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Biomedical Engineering

SPECTとCTイメージングを組み合わせて心臓機能を可視化

Overview

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)イメージングの基礎を示します。この技術では、マウスに放射性核種を注入し、動物が全身に分布した後にイメージングを行い、生成された画像を再構築して体積データセットを作成します。これは、病気の診断を改善し、その進行を監視するために解剖学、生理学、および代謝に関する情報を提供することができます。

収集されたデータに関しては、SPECT/CTは陽電子放射断層撮影法(PET)/CTと同様の情報を提供する。しかし、PETは反対方向に放出される2つのガンマフォトンの検出を必要とするため、これら2つの技術の基本原理は根本的に異なります。対照的に、SPECTイメージングはガンマカメラを介して直接放射線を測定します。その結果、SPECTイメージングはPETよりも低い空間分解能を有する。しかし、SPECT放射性同位元素がより容易に入手可能であるため、それはまた安価である。SPECT/CTイメージングは、非侵襲的な代謝と解剖学的情報の両方を提供し、多種多様なアプリケーションに役立ちます。

Principles

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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、機能的および解剖学的情報の両方を取得し、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、患者または動物の解剖学の3Dモデルを作成します。このCTモデルは、放射性トレーサーを使用して内臓(すなわち、脳または心筋)の機能的評価を提供するSPECTと結合される。CT と同様に、SPECT も取得した 2D イメージを使用して 3D モデルを作成します。SPECT/CTは、解剖学的ランドマークと初期診断や疾患の進行を特徴付けるために使用できる機能評価を提供します。

CTイメージングの基礎は、2D X線画像の収集です。イメージング中に、X線はソースから放出されます。X線が患者を通過するにつれて、X線の一部が吸収される。一般に、密度の高い材料は、低密度材料よりも多くの X 線を吸収します。このため、骨は軟部組織よりも多くのX線を吸収する傾向がある。X線が体内を通過した後、残りの(吸収されていない)X線は、ハウンズフィールドユニットのX線の強度を決定できる検出器によって収集されます。これにより、スライスと呼ばれる 2D イメージが生成されます。X線源と検出器は、指定された角度に回転し、別のスライスを取得するために変換されます。スキャンが進むにつれて、ソースと検出器は、より多くの2Dスライスを取得して回転し続け、さまざまな方向で投影のコレクションを作成します(図1)。次に、スライスを再構築して 3D モデルを作成します。

Figure 1
図1:a)単一のX線投影とb)X線源と検出器の回転の生産を示す図は、完全な2D画像を作成する。その後、この設定全体を変換して容積データを作成できます。

SPECTはCTと同様に機能しますが、X線の代わりにガンマ線の放出を獲得します。この核イメージング技術では、放射性トレーサーが患者に注入される。時間が経つにつれて、トレーサーは減衰し、ガンマ線を放出します。ガンマ カメラはガンマ線をイメージし、2D イメージを作成します。CTと同様に、カメラはさまざまな場所で2D画像を収集します。イメージング後、スライスが再構築され、3D データセットが作成されます。CTとSPECTのボリュームは、解剖学的および機能的評価の両方を提供するために共同登録されます。

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Procedure

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1.インビボイメージングセットアップ

  1. イメージングソフトウェアを開きます。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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

  1. コリメータ内でベッド(マウスを含む)を移動します。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. コリメータからベッドを取り外します。
  8. 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

  1. 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。

組み合わせたSPECT-CTスキャンは、目的の特定の器官に関する解剖学的および機能的な情報を同時に提供するために使用することができる。

単一光子放出コンピュータ断層撮影、またはSPECTイメージングは、ガンマカメラを介して静脈内に注入された放射性種からの放射線を直接測定する。これは器官の単なるスナップショットではなく、生物学的活性の非侵襲的なイメージングを可能にする。

コンピュータ断層撮影やCTと組み合わせることで、SPECT-CTイメージングは、代謝データと解剖学的情報の両方を提供し、多種多様なアプリケーションに役立ちます。

このビデオでは、SPECT-CTイメージングの組み合わせ原理を説明し、SPECT-CT画像の取得、再構築、解析方法の概要を簡単に説明します。

SPECT-CTイメージングは、2つの別々のイメージングモダリティであるSPECTとCT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、患者または動物の解剖学の3Dモデルを作成します。CTイメージング中、X線はソースから放出されます。X線が患者を通過するにつれて、X線の一部が吸収され、残りの光線が患者を通過する。一般に、骨のような高密度材料は、軟部組織のような低密度材料よりも多くのX線を吸収する。

