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使用18F-FDG PET/CT对活性人类棕色脂肪组织进行全身及局部定量分析

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DOI：

10.3791/58469

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2019年4月1日

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1Diabetes, Endocrinology, and Obesity Branch, National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, National Institutes of Health, 2National Cancer Institute, National Institutes of Health, 3Division of Nuclear Medicine and Molecular Imaging, Department of Radiology, Beth Israel Deaconess Medical Center, Harvard Medical School

本文内容

摘要

利用免费的开源软件，我们开发了一种分析方法，通过18F-FDG PET/CT来定量测量棕色脂肪组织（BAT）的总体积和区域性体积及其代谢活性。

摘要

在恒温动物中，棕色脂肪组织（BAT）会被激活以产生热量，从而在寒冷刺激下维持体温。由于BAT具有消耗能量的能力，它已成为开发新型疗法以改善人类肥胖及相关代谢紊乱的潜在靶点。尽管该组织在小型动物中已被广泛研究，但由于难以测量其体积、活性和分布，BAT在人体中的产热能力仍 largely 未知。目前，通常通过冷暴露或药物激活后，采用18F-氟代脱氧葡萄糖（18F-FDG）正电子发射断层扫描与计算机断层扫描（PET/CT）相结合的方法来识别和定量活性人体BAT。本文介绍了一种详细的图像分析方法，利用开源软件对18F-FDG PET/CT扫描数据进行全身体内BAT的定量分析。我们展示了如何手动绘制用户指定的兴趣区域，以识别具有代谢活性的脂肪组织，同时排除常见的非BAT组织，进而测量BAT的体积和活性，并进一步表征其解剖分布特征。尽管这一严谨的方法较为耗时，但我们认为它将为未来自动化BAT定量算法的开发奠定基础。

引言

全球肥胖患病率不断上升1，促使人们开始探索新型治疗方法，以预防和改善肥胖及其相关并发症。肥胖部分是由于白色脂肪组织（WAT）中以甘油三酯形式储存的过量能量所致2。棕色脂肪组织（BAT）与WAT的不同之处主要在于其线粒体含量更高、脂滴更小且呈多房性、解剖分布不同、交感神经支配更丰富，以及具有产热能力。尽管过去认为BAT仅存在于小型哺乳动物和新生儿中，但2009年已证实成人人体内存在功能性BAT3,4,5。人类BAT的产热能力尚不明确，但在小型动物中的广泛研究表明，非颤抖性产热在寒冷暴露期间可占其代谢总量的高达60%6。因此，目前正将人类BAT作为治疗和预防肥胖及相关疾病的一个潜在靶点进行研究7。多项临床研究显示，BAT产热与轻度寒冷暴露激活后葡萄糖摄取增加和能量消耗升高呈正相关8,9,10。然而，BAT在寒冷诱导的产热过程中的具体贡献仍存在争议11,12,13,14，其中许多争论集中在如何准确量化人类BAT的问题上15。为了更好地理解BAT产热是否可用于对抗肥胖，准确测量其体积和代谢活性至关重要。

由于棕色脂肪组织（BAT）在人体内具有独特的解剖分布，获取其精确测量数据具有挑战性。BAT 分布于颈部、胸部和腹部的白色脂肪组织区域，这些部位难以通过常规活检进行取样14。虽然尸体解剖可用于解剖学上表征 BAT16，但对于开展大规模研究的大多数实验室而言并不可行，且无法提供纵向或功能信息。由于 BAT 的密度与白色脂肪组织（WAT）相似，并可存在于筋膜层极薄的区域或与 WAT 交错分布的小区域中16，因此难以通过单一常规成像技术进行识别。这种异质性也使得 BAT 的自动定量比对肝脏等均质结构的定量更为困难17。

为克服这些挑战，通常通过结合计算机断层扫描（CT）和正电子发射断层扫描（PET）来定量测量棕色脂肪组织（BAT）的体积和活性。18F-氟代脱氧葡萄糖（18F-FDG）是一种放射性标记的葡萄糖类似物，是研究BAT代谢活性最常用的示踪剂18。根据CT图像提供的以亨氏单位（HU）表示的密度信息，可将脂肪组织与其他组织及空气区分开来。PET图像以标准摄取值（SUV）为单位，显示特定体积组织对18F-FDG的摄取量。通过将PET图像与相应的CT扫描图像进行配准，并选择适当的SUV阈值，可将具有显著示踪剂摄取的活性BAT与示踪剂摄取可忽略不计的组织（包括白色脂肪组织WAT和非活性BAT）区分开来。

