Name: 人类的褐色脂肪组织的仓库的正电子发射断层扫描/计算机断层扫描自动分段及注册磁共振图像 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-02-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 21 s
Description: 学习利用PET-CT与MRI多模态成像技术对人体褐色脂肪组织进行自动分割与空间配准的方法。该技术结合热中性及冷刺激条件下的扫描数据，可精准定位锁骨上区域BAT分布，为代谢健康与肥胖研究提供定量影像指标。

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我们感谢范德堡大学影像科学研究所的 MRI 技术人员 David Pennell、Leslie McIntosh 和 Kristen George-Durrett，以及由 Martha D. Shone 领导的范德堡大学医学中心 PET/CT 技术人员团队。本研究得到了美国国立卫生研究院（NIH）以下资助项目的支持：NCATS/NIH UL1 RR024975、NIDDK/NIH R21DK096282、NCI/NIH R25CA136440 和 NIBIB/NIH T32EB014841。

注意：本研究所已获得当地伦理委员会批准，所有受试者在参与前均签署书面知情同意书。受试者需满足以下条件方可入组：无已知糖尿病；目前或既往未使用β受体阻滞剂或抗焦虑药物；目前或既往不吸烟或咀嚼烟草制品；每日摄入咖啡因不超过4杯；每日饮酒不超过2杯；若为女性，则未怀孕或哺乳。 
注意：在本研究中，每位参与者需接受四项检查：两次磁共振成像（MRI）和两次正电子发射断层扫描-计算机断层扫描（PET-CT）。每项检查在不同日期进行，每种成像方式均在热中性环境（24.5 ± 0.7 °C，即76.2 ± 1.3 °F）和低温环境（17.4 ± 0.5 °C，即63.4 ± 0.9 °F）下各进行一次。扫描顺序不作特定安排，以尽量减少因按固定顺序对受试者进行加热或冷却而可能产生的数据偏倚。单次PET-CT扫描的总有效辐射剂量为6.4 mSv（毫西弗），院内放射科医师建议每次扫描之间至少间隔24小时。
1. 一般性磁共振成像安全与成像注意事项
<ol>
	<li>由于磁共振成像（MRI）设备的主磁场始终处于开启状态，需注意确保患者及所有在磁共振区域工作的人员的安全。应清除受试者及该区域内所有人员身上的磁性物品。</li>
	<li>在招募受试者阶段，应询问其体内是否有金属植入物43。此外，需让受试者完成磁共振安全筛查流程44，以确认其体内任何金属均符合MRI检查的安全要求。此项初步检查有助于排除无法完成MRI扫描的受试者，避免后续知情同意无效。</li>
	<li>此外，若受试者体内存在与磁共振兼容的金属，需确保该金属未靠近目标组织。因为金属可能引起图像失真伪影，导致分析困难甚至无法进行。</li>
</ol>
2. 获取知情同意
<ol>
	<li>与受试者会面，获取其签署的知情同意书。在会面期间，需详细说明研究的全部内容，例如：访问次数、每次访问所需的时间、受试者在运动和/或饮食方面的限制要求、访问期间受试者可以或不可以进行的活动（如睡眠），以及其他具体事项。利用此次会面安排扫描检查的访问时间，通常当面安排比通过多封电子邮件沟通更为便捷。</li>
</ol>
3. 访问前的准备工作
<ol>
	<li>受试者须知
	<ol>
		<li>在参与研究前24小时内，受试者应避免饮酒、摄入咖啡因、服用药物以及进行任何剧烈运动或体力活动。</li>
		<li>指导受试者在研究开始前8小时内禁食，避免摄入任何含热量的食物或饮料。允许受试者饮用清水。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>联系志愿者
	<ol>
		<li>提前一天提醒志愿者有关24小时准备期的具体指示。这不仅有助于提醒其即将进行扫描，还能确保受试者记住相关限制要求，（即，不进食，不运动，不饮酒， 等等.).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 磁共振成像研究日操作步骤
<ol>
	<li>温控房间准备
	<ol>
		<li>使用一个小房间作为温控房间，使受试者暴露于目标温度环境中。 
		注意：使用小房间可最大限度地减少房间内的温度梯度。例如，此处使用的房间尺寸为 7 英尺 × 6 英尺 8 英寸 × 8 英尺高（373.33 立方英尺）。</li>
		<li>在受试者进入房间前至少 60 分钟开始准备房间，以确保房间有足够时间达到稳定的温度。</li>
		<li>使用便携式空调设备配合旋转式落地风扇维持室温，以保持冷空气循环；或使用可编程的便携式加热器，通过摆动方式将暖空气在房间内循环。</li>
		<li>停用或最小化任何现有的控制房间空调或供暖的恒温器，以避免与便携设备设定的目标室温产生冲突。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进入温控房间前
	<ol>
		<li>让受试者换上标准医用短裤和上衣，脱掉袜子和鞋子。如果受试者为女性，可允许其穿着不含金属的运动内衣。</li>
		<li>受试者换好标准服装后，测量其身高、体重和腰围。</li>
		<li>使用舌下体温计测量受试者的体温。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在温控房间内
	<ol>
		<li>指导受试者进入温控房间。要求其安静就坐，避免进行任何可能改变体温的活动，例如，运动、打字或入睡。</li>
		<li>在房间内静坐 1 小时后，再次使用舌下体温计测量体温。</li>
		<li>在温控房间内静坐第 2 小时后，再次使用舌下体温计测量体温。</li>
		<li>在受试者于寒冷房间内静坐的 MRI 检查日，当其被转运至 MRI 扫描仪时，使用冷背心维持低温环境。在受试者离开温控房间前，为其穿上冷背心。</li>
