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方法文章

用于小型动物的高分辨率心脏正电子发射断层扫描/计算机断层扫描

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DOI：

10.3791/64066

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2022年12月16日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1CNR Institute of Clinical Physiology, 2Sant’Anna School of Advanced Studies, 3Fondazione Regione Toscana/CNR “G. Monasterio”

本文内容

摘要

本文介绍了一种利用高分辨率小动物正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT）对心脏功能和形态进行定量分析的实验成像方案。该方案同时涵盖了小鼠和大鼠，并讨论了两种物种在计算机断层扫描对比剂使用上的不同要求。

摘要

正电子发射断层扫描（PET）和计算机断层扫描（CT）是最常用的诊断成像技术之一，两者均有助于了解心脏功能和代谢情况。在临床前研究中，通常使用具有高灵敏度和高时空分辨率的专用扫描仪，这些扫描仪专为应对小鼠和大鼠心脏体积小、心率极高的技术挑战而设计。本文介绍了一种用于心脏疾病实验小鼠和/或大鼠模型的双模态心脏PET/CT成像方案，涵盖动物准备、图像采集与重建，以及图像处理与可视化全过程。

特别是，18F标记的氟脱氧葡萄糖（[18F]FDG）-PET扫描可用于测量和可视化左心室（LV）不同节段的葡萄糖代谢情况。极坐标图是展示此类信息的便捷工具。CT部分则通过无需心电图（ECG）导联的回顾性门控技术，实现对整个心脏进行时间分辨的三维重建（4D-CT），从而对左心室进行形态与功能评估，并进一步量化最重要的心脏功能参数，如射血分数（EF）和每搏输出量（SV）。利用集成的PET/CT扫描仪，该方案可在同一次麻醉过程中完成，无需在不同扫描设备间重新安置实验动物。因此，PET/CT可被视为在多种心脏疾病的小动物模型中，对心脏进行形态、功能及代谢综合评估的有力工具。

引言

小型动物模型对于深入理解心血管疾病具有极其重要的意义1,2。在过去的几十年中，无创性诊断成像技术彻底改变了我们在临床和临床前研究中观察心脏功能的方式。针对心脏疾病的小型动物模型，已开发出具有极高时空分辨率的特定成像工具。因此，这些仪器能够满足在特定疾病模型（如心力衰竭（HF）3或心肌梗死（MI）4）中，对小而快速跳动的大鼠和小鼠心脏相关代谢及心肌动力学参数进行精确定量的需求。目前有多种成像方式可供选择，每种方式均有其优势与局限性。超声（US）成像是应用最广泛的技术，因其具有高度灵活性、极高的时间分辨率以及相对较低的成本。自采用超高频探头的系统问世以来，超声心脏成像在小型动物中的应用已显著增加5,6，其空间分辨率可达50 µm以下。

超声（US）在实现完整三维心脏成像方面的主要缺点之一是需要将探头安装在电机驱动的平移平台上，沿心脏轴线进行线性扫描，以获取覆盖整个心脏的动态B模式图像序列7。最终，通过对每个探头位置所采集图像进行精确的空间和时间配准，可获得四维图像，但其面内方向与面外方向的空间分辨率不同。这种空间分辨率不均一的问题同样存在于心脏磁共振（CMR）8中，而CMR目前仍是心脏功能成像的金标准。真正各向同性的三维成像则可通过计算机断层扫描（CT）和正电子发射断层扫描（PET）实现9。尽管PET的空间分辨率低于CT、MR或US，但其在单位注入示踪剂量所产生的图像信号灵敏度方面具有显著优势（可达纳摩尔级别）。PET的主要优势在于能够显示器官病理生理过程中的细胞和分子机制。例如，在注射[18F]FDG后进行PET扫描，可重建出体内葡萄糖代谢的三维分布图。若结合动态（即时间分辨）数据采集，还可通过示踪剂动力学建模计算出葡萄糖摄取代谢率（MRGlu）的参数图，从而为心肌存活性提供重要信息10。

