结合 SPECT 和 CT 成像,使心脏功能可视化

Biomedical Engineering

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Overview

资料来源:阿莉西亚·伯曼、詹姆斯·沙伯和克雷格·戈尔根,珀杜大学韦尔登生物医学工程学院,西拉斐特,印第安纳州

在这里,我们将演示使用小鼠的单光子发射计算机断层扫描/计算机断层扫描 (SPECT/CT) 成像的基本原理。该技术包括将放射性核素注入鼠标,在动物分布在全身后成像,然后重建生成的图像以创建体积数据集。这可以提供有关解剖学、生理学和新陈代谢的信息,以改善疾病诊断并监测其进展。

在收集的数据方面,SPECT/CT 提供与正电子发射断层扫描 (PET)/CT 类似的信息。然而,这两种技术的基本原理根本不同,因为PET需要检测两个伽马光子,它们以相反的方向发射。相比之下,SPECT成像通过伽马相机直接测量辐射。因此,SPECT 成像的空间分辨率低于 PET。然而,它的成本也较低,因为SPECT放射性同位素更容易获得。SPECT/CT 成像提供非侵入性代谢和解剖信息,可用于各种应用。

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JoVE Science Education Database. 生物医学工程. 结合 SPECT 和 CT 成像,使心脏功能可视化. JoVE, Cambridge, MA, (2020).

Principles

SPECT/CT 成像采用两种独立的成像模式,SPECT 和 CT,以获得功能和解剖信息,以提高整体诊断能力。在 CT 中,收集了多个 2D X 射线图像,以创建患者或动物解剖的 3D 模型。然后,该 CT 模型与 SPECT 结合使用放射性示踪剂对内部器官(即大脑或心肌)进行功能评估。与 CT 一样,SPECT 还使用采集的 2D 图像创建 3D 模型。SPECT/CT共同提供解剖地标和功能评估,可用于初始诊断或描述疾病进展。

CT成像的基础是收集2D X射线图像。在成像过程中,X 射线从源发射。当X射线穿过病人时,一些X射线被吸收。通常,密度较高的材料比低密度材料吸收更多的X射线。因此,骨骼比软组织吸收更多的X射线。X射线穿过身体后,剩余的(非吸收的)X射线由探测器收集,该探测器可以确定Housfield单位中X射线的强度。这将生成称为切片的 2D 图像。然后,X 射线源和探测器旋转到指定角度并进行平移以获得另一个切片。随着扫描的进行,源和检测器继续旋转获取更多 2D 切片,从而创建不同方向的投影集合(图 1)。然后重建切片以创建 3D 模型。

Figure 1
图1:图显示a)制作单个X射线投影和b)旋转的X射线源和探测器,以创建一个完整的2D图像。然后,可以转换整个设置以创建体积数据。

SPECT 的工作原理与 CT 类似,但获取伽马射线的发射,而不是 X 射线。在这种核成像技术中,放射性示踪剂被注射到患者体内。随着时间的推移,示踪剂衰变,发出伽马射线。伽玛相机对伽马射线进行成像,创建 2D 图像。与 CT 类似,相机在不同位置收集 2D 图像。映像后,将重建切片,创建 3D 数据集。然后,CT 和 SPECT 的卷进行联合注册,以提供解剖学和功能评估。

Procedure

1. Vivo成像设置

  1. 打开成像软件。
  2. 要设置扫描的 CT 部分,请通过在软件上选择选项让 X 射线管预热。系统将开始加热管子。
  3. 麻醉鼠标。为了确保老鼠失去知觉,伸出一条腿捏动物的爪子。如果小鼠不产生退能反射,动物被充分麻醉。
  4. 用放射性核素静脉注射小鼠。一种常用的SPECT放射性核素是Technetium99m(99m Tc),部分是由于其半年长。然而,还有许多其他可用的放射性核素,可以使用包括碘-123(123I) 和钠-111(111In)。
  5. 等。放射性核素需要时间通过血液传播并开始衰变。所需时间取决于所使用的放射性核素和成像应用。对于心脏应用,扫描几乎可以立即开始,而对于肿瘤,等待时间可能是几个小时到几天。取决于成像的时间,鼠标可以在整个过程中保持麻醉,也可以醒来,然后在准备成像时重新麻醉。
  6. 将鼠标放在位于 SPECT/CT 台上的鼠标床上。床应配备麻醉气体管、加热器和监测心电图和呼吸的方法。在成像过程中,操作员将无法直接观察鼠标,因此有必要在成像过程中采用替代方法来监测生理参数(即心率和呼吸)。

