SPECTとCTイメージングを組み合わせて心臓機能を可視化
ソース:アリシア・G・バーマン、ジェームズ・A・シェーバー、クレイグ・J・ガーゲン、インディアナ州パデュー大学、パーデュー大学ウェルドン・スクール・オブ・バイオメディカル・エンジニアリング
ここでは、マウスを用いた単光子放出コンピュータ断層撮影/コンピュータ断層撮影(SPECT/CT)イメージングの…
1.インビボイメージングセットアップ
- イメージングソフトウェアを開きます。
- スキャンのCT部分を設定するには、ソフトウェアのオプションを選択してX線管をウォームアップします。システムはチューブの加熱を開始します。
- マウスを麻酔します。マウスが意識を失うことを確認するには、片足を伸ばし、動物の足をつまむ。マウスが離脱反射を生じない場合、動物は十分に麻酔される。
- 放射性核種でマウスを静脈内に注入します。一般的に使用されるSPECT放射性核種は、その半減期のために、一部はTechnetium99m(99mTc)です。しかし、ヨウ素-123(123I)およびインジウム-111(111In)を含む他の多くの利用可能な放射性核種がある。
- 待つ。放射性核種は血流を通して分配し、減衰し始めるのに時間がかかるだろう。必要な時間は、使用される放射性核種とイメージングアプリケーションによって異なります。心臓アプリケーションの場合、スキャンはほぼ即座に開始できますが、腫瘍の場合、待ち時間は数時間から数日です。イメージングのタイミングに応じて、マウスは手順全体に麻酔されたままにするか、または目を覚まし、イメージングの準備ができたら再麻酔を受けることができます。
- SPECT/CTステージにあるマウスベッドにマウスを置きます。ベッドには麻酔ガス用チューブ、ヒーター、心電図と呼吸を監視する手段が装備されている必要があります。イメージング中、オペレータはマウスを直接観察することができないので、イメージング中に生理学的パラメータを監視する代替手段(すなわち、心拍数および呼吸)が必要である。
2. スペクター/CTイメージング
- コリメータ内でベッド(マウスを含む)を移動します。
- マウスの単一の軸イメージを取得します。このパイロット イメージを使用して、セカンダリ スキャンの対象地域を設定します。
- 収集された画像の数、画像あたりの時間、スキャンモード(検出器の回転パス)、画像精度の向上や撮像速度の向上のためのステップモードなど、SPECTの設定を定義します。
- スキャンのCT部分を設定するには、ソフトウェアのオプションを選択してX線管をウォームアップします。システムはチューブの加熱を開始します。
- チューブの電流と電圧、回転角度、スキャンの速度、各回転角度で撮影した画像の数など、CT の設定を定義します。
- データ取得を開始します。スキャンの完了に必要な時間の長さは、選択したスキャン パラメータによって異なりますが、通常は 30 ~ 60 分の長さになります。
- コリメータからベッドを取り外します。
- ベッドからマウスを取り外し、マウスが意識して正常に動き回れるように監視し続けます。
3. スペクター/CT再構築
- 再構築は通常、組み込みソフトウェアを使用して実行されます。CT データと SPECT データを個別に再構築し、内部登録を使用して組み合わせることができます。
SPECT-CTスキャンの組み合わせは、関心のある特定の臓器に関する解剖学的情報と機能的情報を同時に提供するために使用することができます。
単一光子放出型コンピュータ断層撮影法(SPECT)は、静脈内注入された放射性種からの放射線をガンマカメラで直接測定します。これにより、臓器のスナップショットだけでなく、生物学的活動の非侵襲的なイメージングが可能になります。
SPECT-CTイメージングは、コンピュータ断層撮影法またはCTと組み合わせることで、代謝データと解剖学的情報の両方を提供し、さまざまなアプリケーションに役立ちます。
このビデオでは、SPECT-CTを組み合わせたイメージングの基本原理を説明し、SPECT-CT画像の取得、再構成、および解析の方法の概要を説明します。
SPECT-CTイメージングは、SPECTとCTの2つの別々のイメージングモダリティを利用して、機能評価と解剖学的情報の両方を組み合わせて、全体的な診断能力を向上させます。
CTでは、複数の2D X線画像を収集して、患者や動物の解剖学的構造の3Dモデルを作成します。CTイメージングでは、X線源からX線が放出されます。X線が患者の中を移動すると、X線の一部が吸収され、残りは患者を通過します。一般に、骨などの高密度材料は、軟組織などの低密度材料よりも多くのX線を吸収します。
残りの非吸収X線は、患者の反対側に配置された検出器によって収集され、ハウンズフィールドユニットの非吸収X線の強度を決定します。これにより、スライスと呼ばれる 2D 画像が生成されます。次に、X線源と検出器を患者の周りで回転させて、2Dスライスのコレクションを取得します。その後、スライスを再構築して 3D モデルを作成します。
CTイメージングと同様に、SPECTは、患者に注入された放射性トレーサーからの放射線の放出を取得する核イメージング技術です。注入されたトレーサーは時間の経過とともに減衰し、ガンマ線を放出し、ガンマカメラで画像化して2D画像を作成します。 CTと同様に、ガンマカメラはさまざまな場所で2D画像を収集してスライスを生成し、それを3Dモデルに再構築できます。
