Name: 使用飞行时间正电子发射断层扫描-计算机断层扫描扫描仪对脑氧和葡萄糖代谢进行多示踪研究 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-06-07T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 36 s
Description: 了解如何使用PET-CT扫描仪进行脑氧和葡萄糖代谢的多示踪研究。该协议支持无创定量测量，帮助研究人员探索衰老和阿尔茨海默病对大脑代谢的影响。

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我们特别感谢我们的研究参与者所表现出的无私奉献精神。我们谨向神经影像实验室研究中心、奈特阿尔茨海默病研究中心、临床影像研究中心（CCIR）以及华盛顿大学回旋加速器设施的主任和工作人员致以诚挚谢意，正是他们的支持使本研究得以实现。我们衷心感谢美国国立卫生研究院（NIH）提供的研究资助，包括项目 R01AG053503、R01AG057536、RF1AG073210、RF1AG074992 和 1S10OD025214，以及来自华盛顿大学马林克罗特放射学研究所和麦克唐奈基金会系统神经科学项目的支持。

PET-CT Scanning for Multi-Tracer Study of Cerebral Oxygen and Glucose Metabolism

<ol><li>Goyal, M. S., Hawrylycz, M., Miller, J. A., Snyder, A. Z., Raichle, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aerobic+glycolysis+in+the+human+brain+is+associated+with+development+and+neotenous+gene+expression%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Aerobic glycolysis in the human brain is associated with development and neotenous gene expression.</a> Cell Metabolism. 19 (1), 49-57 (2014).</li>
<li>Magistretti, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+brain+aerobic+glycolysis+as+a+marker+of+synaptic+plasticity%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Imaging brain aerobic glycolysis as a marker of synaptic plasticity.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (26), 7015-7016 (2016).</li>
<li>Shannon, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+aerobic+glycolysis+and+motor+adaptation+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Brain aerobic glycolysis and motor adaptation learning.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (26), E3782-E3791 (2016).</li>
<li>Vaishnavi, S. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Regional+aerobic+glycolysis+in+the+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Regional aerobic glycolysis in the human brain.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (41), 17757-17762 (2010).</li>
<li>Powers, W. J., Dagogo-Jack, S., Markham, J., Larson, K. B., Dence, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cerebral+transport+and+metabolism+of+1-11C-D-glucose+during+stepped+hypoglycemia%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Neurology%22%5BJournal%5D)">Cerebral transport and metabolism of 1-11C-D-glucose during stepped hypoglycemia.</a> Annals of Neurology. 38 (4), 599-609 (1995).</li>
<li>Locasale, J. W., Cantley, L. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metabolic+flux+and+the+regulation+of+mammalian+cell+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Metabolic flux and the regulation of mammalian cell growth.</a> Cell Metabolism. 14 (4), 443-451 (2011).</li>
<li>Lunt, S. Y., Vander Heiden, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aerobic+glycolysis%3A+meeting+the+metabolic+requirements+of+cell+proliferation%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Cell+and+Developmental+Biology%22%5BJournal%5D)">Aerobic glycolysis: meeting the metabolic requirements of cell proliferation.</a> Annual Review of Cell and Developmental Biology. 27 (1), 441-464 (2011).</li>
<li>Vlassenko, A. G., Raichle, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+aerobic+glycolysis+functions+and+Alzheimer%27s+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Clinical+and+Translational+Imaging%22%5BJournal%5D)">Brain aerobic glycolysis functions and Alzheimer's disease.</a> Clinical and Translational Imaging. 3 (1), 27-37 (2015).</li>
<li>Goyal, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Loss+of+brain+aerobic+glycolysis+in+normal+human+aging%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Loss of brain aerobic glycolysis in normal human aging.</a> Cell Metabolism. 26 (2), 353-360 (2017).</li>
<li>Goyal, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatiotemporal+relationship+between+subthreshold+amyloid+accumulation+and+aerobic+glycolysis+in+the+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Neurobiology+of+Aging%22%5BJournal%5D)">Spatiotemporal relationship between subthreshold amyloid accumulation and aerobic glycolysis in the human brain.</a> Neurobiology of Aging. 96, 165-175 (2020).</li>
<li>Goyal, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+aerobic+glycolysis+and+resilience+in+Alzheimer+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Brain aerobic glycolysis and resilience in Alzheimer disease.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 120 (7), 2212256120(2023).</li>
<li>Segarra-Mondejar, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synaptic+activity-induced+glycolysis+facilitates+membrane+lipid+provision+and+neurite+outgrowth%5BTitle%5D)+AND+%22EMBO+Journal%22%5BJournal%5D)">Synaptic activity-induced glycolysis facilitates membrane lipid provision and neurite outgrowth.</a> EMBO Journal. 37 (9), 97368(2018).</li>
<li>Harris, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aerobic+glycolysis+is+required+for+spatial+memory+acquisition+but+not+memory+retrieval+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Eneuro%22%5BJournal%5D)">Aerobic glycolysis is required for spatial memory acquisition but not memory retrieval in mice.</a> Eneuro. 6 (1), (2019).</li>
<li>Huang, S. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+determination+of+local+cerebral+metabolic+rate+of+glucose+in+man%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Physiology-Endocrinology+and+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Noninvasive determination of local cerebral metabolic rate of glucose in man.</a> American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism. 238 (1), E69-E82 (1980).</li>
<li>Mintun, M. A., Raichle, M. E., Martin, W. R. W., Herscovitch, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+oxygen+utilization+measured+with+O-15+radiotracers+and+positron+emission+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Medicine%22%5BJournal%5D)">Brain oxygen utilization measured with O-15 radiotracers and positron emission tomography.</a> Journal of Nuclear Medicine. 25 (2), 177-187 (1984).</li>
<li>Raichle, M. E., Martin, W. R., Herscovitch, P., Mintun, M. A., Markham, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+blood+flow+measured+with+intravenous+H2%2815%29O.+II.+Implementation+and+validation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+nuclear+medicine%22%5BJournal%5D)">Brain blood flow measured with intravenous H2(15)O. II. Implementation and validation.</a> Journal of nuclear medicine. 32 (15), 790-798 (1983).</li>
<li>Martin, W. R. W., Powers, W. J., Raichle, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cerebral+blood+volume+measured+with+inhaled+C15O+and+positron+emission+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cerebral+Blood+Flow+%26+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Cerebral blood volume measured with inhaled C15O and positron emission tomography.</a> Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 7 (4), 421-426 (1987).</li>
<li>Hooker, J. M., Carson, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+positron+emission+tomography+neuroimaging%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Human positron emission tomography neuroimaging.</a> Annual Review of Biomedical Engineering. 21, 551-581 (2019).</li>
<li>Fan, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+brain+oxygen+extraction+and+metabolism+with+%5B%2815%29O%5D-gas+PET%3A+A+technical+review+in+the+era+of+PET%2FMRI%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Quantification of brain oxygen extraction and metabolism with [(15)O]-gas PET: A technical review in the era of PET/MRI.</a> Neuroimage. 220, 117136(2020).</li>
<li>Oikonen, V. Quantification of metabolic rate of glucose uptake with [18F]FDG. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.turkupetcentre.net/petanalysis/analysis_18f-fdg.html">http://www.turkupetcentre.net/petanalysis/analysis_18f-fdg.html</a> (2023).</li>