计算机断层扫描（CT）需要使用大体积、高浓度的外部对比剂（CA）（碘浓度高达每毫升400毫克），以实现对相关组织成分（如血液与肌肉）的可测量增强效果；但在空间和时间分辨率方面表现优异，尤其是在使用专为小动物成像设计的先进微型CT扫描仪时更是如此。11 心脏PET/CT可应用于多种典型疾病模型，例如心肌梗死和心力衰竭及其对治疗反应的实验性评估。在小动物中诱导心肌梗死（MI）的常用方法是通过手术结扎左前降支（LAD）冠状动脉12,13，随后在术后数天内纵向评估疾病进展及心脏重构情况4。然而，对小动物心脏进行定量形态功能评估的方法也广泛适用于其他疾病模型，例如评估衰老对心脏功能的影响14，或在肥胖模型中研究受体表达的改变15。本文所介绍的成像方案并不局限于特定疾病模型，因此在多种小鼠和大鼠的临床前研究背景下均具有广泛的适用性和研究价值。

本文介绍了一种使用小动物一体化PET/CT进行心脏成像的从头到尾的实验方案。尽管本方案是针对特定的双模一体化扫描仪设计的，但所述的PET和CT部分也可在不同厂商的独立扫描仪上分别独立执行。在所使用的PET/CT扫描仪中，操作流程按预设的工作流程进行组织。每个工作流程的主要分支为一个或多个采集协议；每个采集协议可包含一个或多个特定预处理协议的分支，而每个预处理协议又可包含一个或多个特定重建协议的分支。本文详细描述了动物在成像床中的准备过程以及成像过程中需注射的外部试剂的制备方法。在完成图像采集后，提供了基于常用软件工具的定量图像分析示例流程。该主方案专为小鼠模型设计；尽管小鼠仍是该领域最常用的物种，本文还在主方案末尾展示了该方案在大鼠成像中的适应性调整。文中展示了小鼠和大鼠的代表性结果，以说明采用所述流程可能获得的输出类型。本文最后进行了深入讨论，重点阐述了该技术的优缺点、关键注意事项，以及如何在几乎无需修改准备、采集和重建步骤的情况下使用不同的PET放射性示踪剂。

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方案

动物实验遵循国际实验动物管理和使用指南中《实验动物护理和使用指南》的建议，符合欧洲指令（1986年指令86/609/EEC和2010/63/UE指令）以及意大利法律（D.Lgs. 26/2014）的要求。

1. PET/CT 成像方案与工作流程的设置

注意：本方案专为小鼠模型的心脏成像而设计。由于大鼠体型较大（重量约为小鼠的10倍），在用于大鼠时可能需要对方案进行某些修改。文中已在具体步骤中特别注明适用于大鼠成像的修改内容；若未提及修改，则大鼠成像可采用与小鼠相同的操作步骤。