2. SPECT/CT 成像

  1. 将床(包含鼠标)移到准直器内。
  2. 获取鼠标的单个轴向图像。使用此试验映像,为辅助扫描设置感兴趣的区域。
  3. 定义 SPECT 的设置,包括收集的图像数量、每个图像的时间、扫描模式(探测器旋转路径)和步进模式,以提高图像精度或提高成像速度。
  4. 要设置扫描的 CT 部分,请通过在软件上选择选项让 X 射线管预热。系统将开始加热管子。
  5. 定义 CT 的设置,例如管电流和电压、旋转角度、扫描速度以及在每个旋转角度拍摄的图像数。
  6. 开始数据采集。完成扫描所需的时间长度取决于所选的扫描参数,但通常长度为 30-60 分钟。
  7. 从准直器上取下床。
  8. 将鼠标从床上取出,并继续监视鼠标,直到它清醒并能够正常移动。

3. SPECT/CT 重建

  1. 重建通常使用内置软件执行。CT 数据和 SPECT 数据可以单独重建,然后使用内部注册进行组合。

联合 SPECT-CT 扫描可用于同时提供有关特定兴趣器官的解剖和功能信息。

单光子发射计算机断层扫描,或SPECT成像,直接测量通过伽马相机静脉注射的放射性物种的辐射。这使得生物活动能够进行非侵入性成像,而不仅仅是器官的快照。

当与计算机断层扫描或CT结合使用时,SPECT-CT成像提供代谢数据和解剖信息,可用于各种应用。

本视频将说明组合 SPECT-CT 成像的基本原理,并简要概述如何获取、重建和分析 SPECT-CT 图像。

SPECT-CT 成像采用两种独立的成像模式,SPECT 和 CT,将功能评估和解剖信息相结合,以提高整体诊断能力。

在 CT 中,收集了多个 2D X 射线图像,以创建患者或动物解剖的 3D 模型。在 CT 成像期间,X 射线从源发射。当X射线穿过患者时,一些X射线被吸收,其余的穿过病人。一般来说,密度更高的材料,如骨骼,比低密度材料(如软组织)吸收更多的X射线。

剩余的非吸收X射线由放置在患者另一侧的探测器收集,该探测器确定Housfield单位中非吸收X射线的强度。这将生成称为切片的 2D 图像。然后,X 射线源和检测器在患者周围旋转,以获取 2D 切片的集合。然后重建切片以创建 3D 模型。

与CT成像类似,SPECT是一种核成像技术,从注入患者的放射性示踪剂获得辐射。注入的示踪器会随时间衰减,发射伽马射线,伽马相机成像以创建 2D 图像。 与 CT 类似,伽玛相机收集不同位置的 2D 图像以生成切片,该切片可以重建为 3D 模型。

在这项研究中,我们展示了小鼠的SPECT-CT成像。重建的鼠标 CT 和 SPECT 图像叠加在一起,以创建一个图像,同时显示解剖和功能评估,如彩色 SPECTRACE 和灰度 CT 扫描所示。

现在,我们已经审查了 SPECT-CT 成像的基本原则,现在让我们看一下协议。

首先,打开系统软件。然后,设置扫描的 CT 部分,通过选择软件上的选项使 X 射线管预热。系统将开始加热管子。

将小鼠放入麻醉感应室,并使用异苯可联对动物进行麻醉。然后,将鼠标转移到配有鼻锥的台面。接下来,使用脚趾夹技术验证鼠标是否失去知觉。然后用放射性核素技术-99m注射麻醉小鼠。等待,直到放射性核素在血液中分布并开始腐烂。扫描几乎可以立即启动,用于心脏病学应用,而成像肿瘤的等待时间可能几个小时到几天。

接下来,将鼠标放在配备心电图和呼吸监测传感器的 SPECT-CT 台式床上。固定鼻锥,启动麻醉剂的流动。打开鼠标床加热器,使用传感器和设备的内部摄像头监控鼠标的生理参数。

接下来,将鼠标床滑入准直器内。然后,获取鼠标的单个轴向图像作为参考,以确定在 SPECT 扫描期间动物的位置。使用它作为参考图像,为试验 SPECT 扫描设置感兴趣的区域。此引导扫描将帮助用户定义实验性 SPECT 扫描的设置,包括收集的图像数量、每个图像的时间、扫描模式或探测器旋转路径,以及用于提高图像精度或提高成像速度的步进模式。