<li>Tisdall, M. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Volumetric+navigators+for+prospective+motion+correction+and+selective+reacquisition+in+neuroanatomical+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Volumetric navigators for prospective motion correction and selective reacquisition in neuroanatomical MRI.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 68 (2), 389-399 (2012).</li>
<li>Greve, D. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cortical+surface-based+analysis+reduces+bias+and+variance+in+kinetic+modeling+of+brain+PET+data%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Cortical surface-based analysis reduces bias and variance in kinetic modeling of brain PET data.</a> NeuroImage. 92, 225-236 (2014).</li>
<li>Greve, D. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Different+partial+volume+correction+methods+lead+to+different+conclusions%3A+An+18F-FDG-PET+study+of+aging%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Different partial volume correction methods lead to different conclusions: An 18F-FDG-PET study of aging.</a> NeuroImage. 132, 334-343 (2016).</li>
<li>Iguchi, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((System+evaluation+of+automated+production+and+inhalation+of+%2815%29O-labeled+gaseous+radiopharmaceuticals+for+the+rapid+%2815%29O-oxygen+PET+examinations%5BTitle%5D)+AND+%22EJNMMI+Physics%22%5BJournal%5D)">System evaluation of automated production and inhalation of (15)O-labeled gaseous radiopharmaceuticals for the rapid (15)O-oxygen PET examinations.</a> EJNMMI Physics. 5 (15), 37(2018).</li>
<li>Alf, M. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+brain+glucose+metabolism+by+18F-FDG+PET+with+real-time+arterial+and+image-derived+input+function+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Medicine%22%5BJournal%5D)">Quantification of brain glucose metabolism by 18F-FDG PET with real-time arterial and image-derived input function in mice.</a> Journal of Nuclear Medicine. 54 (1), 132-138 (2013).</li>
<li>Herscovitch, P., Mintun, M. A., Raichle, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+oxygen+utilization+measured+with+oxygen-15+radiotracers+and+positron+emission+tomography%3A+generation+of+metabolic+images%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Medicine%22%5BJournal%5D)">Brain oxygen utilization measured with oxygen-15 radiotracers and positron emission tomography: generation of metabolic images.</a> Journal of Nuclear Medicine. 26, 416-417 (1985).</li>
<li>Videen, T. O., Perlmutter, J. S., Herscovitch, P., Raichle, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+blood+volume%2C+flow%2C+and+oxygen+utilization+Measured+with+15O+radiotracers+and+positron+emission+tomography%3A+revised+metabolic+computations%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cerebral+Blood+Flow+%26+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Brain blood volume, flow, and oxygen utilization Measured with 15O radiotracers and positron emission tomography: revised metabolic computations.</a> Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 7 (4), 513-516 (1987).</li>
<li>Lee, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+susceptibility+contrast+MRI+with+localized+arterial+input+functions%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Dynamic susceptibility contrast MRI with localized arterial input functions.</a> Magnetic Resonance in Medicine. 63 (5), 1305-1314 (2010).</li>
<li>Kunnen, B., Beijst, C., Lam, M., Viergever, M. A., de Jong, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+the+Biograph+Vision+and+Biograph+mCT+for+quantitative+%2890%29Y+PET%2FCT+imaging+for+radioembolisation%5BTitle%5D)+AND+%22EJNMMI+Physics%22%5BJournal%5D)">Comparison of the Biograph Vision and Biograph mCT for quantitative (90)Y PET/CT imaging for radioembolisation.</a> EJNMMI Physics. 7 (1), 14(2020).</li>
<li>van Sluis, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+characteristics+of+the+digital+Biograph+Vision+PET%2FCT+system%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Medicine%22%5BJournal%5D)">Performance characteristics of the digital Biograph Vision PET/CT system.</a> Journal of Nuclear Medicine. 60 (7), 1031-1036 (2019).</li>
<li>Lodge, M. A., Mhlanga, J. C., Cho, S. Y., Wahl, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+patient+arm+motion+in+whole-body+PET%2FCT%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Medicine%22%5BJournal%5D)">Effect of patient arm motion in whole-body PET/CT.</a> Journal of Nuclear Medicine. 52 (12), 1891-1897 (2011).</li>
<li>Prenosil, G. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+characteristics+of+the+Biograph+Vision+Quadra+PET%2FCT+system+with+a+long+axial+field+of+view+using+the+NEMA+NU+2-2018+Standard%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Medicine%22%5BJournal%5D)">Performance characteristics of the Biograph Vision Quadra PET/CT system with a long axial field of view using the NEMA NU 2-2018 Standard.</a> Journal of Nuclear Medicine. 63 (3), 476-484 (2022).</li>
<li>Lee, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dissociation+between+hormonal+counterregulatory+responses+and+cerebral+glucose+metabolism+during+hypoglycemia%5BTitle%5D)+AND+%22Diabetes%22%5BJournal%5D)">Dissociation between hormonal counterregulatory responses and cerebral glucose metabolism during hypoglycemia.</a> Diabetes. 66 (12), 2964-2972 (2017).</li>
<li>Sattarivand, M., Kusano, M., Poon, I., Caldwell, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Symmetric+geometric+transfer+matrix+partial+volume+correction+for+PET+imaging%3A+principle%2C+validation+and+robustness%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Symmetric geometric transfer matrix partial volume correction for PET imaging: principle, validation and robustness.</a> Physics in Medicine and Biology. 57 (21), 7101-7116 (2012).</li>
<li>Desikan, R. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+automated+labeling+system+for+subdividing+the+human+cerebral+cortex+on+MRI+scans+into+gyral+based+regions+of+interest%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">An automated labeling system for subdividing the human cerebral cortex on MRI scans into gyral based regions of interest.</a> Neuroimage. 31 (3), 968-980 (2006).</li>
<li>Schaefer, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local-global+parcellation+of+the+human+cerebral+cortex+from+intrinsic+functional+connectivity+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Cerebral+Cortex%22%5BJournal%5D)">Local-global parcellation of the human cerebral cortex from intrinsic functional connectivity MRI.</a> Cerebral Cortex. 28 (9), 3095-3114 (2018).</li>
<li>Glasser, M. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+multi-modal+parcellation+of+human+cerebral+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">A multi-modal parcellation of human cerebral cortex.</a> Nature. 536 (7615), 171-178 (2016).</li>
<li>Zanotti-Fregonara, P., Chen, K., Liow, J. -S., Fujita, M., Innis, R. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image-derived+input+function+for+brain+PET+studies%3A+many+challenges+and+few+opportunities%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cerebral+Blood+Flow+%26+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Image-derived input function for brain PET studies: many challenges and few opportunities.</a> Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 31 (10), 1986-1998 (2011).</li>
<li>Rodgers, Z. B., Detre, J. A., Wehrli, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MRI-based+methods+for+quantification+of+the+cerebral+metabolic+rate+of+oxygen%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cerebral+Blood+Flow+%26+Metabolism%22%5BJournal%5D)">MRI-based methods for quantification of the cerebral metabolic rate of oxygen.</a> Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 36 (7), 1165-1185 (2016).</li>
</ol>

