Name: 小型动物正电子发射断层扫描/计算机断层扫描中的连续血液采样支持动脉输入函数的测量 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-08T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 21 s
Description: 了解小型动物PET/CT连续血液采样技术，通过体外动静脉分流系统测量动脉输入函数，实现精确的生物动力学建模。该方法具有可重复性强、失血少、时间分辨率高的优势，适用于神经科学和药代动力学研究。

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作者衷心感谢Susann Lehmann、Iloana Klamfuß和Petra Wolff在动物饲养与护理方面的支持，以及Matthias Wyss在建立在线血液采样系统过程中提供的帮助。小型动物PET/CT设备由德国研究基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft，项目编号：INST 2268/6-1 FUGG）资助。

所有动物操作和实验均经梅克伦堡-前波莫瑞州动物研究委员会批准（LALLF M-V/7221.3-1.1-004/18，批准日期：2018年4月3日）。实验实施遵循ARRIVE指南。
注意：动物在标准条件下饲养（22 ± 2 °C，12 小时昼夜循环），自由饮水和进食。制备分流系统、手术操作及实际测量所需的所有设备均列于材料表中。
1. 动物插管的准备与手术操作
<ol>
	<li>动物禁食至少 12 小时，期间可自由饮水。麻醉时，将大鼠置于诱导室中，并持续通入氧气/异氟烷混合气体。诱导阶段使用 2.5–3.5% 异氟烷，维持阶段使用 1.5–3.0%（流速为 1.2–1.5 L/min）。 
	注意：使用示踪剂 [18F]FDG 的研究需要禁食，其他示踪剂则不需要。建议通过第 4 节所述的手动采血方法检测血糖水平，以确保数值稳定，或用于动力学建模中的校正。</li>
	<li>将麻醉后的大鼠仰卧于加热垫上，置于手术显微镜下，并在其眼睛上涂抹兽用眼膏。实验过程中持续监测并维持大鼠体温（37 ± 0.5 °C），使用直肠探头进行测温。</li>
	<li>用胶带将大鼠四肢固定在操作台面上以保持位置稳定。使用黏膜消毒剂对术区进行消毒，剃除大鼠腿部及腹股沟区域（手术侧）的毛发，最后再用消毒剂进行最终清洁。</li>
	<li>使用手术镊和剪刀在大鼠腹股沟处做约 20 mm 的切口。分离皮肤各细层，暴露股静脉、股动脉和神经，并用显微镊子将两根细丝线分别置于股静脉和股动脉下方。</li>
	<li>用远端丝线结扎静脉和动脉，并用动脉夹夹住丝线保持张力。 
	使用近端缝合丝线，通过动脉夹施加张力固定血管（无需打结）。</li>
	<li>在近端使用动脉瘤夹阻断静脉，但位置应位于缝合处远端 2–3 mm，并用动脉夹固定。使用角膜剪在静脉上做一小切口（约为管径的 1/3），用无菌棉签吸除渗出的血液。用钝头镊扩张静脉并保持开放状态。将尖端修整过的导管（内径 [ID]：0.58 mm，外径 [OD]：0.96 mm）插入静脉，并向近端推进，直至到达动脉瘤夹处。</li>
	<li>打开动脉瘤夹，继续将导管向近端推进（约 2–3 cm）。若导管位置正确，血液将流入导管内。使用近端缝线打两个结固定导管；如有必要，可在静脉与导管周围加缝一针加固。使用装有 100 µL 肝素化生理盐水溶液（50 单位/mL）的胰岛素注射器（30 G 针头）冲洗并抽吸，以检查导管功能是否正常。</li>
	<li>通过重复步骤 1.6 和 1.7，将导管置入股动脉。</li>
	<li>当两根导管均正确放置后，用缝线关闭切口，并将动物转移至 PET/CT 设备处。 
	注意：在转移动物过程中务必小心保护导管，否则可能导致导管移位。</li>
</ol>
2. 分流系统的设置
<img alt="PET/CT 血液活度测量装置；泵、探测器、连接件；示意图与实验照片。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59701/59701fig2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 2"> 
图 2：测量装置示意图。（A）测量装置的示意图。（B）连接好的分流系统照片，包含twilite探测器、蠕动泵及不同类型的连接件。在动物（1）接受PET/CT（2）扫描的同时，检测大鼠血液中放射性活度随时间的变化。因此，动脉（a）和静脉（b）导管通过适配器（橙色连接件、蓝色连接件和绿色连接件）与探测器-泵系统相连。动脉血从动脉导管被泵入探测器（3），再经蠕动泵（4）后通过静脉导管回输体内。管路系统中集成一个三通阀（7），用于示踪剂注射、手动采血和冲洗。使用一个T型接头（8）注入放射性物质。探测器与计算机连接，用于实时查看、校准和校正连续血液数据。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59701/59701fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol>
	<li>用细内径聚乙烯管（FBPT）（内径：0.58 mm，外径：0.96 mm）截取6段，长度分别为c = 735 mm；e = 100 mm；f = 171 mm；g = 875 mm；h = 90 mm 和 i = 75 mm（图2）。另截取8段硅胶泵管（黑/黑/黑，内径：0.76 mm，外径：2.48 mm），每段长约20 mm。</li>
	<li>在硅胶泵管d（黄/蓝/黄，内径：1.52 mm，外径：3.20 mm）两端安装减径接头（从内径2.5 mm减至内径1.5 mm）。将一段已准备好的20 mm长的硅胶管（黑/黑/黑）套在所用减径接头的另一端（见图2中的蓝色接头）。</li>
	<li>将已准备好的FBPT段c插入硅胶泵管d（黄/蓝/黄）一端组装好的蓝色接头中，再将已准备好的FBPT段e插入另一端的组装蓝色接头中。将两段已准备好的20 mm长硅胶管（黑/黑/黑）分别套在两个T型接头5和6（管路T型连接头，内径：1.5 mm；见图2中的绿色接头）的两端。</li>
	<li>将FBPT段e的自由端连接至组装好的绿色接头（5）左侧，并将已准备好的FBPT段f连接至绿色接头（5）的对侧。将FBPT段f的自由端插入组装好的绿色接头（6）左侧，并将已准备好的FBPT段g连接至绿色接头（6）的对侧。将已准备好的FBPT段h连接至组装好的绿色接头（5）的自由端，将已准备好的FBPT段i连接至组装好的绿色接头（6）的自由端。</li>
	<li>将一个组合塞与皮下注射针头（G 23 x 1 1/4''/ø 0.60 mm x 30 mm）连接，并接入三通阀。将装有针头的三通阀插入FBPT段h的自由端。再将另一个组合塞与皮下注射针头连接，并将针头插入FBPT段i的自由端。 
	注意：在开始在线采血前，请参见第5节。</li>
	<li>将FBPT段c和g的自由端插入盛有20 mL肝素化生理盐水溶液（50单位/mL）的100 mL烧杯中。启动蠕动泵，设定流速为1.52 mL/min，使分流系统完全充满生理盐水溶液。随后，在FBPT段c和g的末端以及FBPT段i的中部各夹上一个剪刀夹。</li>
	<li>松开FBPT段c和g上的剪刀夹。将动脉导管a连接至FBPT段c的自由端，将静脉导管b连接至FBPT段g的自由端（见图2中的橙色接头）。</li>
</ol>
3. 图像采集与重建
<ol>
	<li>将动物置于俯卧位的转运床托盘（70 mm）上。控制大鼠呼吸，并维持体温在37 ± 0.5 °C 使用加热垫和直肠探头在整个图像采集过程中维持体温。将推车床移至延伸床位以进行注射（采集前），并将已插入的导管连接至分流系统。</li>
