来源: Alycia G. Berman、James A. Schaber 和 Craig J. Goergen,普渡大学韦尔登生物医学工程学院,印第安纳州西拉法叶
本文将演示使用小鼠进行单光子发射计算机断层扫描/计算机断层扫描(SPECT/CT)成像的基本原理。该技术包括向小鼠体内注射放射性核素,…
1. 体内成像装置设置
2. SPECT/CT 成像
3. SPECT/CT 重建
结合SPECT-CT扫描可同时提供有关特定目标器官的解剖学和功能信息。
单光子发射计算机断层扫描(SPECT)成像通过伽马相机直接检测经静脉注射的放射性物质所发出的辐射,从而实现对生物活性的无创成像,而不仅仅是器官的静态图像。
当与计算机断层扫描(CT)结合时,SPECT-CT成像可提供代谢数据和解剖学信息,这些信息在多种应用中具有重要价值。
本视频将阐述单光子发射计算机断层扫描-计算机断层扫描(SPECT-CT)成像的基本原理,并简要介绍 SPECT-CT 图像的采集、重建和分析方法。
SPECT-CT 成像利用两种独立的成像方式——SPECT 和 CT,将功能评估与解剖学信息相结合,从而提高整体诊断能力。
在CT中,采集多个二维X射线图像以构建患者或动物解剖结构的三维模型。CT成像过程中,X射线从源头发射。当X射线穿过患者时,部分X射线被吸收,其余则穿透患者。通常,高密度材料(如骨骼)比低密度材料(如软组织)吸收更多的X射线。
未被吸收的X射线由置于患者另一侧的探测器收集,该探测器以亨氏单位(Hounsfield Units)测定未吸收X射线的强度。由此生成一幅二维图像,称为一个切片。随后,X射线源和探测器围绕患者旋转,以获取一系列二维切片。这些切片随后被重建以生成三维模型。
与CT成像类似,SPECT是一种核医学成像技术,通过探测注入患者体内的放射性示踪剂所发出的辐射来进行成像。注入体内的示踪剂随时间推移发生衰变,释放出γ射线,γ相机探测这些射线并生成二维图像。与CT类似,γ相机在不同位置采集多个二维图像以形成断层图像,随后可重建为三维模型。
本研究展示了小鼠的SPECT-CT成像。重建的小鼠CT图像与SPECT图像进行叠加,生成同时显示解剖结构与功能信息的融合图像,其中SPECTRACE以彩色显示,CT扫描以灰度显示。
在回顾了SPECT-CT成像的基本原理之后,接下来让我们来看一下实验方案。
首先,打开系统软件。然后,在软件中选择相应选项,设置扫描的CT部分以使X射线管预热。系统将开始加热X射线管。
将小鼠放入麻醉诱导室,使用异氟烷对其进行麻醉。随后,将小鼠转移至配备鼻罩的实验台。接着,采用脚趾夹捏法确认小鼠已失去意识。然后,向麻醉后的小鼠注射放射性核素锝-99m。等待该放射性核素在血液中分布并开始衰变。对于心脏学应用,可在注射后几乎立即开始扫描;而肿瘤成像则可能需要等待数小时至数天。
接下来,将小鼠放置在配备有心电图(ECG)和呼吸监测传感器的SPECT-CT扫描床平台上。固定鼻罩并启动麻醉气体气流。打开小鼠加热垫,并利用传感器及设备内置摄像头监测小鼠的生理参数。
接下来,将小鼠床滑入准直器内。然后,获取小鼠的一幅单轴向图像作为参考,以确定动物在SPECT扫描期间的放置位置。以此参考图像为基础,设定一个感兴趣区域用于初步SPECT扫描。该初步扫描将帮助用户确定实验性SPECT扫描的参数设置,包括采集图像的数量、每幅图像的采集时间、扫描模式或探测器旋转路径,以及用于提高图像精度或加快成像速度的步进模式。
接下来,设定CT扫描的参数,例如管电流和电压、旋转角度、扫描速度以及每个旋转角度采集的图像数量。最后,通过按下开始采集按钮来启动数据采集。扫描持续时间取决于扫描参数,通常为30至60分钟。
扫描完成后,将床板从准直器中取出,并将小鼠从床板上取下。监测小鼠直至其恢复意识并能正常活动。所采集的SPECT和CT图像现在可分别进行重建,随后使用内置软件进行融合。
现在让我们回顾SPECT-CT成像的结果。
该图显示了使用锝-99m标记示踪剂在小鼠中获得的典型SPECT-CT融合扫描图像。融合的SPECT-CT扫描图像中,SPECT数据以黄色至橙色的不同色调显示,并叠加在以灰色色调显示的CT数据之上。
在SPECT数据中,生理活动的程度通过颜色的强度来显示。因此,黄色区域的活动程度高于橙色区域。
现在让我们来看看核医学技术如何被用于获取更精确的成像数据,以提高医学诊断的准确性。
在癌症筛查中,使用放射性示踪剂选择性地靶向肿瘤中发现的特定细胞表面受体。SPECT-CT图像中放射性示踪剂的摄取表明肿瘤的存在。
PET-MRI 联用成像技术是另一种用于疾病诊断和治疗监测的混合成像方法,因为它能够同时提供软组织的高对比度图像和代谢信息。高对比度区域提示放射性标记示踪剂的摄取,可能提示癌症筛查中存在转移灶。这些融合的 PET 与 MRI 图像显示了多发高代谢性肺转移灶,以及右心室流出道的心脏转移灶。
为了评估心肌梗死新治疗策略的疗效,需要对急性期以及长期预后进行评价。通过静脉注射对比剂,对小鼠心脏进行连续的PET-MRI成像。MRI检查通常持续30分钟,PET扫描则持续45分钟。这一时程对于评估新型治疗手段具有重要意义,因为新疗法的作用时间进程可能尚不明确。MRI上显示的强化区域代表无存活能力的心肌组织,这些区域与FDG摄取减少的区域相对应,提示可能存在冠状动脉阻塞或梗死灶。
您刚刚观看了JoVE关于单光子发射计算机断层扫描与计算机断层扫描成像结合技术的介绍视频。现在您应该了解如何设置SPECT和CT参数、执行联合扫描以及分析图像。您还应了解核成像在生物医学应用中的使用方法。感谢观看!
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Q1: What is the main advantage of combining SPECT and CT imaging?
Combined SPECT-CT imaging provides both functional and anatomical information simultaneously. SPECT measures metabolic activity via injected radioactive tracers, while CT creates detailed anatomical images using X-rays. This hybrid approach improves diagnostic ability by showing where biological activity occurs within the body's precise anatomical structure.