作者与本文内容之间不存在任何利益冲突，无论是经济上的还是其他方面的。

利用吸入的[15O]CO和[15O]O2气体、静脉注射[15O]H2O以及静脉注射[18F]FDG进行氧代谢和葡萄糖代谢的PET成像，具有重要的历史基础，其成像数据主要来源于早期几代PET扫描仪14,15,16,17,26,27。这些数据通常依赖于采用锗/镓放射源的透射扫描进行衰减校正，使用发光效率受限的锗酸铋（BGO）闪烁体阵列，高放射性活度给药，二维采集模式（带环形分隔板）以适应闪烁体发光能力的限制，以及计算成本较低的滤波反投影重建方法。较新型的扫描仪（包括本方案中描述的设备）则采用高分辨率CT进行衰减校正，使用发光效率更高的镥钇氧硅酸盐（LYSO）闪烁体阵列，并将其配置为空间密集型的闪烁体结构，通过三维采集模式提高光子探测效率，采用飞行时间（TOF）探测电子技术以改善湮灭事件的空间定位，并应用计算更为先进的三维有序子集最大期望值算法（OP-OSEM）进行图像重建。新型扫描仪能够在更低辐射剂量下提供更优的图像质量29,30。三代PET扫描仪的可比示例详见图6。
本方案利用多种额外改进措施，以提升新一代扫描仪进行正电子发射断层扫描（PET）所获取信息的质量：足先进入体位、精确计时的给药操作，以及自动化的动脉输入函数测量25。这些改进使得在2-3小时的扫描过程中，能够同时采集四种不同的氧和葡萄糖代谢示踪剂的动脉输入函数与脑部发射信号数据。随后，这些数据可应用于传统和新型的动力学建模方法，以及部分容积校正算法，从而生成高分辨率、高精度的脑代谢定量估算结果。尤为重要的是，该方案不仅能够实现对脑部氧和葡萄糖代谢的定量测量，还可用于计算脑部无氧糖酵解（AG）。值得注意的是，先进扫描仪提供的更优图像质量，使得基于图像提取的动脉输入函数更加可靠，并支持此前因噪声干扰或动脉采样与脑部信号发射之间时间差异敏感性而受限的新型分析方法19。
值得注意的是，与 [18F]FDG 相比，使用 15O 放射性示踪剂提高成像质量更具挑战性。由于 15O 极短的 122 秒半衰期，会导致严重的信息丢失。然而，气态放射性示踪剂的使用也可能带来相关问题，因为气体可能积聚在受试者头部与 PET-CT 探测环之间的周围空间中。在此处，放射性示踪剂气体的发射可能形成显著的随机事件和散射源，从而干扰厂商实现的散射校正方法——这些方法依赖于将散射源相对于被识别为空气区域的相对缩放。即使静脉注射的 [15O]H2O，若大量以 [15O]H2O 蒸气形式呼出，也可能造成困难。已有文献报道过清除气态放射性示踪剂的方法24，但本研究未予实施。传统的散射校正模型在 15O 放射性示踪剂成像中可能不充分，而针对这些示踪剂的最佳性能依赖于能够考虑视场内湮灭光子绝对来源的散射模型，且无需重新缩放，并结合精确的衰减图。即使是对硬件的微小遗漏，例如 PET-MR 扫描仪头线圈上附着的镜子（15O 气体常在其表面形成冷凝物），也可能在发射重建中产生显著伪影。此外，已有报道指出，受试者移动后衰减图不匹配也会引发相关伪影31。由于散射模型与气态放射性示踪剂的点扩散特性之间的相互作用尚未得到充分表征，本研究未采用通常对高分辨率 PET 至关重要的点扩散建模方法。针对每种示踪剂优化列表模式的重建参数是最佳实践，但本研究尽可能统一采用控制台重建方法对所有示踪剂进行相同处理，如方案第 9.1 节所述。示例图像所展示的帧时序安排必然需适应不同示踪剂动力学时间尺度的变异性。这些示例强调简化性、计数统计量的可比性、各示踪剂可实现的有效空间分辨率，并尽量减少因针对每种示踪剂优化重建参数而可能引入的偏差。为了与现有的 15O 研究具有可比性，本研究代表性结果采用 5 个子集迭代 8 次的方案，此前已有研究报道该参数适用于具备飞行时间技术的现代 PET-CT30,32。飞行时间技术可能在 5 个子集迭代 4 次时即可获得更优的成像分辨率，目前针对本研究所述示踪剂的此类优化正在积极研究中。
现代正电子发射断层扫描-计算机断层扫描（PET-CT）设备的扫描孔道较长，给放射性示踪气体的给药操作带来了不便。受限的机架几何结构使得在给予气体时难以接近受试者的口部，难以向受试者传达指令，并且难以确保气体给药装置不会将放射性示踪剂泄漏到周围环境中。因此，受试者足先进入的体位显示出一定优势。然而，大多数扫描仪的硬件设计使得足先进入体位无法兼容神经屏蔽装置的安装，这类装置通常采用铅屏蔽材料环绕受试者颈部，并将头部与身体部分隔开。神经屏蔽可减少来自身体部位的随机符合事件进入视野。目前，神经屏蔽所带来的益处与避免环境气体放射性污染之间的相对优势尚不明确。
量化脑代谢 
本文展示了使用传统模型分析的结果，这些模型包括 Raichle 等人描述的脑血流动力学模型（CBF）16 和 Martin 等人描述的脑血容量模型（CBV）17，以及 Mintun 等人描述的脑氧代谢率模型（CMRO2）15 和 Huang 等人描述的脑葡萄糖代谢率模型（CMRGlc）14。这些分析利用了通过本文所述方案测量得到的动脉输入函数和发射数据。目前，研究人员正在积极开发并验证测量动脉输入函数的替代方法，例如基于图像衍生的方法，并将其与有创方法进行比较。传统模型还充分利用动态成像来估计动力学模型参数。我们倾向于采用多项式表示法来描述 CBF 和 CMRO226,27。在估算 CMRGlc 时，我们更偏好采用 Huang 等人的方法，但结合贝叶斯参数估计技术28,33。AG 最近被提出作为衡量进入糖酵解途径但用于氧化磷酸化以外细胞功能的葡萄糖量的指标4。因此，计算脑组织 AG 只需将 CMRGlc 和 CMRO2 转换为摩尔当量，然后从前者中减去后者六分之一即可。