		<li>在温控房间内停留 2 小时后，使用轮椅将受试者转运至 MRI 扫描仪。使用轮椅可使受试者保持放松、静息状态，并减少因步行可能引起的“升温”。此外，使用轮椅有助于避免 PET 示踪剂被骨骼肌摄取，尽管这种摄取可能极低。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>MRI 采集方案
	<ol>
		<li>使用配备双通道并行发射功能、超大型 16 通道体部接收线圈及改良型扫描床的 3T MRI 扫描仪进行 MRI 扫描。</li>
		<li>将体部接收线圈的前部用织物吊带悬挂在扫描孔顶部。吊带应足够低垂，使线圈能贴合受试者身体，以最大化信噪比（SNR）。</li>
		<li>将体部接收线圈的后部置于一个可移动的“线圈推车”中，并夹在扫描床台面的两层之间。当扫描床进入扫描孔时，通过连接在扫描孔前后端盖上的绑带将线圈推车固定在等中心位置，以保持后部线圈元件静止不动。</li>
		<li>让受试者仰卧位，足先进方式进入扫描仪。
		<ol>
			<li>若受试者穿着冷背心，在其躺下前应先脱去背心。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>躺下后，让受试者将双臂放入类似枕套的袋子中，并放于身体两侧。这有助于确保在 MRI 和 PET/CT 检查期间肩部位置一致，便于图像配准。 
		注意：让受试者自然地躺于扫描床上，每次扫描时在头下使用相同厚度的垫枕，并用枕套袋支撑手臂，这些措施均有助于最小化不同扫描之间的体位差异。在某次扫描中为受试者使用的任何支撑物，例如膝盖或下背部下的枕头，在该受试者的 MRI 和 PET/CT 扫描中均应以相同方式始终使用。</li>
		<li>使用多层堆叠、多切片、多次快速场回波（mFFE）采集方式获取脂肪-水相 MRI（FWMRI），共 7 个堆叠，每个堆叠 20 层轴向切片，覆盖范围从头部顶端至大腿上部。切片间无间隙，层间间隔为 0 mm。
		<ol>
			<li>使用定制软件采集 FWMRI 数据，实现 8 个回波的采集，分为两组交错的 4 回波序列，TR = 83 ms，TE1 = 1.024 ms，有效 ΔTE = 0.779 ms。其他采集参数包括：翻转角 = 20º，水脂位移 = 0.323 像素，读出采样带宽 = 1346.1 Hz/像素，轴向平面内视野 = 520 mm × 408 mm，采集体素大小 = 2 mm × 2 mm × 7.5 mm，灵敏度编码（SENSE）并行成像因子 = 3（前后方向）。每个扫描站的准备阶段包括中心频率（F0）优化和一阶线性匀场。20 层切片的采集时间为 27.8 秒。</li>
			<li>对覆盖骨盆至肩部的扫描站进行屏气采集，每个站两次屏气，即，每次屏气不超过 14 秒。在每个床位位置采集双角度 B1 校准扫描（采集时间 15.1 秒），以实现针对扫描仪双通道发射功能的优化射频匀场（相对射频幅度和相位调整）。</li>
			<li>在每个床位位置采集一次 SENSE 参考扫描，采集时间为 12.1 秒。推荐的 FWMRI 参数列于 表 1 中。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. PET-CT研究日操作步骤
<ol>
	<li>温度控制房间的准备
	<ol>
		<li>使用一个小房间作为温控室，使受试者暴露于目标温度环境中。 
		注意：使用较小的房间可以尽量减少室内的温度梯度。例如，此处使用的房间尺寸为 7 英尺 × 6 英尺 8 英寸 × 8 英尺高（373.33 立方英尺）。</li>
		<li>在受试者进入房间前至少60分钟准备房间，以确保房间有充足时间达到稳定的温度。</li>
		<li>使用便携式空调设备配合旋转式落地风扇，使冷空气循环以维持低温刺激所需的温度；或使用可摆动的便携式加热器，以维持热中性温度。</li>
		<li>关闭或调至最低档任何控制房间空调或供暖的现有恒温器，以避免与便携式设备设定的目标室温产生冲突。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>受试者准备
	<ol>
		<li>指导受试者前往正电子发射断层扫描（PET）成像室，在手部或手臂静脉中置入静脉输液端口。该静脉输液端口可使放射科技术人员在受试者坐于温控房间内时，随后注入放射性示踪剂。</li>
		<li>若受试者为女性，需进行血清妊娠检测，以确认其未怀孕。 
		注意：本研究要求在进行 PET/CT 扫描前 24 小时内完成妊娠检测。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进入温控房间前
	<ol>
		<li>让受试者换上标准的医用短裤和上衣，脱掉鞋袜。如果受试者为女性，可允许穿着不含金属的运动文胸。</li>
		<li>更换标准服装后，测量受试者的身高、体重和腰围。</li>
		<li>使用舌下体温计测量受试者的体温。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在温控室内
	<ol>
		<li>引导受试者进入温控房间。要求受试者安静坐好，避免进行任何可能改变体温的活动。 例如，锻炼、打字或入睡时。</li>
		<li>在房间内静坐1小时后，使用舌下体温计再次测量体温。</li>
		<li>在首次进入温控室一小时后的 PET-CT 扫描日，由放射科技师注射氟脱氧葡萄糖（Fluorodeoxyglucose，18F-FDG）通过静脉注射端口注入。注射剂量为0.14 mCi/kg（对于70 kg的受试者，约为10 mCi）。 18F-FDG。根据受试者的具体体重计算精确剂量。</li>
		<li>在温控房间内静坐2小时后，使用舌下体温计再次测量体温。 
		注意：与寒冷的MRI检查日不同，在寒冷的PET-CT检查日无需使用冷背心，因为 18F-FDG示踪剂在注射后一小时内被激活的棕色脂肪组织（BAT）摄取。即使受试者在转移至扫描仪过程中体温升高，示踪剂仍会保留在组织中。因此，即使在PET-CT扫描期间BAT未持续保持活性，仍有可能在PET-CT图像上检测到其激活的存在，故使用冷背心并非必要。</li>
