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使用[18F]FDG示踪剂对重度脑损伤患者进行半定量评估

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DOI：

10.3791/58641

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2018年11月9日

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1Division of Neurosurgery, Rehabilitation Center for Traumatic Apallics Chiba, National Agency for Automotive Safety and Victims' Aid, 2Division of PET imaging, Rehabilitation Center for Traumatic Apallics Chiba, National Agency for Automotive Safety and Victims' Aid, 3Tokyo Nuclear Services Co. Ltd., 4Department of Neurological Surgery, Graduate School of Medicine, Chiba University

本文内容

摘要

[18F]氟代脱氧葡萄糖（FDG）正电子发射断层扫描-计算机断层成像可用于研究与脑功能相关的葡萄糖代谢。本文介绍了一种针对重度创伤性脑损伤患者中与临床表现相关的目标脑区，进行[18F]FDG示踪剂准备及感兴趣区域半定量评估的实验方案。

摘要

由于意识障碍、高级脑功能受损以及言语障碍，重度创伤性脑损伤（sTBI）患者难以判断自己是否准确表达了思想和情绪。由于沟通能力不足，需要由家属、医务人员和照护者进行客观评估。其中一种评估方式是对脑功能区域的功能状态进行判断。近年来，多模态脑成像技术已被用于探索受损脑区的功能。[18F]氟代脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描-计算机断层成像（[18F]FDG-PET/CT）是检测脑功能的有效工具。然而，基于[18F]FDG-PET/CT对脑葡萄糖代谢的评估尚未标准化，其结果依赖于多种可变参数以及患者的个体状况。本文介绍了一套针对sTBI患者使用自产[18F]FDG示踪剂进行感兴趣区域（ROI）图像分析的半定量评估流程。该方案重点包括受试者的筛选、在热室中制备[18F]FDG示踪剂、安排[18F]FDG-PET/CT脑部影像的采集，以及通过ROI分析测定特定脑区的葡萄糖代谢水平。

引言

严重创伤性脑损伤（sTBI）患者在康复过程中会面临难以预测的神经功能障碍，包括运动功能缺损、感觉功能缺损以及精神状态不稳定1。尽管临床评估通常以口头方式进行，但诸如无反应性觉醒综合征或最小意识状态等意识障碍的sTBI患者，由于意识障碍、高级脑功能受损以及言语障碍，往往难以准确表达其思维与情绪，从而给评估带来特殊困难2,3。家属、医务人员及照护者有时会因难以预料的神经功能变化，或因患者沟通能力不足导致的无反应表现而感到困惑4,5。

近年来，多模态脑成像技术已被用于探索脑区功能6,7,8,9大脑是葡萄糖衍生能量的主要消耗器官，葡萄糖代谢提供了大脑功能所需约95%的三磷酸腺苷（ATP）。10. [的摄取18[18F]氟脱氧葡萄糖（FDG）是脑组织摄取葡萄糖的标志物。18F]FDG-PET/CT 可检测 [18F]FDG 摄取，因此是研究脑功能的有用工具11。通常，[18F]FDG 图像分析分为两类：感兴趣区域分析和基于体素的分析（VBA）12既往研究表明，ROI分析更适用于研究创伤性损伤的特定区域。这是因为基于体素的分析（如统计参数映射[SPM]）需要将图像配准并标准化至标准脑模板，而在创伤性脑损伤（TBI）情况下，由于脑组织发生变形，如脑萎缩、肿胀、脑室扩大或缩小，该方法效果不佳。7,12尽管已开发出多种用于分析磁共振成像（MRI）数据的算法和软件，但神经外科和骨科手术中使用的金属会产生噪声伪影7,12,13近年来，光电倍增管在PET/CT设备中的应用提高了由PET/CT获得的脑部图像的空间分辨率14本方案重点在于半定量测定葡萄糖摄取 通过 [ROI 分析在18F]FDG-PET/CT 使用自产的 [18F]FDG 示踪剂在 sTBI 患者中的应用。

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方案

本研究遵循机构审查委员会（批准编号：07-01）的规定，并符合《赫尔辛基宣言》的原则。已从患者法定代理人处获得关于使用病历和脑部影像资料的知情同意。本研究在机构伦理委员会批准后（2017-14）开展。本方案参照日本核医学学会和欧洲核医学协会的指南制定15,16。