本文旨在提供一种逐步操作方法，并配以教学视频，供临床研究人员使用18F-FDG PET/CT扫描来定量分析人体棕色脂肪组织（BAT）。该影像分析技术最适合在受试者暴露于寒冷环境或接受药理学BAT刺激剂处理后使用。具体而言，我们将向用户演示如何利用一款免费的开源图像处理软件（ImageJ）及其特定插件（petctviewer.org），在尽量减少假阳性的情况下构建感兴趣区域（ROIs）。该方法所得结果可用于研究个体受试者中棕色脂肪组织的体积、活性（葡萄糖摄取）以及解剖学分布情况。

方案

本论文中展示的所有PET/CT图像均来自美国国立卫生研究院方案编号12-DK-0097（ClinicalTrials.gov标识符NCT01568671）的参与者。所有参与者均提供了书面知情同意书，且所有实验均经国家糖尿病、消化系统疾病和肾脏疾病研究所的机构审查委员会批准。

1. 软件安装

  1. 从 imagej.net 下载 ImageJ，或使用 petctviewer.org 上的链接下载 Fiji。
    注意：对于包含超过 1000 张图像的数据集，必须使用 ImageJ 的 64 位版本。
  2. 按照 petctviewer.org 上的安装说明，下载并安装 PET/CT Viewer 插件至 ImageJ。有关 PET/CT Viewer 的完整使用指南，请参考该网站，并务必定期查看软件更新信息以及通用操作指南链接（http://sourceforge.net/p/bifijiplugins/wiki/Brown%20fat%20Volume/）。

2. 加载PET/CT图像

  1. 将以下三组图像上传至 PET/CT 查看器插件：衰减校正后的 PET（CPet）、未进行衰减校正的 PET（UPet）以及衰减校正后的 CT（CT）。可通过以下两种方法之一上传图像（图 1）。
    1. 方法 1：拖放上传
      1. 从文件资源管理器中，将 CT、CPet 和 UPet 文件集拖放到插件界面。
      2. 在弹出的三个提示框中点击“是”（将“文件夹”中的所有 X 张图像作为图像栈打开），并保持提示框内的复选框未勾选状态。
      3. 当三组图像全部加载完成后，转至 ImageJ 工具栏，选择“插件”（plug-ins），在下拉菜单中向下滚动并选择“Pet-ct viewer”。
    2. 方法 2：从光盘或磁盘位置读取研究数据：
      1. 在“Setup”选项卡中为数据集指定一个位置名称。通过点击“Browse”并导航至包含所有图像集的高层级存储文件夹，来设置“DICOM 路径”。
        注：DICOM（医学数字成像与通信）是一种常用于医学图像的文件格式，“DICOM 路径”指的是包含所有原始 DICOM 图像的文件夹集合。
      2. 返回“Read”选项卡，此时可选择单个扫描数据（来自同一受试者且同一日期）以进行图像处理。
      3. 选择相应受试者，点击“Read”按钮，ImageJ 将自动上传所有三个关联图像集并启动 PET/CT 查看器。
  2. 通过点击“Brown fat, ROIs”编辑器中的“load”按钮，将先前创建的一组感兴趣区域（ROI）重新载入 PET/CT 查看器。
    注：ImageJ 仅允许加载由当前 CT、CPET 和 UPET 图像集生成的 ROI .csv 文件。