		<li>在温控房间内静坐2小时后，使用轮椅将受试者转运至PET-CT扫描仪。使用轮椅可使受试者保持放松的静息状态，并尽量减少因行走可能导致的体温升高。此外，使用轮椅有助于避免PET示踪剂在骨骼肌中的摄取，尽管这种摄取可能极微。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>PET-CT 扫描采集方案
	<ol>
		<li>使用 Discovery STE PET/CT 扫描仪（STE 代表 See and Treat Elite）获取 PET-CT 扫描图像。</li>
		<li>让受试者仰卧于检查床上，头部先进入扫描仪。</li>
		<li>平躺后，让受试者将双臂放入一个类似枕套的袋子中，并将手臂放于身体两侧。这有助于确保在MRI和PET/CT检查期间肩部保持相似的位置，从而便于图像配准。 
		注意：PET/CT 成像视野覆盖范围从头顶至大腿中段，共需 7–9 个床位位置，具体数量取决于受试者身高（每个床位位置采集 2 分钟）。推荐的 PET-CT 参数列于下文 表 2.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. MRI 后处理
<ol>
	<li>保存用于离线处理的磁共振实部和虚部图像。磁共振成像（MRI）所测得的信号是一种具有大小和方向的矢量，可表示为包含实部和虚部的复数。在临床应用中，通常显示的是幅值图像。然而，生成脂肪和水图像的处理过程需要使用复数信息。</li>
	<li>基于C++实现的多尺度全图像优化算法45，对每个单独的切片组进行三维水/脂分离及R2* 估计。脂肪信号采用9个峰模型进行建模46。</li>
	<li>舍弃每个4回波序列中的第一个回波，以避免涡流可能对复数水-脂信号模型造成的污染。</li>
</ol>
7. PET-CT 后处理
<ol>
	<li>将CT的DICOM数据导入MATLAB，并通过将扫描仪提供的重缩放值应用于数据值，将其转换为亨氏单位（Hounsfield units, HU）。</li>
	<li>将PET的DICOM数据导入MATLAB，并使用以下公式转换为标准化摄取值（Standardized Uptake Values, SUV）： 
	<img alt="SUV计算公式，涉及像素值和活度的标准化摄取值方程。" fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/52415/52415eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 1"> 
	其中“像素值”是指该像素位置在DICOM文件中存储的数值。 
	<img alt="用于计算实际活度的PET示踪剂衰变公式；放射性药物研究中的方程。" fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/52415/52415eq2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 2"> 
	注意：PET示踪剂活度是指放射性核素的总剂量，可从图像元数据（DICOM头文件）中读取。 
	<img alt="色谱分析中计算经过时间的方程，表示为经过时间 = 扫描时间 - 注射时间。" fo:content-width="3in" src="/files/ftp_upload/52415/52415eq3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 3"></li>
	<li>对PET数据进行插值，使其与CT数据具有相同的维度。
	<ol>
		<li>由于PET和CT图像是以相同的层厚采集的，因此在X-Y平面使用二维样条函数进行插值。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
8. 数据后处理
<ol>
	<li>为分析图像，使用刚体配准算法47，通过自行开发的三平面视图软件采用半自动方法，对每位受试者的全部4个图像容积进行共配准，以验证三个维度上的配准效果。</li>
	<li>由于在全部四个时间点上对整个图像容积进行配准存在困难，应将配准重点放在从颈部至肺尖的区域。在后续数据处理中仅使用成功配准的区域。</li>
	<li>完成图像配准后，将FWMRI、CT HU和PET SUV数据导入MATLAB，并用于定义棕色脂肪组织（BAT）感兴趣区域。 
	注意：类似于先前发表的方法19,25,48，即利用PET SUV值和CT HU值区分BAT，若某体素被认定为BAT掩膜的一部分，则必须满足以下条件：(1) 在冷态和热态CT扫描中，HU值均处于-200 &lt; HU &lt; -1范围内；(2) 冷态PET扫描中SUV &gt; 2.0；(3) SUV信号比例[(冷态SUV)/(冷态SUV + 热态SUV)] &gt; 0.55，即该体素中冷态PET扫描产生的SUV信号需占总观测信号的55%以上；(4) 仅包含MRI扫描中的前景像素，其中采用Otsu方法49对前景像素进行分类。</li>
	<li>若某体素满足上述所有条件，则将其纳入BAT身份的二值掩膜中。</li>
	<li>执行以下二值形态学处理步骤。
	<ol>
		<li>创建一个与待处理图像尺寸相同的矩阵。新矩阵中每个空间位置的值为二值BAT掩膜中其所有相邻邻居（包括对角线方向）的三维总和，最大值为26。</li>
		<li>对该新矩阵进行阈值处理，仅保留具有15个或更多三维邻居的位置。该矩阵即构成最终的二值BAT掩膜。 
		注意：这些规则足以分割BAT组织，无需进一步修改掩膜以剔除非BAT体素。由此生成的是在共配准肩部区域中由PET-CT确认的BAT逐层掩膜。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将该掩膜应用于所有共配准图像，以获取冷态和热态扫描中BAT区域的SUV、HU、脂肪信号比例（FSF）及R2*值。</li>
</ol>