	<li>通过鼻罩以异氟烷（2.5% 异氟烷，氧气流速 1.2–1.5 L/min）维持动物麻醉状态。</li>
	<li>启动蠕动泵，以1.52 mL/min的流速将动物血液灌注至分流系统中。将 Shuttle 床移动至 PET 探测环视野中心，并启动在线血液采样系统（参见第5节）。</li>
	<li>在60秒后，按照第3.5节所述参数启动PET/CT工作流程，随后注射约22 MBq的剂量[18F]FDG 0.5 ± 0.1 mL 通过T型管静脉注射。用约 150 µL 肝素化生理盐水溶液</li>
	<li>采集60分钟的动态PET图像，并在PET成像结束时进行CT扫描。
	<ol>
		<li>对于PET发射数据采集，将时间设置为3600秒（60分钟） 按时间获取 选项。选择 F-18 作为 研究同位素 并使用 350–650 keV 作为 能级 和 3,438 ns 作为 时间窗口.</li>
		<li>对于CT采集，选择衰减扫描 采集 选项。在投影设置字段中，选择 120 投射 一半 总旋转角度视野（FOV）和分辨率设置选择低档 放大倍数 4 × 4 结合 275 mm 轴向扫描长度 3328 像素 横断面CCD尺寸在曝光设置字段中，设置 500 µA 用于 电流，80 kV 用于 电压 180 毫秒 曝光时间.</li>
		<li>对于PET发射直方图，设置一系列20个帧（6 × 10 s，8 × 30 s，5 × 300 s 和 1 × 1800 s）作为 动态构图. 选择“相减”作为 延迟在高级设置字段中选择 128 正弦图 宽度，3 作为 span，79 作为 环差与死时间校正.</li>
		<li>用于 PET 重建时，采用二维有序子集期望最大化（2D-OSEM）方法进行生成、应用和保存 散射正弦图, 4 迭代 以及使用Fourier方法进行重排 重建算法. 选择 128 × 128 作为 矩阵大小 并使用1作为 图像缩放，所有这些均作为 帧 以及所有上述内容 片段.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 手动采血操作步骤
<ol>
	<li>在开始成像采集后的30秒、60秒、90秒、600秒和1800秒进行手动采血。 
	注意：如果条件允许，强烈建议增加手动采血次数，尤其是在示踪剂注射后的第一分钟内。因此，每次血样体积需减少至20–30 µL6。
	<ol>
		<li>打开第一个三通阀，在示踪剂注射后30秒内将100 µL动脉血收集到毛细血管EDTA抗凝采血管中。其他时间点重复此操作。记录空管和装有血液的管子的重量。</li>
		<li>使用井型计数器对全血样品测量180秒的放射性活度（计数/单位时间），之后通过交叉校准获得以kBq/mL为单位的数据。记录井型计数器测量的开始时间。计算每次手动采血时间点的全血放射性活度（kBq/mL），进行衰变校正，并将数据绘制成时间-活度曲线。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
在线血液采样步骤
<ol>
	<li>使用试管导引器将试管放入探测器中。启动血液采样软件（例如 PSAMPLE）并打开采集界面。确保在线血液采样系统的计算机与 PET/CT 的计算机时间同步。</li>
	<li>在示踪剂注射前恰好 60 秒按下启动按钮，以采集足够的背景校正数据。测量结束后，通过 PMOD 数据库中的保存按钮保存原始数据。</li>
	<li>为对在线血液数据进行校正和校准，请切换至校正界面。启用衰变校正并选择 18F。定义图像采集的开始时间，并启用平均按钮以执行背景校正。激活校准功能，并输入先前确定的校准因子（见第 7.1 节）。</li>
	<li>使用保存 TAC 按钮保存经过校正和校准的血液数据，并选择文件 blood.crv。该文件随后可作为全血输入曲线载入动力学建模工具，以进行动力学建模。将导管与体外循环系统分离。</li>
	<li>将动物从 PET/CT 扫描仪上移除，并用戊巴比妥实施安乐死。 
	注意：本实验中，动物在测量后被实施安乐死，因为实验设计中需使用其脑组织进行体外分析。使用该装置，也可实现纵向研究中的重复测量7。对下一只动物应使用一套全新的管路系统。</li>
</ol>
6. 图像衍生输入函数
<ol>
	<li>在 PMOD 上打开 Fuse it 工具。将 PET 图像作为输入，CT 作为参考图像加载。点击“已匹配”。</li>
	<li>打开感兴趣体素（VOI）工具。将光标置于 CT 图像中的升主动脉内。点击预定义的球形 VOI，设定半径为精确的 0.7 mm。使用 VOI 统计按钮提取时间-活度信息，并将平均值复制到剪贴板。</li>
</ol>
7. 便携式发光检测系统、PET/CT与井型计数器交叉校准的操作步骤
<ol>
	<li>Twilite-PET/CT校准 
	注意：Twilite系统的校准工作流程部分基于PMOD软件PSAMPLE模块参考手册中描述的程序。
	<ol>
		<li>用注射器抽取约100 MBq的[18F]FDG。使用已校准的剂量活度计精确测量其活度AF，并记录测量日期、时间和注射器的总体积。所记录的时间点将作为所有后续衰变校正的参考时间点。</li>
		<li>用500 mL自来水注入烧杯中。通过称重法确定其准确体积。使用适当且已校准的精密天平（至少准确度等级II）测量空烧杯的质量me。将自来水注入烧杯后，测量装满水后烧杯的总质量mf。</li>
		<li>利用质量差与自来水密度（20 °C时ρ = 0.998 g/mL）计算烧杯的体积Vb： 
		<img alt="浮力计算公式 Vb=(mf−me)/ρ；物理学中关于漂浮物体的研究方程。" src="/files/ftp_upload/59701/59701eq1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程1"></li>
		<li>将[18F]FDG注入已装水的烧杯中，然后用不含放射性的自来水将注射器重新注满至原始体积，并使用剂量活度计测量重新注满后注射器中的残余活度AE。烧杯中溶液的活度浓度cb由下式给出：<img alt="放射性浓度计算方程；公式：\(c_b = \frac{A_F - A_E}{v_b}\) [kBq/mL]。" src="/files/ftp_upload/59701/59701eq2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程2">，该值应约为200 kBq/mL。</li>
		<li>从烧杯中取溶液填充一个50 mL锥形离心管（避免产生大气泡），并将其置于PET/CT扫描仪视野中心。取一根与PET/CT成像实验中所用类型相同的导管，放入twilite系统的导管引导装置中。使用蠕动泵将烧杯中的示踪剂溶液注入导管内。</li>
		<li>按照第5节所述启动时间-活度曲线（TAC）测量，采用与实验相同的积分时间和重排参数，但测量头内不放置导管引导装置。此步骤可确保采集足够的数据以进行适当的背景校正。2分钟后，在不中断twilite系统数据采集的情况下，将装有导管的引导装置插入测量头，并继续采集数据约5分钟。</li>
		<li>并行启动对50 mL锥形离心管的10分钟PET扫描，随后进行标准CT扫描以用于衰减校正。使用第3节中所述的相同PET重建算法和参数重建该离心管的静态PET图像。使用图像后处理工具（例如PVIEW），在重建的PET图像中为50 mL锥形离心管内部约70%体积区域设置一个圆柱形感兴趣体积（VOI）。提取VOI内的平均活度浓度cPET（单位：kBq/mL）。</li>