3. 使用 PET/CT 图像浏览器插件

  1. 等待PET/CT图像加载完成后，查看器将以新窗口形式出现，显示PET/CT图像的三个独立视图，可单独或融合呈现。
    1. 单击 PET/CT 查看器左上角的“MIP”按钮，可将另外两个窗口中的一个替换为融合的 PET/CT 视图。但是，如果仅单击该按钮一次，则 MIP 将不再可用。
      注：MIP（最大强度投影）是一种二维全身图像，仅显示每个轴向切片中强度最高的像素。
    2. 再次点击“MIP”按钮以恢复MIP显示；此时应可查看融合的PET/CT、CT和MIP图像。
  2. 使用 PET-CT 查看器顶部的“>>”、“F”和“S”按钮切换 MIP 图像方向。
  3. 使用放大镜左侧的三个按钮，将PET、CT及融合的PET/CT图像的方向更改为轴向、冠状或矢状面。
  4. 单击 PET-CT 图像查看器顶部工具栏上的放大镜图标，以切换鼠标滚轮的功能。
    1. 使用放大镜工具滚动以放大所有视图（最大密度投影图除外）。
    2. 未选择放大镜时，可通过滚动在所有视图（MIP除外）的切片间进行浏览。
      注意：单击最大强度投影（MIP）图像也会使正电子发射断层扫描（PET）和计算机断层扫描（CT）的切片同步切换至光标所在层面的解剖位置。
  5. 在工具栏左上角选择“编辑”，然后从出现的下拉菜单中选择“棕色脂肪，感兴趣区域”。此时将弹出一个新的对话框。在开始定量分析之前，请确保已选中以下选项：
    1. 勾选“使用SUV”和“使用CT”复选框。
    2. 选择以下三种体素包含标准之一：“任意”、“平均”或“全部”。
      注：Leitner 中使用了 “Any” 等 201719有关其他选项的详细说明，请访问 petctviewer.org。
    3. 选择“内部”以应用BAT检测算法，分析ROI区域内部（而非外部）的体素。
  6. 在此对话框的自由文本字段第一行输入用于棕色脂肪组织（BAT）的SUV限定值。
    1. 输入基于个体实测或预测的去脂体重归一化的标准摄取值（SUV）下限，以及足以容纳高代谢活性水平的上限19,20.
      注意：既往研究报道，BAT 的最大 SUV 值可高达约 75 g/mL17；因此，100 g/mL 是一个合理的上限。
  7. 在第二行的自由文本字段中输入BAT密度范围。
    注意：Leitner 中采用了 -300 HU 的下限和 -10 HU 的上限 等 201719 且先前也推荐使用 -190 至 -10 HU 的范围21.
  8. 在“Vol*mean”下方的复选框中打勾，以便在“brown fat, ROI”窗口打开时，所有被判定为BAT的体素均以蓝色高亮显示。
    注意：SUVmax 将以红色显示，此复选框旁的可调数值决定高亮显示的厚度。
  9. 绘制感兴趣区域
    1. 单击“棕色脂肪，感兴趣区域（ROI）”对话框中的“绘制”按钮。在PET/CT查看器窗口内的所有点击将被视为构成感兴趣区域的点。
      1. 在三个视图中的任意位置点击以开始绘制感兴趣区域（ROI）。
        注意：至少需要三个点才能形成一个感兴趣区域（ROI）。在第一个或第二个点之后双击，可自动删除这些点并退出ROI绘制模式。
      2. 定义两个以上点后，双击关闭并存储感兴趣区域（ROI）。
  10. 整合感兴趣区域以获取总棕色脂肪体积
    1. 在轴向平面上绘制感兴趣区域（ROI），以获取棕色脂肪组织（BAT）总体积。
      注意：每个轴向切片最多包含一个感兴趣区域（ROI）最为理想。若每个切片包含多个ROI，可能导致无意的重叠。在重叠区域中被识别为棕色脂肪组织（BAT）的体素将被重复计算，导致总BAT体积偏高。
    2. 将起始和结束的“切片限制”设置为同一层面，以确保该感兴趣区仅应用于当前的轴向切片例如 起始切片 = 90，终止切片 = 90。
    3. 圈出一处棕色脂肪组织（BAT）储存区域（例如 在左侧锁骨上区域）时，无需完成感兴趣区域（ROI）的绘制。通过从身体一侧延伸一条连接线至远处的棕色脂肪组织（BAT）区域，继续完成ROI。圈选第二个BAT储存区域，然后双击此前已标识的起始点以闭合ROI。nd 区域。根据需要调整 ROI 点，以进一步降低假阳性的可能性。
    4. 使用对话框左下角的文本框，根据解剖层面为感兴趣区域（ROI）标注标签，以便日后参考。
  11. 删除不需要的 ROI
    1. 完成之后立即移除不需要的感兴趣区域。
      1. 在 PET/CT 查看器中任意位置双击以完成不需要的感兴趣区域。
      2. 单击“棕色脂肪，感兴趣区域”对话框中带有回收站图标的按钮。
      3. 当系统提示用户是否希望移除当前感兴趣区域时，点击“yes”。
    2. 删除先前创建的 ROI。
      1. 使用 ROI 编号旁边的上或下箭头选择所需的 ROI。
      2. 点击回收按钮。
        注意：一旦删除某个感兴趣区域（ROI），所有编号大于被删除 ROI 的感兴趣区域将依次自动递减例如 如果删除了ROI #2，则ROI #3将变为#2，ROI #4将变为#3，依此类推。标记的ROI可使此过程更加简便。
  12. 保存感兴趣区域
    1. 点击“保存”按钮，并提供文件名，以将完成的 ROI 保存为 .csv 文件。
      注意：建议每10个切片保存一次感兴趣区域（ROI），以避免进度丢失。.csv 文件可在文本编辑器或电子表格程序中打开，包含每个 ROI 中所识别的棕色脂肪组织（BAT）的所有相关数据，包括体积、活性、SUVmean， 等等。 在电子表格程序中更改数值可能会改变文件格式，导致 ImageJ 无法读取。