作者声明不存在相互竞争的经济利益或其他利益冲突。

本研究方案旨在利用热中性状态和冷激活状态下的PET/CT扫描，对受试者个体化的棕色脂肪组织（BAT）储存区域进行自动分割。这些自动生成的兴趣区域可进一步应用于同一受试者的、已与PET/CT扫描图像配准的热中性状态和冷激活状态的MRI扫描。据我们所知，这是首次在同一健康成年志愿者身上，在热中性与冷激活条件下同时进行MRI和PET/CT成像的研究。本方案共需四次访视，每次访视进行一次成像检查。通过该方法的进一步分析，可利用PET确认的兴趣区域，精确确定成人棕色脂肪组织的MRI特征参数。这将使未来的研究有可能仅通过MRI来检测和定量人体内的棕色脂肪组织。与目前作为成像检测BAT事实金标准的PET不同，采用MRI成像可避免辐射暴露。此外，涉及儿科受试者或需长期随访的纵向研究若采用MRI检测BAT，亦不会产生辐射暴露问题。由于棕色脂肪组织更常见于体型较瘦的个体，且与其他代谢综合征指标呈负相关，因此增加BAT的质量或活性可能有助于对抗肥胖3,6,8,9,11,48,50,51。因此，无创性地检测和定量BAT的能力，将有助于更深入理解BAT在肥胖和代谢中的作用。未来的基于MRI的方法可用于纵向研究，以评估旨在增加BAT数量或活性...