  1. 打开 PET/CT 扫描仪的图形用户界面（GUI）（参见 材料表）并创建一套新方案（包含数据采集、预处理和图像重建的参数）：（i）一种 动态PET扫描，（ii）一个 低剂量CT扫描 用于衰减校正（CTAC) 无对比剂，以及 (iii) 一种 增强对比Cine-CT扫描.
    注意：创建用于数据采集、预处理和重建阶段的新协议（即断层扫描仪的特定软件指令）是一个简单直接的过程；若遇到问题，用户可在图形用户界面（GUI）用户手册中找到更详细的说明。
    1. 对于PET扫描，打开 实验方案 扫描仪的标签（GUI）并创建三个新协议（用于 采集，预处理， 和 重建）参数如下：
      1. 对于 采集 方案：设置 总扫描时间 3,600 s 和 单床位置将该方案以合适的名称保存，以便后续导入工作流程。对于接下来各步骤中的所有方案，均以相同方式处理。
      2. 对于 预处理 实验方案 小鼠：选择 a 250-750 keV 能量窗（EW） 并实现以下校正： 放射性衰变，随机符合事件，以及 死时间设置帧协议（即原始数据的动态分割）如下：8 × 5 秒，8 × 10 秒，3 × 40 秒，2 × 60 秒，2 × 120 秒，10 × 300 秒（= 3,600 秒）。对于 大鼠，选择一个 350-750 keV 能量窗 (EW），采用与小鼠实验方案相同的构图方式。
      3. 对于 重建 方案：选择基于高质量蒙特卡洛方法的三维有序子集期望最大化（3D Ordered Subset Expectation Maximization,3D-OSEM-MC) 算法，与 8个亚群 和 8 次迭代，其中 标准化，定量校正 和 CT衰减校正 启用。
    2. 用于低剂量CT扫描进行衰减校正（CTAC），使用以下参数：
      1. 对于 采集 实验方案 单帧、单床位、全扫描；管电压：80 kV，低电流（低剂量）；576 个投影视图 360°, 与 每次成像的曝光时间为34毫秒 (20 秒扫描时间); 旋转模式：连续，灵敏度模式：高灵敏度。
      2. 对于 预处理 方案 240 µm 体素大小，横向视野：大鼠，轴向视野：100%.
      3. 对于 重建 实验方案 滤波窗口：平滑，体素大小：标准 启用 射束硬化 和 环前校正，关闭环形伪影校正后的启用状态。
    3. 对于增强门控CT扫描，创建三个新协议（用于 采集，预处理， 和 重建）设置如下：
      1. 对于 采集 实验方案 小鼠：设置 单帧，单床位，全扫描；管电压：65 kV，全电流（低噪声）；8,000 次投影采集 360°，与 每次视图曝光时间15 ms（扫描时间120 s）；旋转模式：连续，灵敏度模式：高灵敏度。对于 大鼠，将采集协议参数设置如下： 80 kV 管电压，16,000 次投影 360°，其中 每次成像的曝光时间为12 ms (192 秒扫描时间).
      2. 对于 预处理 小鼠实验方案：选择 120 µm 体素大小；横向视野（FOV）：小鼠；轴向视野：50%。对于 大鼠，选择一个 240 µm 体素大小；横向视野（FOV）：大鼠；轴向视野：50%.
      3. 对于 重建 实验方案 滤波窗口：平滑，体素大小：标准；启用 射束硬化 和 环形预校正，禁用环形伪影后处理校正。
    4. 打开 工作流程 在图形用户界面（GUI）的标签页中创建一个新工作流，并按顺序添加刚刚建立的以下方案：PET 的步骤 1.1.1.1–1.1.1.3，CTAC 的步骤 1.1.2.1–1.1.2.3，以及门控 CT 的步骤 1.1.3.1–1.1.3.3。在两种情况下，均需确保这些方案按以下顺序嵌套排列： 采集 | 预处理 | 重建.
      注意：持续时间不同的动态 PET 帧 <5 秒的采集时间虽然可能更有利于在 PET 扫描开始时捕捉动脉输入函数的峰值，但并不推荐，因为这可能导致图像噪声增加，定量准确性降低。在步骤 1.1.2.2 中，我们使用了“Rat”尺寸作为横断面视场（FOV）。在 CTAC 中，该尺寸通常用于大鼠和小鼠。

2. PET/CT 成像的动物准备

注意：本实验方案中，所有动物均禁食过夜。

  1. 在诱导室中先用3%-4%（v/v）异氟烷麻醉小鼠，随后以1%-2%（v/v）异氟烷维持麻醉。
  2. 称重小鼠并测量基础血糖水平以监测动物状态。为采集所需血样，使用锋利的剪刀在尾尖处剪出一个小切口，然后轻轻按摩尾巴以收集一滴血液（~1 µL直接加样至试纸条上。
  3. 在尾静脉水平进行静脉通路置入操作，使用 29 G 蝴蝶用于 小鼠 和 24 G 用于 大鼠.
    1. 进行插管操作时，需同时对针头插入部位进行加热（通常使用加热灯）和消毒，以促进静脉血管扩张。插管完成后，用丝带将蝶形针固定在尾部，以确保操作过程中针头保持原位。
      注意：[18F]FDG 研究。不同的示踪剂可能涉及不同的动物准备步骤，但对此主题的深入讨论不在本方案的范围之内。至于 [18F]FDG 方面，避免禁食会导致示踪剂生物分布显著不同16.
  4. 打开麻醉系统（异氟烷 1%-2%，氧气流速 0.8 L/min）2 小鼠为1-1.2 L/min，大鼠为1-1.2 L/min）连接至PET-CT扫描仪，并将小鼠转移至扫描床。
  5. 将小鼠头朝前仰卧放置于PET-CT断层扫描仪的扫描床中，将其鼻子放入麻醉用鼻罩，并用胶带轻轻将小鼠头部固定于鼻罩上。
  6. 将小鼠的上下肢固定在扫描仪床面上，以防止成像过程中发生不自主运动，从而避免产生运动伪影。
  7. 使用直肠探针和呼吸垫分别监测体温和呼吸频率。

3. PET 示踪剂剂量的制备

  1. 对于小鼠，使用胰岛素注射器（1 mL）吸取10 MBq的[18F]FDG，体积为100–150 µL。对于大鼠，吸取较高剂量15 MBq，体积为0.20–0.25 mL。
    注意：避免使用更高活度，本方案中讨论的PET扫描仪具有极高的灵敏度，仅需适量活度即可获得高质量图像。
  2. 如果药瓶中示踪剂的原始浓度过高，可使用生理溶液（0.9% w/v NaCl）将示踪剂稀释至50–100 MBq/mL的浓度。
  3. 使用PET剂量校准器测量注射器中的实际活度。记录注射前的活度及测量时间，这些数值后续将通过PET扫描仪图形用户界面中的特定输入模块进行使用。

