结合 SPECT 和 CT 成像，使心脏功能可视化

Combined SPECT and CT Imaging to Visualize Cardiac Functionality

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Combined SPECT and CT Imaging to Visualize Cardiac Functionality

6.4: Near-infrared Fluorescence Imaging of Abdominal Aortic Aneurysms

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09:08 min

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January 16, 2018

Overview

资料来源:阿莉西亚·伯曼、詹姆斯·沙伯和克雷格·戈尔根，珀杜大学韦尔登生物医学工程学院，西拉斐特，印第安纳州

在这里，我们将演示使用小鼠的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。该技术包括将放射性核素注入鼠标，在动物分布在全身后成像，然后重建生成的图像以创建体积数据集。这可以提供有关解剖学、生理学和新陈代谢的信息，以改善疾病诊断并监测其进展。

在收集的数据方面，SPECT/CT 提供与正电子发射断层扫描（PET）/CT 类似的信息。然而，这两种技术的基本原理根本不同，因为PET需要检测两个伽马光子，它们以相反的方向发射。相比之下，SPECT成像通过伽马相机直接测量辐射。因此，SPECT 成像的空间分辨率低于 PET。然而，它的成本也较低，因为SPECT放射性同位素更容易获得。SPECT/CT 成像提供非侵入性代谢和解剖信息，可用于各种应用。

Principles

SPECT/CT 成像采用两种独立的成像模式，SPECT 和 CT，以获得功能和解剖信息，以提高整体诊断能力。在 CT 中，收集了多个 2D X 射线图像，以创建患者或动物解剖的 3D 模型。然后，该 CT 模型与 SPECT 结合使用放射性示踪剂对内部器官（即大脑或心肌）进行功能评估。与 CT 一样，SPECT 还使用采集的 2D 图像创建 3D 模型。SPECT/CT共同提供解剖地标和功能评估，可用于初始诊断或描述疾病进展。

CT成像的基础是收集2D X射线图像。在成像过程中，X 射线从源发射。当X射线穿过病人时，一些X射线被吸收。通常，密度较高的材料比低密度材料吸收更多的X射线。因此，骨骼比软组织吸收更多的X射线。X射线穿过身体后，剩余的（非吸收的）X射线由探测器收集，该探测器可以确定Housfield单位中X射线的强度。这将生成称为切片的 2D 图像。然后，X 射线源和探测器旋转到指定角度并进行平移以获得另一个切片。随着扫描的进行，源和检测器继续旋转获取更多 2D 切片，从而创建不同方向的投影集合（图 1）。然后重建切片以创建 3D 模型。

图1:图显示a）制作单个X射线投影和b）旋转的X射线源和探测器，以创建一个完整的2D图像。然后，可以转换整个设置以创建体积数据。

SPECT 的工作原理与 CT 类似，但获取伽马射线的发射，而不是 X 射线。在这种核成像技术中，放射性示踪剂被注射到患者体内。随着时间的推移，示踪剂衰变，发出伽马射线。伽玛相机对伽马射线进行成像，创建 2D 图像。与 CT 类似，相机在不同位置收集 2D 图像。映像后，将重建切片，创建 3D 数据集。然后，CT 和 SPECT 的卷进行联合注册，以提供解剖学和功能评估。

Procedure

1. Vivo成像设置

打开成像软件。
要设置扫描的 CT 部分，请通过在软件上选择选项让 X 射线管预热。系统将开始加热管子。
麻醉鼠标。为了确保老鼠失去知觉，伸出一条腿捏动物的爪子。如果小鼠不产生退能反射，动物被充分麻醉。
用放射性核素静脉注射小鼠。一种常用的SPECT放射性核素是Technetium99m（99m Tc），部分是由于其半年长。然而，还有许多其他可用的放射性核素，可以使用包括碘-123^（123I）和钠-111^（111In）。
等。放射性核素需要时间通过血液传播并开始衰变。所需时间取决于所使用的放射性核素和成像应用。对于心脏应用，扫描几乎可以立即开始，而对于肿瘤，等待时间可能是几个小时到几天。取决于成像的时间，鼠标可以在整个过程中保持麻醉，也可以醒来，然后在准备成像时重新麻醉。
将鼠标放在位于 SPECT/CT 台上的鼠标床上。床应配备麻醉气体管、加热器和监测心电图和呼吸的方法。在成像过程中，操作员将无法直接观察鼠标，因此有必要在成像过程中采用替代方法来监测生理参数（即心率和呼吸）。

