Overview
Fuente: Alycia G. Berman, James A. Schaber, y Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Universidad Purdue, West Lafayette, Indiana
Aquí demostraremos los fundamentos de la tomografía computarizada de emisión de un solo fotón/tomografía computarizada (SPECT/CT) utilizando ratones. La técnica consiste en inyectar un radionúclido en un ratón, tomar imágenes del animal después de que se distribuye por todo el cuerpo y, a continuación, reconstruir las imágenes producidas para crear un conjunto de datos volumétrico. Esto puede proporcionar información sobre anatomía, fisiología y metabolismo para mejorar el diagnóstico de la enfermedad y monitorear su progresión.
En cuanto a los datos recopilados, SPECT/CT proporciona información similar a la tomografía por emisión de positrones (PET)/CT. Sin embargo, los principios subyacentes de estas dos técnicas son fundamentalmente diferentes, ya que el PET requiere la detección de dos fotones gamma, que se emiten en direcciones opuestas. Por el contrario, las imágenes SPECT miden directamente la radiación a través de una cámara gamma. Como resultado, las imágenes SPECT tienen una resolución espacial menor que el PET. Sin embargo, también es menos costoso porque los isótopos radiactivos SPECT están más fácilmente disponibles. La imagen SPECT/CT proporciona información metabólica y anatómica no invasiva que puede ser útil para una amplia variedad de aplicaciones.
Principles
La imagen SPECT/CT utiliza dos modalidades de imagen separadas, SPECT y CT, para obtener información funcional y anatómica para mejorar la capacidad de diagnóstico general. En la TC, se recopilan varias imágenes de rayos X 2D para crear un modelo 3D de la anatomía del paciente o animal. Este modelo de TC se combina con SPECT, que utiliza marcadores radiactivos para proporcionar una evaluación funcional de un órgano interno (es decir, el cerebro o el miocardio). Al igual que CT, SPECT también utiliza imágenes 2D adquiridas para crear un modelo 3D. Juntos, SPECT/CT proporciona puntos de referencia anatómicos y una evaluación funcional que se puede utilizar en el diagnóstico inicial o para caracterizar la progresión de la enfermedad.
La base de las imágenes por TC es la recopilación de imágenes de rayos X 2D. Durante las imágenes, los rayos X se emiten desde una fuente. A medida que las radiografías se mueven a través del paciente, algunas de las radiografías se absorben. En general, los materiales de mayor densidad absorben más rayos X que los materiales de menor densidad. Debido a eso, el hueso tiende a absorber más rayos X que el tejido blando. Después de que los rayos X pasan a través del cuerpo, los rayos X restantes (no absorbidos) son recogidos por un detector que puede determinar la intensidad de los rayos X en las unidades de Hounsfield. Esto produce una imagen 2D llamada sector. La fuente de rayos X y el detector se giran a un ángulo designado y se traducen para adquirir otra rebanada. A medida que avanza el análisis, el origen y el detector continúan girando adquiriendo más sectores 2D, creando una colección de proyecciones en varias orientaciones (Figura 1). A continuación, los sectores se reconstruyen para crear un modelo 3D.
Figura 1: Diagrama que demuestra a) la producción de una sola proyección de rayos X y b) la rotación de una fuente de rayos X y un detector para crear una imagen 2D completa. Toda esta configuración se puede traducir para crear datos volumétricos.
SPECT funciona de manera similar a la TC, pero adquiere la emisión de rayos gamma en lugar de rayos X. En esta técnica de imagen nuclear, se inyecta un marcador radioactivo en el paciente. Con el tiempo, el trazador se descompone, emitiendo rayos gamma. Una cámara gamma imágenes de la radiación gamma, creando una imagen 2D. Al igual que la TC, la cámara recopila imágenes 2D en varios lugares. Después de crear imágenes, los sectores se reconstruyen, creando un dataset 3D. Los volúmenes de CT y SPECT se registran previamente para proporcionar evaluaciones anatómicas y funcionales.
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Procedure
1. En Vivo Imaging Set-up
- Abra el software de imágenes.
- Para configurar la parte CT de la exploración, permita que el tubo de rayos X se caliente seleccionando la opción en el software. El sistema comenzará a calentar el tubo.
- Anestesia rinde al ratón. Para asegurarse de que el ratón está inconsciente, extienda una pierna y pellizque la pata del animal. Si el ratón no produce un reflejo de abstinencia, el animal está suficientemente anestesiado.
- Inyecte el ratón por vía intravenosa con el radionúclido. Un radionúclido SPECT de uso común es Technetium99m(99mTc), en parte debido a su vida media. Sin embargo, también hay muchos otros radionúclidos disponibles que se pueden utilizar incluyendo yodo-123 (123I) y el indio-111 (111in).