4. 全身棕色脂肪组织的定量分析

  1. 使用以下通用指南识别全身各区域的棕色脂肪组织（BAT）。
    1. 避免选择与邻近组织密度或活性对比过高的区域，微小的配准误差可能导致假阳性结果。
      注意：请记住，BAT 脂肪库通常具有对称性，这一特性有助于通过影像识别 BAT。
  2. 利用独特的解剖标志（如椎体形态、其他骨性结构以及器官的存在）来确定当前解剖区域。避免可能产生假阳性的区域特异性结构。
    1. 识别颈区（C3–C7 椎体）的 BAT。
      1. 导航至第三颈椎（C3）的轴向切面。
        注意：C1–C2 区域也可能含有 BAT，但由于脑组织和骨骼肌对 FDG 摄取较高，可能干扰 BAT 的检测。
      2. 从脂肪组织库的外侧开始绘制感兴趣区域（ROI），避开椎体棘突周围的颈部肌肉，并将边界设定在下颌骨下缘稍后方。
      3. 排除甲状腺，因其密度和活性水平可能与 BAT 相似（图 2A 和 2B）。
    2. 识别背侧颈区（C5–C7 椎体）的 BAT。
      1. 包含这一小块皮下 BAT 脂肪库。
        注意：该区域 BAT 通常在 C5–C7 附近背部皮下脂肪中对称出现，见 图 2B。
      2. 仅在出现代谢活性的部位谨慎包含皮下脂肪组织。
    3. 识别锁骨上区（C7–T3 椎体；位于脊柱前方、纵隔后方）的 BAT。
      1. 从一侧最表浅、靠近高代谢活性 BAT 区域的位置开始绘制 ROI。
        注意：BAT 可能延伸至肱骨头周围区域。
      2. 避免气管正上方区域（该处含有甲状腺），并确保 ROI 的范围排除邻近颈部肌肉和肺部的假阳性信号。
    4. 识别腋窝区（T3–T7 椎体）的 BAT。
      1. 将腋窝 BAT 视为从锁骨上区延续而来的脂肪组织进行识别。
      2. 选择手臂开始与躯干分离处附近的 BAT，但需避开肋骨和肺组织。
        注意：这些脂肪库最终会在腋中线转变为皮下白色脂肪组织（WAT）。
    5. 识别纵隔区（T1–T7 椎体；前部）的 BAT：
      注意：部分个体中，BAT 可能沿整个胸骨周围积聚。
      1. 从个体胸腔最前部 T2 椎体起始处胸骨刚显现的位置开始选择 BAT，并向下连续绘制 ROI，直至剑突末端。
    6. 通过围绕椎体周围（而非椎体棘突）的 BAT 绘制 ROI，识别椎旁区（T1–T12 椎体）的 BAT。
      1. 从 C7 下缘第一肋骨出现处开始包含椎旁 BAT。
      2. 不要包含肋间肌所在位置的肋骨间隙区域。
    7. 识别腹区（T12 椎体以下）的 BAT。
      1. 避开输尿管，因其密度与 BAT 相似且具有极高的活性水平（图 2D）。
      2. 追踪围绕肾脏的活性脂肪组织，直至不再显示代谢活性为止。
      3. 若 SUVmax 体素出现在肾脏内侧部分或其附近，应调整该区域的腹部 ROI 以排除输尿管。