		<li>返回血液采样器软件，使用校准模式对采集到的时间-活度曲线进行衰变、分支比和背景校正。输入核素、活度浓度以及PET扫描开始时间等必要信息。软件内部提取twilite系统测得的计数率（CRtwilite），并计算PET与twilite系统之间的交叉校准因子（CFPET/twilite）： 
		<img alt="PET分析的校准因子方程；放射性测量研究中包含单位换算的公式。" src="/files/ftp_upload/59701/59701eq3.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程3"> 
		注意：必须在twilite系统和PET/CT实验中使用相同的同位素，因为不同同位素的分支比存在差异，而该差异已在PET重建过程中被校正。若系统的重要组件发生变更（如管路、采集或重建参数）或进行维修后，应定期重复此校准程序以实施质量控制。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>PET/CT井型探头校准
	<ol>
		<li>为计算井型探头的校准因子CFwell-counter，使用与twilite系统校准相同的烧杯内溶液。等待约6小时，使溶液因衰变导致的比活度降低，从而最小化井型探头闪烁探测器的死时间效应。盖紧烧杯盖以防止蒸发。</li>
		<li>计算当前时间与参考时间点之间的确切时间差，并通过对原始活度浓度进行衰变校正，确定烧杯中溶液在当前时刻的实际活度浓度cb(t+)。从烧杯中吸取预设体积（Vsample）的溶液，体积应与实验中血液样本的测量体积一致（例如200 µL），分别加入五个安全锁扣管中。使用井型探头对每个试管测量180秒。 
		注意：若单次测量的变异系数大于1%，应延长测量时间。记录每个试管的计数率（单位：每分钟计数[cpm]）及测量开始时间，并进行衰变校正。</li>
		<li>通过将井型探头测得的衰变校正后计数率CRwell-counter除以烧杯溶液衰变校正后的活度浓度cbeaker(t+)，计算每次测量的校准因子CFwell-counter： 
		<img alt="井型探头校准因子方程；放射性分析图示中的公式：CR/V。" src="/files/ftp_upload/59701/59701eq4.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="方程4"></li>
		<li>取五个校准因子的平均值，得到平均校准因子。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本文所示结果源自一项大规模研究，该研究比较了亨廷顿病转基因动物模型与野生型大鼠的神经元活动。总共对30只转基因和野生型大鼠进行了导管植入，并在进行[18F]FDG-PET/CT扫描的同时实施了手动和在线血液采样。本文展示了三只野生型大鼠的动脉输入函数（AIF），以展示该实验方案可能得到的结果范围。有关亨廷顿病动物模型中神经元活动变化的完整研究结果将另文发表。
本文所述方法能够在大样本群体中实现快速、准确的连续血液采样，并为小动物动态PET/CT数据的动力学建模提供无缝的动脉输入函数（AIF）。通过建立体外血液循环系统，可实时检测动物血液中的放射性活度，从而避免血液丢失。该手术操作基于Jespersen等人的方法8，并进行了改进，以满足PET/CT扫描过程中动脉血液采样的需求。分流系统已由Weber等人验证9。在本研究所采用的装置中，约有1.1 mL的体外循环血量流经探测器-泵系统。一只4个月大的大鼠总血容量约为30 mL。股静脉和股动脉的直径约为0.45–0.6 mm10，在插入所用导管时需轻微拉伸。
AIF 还可以通过间歇性手动采血进行测量，或通过 PET 图像本身的早期时间点重建（图像衍生法）。本研究中对所呈现的数据同时采用了这两种方法，并与连续血液采样进行了比较。
与手动采血相比，在线采血可实现明显更高的时间分辨率（此处为每30分钟1800个数据点）。手动采血（此处为每30分钟5个数据点）受限于小动物体内可用的血液体积，因为这些样本不会被泵回动物的循环系统中。此外，手动采血在技术上最多只能达到10-15秒的采样间隔，导致动力学建模所需的重要信息丢失。这一点在所展示的数据中也有所体现，连续采血与手动采血检测到的最大值之间存在明显差异（图3A,C,E）。采用在线采血时，检测到的峰值高于升主动脉图像衍生输入函数的结果11（图3B,D,F）。图像衍生输入函数受限于正电子发射断层扫描仪（PET）的空间分辨率，从而产生部分容积效应12，并受到重建时间帧的影响。
这种连续采血方法的一个普遍优势是，示踪剂可通过导管给予，相比经尾侧静脉注射，这种方式更不易受到干扰。需要注意的是，示踪剂应以适中的体积给予，以防止示踪剂残留在管路系统的起始端。为确保T型接头的死腔中无残留放射活性，之后需用肝素化生理盐水冲洗。此外，建议使用输注泵，因为它可以调节示踪剂注射速度，并有助于在手动采血过程中更协调地捕捉到放射性峰值13。
在方案实施过程中可能会出现一些潜在困难，可通过以下方法进行排查和解决。导管位置欠佳可能导致方案执行不完全，因此需确保使用近端缝线准确固定导管，并将导管向近端血管内推进2-3 cm。此外，可使用纤维蛋白粘合剂辅助固定。血栓形成也可能导致导管堵塞，可通过提高肝素浓度并随后冲洗导管或管路系统来处理。结果中展示了因导管堵塞导致的次优效果，最大峰值缺失（图3E）。另一个涉及动物保护与福利的关键问题是体外血流的持续时间，因此建议将管路系统长度缩短至最低限度。
进行采血时，必须对所得动脉输入函数（AIF）进行三项校正。第一，血浆校正。示踪剂在血浆与血细胞（主要是红细胞）之间达到平衡。根据这些扩散过程的快慢，可用的示踪剂主要存在于血浆中。对于某些示踪剂，需要考虑血浆与全血之间的比例，例如脂溶性较强的示踪剂。在这些情况下，必须测定血浆中的放射性活度。如果使用 [18F]FDG，则无需通过离心血液来测定血浆活度，因为 [18F]FDG 在血浆与红细胞之间平衡非常迅速，其在血浆中的可用性与全血中相似。第二，代谢物校正。许多示踪剂在全血中会发生代谢，其中一些代谢产物仍带有放射性标记14。这部分代谢物存在于AIF中，但无法参与组织摄取。对于某些示踪剂，需要在全血或血浆中测定其代谢产物，并对AIF进行校正。第三，弥散校正。弥散由多种因素引起，包括（a）示踪剂到达组织的时间与外周采样点之间存在的系统性时间差异（延迟校正），以及（b）由于管路系统内示踪剂传输受一阶滞后（PT1）动力学影响，导致AIF形状发生展宽。已有多种基于去卷积的校正方法被提出，主要基于Iida等人提出的模型15，但这些方法大多对噪声敏感。Munk等人提出了一种可避免去卷积的校正方法，因而对噪声的敏感性较低16。用于估计校正参数的必要测量需针对所使用的每一种管路与示踪剂组合分别进行。弥散校正应在时间延迟校正之前进行17。然而，弥散主要影响快速的组织灌注过程，且已有研究表明，在对 [18F]FDG 研究进行建模时，弥散校正并非绝对必要18。因此，在本文所展示的示例中，未对AIF进行弥散校正。
现场活度计的正确校准及其定期质量控制是实施本文所述交叉校准程序的前提条件。然而，如果给予动物的放射性活度使用同一台活度计进行测量，则只要测量偏差保持恒定，并且完整执行了包括核素特异性校正（例如，针对不同半衰期或分支比差异的校正）在内的全部交叉校准步骤，该偏差将会被抵消。采用此类校准方法对用于人类医疗保健和研究的PET/CT系统进行标准化时，可实现至少5-10%的准确度19,20。
成功实施本方案生成的经校准和校正的动脉输入函数（AIF），可用于PET/CT数据的定量分析，以表征动物疾病模型、测试新的治疗方案、建立新的示踪剂，并将现有示踪剂转移至其他物种。在大鼠的[18]FDG-PET/CT研究中，连续血液采样似乎可为生物动力学建模中的输入函数计算提供最可靠的信息。通过考虑个体代谢情况，尤其是肝脏清除率，能够更精确地评估相关的病理或治疗效应。借助这一切实可行的方案，可轻松实现临床前PET/CT数据分析效率的提升。

