Hybride μCT-FMT beeldvorming en beeldanalyse

Fluorescentie-gemedieerde tomografie is een zeer gevoelige beeldvormingstechniek om de fluorescentieverdeling kwantitatief te beoordelen. Voor geanestheseerde muizen zijn veel gerichte fluorescente probes beschikbaar, waarmee beeldvorming van angiogenese, apoptose, inflammatie en andere processen mogelijk is. In deze video laten we zien hoe hybride beeldvorming met FMT en Micro CT wordt uitgevoerd aan ons instituut.

In hoofdstuk één, de apparatuur, is dit onze F-M-T-F-M-T staat voor fluorescentie moleculaire tomografie. Tomografie betekent dat er 3D-beelden worden gegenereerd. FMT is zeer gevoelig voor het in beeld brengen van endogene fluorescentie in muizen.

Nu is het voorpaneel geopend om de binnenzijde van de FMT te tonen. Onderaan bevindt zich een laser die is gemonteerd op een 2D-server. De laser straalt licht in de muis, die wordt vastgehouden in een gedeeltelijk transparante muisbed.

Boven het muizenbed bevindt zich een reeks LED's als alternatieve lichtbron, waardoor de FMT kan functioneren als een regulier reflectantie-beeldvormingsapparaat. Het filterwiel is onder de lens gemonteerd, die het licht opvangt voor de detector bovenop het apparaat. Dit is onze micro-ct.

De micro CT is uitgerust met twee röntgenbuizen en twee vlakpaneeldetectoren, waardoor acquisitie van dual-energy scans mogelijk is. Hoofdstuk twee, micro CT FMT scanprotocol. Zowel de FMT als de micro CT zijn ontworpen voor het beelden van muizen; voordat de muizen worden gefotografeerd, worden ze geanestheseerd met isofluorine.

Voor de FMT-scanning moet het haar van de muis worden verwijderd, wat goed lukt met de depilatiecrème. Sommige muizenstammen kunnen huiduitslag ontwikkelen door de depilatiecrème. Daarom wordt aangeraden om de muizen te monitoren op huidveranderingen en indien nodig contact op te nemen met het veterinaire personeel voor verzorging.

Test bovendien eerst de tolerantie bij een kleine groep van elke nieuwe muizenstam. Om hypothermie te voorkomen, wordt de muis op een warmtemat geplaatst. Vanwege de geringe grootte wordt er voor de injectie van het contrastmiddel een katheter in de staartvene geplaatst.

Dit is vrij lastig en vereist enige ervaring. Als er bloed via de katheter terugstroomt, is deze correct geplaatst. Fluorescerende contrastmiddelen en CT-contrastmiddelen kunnen worden geïnjecteerd om volumebelasting te voorkomen.

Er mag maximaal 5 mL per kilogram lichaamsgewicht worden geïnjecteerd, wat neerkomt op 150 µL voor een muis van 30 g. Voor de scan wordt de muis in een multimodale muizenbedplaatst.

De muis kan ter identificatie enkele symbolen op de staart hebben. Het is belangrijk om dergelijke markeringen op de romp te vermijden, omdat dit de optische scanning kan beïnvloeden. De muisbed is gesloten en de diepte is zo ingesteld dat de muis stevig in een vaste positie wordt vastgehouden.

Wees voorzichtig en houd de ademhaling in de gaten, omdat het te strak aantrekken van het bed de muis kan verstikken. Naaktmuizen worden veelvuldig gebruikt voor oncologisch onderzoek vanwege hun immuunsuppressie. Het feit dat ze naakt zijn, is een gunstig neveneffect van de genetische mutatie.

Daarom kan de arbeidsintensieve procedure voor het verwijderen van het haar worden weggelaten. Er moet worden gecontroleerd of de muis normaal ademt en, indien nodig, moet het muisbed dienovereenkomstig worden aangepast. Vervolgens wordt het muisbed in de micro ct geplaatst.

De buizen die het ISO-fluorgas transporteren, worden omgeschakeld om de gasstroom in het apparaat te handhaven. Vervolgens wordt de micro C gesloten om de röntgenafscherming in werking te stellen. De micro C start pas met scannen wanneer het deksel gesloten is.

Met behulp van de knoppen op de micro-CT kan de muis in de micro-CT worden bewogen. Op de bedieningscomputer van de micro-CT wordt een topogram opgenomen en weergegeven, waarna de windowing-instellingen worden aangepast om de muis beter zichtbaar te maken. Er kunnen één of meerdere ZUP-scans worden geplaatst. Hun positie wordt aangegeven door de lichtblauwe regio's.

