Summary
여기에서는 소형 동물을위한 고해상도 양전자 방출 단층 촬영 / 컴퓨터 단층 촬영을 사용하여 심장 기능 및 형태를 정량화하기위한 실험 이미징 프로토콜을 제시합니다. 마우스와 쥐 모두 고려되어 두 종에 대한 컴퓨터 단층 촬영 조영제의 다양한 요구 사항을 논의합니다.
Abstract
양전자 방출 단층 촬영 (PET)과 컴퓨터 단층 촬영 (CT)은 가장 많이 사용되는 진단 영상 기술 중 하나이며 둘 다 심장 기능과 신진 대사를 이해하는 데 도움이됩니다. 전임상 연구에서는 고감도 및 높은 시공간 해상도를 가진 전용 스캐너가 사용되어 생쥐와 쥐의 작은 심장 크기와 매우 높은 심박수로 인한 까다로운 기술 요구 사항에 대처하도록 설계되었습니다. 이 논문에서는 동물 준비 및 이미지 획득 및 재구성에서 이미지 처리 및 시각화에 이르기까지 심장 질환의 실험 마우스 및/또는 쥐 모델을 위한 바이모달 심장 PET/CT 이미징 프로토콜에 대해 설명합니다.
특히, 18 F- 표지 된 플루오로 데 옥시 글루코스 ([18F] FDG) -PET 스캔은 좌심실 (LV)의 다른 세그먼트에서 포도당 대사의 측정 및 시각화를 허용합니다. 극좌표 지도는 이 정보를 표시하는 편리한 도구입니다. CT 부분은 심전도(ECG) 리드가 없는 후향적 게이팅을 사용하여 전체 심장의 시간 분해 3D 재구성(4D-CT)으로 구성되어 LV의 형태 기능 평가와 박출률(EF) 및 뇌졸중 부피(SV)와 같은 가장 중요한 심장 기능 매개변수의 후속 정량화를 허용합니다. 통합 PET/CT 스캐너를 사용하여 이 프로토콜은 다른 스캐너 간에 동물을 재배치할 필요 없이 동일한 마취 유도 내에서 실행할 수 있습니다. 따라서 PET / CT는 심장 질환의 여러 작은 동물 모델에서 심장의 형태 기능 및 대사 평가를위한 포괄적 인 도구로 볼 수 있습니다.
Introduction
작은 동물 모델은 심혈관 질환 1,2에 대한 이해를 높이는 데 매우 중요합니다. 비침습적 진단 영상 도구는 지난 수십 년 동안 임상 및 전임상 환경 모두에서 심장 기능을 보는 방식에 혁명을 일으켰습니다. 심장 질환의 작은 동물 모델에 관한 한, 매우 높은 시공간 해상도로 특정 이미징 도구가 개발되었습니다. 따라서, 이러한 기기는 심부전 (HF)3 또는 심근 경색 (MI)4와 같은 특정 질병 모델에서 마우스 및 래트의 매우 작고 매우 빠르게 움직이는 심장에 대한 관련 대사 및 운동 심근 파라미터의 정확한 정량화의 필요성과 일치 할 수있다. 이 목적을 위해 각각 고유한 강점과 약점이 있는 여러 양식을 사용할 수 있습니다. 초음파(미국) 이미징은 뛰어난 유연성, 매우 높은 시간 해상도 및 상대적으로 저렴한 비용으로 인해 가장 널리 사용되는 방식입니다. 작은 동물에서 미국 심장 영상의 채택은 공간 해상도가 50μm 미만인 초고주파 5,6의 프로브를 사용하는 시스템의 출현 이후 상당히 증가했습니다.
완전 3D 심장 영상에 대한 미국의 주요 단점 중 하나는 전체 심장의 동적 B 모드 이미지의 전체 스택을 생성하기 위해 전동 변환 스테이지에 프로브를 장착하여 심장 축을 따라 선형 스캔이 필요하다는것입니다 7. 결국, 이 절차는 (각 프로브 위치에서 획득한 이미지의 정확한 공간 및 시간 등록 후) 평면 내 방향과 평면 외부 방향 사이에 서로 다른 공간 해상도를 갖는 4D 이미지를 발생시킵니다. 동일한 불균일 공간 해상도 문제가 심장 MR(CMR)에서도 발생하며,8 이는 여전히 심장의 기능적 영상에서 황금 표준을 나타냅니다. 실제 등방성 3D 이미징은 대신 컴퓨터 단층 촬영 (CT)과 양전자 방출 단층 촬영 (PET)을 모두 사용하여 얻을 수 있습니다 9. PET는 CT, MR 또는 US에 비해 공간 분해능이 감소하더라도 주입된 프로브의 양(나노몰 범위)당 이미지 신호 측면에서 매우 민감한 도구를 제공합니다. PET의 주요 장점은 장기의 병태생리학의 기초가 되는 세포 및 분자 메커니즘을 표시하는 능력입니다. 예를 들어, [18F]FDG 주입 후 PET 스캔을 통해 신체의 포도당 대사에 대한 3D 지도를 재구성할 수 있습니다. 이를 동적(즉, 시간 분해) 데이터 획득과 결합함으로써, 추적자 키네틱 모델링은 포도당 흡수의 대사율(MRGlu)의 파라메트릭 맵을 계산하는데 사용될 수 있으며, 이는 심근 생존력에 대한 중요한 정보를 제공할 것이다(10).