- Esperar. El radionúclido tomará tiempo para distribuir a través del torrente sanguíneo y comenzar a decaer. La cantidad de tiempo necesario depende del radionúclido utilizado y de la aplicación de imágenes. Para las aplicaciones cardíacas, las exploraciones pueden comenzar casi de inmediato, mientras que en el caso de los tumores, el tiempo de espera puede ser de varias horas a días. Dependiendo de la sincronización de la imagen, el ratón puede permanecer anestesiado durante la totalidad del procedimiento o puede despertarse y luego volver a anestesiarse cuando esté listo para la toma de imágenes.
- Coloque el ratón en la cama del ratón situada en la etapa SPECT/CT. La cama debe estar equipada con un tubo para gas anestésico, un calentador y un medio de monitoreo del ECG y la respiración. Durante la toma de imágenes, el operador no podrá observar el ratón directamente, por lo que es necesario disponer de medios alternativos para controlar los parámetros fisiológicos durante la toma de imágenes (es decir, la frecuencia cardíaca y la respiración).
2. Spect/CT Imaging
- Mueva la cama (que contiene el ratón) dentro del colimador.
- Adquiera una sola imagen axial del ratón. Con esta imagen piloto, establezca una región de interés para un análisis secundario.
- Defina los ajustes de SPECT, incluido el número de imágenes recopiladas, el tiempo por imagen, el modo de escaneado (ruta de rotación del detector) y el modo de paso para mejorar la precisión de la imagen o aumentar la velocidad de imagen.
- Para configurar la parte CT de la exploración, permita que el tubo de rayos X se caliente seleccionando la opción en el software. El sistema comenzará a calentar el tubo.
- Defina el ajuste para CT, como la corriente y el voltaje del tubo, el ángulo de rotación, la velocidad del escaneo y el número de imágenes tomadas en cada ángulo de rotación.
- Comience la adquisición de datos. El tiempo necesario para completar el análisis dependerá de los parámetros de escaneado seleccionados, pero normalmente es de 30-60 minutos de longitud.
- Retire la cama del colimador.
- Retire el ratón de la cama y continúe monitoreando el ratón hasta que esté consciente y capaz de moverse normalmente.
3. Reconstrucción SPECT/CT
- La reconstrucción se realiza normalmente mediante software integrado. Los datos de TC y los datos SPECT se pueden reconstruir por separado y luego combinarse mediante el registro interno.
La exploración SPECT-CT combinada se puede utilizar para proporcionar simultáneamente información anatómica y funcional sobre un órgano de interés en particular.
La tomografía computarizada por emisión de fotón único, o imágenes SPECT, mide directamente la radiación de una especie radiactiva inyectada por vía intravenosa a través de una cámara gamma. Esto permite imágenes no invasivas de la actividad biológica en lugar de sólo una instantánea del órgano.
Cuando se combina con tomografía computarizada o TC, la imagen SPECT-CT proporciona datos metabólicos e información anatómica que puede ser útil para una amplia variedad de aplicaciones.
Este video ilustrará los principios básicos de la imagen combinada SPECT-CT y proporcionará una breve descripción general de cómo se adquieren, reconstruyen y analizan las imágenes SPECT-CT.
La imagen SPECT-CT utiliza dos modalidades de imagen separadas, SPECT y CT, para combinar tanto la evaluación funcional como la información anatómica para mejorar la capacidad de diagnóstico general.
En la TC, se recopilan varias imágenes de rayos X 2D para crear un modelo 3D de la anatomía del paciente o animal. Durante las imágenes por TC, las radiografías se emiten desde una fuente. A medida que las radiografías se mueven a través del paciente, algunas de las radiografías se absorben, y el resto pasa a través del paciente. En general, los materiales de mayor densidad, como el hueso, absorben más rayos X que los materiales de menor densidad como el tejido blando.
Los rayos X restantes y no absorbidos son recogidos por un detector colocado en el otro lado del paciente que determina la intensidad de los rayos X no absorbidos en las unidades de Hounsfield. Esto produce una imagen 2D llamada sector. La fuente de rayos X y el detector se giran alrededor del paciente para adquirir una colección de rodajas 2D. A continuación, los sectores se reconstruyen para crear un modelo 3D.
Análoga a la toma de imágenes por TC, SPECT es una técnica de imágenes nucleares que adquiere la emisión de radiación de un marcador radioactivo que se inyecta en el paciente. El trazador inyectado se descompone con el tiempo, emitiendo rayos gamma que son imágenes de una cámara gamma para crear una imagen 2D. Al igual que la TC, la cámara gamma recopila imágenes 2D en varios lugares para generar una rebanada, que se puede reconstruir en un modelo 3D.
En este estudio, mostramos la imagen SPECT-CT de un ratón. Las imágenes CT y SPECT del ratón reconstruidas se superponen para crear una imagen que muestre evaluaciones anatómicas y funcionales, como muestra el SPECTRACE de color y el escaneo CT en escala de grises.