4. CT 对比剂制备

  1. 根据小鼠体重，每20 g抽取0.2 mL碘化脂质乳剂造影剂至1 mL注射器中。对于较重的小鼠，注射体积限制为0.5 mL造影剂。若使用碘美普尔，设置小鼠注射速率为10 mL/h（约0.17 mL/min），并限制注射体积不超过0.5 mL。
    1. 对于大鼠，将2.3–3 mL浓度稀释至200 mg/mL的碘美普尔抽入5 mL注射器中。
      注：若无法获得小动物用脂质乳剂造影剂，可使用注射泵持续注射碘美普尔，如下所述。
    2. 将注射器连接至注射泵，并根据实际使用的注射器尺寸和直径设置泵参数。
    3. 将注射器连接至造影剂输送管路和针头，并用造影剂预先充满管路。
    4. 设置注射速率为24 mL/h（= 0.4 mL/min），注射总量限制在最大2 mL以内。
      注：尽管因单次注射所需体积较大导致成本相对较高，但在大鼠中仍可使用基于碘化脂质乳剂的血池造影剂。若倾向于选择此方案（例如，为避免使用注射泵以简化操作流程），可采用以下步骤：
  2. 按每千克体重7.5 mL的剂量，将碘化脂质乳剂造影剂抽入5 mL注射器中。对于较重的大鼠，注射体积同样限制为2 mL造影剂。

5. 成像前的动物体位固定及初步操作

  1. 将动物固定在成像床后，在断层扫描仪的图形用户界面（GUI）上创建一项新研究。在研究名称模块中添加研究名称标识符，并从下拉菜单中选择先前保存的成像工作流程。
  2. 通过动物/样本信息 | 解剖部位 | 心脏选择正确的解剖部位，并通过动物/样本信息 | 体位 | 仰卧/头先进选择动物体位。在相应模块中注明动物体重（单位为克）：动物/样本信息 | 动物体重。
    注意：本节中所有其他信息均为可选项，但建议尽可能完整填写，以便在重建图像的DICOM文件头中查找相关信息，从而便于后续数据检索。
  3. 在PET扫描信息 | F18中选择放射性核素，用于[18F]FDG研究及其他18F标记化合物；若使用其他示踪剂（例如[13N]NH3），请相应修改。同时在PET扫描信息 | 示踪剂名称模块中填写示踪剂名称，该名称将在图像重建完成后记录于DICOM文件头中。
    注意：示踪剂注射时间、活度和体积信息为必填项，但可在PET采集过程中稍后补充。
  4. 在CT扫描信息中，填写有关对比剂的所有可用信息。
    注意：所有此类信息均为可选项，但若提供，将有助于后续数据检索。
  5. 点击执行扫描，等待GUI中打开新标签页，以进行动物定位并设置其他扫描选项。
  6. 在CT校准 | 使用默认CT校准中选择CT校准类型。
  7. 在研究准备部分，从下拉菜单中选择每一项扫描协议，并勾选在此扫描前等待用户确认复选框。
    注意：此步骤至关重要，因其将使扫描仪进入待机状态，在开始相应采集阶段前等待用户输入。对于PET扫描，这可实现示踪剂注射与实际PET扫描启动的同步；对于CT衰减校正（CTAC）扫描，可在X射线发射前允许用户关闭扫描舱盖（屏蔽）；若扫描开始前舱盖未关闭，研究将自动中止；对于动态容积CT（Cine-CT）扫描，此暂停可使用户在设定延迟后启动对比剂输注协议和CT数据采集。
  8. 进行动物定位时，使用GUI左侧窗格中的开关启动电机控制模块。
    注意：此操作将开启动物床的中心激光线，并启用扫描仪侧面的手动床体对齐按钮。
  9. 使用手动床体对齐按钮，将动物胸部移至激光标记位置。仔细检查动物的纵向和垂直方向对齐情况。
  10. 当动物根据中心激光线准确定位后，按下关闭激光以保存当前激光标记的位置，该位置将在相应的PET和CT采集阶段自动移至扫描仪中心。随后，关闭电机控制模块。