CT는 관련 조직 구성 요소(예: 혈액 대 근육)의 측정 가능한 향상을 제공하기 위해 고농도(mL당 최대 400mg의 요오드)에서 상당한 양의 외부 조영제(CA)가 필요하지만 특히 소형 동물 이미징용으로 설계된 최첨단 마이크로 CT 스캐너를 사용할 때 공간 및 시간 해상도가 뛰어납니다. 11 심장 PET/CT가 적용될 수 있는 전형적인 질병 모델은 심근경색 및 심부전 및 치료에 대한 관련 반응의 실험적 평가이다. 작은 동물에서 MI를 유도하는 일반적인 방법은 좌측 전방 하행 (LAD) 관상 동맥(12,13)의 외과 적 결찰에 의한 다음 질병의 진행 및 후속 날의 심장 리모델링을 종단 적으로 평가하는 것입니다4. 그럼에도 불구하고, 작은 동물에서 심장의 정량적 형태기능적 평가는 심장 기능14에 대한 노화의 영향의 평가 또는 비만 모델에서의 변경된 수용체 발현(15)과 같은 다른 질병 모델에도 대체로 적용될 수 있다. 제시된 이미징 프로토콜은 주어진 질병 모델에 국한되지 않으므로 작은 설치류를 사용한 전임상 연구의 여러 맥락에서 가장 광범위한 관심을 가질 수 있습니다.
이 논문에서는 작은 동물 통합 PET/CT를 사용한 심장 영상의 시작부터 끝까지 실험 프로토콜을 제시합니다. 제시된 프로토콜이 특정 바이모달 통합 스캐너용으로 설계되었음에도 불구하고 설명된 절차의 PET 및 CT 부분은 다른 제조업체의 개별 스캐너에서 독립적으로 수행될 수 있습니다. 사용 중인 PET/CT 스캐너에서 작업 순서는 사전 프로그래밍된 워크플로로 구성됩니다. 각 워크플로의 주요 분기는 하나 이상의 획득 프로토콜입니다. 각각의 획득 프로토콜은 특정 전처리 프로토콜에 대해 하나 이상의 브랜치를 가질 수 있고, 이어서 각각의 전처리 프로토콜은 특정 재구성 프로토콜에 대해 하나 이상의 브랜치를 가질 수 있다. 영상화 베드 상의 동물의 준비 및 영상화 절차 동안 주입될 외부 작용제의 제제 둘 모두가 기재되어 있다. 이미지 획득 절차가 완료된 후, 일반적으로 사용 가능한 소프트웨어 툴을 기반으로 한 정량적 이미지 분석을 위한 예제 절차가 제공됩니다. 기본 프로토콜은 마우스 모델을 위해 특별히 설계되었습니다. 마우스가이 분야에서 가장 많이 사용되는 종으로 남아 있지만, 우리는 또한 주 프로토콜의 끝에서 쥐 이미징을위한 프로토콜의 적응을 보여줍니다. 마우스와 래트 모두에 대한 대표적인 결과가 표시되며, 설명된 절차에서 예상할 수 있는 출력 유형을 보여줍니다. 이 논문의 끝 부분에서는 기술의 장단점, 임계점, 준비 및 획득 / 재구성 단계를 거의 수정하지 않고 다양한 PET 방사성 추적자를 사용할 수있는 방법을 강조하기 위해 철저한 논의가 이루어집니다.
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Protocol
동물 실험은 유럽 지침 (1986 년 지침 86 / 609 / EEC 및 지침 2010 / 63 / UE) 및 이탈리아 법률 (D.Lgs. 26 / 2014)에서 요구하는 실험실 동물 취급에 관한 국제 지침의 실험실 동물 관리 및 사용 가이드의 권장 사항에 따라 수행되었습니다.
1. PET/CT 영상 프로토콜 및 워크플로우 설정
참고: 여기에 제시된 프로토콜은 마우스 모델의 심장 영상을 위해 특별히 설계되었습니다. 쥐와 함께 일하는 것은 주로 동물의 크기가 더 크기 때문에 (약 10 배 더 무겁기 때문에) 실제 프로토콜에 약간의 수정을 의미 할 수 있습니다. 래트 영상화에 대한 변형은 상기 단계에서 구체적으로 언급되고; 수정이 언급되지 않은 경우, 마우스 이미징에 대한 동일한 단계가 쥐에 대해 사용될 수 있습니다.
- PET/CT 스캐너의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 엽니다( 재료 표)을 클릭하고 새 프로토콜 집합(데이터 수집, 전처리 및 이미지 재구성을 위한 매개 변수 포함)을 만듭니다. (i) a 동적 PET 스캔, (ii) a 저선량 CT 스캔 감쇠 보정용(증권 시세 표시기) 조영제 없이, 및 (iii) 대비 강화 시네-CT 스캔.
참고: 수집, 전처리 및 재구성 단계를 위한 새로운 프로토콜(즉, 단층 촬영을 위한 특정 소프트웨어 지침)을 만드는 것은 간단한 프로세스입니다. 문제가 발생하면 GUI 사용 설명서에서 더 자세한 정보를 찾을 수 있습니다.- PET 스캔의 경우 스캐너(GUI)의 프로토콜 탭을 열고 다음 매개변수를 사용하여 세 개의 새 프로토콜 ( 수집, 전처리 및 재구성용)을 만듭니다.
- 획득 프로토콜의 경우: 총 스캔 시간 3,600초와 싱글 베드 위치를 설정합니다. 나중에 워크플로로 가져올 수 있도록 이 프로토콜을 적절한 이름으로 저장합니다. 다음 사항의 모든 다음 프로토콜에 대해서도 동일한 작업을 수행합니다.
- 마우스용 전처리 프로토콜의 경우: 250-750keV 에너지 창(EW)을 선택하고 방사성 붕괴, 무작위 우연의 일치 및 부동 시간과 같은 보정을 활성화합니다. 프레이밍 프로토콜(즉, 원시 데이터의 동적 분할)을 8 x 5초, 8 x 10초, 3 x 40초, 2 x 60초, 2 x 120초, 10 x 300초(= 3,600초)로 설정합니다. 쥐의 경우 마우스 프로토콜과 동일한 프레임을 사용하여 350-750keV 에너지 창(EW)을 선택합니다.
- 재구성 프로토콜의 경우: 정규화, 정량적 보정 및 CT 감쇠 보정이 활성화된 상태에서 8개의 하위 집합과 8개의 반복이 있는 고품질 몬테카를로 기반 3D 주문 부분 집합 기대 최대화(3D-OSEM-MC) 알고리즘을 선택합니다.