5. 质量保证

  1. 在从C3椎体到L3-4椎体水平的所有轴向切片上完成感兴趣区域（ROI）绘制后，检查MIP图像中是否存在明显的假阳性结果。
  2. 确保红色SUVmax体素位于含有棕色脂肪组织（BAT）的区域，而非输尿管等与BAT密度相似且SUV值极高的结构。
  3. 确认已识别出所有BAT且排除了所有假阳性结果后，保存最终的.csv文件。

6. 将棕色脂肪组织分割为独立的脂肪库

注意：以下部分仅针对棕色脂肪组织（BAT）区域储存库的定量分析17。如需获取全身BAT体积和活性，这些步骤并非必需。

  1. 在“棕色脂肪，感兴趣区域”编辑器中生成BAT掩模（图1).
    注意：该掩模定义为仅包含在本方案先前步骤中所创建的感兴趣区域（ROIs）内确认为棕色脂肪组织（BAT）的体素的SUV值的重建PET图像，所有其他体素的SUV值均设为0。
    1. 保持 PET/CT 查看器打开状态，并保留所有已识别的 BAT，或从“插件”下拉菜单重新打开 PET/CT 查看器，并加载上述保存的 ROI。
      1. 打开受试者的三组扫描数据。
      2. 打开“棕色脂肪，感兴趣区域”对话框。
    2. 选择“mask”选项卡，然后点击“Make masked PET”。
    3. 等待另一个对话框弹出，其文件名以“DUP_...”开头
    4. 关闭 PET/CT 查看器，但保持各个独立窗口（含 CT 和 PET 扫描图像）处于打开状态，然后重新打开一个新的 PET/CT 查看器窗口。
    5. 在弹出的对话框中选中以下三个复选框：CT 数据集、UPET 数据集和最新的 CPET 数据集即， 最接近列表底部的CPET文件——该文件包含之前生成的掩膜。
    6. 将PET/CT图像的视图切换为矢状面，并从同一矢状面切片开始绘制所有感兴趣区域（ROI），以进行全区域分析。
      注意：MIP 图像方向不会改变。此外，最中央的切片（即， 沿脊柱中线是良好的起始位置。
    7. 将切片范围更改为从第1个切片至正在分析的扫描中的最后一个切片。
    8. 取消勾选密度（HU）阈值，并将PET（SUV）阈值的下限改为0.01 SUV，以排除所有非棕色脂肪组织（BAT）体素（这些体素的SUV值现为0）。勾选“绘制下一个”按钮上方的复选框。
      1. 通过输入所需的标签来标记区域（例如 “颈部”，“锁骨上” 等等。) 输入至“棕色脂肪，感兴趣区域（ROI）”对话框左下角的文本框中。
  2. 绘制并标注宫颈感兴趣区域（ROI）图3a从C3椎体上端开始，将感兴趣区域（ROI）延伸至C7椎体，在C7椎体下方画线后闭合ROI。
  3. 绘制并标注锁骨上区域（supraclavicular ROI）图3b).
    1. 从C7开始，将感兴趣区域（ROI）延伸至T3，但不包括胸椎椎体部分，然后将ROI的左边界延伸至胸骨柄顶端。
    2. 将感兴趣区域（ROI）的右边界与该区域内胸椎椎体的前缘对齐。
  4. 绘制并标注腋窝 ROI（感兴趣区域）图3c).
    1. 从T3开始，将感兴趣区（ROI）延伸至T7，但不包含胸椎椎体；然后将ROI的左边界延伸至胸骨体之前，但不包括胸骨体。
    2. 将感兴趣区域（ROI）的右边界与该区域内包含的胸椎椎体前缘对齐。
  5. 绘制并标注纵隔感兴趣区域（ROI）图3d通过将整个胸骨包含在单个ROI内。
  6. 绘制并标注椎旁区域（Paraspinal ROI）图3e从T1开始，包括ROI内所有胸椎（直至T12）。
    1. 将ROI的左边界与胸椎椎体的前缘对齐。
      将 ROI 的右边界延伸，以包含该区域内的所有 BAT。
  7. 绘制并标注腹部 ROI（感兴趣区域）图3f从L1的顶部开始，包括腹部分析区域内之前其他任何区域中未被计入的所有BAT。
  8. 绘制并标注背侧颈区ROI（图3g).
    1. 包括靠近颈椎和竖脊肌区域上部的背部皮下脂肪区域；该区域是受试者身体与扫描床接触的部位。
  9. 勾选“显示全部”以显示所有区域的感兴趣区域（ROI），从而对齐所有ROI，防止重叠或低估。
    1. 将相邻感兴趣区域（ROI）的边界紧密对齐，确保棕色脂肪组织（BAT）不会被重复计入两个区域，也不会从所有区域中遗漏。
    2. 从正面和侧面观察MIP，检查所有切片是否均已被包含在划定区域内。如果存在未被蓝色高亮的区域，则需检查切片范围（步骤6.2.2）。
  10. 将最终数据保存为一个新的 .csv 文件。该文件将包含从每个已识别脂肪库中获得的所有棕色脂肪组织（BAT）参数的区域总计或平均值。