2. SPECT/CT 成像

将床（包含鼠标）移到准直器内。
获取鼠标的单个轴向图像。使用此试验映像，为辅助扫描设置感兴趣的区域。
定义 SPECT 的设置，包括收集的图像数量、每个图像的时间、扫描模式（探测器旋转路径）和步进模式，以提高图像精度或提高成像速度。
要设置扫描的 CT 部分，请通过在软件上选择选项让 X 射线管预热。系统将开始加热管子。
定义 CT 的设置，例如管电流和电压、旋转角度、扫描速度以及在每个旋转角度拍摄的图像数。
开始数据采集。完成扫描所需的时间长度取决于所选的扫描参数，但通常长度为 30-60 分钟。
从准直器上取下床。
将鼠标从床上取出，并继续监视鼠标，直到它清醒并能够正常移动。

3. SPECT/CT 重建

重建通常使用内置软件执行。CT 数据和 SPECT 数据可以单独重建，然后使用内部注册进行组合。

联合 SPECT-CT 扫描可用于同时提供有关特定兴趣器官的解剖和功能信息。

单光子发射计算机断层扫描，或SPECT成像，直接测量通过伽马相机静脉注射的放射性物种的辐射。这使得生物活动能够进行非侵入性成像，而不仅仅是器官的快照。

当与计算机断层扫描或CT结合使用时，SPECT-CT成像提供代谢数据和解剖信息，可用于各种应用。

本视频将说明组合 SPECT-CT 成像的基本原理，并简要概述如何获取、重建和分析 SPECT-CT 图像。

SPECT-CT 成像采用两种独立的成像模式，SPECT 和 CT，将功能评估和解剖信息相结合，以提高整体诊断能力。

在 CT 中，收集了多个 2D X 射线图像，以创建患者或动物解剖的 3D 模型。在 CT 成像期间，X 射线从源发射。当X射线穿过患者时，一些X射线被吸收，其余的穿过病人。一般来说，密度更高的材料，如骨骼，比低密度材料（如软组织）吸收更多的X射线。

剩余的非吸收X射线由放置在患者另一侧的探测器收集，该探测器确定Housfield单位中非吸收X射线的强度。这将生成称为切片的 2D 图像。然后，X 射线源和检测器在患者周围旋转，以获取 2D 切片的集合。然后重建切片以创建 3D 模型。

与CT成像类似，SPECT是一种核成像技术，从注入患者的放射性示踪剂获得辐射。注入的示踪器会随时间衰减，发射伽马射线，伽马相机成像以创建 2D 图像。与 CT 类似，伽玛相机收集不同位置的 2D 图像以生成切片，该切片可以重建为 3D 模型。

在这项研究中，我们展示了小鼠的SPECT-CT成像。重建的鼠标 CT 和 SPECT 图像叠加在一起，以创建一个图像，同时显示解剖和功能评估，如彩色 SPECTRACE 和灰度 CT 扫描所示。

现在，我们已经审查了 SPECT-CT 成像的基本原则，现在让我们看一下协议。

首先，打开系统软件。然后，设置扫描的 CT 部分，通过选择软件上的选项使 X 射线管预热。系统将开始加热管子。

将小鼠放入麻醉感应室，并使用异苯可联对动物进行麻醉。然后，将鼠标转移到配有鼻锥的台面。接下来，使用脚趾夹技术验证鼠标是否失去知觉。然后用放射性核素技术-99m注射麻醉小鼠。等待，直到放射性核素在血液中分布并开始腐烂。扫描几乎可以立即启动，用于心脏病学应用，而成像肿瘤的等待时间可能几个小时到几天。