- 감쇠 보정 (CTAC)을위한 저선량 CT 스캔의 경우 다음 매개 변수를 사용하십시오.
- 획득 프로토콜의 경우: 단일 프레임, 싱글 베드 위치, 전체 스캔; 튜브 설정: 80kV, 저전류(저선량); 360°에서 576회 조회, 보기당 34ms의 노출 시간(20초 스캔 시간); 회전 유형: 연속, 감도 모드: 고감도.
- 전처리 프로토콜의 경우: 240μm 복셀 크기, 횡단 FOV: Rat, 축 방향 FOV: 100%.
- 재구성 프로토콜의 경우: 필터 창: 부드러움, 복셀 크기: 표준, 빔 경화 및 링 사전 보정 활성화, 링 아티팩트 사후 보정 비활성화.
- 대비가 강화된 게이트 CT 스캔의 경우 다음 설정을 사용하여 세 가지 새 프로토콜( 획득, 전처리 및 재구성용)을 만듭니다.
- 마우스용 획득 프로토콜의 경우: 단일 프레임, 싱글 베드 위치, 전체 스캔 설정, 튜브 설정: 65kV, 최대 전류(저잡음); 360°에서 8,000회 조회, 보기당 노출 시간 15ms(스캔 시간 120초), 회전 유형: 연속, 감도 모드: 고감도. 쥐의 경우 수집 프로토콜 매개 변수를 다음과 같이 설정하십시오 : 80kV 튜브 전압, 360 °에서 16,000보기, 보기 당 12ms 노출 시간 (192 초 스캔 시간).
- 마우스에 대한 전처리 프로토콜의 경우: 120μm 복셀 크기 선택; 횡단 시야(FOV): 마우스; 축 방향 FOV: 50%. 쥐의 경우, 240 μm 복셀 크기를 선택하십시오; 횡단 시야 (FOV) : 쥐; 축 방향 FOV : 50 %.
- 재구성 프로토콜의 경우: 필터 창: 부드러움, 복셀 크기: 표준; 빔 경화 및 링 사전 보정을 활성화하고 링 아티팩트 사후 보정을 비활성화합니다.
- GUI에서 워크플로 탭을 열고 방금 만든 프로토콜(PET의 경우 1.1.1.1-1.1.1.3단계, 1.1.2.1단계)을 추가하여 새 워크플로 를 만듭니다. -1.1.2.3. CTAC 및 단계 1.1.3.1의 경우. -1.1.3.3. 게이트 CT의 경우 주어진 순서대로. 두 경우 모두 프로토콜이 다음 순서로 중첩되어 있는지 확인합니다. 획득 | 전처리 | 재건.
참고: PET 스캔 시작 시 동맥 입력 기능의 피크를 더 잘 캡처하기 위해 지속 시간이 <5초인 동적 PET 프레임이 가능하지만 정량적 정확도가 감소하여 노이즈가 있는 이미지로 이어질 수 있으므로 권장하지 않습니다. 1.1.2.2단계에서는 횡단 FOV에 "쥐" 크기를 사용했습니다. 이것은 CTAC에서 쥐와 마우스 모두에게 일반적으로 사용됩니다.
- PET 스캔의 경우 스캐너(GUI)의 프로토콜 탭을 열고 다음 매개변수를 사용하여 세 개의 새 프로토콜 ( 수집, 전처리 및 재구성용)을 만듭니다.
2. PET/CT 영상을 위한 동물 준비
참고: 본 프로토콜의 경우, 모든 동물을 밤새 금식시켰다.
- 처음에 유도 챔버에서 3%-4%(v/v) 이소플루란으로 마우스를 마취한 다음 1%-2%(v/v) 이소플루란으로 유지합니다.
- 마우스의 무게를 측정하고 기저 혈당을 측정하여 동물의 상태를 모니터링합니다. 필요한 혈액 샘플을 채취하려면 날카로운 가위를 사용하여 꼬리 끝을 약간 자른 다음 꼬리를 부드럽게 마사지하여 테스트 스트립에 직접 혈액 방울 (~ 1 μL)을 수집합니다.
- 마우스의 경우 29G 나비, 쥐의 경우 24G를 사용하여 꼬리 정맥 수준에서 정맥 접근을 진행합니다.
- 캐뉼레이션 기술을 수행하려면 동시 가열 (일반적으로 가열 램프 아래)을 사용하고 정맥의 혈관 확장을 위해 바늘이 삽입되는 지점을 소독하십시오. 캐뉼레이션 후 나비를 실크 리본으로 꼬리에 고정하여 절차 중에 제자리에 고정하십시오.
참고: [18F]FDG 연구를 위해서는 금식이 필요합니다. 다른 추적자는 다른 동물 준비를 포함 할 수 있지만이 주제에 대한 철저한 논의는 현재 프로토콜의 범위를 벗어납니다. [18F]FDG에 관한 한, 단식을 피하는 것은 매우 다른 추적자 생체 분포로 이어집니다16.
- 캐뉼레이션 기술을 수행하려면 동시 가열 (일반적으로 가열 램프 아래)을 사용하고 정맥의 혈관 확장을 위해 바늘이 삽입되는 지점을 소독하십시오. 캐뉼레이션 후 나비를 실크 리본으로 꼬리에 고정하여 절차 중에 제자리에 고정하십시오.
- PET-CT 스캐너에 연결된 마취 시스템 (이소 플루 란 1 % -2 %, 마우스의 경우 0.8 L / min O 2 및 쥐의 경우 1-1.2 L / min)을 켜고 마우스를 침대로 옮깁니다.
- 마우스를 PET-CT 단층 촬영기의 스캐너 베드에 먼저 앙와위 위치에 놓고 마취를 위해 코 마스크에 코를 넣고 접착 테이프로 마우스 머리를 마스크에 부드럽게 차단합니다.
- 마우스의 상지와 하지를 스캐너 베드에 고정하여 이미징 절차 중 움직임으로 이어질 수 있는 비자발적 움직임을 방지합니다.