Q2: How does SPECT imaging differ from CT imaging in terms of data collection?
SPECT directly measures radiation emitted from an injected radioactive tracer using a gamma camera, capturing functional biological activity. CT collects multiple 2D X-ray images as the source and detector rotate around the patient, with X-rays absorbed differently by tissues based on density. Both modalities acquire 2D slices that are reconstructed into 3D models.
Q3: What role do physiological monitoring sensors play during SPECT-CT scanning?
ECG and respiration monitoring sensors track the animal's vital functions during imaging. These sensors, along with the device's internal camera, allow operators to continuously monitor physiological parameters and ensure the subject remains stable throughout the 30 to 60-minute scan. This monitoring is essential for maintaining data quality and animal safety during the procedure.
Q4: How are SPECT and CT images combined to create a final diagnostic image?
Individual SPECT and CT images are first reconstructed separately using built-in software to create 3D datasets. The reconstructed images are then overlaid, with SPECT data displayed in color gradients (yellow to orange indicating activity intensity) and CT data shown in grayscale. This merged visualization displays both metabolic function and anatomical structure in a single image.
Q5: Why is timing important when injecting a radionuclide tracer for SPECT-CT imaging?
The timing depends on the clinical application. For cardiac imaging, scans can begin almost immediately after injection because the tracer quickly distributes in the bloodstream. For tumor imaging, wait times may extend several hours to days to allow selective tracer uptake in target tissues. Proper timing ensures optimal tracer distribution and image quality for the specific diagnostic goal.
Q6: What information does color intensity convey in a SPECT-CT image?
Color intensity in SPECT data directly represents the degree of physiological activity in tissues. Yellow areas indicate higher metabolic activity or greater tracer uptake, while orange areas show lower activity. This color gradient allows clinicians to visually identify regions of abnormal metabolism, such as tumors or areas of reduced blood flow, overlaid on the precise anatomical context provided by CT.
Q7: How does SPECT compare to PET in terms of cost and image resolution?
SPECT has lower spatial resolution than PET because it detects single gamma photons directly, whereas PET detects two gamma photons emitted in opposite directions. However, SPECT is less expensive because its radioactive isotopes, such as technetium-99m, are more readily available than PET isotopes. Despite lower resolution, SPECT-CT provides clinically useful metabolic and anatomical information for many diagnostic applications.