接下来,定义 CT 扫描的参数,例如管电流和电压、旋转角度、扫描速度以及在每个旋转角度拍摄的图像数量。最后,按开始采集按钮开始数据采集。扫描的持续时间取决于扫描参数,但长度通常为 30 到 60 分钟。

扫描完成后,从准直器中取出床,然后从床上取出鼠标。监控鼠标,直到它有意识,可以正常移动。收集的 SPECT 和 CT 映像现在可以使用内置软件单独重建,然后组合。

现在让我们回顾一下 SPECT-CT 成像的结果。

下图显示了使用技术-99m 基跟踪器在小鼠中获得的具有代表性的组合 SPECT-CT 扫描。合并的 SPECT-CT 扫描以黄色到橙色的色调显示 SPECT 数据,图形覆盖在以灰色阴影显示的 CT 数据上。

在SPECT数据中,生理活动的程度通过颜色的强度来证明。因此,黄色区域比橙色区域表现出更大的活动。

现在,让我们来看看如何使用核医学技术来获得更精确的成像数据,从而改进医疗诊断。

在癌症筛查中,放射性示踪剂用于选择性地瞄准肿瘤中的特定细胞表面受体。在SPECT-CT图像中获取放射性示踪剂表明肿瘤的存在。

集成 PET-MRI 是另一种用于诊断疾病和监测治疗的混合成像技术,因为它提供软组织和代谢信息的高对比度。高对比度区域表示接受放射性标记示踪剂,并可能暗示癌症筛查中的转移。这些合并的PET和MRI图像显示多个超代谢肺转移和转移在心脏的右心室流出道。

为了衡量心肌梗死新治疗策略的疗效,需要评估急性期和长期结果。静脉造影剂用于小鼠心脏的连续PET-MRI成像。MRI 手术通常需要 30 分钟,PET 扫描持续 45 分钟。这在评估新疗法时具有重要意义,因为时间过程可能并不为人所知。MRI 上的增强区域代表不可行的组织,对应于 FDG 摄入量减少的区域,这些区域表明潜在的冠状动脉阻塞或梗死。

您刚刚观看了 JoVE 的"组合单光子发射计算机断层扫描和计算机断层扫描"简介。您现在应该知道如何设置 SPECT 和 CT 参数、执行组合扫描和分析图像。您还应该知道核成像在生物医学应用中的运用方式。感谢您的收看!

Results

图2显示了在大鼠中使用99mTc示踪剂的代表性结果。获取 SPECT/CT 应显示覆盖在 CT 数据上的 SPECT 数据(如图所示为黄色/橙色阴影)(显示为灰色阴影)。在SPECT模型中,生理活动的程度通过颜色的强度来表现。因此,黄色区域比橙色区域表现出更大的活动。图中的 SPECT 数据是通过收集 30 个 1 分钟图像获得的。生成的分辨率为 0.8 mm。

Figure 2
2:展示心脏功能的代表图像。左侧的视图是整体 SPECT/CT 模型,而右侧的三个视图显示心脏的日冕、下垂和跨轴平面的放大图像。灰色阴影是 CT 的阴影,表示骨骼结构,而橙色/黄色阴影是 SPECT 的阴影。活动程度由颜色强度表示,白色大于黑色。图片由刘爽博士提供。

Applications and Summary

SPECT/CT用于提供解剖学和功能性信息。一般程序涉及注射放射性核素,成像,然后重建数据。在小动物成像的背景下讨论的这个程序类似于临床上执行的程序。然而,使用小动物增加了一些额外的技术细微差别,不容忽视。可以推测,小型动物模型需要在成像中使用更高的分辨率。此外,小动物的心率和呼吸速率也有所提高,这需要更快速的成像。呼吸和心跳会导致动物在成像过程中移动,从而难以获得准确的数据。为了补偿这些潜在问题,可以实施心脏和呼吸门控。门控允许机器在特定时间获取与动物心脏和呼吸周期相关的图像。例如,成像发生在动物的呼吸之间和心脏周期的特定部分。这些修改使小动物模型的成像效果得以改进。

演示了小动物模型SPECT/CT成像的一般程序。由此产生的数据显示了解剖学背景下代谢增加的区域,从而能够更好的诊断和疾病特征。

SPECT/CT 成像是一项广泛应用的技术,涵盖心脏病学、肿瘤学和炎症等多个领域。在心脏病学领域,心肌灌注研究使用SPECT/CT通过证明血液如何流经心肌来诊断冠状动脉的阻塞。接受心肌灌注研究的患者将锻炼以诱发心脏压力。然后,患者将被注射一种放射性示踪剂,与血液在全身移动的混合。如果血液由于冠状动脉阻塞而无法到达心脏的某个区域,那么示踪剂也不会到达。SPECT/CT 图像将在运动后拍摄,然后在患者休息后拍摄。在SPECT/CT成像期间,血液无法到达的区域将显示为黑暗,表明潜在的冠状动脉阻塞或梗死。