结果

BAT 通过一系列图像采集后的处理步骤进行定量分析，如下所示 图1PET 和 CT 阈值用于识别具有代谢活性且密度符合脂肪组织特征的体素。然而，部分满足这些标准的体素可能出现在解剖学上 unlikely 含有棕色脂肪组织（BAT）的区域。为避免此类假阳性结果，在绘制感兴趣区域（ROIs）时必须综合考虑 PET、CT 及解剖学信息。图2）。在寒冷刺激受试者中进行全身棕色脂肪组织定量时，应包含和避免的一些常见区域如图所示 图2，例如代谢活跃的颈部棕色脂肪组织 与 唾液腺、声带和甲状腺（图2A 和 2B）；锁骨上棕色脂肪组织 与 靠近气体与实性组织交界处的震颤肌肉例如 肋间肌）（图2C）和腹部棕色脂肪组织 与 肾脏的肾盏，因为它们清除了标记的葡萄糖（图 2D）。在汇总每个轴向切片的感兴趣区域（ROI）后，可在矢状面分割棕色脂肪组织（BAT）储存区，以分析个体内部和个体之间的区域性BAT激活差异。图3).

PET-CT扫描过程、区域分割、BAT定量、识别出的BAT掩膜示意图。
图1. 图像处理步骤的示意图流程。 首先，将PET图像和对应的CT图像上传至PET/CT插件（A）。在每一层PET/CT图像上绘制轴向感兴趣区域（ROI）（B）后，系统会识别出同时满足PET和CT标准的体素，并以蓝色标出（C）。由这些被识别为棕色脂肪组织（BAT）的体素生成一个掩膜（D），该掩膜被用于替换原始校正后的PET扫描图像（E），并在矢状面视图中对脂肪库进行分割（F）。请点击此处查看该图的放大版本。

CT扫描分析，轴向切片，椎体对齐，医学影像图，切片位置比较。
图2. 轴向BAT感兴趣区域的选择及多个BAT储存部位中需避免的常见区域。 来自融合PET/CT图像的轴向切片（第1列和第2列）以及最大强度投影图像（MIP，第3列），绿色线条表示在冷刺激后扫描获得的切片高度。在第1列和第2列中，绿色ROI标注了具有脂肪组织密度、高FDG摄取以及解剖位置上可能含有活性BAT的区域。第2列中以红色突出显示不太可能含有BAT的解剖区域。符合BAT PET和CT标准的体素由ImageJ确认，并以蓝色高亮显示。示例取自（A）颈前部储存区，（B）甲状腺水平的颈部储存区，（C）锁骨上/腋窝储存区，邻近震颤的骨骼肌（i.e., 肋间肌），以及（D）肾脏输尿管水平的腹部储存区。 请点击此处查看该图的放大版本。

脊柱区域（从颈椎到胸椎）的CT扫描分析，包括矢状面和冠状面视图；解剖示意图。
图3. 棕色脂肪组织（BAT）七个储存区域在矢状面视图中的区域分割。 在生成仅包含先前被识别为活性棕色脂肪组织（BAT）的PET体素的“BAT掩模”图像后，可在矢状面上通过绘制感兴趣区域（ROI）分离出以下区域：(A) 颈部区域（C3-C7），(B) 锁骨上区域（C7-T3，不包括椎体），(C) 腋窝区域（T3-T7，不包括椎体），(D) 纵隔区域（前纵隔），(E) 椎旁区域（T1-T12，从椎体前缘至棘突），(F) 腹部区域（T12-L3，腹膜后），以及(G) 背颈区（位于椎旁脂肪库后方且独立存在的脂肪库；靠近颈椎区域）。所有区域合并后的图像见(H)。 请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