部分容积校正 
我们通常使用对称几何传递矩阵算法（sGTM）对SUVR图像进行区域性的部分容积校正34。该方法依赖于MRI获取的高分辨率数据，这些数据可仅包含解剖序列，但当前方案还采集类似人类连接组计划（HCP）的序列，以实现更精确的脑区划分。我们曾使用过解剖学图谱（例如Desikan-Killiany35）和功能图谱（例如Schaeffer36或Glasser37）。前一类图谱通常包含较大的感兴趣区域，更适合于较低分辨率下获得的PET图像，并且在以往的PET研究中应用更为广泛。然而，较新的图谱在功能和细胞构筑学上定义更为清晰，结合更高分辨率的PET成像（如西门子Vision扫描仪所获得的数据），其适用性正在提升。15O扫描的SUVR图像计算方法如前所述，并以全脑值作为参考4。随后，根据上述动力学建模方法计算全脑CMRGlc和CMRO2，将SUVR图像转换为绝对定量值。在此基础上，可进一步计算经过部分容积校正的区域性AG。尽管我们用于动态发射成像的示例为简化展示未体现部分容积校正，但针对动态成像的部分容积校正方法目前正处于积极研究之中。
方案的普适性与可适应性 
本方案描述了在人类中通过正电子发射断层扫描（PET）测量氧和葡萄糖代谢时，获得尽可能高的准确性、精确性、可重复性及可解释性的相关方法学细节。目前已知测量准确性和精确性最高的方法，是基于示踪剂动力学原理和实践的分析方法，包括对动脉输入函数的直接测量、通过与高分辨率结构磁共振成像（MRI）共配准来确定感兴趣区域，以及在统计模型中对计算资源的高要求使用。特别是，重复多次发射扫描过程中所需的桡动脉插管及其持续维护，成本较高，并存在有限但不可忽视的严重损伤风险，因此必须由具有临床经验的团队实施。使用基于15O的示踪剂对回旋加速器及其支持团队而言是另一项挑战。这些方法可与历史上报道的人类代谢测量结果相对应，确保定量研究结果的解释建立在已有积累的知识基础之上。然而，这些详细且侵入性的措施也为验证侵入性较低、资源需求较少的方法提供了手段，而后者可能已足以回答许多关于人类代谢的问题。在经过适当验证后，对于许多专业研究，桡动脉插管可被基于图像推导的输入函数源合理替代38。避免桡动脉插管的同时也排除了对[15O]O2主要代谢产物即[15O]H2O的直接测量，后者通常需通过离心桡动脉血样，分别从血浆中估算代谢生成的[15O]H2O，以及从离心后的红细胞中测定[15O]O2。然而，可通过计算密集型方法对动脉循环中代谢生成的[15O]H2O的出现进行参数化求解，Mintun 等人已提出其线性模型15。此外，许多采用标准化摄取值比（SUVR）的方法，在与侵入性获取的数据进行比较后，也可能适用于验证。目前，多个活跃的研究项目正致力于验证基于血氧水平依赖效应（BOLD）的氧合估计方法，而同时进行的15O测量可为进一步验证提供支持39。此外，尽管本方案中仅提及而未举例说明，但从列表模式（listmode）数据中对图像重建进行详细优化，有望提升代谢测量的质量。此外，当研究问题有特定需求时，许多专业方法（如列表模式数据的运动校正和部分容积校正）也值得投入，例如当个别受试者头部运动过大，或在研究皮层萎缩时因与脑脊液的部分容积平均效应而产生混杂的情况下。
PET 扫描注意事项 
本方案会使受试者暴露于电离伽马辐射。对于接受本方案所述完整 PET 检查（包括四到六次15O 扫描和一次 FDG 扫描）的受试者，目前估算的辐射剂量（包含所有放射性示踪剂给药）平均总有效剂量约为 7 mSv（0.7 rem）。该剂量与其他研究和临床实践中使用的放射性示踪剂的辐射剂量相当，相当于放射工作人员一年内允许接受辐射剂量的 14%。在获得受试者（和/或其法定可接受代表）参与研究的知情同意之前，必须以书面和口头形式向其详细说明潜在的辐射风险。
动脉导管注意事项 
动脉插管的并发症包括瘀斑（常见）、疼痛、肿胀、血肿（不常见）、穿刺部位出血、血管痉挛、血栓形成（罕见）以及使用肝素化生理盐水时可能出现的过敏反应（极罕见）。我们常规采用介入放射科服务来放置动脉导管，并在出现并发症时进行处理。
MRI 注意事项 
美国食品药品监督管理局（FDA）要求所有进入 MRI 扫描仪磁场的医疗器械必须经过标准化的安全性测试。如果受试者的器械被标注为 MRI Safe，则可在标准的 FDA 批准扫描条件下进行检查，不会对受试者造成额外风险。如果受试者的器械为 MRI Conditional，则需查阅该器械的制造商、品牌和型号，并相应调整 MRI 扫描程序。影像检查还可能发现偶然性结果，带来潜在风险，例如引发焦虑、因进一步检查导致的经济负担，以及极少数情况下，因后续临床指征所需的侵入性操作而引发的并发症。
局限性总结 
测量氧和葡萄糖代谢不可避免的局限性源于放射性示踪剂本身的特性。15O示踪剂半衰期短，这决定了本实验方案中许多最严格的要求，包括必须具备高度专业化且可及的回旋加速器设施。气态15O示踪剂引入了气体管理的复杂性，例如需清除呼出气体24，以及需要专门的散射校正方法。[18F]FDG虽然避免了追踪[11C]葡萄糖示踪剂代谢产物的巨大挑战，但会受到“合并常数”估算带来的干扰。本方案还存在源于集成式PET-CT扫描仪结构限制的局限性。尽管采用足先进入的体位可缓解受试者受限的问题，但可能与神经屏蔽装置的使用不兼容。最后，有创性桡动脉插管本身也是一项重要局限。桡动脉通常作为脑部主要动脉供血的替代指标，但其血流特性可能与脑动脉供血存在差异。此外，有创且疼痛的操作会改变受试者的认知状态，从而限制了本方案可用于开展的神经影像学研究的范围和普适性。

