用于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方法：以 FDG-fPET 为例

摘要

本手稿描述了两种用于氟脱氧葡萄糖-正电子发射断层扫描（FDG-PET）的放射性示踪剂给药方案（恒速输注和弹丸注射加输注），并将它们与弹丸注射给药进行比较。使用这些方案可实现16秒的时间分辨率。

摘要

功能型正电子发射断层扫描（fPET）提供了一种在人脑中追踪分子靶点的方法。利用放射性标记的葡萄糖类似物¹⁸F-氟脱氧葡萄糖（FDG-fPET），现在已能够以接近功能磁共振成像（fMRI）的时间分辨率来测量葡萄糖代谢的动态变化。这种对葡萄糖摄取的直接测量方法在理解正常与异常脑功能，以及探究代谢性疾病和神经退行性疾病影响方面具有巨大潜力。此外，混合型磁共振-正电子发射断层扫描（MR-PET）设备的最新进展使得同时利用fMRI和FDG-fPET捕捉葡萄糖水平和血氧饱和度波动成为可能。

FDG-fPET 图像的时间分辨率和信噪比在很大程度上取决于放射性示踪剂的给药方式。本文提出了两种替代性的连续输注方案，并将其与传统的团注法进行比较。文中介绍了一种采集血液样本、时间同步PET与MRI、实验刺激以及实施非传统示踪剂递送的方法。通过视觉刺激实验，该方案能够在个体水平上生成对外部刺激的葡萄糖代谢响应皮层图，时间分辨率达到16秒。

引言

正电子发射断层扫描（PET）是一种强大的分子成像技术，广泛应用于临床和科研领域（详见 Heurling 等人¹ 的近期综述）。PET 可成像的分子靶点仅受限于放射性示踪剂的可获得性，目前已开发出多种示踪剂用于成像神经代谢受体、蛋白质和酶^2,3。在神经科学领域，最常用的放射性示踪剂之一是¹⁸F-氟脱氧葡萄糖（FDG-PET），用于测量葡萄糖摄取，通常被解释为脑葡萄糖代谢的指标。人脑需要持续且稳定的葡萄糖供应以满足其能量需求^4,5，其中 70-80% 的脑葡萄糖代谢消耗于神经元突触传递过程中⁶。脑葡萄糖代谢的改变被认为会启动并参与多种疾病过程，包括精神疾病、神经退行性疾病和缺血性疾病^7,8,9。此外，由于 FDG 摄取与突触活动成正比^10,11,

方案

本方案已根据澳大利亚《人类研究伦理行为国家声明》获得莫纳什大学人类研究伦理委员会审查和批准（批准编号 CF16/1108 - 2016000590）²⁴。相关操作程序是在认证的医学物理师、核医学技术员和临床放射技师的指导下制定的。研究人员应参考本地专家意见及相关指南，以规范电离辐射在人体中的应用。

1. 所需设备和人员

1. 参见 材料表 扫描室、放射化学实验室及常规材料均来自商业供应商，放射性示踪剂亦由商业供应商提供。
2. 在同步进行的 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和血液样本采集，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. 计算在扫描过程中将输注的总体积。在本方案中，输注速率为 0.01 mL/s，持续 95 分钟。因此，在 95 分钟的扫描中，受试者将接受 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。在本方案中，受试者在 ....

结果

特定研究的方法
此处报告了代表性结果的特定研究细节。这些细节对实验操作并非关键，且在不同研究之间会有所差异。

受试者与任务设计
受试者（n = 3，表2）接受了同步BOLD-fMRI/FDG-fPET研究。由于本文重点在于PET采集方案，因此未报告MRI结果。所有受试者在95分钟扫描过程中接受了260 MBq的¹⁸F-FDG。受试者1在扫描开始时以单次推注方式接受全部剂量。受试者2采用仅输注方案给予剂量。受试者3则采用50%推注加50%输注的混合方式给予相同剂量。对于仅输注及推注/输注联合方案，输注持续时间均为50分钟。

任务采用嵌套式区组设计呈现（

讨论

FDG-PET 是一种强大的成像技术，用于测量葡萄糖摄取，这是脑葡萄糖代谢的一个指标。迄今为止，大多数使用 FDG-PET 的神经科学研究采用传统的团注给药方法，其静态图像分辨率代表了扫描过程中所有代谢活动的积分值²。本文描述了两种替代性的放射性示踪剂给药方案：仅输注法（例如 Villien 等人、Jamadar 等人^19,21）和混合团注/输注法（例如 Rischka 等人²⁰）。这三种方案在个体水平上实现了 16 秒的时间分辨率，并与刺激严格同步。