自从确认成人人体内存在功能性棕色脂肪组织（BAT）以来，科学界对BAT在人体生理学中的作用产生了极大兴趣。然而，由于这种产热组织通常位于狭窄的筋膜平面内，夹杂在白色脂肪中，并环绕其他器官分布，因此难以进行准确定量。2016年，国际BAT专家小组发布了一份共识文件，提出了报告受试者相关特征的建议、受试者准备的标准，以及获取PET/CT图像的规范流程21。该专家组还指出，目前在PET/CT数据处理以实现BAT定量方面仍需提高一致性，强调现有BAT识别方法差异显著，且大多数研究仅提供了有限的BAT定量过程细节。因此，尽管研究内部的重复性结果通常较高22,23,24，但不同研究团队在使用不同定量方法时，即使针对年龄、性别和BMI相似的受试者，所报告的BAT体积和活性仍存在明显差异25,26。这些不一致性使得研究结果之间的比较十分困难，并引发了关于成人人体内BAT含量的争议15。

PET/CT 图像处理的一个固有局限性在于，会包含那些符合 PET 和 CT 判定标准但位于解剖位置上对应于非棕色脂肪组织（BAT）结构的体素。由于分辨率差异以及扫描过程中受试者的运动，PET 与 CT 图像的完美配准几乎无法实现。因此，邻近空气或骨骼的结构以及示踪剂高摄取区域常被错误地识别为活性 BAT。为了减少假阳性体素的纳入，应在用户构建的感兴趣区域（ROI）内仅应用 PET 和 CT 判定标准。然而，当前使用用户指定 ROI 或自动化分析来量化 BAT 的方法，在所需用户参与程度和专业知识方面存在差异。我们已表明，将单一的二维用户定义冠状面 ROI 应用于整组图像时，更容易纳入假阳性区域19。多个研究团队已开发出可自动量化 BAT 的方法，能够以较少的人工干预快速处理大规模数据集。然而，这些方法要么未能涵盖所有潜在的含 BAT 区域，特别是在下半身27，要么会产生相对较高的假阳性28和假阴性率26。由于人体 BAT 体积通常较低（<600 mL，或<总体重的 2%），量化中的微小绝对误差可能导致较大的相对差异。

本研究描述的在每个轴向PET-CT切片上绘制感兴趣区域（ROI）的更为严格的方法，能够在狭窄的筋膜层中检测到棕色脂肪组织（BAT），同时更有把握地排除假阳性结果。这种方法可对每个个体进行详细定量分析，而不仅仅是判断BAT的存在与否29。因此，该方法可能更适用于旨在研究BAT生理学特性及/或干预效应的小样本量对照实验。此外，能够定义特定区域的BAT储存部位，有助于进一步理解BAT的功能相关性及其发育起源。我们认为，这些定量指标不仅对于领域内的比较研究具有重要意义，也有助于更准确地评估BAT在成人能量代谢和体温调节中的贡献。

棕色脂肪组织（BAT）的若干解剖学特征有助于使用者在应用本方法时减少假阳性体素的纳入。BAT通常位于连续且对称的筋膜层中。因此，在绘制和优化感兴趣区域（ROI）时，通过检查所选脂肪组织在相邻上、下轴向切片上的连续性和对称性，使用者可最大程度地纳入脂肪组织，同时最小化骨骼肌、骨骼及其他明显非BAT结构的干扰。此外，活性BAT极少出现在皮下脂肪库中，因此我们建议使用者在构建ROI时避免这些区域。如实验方案所述，BAT分布在若干特定的解剖区域，包括颈区、背颈区、锁骨上区、腋窝区、纵隔区、椎旁区以及腹部脂肪库。这些脂肪库的分布特点可能导致单个轴向切片中包含来自多个脂肪库的BAT。例如，胸部区域的一个轴向切片可能同时包含来自纵隔脂肪库（靠近中线且偏前）、椎旁脂肪库（靠近中线且偏后，沿脊柱分布）以及腋窝脂肪库（位于侧方，接近前-后中线）的BAT。了解这些脂肪库的分布有助于使用者在身体不同区域创建ROI，因为它们出现在已有明确描述的位置，且在空间上大多连续，正如本方案所述。然而，由于我们建议每张切片仅绘制一个ROI以避免ROI之间的重叠，因此若需获取BAT分布的具体信息，则必须额外进行生成BAT掩模和绘制矢状面ROI的步骤，以便将先前在同一个轴向ROI中识别出的BAT体素，根据其在矢状面上的位置划分为不同的区域脂肪库，即将同一轴向ROI中检测到的纵隔、椎旁和腋窝BAT体素，依据矢状位位置分别归入相应脂肪库（图3）。