接下来，将鼠标放在配备心电图和呼吸监测传感器的 SPECT-CT 台式床上。固定鼻锥，启动麻醉剂的流动。打开鼠标床加热器，使用传感器和设备的内部摄像头监控鼠标的生理参数。

接下来，将鼠标床滑入准直器内。然后，获取鼠标的单个轴向图像作为参考，以确定在 SPECT 扫描期间动物的位置。使用它作为参考图像，为试验 SPECT 扫描设置感兴趣的区域。此引导扫描将帮助用户定义实验性 SPECT 扫描的设置，包括收集的图像数量、每个图像的时间、扫描模式或探测器旋转路径，以及用于提高图像精度或提高成像速度的步进模式。

接下来，定义 CT 扫描的参数，例如管电流和电压、旋转角度、扫描速度以及在每个旋转角度拍摄的图像数量。最后，按开始采集按钮开始数据采集。扫描的持续时间取决于扫描参数，但长度通常为 30 到 60 分钟。

扫描完成后，从准直器中取出床，然后从床上取出鼠标。监控鼠标，直到它有意识，可以正常移动。收集的 SPECT 和 CT 映像现在可以使用内置软件单独重建，然后组合。

现在让我们回顾一下 SPECT-CT 成像的结果。

下图显示了使用技术-99m 基跟踪器在小鼠中获得的具有代表性的组合 SPECT-CT 扫描。合并的 SPECT-CT 扫描以黄色到橙色的色调显示 SPECT 数据，图形覆盖在以灰色阴影显示的 CT 数据上。

在SPECT数据中，生理活动的程度通过颜色的强度来证明。因此，黄色区域比橙色区域表现出更大的活动。

现在，让我们来看看如何使用核医学技术来获得更精确的成像数据，从而改进医疗诊断。

在癌症筛查中，放射性示踪剂用于选择性地瞄准肿瘤中的特定细胞表面受体。在SPECT-CT图像中获取放射性示踪剂表明肿瘤的存在。

集成 PET-MRI 是另一种用于诊断疾病和监测治疗的混合成像技术，因为它提供软组织和代谢信息的高对比度。高对比度区域表示接受放射性标记示踪剂，并可能暗示癌症筛查中的转移。这些合并的PET和MRI图像显示多个超代谢肺转移和转移在心脏的右心室流出道。

为了衡量心肌梗死新治疗策略的疗效，需要评估急性期和长期结果。静脉造影剂用于小鼠心脏的连续PET-MRI成像。MRI 手术通常需要 30 分钟，PET 扫描持续 45 分钟。这在评估新疗法时具有重要意义，因为时间过程可能并不为人所知。MRI 上的增强区域代表不可行的组织，对应于 FDG 摄入量减少的区域，这些区域表明潜在的冠状动脉阻塞或梗死。

您刚刚观看了 JoVE 的”组合单光子发射计算机断层扫描和计算机断层扫描”简介。您现在应该知道如何设置 SPECT 和 CT 参数、执行组合扫描和分析图像。您还应该知道核成像在生物医学应用中的运用方式。感谢您的收看！

Results

图2显示了在大鼠中使用^99mTc示踪剂的代表性结果。获取 SPECT/CT 应显示覆盖在 CT 数据上的 SPECT 数据（如图所示为黄色/橙色阴影）（显示为灰色阴影）。在SPECT模型中，生理活动的程度通过颜色的强度来表现。因此，黄色区域比橙色区域表现出更大的活动。图中的 SPECT 数据是通过收集 30 个 1 分钟图像获得的。生成的分辨率为 0.8 mm。

图2:展示心脏功能的代表图像。左侧的视图是整体 SPECT/CT 模型，而右侧的三个视图显示心脏的日冕、下垂和跨轴平面的放大图像。灰色阴影是 CT 的阴影，表示骨骼结构，而橙色/黄色阴影是 SPECT 的阴影。活动程度由颜色强度表示，白色大于黑色。图片由刘爽博士提供。