- 직장 프로브와 호흡 베개를 사용하여 체온과 호흡수를 각각 모니터링합니다.
3. PET 추적자 용량 준비
- 마우스의 경우 인슐린 주사기 (100mL)로 10-150μL의 부피로 1MBq의 [18F] FDG를 추출합니다. 쥐의 경우 0.20-0.25 mL에 15 MBq의 고용량을 섭취하십시오.
알림: 이 프로토콜에서 설명하는 PET 스캐너는 감도가 매우 높고 고품질 이미지를 얻기 위해 적당한 양의 활동이 필요하므로 더 높은 활동을 피하십시오. - 바이알에 있는 추적자의 원래 농도가 너무 높으면 생리학적 용액(0.9% w/v NaCl)을 사용하여 추적자 용량을 50-100MBq/mL의 농도로 희석합니다.
- PET 용량 교정기를 사용하여 주사기의 실제 활동을 측정하십시오. 주입 전 활동 및 측정 시간은 나중에 PET 스캐너 GUI의 특정 입력 모듈을 사용하여 사용되므로 주석을 달아줍니다.
4. CT 조영제 준비
- 요오드화 지질 에멀젼 조영제의 마우스 무게 20g 당 0.2mL를 1mL 주사기에 넣습니다. 더 무거운 마우스의 경우 주입량을 0.5mL의 CA로 제한하십시오. iomeprol을 사용하는 경우 마우스의 주입 속도를 10mL/h(~0.17mL/분)로 설정하고 주입량을 0.5mL로 제한합니다.
- 쥐의 경우 2.3-3mL의 iomeprol을 200mg / mL의 농도로 희석하여 5mL 주사기에 넣습니다.
참고: 소동물 지질 에멀젼 CA를 사용할 수 없는 경우 아래에 설명된 대로 주사기 펌프를 통해 연속 주입하는 iomeprol을 사용할 수 있습니다. - 주사기를 주사기 펌프에 연결하고 실제 주사기 크기와 직경에 맞게 펌프를 설정합니다.
- 주사기를 CA 튜브와 바늘에 연결하고 튜브에 CA를 미리 채 웁니다.
- 주입 속도를 24mL/h(= 0.4mL/분)로 설정하여 주입을 최대 부피를 2mL로 제한합니다.
참고: 요오드화 지질 에멀젼을 기반으로 한 혈액 풀 CA를 사용하는 것은 단일 주사의 더 큰 부피로 인해 이 절차의 상대적으로 높은 비용에도 불구하고 쥐에서도 가능합니다. 이 옵션이 선호되는 경우(예를 들어, 시린지 펌프를 피함으로써 프로토콜을 단순화하기 위해), 다음 절차가 사용될 수 있다: If this option preferred (e.g., the control the protocol by avoid the syringe pump), the following procedure can be the following proceeding: If this option preferred (e.g.g., the control the protocol, Avoid the syringe pump), the following procedure can be the following proceeding:
- 쥐의 경우 2.3-3mL의 iomeprol을 200mg / mL의 농도로 희석하여 5mL 주사기에 넣습니다.
- 요오드화 지질 에멀젼 조영제의 체중 kg 당 7.5mL를 5mL 주사기에 넣습니다. 더 무거운 쥐의 경우에도 주사량을 2mL의 CA로 제한하십시오.
5. 이미징 전 동물 정렬 및 예비 작업
- 이미징 베드에 동물을 고정시키면 단층 촬영 GUI에서 새로운 연구를 만듭니다. 스터디 이름 모듈에 스터디 이름 식별자를 추가하고 드롭다운 메뉴에서 이전에 저장한 이미징 워크플로우를 선택합니다.
- 동물/표본 정보가 있는 적절한 해부학적 부분 선택 | 해부학 적 부분 | 동물/표본 정보에 의한 심장 및 동물 위치 | 포지셔닝 | 앙와위/머리 먼저. 해당 모듈에 대한 동물 무게(그램)에 주석을 달기: 동물/표본 정보 | 동물 무게.
참고: 이 섹션의 다른 모든 정보는 선택 사항이지만 재구성 이미지의 DICOM 헤더에서 찾을 수 있도록 요청된 정보를 최대한 많이 제공하여 후속 데이터 쿼리를 용이하게 하는 것이 유용합니다. - PET 스캔 정보에서 방사성 핵종 선택 | [18F] FDG 연구 및 다른 18F- 표지 화합물에 대한 F18; 다른 추적자(예: [13N]NH3)가 사용되는 경우 수정합니다. PET 스캔 정보에 추적자의 이름도 기재하십시오. 이 이름의 추적기 이름 모듈은 이미지 재구성이 완료되면 DICOM 헤더에 보고됩니다.
참고: 추적기 주입 시간, 활동 및 부피에 대한 정보는 필수이지만 나중에 PET 획득 중에 제공될 수 있습니다. - CT 스캔 정보에 조영제와 관련하여 사용 가능한 모든 정보를 작성하십시오.
참고: 이 모든 정보는 선택 사항이지만 제공된 경우 후속 데이터 쿼리를 용이하게 할 수 있습니다. - 스캔 수행 을 누르고 GUI의 다른 탭이 열릴 때까지 기다렸다가 동물 위치 지정 및 다른 스캔 옵션 지정을 허용합니다.
- CT 보정에서 CT 보정 유형 선택 | 기본 CT 보정을 사용합니다.
- 연구 준비 섹션의 드롭다운 메뉴에서 각 검사 프로토콜을 선택하고 이 검사 전에 사용자 확인 대기 확인란을 선택합니다.