6. PET 扫描

  1. 按下开始采集按钮，将动物移入PET扫描仪的视场（FOV）内。尾巴和导管将保留在视场外，以便进行示踪剂注射。扫描仪将保持空闲状态，直到用户按下继续按钮。
  2. 用已校准的PET示踪剂剂量准备注射器。
  3. 按下继续按钮开始采集，并在扫描开始后5秒内开始通过导管注射示踪剂（图1）。
    注意：注射持续时间约为20–25秒。
  4. 将注射器放入PET剂量校准仪中，测量注射器内的残留放射活性。记录实际放射活性及测量时间。
  5. 在扫描仪图形用户界面（GUI）的硬件监控选项卡中，使用更新PET示踪剂信息按钮输入实际注射时间、放射活性和体积。
  6. 扫描过程中，定期检查动物的生理参数。
  7. 扫描期间，按照步骤2.2所述方法，在PET扫描开始后的以下时间点测量血糖水平：5分钟、20分钟、40分钟和60分钟。
  8. 血糖测量后，将试纸条放入γ计数器中，进行60秒的放射活性测量。记录实际测量时间，并以示踪剂注射时刻为参考时间，对放射性衰变进行校正。根据试纸条中平均血液体积为1 µL，将记录的放射活性值转换为血液中的放射活性浓度（Bq/mL）（即使用公式[1]）：
    Cblood(t) = Ablood(t)/0.001 mL [Bq/mL]    (1)
    其中Ablood(t)为试纸条中血样经衰变校正后的测量放射活性，单位为Bq。
    注意：PET扫描启动和示踪剂注射可由同一操作人员完成，使用位于扫描仪侧边操作台上的移动控制设备进行操作。允许扫描开始与注射开始之间存在较长延迟，但动态序列初始阶段的部分重建帧将为空白。建议避免超过10秒的延迟（根据当前协议，这将导致两个空白帧）。

技术人员正在处理样本以进行扫描分析的磁共振成像装置示意图。
图1：注射PET示踪剂。 该操作在PET扫描开始后立即进行。动物位于PET视野内（头部朝前，尾部在操作者一侧可见）。缩写：PET = 正电子发射断层扫描。 请点击此处查看该图的放大版本。

7. CT 扫描

  1. 在注射CT对比剂之前，关闭扫描仪盖子并在图形用户界面（GUI）上按下继续按钮后，立即开始CTAC扫描。在此次极短时间的采集结束后，采用以下步骤，确保在使用与PET示踪剂注射相同的血管通路注射对比剂（CA）后，血液池得到充分增强。
    1. 碘化脂质乳剂对比剂：
      1. CTAC扫描完成后，通过已连接至小鼠尾静脉的套管注射碘化脂质乳剂对比剂。典型注射持续时间为30–60秒。
      2. 注射完成后立即开始成像。在扫描仪的GUI上按下继续按钮，以启动Cine-CT采集。
    2. 碘美普尔/注射泵：
      1. 若使用常规X射线对比剂（如碘美普尔），应使用注射泵以恒定速率进行缓慢注射。
      2. 对于小鼠，通过将注射体积限制为0.5 mL，将对比剂的注射速率设定为10 mL/h（约0.17 mL/min）。在此设置下，约3分钟后停止注射。对于大鼠，将泵的速率设定为24 mL/h（= 0.4 mL/min），并将注射体积限制为2 mL。在此设置下，5分钟后停止注射。
      3. 将连接在对比剂管路末端的针头接入尾静脉套管，确保管路和针头均已预先充满对比剂。
      4. 开始注射。关闭扫描仪盖子，并准备进行Cine-CT扫描。
      5. 对于小鼠，在注射开始后60秒，对于大鼠，在注射开始后90秒，按下断层扫描仪GUI上的继续按钮，以启动Cine-CT采集。对比剂的注射将在小鼠实验中大致与Cine-CT扫描结束同时停止，而在大鼠实验中则在扫描结束后停止。
  2. Cine-CT扫描完成后，断开动物与生理监测系统的连接，并移除尾静脉套管。根据具体实验方案，动物在完成所述成像程序后可选择恢复或实施安乐死。在恢复情况下，动物应在温暖环境中置于笼内，并在红外灯下苏醒。需持续监测直至完全清醒，通常在气体麻醉结束后15至30分钟内完成。若实验方案要求在成像结束后进行组织取材等操作，则应按照D.Lgs. 26/2014法令附件VI的规定，在诱导室中使用过量麻醉剂（5%异氟烷）对动物实施安乐死。
    注意：如本方案中讨论的基于18F的放射性核素，在示踪剂注射后24小时，动物体表残留的放射性水平已降至实际操作意义上的安全水平。