人脑在代谢过程中消耗大量的氧气和葡萄糖。在健康人脑中，部分葡萄糖代谢发生在氧气利用之外，这一过程被称为脑部有氧糖酵解（AG），其功能目前正处于深入研究之中1,2,3,4,5。既往在动物模型和人类中的研究报道了AG与发育及衰老、突触和神经突起发育、记忆、阿尔茨海默病中的淀粉样蛋白沉积以及白质功能和疾病之间的关联1,6,7,8,9,10,11,12,13。因此，研究AG及其他脑代谢特征对于深入理解人脑在衰老、损伤和疾病过程中的变化具有持续的重要意义。
目前，用于评估人脑AG的方法 体内 需要使用多种氧和葡萄糖放射性示踪剂进行PET成像，以分别测量脑葡萄糖代谢率（CMRGlc）14，脑氧代谢率（CMRO2)15，脑血流量（CBF）16，以及脑血容量（CBV）17除了成像之外，利用正电子发射断层扫描（PET）对脑代谢进行定量测量还涉及其他复杂因素，包括通过有创性动脉插管和采样评估动脉输入函数；确保受试者精确遵循放射性示踪剂吸入的指示，同时限制头部运动；安全有效地处理半衰期极短（2分钟）的放射性示踪剂；管理大规模数据集；以及采用先进的分析方法以准确计算代谢参数。同样值得注意的是使用[18F]FDG 用于估算脑葡萄糖代谢率（CMRGlc）5,14.
根据我们的经验，本方案重点阐述了定量脑代谢测量中最为关键的实践问题。本方案包含必要的操作步骤说明以及避免常见错误的注意事项。有关代谢、神经科学、成像、示踪剂动力学以及放射性示踪剂正电子发射断层扫描（PET）成像推断方法等更普遍原理的详细讨论，不在本方案范围内。本方案的目标读者包括初次接触PET代谢测量的研究人员，以及希望使用15O放射性示踪剂的有经验的PET研究人员和临床医生。读者应已熟悉人体成像研究、侵入性医疗操作、放射性示踪剂以及定量推断方法。关于脑部PET成像的优秀参考文献广泛存在，一般性内容可参见文献18，针对15O-氧气PET的更具体资料可参见文献19。对于[18F]FDG以及其他PET操作相关实务，图尔库PET中心提供了宝贵的参考资料，并链接至大量原始研究文献20。
本方案各部分首先介绍与受试者选择相关的注意事项，这些内容对于确保合规性和成功扫描至关重要。接下来，方案概述了利用磁共振成像（MRI）进行神经解剖学支持性扫描的相关要点。随后，方案描述了临床实验室检测项目&#160;，其中包括对氧和葡萄糖代谢定量具有重要意义的检测指标。接着，方案列出了与回旋加速器运行及放射性药物输送相关的事宜。相关描述仅从影像中心临床一线研究人员的视角出发，未包含回旋加速器设施及其工作人员所需考虑的内容。随后，方案详细说明了动脉导管的准备与管理流程。建立并维护动脉导管需满足各机构特定的合规性要求，本方案提供了行之有效的操作流程。接下来，方案给出了正电子发射断层扫描（PET）所需的关键操作步骤，包括受试者体位摆放、用于衰减校正的CT扫描、放射性药物给药以及动脉采样测量等具体细节。静脉采样部分讨论了在使用[18F]FDG测定脑葡萄糖代谢率（CMRGlc）时，可能替代动脉采样的其他方法。关于PET图像重建与数据存储的部分详述了软件参数及信息技术方面的实际问题。受试者出院与随访部分强调了保障受试者安全所必需的沟通事项。此外，还讨论了重要的校准工作。许多适用的分析方法和动力学模型已在已发表的科学研究报告及其大量前期研究中得到充分阐述；因此，本方案主要引导读者参考已有文献中的方法。代表性结果展示了本方案成功实施的实例。讨论部分进一步阐述了该方案的优势与局限性、其在人类神经科学研究中的潜力，以及与安全性相关的问题。

<table><tbody><tr><td>3/16&quot; 外径，1/8&quot; 内径 Nylaflow 管路</td><td>Nylaflow 管路，Zazareth，宾夕法尼亚州</td><td></td><td></td></tr><tr><td>4 英寸 × 4 英寸纱布</td><td>McKesson MedSurg</td><td>16-4242</td><td></td></tr><tr><td>分析天平</td><td>Fisher Scientific/OHUAS</td><td>Pioneer Exal 型号 90 mm 平台 #PA84</td><td></td></tr><tr><td>细菌/病毒过滤器</td><td>Hudson RCI, Teleflex, Perak, 马来西亚</td><td>货号 REF 1605 (IPN042652)</td><td></td></tr><tr><td>BD SmartSite 无针阀</td><td>Becton Dickinson</td><td>2000E</td><td></td></tr><tr><td>Biograph mMR</td><td>Siemens, Erlangen, 德国</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Biograph Vision 600 Edge</td><td>Siemens, Erlangen, 德国</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Caprac 擦拭计数器</td><td>Mirion Medical (Capintec), Florham Park, 新泽西州&amp;nbsp;</td><td>1991 年或更新型号</td><td>NaI 钻孔井晶体</td></tr><tr><td>Coban 自粘绷带</td><td>3M</td><td></td><td>常用于重症监护病房</td></tr><tr><td>敷料，Tegaderm，4 英寸 × 4 英寸&quot;&amp;nbsp;</td><td>3M 医疗保健</td><td>#1626</td><td></td></tr><tr><td>ECAT EXACT HR+</td><td>CTI PET Systems, Knoxville, 田纳西州</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Edwards TruWave 3 cc/84 英寸 (210 cm)&amp;nbsp;</td><td>Edwards Lifescience</td><td>PX284R</td><td></td></tr><tr><td>延长导管，长度 48 cm，预充体积 0.642 mL</td><td>Braun</td><td>V5424</td><td></td></tr><tr><td>肝素钠溶液，2 U/mL，1,000 mL</td><td>Hospira Worldwide</td><td>#409762059</td><td></td></tr><tr><td>静脉输液臂板，柔性，4 英寸 × 9 英寸，成人用</td><td>DeRoyal</td><td>M8125-A</td><td></td></tr><tr><td>Keithley 皮安表</td><td>Tekronix</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Magnetom Prisma fit</td><td>Siemens, Erlangen, 德国</td><td></td><td>3T</td></tr><tr><td>鲁尔接头公对公转换接头</td><td>Argon Medical Co.</td><td>040184000A</td><td></td></tr><tr><td>MiniSpin 个人微型离心机</td><td>Eppendorf, Hamburg, 德国</td><td>EP-022620151</td><td></td></tr><tr><td>咬嘴，内径 15 mm，外径 22 mm</td><td>Hudson RCI, Teleflex, Perak, 马来西亚</td><td>货号 REF 1565 (IPN042595)</td><td></td></tr><tr><td>MRIdium</td><td>Iradmed, Winter Springs, 佛罗里达州</td><td>3860+</td><td></td></tr><tr><td>Nalgene 方形 PET 培养瓶，带盖，650 mL</td><td>Thermo Scientific</td><td>#3420400650</td><td>用于交叉校准</td></tr><tr><td>加压输液袋（带球囊），可容纳 1,000 mL&amp;nbsp;</td><td>Health Care Logi</td><td>#10401</td><td></td></tr><tr><td>压力监测托盘，聚乙烯导管；2.5Fr (2.5 cm) 血管导管；0.015&quot; 15 cm 导丝；22G (2 cm) 针头</td><td>Cook Medical</td><td>C-P MSY-250, G02854</td><td></td></tr><tr><td>RDS 11 MeV 回旋加速器</td><td>Siemens, Erlangen, 德国</td><td></td><td>通过质子轰击 15N 生成 15O</td></tr><tr><td>氯化钠静脉输液，0.9%，1,000 mL</td><td>B. Braun Medical</td><td>E8000</td><td></td></tr><tr><td>皮肤闭合胶带（闭合用，皮肤加强型 LF 1/2 英寸 × 4 英寸&quot;）</td><td>McKesson MecSurg</td><td>#3010</td><td></td></tr><tr><td>Twilite II</td><td>Swisstrace, Zurich, 瑞士</td><td></td><td></td></tr><tr><td>不间断电源（UPS）电池备份及浪涌保护器</td><td>APC</td><td>BR1500MS2</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Multi-Tracer Studies of Brain Oxygen and Glucose Metabolism Using a Time-of-Flight Positron Emission Tomography-Computed Tomography Scanner