참고: 이 단계는 해당 획득 단계를 시작하기 전에 스캐너가 사용자 입력을 기다리는 대기 상태가 되므로 매우 중요합니다. PET 스캔의 경우 추적자 주입과 실제 PET 스캔 시작의 동기화가 가능합니다. CTAC 스캔의 경우 CT 스캔 중 X- 레이가 방출되기 전에 사용자가 뚜껑을 닫을 수 있습니다 (CT 스캔이 시작되기 전에 뚜껑이 열려 있으면 연구가 자동으로 중단됩니다). Cine-CT 스캔의 경우이 일시 중지를 통해 사용자는 필요한 지연으로 CA 주입 프로토콜 및 CT 데이터 스캔을 시작할 수 있습니다. - 동물 포지셔닝의 경우 GUI의 왼쪽 창에 있는 스위치를 사용하여 모터 제어 모듈을 켭니다.
알림: 이렇게 하면 동물 침대의 센터링 레이저가 켜지고 스캐너 측면에 있는 수동 침대 정렬 버튼이 활성화됩니다. - 수동 침대 정렬 버튼을 사용하여 동물의 가슴을 레이저 마크로 이동합니다. 동물의 세로 및 수직 정렬을주의 깊게 확인하십시오.
- 센터링 레이저에 따라 동물이 올바른 위치에 배치되면 레이저 끄기를 눌러 해당 획득 단계에서 PET 및 CT 스캐너의 중심으로 이동할 현재 레이저 표시 위치를 저장합니다. 그런 다음 모터 제어 모듈을 끕니다.
6. 애완 동물 스캔
- 획득 시작을 눌러 동물을 PET 스캐너 FOV로 이동합니다. 꼬리와 캐뉼러는 추적자 주입을 허용하기 위해 FOV 외부에 남아 있습니다. 스캐너는 사용자가 계속 단추를 누를 때까지 유휴 상태로 유지됩니다.
- 보정 된 PET 추적자 용량으로 주사기를 준비하십시오.
- 계속 버튼을 눌러 수집을 시작하고 스캔 시작 후 5초 이내에 캐뉼러에 트레이서 주입을 시작합니다(그림 1).
알림: 주입 시간은 ~ 20-25 초입니다. - 주사기를 PET 용량 캘리브레이터에 넣고 주사기 내의 잔류 활성을 측정하였다. 실제 활동과 측정 시간에 주석을 추가합니다.
- 스캐너 GUI의 하드웨어 모니터 탭에서 PET 추적기 정보 업데이트 버튼을 사용하여 실제 주입된 시간, 활동 및 볼륨을 삽입합니다.
- 스캔하는 동안 동물의 생리적 매개 변수를 주기적으로 확인하십시오.
- 스캔하는 동안 PET 스캔 시작 후 5분, 20분, 40분 및 60분 시점에서 2.2단계에 설명된 대로 혈당을 측정합니다.
- 혈당 측정 후 테스트 스트립을 감마 카운터에 넣고 60 초 동안 활동 측정을 수행하십시오. 활동 측정이 수행된 실제 시간을 기록하고 추적자 주입 시간을 기준 시간으로 사용하여 방사성 붕괴를 수정합니다. 포도당 테스트 스트립에서 1μL의 평균 혈액량을 고려하여 기록된 활성 값을 활성 농도(Bq/mL)로 변환합니다(즉, 방정식 [1] 사용).
C 혈액 (t) =혈액 (t) / 0.001 mL [Bq / mL] (1)
여기서혈액(t)은 Bq로 표시되는 테스트 스트립에서 혈액 샘플의 부패 보정 측정된 활동입니다.
알림: PET 스캔 시작 및 추적 주사는 주입 중에 작업자 부위에 가까운 스캐너의 측면 테이블에 놓인 단층 촬영기의 모바일 제어 장치를 사용하여 동일한 작업자가 수행할 수 있습니다. 스캔 시작과 주입 시작 사이의 더 긴 지연이 허용되지만 동적 시퀀스의 시작 부분에서 일부 재구성된 프레임은 공백으로 유지됩니다. 10초보다 큰 지연(즉, 현재 프로토콜에서 두 개의 빈 프레임으로 이어짐)을 피하는 것이 좋습니다.
그림 1: PET 추적기 주입. 이 작업은 PET 스캔 시작 직후에 수행됩니다. 동물은 PET 시야 안에 있습니다 (머리가 먼저이고 꼬리가 운전자 측에 보임). 약어 : PET = 양전자 방출 단층 촬영. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
7. 전산화 단층 촬영
- CT 조영제를 주입하기 전에 스캐너 덮개를 닫고 GUI의 계속 버튼을 누른 직후 CTAC 스캔을 시작하십시오. 이 매우 짧은 획득이 끝나면 PET 추적자 주입에 사용되는 동일한 혈관 접근을 사용하여 획득 전에 CA를 주입하여 혈액 풀의 적절한 향상을 보장하기 위해 다음 절차를 사용합니다.
- 요오드화 지질 에멀젼 CA:
- CTAC 스캔의 완료 후, 마우스 꼬리 정맥에 이미 연결된 캐뉼라를 사용하여 요오드화 지질 에멀젼 CA를 주입한다. 일반적인 주입 지속 시간은 30-60 초 정도입니다.
- 주입이 완료된 직후 이미징을 시작하십시오. 스캐너 GUI에서 계속 을 눌러 Cine-CT 수집을 시작합니다.
- 이오메프롤/주사기 펌프:
- iomeprol과 같은 일반 X선 CA를 사용하는 경우 일정한 속도로 천천히 주입할 수 있는 주사기 펌프를 사용하십시오.
- 마우스의 경우 주입량을 0.5mL로 제한하여 CA의 주입 속도를 10mL/h(~0.17mL/분)로 설정합니다. 이 설정으로 ~3분 후에 주입을 중지합니다. 쥐의 경우 펌프를 24mL/h(= 0.4mL/분)의 속도로 설정하고 주입량을 2mL로 제한합니다. 이 설정으로 5 분 후에 주입을 중지하십시오.
- CA 튜브에 부착된 바늘을 꼬리 정맥의 캐뉼라에 연결하여 튜브와 바늘이 모두 CA로 미리 채워져 있는지 확인합니다.
