。此图像取自我们关于衰老与动脉粥样硬化研究中的一位患者20。
  3. 接下来，使用专用的 PET/CT 图像分析软件计算每层的标准化摄取值（SUV）[本机构采用 Extended Brilliance Workstation，Philips Healthcare，Bothell，WA]，测量每个 ROI 的最大和平均标准化摄取值（SUV）（图2）。此图像取自我们关于衰老与动脉粥样硬化研究中的一位患者20。
  4. 对穿过目标动脉的 PET 扫描层面，以固定间隔（例如每 5–20 mm）重复此操作。由于个体体型和解剖结构的差异，不同受试者所需的层面总数会有所不同。
  5. 在腹部定位下腔静脉（IVC），确保至少可观察到 6–8 个连续层面。在每个横断层面围绕 IVC 放置 ROI，获得至少 8 个静脉平均 SUV 测量值，用于后续描述的组织与背景比值（TBR）计算。

4. 成像结果计算

  1. 对所有穿过目标动脉（如颈动脉）或动脉节段（如升主动脉、主动脉弓、降胸主动脉、肾上腹主动脉、肾下腹主动脉）的切片，取其平均动脉切片SUV（使用平均值和最大值），以生成每个目标动脉或动脉节段的平均SUV和最大SUV测量值。这些参数作为评估目标动脉或动脉节段内动脉粥样硬化平均负荷的一项结局指标。记录从各切片测量中获得的SUV标准差，用于统计分析。
  2. 接下来，将目标动脉或动脉节段的平均SUV除以步骤3.4中获得的静脉平均SUV，以进行归一化处理。所得结果为动脉或动脉节段的靶本比（TBR）值，作为评估动脉粥样硬化斑块活性的另一项结局指标。
  3. 最后，为了了解目标动脉或动脉节段内动脉粥样硬化疾病的总体负荷，将每一动脉切片ROI所得的平均SUV乘以该切片ROI的体积（通过将ROI面积乘以切片厚度计算），并对所有穿过目标动脉或动脉节段的切片求和。由此得到动脉或动脉节段的平均代谢-容积乘积（MVP），作为评估斑块活性与负荷的第三项结局指标。需注意的是，血管目标区域内无代谢活性的区域对MVP的贡献极小，因此该参数仍可有效反映活性斑块的情况。
  4. 若将4.3中列出的各主动脉切片平均MVP在所有穿过主动脉的切片上进行求和，则所得结果为主动脉的全身炎症负荷（GIB），作为评估主动脉内动脉粥样硬化斑块活性及动脉粥样硬化程度的第四项结局指标。

在一项关于银屑病的持续研究中18，来自单个患者的这四项结局指标的示例数值如表1所示。

5. 代表性结果

下表展示了在一名银屑病患者中通过氟脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（FDG-PET/CT）检测动脉粥样硬化斑块活性和血管炎症的各种结果评估方法。

动脉节段（切片数量）SUVmean（标准差）TBR（标准差）MVP（标准差）GIB（标准差）
升主动脉（n=8）1.43 (0.24)1.31 (0.18)5.68 (3.08)53.99 (19.50)
主动脉弓（n=5）1.38 (0.25)1.30 (0.22)8.88 (4.94)59.85 (18.66)
降胸主动脉（n=20）1.42 (0.20)1.29 (0.19)3.11 (0.98)125.66 (53.11)
腹主动脉肾上段（n=29）1.40 (0.19)1.26 (0.17)2.37 (0.66)50.75 (17.64)
腹主动脉肾下段（n=26）1.38 (0.21)1.20 (0.16)1.72 (0.54)45.80 (10.86)

核医学成像扫描结果，诊断放射学，灰度图像，多位患者视图
图 1. PET 图像。本研究中一位参与衰老与动脉粥样硬化研究的患者所获得的初始 PET 重建图像的一系列代表性结果20，显示了氟脱氧葡萄糖（FDG）在以下部位的摄取：A）髂动脉和股动脉；B）腘动脉；C）腹主动脉；D）主动脉弓。

PET 扫描图像；SUV 分析，包含最大值、平均值、总和数据。身体部位，肿瘤学研究。
图 2. 感兴趣区域（ROI）的放置。 显示的是本研究中一位受试者胸主动脉降支近端水平的横断面融合 FDG-PET/CT 图像，该研究涉及衰老与动脉粥样硬化20。ROI 被放置于胸主动脉降支周围，软件将计算 ROI 的平均 SUV、最大 SUV 及面积（mm2）。此为通过该主动脉节段的一个切片数据，该技术随后重复应用于所有穿过主动脉各节段的切片。

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讨论

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本文所述方法操作简便，可提供有关临床重要动脉床中动脉粥样硬化斑块活性和血管炎症的有用信息。该分析方法有几个重要特点需要强调：1）我们使用一台高质量的PET/CT扫描仪，配备16排探测器，并具备飞行时间（time of flight）功能；2）我们采用两名经验丰富的观察者进行测量，且观察者对临床信息设盲，以确保定量数据的一致性；3）我们同时描述了四种具有信息量的定量结果。我们建议至少测量动脉平均SUV和静脉血平均SUV，以便计算TBR。我们认为，MVP作为一种新型定量参数，也将成为评估动脉粥样硬化斑块活性和血管炎症的重要指标，因为它通过整合结构和分子测量实现了对疾病负荷的全局量化。SUV和TBR无法反映动脉粥样硬化血管疾病中观察到的结构变化，而MVP可以。此外，MVP允许对感兴趣血管获取的多个测量值进行汇总，用于整体评估。

鉴于PET/CT具有高灵敏度、高对比分辨率、定量特性以及能够提供代谢与解剖信息的结合，它非常适用于评估针对这些结局进行治疗干预的短期和长期效果。未来的研究应进一步探讨除他汀类治疗外，标准及新型治疗方法对PET/CT所测得的血管炎症的影响，以及对其他与过量动脉粥样硬...

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致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

NNM 受美国银屑病基金会资助，资助编号为 NHLBI 5K23HL97151-3 和 HL111293。JMG 受 NHLBI R01 HL089744 和 R01 HL111293 资助。

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参考文献

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