本研究では、マウスのSPECT-CTイメージングを示します。再構成されたマウスのCT画像とSPECT画像を重ね合わせることで、色付きのSPECTRACEとグレースケールのCTスキャンで示されるように、解剖学的評価と機能的評価の両方を表示する画像が作成されます。
SPECT-CTイメージングの基本原理を確認したところで、次にプロトコルを見てみましょう。
まず、システムソフトウェアを開きます。次に、ソフトウェアのオプションを選択して、X線管がウォームアップできるようにスキャンのCT部分を設定します。システムはチューブの加熱を開始します。
マウスを麻酔導入チャンバーに入れ、イソフルランを使用して動物に麻酔をかけます。次に、マウスをノーズコーンを備えたベンチトップに移します。次に、つま先つまみ技術を使用して、マウスが意識を失っていることを確認します。次に、麻酔をかけたマウスに放射性核種テクネチウム-99mを注入します。放射性核種が血流に分布し、崩壊し始めるまで待ちます。心臓病学のアプリケーションでは、スキャンをほぼすぐに開始できますが、腫瘍を画像化するための待ち時間は数時間から数日かかる場合があります。
次に、心電図と呼吸モニタリングセンサーを備えたSPECT-CTステージベッドにマウスを置きます。ノーズコーンを固定し、麻酔薬の流れを開始します。マウスベッドヒーターをオンにし、センサーとデバイスの内部カメラを使用してマウスの生理学的パラメーターを監視します。
次に、マウスベッドをコリメータの内側にスライドさせます。次に、SPECTスキャン中にマウスが存在する動物の配置を決定するための参照として、マウスの単一の軸画像を取得します。これを参照画像として使用して、パイロットSPECTスキャンの関心領域を設定します。このパイロットスキャンは、収集される画像の数、画像あたりの時間、スキャンモードまたは検出器の回転経路、画像精度の向上やイメージング速度の向上のためのステップモードなど、実験的なSPECTスキャンの設定を定義するのに役立ちます。
次に、チューブの電流と電圧、回転角度、スキャンの速度、各回転角度で撮影される画像数など、CTスキャンのパラメータを定義します。最後に、取得開始ボタンを押してデータ取得を開始します。スキャンの所要時間はスキャンパラメータによって異なりますが、通常は 30 分から 60 分です。
スキャンが完了したら、コリメータからベッドを取り外し、マウスをベッドから取り外します。マウスが意識を持ち、正常に動き回れるようになるまでマウスを監視します。収集されたSPECT画像とCT画像は、個別に再構築し、後で内蔵ソフトウェアを使用して組み合わせることができます。
それでは、SPECT-CTイメージングの結果をおさらいします。
この図は、マウスのテクネチウム-99mベーストレーサーを使用して得られた代表的な複合SPECT-CTスキャンを示しています。SPECT-CTスキャンの組み合わせでは、SPECTデータが黄色からオレンジの濃淡で表示され、図は灰色の濃淡で表示されたCTデータに重ねて表示されます。
SPECTデータ内では、生理活性の程度は色の強度によって示されます。したがって、黄色の領域はオレンジの領域よりも大きな活性を示します。
次に、核医学技術を使用して、医療診断を改善するためのより正確な画像データを取得する方法を見てみましょう。
がん検診では、放射性トレーサーを使用して、腫瘍に見られる特定の細胞表面受容体を選択的に標的化します。SPECT-CT画像での放射性トレーサーの取り込みは、腫瘍の存在を示しています。
統合型PET-MRIは、軟部組織の高コントラストと代謝情報の両方を提供するため、疾患の診断と治療のモニタリングに使用される別のハイブリッドイメージング技術です。コントラストの高い領域は、放射性標識トレーサーの取り込みを示し、がんスクリーニングでの転移を示唆する可能性があります。これらの統合されたPET画像とMRI画像は、複数の高代謝肺転移と心臓の右心室流出路への転移を示しています。
心筋梗塞に対する新たな治療戦略の有効性を測定するためには、急性期と長期転帰の評価が必要です。マウス心臓の逐次PET-MRIイメージングには、静脈内造影剤が送達されます。MRIの手順は通常30分かかり、PETスキャンは45分続きます。これは、時間経過がわからない可能性があるため、新しい治療法を評価する上で重要です。MRIの強化された領域は生存不能な組織を表し、潜在的な冠動脈閉塞または梗塞を示唆するFDG取り込みの減少した領域に対応します。
JoVEの「Introduction to Combined Single Photon Emission Computed Tomography and Computed Tomography Imaging」をご覧になりました。これで、SPECTとCTのパラメータの設定方法、複合スキャンの実行方法、画像の解析方法がわかったはずです。また、核イメージングが生物医学アプリケーションにどのように使用されるかについても知っておく必要があります。ご覧いただきありがとうございます!
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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.