- 주입을 시작하십시오. 스캐너 덮개를 닫고 Cine-CT 스캔을 준비합니다.
- 마우스의 경우 주사 시작부터 60초 후, 쥐의 경우 주사 시작부터 90초 후에 단층 촬영기의 GUI에서 계속 버튼을 누르면 Cine-CT 획득이 시작됩니다. CA 주사는 마우스에 대한 Cine-CT 스캔 완료와 거의 동시에 그리고 쥐에 대한 완료시 중단됩니다.
- 요오드화 지질 에멀젼 CA:
- Cine-CT 스캔이 완료되면 생리 모니터링 시스템에서 동물을 분리하고 꼬리 정맥 캐뉼라를 제거하십시오. 실제 프로토콜에 따라, 동물은 기재된 영상화 절차 후에 회수되거나 안락사된다. 첫 번째 경우, 동물들은 적외선 램프 아래 따뜻한 환경에서 새장에서 깨어납니다. 그들은 완전히 깨어날 때까지 모니터링되며 기체 마취 후 15/30 분이 걸립니다. 예를 들어, 이미징 절차가 끝날 때 조직 수확을 요구하는 프로토콜의 경우, D.Lgs. 26/2014의 부록 VI에 따라 유도 챔버 (5 % 이소 플루 란)에서 마취 과다 복용을 사용하여 동물을 안락사시킵니다.
참고 :이 프로토콜에서 논의 된 18개의 F 기반 방사성 핵종의 경우, 추적 주사 후 24 시간은 모든 실용적인 목적에 안전한 동물의 몸에 잔류 방사능 수준에 도달하기에 충분합니다.
8. 내인성 심폐 게이팅을 이용한 심장 4DCT 영상 재구성
알림: 영상 연구가 완료되면 표준 PET 및 CT 재구성이 자동으로 수행됩니다. 그럼에도 불구하고 4D (Cine) 심장 CT 시퀀스의 재구성은 수동으로 수행해야하며 일부 사용자 상호 작용이 필요합니다. 후속 형태 기능성 심장 CT 분석에 필수적인이 특별한 유형의 재구성은이 섹션에서 논의됩니다.
- 단층 촬영 GUI의 심장 게이팅 모듈을 열고 분석할 영상 연구를 선택합니다.
- 표시된 동물의 방사선 사진(그림 2)에서 관심 영역(ROI)을 선택하여 게이팅 신호인 키모그램을 나타내는 시간 종속 심장 운동 곡선을 만듭니다. 심장 정점과 다이어프램이 모두 선택되도록 미리 그려진 직사각형 ROI를 수직으로 이동합니다. 그런 다음 게이팅 신호 분석을 선택합니다. 이제 사용자 인터페이스는 시간 도메인과 주파수 도메인 모두에서 게이팅 신호를 표시합니다.
- 첫 번째 주파수 영역 그래프에서 주파수 스펙트럼의 첫 번째 피크 그룹을 강조 표시하여 호흡 주파수 대역을 선택합니다(스펙트럼의 예는 그림 3 참조).
- 두 번째 주파수 영역 그래프에서 심장 운동 주파수 대역을 선택하여 두 번째로 선명한 피크를 강조 표시합니다.
- 다음 단계에서는 색상 마커(점)가 겹쳐진 시간 영역 게이팅 신호를 관찰하여 식별된 호흡 피크와 심장 수축 피크를 보여줍니다. 마커 위치가 원래 게이팅 신호의 호흡 및 심장 피크와 잘 맞으면 다음 단계로 진행합니다. 그렇지 않으면:
- 게이팅 신호의 모양이 그림 3에 표시된 것과 너무 다른 경우 8.2단계로 돌아가서 다른 ROI를 선택합니다.
- 게이팅 신호의 모양이 그림 3에 표시된 것과 상당히 유사하면 8.3단계와 8.4단계로 돌아가서 게이팅 신호 스펙트럼에서 다른 주파수 대역을 선택합니다.
- 다음 단계에서는 최소 4 개의 심장 게이트를 선택하십시오.
알림: 일반적인 Cine-CT 재구성은 8-12 개의 심장 게이트로 구성됩니다. - 드롭다운 메뉴를 사용하여 적절한 호흡 창을 선택합니다: 호흡 창 | 20%-80%.
참고 : 이것은 피크 영감 단계를 제외하고 재구성에서 획득 한 데이터의 60 %를 유지하므로 각 심장 단계에서 재구성 된 심근 벽의 선명도가 향상됩니다. - 재구성을 수행하여 회급적으로 게이트된 Cine-CT 이미지를 DICOM 형식으로 변환하고 후속 기능 분석을 위해 소프트웨어로 가져올 수 있습니다.
그림 2: 내장 게이팅을 위한 ROI 선택 도구. 이 이미지는 Cine-CT 재구성 단계에서 단층 촬영기의 GUI에 표시됩니다. 사용자는 원시 CT 투영에서 고유 게이팅 신호(키모그램)를 얻을 수 있는 ROI(노란색 직사각형)의 위치를 선택해야 합니다. 동물 가슴에 겹쳐진 원형 물체는 연구 중 생리적 모니터링에만 사용되는 호흡 베개입니다. 약어 : ROI = 관심 영역; CT = 컴퓨터 단층 촬영; GUI = 그래픽 사용자 인터페이스. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 게이팅 신호(상단 프레임) 및 해당 주파수 스펙트럼(중앙 및 하단)의 예. 아트리움 소프트웨어의 심장 게이팅 모듈로 얻은 이미지. 사용자는 호흡(중앙 프레임)과 심장 운동(하단 프레임) 모두에 적합한 주파수 대역을 선택해야 합니다. 이를 통해 게이팅 신호에서 호흡기 및 심장 마커를 식별 할 수 있으며 4D 재구성을 진행하기 전에 사용자가 확인해야합니다. 피크의 잘못된 식별 또는 잘못된 할당 (예 : 호흡기에서 심장으로 또는 그 반대)은 잘못된 재건으로 이어질 것입니다. 표시된 데이터는 건강한 성인 남성 Wistar 쥐 (507g)의 4D Cine-CT 스캔 분석에서 얻은 것입니다 2mL의 iomeprol, 200mg / mL를 5 분 동안 0.4mL / 분의 속도로 주사했습니다 (상단의 그래프는 확인 된 심장 및 호흡 운동을보다 잘 시각화 할 수 있도록 획득의 처음 22 초에서 확대됩니다). 약어 : CT = 컴퓨터 단층 촬영. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
9. 애완 동물 심장 분석
참고: 이 섹션에서는 작은 동물 좌심실의 동적 [18F]FDG 데이터의 동역학 분석을 수행하는 방법을 보여줍니다. 분석은 Carimas 소프트웨어를 기반으로 합니다. 아래 지침은 소프트웨어 사용 설명서17을 대체하기 위한 것이 아닙니다. 아래에 제시된 절차는 동적 PET 데이터18의 Patlak 그래픽 분석을 기반으로합니다. 이 분석에 대한 자세한 내용은 토론 섹션을 참조하십시오.