Ahora que hemos revisado los principios básicos de la imagen SPECT-CT, veamos ahora el protocolo.
En primer lugar, abra el software del sistema. A continuación, configure la parte CT de la exploración para permitir que el tubo de rayos X se caliente seleccionando la opción en el software. El sistema comenzará a calentar el tubo.
Coloque el ratón en una cámara de inducción de anestesia y anestetiza al animal usando isoflurano. A continuación, transfiera el ratón a un banco equipado con un cono nasal. A continuación, compruebe que el ratón está inconsciente utilizando la técnica de pellizco de los dedos de los dedos. A continuación, inyecte el ratón anestesiado con el tecnecio de radionúclidos-99m. Espere hasta que el radionúclido se distribuya en el torrente sanguíneo y comience a decaer. Los análisis se pueden iniciar casi inmediatamente para aplicaciones de cardiología, mientras que el tiempo de espera para la imagen de los tumores puede ser de varias horas a días.
A continuación, coloque el ratón en el lecho escénico SPECT-CT que está equipado con SENSORes de monitoreo de ECG y respiración. Asegure el cono de la nariz e inicie el flujo del anestésico. Encienda el calentador de la cama del ratón y monitoree los parámetros fisiológicos del ratón usando los sensores y la cámara interna del dispositivo.
A continuación, deslice la cama del ratón dentro del colimador. A continuación, adquiera una sola imagen axial del ratón como referencia para determinar la colocación de los animales tal como reside durante el escaneo SPECT. Usando esto como una imagen de referencia, establezca una región de interés para un escaneo SPECT piloto. Este escaneo piloto ayudará al usuario a definir la configuración para el escaneo experimental SPECT incluyendo el número de imágenes recopiladas, el tiempo por imagen, el modo de escaneo o la ruta de rotación del detector, y el modo de paso para mejorar la precisión de la imagen o aumentar la velocidad de imagen.
A continuación, defina los parámetros para la tomografía computarizada, como la corriente y la tensión del tubo, el ángulo de rotación, la velocidad de la exploración y el número de imágenes tomadas en cada ángulo de rotación. Por último, inicie la adquisición de datos pulsando el botón de inicio de adquisición. La duración del análisis depende de los parámetros de análisis, pero suele tener una duración de 30 a 60 minutos.
Una vez completada la exploración, retire la cama del colimador y retire el ratón de la cama. Supervise el ratón hasta que esté consciente y pueda moverse normalmente. Las imágenes SPECT y CT recopiladas ahora se pueden reconstruir individualmente y luego combinarse utilizando software incorporado.
Revisemos ahora los resultados de la imagen SPECT-CT.
Esta figura muestra una exploración SPECT-CT combinada representativa obtenida utilizando un trazador de base de tecnecio-99m en un ratón. La exploración SPECT-CT combinada muestra los datos SPECT en tonos de amarillo a naranja en la figura superpuesta en los datos CT mostrados en tonos de gris.
Dentro de los datos SPECT, el grado de actividad fisiológica se demuestra por la intensidad del color. Por lo tanto, las áreas de color amarillo muestran una mayor actividad que las áreas de naranja.
Ahora veamos cómo se utilizan las técnicas de medicina nuclear para obtener datos de imágenes más precisos para mejorar el diagnóstico médico.
En la detección del cáncer, se utiliza un marcador radioactivo para apuntar selectivamente a un receptor específico de la superficie celular que se encuentra en los tumores. La toma del marcador radioactivo en una imagen DE SPECT-CT indica la presencia de un tumor.
El PET-MRI integrado es otra técnica de diagnóstico por imágenes híbrida utilizada para diagnosticar enfermedades y controlar el tratamiento, ya que proporciona tanto un alto contraste de los tejidos blandos como de la información metabólica. Las regiones de alto contraste indican la aceptación del trazador radiomarcado y pueden sugerir metástasis en la detección del cáncer. Estas imágenes combinadas de PET y RMN muestran múltiples metástasis pulmonares hipermetabólicas y una metástasis en el tracto de salida ventricular derecho del corazón.
Para medir la eficacia de nuevas estrategias de tratamiento para el infarto de miocardio, se requiere la evaluación de la etapa aguda, así como el resultado a largo plazo. Se suministran agentes de contraste intravenosos para la toma secuencial de imágenes PET-RMDel del corazón del ratón. El procedimiento de RMN suele tardar 30 minutos y la tomografía por emisión de propiedades antensadas dura 45 minutos. Esto es significativo en la evaluación de nuevas terapias porque el curso del tiempo puede no ser conocido. Las áreas mejoradas de la RMN representan tejido no viable y corresponden a áreas de reducción de la acumulación de FDG que sugieren posibles bloqueos coronarios o infarto.