Meestal zijn één tot drie ZUP-scans voldoende. Na het starten van het scannen wordt de voortgang weergegeven met donkerblauwe voortgangsbalken. Onze flat-panel micro-CT voert ZUP-scans opeenvolgend uit, wat verschilt van een klinische spiraal-CT.

Met behulp van de knoppen wordt de muizenbed naar voren bewogen. Vervolgens wordt het afschermingsdeksel opnieuw geopend en worden de anesthesieslangen gewisseld. De houder wordt voorzichtig uit het muizenbed verwijderd en de anesthesieslang wordt eruit getrokken.

Dit is noodzakelijk omdat de AN en de FMT niet afhankelijk zijn van dit kleine buisje. In plaats daarvan wordt de kleine kamer in de FMT gevuld met anesthetisch gas. Vervolgens wordt het muisbed met de muis naar de FMT gebracht en geplaatst op de bedieningscomputer van de FMT.

Het scanveld en de bemonsteringsdichtheid worden ingesteld. Meestal worden er ongeveer 120 punten gebruikt. De scan start na het indrukken van een knop.

Tijdens de eerste doorloop van de FMT wordt voor elk laserbronpunt een trans-illuminatie- of excitatiebeeld verkregen. In deze video wordt dit in versnelde modus getoond. Normaal gesproken duurt dit ongeveer vijf minuten.

U kunt zien dat er veel minder licht door het bovenlichaam gaat in vergelijking met het onderlichaam. Dit komt doordat de organen met een hoger relatief bloedvolume, zoals het hart, de lever en de nieren, zich vaker in het bovenlichaam bevinden. Bloed is de belangrijkste absorber voor nabij-infrarood licht.

De tweede doorloop gebruikt dezelfde bronpunten met een ander filter, dat alleen het fluorescerende licht doorlaat Hoofdstuk drie, interactieve olie en segmentatie. Om de gegevens van beide apparaten samen te voegen, worden markers gebruikt die in de muisbed zijn ingebouwd.

De markeringen zijn ook zichtbaar in een reflectiebeeld dat door de FMT is verkregen. De markeringen zijn in feite eenvoudige gaatjes en hoeven niet te worden gevuld met een fluorescentiemiddel of CT-contrastmiddel. Aan ons instituut hebben we een softwareprogramma ontwikkeld dat de detectie en fusie van de markeringen automatisch uitvoert.

De vorm van de muis, evenals heterogene absorptie- en verstrooiingskaarten, worden automatisch geschat met behulp van de micro CT-gegevens zoals beschreven in onze recente publicatie in Theranostics. Deze parameters zijn belangrijk voor kwantitatieve fluorescentiereconstructie. Om de biodistributie van de fluorescentie te meten, is een orgaansegmentatie vereist.

We genereren een dergelijke segmentatie interactief met behulp van software genaamd imulitic preclinical, die aan ons instituut is ontwikkeld, zoals hierna wordt beschreven. Deze segmentatie wordt versneld getoond; een ervaren persoon kan dit in ongeveer 10 tot 20 minuten uitvoeren. Eerst wordt de CT-dataset geladen.

Het kan in 3D worden geïnspecteerd met behulp van een ISO-oppervlakte-rendering. Door de instellingen van het venster aan te passen, kan de ISO-waarde worden gewijzigd. Om bijvoorbeeld de botten van het gehele muizenlichaam samen met de muizenbed te visualiseren, wordt de overlay geladen.

Het signaal voor dit voorbeeld is zichtbaar in de blaas. Nu wordt de overlay-visualisatie uitgeschakeld, om ons te concentreren op de anatomische segmentatie.

In native micro-ct-scans is de long gemakkelijk te vinden vanwege het sterke negatieve contrast met het andere zachte weefsel. De grote structuur in de long is het hart. Laten we eerst de long segmenteren.

Alle voxels onder een bepaalde waarde worden gesegmenteerd met behulp van drempelwaarde-bepaling. Dit wordt weergegeven in het groen. De long is een samenhangend gebied, dat gescheiden kan worden door middel van een vuloperatie.

Vergelijkbaar met de emmer-tool. In een schilderprogramma kan de blaas worden gescheiden van de long door te knippen en te vullen. Bolle organen, zoals de blaas, kunnen worden gesegmenteerd door krabbels te tekenen om de grenzen van het orgaan af te bakenen.