利用内在心肺门控技术重建心脏4DCT图像

注意：成像研究完成后，PET 和 CT 的标准重建将自动进行。然而，4D（电影）心脏 CT 序列的重建必须手动完成，并需要一些用户交互操作。这种特殊类型的重建对于后续的心脏 CT 形态-功能分析是必需的，本节将对此进行讨论。

  1. 打开断层扫描仪图形用户界面中的心电门控模块，并选择待分析的成像研究。
  2. 在显示的动物X光片上选择一个感兴趣区域（ROI）（图2），用于构建代表门控信号的时间依赖性心脏运动曲线——即运动图。垂直移动预绘制的矩形ROI，使其同时包含心尖和膈肌。然后选择门控信号分析。此时用户界面将同时显示门控信号在时域和频域中的表现。
  3. 在第一个频域图中，通过高亮频谱中的第一组峰值来选择呼吸频率范围（参见图3中的示例频谱）。
  4. 在第二个频域图中，选择心脏运动频率范围，高亮第二个最尖锐的峰值。
  5. 在下一阶段，观察叠加了彩色标记（点）的时域门控信号，这些标记表示已识别的呼吸峰和心脏收缩峰。如果标记位置与原始门控信号中的呼吸和心脏峰吻合良好，则进入下一阶段；否则：
    1. 如果门控信号的形状与图3中显示的形状差异过大，请返回步骤8.2并选择另一个ROI。
    2. 如果门控信号的形状与图3中所示大致相似，请返回步骤8.3和步骤8.4，并在门控信号频谱上选择不同的频率范围。
  6. 在下一阶段，至少选择四个心脏门控相位。
    注：典型电影CT重建通常包含8–12个心脏门控相位。
  7. 使用下拉菜单选择合适的呼吸窗：呼吸窗 | 20%–80%。
    注：此设置将在重建中保留60%的采集数据，排除吸气峰值阶段，从而提高每个心脏相位中心肌壁的清晰度。
  8. 执行重建，将回顾性门控的电影CT图像转换为DICOM格式，以便导入后续功能分析软件中。

放射治疗中门控信号分析的X射线成像装置；扫描中可见脊柱和胸廓。
图2：内源性门控的感兴趣区域（ROI）选择工具。 该图像显示在Cine-CT重建阶段的断层扫描仪图形用户界面（GUI）中。用户必须在原始CT投影图像上选择感兴趣区域（ROI，黄色矩形）的位置，以从中提取内源性门控信号（即动态图谱，kymogram）。叠加在动物胸部的圆形物体是呼吸垫，仅用于研究期间的生理监测。缩写：ROI = 感兴趣区域；CT = 计算机断层扫描；GUI = 图形用户界面。 请点击此处查看该图的放大版本。

心脏-呼吸信号分析；频带、图表中的收缩标记、FFT 数据。
图 3：门控信号示例（上图）及其对应的频谱（中图和下图）。 图像由 Atrium 软件的心脏门控模块获取。用户必须为呼吸运动（中图）和心脏运动（下图）分别选择合适的频带。这将有助于在门控信号上识别呼吸和心脏标记，用户在进行 4D 重建之前必须仔细检查这些标记。若峰值识别错误或分配不当（例如将呼吸信号误判为心脏信号，或反之），将导致重建结果不准确。所示数据来自对一只健康的成年雄性 Wistar 大鼠（507 g）进行的 4D Cine-CT 扫描分析，该大鼠以 0.4 mL/min 的速率注射了 2 mL 浓度为 200 mg/mL 的碘美普尔，持续 5 分钟（上方图表为采集开始后前 22 秒的放大图，以便更清晰地显示识别出的心脏和呼吸运动）。缩写：CT = 计算机断层扫描。 请点击此处查看该图的放大版本。

9. PET 心脏分析

注意：本节介绍如何对小动物左心室的动态[18F]FDG 数据进行动力学分析。该分析基于 Carimas 软件。以下说明不能替代软件用户手册17。下述操作流程基于动态 PET 数据的 Patlak 图解分析法18。有关该分析的详细信息，请参见讨论部分。