PET/CT 图像浏览软件还可用于量化除棕色脂肪组织（BAT）以外的其他组织的活性，例如在寒冷诱导的产热过程中同样起重要作用的战栗骨骼肌19，或已被提议作为 PET/CT 分析参考组织的脑部或肝脏的不同区域21。然而，这些组织的密度和解剖分布与棕色脂肪组织存在差异，不在本实验方案的重点范围内。我们建议读者参考相关共识文件以获取更详细的信息21。最后，我们建议所有用户定期更新 ImageJ 软件，并访问 petctviewer.org 获取插件更新及软件使用支持。

尽管我们认为这种严格的方法比自动化方法26,28以及使用简化单个感兴趣区域（ROI）来估算总BAT体积的方法9,30更为精确，但它也存在局限性。目前尚无理想的非侵入性方法用于量化人体内的棕色脂肪组织（BAT），且18F-FDG仅反映葡萄糖摄取，而并非等同于葡萄糖代谢11。然而，尽管已有其他放射性示踪剂被使用31,32,33，18F-FDG仍是研究人类BAT最常用的示踪剂。因此，在可预见的未来，建立标准化方法来分析18F-FDG PET/CT图像将继续对人类BAT生理学研究产生重要影响。

我们提出的方法是在每个含有棕色脂肪组织（BAT）的轴向切片上创建感兴趣区域（ROI），同时避开常见问题区域，该方法较为耗时，且要求操作者具备一定的解剖学知识。此外，严格的ROI选择可能导致假阴性结果，因为某些含有BAT的脂肪库可能被遗漏。在融合的PET/CT图像的每一个轴向切片上绘制ROI，有助于仔细区分脂肪组织与邻近的代谢活跃组织，以及受溢出效应和部分容积效应影响的区域34。然而，完成单次扫描分析所需时间可能在三到八小时之间，随着实践和经验积累，该时间有望缩短。多种机器学习方法或许能够降低完成此项任务所需的人工投入和技术门槛。但要建立一种更自动化的检测BAT的方法，并有效抵抗当前成像技术局限性所导致的假阳性，仍需要一个涵盖不同身体成分和BAT分布个体的大型数据集。我们希望本方法可用于构建详细的BAT图谱，为更先进的大数据分析方法提供模板。

综上所述，我们展示了一种逐步的图像分析方法，用于通过冷刺激诱导的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）来定量分析人体棕色脂肪组织的体积、活性及分布。关键步骤包括：1）连续、逐层地分析轴向感兴趣区域（ROIs）；2）根据解剖位置评估相关棕色脂肪（BAT）储存区域，同时避开其他代谢活跃的组织。这种严格的定量方法可供相关领域的研究人员用于棕色脂肪生理学研究，并可作为未来开发自动化人体棕色脂肪定量方法的参考标准。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

我们感谢所有参与本研究的志愿者、护理和临床工作人员，以及美国国立卫生研究院临床中心的营养师，感谢他们在我们的冷暴露研究中参与研究并为住院期间提供了悉心照护。我们还要感谢比尔·迪克曼博士（Dr. Bill Dieckmann）在本研究中对PET-CT图像的获取与分发所提供的各项协助。本研究由美国国家糖尿病、消化与肾脏疾病研究所院内研究计划资助，项目编号为Z01 DK071014（负责人：K.Y.C.）和DK075116-02（负责人：A.M.C.）。

材料

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参考文献

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使用18F-FDG PET/CT对活性人类棕色脂肪组织进行全身及局部定量分析
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