正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT）是一种核医学成像技术，在注射放射性标记配体（也称为示踪剂）后，可实现对体内代谢过程的可视化。配体是一种参与特定代谢途径或靶向细胞表面蛋白的分子，而放射性标记则为可发射正电子的放射性核素。正电子衰变会间接产生伽马射线，从而可通过体外的PET探测器检测其在生物体内的分布情况。通过该方法，可靶向不同的细胞分子：如神经递质受体和转运体、糖酵解等代谢过程，或线粒体蛋白如18 kDa转位蛋白（TSPO），以检测活化的胶质细胞。
在临床前研究中，PET/CT 是一种用于体内无创研究生物化学过程的优选方法，从而支持纵向研究。PET/CT 数据有助于分析疾病机制、评估新药的特性与药代动力学，并验证现有及新型放射性示踪剂在转化研究中的应用。
在PET/CT分析中，可以定义三种示踪剂状态（以双室模型为例）：首先，示踪剂在给药后在血液中循环（状态1；浓度[血液]）；其次，示踪剂通过毛细血管床进入组织，在组织中可自由分布于细胞外间隙，或非特异性地结合到多种细胞或细胞外结构上（状态2；浓度[非特异]）；第三，示踪剂可特异性地结合（可伴有或不伴有代谢捕获）其靶分子（状态3；浓度[特异]）。这些隔室之间的动态过程在一定程度上均为双向的，扩散过程由速率常数（K1、k2、k3和k4）描述。其中，血液中示踪剂的浓度（即状态1）称为“输入”，而非特异性结合与特异性结合的示踪剂浓度（即状态2和状态3）称为“输出”，可直接从PET图像中获得。这种生理关系可在双室模型中表示（图1）。
<img alt="区室模型示意图；FDG 浓度动力学，通过速率常数 K1-K4 从血液进入脑细胞。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59701/59701fig1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 1"> 
图 1：双组织区室模型。展示了三种不同示踪剂状态的生理条件及其之间的动态过程。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59701/59701fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
在理想情况下，特异性浓度 conc.[spec] 与其靶分子的浓度成正比。然而，PET/CT 测量的输出结果是特异性浓度 conc.[spec] 与非特异性浓度 conc.[unspec] 的总和。为了确定感兴趣区域内的 conc.[spec]，需同时测定不含靶蛋白/通路的参考区域中的非特异性浓度 conc.[unspec]。通过使用适当的数学方程，目前最常用的是隔室模型（一种生物动力学建模方法），可计算出 conc.[spec]。然而，在许多情况下，并不存在不含靶蛋白的合适参考区域1,2。在这种情况下，可利用血液中的浓度 conc.[blood] 来确定 conc.[spec]。由于 conc.[blood] 会受到肝脏和肾脏清除率、排泄、血流、血脑屏障通透性以及疾病相关因素等影响而发生变化3，目前的金标准是在 PET/CT 扫描的同时通过连续采血来测量 conc.[blood]。由此可获得动脉输入函数（AIF），其定义为 conc.[blood] 随时间的变化曲线4。需要注意的是，连续采血操作在技术上具有很高的挑战性，尤其是在大鼠或小鼠等小动物中5。
本文提供了一种简便且实用的方案，通过股静脉与股动脉之间的动静脉（a-v）分流管持续采集大鼠血液样本。结合商用的检测器-泵系统，我们能够在雄性Sprague Dawley大鼠进行动态[18F]氟代脱氧葡萄糖（[18F]FDG）PET/CT扫描期间实时、连续地获取动脉输入函数（AIF），并将其与其他替代方法进行了比较。实验采用多模态PET/CT扫描仪，对4月龄、平均体重为462 g ± 33 g（均值 ± 标准差）的雄性Sprague Dawley大鼠进行了PET/CT成像。
由于在一系列测量过程中使用了多种设备（剂量校准器、在线血液采样器、PET/CT 和井式计数器），因此需要进行一种称为交叉校准的质量控制程序，以检查所有系统的定量准确性并补偿系统间的差异。在线血液采样的交叉校准是指：在经过校正的 PET 图像中测得的特定活度浓度的计数率，可转换为 twilite 系统对相同浓度测得的浓度值。因此，已建立 PET/CT、血液采样系统与井式计数器之间的交叉校准程序。
这种高度标准化的方法为临床前小型动物研究中代谢和细胞过程的定量分析提供了一种强有力的手段，同时也是提高动脉输入函数（AIF）可靠性和可重复性的有效策略。随后，可通过生物动力学建模，利用AIF对临床前PET/CT数据中组织内特异性结合示踪剂的量进行定量分析。