  1. 打开动态 PET 扫描的 DICOM 图像。
  2. 选择 HeartPlugin 模块。
  3. 放大显示小鼠/大鼠心脏区域的图像，并选择最后一个时间帧（或等效地，选择最后三到五个时间帧的总和），此时大部分血池放射性信号已清除。
  4. 按照屏幕提示，沿动物心脏的主要解剖轴线（短轴、垂直长轴和水平长轴）重新定向图像。通过交互式移动显示的心脏基底部和心尖部标记来完成此操作（图 4）。
  5. 选择 分割 工具。
    注意：默认启用自动分割功能，大多数情况下可获得可靠结果。
  6. 如果自动分割结果不可接受，可通过启用 手动模式（ROI 搜索已禁用）来优化分割后的心肌和/或左心室腔的形状。
  7. 在 建模 工具中，选择适用于动态 PET 分析的适当动力学模型。本实验中选择 图形法 | Patlak ，以启用 Patlak 作图法分析，用于计算每个心肌节段的葡萄糖代谢率（MRGlu）。
  8. 在 polarmap 工具中，选择正确的心脏节段数量。本实验中选择 17 个节段。
  9. 现在，按下 拟合 按钮，执行 Patlak 分析的拟合过程。
  10. 拟合过程结束后，观察显示的 Ki 值极坐标图（即线性回归斜率，单位为 mL/[mL × min]）。
  11. 根据表格中各节段显示的 Ki 值，使用公式（2）计算 MRGlu：
    MRGlu = (Ki × PGlu)/LC    （2）
    其中 PGlu 为通过血样测得的血浆葡萄糖浓度（mmol/L），而 LC（合并常数）为经验系数，用于校正普通葡萄糖与 FDG 在摄取上的差异。有关不同实验条件下合并常数的典型取值，可参见例如 Ng 等人22 的研究。
    注意：在开始 PET 分析之前，建议在 PET 分析软件工具中直观检查动态 PET 图像序列，以排除研究过程中不同时间帧之间的宏观动物运动。若存在运动，应尽可能在分析前进行适当图像配准（超出本方案范围）。

显示辐射分布的核医学扫描图像，器官功能分析。
图4：PET分析软件的重定向工具。 三维空间中两条简单线段的投影分别显示在三个标准平面（横断面、冠状面和矢状面）上。第一条线段允许用户选择心脏的基底部和心尖，第二条线段用于选择心脏的左侧和右侧。此步骤生成一幅新的（插值后）PET图像（底行），使心脏沿标准AHA方位重新定向。图像由Carimas软件获取，来自一只体重51 g的健康成年雄性CD-1小鼠，注射了10 MBq的[18F]FDG。缩写：PET = positron emission tomography；AHA = American Heart Association；FDG = fluorodeoxyglucose。 请点击此处查看该图的放大版本。

10. 心脏电影CT分析

注意：本节介绍如何对电影CT心脏图像进行定量分析，以获取心脏功能的全局定量数据。该分析基于Osirix MD软件。以下说明不能替代Osirix用户手册24。

  1. 在软件中加载Cine-CT扫描的DICOM图像。
  2. 使用内置的4D查看器打开动态数据集。
  3. 使用三维多平面重建（MPR）工具，沿短轴方向重新定向图像数据（图5）。
  4. 将重新定向后的数据导出为DICOM格式，确保导出完整的4D数据，并保持切片厚度（与原始数据相同）和图像位深度（每个体素16位）。
  5. 使用4D查看器打开导出的4D MPR图像。
  6. 选择一个对应于舒张末期的时间帧。使用主工具栏上的时间滑块浏览所有时间帧，以确保选择正确的心动周期时相。
  7. 在该时间帧上，选择闭合多边形标注工具，并手动勾画左心室（LV）的心内膜边界。
  8. 从基底部到心尖部的10–20个切片中重复此操作，确保所有感兴趣区域（ROI）具有相同的名称（例如，LVENDO）。
  9. 在ROI菜单中，选择ROI体积 | 生成缺失的ROI，通过手动绘制的ROI插值生成所有短轴切片上的ROI。
  10. 在ROI菜单中，选择ROI体积 | 计算体积，以计算具有相同ROI名称的ROI组的体积。
  11. 浏览时间帧，选择一个对应于收缩末期（左心室体积较小）的时相，并重复上述步骤10.7–10.10。
  12. 使用公式（3）和（4）计算每搏输出量（SV）和射血分数（EF）：
    SV = EDV - ESV [mL]    （3）
    EF = 100 × SV/EDV [%]    （4）
    其中EDV为舒张末期容积，ESV为收缩末期容积。