1. 参与者筛选

  1. 从患者的法定代理人处获得使用患者病历和脑部影像资料的知情同意书。每位患者的病历中必须记录事故当时格拉斯哥昏迷评分（Glasgow Coma Scale）≤ 8 分17,18,19。
  2. 每六个月举行一次神经科、心理科及多学科工作人员会议，以评估临床表现。
    注意：会议成员应包括医生、护士、物理治疗师、职业治疗师、言语治疗师、营养师和医务社会工作者等医务人员。必须持续评估患者是否具备交流能力（语言或非语言）以及自主决策能力，因为觉醒状态和神经功能状态通常不稳定。
  3. 使用标准评估量表，如昏迷恢复量表修订版（Coma Recovery Scale-Revised, CRS-R）、伤害性感觉昏迷量表（Nociception Coma Scale）和威塞克斯头部损伤量表（Wessex Head Injury Matrix），对听觉功能、视觉功能、运动功能、口颜面/言语功能、交流功能、觉醒状态、面部表情及其他相关功能进行临床评估20,21,22。
  4. 为病情稳定的患者安排 [18F]FDG-PET/CT 扫描，并确保其能够安全地接受检查。仅安排已签署知情同意书的患者，或其法定代理人已按知情同意书要求签署同意的患者进行扫描。应尽量将 [18F]FDG-PET/CT 成像时间安排在临床评估当日或附近时间。