由于全球肥胖率显著上升，人们对旨在理解能量平衡的研究领域日益关注。肥胖可导致糖尿病、肝病、心血管疾病和癌症等代价高昂且具有破坏性的医学病症，因此成为公共卫生领域的重要关切问题1。在探索能量摄入与能量消耗平衡的研究中，一个重点领域是棕色脂肪组织（BAT）的研究。尽管被称为脂肪组织，但BAT在许多方面与更常见的白色脂肪组织（WAT）不同2。白色脂肪细胞的功能是在每个细胞中形成一个大的脂滴，用于储存甘油三酯，并在需要时将这些甘油三酯释放入血流作为能量来源。而棕色脂肪细胞的功能则截然不同，其主要功能是产热。其中一种产热机制是通过暴露于寒冷环境实现的。寒冷刺激会增加交感神经系统的活动，进而激活BAT。当被激活时，棕色脂肪细胞产生热量。为此，它们利用每个细胞中多个小脂滴内储存的甘油三酯，并通过大量线粒体中表达的解偶联蛋白1（UCP1），将甘油三酯转化为代谢底物而不生成ATP，从而以热能形式释放熵增能量。随着小脂滴中储存的甘油三酯被消耗，脂肪细胞会从血流中摄取葡萄糖和甘油三酯3。
近年来，由于棕色脂肪组织（BAT）在非颤抖性产热中的作用、其对机体能量消耗的调节功能，以及BAT与肥胖之间可能存在的负相关关系，人们对研究BAT的兴趣显著增加3–9。此外，近期的动物研究表明，BAT在清除血液中的甘油三酯和葡萄糖方面发挥关键作用，尤其是在摄入高脂餐后10,11。然而，目前我们对BAT的大部分了解均来源于对小型哺乳动物的研究，这些动物体内含有多个BAT储存部位4,9,12–15。尽管有少数早期研究16–18，但长期以来人们普遍认为BAT在人体内的存在会随年龄增长而逐渐减少，直到最近对人类BAT的研究才重新受到关注。近期研究提示，相对少量的BAT可持续存在于成年人体内19–24。研究BAT的另一个限制因素是，除了活检和组织学染色外，目前公认的明确检测BAT的方法是18F-氟代脱氧葡萄糖（18F-FDG）正电子发射断层扫描（PET）。现代PET扫描仪通常与计算机断层扫描（CT）设备联用。当受到寒冷刺激激活时，BAT会摄取作为葡萄糖代谢类似物的18F-FDG放射性示踪剂，在PET图像上显影，而当BAT处于非活跃状态时，其对18F-FDG的摄取水平则显著降低20,21,23,25。在PET-CT扫描仪上进行PET检查时同步获取的CT图像可通过提供解剖学信息，帮助区分具有高18F-FDG摄取的组织。然而，这种PET-CT成像技术会使受试者暴露于电离辐射之下（主要来自PET，尽管CT扫描的辐射剂量也不可忽略），因此并非理想的BAT检测方法。
尽管关于健康成年人体内棕色脂肪组织（BAT）的研究数量正在增加，但近期的人类BAT研究主要局限于回顾性正电子发射断层扫描-计算机断层扫描（PET-CT）研究19,25、人类婴儿尸体解剖研究26,27、因其他原因已住院的青少年患者研究27–30，以及少数针对健康成年人的研究31–35。儿童研究和回顾性研究面临的一个挑战是，当研究对象为患病人群时，其研究结果可能受到疾病对BAT影响的干扰，从而导致结果发生改变。此外，由于葡萄糖并非BAT的首选能量来源36，因此PET成像可能无法始终检测到已激活的BAT，进而可能低估BAT的存在。利用生物医学成像技术研究BAT的另一个困难在于图像分割过程，即如何准确定义脂肪组织库的边界。目前，人类研究中BAT的分割通常在一定程度上依赖人工图像分割，因此容易出现BAT组织库误判以及不同评估者之间结果不一致的问题。
由于这些挑战，能够区分棕色脂肪组织（BAT）与白色脂肪组织（WAT）分布的可靠空间定位技术，以及自动化分割方法，将为研究人员提供一种研究BAT的强大新工具。磁共振成像（MRI）具备识别、空间定位和体积定量BAT的能力，与现有的需对受试者施加放射性剂量的混合正电子发射断层扫描-计算机断层扫描（PET-CT）成像方法不同，MRI不涉及电离辐射，可安全且重复使用。利用MRI识别和定量BAT的能力，可能对临床内分泌学以及肥胖研究新方向的探索产生显著的积极影响。既往在小鼠和人类中开展的脂肪-水MRI（FWMRI）研究表明，BAT的脂肪信号分数（FSF）范围为40%-80%脂肪，而WAT的脂肪含量则高于90%15,26,27。因此，我们假设，这种定量FWMRI指标结合其他定量MRI指标，可在未来研究中用于可视化和定量人体内的BAT储存库。这将为科研界提供一种强大工具，用于研究BAT对代谢和能量消耗的影响，同时无需使用电离辐射。
过去三年中，我们的研究团队一直在研究成人人体内的棕色脂肪组织（BAT）。2012年2月，在美国加利福尼亚州长滩举行的国际医学磁共振学会（ISMRM）脂肪-水分离研讨会期间，我们首次公开报告了利用磁共振成像（MRI）技术研究一名成年受试者疑似棕色脂肪组织的研究成果。37两个月后，我们的研究团队在20th 2012年4月在澳大利亚墨尔本举行的国际磁共振医学学会年会38一年后，在第21届st 2013年4月在美国犹他州盐湖城举行的ISMRM年会上，本论文所述方案首次（据我们所知）公开展示了对成年成人受试者经PET证实的棕色脂肪组织（BAT）进行MRI定量分析的结果39具体而言，我们提供了证据表明，先前怀疑的棕色脂肪组织通过冷激活和热中性条件下的检测，已被证实为可激活的棕色脂肪组织 18F-FDG PET-CT 成像。自2013年以来，我们对健康成年志愿者群体在热中性条件和冷激活条件下分别进行MRI和PET/CT成像的研究队列已扩展至20多名受试者，相关结果最近于2014年2月在美国国立卫生研究院国家糖尿病、消化及肾脏疾病研究所（NIH NIDDK）资助的研讨会“探索棕色脂肪在人类中的作用”上公布40具体而言，我们报告了FWMRI的FSF和R2* 通过锁骨上 BAT 区域确认的弛豫特性 18F-FDG PET-CT 在成年个体中的应用，通过基于寒冷激活和热中性状态 PET-CT 扫描的自动分割算法勾画 BAT 感兴趣区。最近，我们报道了温度图谱研究的结果 18F-FDG PET-CT 结合先进的 FWMRI 测温技术证实了成年人体内存在棕色脂肪组织41,42.
本方案对同一受试者在寒冷激活和热中性条件下分别暴露后，进行MRI和18F-FDG PET-CT扫描。利用受试者自身在寒冷激活和热中性状态下的18F-FDG PET-CT扫描图像，自动分割生成个体化的棕色脂肪组织感兴趣区域（ROIs）。随后，将这些棕色脂肪组织ROIs应用于配准后的MRI图像，以测量PET-CT确认的棕色脂肪组织中的MRI特性。
本方案的一个局限性在于，向受试者施加温暖或寒冷刺激时所使用的空气温度对所有受试者保持一致。这一局限性存在的原因是，不同受试者感受到温暖或寒冷的温度阈值可能存在差异。因此，若在正式实验前进行一次试验性测试，根据个体反应调整空气温度，并在随后的热中性及冷激活实验方案中采用该个体化温度，可能有助于获得更显著的棕色脂肪组织反应。