在其他应用中,如肿瘤学和炎症,放射性示踪剂可以选择以选择性地瞄准生物分子。在肿瘤学中,放射性示踪剂瞄准肿瘤中的特定细胞表面受体。然后,在SPECT/CT成像过程中摄入放射性示踪剂,暗示肿瘤的存在。最后,在炎症的情况下,放射性示踪剂可以瞄准感染或炎症,同时提供精确的解剖位置。这在诊断骨髓炎(骨骼感染)的程度时很有价值。总之,SPECT/CT 是一种多功能成像方法,结合了两种技术,以非侵入性方式提供解剖学和功能性信息。

1. Vivo成像设置

  1. 打开成像软件。
  2. 要设置扫描的 CT 部分,请通过在软件上选择选项让 X 射线管预热。系统将开始加热管子。
  3. 麻醉鼠标。为了确保老鼠失去知觉,伸出一条腿捏动物的爪子。如果小鼠不产生退能反射,动物被充分麻醉。
  4. 用放射性核素静脉注射小鼠。一种常用的SPECT放射性核素是Technetium99m(99m Tc),部分是由于其半年长。然而,还有许多其他可用的放射性核素,可以使用包括碘-123(123I) 和钠-111(111In)。
  5. 等。放射性核素需要时间通过血液传播并开始衰变。所需时间取决于所使用的放射性核素和成像应用。对于心脏应用,扫描几乎可以立即开始,而对于肿瘤,等待时间可能是几个小时到几天。取决于成像的时间,鼠标可以在整个过程中保持麻醉,也可以醒来,然后在准备成像时重新麻醉。
  6. 将鼠标放在位于 SPECT/CT 台上的鼠标床上。床应配备麻醉气体管、加热器和监测心电图和呼吸的方法。在成像过程中,操作员将无法直接观察鼠标,因此有必要在成像过程中采用替代方法来监测生理参数(即心率和呼吸)。

2. SPECT/CT 成像

  1. 将床(包含鼠标)移到准直器内。
  2. 获取鼠标的单个轴向图像。使用此试验映像,为辅助扫描设置感兴趣的区域。
  3. 定义 SPECT 的设置,包括收集的图像数量、每个图像的时间、扫描模式(探测器旋转路径)和步进模式,以提高图像精度或提高成像速度。
  4. 要设置扫描的 CT 部分,请通过在软件上选择选项让 X 射线管预热。系统将开始加热管子。
  5. 定义 CT 的设置,例如管电流和电压、旋转角度、扫描速度以及在每个旋转角度拍摄的图像数。
  6. 开始数据采集。完成扫描所需的时间长度取决于所选的扫描参数,但通常长度为 30-60 分钟。
  7. 从准直器上取下床。
  8. 将鼠标从床上取出,并继续监视鼠标,直到它清醒并能够正常移动。

3. SPECT/CT 重建

  1. 重建通常使用内置软件执行。CT 数据和 SPECT 数据可以单独重建,然后使用内部注册进行组合。

联合 SPECT-CT 扫描可用于同时提供有关特定兴趣器官的解剖和功能信息。

单光子发射计算机断层扫描,或SPECT成像,直接测量通过伽马相机静脉注射的放射性物种的辐射。这使得生物活动能够进行非侵入性成像,而不仅仅是器官的快照。

当与计算机断层扫描或CT结合使用时,SPECT-CT成像提供代谢数据和解剖信息,可用于各种应用。

本视频将说明组合 SPECT-CT 成像的基本原理,并简要概述如何获取、重建和分析 SPECT-CT 图像。

SPECT-CT 成像采用两种独立的成像模式,SPECT 和 CT,将功能评估和解剖信息相结合,以提高整体诊断能力。

在 CT 中,收集了多个 2D X 射线图像,以创建患者或动物解剖的 3D 模型。在 CT 成像期间,X 射线从源发射。当X射线穿过患者时,一些X射线被吸收,其余的穿过病人。一般来说,密度更高的材料,如骨骼,比低密度材料(如软组织)吸收更多的X射线。

剩余的非吸收X射线由放置在患者另一侧的探测器收集,该探测器确定Housfield单位中非吸收X射线的强度。这将生成称为切片的 2D 图像。然后,X 射线源和检测器在患者周围旋转,以获取 2D 切片的集合。然后重建切片以创建 3D 模型。