该方法的关键点在于扫描方案的起始时刻。此时，PET采集的开始必须与BOLD-fMRI序列的开始（如果使用同步MR-PET）以及刺激呈现的起始时间同步。刺激的起始时间和持续时间必须能够与扫描起始时间锁定，以便进行第一水平模型分析。在仅使用团注（bolus-only）方案时，应在PET采集开始时给予团注，以捕捉峰值信号（

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
<强>采血设备
12-15 支真空采血管	Becton Dickinson，新泽西州，美国	364880	在需要将血液注入试管前，保持无菌包装状态
--12-15 支 10 mL LH 血液采集管	Becton Dickinson	367526	用样品编号标记（例如，S1、S2）…）随后标记样品时间（例如，0 时间点 + 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，并用盛有生理盐水的安瓿瓶盖紧
预先抽取的0.9%生理盐水冲洗液	辉瑞，纽约，美国	61039117
--12-15 支 5 mL Terumo 注射器	Terumo 东京，日本	SS+05S	在准备采集血样前，保持无菌包装状态
<强>安全 &和废弃物处理设备			所有物品应放置在扫描室内靠近采血侧手臂一侧的塑料椅子上。准备放射性物质及移取血浆样本时，须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局（APRANSA）《辐射防护系列第6号》（2017年）指南要求后方可处置。
手套	澳大利亚维多利亚州韦斯特拉布	663-219
-- 废物袋	澳大利亚维多利亚州维克奥斯特包装公司	YIW6090
--大提琴下垫 ‘blueys’ 5层护理垫	Halyard Health，新南威尔士州，澳大利亚	2765A
蓝色Sharpie记号笔	Sharpie，TN，美国	S30063
<强>剂量注射器			使用前保持无菌包装。本机构使用的所有注射器在包装标注容量基础上均额外具有20%的容积容量。对于50 mL注射器，此特性尤为重要，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 Terumo 18 号针头	日本东京 Terumo	NN+1838R	保持无菌包装，直至准备注射时取出18将F]FDG注入生理盐水袋中
--100 mL 0.9% 生理盐水袋	Baxter Pharmaceutical, IL, 美国	AHB1307	保持无菌包装直至准备注射时18F]FDG
<强>放射化学实验室用品
--Heraeus Megafuge 16 离心机；转子 Bioshield 720	美国马萨诸塞州，赛默飞世尔科技公司	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 设置为 1000μL. 它每年校准一次。
12-15 支血浆计数管	Techno PLAS；南澳大利亚州	P10316SU	与LH血液管以相同方式标记
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		同步检查在本机构每周定期进行
血红蛋白监测仪	英国卡迪夫 EKF Diagnostic 公司 Haemo Control。	3000-0810-6801	在对参与者进行测试前，执行制造商建议的质量控制’血液样本
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。
<强>插管设备			检查有效期，并培训非医疗人员（NMT）无菌准备插管操作。
止血带调节	CBC Classic Kimetec GmBH	K5020
--20、22 和 24 号套管针	布劳恩，德国梅尔松根	4251644-03; 4251628-03; 4251601-03
--Tegaderm 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% 生理盐水 10 mL 安瓿瓶；用于冲洗	美国纽约辉瑞公司	61039117
10 mL 注射器	Terumo 东京，日本	SS+10L
三通旋塞	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
<强>扫描室设备
西门子 Biograph 3T mMR	西门子，德国埃朗根
便携式铅防护屏障	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。
输注泵 BodyGuard 323 MR条件型输注泵	凯撒里亚医学电子有限公司	300-040XP	与磁共振兼容。该型号经认证可在磁场强度为2000高斯（锁紧脚轮时）的1.5和3T磁共振扫描仪中使用。
输液泵管路	凯萨里亚医疗电子	100-163X2YNKS	输液管为带防虹吸阀和鲁尔锁公接头的输液装置（货号 100-163X2YNKS）。
铅砖	定制构建		经测试具有铁磁性平移力
<强>其他设备
--注射器屏蔽罩	Biodex，纽约州，美国	定制构建	有一个5 mL的钨制注射器屏蔽套，具有磁共振安全性，以及一个50 mL的铅屏蔽套，在用于MR-PET扫描仪之前已测试其铁磁吸引力。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的辐射暴露。
盖革计数器型号26-1集成式擦拭检测探头	Ludlum Measurements, Inc. TX 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。不得将其带入MR-PET扫描仪中。