2. 热室中 [18F]FDG 示踪剂的制备

  1. 在热室中，开始制备用于FDG全自动合成的试剂盒，该试剂盒需适配FDG合成仪（参见 材料清单). 务必使用自动程序检查FDG合成仪中泵送系统的活动性，并确保试剂盒无空气泄漏。对机器的接触区域进行消毒（此为开始时间）。
    注意：进入热室前，务必检查热室内的辐射监测器，并使用便携式辐射剂量计检测每位人员的辐射水平。
  2. 检查 [16O]-水和[18O]-水以及气体罐中氦气、氢气和氮气的体积。检查初级冷却所用自来水的温度是否低于 25 °C 而二次冷却的条件是在以下 22 °C在封闭系统中，自开始后30分钟起，使用其中全部的水进行生产。
  3. 开始对[16O]-水已在回旋加速器中生成（启动后1小时）。检查监测器，确保已有2 - 3 mL的[16O]-水在最佳条件下进行辐照（例如, 20 µA，5 分钟）于回旋加速器的目标区域。辐照结束后，将 [16O]-水转入放射性同位素活度计，并测量放射性水平（参见 材料清单).
    注意：应使用以下公式计算放射性衰变。
    放射性衰变方程 N(t) = N(0) × (1/2)^(t/T)，表示指数衰减过程。
    此处，
    N(t) 是 t 时刻的放射性原子核数量 t = t 秒；
    N(0) 是放射性核素的初始数量 t = 0 秒
    T = 半衰期。
  4. 开始对[18在回旋加速器中照射 [O] 水（自开始照射后1小时30分钟）。设定轰击时间为最多20分钟，入射质子能量为16.5 MeV。
  5. 根据操作手册启动FDG合成仪22 （开始后2 h）。以下给出一种改进的步骤。
    1. 辐照后，使用氦气转移2 - 3 mL的[18将来自回旋加速器的[O]-水转移至FDG合成仪的聚丙烯接收瓶中。
    2. 将注射器连接至相应的注射泵，对试剂瓶加压，用一个试剂瓶中的乙腈（纯度 ≥ 99.5%）溶解 1,3,4,6-四-O-乙酰基-2-O-三氟甲磺酰基-β-D-甘露吡喃糖（7 ± 0.2 mL），并用乙腈冲洗反应盒。
    3. 轰击后，转移被照射的[16O]-水和[18将O]-水加入FDG合成仪中。
      注意：一旦合成开始，被照射的[18O]-水通过阴离子交换柱（参见 材料表）。务必在合成前将柱子预处理并转换为碳酸盐形式。
    4. 转移含有[18F]活性物质不加液体加入反应容器后，让溶剂蒸发至干燥。在干燥过程中，向反应容器中分3次加入少量乙腈（每次加入时，均加入 80 µL）。在 95 °C 在氮气流和真空条件下
    5. 将甘露糖三氟甲磺酸酯前体（25 mg）加入干燥残留物中，用约3.5 mL乙腈（纯度≥99.5%）溶解。随后发生亲核取代反应 85 °C 在FDG合成仪中。
    6. 作为初步纯化步骤，将标记溶液与26 mL蒸馏水混合。将约4 mL稀释后的标记溶液送回反应容器，以回收剩余的活性。将溶液通过反相层析柱（参见 材料表）。用蒸馏水依次洗涤捕获了标记前体的柱子，每次分别使用10 mL、10 mL、13 mL和13 mL，共洗涤4次。
    7. 将乙酰化化合物（标记前体）在柱 cartridge 中转化为 FDG 通过 碱性水解，使用 750 µL 室温下用 2 N NaOH 处理 2 分钟。
    8. 水解后，将碱性FDG溶液收集于7 mL水中，并与中和溶液（5 mL柠檬酸盐缓冲液和1 mL 2 N HCl）混合。
    9. 纯化所得的中和后FDG溶液。
      1. 将中和后的FDG溶液通过第二个反相层析柱（参见 材料表），保留部分水解产物和非极性副产物。
      2. 通过氧化铝N柱（参见 材料表)，保留未反应的[18F]氟离子。然后，通过0.22-µm 过滤器
      3. 用3 mL水冲洗反应盒和滤芯以回收管路中残留的FDG，然后将FDG排入最终小瓶中，该小瓶含有15–17 mL液体。
    10. 进行[的定性分析18F]FDG 示踪剂（自开始后 2 小时 30 分钟）
      1. 目视观察小瓶，确认其透明且不含有任何微粒。
      2. 使用罗伯瓦尔天平测量液体体积（应为15 - 17 mL）。
      3. 使用放射性同位素活度计（与步骤2.3中相同，参见 材料清单）（标准：105 - 115 分钟）。
      4. 从西林瓶中取出0.5 mL。进行放射化学纯度检测 通过 碳水化合物分析。使用规格为3.9 x 300 mm的色谱柱进行高效液相色谱（参见 材料表) 以检测峰值放射性（超过95）。
        注：单峰表明高纯度。
      5. 使用pH试纸测量pH值（pH 5.0 - 8.0）（参见 材料表）。测定残留的4,7,13,16,21,24-六氧-1,10-二氮杂双环[8.8.8]二十六烷（见 材料表) (< 40 ppm）使用试纸（参见 材料表）。使用适当的内毒素检测设备，通过吸光度测定来测量内毒素（参见 材料清单)（0.25 EU/mL）。进行无菌检测（在8天后未检测到细菌） 37 °C).
    11. 用铅和钨覆盖的小瓶中装入[18F]FDG 示踪剂，剂量为 5 MBq/kg 体重。
    12. 转移 [18从热室将F]FDG示踪剂转移至工作间（启动后3小时25分钟）。