Applications and Summary

SPECT/CT用于提供解剖学和功能性信息。一般程序涉及注射放射性核素，成像，然后重建数据。在小动物成像的背景下讨论的这个程序类似于临床上执行的程序。然而，使用小动物增加了一些额外的技术细微差别，不容忽视。可以推测，小型动物模型需要在成像中使用更高的分辨率。此外，小动物的心率和呼吸速率也有所提高，这需要更快速的成像。呼吸和心跳会导致动物在成像过程中移动，从而难以获得准确的数据。为了补偿这些潜在问题，可以实施心脏和呼吸门控。门控允许机器在特定时间获取与动物心脏和呼吸周期相关的图像。例如，成像发生在动物的呼吸之间和心脏周期的特定部分。这些修改使小动物模型的成像效果得以改进。

演示了小动物模型SPECT/CT成像的一般程序。由此产生的数据显示了解剖学背景下代谢增加的区域，从而能够更好的诊断和疾病特征。

SPECT/CT 成像是一项广泛应用的技术，涵盖心脏病学、肿瘤学和炎症等多个领域。在心脏病学领域，心肌灌注研究使用SPECT/CT通过证明血液如何流经心肌来诊断冠状动脉的阻塞。接受心肌灌注研究的患者将锻炼以诱发心脏压力。然后，患者将被注射一种放射性示踪剂，与血液在全身移动的混合。如果血液由于冠状动脉阻塞而无法到达心脏的某个区域，那么示踪剂也不会到达。SPECT/CT 图像将在运动后拍摄，然后在患者休息后拍摄。在SPECT/CT成像期间，血液无法到达的区域将显示为黑暗，表明潜在的冠状动脉阻塞或梗死。

在其他应用中，如肿瘤学和炎症，放射性示踪剂可以选择以选择性地瞄准生物分子。在肿瘤学中，放射性示踪剂瞄准肿瘤中的特定细胞表面受体。然后，在SPECT/CT成像过程中摄入放射性示踪剂，暗示肿瘤的存在。最后，在炎症的情况下，放射性示踪剂可以瞄准感染或炎症，同时提供精确的解剖位置。这在诊断骨髓炎（骨骼感染）的程度时很有价值。总之，SPECT/CT 是一种多功能成像方法，结合了两种技术，以非侵入性方式提供解剖学和功能性信息。

Transcript

Combined SPECT-CT scan can be used to simultaneously provide anatomical and functional information about a particular organ of interest.

Single photon emission computed tomography, or SPECT imaging, directly measures the radiation from an intravenously injected radioactive species via a gamma camera. This enables noninvasive imaging of biological activity rather than just a snapshot of the organ.

When combined with computed tomography or CT, SPECT-CT imaging provides both metabolic data and anatomical information that can be useful for a wide variety of applications.

This video will illustrate the basic principles of combined SPECT-CT imaging and provide a brief overview of how SPECT-CT images are acquired, reconstructed, and analyzed.

SPECT-CT imaging utilizes two separate imaging modalities, SPECT and CT, to combine both functional assessment and anatomical information to improve the overall diagnostic ability.

In CT, multiple 2D X-ray images are collected to create a 3D model of the patient’s or animal’s anatomy. During CT imaging, X-rays are emitted from a source. As X-rays move through the patient, some of the X-rays are absorbed, and the remaining pass through the patient. In general, higher density materials, like bone, absorb more X-rays than lower density materials like soft tissue.

The remaining, non-absorbed X-rays are collected by a detector placed on the other side of the patient that determines the intensity of the non-absorbed X-rays in Hounsfield Units. This produces a 2D image called a slice. The X-ray source and detector are then rotated around the patient to acquire a collection of 2D slices. The slices are then reconstructed to create a 3D model.

Analogous to CT imaging, SPECT is a nuclear imaging technique that acquires emission of radiation from a radioactive tracer that is injected into the patient. The injected tracer decays over time, emitting gamma rays which is imaged by a gamma camera to create a 2D image. Similar to CT, the gamma camera collects 2D images at various locations to generate a slice, which can be reconstructed into a 3D model.