<table><tbody><tr><td>&lt;em&gt;&lt;strong&gt;动静脉分流手术&lt;/strong&gt;&lt;/em&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>麻醉工作站</td><td>Groppler</td><td></td><td></td></tr><tr><td>动脉瘤夹</td><td>Aesculap</td><td>FT190T</td><td>5 mm，闭合力为70 g</td></tr><tr><td>止血钳</td><td>Aesculap</td><td></td><td>35 mm</td></tr><tr><td>解剖剪 BC165</td><td>Aesculap</td><td>490-866</td><td>皮肤准备用钝器</td></tr><tr><td>加热垫</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>胰岛素注射器</td><td>Braun</td><td></td><td>30G</td></tr><tr><td>持针器</td><td>medicon</td><td>11.62.18</td><td>显微外科</td></tr><tr><td>动脉瘤夹用镊子</td><td>Aesculap</td><td>FT 470T</td><td>Yasargil</td></tr><tr><td>Portex 细孔聚乙烯导管</td><td>Smith Medical</td><td>800/100/200</td><td>内径 0.58 mm，外径 0.96 mm；PE50 等效导管</td></tr><tr><td>带摄像头的手术显微镜</td><td>Leica</td><td></td><td>M50 + MC120 HD</td></tr><tr><td>6.0 号缝合线</td><td></td><td></td><td>6.0，聚丙烯</td></tr><tr><td>3.0 号缝合线</td><td></td><td></td><td>3.0，可吸收，编织线</td></tr><tr><td>两把解剖镊</td><td>Hammacher Soling</td><td>HSC601-11</td><td>显微外科，45&amp;deg;</td></tr><tr><td>血管剪或角膜剪</td><td>Geuder</td><td>G19605</td><td>显微外科剪刀</td></tr><tr><td>&lt;em&gt;&lt;strong&gt;PET/CT成像&lt;/strong&gt;&lt;/em&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>剂量校准仪 ISOMED 2010</td><td>nivia instruments GmbH</td><td></td><td>用于示踪剂分配</td></tr><tr><td>Inveon PET/CT</td><td>西门子</td><td></td><td></td></tr><tr><td>示踪剂（例如 18F-FDG）</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;em&gt;&lt;strong&gt;手动采血&lt;/strong&gt;&lt;/em&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>毛细血管血液采集 EDTA 管</td><td>KABE Labortechnik GmbH</td><td></td><td>GK 150 EDTA 200 &amp;micro;l</td></tr><tr><td>试管</td><td>SARSTEDT</td><td></td><td>5 ml，75 x 12 mm，PS</td></tr><tr><td>well counter CAPTUS 700t</td><td>Capintec</td><td></td><td>血液活性的手动测量</td></tr><tr><td>&lt;em&gt;&lt;strong&gt;自动血液采样&lt;/strong&gt;&lt;/em&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>BD Venflon™ pro 安全防护型静脉导管；18 G（1.3 mm × 32 mm）</td><td>BD</td><td>3932269</td><td>鲁尔接头（可适配于T型连接）</td></tr><tr><td>bloodsampler twilite two</td><td>swisstrace GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>组合塞</td><td>Braun</td><td>4495101</td><td></td></tr><tr><td>肝素</td><td></td><td></td><td>实验前导管冲洗及导管手术期间抽吸用 50U/ml</td></tr><tr><td>皮下注射针头</td><td></td><td></td><td>G23 x 1 1/4&quot; / 0.6 × 30 mm</td></tr><tr><td>微处理器控制的管路泵</td><td>Ismatec/Cole-Parmer</td><td>ISM596</td><td>12个滚轮，2个通道</td></tr><tr><td>PMOD 的 PSAMPLE 模块</td><td>PMOD</td><td></td><td></td></tr><tr><td>减压接头</td><td>Ismatec/Cole-Parmer</td><td>ISM569A</td><td>从内径 2.5 mm 到内径 1.5 mm</td></tr><tr><td>硅胶泵管</td><td>Ismatec/Cole-Parmer</td><td>070535-17-ND /SC0065N</td><td>用于滚压泵（黄色/蓝色/黄色，内径 1.52 mm，壁厚 0.84 mm，外径 3.2 mm）</td></tr><tr><td>硅胶泵管 - 适配管</td><td>Ismatec/Cole-Parmer</td><td>SC 0107</td><td>黑色/黑色/黑色，ID 0.76 mm，WT 0.86 mm，OD：2.48 mm</td></tr><tr><td>三通接头或三通连接</td><td>Ismatec/Cole-Parmer</td><td>ISM 693A</td><td>ID 2.5 mm</td></tr></tbody></table>