<table><tbody><tr><td>MRI</td><td>Philips</td><td>Achieva 3T</td><td></td></tr><tr><td>MRI 胸部 XL 线圈</td><td>Philips</td><td>Philips SENSE XL 胸部线圈 16 通道</td><td></td></tr><tr><td>MRI X-tend 检查床</td><td>X-Tend</td><td>X-tend 检查床，适用于 Achieva 3T</td><td></td></tr><tr><td>X-tend 手臂支撑架</td><td>X-Tend</td><td>X-tend 配件</td><td></td></tr><tr><td>X-tend 织物吊带</td><td>X-Tend</td><td>X-tend 配件</td><td></td></tr><tr><td>PET/CT</td><td>GE</td><td>Discovery STE</td><td></td></tr><tr><td>便携式空调机组</td><td>Soleus Air</td><td>XL-140，14000 BTU</td><td></td></tr><tr><td>落地风扇</td><td>Lasko 落地扇</td><td>2527</td><td></td></tr><tr><td>便携式加热器</td><td>Lasko 陶瓷空气加热器</td><td>5536</td><td></td></tr><tr><td>座椅</td><td>Winco Lifecare 可躺式座椅</td><td>585</td><td></td></tr><tr><td>舌下体温计</td><td>WelchAllyn</td><td>SureTemp Plus 690</td><td></td></tr><tr><td>降温背心</td><td>Polar Products</td><td>Cool58 #PCVZ</td><td></td></tr><tr><td>热成像红外相机</td><td>FLUKE</td><td>TIR-125</td><td></td></tr></tbody></table>

通过正电子发射断层扫描/计算机断层扫描及配准磁共振图像自动分割的人类棕色脂肪组织库

Human Brown Adipose Tissue Depots Automatically Segmented by Positron Emission Tomography/Computed Tomography and Registered Magnetic Resonance Images

使用无创成像方法可靠地区分棕色脂肪组织（BAT）与其他组织，是研究人类BAT的重要步骤。通常通过正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET-CT）检测受试者在冷刺激后，放射性示踪剂18F-氟代脱氧葡萄糖（18F-FDG）在脂肪组织库中的摄取情况，以确认BAT的存在。水脂分离的磁共振成像（MRI）能够在不使用放射性示踪剂的情况下区分BAT。迄今为止，成年个体中BAT的MRI图像尚未与冷激活的PET-CT图像进行共配准。因此，本方案利用18F-FDG PET-CT扫描自动生成功能生成BAT掩模，然后将其应用于同一受试者的共配准MRI扫描。该方法可实现对BAT定量MRI特性的测量，而无需手动分割。BAT掩模由两次PET-CT扫描生成：受试者分别在热中性（TN）（24 °C）或冷激活（CA）（17 °C）条件下暴露2小时后进行扫描。将TN和CA状态下的PET-CT扫描图像进行配准，并利用PET标准化摄取值和CT Hounsfield值生成仅包含BAT的掩模。在同一受试者中也采集CA和TN状态下的MRI扫描图像，并将其与PET-CT扫描图像进行配准，以确定自动定义的BAT掩模内的定量MRI特性。该方法的优势在于分割过程完全自动化，且基于广泛认可的BAT激活识别方法（PET-CT）。通过本方案建立的BAT定量MRI特性，可为仅使用MRI进行BAT检查提供基础，从而避免PET-CT相关的辐射暴露。

在同一受试者身上同时获取MRI和PET-CT扫描图像，并对所有扫描图像进行配准，可实现对棕色脂肪组织（BAT）定量MRI指标的可靠测量。图1显示了一名受试者未经处理的常温（TN）和冷刺激（CA）状态下的PET-CT及MRI扫描图像。通过获取TN和CA两种状态下的PET-CT数据，可根据18F-FDG摄取量的增加清晰识别冷刺激激活的BAT区域。在对全部四组扫描图像进行配准后（图2和图3），可基于PET-CT图像提取的判据生成个体化的BAT掩膜，如图4所示。该掩膜随后可应用于四组配准后的图像，以获取BAT区域内的影像学指标。一名受试者的代表性数值见表1。
<img alt="PET/CT 与 MRI 成像比较；TN 和 CA 条件；诊断可视化分析。" src="/files/ftp_upload/52415/52415fi...