研究人员已建立一种使用多种放射性药物示踪剂的正电子发射断层扫描（PET）范式，该方法结合了脑葡萄糖代谢率（CMRGlc）、脑氧代谢率（CMRO2）、脑血流量（CBF）和脑血容量（CBV）的测量，最终实现对脑有氧糖酵解（AG）的估算。这些关于氧化性和非氧化性葡萄糖代谢的体内估算结果，对于研究健康与疾病状态下人脑的功能具有重要意义。最新的正电子发射断层扫描-计算机断层扫描（PET-CT）设备具备飞行时间（TOF）成像功能，并在空间分辨率和伪影减少方面实现了关键性改进，从而显著提升了图像质量，同时降低了放射性示踪剂的使用剂量。
针对最新PET-CT扫描仪的优化方法包括在2小时或3小时的扫描过程中，依次给予吸入的15O标记一氧化碳（CO）和氧气（O2）、静脉注射的15O标记水（H2O）以及18F-脱氧葡萄糖（FDG），从而获得高分辨率、定量的脑葡萄糖代谢率（CMRGlc）、脑氧代谢率（CMRO2）、脑血流（CBF）、脑血容量（CBV）和氧摄取分数（AG）的测量结果。本文详细描述了利用示踪剂动力学模型结合动脉血样分析来量化脑代谢的实用扫描方案，并提供了人类脑代谢成像测量的实例。