Er kunnen meer schetsen worden toegevoegd totdat een voldoende nauwkeurigheid is bereikt. Niet-convexe organen, zoals de darm, kunnen stuk voor stuk worden gesegmenteerd. De lever verschijnt als een homogeen gebied en heeft een complexere structuur.

Omdat het uit meerdere lobben bestaat, kan de segmentatie op de schijf worden opgeslagen en in het programma worden geladen. Met een dergelijke segmentatie kan het fluorescentiesignaal aan de organen worden toegewezen. Het programma berekent deze hoeveelheden en slaat ze op als een extra blad; voor longitudinale scans moet de segmentatie voor elk tijdstip opnieuw worden uitgevoerd, omdat de intervallen meestal te lang zijn om de muis in een vaste positie onder anesthesie te houden.

Daarom is de segmentatie een arbeidsintensieve taak wanneer er veel muizen en veel tijdspunten betrokken zijn. Om de resultaten te kwantificeren, laadt u een overlay en een segmentatie. Klik op 'Batch-instellingen instellen' zodat het programma de huidige instellingen onthoudt.

Klik nu op batch statistics om het programma aan te sturen om de waarden voor alle regio's in alle micro CT FMT-scans te berekenen. Dit zal enkele seconden duren. Vervolgens worden de statistieken opgeslagen in één spreadsheetbestand.

Dit is handig omdat de gebruiker niet zelf tientallen bestanden hoeft samen te voegen. Op basis van dit bestand kunnen de orgaancurves worden berekend. Hoofdstuk vier, representatieve resultaten.

Om te testen of de fusie correct werkt, hebben we een aros-fantoom gebruikt. Er is titaniumoxidepoeder toegevoegd voor verstrooiing. Om een onregelmatige vorm te realiseren, hebben we enkele delen weggesneden.

Verschillende kleine inclusies, gevuld met fluorescentie- en CT-contrastmiddel, werden in het fantoom ingebouwd. Aangezien de FMT de werkelijke vorm van het object niet kent en uitgaat van een vereenvoudigde vorm, is de reconstructie niet nauwkeurig voor objecten met onregelmatige vormen. Daarom hebben we een andere reconstructie geïmplementeerd die gebruikmaakt van de vorm afgeleid uit de micro-city data.

Zoals u kunt zien, is de signaallocalisatie in het fantoom veel beter. Om de in vivo data te inspecteren, lopen we door de tijdspunten van de beeldvorming. Dit is de pre-scan.

Wat we zien is in feite slechts ruis en artefacten. Als we naar het volgende tijdstip gaan, het moment na de injectie, zien we veel meer signaal, maar de windowing-instellingen zijn veel te hard. Met behulp van het windowing-dialoogvenster kunt u de windowing-instellingen aanpassen.

We zien het meeste signaal in de blaas. Als we naar het volgende tijdstip gaan, 0,2 uur na injectie, zien we wat signaal buiten de muis. Dit komt doordat de muis de fluorescentie op de muisondergrond heeft geurineerd.

Door het windowing verder aan te passen, kunnen we een signaal zien bij de wervelkolom en de knieën. Laten we nu naar tijdstip 0,4 uur na injectie gaan; het signaal uit de urine is nu verdwenen en we zien fluorescentie bij de wervelkolom en de knieën voor de volgende tijdspunten, zes uur en 24 uur na injectie. We zien hetzelfde.

Laten we nu overgaan naar de volgende neus. De pre-scan laat niets zien bij deze windowing-instellingen. De scan 15 minuten na injectie vertoont een sterk blaassignaal en enzovoort.

In deze studie stelden we kort na injectie hoge concentraties vast in de urineblaas, als gevolg van de snelle renale excretie van deze probe. Bovendien stijgt het signaal in de wervelkolom snel en blijft dit relatief stabiel tijdens de latere beeldvormingstijdspunten. Hoofdstuk vijf, conclusie.

Concluderend presenteren wij een multimodaal beeldvormingsprotocol om de sterktes van fluorescentie, moleculaire tomografie en microcomputertomografie te combineren. De anatomische micro-CT-gegevens maken een verbeterde fluorescentiereconstructie mogelijk door gebruik te maken van de vorm van de muis. Bovendien is het nuttig voor het genereren van orgsegmentaties, die nodig zijn om kwantitatieve metingen uit de beeldgegevens te extraheren.