本文所述方法采用18F-氟代脱氧葡萄糖（18F-FDG）正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET-CT）以及脂肪-水分离磁共振成像（MRI），在成年受试者分别暴露于热中性（24 °C）和寒冷（17 °C）环境2小时后进行扫描，以定位成人中的棕色脂肪组织（BAT）。

可靠地通过非侵入性成像方法将棕色脂肪组织（BAT）与其他组织区分开来，是研究BAT的重要步骤……

本实验的目的是利用热中性状态和冷激活状态下的正电子发射断层扫描-计算机断层扫描（PET-CT），自动分割棕色脂肪组织的储存区域，并将其应用于同一受试者的配准磁共振成像（MRI）扫描。该目标通过以下步骤实现：首先，对同一受试者采集热中性状态和冷激活状态下的MRI及PET-CT扫描图像；第二步，对同一受试者的全部四组扫描图像进行空间配准。由于全身图像配准存在困难，应重点关注锁骨上区域的精确配准。接下来，利用同一受试者的冷激活状态和热中性状态的配准后PET-CT扫描图像，定义该受试者特异性的棕色脂肪组织（BAT）区域。最后一步是将所定义的BAT感兴趣区域应用于已与该受试者PET-CT扫描图像配准的MRI扫描图像上。最终，该方法通过自动生成的棕色脂肪组织感兴趣区域，而非手动定义的区域，提供棕色脂肪组织的定量 MRI 指标。该技术相较于现有用于人体棕色脂肪组织研究的方法，其主要优势在于能够在同一受试者身上，在热中性条件和冷刺激条件下，分别获取并融合 MRI 与 PET-CT 扫描数据。利用该方法所得的 MRI 指标，未来或许仅通过 MRI 即可回答有关人体棕色脂肪组织的分布频率与空间分布等关键科学问题。为准备温度可控的实验环境。进行 MRI 检查时，应使用较小的房间以保持较低温度，并使用便携式空调设备和旋转式落地风扇维持室温，确保冷空气持续循环。当需要较高温度时，可使用可编程的便携式加热器，通过摆动方式使暖空气在房间内均匀分布。在进入温控房间前，应让受试者更换为标准医用短裤和标准医用上衣。脱掉袜子和鞋子。受试者换上标准服装后，测量其身高、体重和腰围。同时使用舌下体温计测量受试者的体温。然后指导受试者进入温度受控的房间。要求受试者安静就坐，避免进行任何可能改变体温的活动，例如运动、打字或入睡。在房间内静坐一小时后，使用舌下体温计再次测量体温。在温控房间内静坐两小时后，使用舌下体温计第三次测量体温。若进行冷刺激 MRI 扫描，则在受试者离开温控房间前，为其穿上冷刺激背心。在温控房间内静坐两小时后，用轮椅将受试者转运至 MRI 扫描仪。使用配备双通道并行发射功能的3特斯拉磁共振成像仪获取MRI扫描图像，采用超大型16通道体部接收线圈及改良型桌面悬吊装置。线圈覆盖体部前侧区域。从扫描仪孔径的顶部接收线圈。使用织物吊索时，应使吊索悬挂至足够低的位置，以便紧贴受试者身体滑动，以最大化信噪比。将躯干后部的接收线圈放置在滚动线圈推车上，当检查床穿过扫描仪孔径时，线圈位于台面两层之间。通过固定在扫描仪前后盖上的绑带将线圈推车固定在ISO中心位置，以保持后部线圈元件静止不动。让受试者以足先进的方式躺在检查床上进入扫描仪。首先，在受试者仰卧之前，先取下背心。然后让受试者将双臂放入一个类似枕套的袋子中，并将手臂放于身体两侧。为了尽量减少受试者在 MRI 和 PET-CT 扫描中体位的差异，重要的是让受试者自然地平躺在扫描床面上，每次扫描时在头下使用相同厚度的垫枕，并使用枕套袋来支撑手臂。在对受试者进行扫描时，所使用的任何支撑物（例如置于膝盖或下背部的枕头）都应始终以相同方式用于该受试者。受试者就位后，采用七组各含20层轴向切片的多层多切片、多回波场回波采集序列，进行水脂MRI扫描。扫描范围从头部顶端至大腿上部，各切片之间连续无间隙，层间间隔为零毫米。安排一名专业的 CT 技术人员在受试者的手部或臂部静脉中置入静脉输液端口。该静脉输液端口可使放射科技师在受试者坐入温控房间后，能够随后注射放射性示踪剂。按照之前的方法设置好温控房间后，指导受试者进入房间。要求受试者安静坐好，不要进行任何可能改变体温的活动。在温控房间内静坐一小时后，使用舌下体温计再次测量体温。在温控房间内停留第一小时结束后，由放射科技师通过静脉输液端口注射氟代脱氧葡萄糖。按每公斤体重0.14毫居里注射F 18 FDG。根据受试者的具体体重计算精确剂量。在温控房间内静坐2小时后，使用舌下体温计再次测量体温。在温控房间内静置两小时后，使用轮椅将受试者转运至PET CT扫描仪。使用Discovery C型及带铅屏蔽的PET CT扫描仪进行扫描。将受试者以仰卧位、头先进的方式置于扫描床上，送入扫描仪。 受试者平躺后，应将双臂放入一个类似枕套的袋子中，并将手臂放于身体两侧。这有助于确保在磁共振成像（MRI）和正电子发射断层扫描-计算机断层扫描（PET CT）检查期间肩部位置保持一致，从而便于图像配准。PET CT成像的扫描视野范围从头部顶部至大腿中段，根据受试者身高不同，共需7到9个床位位置完成扫描。使用文本方案中列出的推荐 PET CT 参数获取 PET CT 图像。按照文本方案中的详细步骤进行图像处理与分析。对同一受试者进行 MRI 和 PET CT 扫描，并对所有扫描图像进行配准，可实现对定量 MRI 的可靠测量。此处显示的BAT指标来自一位受试者未经处理的温暖状态和寒冷状态下的PET-CT与MRI扫描图像。通过获取温暖和寒冷状态下的PET-CT数据，可根据18F-FDG摄取量的增加清晰区分寒冷激活的BAT脂肪库。此处展示的是经过重新配准后的锁骨水平轴向切面图像。在冷刺激PET扫描中观察到的18F-FDG摄取增加发生在脂肪组织的锁骨上区域。该区域的MRI脂肪信号分数在50%至80%范围内，与先前的研究结果相似。在对全部四次扫描进行共配准后，可利用来自PET-CT图像的标准创建受试者特异性的棕色脂肪组织掩模。随后可将此掩膜应用于四次配准的扫描图像，以获取肩胛间棕色脂肪组织区域的影像学指标，此处展示了一名受试者的示例。将棕色脂肪组织掩膜应用于配准后的扫描图像，可从获取的数据中得出数值结果，以均值及95%置信区间表示。在实施该流程时，必须始终注意每次四次扫描均以相同体位安置受试者，因为这将显著改善图像的配准效果。遵循此操作流程。结合其他 MRI 方法，如扩散加权成像、灌注成像和测温技术，将有可能研究人类棕色脂肪组织的空间分布及其发生率。