3. [18F]FDG-PET/CT 脑成像数据采集的时间进程

  1. 安排患者就诊。务必通知医护人员停止营养支持和喂食 通过 胃造瘘术。不得停止供水。患者应在图像采集前7小时开始禁食。
  2. 准备静脉通路以用于[18F]FDG 示踪剂给药。进入放射性控制区域前，在下肢之一固定一根连接有5 mL肝素钠（10单位/mL）的22至24G针头。
  3. 让患者在进入辐射控制区之前平躺在轻便担架上。将患者送至辐射控制区，并在医务人员待命的情况下静候30分钟。
  4. 用10 mL注射器回抽血液以重新检查静脉通路的通畅性。使用血糖仪测量血糖水平。
  5. 转移 [18F]FDG 示踪剂从热室转移至工作间，安装至自动分配与注射系统（参见 材料表).
  6. 重新检查以下信息（通过 医护人员）：患者编号、姓名、出生日期、身高和体重；示踪剂名称、示踪剂用量（含3.5 mL [18F]FDG 示踪剂 + 12 mL 生理盐水），预设放射活性（5 MBq/kg），注射时间，[18F]FDG 示踪剂批号、注射速度（通常为 0.3 mL/s）以及热室中测得的放射活性水平。
  7. 记录自动分配和注射系统显示屏上显示的预注射放射性活度的自动测量值。
  8. 注射[18F]FDG 示踪剂 通过 第3.2步制备的静脉注射途径（在开始后3小时30分钟）
  9. 记录 [18F]FDG 示踪剂，其在自动分配与注射系统的显示屏上自动显示。
  10. 让患者在辐射控制区的候诊室等待 50 min。
  11. 将患者从候诊室转移至PET/CT仪器（参见 材料清单记录脑部图像10分钟（从开始起4小时30分钟）。
    注：[的成像参数为18F]FDG-PET/CT 图像为10分钟列表模式。从10分钟时间窗中重建数据。3分钟以下的数据不使用，因为信号强度过低，不足以满足分析需求。设置图像重建参数：采用块序列正则化期望最大化重建算法（参见 材料清单矩阵大小 = 192；视野 = 25 cm；β值：100 - 200；z轴滤波器：无。
  12. 拍摄图像后，检查注射部位是否有渗漏。如果患者带有尿袋导尿管，应丢弃所有尿液。
  13. 将患者从辐射控制区域移出（自开始后4小时50分钟）。
    注意：参见 图1 有关事件时间安排的示意图（患者操作及[18F]FDG 示踪剂

4. [18F]FDG-PET/CT 图像的分析

  1. 使用成像软件（参见材料表）对所有图像数据进行标准化摄取值（SUV）测量的评估。
  2. 选择患者。
  3. 将数据分配至MM肿瘤学工作流程。
  4. 点击功能浏览器按钮。
  5. 点击感兴趣体积（VOI）阈值按钮。
  6. 将VOI球体设置到三维浏览器中。
    注意：根据所选的SUVmax阈值，系统将自动测量VOI的最大SUV（SUVmax）和平均SUV（SUVmean）。务必使用三维球体在浏览器上围绕目标VOI绘制边界，排除其他靶点、眼外肌和头皮，因为这些结构可能干扰设定的SUV阈值。在轴向、冠状和矢状切面上检查目标区域。
  7. 在选择所有正确设置后，点击编辑测量按钮。
  8. 更改VOI的阈值（例如，50%），然后点击确定。
  9. 记录系统自动测量的目标区域SUVmax、SUVmean、靶体积和阈值。
  10. 为了立体可视化全脑表面的葡萄糖代谢情况，使用软件（参见材料表）根据血糖水平为[18F]FDG-PET/CT图像设置颜色图谱。
  11. 最后，将临床评估结果与[18F]FDG-PET/CT图像进行比较。

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结果

一名63岁男性在骑自行车时被汽车碾压，随后被送至急诊室 通过 救护车。检查显示格拉斯哥昏迷评分（GCS）为7分（睁眼反应=1，最佳语言反应=2，最佳运动反应=4），瞳孔不等大（右侧：2 mm，左侧：3 mm），角膜反射阴性17头部CT显示蛛网膜下腔及颅内出血，左侧颧骨、颞骨和顶骨骨折。患者既往无特殊病史，采取保守治疗。九个月后，患者被收治于千叶外伤性无动性缄默康复中心。入院时检查显示昏迷恢复量表（修订版）评分为6分（听觉功能=0分[无]；视觉功能量表=1分[视觉惊吓反应]；运动功能量表=3分[对有害刺激定位]；口面运动/言语功能量表=1分[口腔反射性动作]；交流功能量表=0分[无]；觉醒度量表=1分[刺激后睁眼]），可自发睁眼，但未见语言理解或表达能力20此外，我们未观察到自发性肢体活动，仅见与全身肌张力变化相关的动作。我们观察到他对耳旁的响声有正常的眨眼反应。经多学科会议评估，该患者被诊断为无反应性觉醒综合征（既往称为植物状态）。

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讨论

本方案提供了在单一机构内使用自制的[18F]FDG示踪剂，通过[18F]FDG-PET/CT进行一系列脑葡萄糖代谢评估的方法。

[18F]FDG 示踪剂的制备遵循 FDG 合成仪操作手册中所述的程序；然而，需注意以下三点。首先，应根据患者数量调整轰击时间与能量（步骤 2.5）。其次，需注意 4,7,13,16,21,24-六氧杂-1,10-二氮杂双环[8.8.8]二十六烷的输送管路，因其易因该物质结晶而堵塞。第三，注射器挂钩（步骤 2.5.2）需小心操作，因其易断裂。