小型动物正电子发射断层扫描/计算机断层扫描中的连续血液采样可实现动脉输入函数的测量

Continuous Blood Sampling in Small Animal Positron Emission Tomography/Computed Tomography Enables the Measurement of the Arterial Input Function

在对正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT）数据进行定量分析和生物动力学建模时，确定血液中放射性示踪剂随时间变化的浓度曲线——即动脉输入函数（AIF）——是一个关键环节，尤其在动物疾病模型的表征以及新型放射性示踪剂的研发应用中尤为重要。了解放射性示踪剂在血液中的可利用性，有助于准确解读由PET/CT获得的组织活性数据。为此，在PET/CT成像过程中进行在线血液采样以测定AIF是较为理想的方法。与手动采血及基于图像提取的方法相比，连续在线血液采样具有多项优势：除显著减少动物失血量外，还能提高时间分辨率和血液活性测量的准确性。然而，在线采血的主要缺点在于对动物股动静脉插管所需的操作复杂、成本较高且耗时较长。本文介绍了一种简便且完整的操作流程，用于在小动物PET/CT成像过程中实施插管及连续血液采样，并将其与手动采血和图像提取法进行了比较。通过这一高度标准化的操作流程，展示了氟代脱氧葡萄糖（[18F]FDG）AIF的测定过程。此外，该方法可适用于多种放射性示踪剂与不同动物模型的组合，从而为示踪剂动力学行为和模型特性提供基础性研究数据。这有助于在肿瘤学、神经退行性疾病和心肌疾病等领域的临床前研究中，更精确地评估诊断性和治疗性药物的体内行为。