该方案中一些技术上最具挑战性的环节包括：在同时给予短半衰期放射性示踪剂并运行扫描仪的过程中，对动脉导管进行配置、管理和成功采集数据。图1展示了当前实验设置的俯视图，概括了研究协调员、介入医师、护理人员、技术人员和研究人员所需遵循的组织架构与操作流程。上述放射性药物可轻松整合到特异性活动的非定量分布图中（图2），包括标准化摄取值比（SUVR）的计算。全脑时间-放射活性曲线（图3）有助于识别明显的头部运动——此类运动会引发活性曲线的不连续性，同时在衰变校正后可呈现示踪剂的典型特征，例如 [15O]CO 在120秒时达到预期平台期及其随后经肾脏排泄的过程， [15O]O2 在团注通过后被脑组织摄取并代谢为放射性标记的 [15O]H2O 而形成的平台期，注射的 [15O]H2O 随其在体内分布容积逐渐扩大而呈现的单调下降，以及 [18F]FDG 在 18F 的有效寿命内通过己糖激酶在脑内逐步摄取并磷酸化的过程。关于代谢性 [15O]H2O 的详细模型估计最初由 Mintun 等人15 描述。
Herscovitch 等人提出了一种更简化的多项式现象学方法，该方法忽略血管内分散效应，强调发射数据中的稳健特征26,27。本研究的示例仅采用后一种现象学方法来分析氧代谢。通过γ射线探测从插入远端桡动脉的导管记录的动脉输入函数存在显著的分散和延迟，必须进行去卷积处理。我们倾向于采用贝叶斯方法对一系列伽马分布和指数上升稳态项的模型进行参数估计28。图4展示了[15O]CO、[15O]O2、[15O]H2O 和 [18F]FDG 的结果。[15O]O2 的结果还展示了代谢生成的[15O]H2O 的出现情况。图5展示了脑血容量（CBV）、脑血流量（CBF）、脑氧代谢率（CMRO2）、脑葡萄糖代谢率（CMRGlc）和 AG 的统计参数图，其中 AG 定义为经典糖酵解的摩尔平衡：CMRGlc - CMRO2/6。
<img alt="PET/CT 扫描过程；回旋加速器、PET 合成；参与者扫描的示意图和设备。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65510/65510fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 1"> 
图 1：设置与操作流程的概述。（A）扫描间内所需关键仪器和部件的示意图。对于扫描孔较长的 PET-CT 扫描仪，采用足先进入的体位可改善气态放射性药物的给药操作，提高气体输送装置的操作灵活性，并增强与参与者的语言及非语言交流。气体输送系统（青色和蓝色）包括来自回旋加速器的细径尼龙管路，在排风条件下用于输送气态放射性药物；一个带屏蔽的气体储存室，内含可扩张的波纹管和皮安计剂量校准器；一个适用于捕获病毒颗粒的微粒过滤器；以及末端连接有夹子和塑料咬嘴的粗径塑料聚合物管路。所有可能接触呼吸道飞沫的部件均为一次性使用或可耐受灭菌处理。动脉血测量相关仪器和部件（红色和深灰色）包括用于维持桡动脉插管通畅的加压盐水系统、用于检测511 keV湮灭光子符合事件的小型伽马探测器、用于动脉血采集的蠕动泵，以及收集采集血液的容器。静脉注射用放射性药物需要通过合成模块将回旋加速器提供的[15O]O2气体转化为[15O]H2O，或通过气动管道从回旋加速器放射药房（绿色）输送。静脉给药需使用临床级剂量测量设备（品红色）。全血和血浆中放射性活度的测量需要井型计数器、分析天平和微量离心机（红色）。（B）气体输送系统的标注详图。缩写：PET-CT = 正电子发射断层扫描-计算机断层扫描。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65510/65510fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="PET脑部扫描：[15O]CO、[15O]O2、[15O]H2O、[18F]FDG，用于追踪脑血流和代谢。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65510/65510fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图2"> 
图2：在以颞骨窗设置的CT图像上以约25%透明度叠加显示的[15O]CO、[15O]O2、[15O]H2O和[18F]FDG的代表性静态图像。 15O放射性示踪剂扫描时，受试者足先进入，仅使用弹性自粘绷带将头部固定于扫描仪检查床。[18F]FDG扫描则在一段暂停后进行，随后将受试者重新置于大致相同的足先进位置。缩写：CO = 一氧化碳；FDG = 氟脱氧葡萄糖；CT = 计算机断层扫描。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65510/65510fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="CO2、O2、H2O、FDG 的脑活动图；特异性活度随时间变化；代谢分析" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65510/65510fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3全脑代表性示踪剂活性曲线。 (A) [15O]CO, (B) [15O]O2, (C) [15O]H2氧，以及（D) [18F]FDG。全脑范围通过解剖学MPRAGE图像掩模确定。在图示各面板中，注射示踪剂形成的团注到达时间早于或与首个PET帧的采集时间一致。 A 和 B缩写：CO = 一氧化碳；FDG = 氟脱氧葡萄糖；PET = 正电子发射断层扫描；MPRAGE = 磁化准备快速梯度回波成像。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65510/65510fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="显示代谢分析中模拟数据的动脉活性（Bq）随时间（s）变化的图表。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65510/65510fig4v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图4"> 
图4：从桡动脉连续采样获得的示踪剂活性曲线，以及管路系统中分散和延迟效应的反卷积分析。 图示分别为 (A) [15O]CO、(B) [15O]O2、(C) [15O]H2O 和 (D) [18F]FDG。蓝色圆圈为通过环绕狭窄回路导管的符合探测探头测得的数据，该导管用于流通动脉血。探头的符合计数包含LYSO晶体对环境光子响应产生的本底闪烁信号（在设备100 ns时间窗内出现的宽谱随机事件）。动脉血由蠕动泵远端作用驱动，流经探测探头。紫色虚线为协议第11.2节所述分散与延迟核函数的经验估计值。黄色曲线表示经分散和延迟校正后的示踪剂活性曲线。通过模拟退火法拟合黄线，采用广义伽马分布参数，使其与估计的核函数及符合探测数据一致。拟合结果以红线表示。图中(B)还标出了由[15O]O2代谢生成的[15O]H2O，其线性特征假设依据Mintun等人15的描述。缩写：CO = 一氧化碳；FDG = 氟脱氧葡萄糖；PET = 正电子发射断层扫描；LYSO = 钇镥氧硅酸盐。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65510/65510fig4v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="脑部PET扫描分析；示意图；CBV、CBF、CMRO₂、CMRGlc、AG图谱；代谢活性水平" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65510/65510fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图5"> 
图5：CBV、CBF、CMRO₂ 的图谱2，CMRGlc 和 AG。 CBV 对于 CMRO2、CMRGlc 和 AG 的定量估算至关重要。然而，静脉窦的信号会对 CMRGlc 和 AG 的测量产生干扰。因此，在 CMRO2 以及通过掩膜法测定的CMRGlc。小脑与新皮层之间的对比与先前关于AG的研究结果一致。缩写：CBV = 脑血容量；CBF = 脑血流量；CMRO2 = 脑氧代谢率；CMRGlc = 脑葡萄糖代谢率；AG = 有氧糖酵解 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65510/65510fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="脑成像比较，PET扫描，三种技术的分辨率分析，神经科学研究。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65510/65510fig06.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图6"> 
图6：在三代PET扫描仪上对健康对照研究参与者进行扫描获得的[15O]H2O静态发射图像示例。所有重建均采用3D OP-OSEM方法，包含延迟随机校正、衰减校正和全通滤波（无滤波）。所有重建图像均来自扫描仪控制台，参数设置适用于高效的临床工作流程。未使用任何额外的数值处理、校正或模糊化操作。为便于比较，所有扫描仪的结果均经过刚体变换和三线性插值，配准至分辨率为1.0 mm3的MNI152图谱。(A) 一台仅具备PET功能的扫描仪，采用BGO晶体闪烁探测器，OP-OSEM重建参数为4次迭代和16个子集，体素尺寸为2.0 × 2.0 × 2.4 mm3，采集6分钟发射数据，使用Ge/Ga源进行透射扫描以实现衰减映射，并采用单次散射模拟。(B) 一台PET-MR扫描仪，采用LYSO晶体闪烁探测器，OP-OSEM重建参数为4次迭代和16个子集，体素尺寸为2.1 × 2.1 × 2.0 mm3，采集10分钟发射数据，通过外部获取的CT图像进行衰减映射，并采用基于模型的绝对散射缩放。(C) 一台PET-CT扫描仪，采用LYSO晶体闪烁探测器，具备飞行时间检测功能，OP-OSEM重建参数为8次迭代和5个子集，体素尺寸为1.65 × 1.65 × 1.65 mm3，采集6分钟发射数据，通过集成CT进行衰减映射，并采用基于模型的绝对散射缩放。缩略语：PET = 正电子发射断层扫描；CT = 计算机断层扫描；MR = 磁共振；OP-OSEM = 普通泊松期望最大化有序子集法；BGO = 锗酸铋；LYSO = 钇镥氧正硅酸盐。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65510/65510fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