In this study, we show the SPECT-CT imaging of a mouse. The reconstructed mouse CT and SPECT images are overlaid to create an image that displays both anatomical and functional assessments, as shown by the colored SPECTRACE and the grayscale CT scan.

Now that we have reviewed the basic principles of SPECT-CT imaging, let us now look at the protocol.

First, open the system software. Then, set up the CT portion of the scan to allow the X-ray tube to warm up by selecting the option on the software. The system will begin heating up the tube.

Place the mouse in an anesthesia induction chamber and anesthetize the animal using isoflurane. Then, transfer the mouse to a bench top equipped with a nose cone. Next, verify that the mouse is unconscious using the toe-pinch technique. Then inject the anesthetized mouse with the radionuclide technetium-99m. Wait until the radionuclide is distributed in the blood stream and starts decaying. Scans can be started almost immediately for cardiology applications, whereas the wait time to image tumors may be several hours to days.

Next, place the mouse on the SPECT-CT stage bed that is equipped with ECG and respiration monitoring sensors. Secure the nose cone and start the flow of the anesthetic. Turn on the mouse bed heater and monitor the mouse’s physiological parameters using the sensors and the device’s internal camera.

Next, slide the mouse bed inside the collimator. Then, acquire a single axial image of the mouse as a reference to determine animal placement as it resides during SPECT scanning. Using this as a reference image, set a region of interest for a pilot SPECT scan. This pilot scan will help the user define the settings for the experimental SPECT scan including the number of images collected, the time per image, the scan mode or detector rotation path, and the step mode for improved image accuracy or increased imaging speed.

Next, define the parameters for the CT scan such as the tube current and voltage, the angle of rotation, the speed of the scan, and the number of images taken at each rotation angle. Finally, begin data acquisition by pressing the start acquisition button. The duration of the scan depends on scan parameters but is typically 30 to 60 minutes in length.

Once the scan is complete, remove the bed from the collimator and remove the mouse from the bed. Monitor the mouse until it is conscious and can move around normally. The SPECT and CT images gathered can now be individually reconstructed and later combined using built-in software.

Let us now review the results of the SPECT-CT imaging.

This figure shows a representative combined SPECT-CT scan obtained using a technetium-99m base tracer in a mouse. The combined SPECT-CT scan displays the SPECT data in shades of yellow to orange in the figure overlaid on the CT data displayed in shades of gray.

Within the SPECT data, the degree of physiological activity is demonstrated by the intensity of color. Thus, the areas of yellow show greater activity then the areas of orange.

Now let us look at how nuclear medicine techniques are used to obtain more precise imaging data for improved medical diagnostics.

In cancer screening, a radioactive tracer is used to selectively target a specific cell surface receptor found in tumors. Uptake of the radioactive tracer in a SPECT-CT image indicates the presence of a tumor.

Integrated PET-MRI is another hybrid imaging technique used to diagnose disease and monitor treatment because it provides both high contrast of soft tissues and metabolic information. Regions of high contrast indicate uptake of the radiolabeled tracer and can suggest metastasis in cancer screening. These merged PET and MRI images show multiple hypermetabolic pulmonary metastases and a metastasis in the right ventricular outflow tract of the heart.

To measure the efficacy of new treatment strategies for myocardial infarction, the assessment of the acute stage as well as long-term outcome is required. Intravenous contrast agents are delivered for the sequential PET-MRI imaging of the mouse heart. The MRI procedure typically takes 30 minutes, and the PET scan lasts for 45 minutes. This is significant in evaluating novel therapeutics because the time course may not be known. The enhanced areas on the MRI represent nonviable tissue and correspond to areas of reduced FDG uptake which suggest potential coronary blockages or infarction.

You’ve just watched JoVE’s Introduction to Combined Single Photon Emission Computed Tomography and Computed Tomography Imaging. You should now know how to set up SPECT and CT parameters, perform the combined scan and analyze the image. You should also know how nuclear imaging is used in biomedical applications. Thanks for watching!

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