分流系统的设置如图所示 图2连续采血数据与手动采血数据在三只野生型大鼠中30分钟时间范围内的代表性结果如图所示 图3A，C在连续采血的开始阶段，示踪剂注射后5秒可观察到初始峰值（放射性浓度最高值）。随后，血液中的放射性迅速下降，并在约15分钟时达到平台期。在手动采血数据中，检测到的峰值较小，且平台期不易界定。图3A，C）。连续血液采样与图像衍生数据的比较如图所示 图3B，D在图像衍生数据中，峰值和平台期的起始点清晰可见，但与所有动物的连续血液采样数据相比，其峰值的最大值较小。图3B，D).
使用本实验装置进行连续采血时，一种次优结果如图3E,F所示。在连续采血开始阶段，由于血液凝固，前3.5分钟内无法进行数据采集。通过在橙色连接器处断开管路系统，并用肝素化生理盐水冲洗，管路中的流动得以恢复，测量继续进行。约4分钟时出现一个峰，但该峰未能记录到血液中放射性活度的真实峰值（图3E,F）。手动采血（图3E）和图像衍生分析（图3F）仍可进行，且结果与正常情况下的结果具有可比性。
<img alt="动脉输入函数 AIF 图形；连续采样；手动与图像衍生法；放射活性与时间关系。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59701/59701fig3.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Figure 3"> 
图3：连续血液采样与手动血液采样的代表性结果对比。 展示了由连续血液采样获得的典型动脉输入函数与手动血液采样（左列）以及图像衍生法（右列）的比较结果。图A-D展示了在两只不同动物中正确实施本实验方案所得到的结果。图E和F则展示了一次测量中的次优结果。所有数据显示前均已校正交叉校准因子和背景信号。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59701/59701fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

本文介绍了一种在大鼠PET/CT成像过程中连续采集血液以测量动脉输入函数（AIF）的实验方案。内容包括导管植入、系统校准与设置，以及血液放射性数据的分析方法。所获得的数据可为后续的生物动力学建模提供输入参数。

对于正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT）数据的定量分析与生物动力学建模，时间...

本视频提供了一种连续血液采样的实验方案。通过体外动静脉分流，在进行PET/CT扫描的同时测量血液中的放射性活度。该方法可生成后续PET/CT数据定量分析所需的动脉输入函数，从而实现精确的生物动力学建模。本方案的主要优势在于其可重复性强、出血量极少，并且能够实现动脉输入函数在时间分辨率上的高精度。必须对所有用于测定血液活度浓度的测量设备进行交叉校准。本次操作演示由本实验室的技术员 Anne Moller 进行。在确认12小时禁食的大鼠对脚趾夹捏无反应后，剃除动物手术侧的腿部和腹股沟毛发，并用额外的消毒剂清洁暴露的皮肤。在动物眼睛上涂抹眼膏，并插入直肠探头以持续监测和维持体温。将大鼠的四肢用胶带固定在工作台面上，并使用黏膜消毒剂对手术区域进行消毒。在腹股沟处做一个约20毫米的切口，分离细小的皮肤层以暴露股静脉、股动脉和神经。将两根细丝线置于股静脉和股动脉下方，用远端丝线结扎血管。用动脉夹夹住血管并保持张力，利用近端的缝合丝线通过动脉夹使血管绷紧，但不打结。用血管夹在缝合处远端两到三毫米处阻断血管，近端使用动脉瘤夹，然后用角膜剪做一个相当于血管直径1/3的切口。血管切口是本方案中最关键的步骤。请务必使用显微外科器械（如角膜剪），并确保以45度角小心切割血管。使用无菌棉签清除渗出的血液，并用钝头镊子扩张静脉。保持血管张开，将尖端锐化的导管沿近端方向插入静脉，直至动脉瘤夹处。打开动脉瘤夹，再将导管推进 2 至 3 厘米。如果导管放置正确，血液将流入导管内。用近端的两个结固定导管。使用胰岛素注射器通过导管注入并回抽100 µL肝素化生理盐水，以检查导管的功能是否正常。然后将导管插入动脉，操作方法与之前演示的静脉插管相同，并用缝线缝合腿部。本操作将由本实验室的技术员 Joanna Forster 进行演示。进行图像采集时，将动物以头部朝下的体位放置于转运床托盘上，并将转运床移至延伸床位置以便注射。将导管连接至分流系统，并以每分钟1.52毫升的流速启动蠕动泵，用动物血液填充分流系统。将移动床推至正电子发射断层扫描（PET）检测环视野中心，启动在线血液采样系统。随后启动PET/计算机断层扫描（CT）工作流程。60秒后，通过三通管静脉注射0.5至1毫升约22兆贝可的18F-氟脱氧葡萄糖剂量。用约150微升肝素化生理盐水溶液冲洗三通管。对于PET发射数据采集，将“按时间采集”选项设置为3,600秒，并选择F-18作为研究用同位素。使用 350 至 650 千电子伏作为能量水平，3,438 纳秒作为时间窗口。在 CT 采集过程中，采集选项中选择衰减扫描，在投影设置字段中选择 180 次投影以实现半圈总旋转。在视野和分辨率设置中，选择低倍放大，绑定设置为四乘四，轴向扫描长度为 275 毫米，横向电荷耦合器件尺寸为 3,328 像素。在曝光设置字段中，将电流设为 500 微安，电压设为 80 千伏，曝光时间设为 180 毫秒。然后在接下来的 60 分钟内采集动态 PET 图像，PET 成像结束后进行 CT 扫描。对于 PET 发射直方图，将一系列 20 个帧设为动态帧模式，并选择“相减”作为延迟处理方式。在高级设置字段中，选择 128 作为正弦图宽度，3 作为跨度，79 作为环差和死时间校正。对于 PET 重建，采用二维有序子集最大期望法，并应用和保存散射正弦图，迭代次数设为四次，重排方法选择傅里叶重排作为重建算法。然后选择 128×128 作为矩阵大小，图像缩放倍数设为 1，帧和段均选择“全部”。在开始图像采集后的30、60、90、600和1,800秒进行手动采血时，打开第一个三通阀。在示踪剂注射后30秒，将100微升动脉血收集至EDTA毛细血管采血管中。为测量全血的放射性活度，将样本装入井型探头计数器中，以计算每次手动采血时间点的全血放射性活度，单位为千贝可每毫升（kBq/mL）。进行在线血液采样时，使用试管导引器将试管放入检测器中，并启动血液采样器软件。打开数据采集界面，确认在线血液采样系统的计算机与PET/CT设备的时钟已同步。在示踪剂注射前恰好60秒按下“开始”按钮，以采集足够的背景校正数据。测量完成后，通过 PMOD 数据库中的“保存”按钮保存原始数据。为校正和校准在线血液数据，请切换到校正界面并启用衰变校正功能。选择 18F，并定义图像采集的开始时间，启用“平均”按钮以执行背景校正。启动校准，并输入校准因子。使用“保存TAC”按钮保存已校正和校准的血液数据，并选择 blood.crv 文件。在连续采血的开始阶段，在线分析中可观察到放射性浓度出现初始峰值，该峰值大约在示踪剂注射后5秒开始出现。在此峰值之后，血液中的放射性迅速下降，并在约15分钟后达到平台期。在手动采血数据中，检测到的峰值较小，且平台期不易明确界定。在图像衍生数据中，峰顶和平台期的起始点清晰可见。然而，与连续血液采样数据相比，其峰值的最大值较小。在此次次优的连续血液采样过程中，由于血液凝固，采样的最初3分半钟内无法进行数据采集。清除血凝块后，重新启动管路系统中的血流并继续测量，结果显示约四分钟时出现一个峰值，但该峰值并未记录到血液中的最大放射性。尽管采样条件次优，仍可进行手动血液采样和图像衍生分析，所得结果与正确连续血液采样获得的结果相当。在整个操作过程中需始终关注动物福利，严格按照推荐方法制备分流系统，并尽量缩短管路长度。该方案可用于临床前环境下新型诊断用正电子发射断层扫描示踪剂的优化、新型疾病模型的表征以及新型治疗药物治疗反应的评估。