Acaba de ver la Introducción de JoVE a la Tomografía Computarizada de Emisión de Fotones Simples y las Imágenes de Tomografía Computarizada. Ahora debe saber cómo configurar los parámetros SPECT y CT, realizar el escaneo combinado y analizar la imagen. También debe saber cómo se utilizan las imágenes nucleares en aplicaciones biomédicas. ¡Gracias por mirar!
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Results
Los resultados representativos utilizando un rastreador basado en Tc de 99men una rata se muestran en la Figura 2. La adquisición de SPECT/CT debe mostrar los datos SPECT (mostrados como tonos de amarillo/naranja en la figura) superpuestos en los datos CT (mostrados como tonos de gris). Dentro del modelo SPECT, el grado de actividad fisiológica se demuestra por la intensidad del color. Por lo tanto, las áreas de color amarillo muestran mayor actividad que las áreas de naranja. Los datos SPECT de la figura se adquirieron mediante la recopilación de 30 imágenes de un minuto. La resolución resultante es de 0,8 mm.
Figura 2: Imágenes representativas que demuestran la funcionalidad cardíaca. La vista de la izquierda es el modelo general SPECT/CT, mientras que las tres vistas a la derecha muestran imágenes magnificadas de los planos coronal, sagital y transaxial del corazón. Los tonos grises son los de la TC e indican la estructura esquelética, mientras que los tonos naranja/amarillo son los de SPECT. El grado de actividad se indica por la intensidad del color con el blanco mayor que el negro. Imágenes cortesía del Dr. Shuang Liu.
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Applications and Summary
SPECT/CT se utilizó para proporcionar información anatómica y funcional. El procedimiento general implicó la inyección de un radionúclido, imágenes y luego la reconstrucción de los datos. Este procedimiento, discutido en el contexto de la imagen de animales pequeños, es similar a lo que se realiza clínicamente. Sin embargo, el uso de animales pequeños añade algunos matices técnicos adicionales que no deben pasarse por alto. Los modelos animales pequeños, como podría suponerse, requieren el uso de una resolución más alta en las imágenes. Además, los animales pequeños tienen frecuencias cardíacas y frecuencias de respiración, que requieren imágenes más rápidas. La respiración y el latido del corazón pueden causar el movimiento del animal durante la toma de imágenes, lo que dificulta la adquisición de datos precisos. Para compensar estos posibles problemas, se puede implementar el análisis cardíaco y respiratorio. El gating permite a la máquina adquirir imágenes en momentos específicos en relación con los ciclos cardíacos y respiratorios del animal. Por ejemplo, las imágenes se producen entre las respiraciones del animal y en una parte específica de su ciclo cardíaco. Estas modificaciones permiten mejorar la toma de imágenes de modelos animales pequeños.
Se demostró el procedimiento general para la toma de imágenes SPECT/CT del modelo animal pequeño. Los datos resultantes muestran áreas de aumento del metabolismo dentro del contexto de la anatomía, lo que permite un mejor diagnóstico y caracterización de la enfermedad.
La imagen SPECT/CT es una técnica ampliamente aplicable, que abarca una variedad de áreas incluyendo cardiología, oncología e inflamación. En el ámbito de la cardiología, los estudios de perfusión miocárdica emplean SPECT/CT para diagnosticar obstrucciones de las arterias coronarias demostrando qué tan bien fluye la sangre a través del músculo cardíaco. Los pacientes sometidos a un estudio de perfusión miocárdica harán ejercicio para inducir estrés cardíaco. A continuación, se inyectará al paciente un marcador radioactivo que se mezcla con la sangre que se mueve por todo el cuerpo. Si la sangre no puede llegar a una determinada zona del corazón debido a una obstrucción en una arteria coronaria, tampoco lo hará el marcador. Las imágenes SPECT/CT se tomarán después del ejercicio, y más tarde, después de que el paciente haya descansado. Durante las imágenes SPECT/CT, las áreas a las que la sangre no puede llegar aparecerán como oscuras, lo que indica posibles obstrucciones coronarias o infartos.
En otras aplicaciones, como en oncología e inflamación, el marcador radioactivo se puede elegir para atacar selectivamente una molécula biológica. En el caso de la oncología, el marcador radioactivo se dirige a un receptor específico de la superficie celular que se encuentra en los tumores. Luego, la toma del marcador radioactivo durante la imagen SPECT/CT sugiere la presencia de un tumor. Finalmente, en el caso de inflamación, el marcador radioactivo puede apuntar a la infección o inflamación mientras que también proporciona una ubicación anatómica precisa. Esto es valioso al diagnosticar la extensión de la osteomielitis, que es una infección del hueso. En resumen, SPECT/CT es un enfoque de imagen versátil que combina dos técnicas para proporcionar información anatómica y funcional de forma no invasiva.
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