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人类的褐色脂肪组织的仓库的正电子发射断层扫描/计算机断层扫描自动分段及注册磁共振图像

本文描述了一种对小鼠棕色脂肪组织（BAT）进行功能成像的方法，该方法采用标准化的微型PET/CT方案，无创地评估寒冷刺激下BAT对18F-氟代脱氧葡萄糖（FDG）的摄取。该方法具有良好的稳健性和灵敏度，可检测小鼠模型中BAT活性的差异。...

小鼠棕色脂肪功能成像的18F-FDG 微型PET/CT研究

在本视频中，我们演示了从新生小鼠分离皮下白色脂肪组织和肩胛间棕色脂肪组织的手术操作过程。...

小鼠幼崽白色与棕色脂肪组织库的采集：一种获取小鼠幼崽白色脂肪组织和棕色脂肪组织的手术操作

在本视频报告中，我们展示了切伦科夫发光成像（CLI）技术在小鼠肩胛间棕色脂肪组织中的应用，涵盖其在激活状态和抑制状态下的成像结果。...

肩胛间棕色脂肪组织的切伦科夫发光成像

由于肥胖与其他共病之间存在显著且负面的关联，研究脂肪组织在疾病和整体健康中的作用具有重要意义。本文介绍了一种分离和切除脂肪组织库的实验方案，可用于通过原位（in situ）和体外（in...

小鼠脂肪组织的定位、鉴定与切除

利用免费的开源软件，我们开发了一种分析方法，通过18F-FDG...

使用18F-FDG PET/CT对活性人类棕色脂肪组织进行全身及局部定量分析

利用微型PET/MR成像方法对小鼠产热性脂肪组织库进行功能成像与定量分析。...

使用[18F]FDG微正电子发射断层扫描/磁共振成像对小鼠棕色和米色脂肪组织进行可视化与定量分析

本文介绍了一种用于量化棕色脂肪组织（BAT）活性对人类代谢生理学意义的实验方案。该方法通过结合碳水化合物负荷、间接热量测定法以及锁骨上区域温度变化的测量来实现。这种新颖的方法有助于开发针对人类棕色脂肪组织产热作用的药物靶点。...

结合间接热量测定法、红外热成像和血糖水平检测来测量人体棕色脂肪组织产热活性

本文介绍了一种用于测量人类和实验动物餐后棕色脂肪组织活性的实验方案。...

红外热成像技术用于检测棕色脂肪组织活性变化

前脂肪细胞从小鼠肩胛间棕色脂肪组织的基质血管组分中分离获得，并分化为能够积累脂滴、表达分子标志物并呈现成熟棕色脂肪细胞线粒体形态的细胞。这些细胞进一步通过免疫荧光和透射电子显微镜进行分析。...

从新生小鼠肩胛间脂肪组织基质血管组分中分化与成像棕色脂肪细胞

近年来，家猪和小型猪在科学研究中的应用显著增加。通过演示气管插管、经尿道膀胱导管插入、股动脉和股静脉导管插入以及经心灌注等操作方法，我们旨在进一步提升哥廷根小型猪在生物医学研究中的价值。...

哥廷根小型猪的基本外科技术：插管、膀胱导管插入、股血管导管插入及经心灌注

学习利用PET-CT与MRI多模态成像技术对人体褐色脂肪组织进行自动分割与空间配准的方法。该技术结合热中性及冷刺激条件下的扫描数据，可精准定位锁骨上区域BAT分布，为代谢健康与肥胖研究提供定量影像指标。

通过正电子发射断层扫描/计算机断层扫描及配准磁共振图像自动分割的人类棕色脂肪组织库

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