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

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。

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：此处提供的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该方案进行某些修改。针对大鼠成像的修改已在各步骤中特别注明；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（参见材料表）的图形用户界面（GUI），并创建一组新协议（包含数据采集、预处理和图像重建的参数）：(i) 动态PET扫描，(ii) 用于衰减校正（CTAC）的低剂量CT扫描（无对比剂），以及(iii) 含对比剂的门控Cine-CT扫描。
   注意：为数据采集、预处理和重建阶段创建新协议（即针对断层扫描仪的特定软件指令）是一个简单的过程；如遇问题，用户可在GUI用户手册中找到更详细的说明。
   1. 对于PET扫描，在扫描仪（GUI）的协议选项卡中创建三个新协议（分别用于采集、预处理和重建），参数如下：
      1. 对于采集协议：设置总扫描时间为3,600 s和单床位位置。将此协议以适当名称保存，以便后续导入工作流程。以下各步骤中的所有其他协议也需同样操作。
      2. 对于小鼠的预处理协议：选择250–750 keV能量窗（EW），并启用以下校正：放射性衰变、随机符合事件和死时间。设置帧格式协议（即原始数据的动态分割）如下：8 × 5 s，8 × 10 s，3 × 40 s，2 × 60 s，2 × 120 s，10 × 300 s（= 3,600 s）。对于大鼠，选择350–750 keV能量窗（EW），帧格式与小鼠协议相同。
      3. 对于重建协议：选择高质量、基于蒙特卡洛的三维有序子集期望最大化（3D-OSEM-MC）算法，设置8个子集和8次迭代，并启用归一化、定量校正和CT衰减校正。
   2. 对于用于衰减校正的低剂量CT扫描（CTAC），使用以下参数：
      1. 对于采集协议：单帧、单床位位置、全扫描；管电压设置：80 kV，低电流（低剂量）；360°范围内576个投影，每个投影曝光时间为34 ms（扫描时间为20 s）；旋转方式：连续，灵敏度模式：高灵敏度。
      2. 对于预处理协议：体素尺寸：240 µm，横向视野（FOV）：大鼠，轴向视野（FOV）：100%。
      3. 对于重建协议：滤波窗：平滑，体素尺寸：标准，启用束硬化校正和环状伪影预校正，禁用环状伪影后处理校正。
   3. 对于含对比剂的门控CT扫描，创建三个新协议（分别用于采集、预处理和重建），参数设置如下：
      1. 对于小鼠的采集协议：设置单帧、单床位位置、全扫描；管电压设置：65 kV，全电流（低噪声）；360°范围内8,000个投影，每个投影曝光时间为15 ms（扫描时间为120 s）；旋转方式：连续，灵敏度模式：高灵敏度。对于大鼠，采集协议参数设置如下：管电压80 kV，360°范围内16,000个投影，每个投影曝光时间为12 ms（扫描时间为192 s）。
      2. 对于小鼠的预处理协议：选择体素尺寸为120 µm；横向视野（FOV）：小鼠；轴向视野（FOV）：50%。对于大鼠，选择体素尺寸为240 µm；横向视野（FOV）：大鼠；轴向视野（FOV）：50%。
      3. 对于重建协议：滤波窗：平滑，体素尺寸：标准；启用束硬化校正和环状伪影预校正，禁用环状伪影后处理校正。
   4. 在GUI中打开工作流程选项卡，创建一个新的工作流程，并按顺序添加刚刚创建的协议：PET部分使用步骤1.1.1.1–1.1.1.3，CTAC部分使用步骤1.1.2.1–1.1.2.3，门控CT部分使用步骤1.1.3.1–1.1.3.3。在所有情况下，确保协议按以下顺序嵌套：采集 | 预处理 | 重建。
      注意：动态PET帧持续时间<5 s 可更准确地捕获PET扫描初期动脉输入函数的峰值，但不推荐使用，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“大鼠”尺寸作为横向视野（FOV）。这在CTAC中通常适用于大鼠和小鼠。