临床评估必须谨慎进行。由于意识和情绪的波动，重度创伤性脑损伤（sTBI）患者的病情通常不稳定，尤其在慢性阶段更为明显。因此，需要多学科定期会诊（例如，每六个月一次），以确认患者状态。否则，检查者可能忽略重要的临床体征19,20,

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者谨此感谢苏生医院的内野博士（Dr. Uchino）完成所有相关操作。作者同时感谢Edanz集团（www.edanzediting.com/ac）的亚当·菲利普斯（Adam Phillips）对本文初稿的编辑工作。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
20ml 注射器TerumoSS-20ESZ
10ml 注射器TerumoSS-10ESZ
1ml 注射器TerumoSS-01T
保护塞TopML-KS
三通旋塞 L 型 180°TerumoTS-TL2K
延长管TopX1-50
留置针 22G 或 24GTerumoSR-OT2225C
Tegaderm 透明敷料3M1624W
Hepaflash 10U/ml 10mlTerumoPF-10HF10UA
自动分装与注射系统Universal Giken Co., Ltd.UG-01
自动分装与注射系统用液体Universal Giken Co., Ltd.UG-01-001
Millex-GS 注射过滤装置MilliporeSLGSV255F
排气针TerumoXX-MFA2038
止回阀Hakko23310100
生理盐水 500mlHIKARI pharmaceutical Co., Ltd.18610155-3
Yukiban 25x7mmNitto3252
Elascot No.3Alcare44903221
Presnet No.3 27x20mmAlcare11674
Steri Cotto 4x4cmKawamoto023-720220-00
StatstripXp3Nova Biomedical11-110
Statstrip 葡萄糖试纸Nova Biomedical11-106
JMSsheetJMSJN-SW3X
注射垫NichibanNo.30-N
SteptyNichibanNo.80
Advantage 工作站GE HealthcareVolume Share 7. version 4.7
Discovery MI PET/CTGE Healthcare
EV InsitePSP
GE TRACERlab MXFDG 合成试剂盒ABXK-105TM
TRACERlab MXFDG 反应盒GE HealthcareP5150ME
延长管Universal Giken Co., LtdAT511-ST-001
TSK 无菌注射针 18x100TochigiseikoAT511-ST-004
TSK 无菌注射针 18x60TochigiseikoAT511-ST-002
TSK 无菌注射针 21x65TochigiseikoAT511-ST-003
Seal 无菌西林瓶 -N 5mlMita Rika Kogyo Co., Ltd.SSVN5CBFA
k222 薄层层析板Universal Giken Co., Ltd.AT511-01-005
阴阳离子试纸Toyo Roshi Kaisha7030010
Endospecy ES-24S 套件Seikagaku corporation20170
无菌真空西林瓶Gi phama10214
5ml 注射器TerumoSS-05SZ
延长管TopX-120
Finefilter FForte grow medical Co.Ltd.F162
Millex FGMerckSLFG I25 LS
带通气口的 Millex GSMerckSLGS V25 5F
注射针 18x38TerumoNN-1838R
注射针 21x38TerumoNN-2138R
Water-18OTaiyo Nippon SansoF03-0027
蒸馏水Otsuka phrmaceutical
氢气 G1Hosi Iryou Sanki
氦气 G1Hosi Iryou Sanki
氮气 G1Hosi Iryou Sanki
TRACERlabMXFDGGE Healthcare
Sep-Pak Light Accell Plus QMAWATERS
Sep-Pak Plus tC18WATERS
Sep-Pak Plus Alumina NWATERS
配备 3.9 X 300 mm 色谱柱的高效液相色谱仪WATERS
US-2000Universal Giken CO. Ltd.
Kryptofix222Merck
EG Reader SV-12Seikagaku Corporation
UG-01Universal Giken Co., Ltd.
syngo.viaSiemens Healthineers
Advantage Workstation Volume Share 7, version 4.7GE Healthcare
Q clearGE Healthcare
CRC-15PET 放射性活度计CAPINTEC, INC.

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