- 동적 PET 스캔의 DICOM 이미지를 엽니다.
- 하트플러그인 모듈을 선택합니다.
- 마우스/쥐 심장의 이미지를 확대하고 대부분의 혈액 풀 활동이 이미 씻겨 나간 마지막 시간 프레임(또는 이와 동등한 마지막 3-5개 시간 프레임의 합)을 선택합니다.
- 화면의 지시에 따라 동물 심장의 주축(짧은 축, 세로 및 가로 긴 축)을 따라 이미지 방향을 변경합니다. 심장 기저부와 정점에 대해 표시된 마커를 이동하여 대화식으로 수행합니다(그림 4).
- 세그멘테이션 도구를 선택합니다.
참고: 기본적으로 자동 세분화가 활성화되어 대부분의 경우 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있습니다. - 자동 분할의 결과가 허용되지 않는 경우 수동 모드 (ROI 검색 비활성화됨)를 활성화하여 분할된 심근 및/또는 LV 공동의 모양을 구체화합니다.
- 모델링 도구에서 동적 PET 분석에 사용할 적절한 키네틱 모델을 선택합니다. 이 경우 그래픽 | Patlak은 각 심장 부문에 대한 포도당 흡수(MRGlu)의 대사율 계산을 위한 Patlak 플롯 분석을 가능하게 한다.
- 폴라맵 도구에서 표시된 하트 세그먼트의 정확한 수를 선택합니다. 이 경우 17개의 세그먼트를 선택합니다.
- 이제 피팅 버튼을 눌러 Patlak 해석의 피팅 절차를 수행합니다.
- 피팅 절차가끝나면 Ki 값의 표시된 극좌표 맵(즉, mL/[mL × min]으로 표시되는 선형 회귀의 기울기)을 관찰합니다.
- 표에 표시된 각 섹터에 대한Ki 값을 사용하여 식 (2)를 사용하여 MRGlu를 계산합니다.
MR글루 =(Ki × PGlu) / LC (2)
여기서 PGlu 는 혈장 포도당 농도 (mmol / L)의 혈액 샘플 파생 값이고 덩어리 상수 (LC)는 정상 포도당과 FDG 간의 흡수 차이를 보상하는 데 사용되는 경험적 계수입니다. 예를 들어, 다양한 실험 조건에서 집중 상수의 전형적인 값에 대해서는 Ng et al.22 를 참조하십시오.
참고: PET 분석을 시작하기 전에 PET 분석 소프트웨어 도구 내에서 PET 볼륨의 동적 시퀀스를 육안으로 검사하는 것이 좋습니다. 이것은 연구 중 시간 프레임 사이의 거시적 동물 움직임을 배제하는 데 필요합니다. 모션이 있는 경우 가능하면 분석 전에 적절한 이미지 등록(이 프로토콜의 범위를 벗어남)을 수행해야 합니다.
그림 4: PET 분석 소프트웨어의 방향 전환 도구. 3D 공간에서 두 개의 단순 선 세그먼트의 투영은 세 개의 표준 평면(횡축, 관상 및 시상) 각각에 표시됩니다. 첫 번째 세그먼트는 사용자가 심장 기저부와 정점을 선택할 수 있도록 하고 두 번째 세그먼트는 심장의 왼쪽과 오른쪽을 선택할 수 있도록 합니다. 이 단계를 수행하면 표준 AHA 표현에 따라 심장의 방향이 변경된 새로운(보간된) PET 이미지(맨 아래 줄)가 생성됩니다. 이미지는 체중이 51g이고 10MBq의 [18F]FDG를 주사한 건강한 성인 남성 CD-1 마우스로부터 카리마스로 획득하였다. 약어 : PET = 양전자 방출 단층 촬영; AHA = 미국 심장 협회; FDG = 플루오로 데 옥시 글루코오스. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
10. 시네 CT 심장 분석
알림: 이 섹션에서는 Cine-CT 심장 영상의 정량 분석을 수행하여 심장 기능의 글로벌 정량 데이터를 수집하는 방법을 보여줍니다. 분석은 Osirix MD 소프트웨어를 기반으로 합니다. 아래 지침은 Osirix 사용 설명서24를 대체하기 위한 것이 아닙니다.
- 소프트웨어에 Cine-CT 스캔의 DICOM 이미지를 로드합니다.
- 내장된 4D 뷰어로 동적 데이터세트를 엽니다.
- 3D MPR(다중 평면 개혁) 도구를 사용하여 짧은 축을 따라 이미지 데이터의 방향을 변경합니다(그림 5).
- 방향이 변경된 데이터를 DICOM으로 내보내 전체 4D 데이터를 슬라이스 두께(원본과 동일) 및 이미지 비트 심도(복셀당 16비트)로 내보냅니다.
- 4D 뷰어를 사용하여 내보낸 4D MPR 이미지를 엽니다.