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。采集所需血样时，使用锋利的剪刀在尾尖处剪出小切口，轻轻按摩尾部，将一滴血液（约1 µL）直接收集到试纸上。
3. 使用静脉通路装置在尾静脉水平进行穿刺置管 29 G 蝴蝶 for 小鼠 和 24 G 用于 大鼠.
   1. 进行插管操作时，需同时对穿刺部位进行加热（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，但对此主题的详尽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. 将小鼠仰卧位、头部朝前放置于PET-CT断层扫描仪的扫描床上，将其鼻子放入麻醉用鼻罩中，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，本方案中所述的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使用。

4. CT 对比剂的制备

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，造影剂注射体积限制在0.5 mL以内。若使用碘美普尔，则将小鼠的注射速率设定为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，取2.3–3 mL浓度稀释至200 mg/mL的碘美普尔，注入5 mL注射器中。
      注：若无法获得小动物专用脂质乳剂造影剂，可使用注射泵持续输注碘美普尔，如下所述。
   2. 将注射器连接至注射泵，并根据所用注射器的实际尺寸和直径设定泵参数。
   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. 设定注射速率为24 mL/h（= 0.4 mL/min），注射总量限制在最大2 mL以内。
      注：尽管由于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。若优先选择此方案（例如，为避免使用注射泵以简化操作流程），可采用以下操作步骤：
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，造影剂注射体积同样限制在2 mL以内。

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上后，在断层扫描仪的图形用户界面（GUI）上创建一项新的研究。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之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 | 仰卧位/头先进选择动物体位。在对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，但尽可能提供所要求的信息有助于在重建图像的DICOM文件头中查找这些信息，从而便于后续的数据查询。
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），则进行相应修改。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、活度和体积的信息为必填项，但可在PET扫描过程中稍后提供。
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，但若提供，将有助于后续的数据查询。
5. 点击执行扫描，等待GUI的另一个标签页打开，以允许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：此步骤非常重要，因为它会使扫描仪进入待机状态，等待用户输入后才开始相应的采集阶段。对于PET扫描，这将允许示踪剂注射与实际PET扫描启动之间的同步；对于CTAC扫描，这将允许用户在CT扫描开始前关闭扫描仪盖板（屏蔽）（如果CT扫描开始前盖板未关闭，研究将自动中止）；对于动态CT扫描，此暂停将允许用户启动对比剂输注协议，并在设定延迟后开始CT数据采集。
8. 进行动物定位时，使用GUI左侧面板上的开关打开电机控制模块。
   注意：此操作将启动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的胸部移至激光标记位置。仔细检查动物在纵向和垂直方向上的对齐情况。
10. 当动物根据中心激光线被正确放置后，点击关闭激光以保存当前激光标记的位置，该位置将在相应的采集阶段被移至PET和CT扫描仪的中心。随后，关闭电机控制模块。

6. PET 扫描

1. 按下 Start acquisition 以将动物移入 PET 扫描仪的视场（FOV）。尾巴和套管将保持在视场之外，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 Continue 按钮。
2. 用已校准的 PET 示踪剂剂量准备注射器。
3. 通过按下 Continue 按钮开始采集，并在扫描开始后 5 秒内开始通过套管注射示踪剂（图 1）。
   注意：注射持续时间约为 20–25 秒。
4. 将注射器放入 PET 剂量校准器中，测量注射器中的残留放射性活度。记录实际活度及测量时间。
5. 在扫描仪图形用户界面（GUI）的 Hardware monitor 选项卡中，使用 Update PET tracer info 按钮输入实际注射时间、活度和体积。
6. 扫描过程中，定期检查动物的生理参数。
7. 扫描过程中，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：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 秒的放射性活度测量。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。根据葡萄糖试纸条中平均血容量为 1 µL，将测得的活度值转换为活度浓度（Bq/mL）（即使用公式 [1]):
   C_blood(t) = A_blood(t)/0.001 mL [Bq/mL]    (1)
   其中 A_blood(t) 是试纸条中血液样本经衰变校正后的测量活度，单位为 Bq。
   注意：PET 扫描启动和示踪剂注射可由同一操作员使用放置在扫描仪侧边操作台上的移动控制设备完成。允许扫描启动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。建议避免超过 10 秒的延迟（即根据当前方案，会导致两个空白帧）。