残りの非吸収X線は、ハウンズフィールドユニット内の非吸収X線の強度を決定する患者の反対側に配置された検出器によって収集される。これにより、スライスと呼ばれる 2D イメージが生成されます。X線源および検出器は2Dスライスのコレクションを得るために患者のまわりに回転される。次に、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は患者に注入される放射性トレーサーからの放射線の放出を獲得する核イメージング技術である。注入されたトレーサーは時間の経過とともに減衰し、ガンマカメラによって画像化されたガンマ線を放出して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、3D モデルに再構築できます。

本研究では、マウスのSPECT-CTイメージングを示す。再構成されたマウスCTおよびSPECT画像は、色付きのSPECTRACEとグレースケールCTスキャンで示されるように、解剖学的評価と機能評価の両方を表示する画像を作成するためにオーバーレイされます。

SPECT-CTイメージングの基本原理を見直したので、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。

マウスを麻酔誘導室に入れ、イソフルランを使用して動物を麻酔します。次に、マウスをノーズコーンを装備したベンチトップに移す。次に、つま先ピンチテクニックを使用して、マウスが意識不明であることを確認します。その後、放射性核種テクネチウム-99mで麻酔をかけマウスを注入します。放射性核種が血流に分布し、減衰し始めるまで待ちます。スキャンは心臓病の適用のためにほぼ即座に開始することができるが、腫瘍を画像化するまでの待ち時間は数時間から数日であるかもしれない。

次に、心電図および呼吸監視センサーを備えたSPECT-CTステージベッドにマウスを置きます。鼻コーンを固定し、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を監視します。

次に、コリメータ内のマウスベッドをスライドします。次いで、SPECTスキャン中に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する。これを参照イメージとして使用して、パイロット SPECT スキャンの対象領域を設定します。このパイロット スキャンは、収集された画像の数、画像あたりの時間、スキャン モードまたは検出器の回転パス、およびイメージの精度を向上させたり、イメージング速度を向上させたりするためのステップ モードなど、実験的な SPECT スキャンの設定をユーザーが定義するのに役立ちます。

次に、管電流と電圧、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の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 ~ 60 分の長さです。

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、ベッドからマウスを取り外します。マウスが意識し、正常に動き回れるまで監視します。収集したSPECTおよびCT画像は、組み込みソフトウェアを使用して個別に再構築し、後で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確認してみましょう。

この図は、マウスでテクネチウム-99m塩基トレーサーを用いて得られた代表的なSPECT-CTスキャンを示す。組み合わせた SPECT-CT スキャンでは、灰色のシェードで表示される CT データにオーバーレイされた図の SPECT データが黄色からオレンジ色の色合いで表示されます。

SPECTデータ内では、生理活性の程度は色の強度によって実証される。したがって、黄色の領域は、オレンジ色の領域よりも大きな活動を示します。

それでは、核医学の技術を使用して、より正確な画像診断データを得て、医療診断を改善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とする。SPECT-CT画像における放射性トレーサーの取り込みは、腫瘍の存在を示す。

統合PET-MRIは、軟部組織と代謝情報の両方の高コントラストを提供するため、疾患の診断と治療の監視に使用される別のハイブリッドイメージング技術です。高コントラストの領域は、放射性標識トレーサーの取り込みを示し、癌スクリーニングにおける転移を示唆することができる。これらの結合されたPETおよびMRI画像は、心臓の右心室流出管における複数の代謝性肺転移および転移を示す。

心筋梗塞に対する新しい治療戦略の有効性を測定するためには、急性期の評価と長期的な結果が必要である。静脈内造影剤は、マウス心臓の逐次PET-MRIイメージングのために送達される。MRI手順は通常30分かかり、PETスキャンは45分間続きます。これは、時間経過が分からないかもしれないので、新規治療薬を評価する上で重要である。MRI上の増強された領域は、生存不可能な組織を表し、潜在的な冠状動脈閉塞または梗塞を示唆する減少したFDG取り込みの領域に対応する。

JoVEの「単一光子放出コンピュータ断層撮影とコンピュータ断層撮影」の紹介をご覧いただきました。SPECT パラメータと CT パラメータの設定方法、結合スキャンの実行方法、およびイメージ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でどのように使用されているかも知る必要があります。見ていただきありがとうございます!