与CT成像类似,SPECT是一种核成像技术,从注入患者的放射性示踪剂获得辐射。注入的示踪器会随时间衰减,发射伽马射线,伽马相机成像以创建 2D 图像。 与 CT 类似,伽玛相机收集不同位置的 2D 图像以生成切片,该切片可以重建为 3D 模型。

在这项研究中,我们展示了小鼠的SPECT-CT成像。重建的鼠标 CT 和 SPECT 图像叠加在一起,以创建一个图像,同时显示解剖和功能评估,如彩色 SPECTRACE 和灰度 CT 扫描所示。

现在,我们已经审查了 SPECT-CT 成像的基本原则,现在让我们看一下协议。

首先,打开系统软件。然后,设置扫描的 CT 部分,通过选择软件上的选项使 X 射线管预热。系统将开始加热管子。

将小鼠放入麻醉感应室,并使用异苯可联对动物进行麻醉。然后,将鼠标转移到配有鼻锥的台面。接下来,使用脚趾夹技术验证鼠标是否失去知觉。然后用放射性核素技术-99m注射麻醉小鼠。等待,直到放射性核素在血液中分布并开始腐烂。扫描几乎可以立即启动,用于心脏病学应用,而成像肿瘤的等待时间可能几个小时到几天。

接下来,将鼠标放在配备心电图和呼吸监测传感器的 SPECT-CT 台式床上。固定鼻锥,启动麻醉剂的流动。打开鼠标床加热器,使用传感器和设备的内部摄像头监控鼠标的生理参数。

接下来,将鼠标床滑入准直器内。然后,获取鼠标的单个轴向图像作为参考,以确定在 SPECT 扫描期间动物的位置。使用它作为参考图像,为试验 SPECT 扫描设置感兴趣的区域。此引导扫描将帮助用户定义实验性 SPECT 扫描的设置,包括收集的图像数量、每个图像的时间、扫描模式或探测器旋转路径,以及用于提高图像精度或提高成像速度的步进模式。

接下来,定义 CT 扫描的参数,例如管电流和电压、旋转角度、扫描速度以及在每个旋转角度拍摄的图像数量。最后,按开始采集按钮开始数据采集。扫描的持续时间取决于扫描参数,但长度通常为 30 到 60 分钟。

扫描完成后,从准直器中取出床,然后从床上取出鼠标。监控鼠标,直到它有意识,可以正常移动。收集的 SPECT 和 CT 映像现在可以使用内置软件单独重建,然后组合。

现在让我们回顾一下 SPECT-CT 成像的结果。

下图显示了使用技术-99m 基跟踪器在小鼠中获得的具有代表性的组合 SPECT-CT 扫描。合并的 SPECT-CT 扫描以黄色到橙色的色调显示 SPECT 数据,图形覆盖在以灰色阴影显示的 CT 数据上。

在SPECT数据中,生理活动的程度通过颜色的强度来证明。因此,黄色区域比橙色区域表现出更大的活动。

现在,让我们来看看如何使用核医学技术来获得更精确的成像数据,从而改进医疗诊断。

在癌症筛查中,放射性示踪剂用于选择性地瞄准肿瘤中的特定细胞表面受体。在SPECT-CT图像中获取放射性示踪剂表明肿瘤的存在。

集成 PET-MRI 是另一种用于诊断疾病和监测治疗的混合成像技术,因为它提供软组织和代谢信息的高对比度。高对比度区域表示接受放射性标记示踪剂,并可能暗示癌症筛查中的转移。这些合并的PET和MRI图像显示多个超代谢肺转移和转移在心脏的右心室流出道。

为了衡量心肌梗死新治疗策略的疗效,需要评估急性期和长期结果。静脉造影剂用于小鼠心脏的连续PET-MRI成像。MRI 手术通常需要 30 分钟,PET 扫描持续 45 分钟。这在评估新疗法时具有重要意义,因为时间过程可能并不为人所知。MRI 上的增强区域代表不可行的组织,对应于 FDG 摄入量减少的区域,这些区域表明潜在的冠状动脉阻塞或梗死。

您刚刚观看了 JoVE 的"组合单光子发射计算机断层扫描和计算机断层扫描"简介。您现在应该知道如何设置 SPECT 和 CT 参数、执行组合扫描和分析图像。您还应该知道核成像在生物医学应用中的运用方式。感谢您的收看!

JoVE Science Education is free through June 15th 2020.

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