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。

作者们已开发出一种使用多种放射性药物示踪剂的正电子发射断层扫描（PET）范式，该范式结合了……的测量

脑葡萄糖和氧气代谢与大脑中的多种生理和病理过程密切相关。我们的研究有助于理解其在衰老过程中的作用，以及是否能够延缓脑内辅助性生物退行性变化。我们采用正电子发射断层扫描技术，以帮助并实现对人类体内代谢过程的研究。传统上，对人体脑代谢进行活体测量需要采用侵入性技术，甚至包括将导管插入脑部血管。影像学技术的出现彻底改变了这一状况。如今，正电子发射断层扫描（PET）和磁共振成像（MRI）是研究人体脑代谢活体状态的两种最常用方法。本方案满足了代谢研究中对绝对定量的需求，使得受试者之间、研究之间以及不同成像模式和方法之间，能够对血容量、组织氧摄取、血流量和葡萄糖利用代谢率等具有生理意义的指标进行比较。与标准化摄取值比值（SUVR）相比，本方案提供的生理学测量结果可与已发表文献中的现有数据进行比对，为未来可能采用不同仪器配置的新方法提供参考依据。尤为重要的是，我们的测量结果能够反映人类研究人群中的个体差异，特别是由疾病过程所引起的变异。我们在正电子发射断层扫描（PET）成像方面的进步，使我们能够更特异性地探究衰老、阿尔茨海默病和白质疾病如何影响人脑特定区域的葡萄糖和氧代谢。目前最先进的PET扫描仪分辨率已可与功能磁共振成像（fMRI）相媲美，这使得我们能够以多模态方式整合对脑代谢与脑功能的理解。[Presenter] 首先，准备配备皮安计活度校准仪的屏蔽气体储存容器。将可扩张的波纹管连接至来自回旋加速器的刚性窄径尼龙管，以及一条半刚性大直径塑料聚合物管，该塑料管在非给药期间应保持夹闭状态。在大直径管路中串联一个病毒捕获颗粒过滤器，并在管路末端连接一次性塑料吹嘴。从回旋加速器设施接收气态放射性药物并输送至气体容器中。开始PET-CT扫描准备时，告知受试者在扫描过程中避免头部移动的重要性。确保受试者遵守所有人类PET-CT扫描的标准操作规程。根据需要将受试者摆位为头先进或足先进体位。随后协助受试者平躺在降低的扫描架床上。在扫描架床进入扫描仪之前，检查所有动脉和静脉通路的完整性。保持动脉通路与加压生理盐水源持续连接。通过确保头部、颈部、脊柱、髋部及腿部屈曲处有充分的缓冲垫，检查受试者的舒适度。当受试者将头部舒适地置于可自由调节的泡沫头托上后，使用弹性自粘且可自行移除的绑带将其前额固定于扫描架床上。再次指示受试者在整个扫描过程中避免任何头部运动。使扫描架床穿过扫描孔道，直至受试者的四肢和躯干超出CT扫描架范围，而其头部位于扫描架中心位置。此时，当受试者已在CT扫描架内正确就位，执行CT扫描。CT扫描完成后，继续将扫描架床推入扫描孔道，直至受试者头部位于PET扫描架中心。随后进行CT和PET扫描。在扫描过程中，通过最少的语言交流持续监测并评估受试者的舒适状况。首先，将研究受试者置于PET-CT扫描仪中。为了以团注方式给予气态放射性药物，使用皮安计活度校准仪监测输送至可扩张波纹管中的每种气体的放射性活度，直至其达到峰值，然后等待活度下降至低于放射性药物研究委员会（Radioactive Drug Research Committee）允许的最大剂量55毫居里。在开始吸入前立即启动扫描，以确保获取时间-活度曲线的起始部分。根据屏幕上显示的帧设置，采集六到七分钟的发射信号时间-活度曲线。将吹嘴放入受试者口中后，要求其用嘴唇在吹嘴周围形成严密封闭，然后尽可能深地吸气。要求其屏气数秒，以便肺部吸收放射性药物。随后让受试者通过管路再次呼气，将残余的气态放射性药物吹回波纹管中。重新夹闭管路后，将其从受试者处取下。监测从吸气开始到呼气结束期间波纹管内的气体活度。通过活度差值计算总给药剂量，并力求总剂量超过20毫居里。在给予目标气体剂量后，监测动脉测量所得的标称时间-活度曲线。在将研究受试者置于PET-CT扫描仪中后，准备好进行放射性药物活度动脉测量所需的所有设备。验证所有连接的完整性，并检查预充情况，确保在抽取血液时无气泡进入桡动脉或干扰蠕动泵的工作。对于γ探测器，使用合适的微孔导管延长装置。设定蠕动泵的最大允许阻塞压力限值；若使用的是具有反向流动功能的输液泵，则选择最小流速以维持血管通畅。在给予放射性药物前立即关闭压力袋和监测器的三通阀，并以300毫升/小时的速率运行泵。确认血液从桡动脉抽出，并经由延长导管装置流经γ探测器和收集泵。在以300毫升/小时泵送的同时，根据特定放射性示踪剂的要求，在γ探测器上检查每次给予放射性药物后的适当时间点的活度测量值。每次动脉测量后，重新配置动脉通路，先冲洗桡动脉导管，然后冲洗通往γ探测器和泵的供液管路。对于通过泵的独立回路，将泵速设定为300毫升/小时。所给予的放射性药物可轻松整合入特异性活度的非定量分布图中。全脑时间-活度曲线有助于识别明显的头部运动，并在衰变校正后提供示踪剂的特征性表现。

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使用飞行时间正电子发射断层扫描-计算机断层扫描扫描仪对脑氧和葡萄糖代谢进行多示踪研究

来源：Jamadar, S. et. al. 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：FDG-fPET 应用。J. Vis. Exp.

使用放射性示踪剂进行人脑正电子发射断层扫描成像

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

[18F]氟代脱氧葡萄糖（FDG）正电子发射断层扫描-计算机断层成像可用于研究与脑功能相关的葡萄糖代谢。本文介绍了一种针对重度创伤性脑损伤患者中与临床表现相关的目标脑区，进行[18F]FDG示踪剂准备及感兴趣区域半定量评估的实验方案。...

使用[18F]FDG示踪剂对重度脑损伤患者进行半定量评估

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

获取动态正电子发射断层扫描（PET）数据并将其重建为时间帧，可实现单个受试者水平的脑代谢连接性分析。本文描述了一种获取大鼠脑部[18F]FDG动态PET数据的方法，并通过提取感兴趣区域的时间-放射性活度曲线来获得连接性矩阵。...

在单受试者水平上利用2-脱氧-2-[18F]氟-D-葡萄糖动态正电子发射断层扫描研究脑代谢连接性

我们介绍了一种基于氧依赖性磷光淬灭效应来测量脑血管中氧分压（pO2）的实验方法。本文概述了用于大视野CCD成像测量大鼠脑内pO2以及基于双光子激发成像测量小鼠脑内pO2的动物准备和成像操作流程。...

基于氧气依赖性磷光淬灭的大脑血氧测量

本方法描述了小脑类器官培养物的制备，以及特定凋亡刺激对不同类型小脑细胞存活能力的影响。...

器官型小脑培养：凋亡挑战与检测

此处介绍一种通过基因编码将光反应性非天然氨基酸定点插入培养神经元中表达的靶向神经元蛋白，从而利用短时闪光选择性激活该神经元蛋白的方法。 体内...

利用基因编码的非天然氨基酸在神经元中光学控制神经元蛋白

本文介绍了一种利用双光子激光消融斑马鱼幼鱼中基因标记的神经元亚群的实验方案。...

使用双光子激光消融神经元群体及其在斑马鱼幼鱼中通过钙成像与行为记录进行评估

本文介绍了一种原发性冲击波致创伤性脑损伤的新型模型。采用压缩空气驱动的激波管对受试对象进行暴露 体外 小鼠海马脑片培养单次冲击波处理。该方法是一种简单、快速的方案，可高通量地产生可重复的脑组织损伤。...

一种新型方法 体外 爆炸性创伤性脑损伤模型

了解如何使用PET-CT扫描仪进行脑氧和葡萄糖代谢的多示踪研究。该协议支持无创定量测量，帮助研究人员探索衰老和阿尔茨海默病对大脑代谢的影响。

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

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