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Results

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ラットに99mTcベースのトレーサーを用いた代表的な結果を図2に示す。SPECT/CT の取得では、CT データ (灰色の網掛けで表示) にオーバーレイされた SPECT データ (図では黄色/オレンジ色の網掛けで表示) が表示されます。SPECTモデル内では、生理活性の程度は色の強度によって実証される。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動を示しています。図中のSPECTデータは、30枚のワン分画像を収集することによって取得された。結果として得られる分解能は0.8mmである。

Figure 2
2:心臓機能を示す代表的な画像。左側のビューは全体的な SPECT/CT モデルで、右側の 3 つのビューは心臓のコロナ面、矢状面、経軸面の拡大画像を示しています。灰色の色合いは CT の色合いで、骨格構造を示し、オレンジ/黄色の色合いは SPECT の色合いです。活動の程度は、白が黒より大きい色の強度によって示されます。画像提供:双劉博士。

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Applications and Summary

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SPECT/CTは、解剖学的および機能的な情報を提供するために使用されました。一般的な手順は、放射性核種の注入、イメージング、およびデータの再構築を含む。この手順は、小動物イメージングの文脈の中で議論され、臨床的に行われるものと類似している。しかし、小動物の使用は、見逃してはならないいくつかの追加の技術的なニュアンスを追加します。小動物モデルは、驚くほど、イメージングにおいてより高い解像度の使用を必要とする。さらに、小動物は心拍数と呼吸数を増加させており、より迅速なイメージングが必要です。呼吸や心拍は、イメージング中に動物の動きを引き起こす可能性があり、正確なデータを取得することが困難になります。これらの潜在的な問題を補償するために、心臓および呼吸ゲーティングを実施することができる。ゲーティングは機械が動物の心臓および呼吸周期に関連して特定の時間にイメージを得ることを可能にする。例えば、イメージングは、動物の呼吸の間および心臓周期の特定の部分で起こる。これらの変更は、小動物モデルの改善されたイメージングを可能にする。

小型動物モデルのSPECT/CTイメージングの一般的な手順を実証した。結果として得られるデータは、解剖学の文脈における代謝の増加の領域を示し、したがって、より良い診断および疾患特性評価を可能にする。

SPECT/CTイメージングは、心臓病、腫瘍学、炎症など様々な分野にわたる広く適用可能な技術です。心筋灌流研究では、心筋灌流研究ではSPECT/CTを用いて、心筋を通して血液がどれだけよく流れるかを実証することによって冠状動脈の閉塞を診断する。心筋灌流研究を受けている患者は、心臓ストレスを誘発するために運動します。その後、患者は全身の血液移動と混合する放射性トレーサーを注入する。冠状動脈の閉塞のために血液が心臓の特定の領域に到達できない場合、どちらもトレーサーを行わない。SPECT/CT画像は運動後、患者が休息した後に撮影されます。SPECT/CTイメージング中、血液が到達できない領域は暗く現れ、冠状動脈閉塞または梗塞の可能性を示す。

腫瘍学や炎症などの他の用途では、放射性トレーサーを選択的に生物学的分子を標的とするように選択することができる。腫瘍学の場合、放射性トレーサーは腫瘍に見られる特定の細胞表面受容体を標的とする。そして、SPECT/CTイメージング中の放射性トレーサーの取り込みは、腫瘍の存在を示唆している。最後に、炎症の場合、放射性トレーサーは感染または炎症を標的にし、同時に正確な解剖学的位置を提供することができる。これは、骨の感染症である骨髄炎の程度を診断する際に貴重です。要約すると、SPECT/CTは、解剖学的および機能的な情報を非侵襲的に提供するために2つの技術を組み合わせた汎用性の高いイメージングアプローチです。

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