CT扫描分析；胸部横断面成像；医学诊断工具；解剖学研究。
图5：多平面重建工具的图形界面。 该工具用于对Cine-CT数据进行重新定向，以便后续进行功能分析。用户应在屏幕左侧旋转和平移参考轴，使心脏的短轴视图显示在右侧。此操作完成后，用户可将重新定向后的图像导出为一组DICOM文件。图像由Osirix MD获取，数据来自一只健康的成年雄性Wistar大鼠（507 g），注射2 mL碘美普尔（iomeprol，200 mg/mL），注射速率为0.4 mL/min，持续5 min，采用滤波反投影法重建，体素大小为0.24 mm3。 请点击此处查看该图的放大版本。

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结果

本节展示了按照前述步骤进行PET和CT分析的典型结果。图6显示了对照组（健康）CD-1小鼠[18F]FDG PET扫描的心肌和左心室腔自动分割结果。尽管右心室在重建图像中并不总是可见，但基于DICOM文件头信息的方位轴可用于准确区分室间隔与其他左心室壁，这对于根据美国心脏协会（AHA）推荐标准可靠识别标准节段至关重要25。在心肌缺血情况下，示踪剂摄取的区域性降低是心肌活力丧失的典型表现。这种情况不一定与灌注减少相关，后者需要使用不同的示踪剂（例如[13N]NH3或[15O]H2O）才能在PET图像中显示。即使在健康个体中，PET图像中也常观察到心尖区域的重建值较低（见图6）。这可能是由于心尖部心肌厚度（通常）较左室侧壁或室间隔更薄，导致部分容积效应更为显著所致。

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讨论

本文所述方案聚焦于利用高分辨率PET/CT成像技术在心脏损伤的小动物模型中开展转化心血管研究的典型实验流程。所展示的结果表明，PET与电影CT（Cine-CT）图像具有高度的定量与定性价值，可同时提供全心的葡萄糖代谢、形态结构以及收缩动态的功能性和结构性信息。此外，所获得的所有图像均为三维、时间分辨且具有各向同性的像素间距；从图像处理的角度来看，这一特性具有显著优势，因其无需在扫描前由操作人员依赖经验选择沿心脏标准轴向的特定切面方向。

本文包含基于动态正电子发射断层扫描（PET）数据Patlak图解分析的实验方案18。此类分析可用于描述示踪剂在组织中的不可逆摄取，这对于[18F]FDG而言是一种良好的近似，因为在心肌中，去磷酸化或代谢产物的影响通常可忽略不计19。在此近似条件下，衰变校正后的组织活性浓度CT(t)与衰变校正后的血浆活性浓度CP(t)之比可用以下方程（5）近似表示：

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披露

Daniele Panetta 获得了用于 R 的资助&Inviscan Sas 微型CT仪器的D部分。

致谢

本研究部分得到了 JPI-HDHL-INTIMIC "GUTMOM" 项目的支持：母体肥胖与子代认知功能障碍：肠道微生物组的因果作用及早期饮食预防（项目编号 INTIMIC-085，意大利教育、大学与研究部第 946/2019 号法令）。

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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
0.9% 无菌生理盐水Fresenius Kabi注射用 0.9% 氯化钠溶液
1025L 生理参数监测仪Small Animal Instruments用于小动物成像的生理监测系统
5 mL 注射器Artsana带针头的注射器，用于注射 PET 示踪剂
Atomlab 500Else NuclearPET 放射性剂量校准仪
Atrium 软件Inviscan版本 1.5.5PET/CT 操作软件
蝶形导管Delta Med27.5 G 针头
Carimas 软件Turku PET 中心版本 2.10图像分析软件
Fenestra VCMedilumine用于小动物的含碘脂质乳剂对比剂
加热灯带夹具和开关的加热灯
胰岛素注射器Artsana带针头的注射器，用于注射 CT 对比剂
Iomeron 400 mgI/mLBracco碘美普尔，血管对比剂
IRIS PET/CTInviscan用于小动物的 PET/CT 扫描仪
异氟烷Zoetis吸入性麻醉剂，250 mL
OneTouch 血糖仪Johnson&Johnson Medical血糖检测仪套装
Osirix MD 软件Pixmeo版本 11图像分析软件
氧气Air liquide压缩气体
适用于 1025L 的直肠探头Small Animal Instruments带电缆的直肠探头，用于 SAII 1025L 系统
适用于 1025L 的呼吸传感器Small Animal Instruments带管路的呼吸垫，用于 SAII 1025L 系统
TJ-3A 注射泵Longer电动注射泵，用于 CT 对比剂注射

参考文献

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