图1：PET示踪剂的注射。 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进行对比剂（CA）注射后，血液池得到充分增强。
   1. 碘化脂质乳剂对比剂：
      1. 完成CTAC扫描后，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界面上点击继续按钮，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缓慢注射。
      2. 对于小鼠，将对比剂的注射速率设定为10 mL/h（约0.17 mL/min），并将注射体积限制为0.5 mL。在此设置下，约3分钟后停止注射。对于大鼠，将泵速设定为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. 将连接对比剂管路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界面上的继续按钮，以启动Cine-CT采集。对比剂的注射将在小鼠的Cine-CT扫描结束时大致同步停止，而在大鼠中则在扫描完成后停止。
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，将动物置于温暖环境中的笼内，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，则应按照意大利立法法令D.Lgs. 26/2014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。垂直移动预设的矩形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。

图2：用于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。

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 重建之前必须对此进行核对。若峰值识别错误或分配错误（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。所示数据来自一次健康成年雄性 Wistar 大鼠（507 g）的 4D Cine-CT 扫描分析，该大鼠以 0.4 mL/min 的速率在 5 分钟内注射了 2 mL 碘美普尔（iomeprol，200 mg/mL）。（上方图形为采集前 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。有关此分析的详细信息，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基本清除。
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：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理想，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分析的合适动力学模型。此处选择图形法 | Patlak ，以启用Patlak图分析，用于计算每个心脏节段的葡萄糖代谢率（MR_Glu）。
8. 在polarmap 工具中，选择正确的心脏节段数量。此处选择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K_i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K_i值，使用公式（2）计算MR_Glu：
    MR_Glu = (K_i × P_Glu)/LC    （2）
    其中P_Glu为通过血样测得的血浆葡萄糖浓度（mmol/L），而合并常数（LC）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等人的研究²²。
    注：在开始PET分析之前，建议在PET分析软件工具中目视检查动态PET图像序列，以排除研究过程中不同时间帧之间存在的宏观动物运动。若存在运动，应尽可能在分析前进行适当图像配准（此步骤不在本方案范围内）。

图4：PET分析软件的重定向工具。 在三个标准平面（横断面、冠状面和矢状面）上分别显示了三维空间中两条简单线段的投影。第一条线段允许用户选择心脏的基底部和心尖，第二条线段则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表示法重新定向。图像使用Carimas软件从一只体重51 g的健康成年雄性CD-1小鼠获得，该小鼠注射了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相位。
7. 在此时间帧上，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. 从基底部到心尖部选择10–20个切片进行相同操作，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. 浏览各时间帧，选择一个对应于收缩末期（左心室体积较小）的相位，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。

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。用户应旋转和移动屏幕左侧的参考轴，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。图像使用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。

结果

本节展示了迄今为止所述 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 文件头的方向轴可用于正确区分室间隔与其他左心室壁，这是根据美国心脏协会（AHA）建议可靠识别标准节段所必需的²⁵。在心肌缺血的情况下，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周围重建值较低（见图6）。这可能是由于心尖部位心肌厚度（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。

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性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，能够同时提供全心范围内的葡萄糖代谢、心脏形态及其收缩动态的功能与结构信息。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者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图解分析的一种实验方案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，衰变校正后的组织放射性浓度C_T(t)与衰变校正后的血浆放射性浓度C_P(t)之比可用以下方程（5）近似表...

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 500	Else Nuclear		PET 放射性剂量校准仪
Atrium 软件	Inviscan	版本 1.5.5	PET/CT 操作软件
蝶形导管	Delta Med		27.5 G 针头
Carimas 软件	Turku PET 中心	版本 2.10	图像分析软件
Fenestra VC	Medilumine		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/mL	Bracco		碘美普尔，血管对比剂
IRIS PET/CT	Inviscan		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