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小型动物正电子发射断层扫描/计算机断层扫描中的连续血液采样支持动脉输入函数的测量

迫切需要无创地识别动脉粥样硬化，本文展示了如何利用FDG-PET/CT来检测和量化动脉粥样硬化斑块的活性及血管炎症。...

使用[18F]氟脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（FDG-PET/CT）定量评估动脉粥样硬化斑块活性与血管炎症

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

来源： Chaney, A. M., et.al. 利用[11C]DPA-713对缺血性卒中模型小鼠进行神经炎症的PET成像。 J. Vis. Exp. (2018)。...

TSPO-PET/CT成像用于检测缺血性脑卒中 小鼠模型中的梗死形成

小动物正电子发射断层扫描能够评估大脑的两种主要能量底物：葡萄糖和酮体。 在本方法中，依次向每只动物注射11C-乙酰乙酸盐和18F-氟脱氧葡萄糖，并根据磁共振图像确定的特定脑区，定量测量它们的摄取情况。...

一种用于定量测量大鼠脑区能量底物摄取的双示踪剂PET-MRI方案

本方法概述了使用量子微计算机断层扫描（MicroCT）结合碘化对比剂，在实验性心肌缺血小鼠模型中评估心脏形态、功能、灌注、代谢及存活能力。该技术可用于多种人类心脏病动物模型的无创、高通量、纵向体内成像。...

体内 心肌结构、功能、灌注及存活性的定量评估：基于心脏微型计算机断层扫描技术

基于紧凑型脉冲激光二极管的光声断层成像（PLD-PAT）系统用于高速成像 体内...

一种高性能紧凑型光声断层成像系统 体内 小动物脑成像

本手稿描述了两种用于氟脱氧葡萄糖-正电子发射断层扫描（FDG-PET）的放射性示踪剂给药方案（恒速输注和弹丸注射加输注），并将它们与弹丸注射给药进行比较。使用这些方案可实现16秒的时间分辨率。...

用于人脑高时间分辨率正电子发射断层扫描的放射性示踪剂给药方法：以 FDG-fPET 为例

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。...

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

通过正电子发射断层扫描（PET）对氧气和葡萄糖代谢进行定量测量已是成熟的技术，但相关实用操作方案的细节在文献中鲜有详细描述。本文介绍了一种已在先进的正电子发射断层扫描-计算机断层扫描（PET-CT）设备上成功实施的实用操作方案。...

使用飞行时间正电子发射断层扫描-计算机断层扫描仪进行脑部氧和葡萄糖代谢的多示踪剂研究

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

了解小型动物PET/CT连续血液采样技术，通过体外动静脉分流系统测量动脉输入函数，实现精确的生物动力学建模。该方法具有可重复性强、失血少、时间分辨率高的优势，适用于神经科学和药代动力学研究。

小型动物正电子发射断层扫描/计算机断层扫描中的连续血液采样可实现动脉输入函数的测量

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