- 이완기 종료에 해당하는 기간을 선택하십시오. 기본 도구 모음의 시간 슬라이더로 모든 시간 프레임을 탐색하여 올바른 심장 단계가 선택되었는지 확인합니다.
- 이 시간 프레임에서 닫힌 다각형 주석 도구를 선택하고 LV의 심내벽을 수동으로 묘사합니다.
- 베이스에서 정점까지 10-20개의 슬라이스에 대해 동일한 작업을 수행하여 모든 ROI가 동일한 이름(예: LVENDO)을 갖도록 합니다.
- ROI 메뉴에서 ROI 볼륨 | 누락된 ROI를 생성하여 수동으로 그린 ROI를 보간하여 모든 단축 슬라이스에서 ROI를 생성합니다.
- ROI 메뉴에서 ROI 볼륨 | 볼륨 계산 - ROI 이름이 동일한 ROI 그룹의 볼륨을 계산합니다.
- 시간 프레임을 탐색하고 수축기 말기(더 작은 LV 볼륨)에 해당하는 단계를 선택하고 위의 10.7-10.10단계를 반복합니다.
- 스트로크 부피(SV)와 배출률은 방정식 (3)과 (4)를 사용하여 계산합니다.
SV = EDV - ESV [mL] (3)
EF = 100 × SV/EDV [%] (4)
여기서 EDV는 이완기 말 부피이고 ESV는 수축기 말 부피입니다.
그림 5: 다중 평면 개혁 도구의 그래픽 인터페이스. 이 도구는 후속 기능 분석을 위해 Cine-CT 데이터의 방향을 변경하는 데 사용됩니다. 사용자는 심장의 단축 보기가 오른쪽에 표시되도록 화면 왼쪽의 참조 축을 회전하고 변환해야 합니다. 이 절차의 끝에서 사용자는 방향이 변경된 이미지를 DICOM 파일 세트로 내보낼 수 있습니다. 이미지는 Osirix MD로 얻었으며 건강한 성인 남성 Wistar 쥐 (507g)에게 2mL의 iomeprol, 200mg / mL를 5 분 동안 0.4mL / 분의 속도로 주사하고 복셀 크기가 0.24mm3 인 필터링 된 백 프로젝션으로 재구성했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Representative Results
이 섹션에서는 지금까지 설명한 절차에 따라 PET 및 CT 분석 모두에 대한 일반적인 결과를 보여줍니다. 도 6 은 대조군(건강한) CD-1 마우스의 [18F]FDG PET 스캔의 자동 심근 및 LV 캐비티 분할의 결과를 나타낸다. 재구성된 이미지에서 우심실이 항상 보이는 것은 아니지만, 미국 심장 협회(AHA) 권장 사항에 따라 표준 섹터를 신뢰할 수 있는 식별에 필요한 대로 DICOM 헤더를 기반으로 하는 배향 축을 사용하여 심실 중격을 다른 LV 벽과 올바르게 구별할 수 있습니다.25 . 심근 허혈의 경우, 추적자 흡수의 국소 감소는 심근 활력 상실의 전형적인 징후로 나타난다. 이는 PET 이미지에서 시각화되기 위해 상이한 추적자(예를 들어, [13N]NH3 또는 [15O]H2O)를 필요로 하는 감소된 관류와 반드시 상관관계가 있는 것은 아니다. 건강한 피험자에서도 정점 주변의 더 낮은 재구성 값이 PET에서 일반적으로 관찰됩니다 ( 그림 6 참조). 이것은 예를 들어 왼쪽 벽이나 중격과 비교하여 정점에서 (일반적으로) 더 얇은 심근 두께로 인해 더 뚜렷한 부분 부피 인공물에서 발생할 수 있습니다.
그림 6: PET 분석 소프트웨어의 자동 분할 결과. 이미지는 Carimas 소프트웨어의 Heart 플러그인으로 얻었습니다. 세분화는 AHA 지침에 따라 표준 방향 변경 후에 수행되었습니다. 표시된 이미지는 체중이 51g이고 심장 게이팅이 없는 10MBq의 [18F]FDG를 주사한 건강한 성인 남성 CD-4 마우스(그림 4와 동일)를 참조하고 60분 PET 스캔의 마지막 15분을 합산합니다. 이미지는 복셀 크기가 0.85mm3인 반복 3D-OSEM 알고리즘으로 재구성되었습니다. 약어 : PET = 양전자 방출 단층 촬영; AHA = 미국 심장 협회; FDG = 플루오로 데 옥시 글루코오스. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 7에는 Patlak 그래픽 분석을 통해 얻어진 지역 Ki의 일 예가 도18에 도시되어 있다(좌측 상단). 하단의 프레임에는 Patlak 산점도와 해당 선형 회귀 분석 결과가 표시됩니다. 산점도의 각 점은 주입 시간t0 = 0에서 시간 t까지의 플라즈마 활동 농도의 시간 적분에 대해 플롯된 주어진 시간 t(방사성 붕괴 보정 후), CT(t)/CP(t)에서의 조직 활동 농도와 혈장 활동 농도 사이의 비율을 나타냅니다. 그림 7의 오른쪽 상단 프레임에 있는 표는 각 세그먼트에 대해 수행된 선형 피팅의 기울기(Ki) 및 절편(Ic) 값과 해당 결정 계수(R2)를 보여줍니다.
심장 PET에 관한 한, 프로토콜의 나쁜 실행의 징후는 다음을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다: (i) 심근으로부터의 추적자 흡수가 낮거나 부재하며, 이는 전형적으로 혈관외 주사와 같은 추적자 주사 동안 문제가 발생했다는 징후임; (ii) PET 스캔 동안 동물 온도가 너무 낮고(예를 들어, 35°C 미만) 따라서, 변경된 추적자 흡수가 발생하는 경우 이전 시점에서와 유사한 문제; (iii) 너무 낮거나 비자발적 인 마취 수준으로 인한 명백한 이미지 흐림.
그림 7: Patlak 그래픽 분석 결과. 이미지는 Carimas 소프트웨어의 Heart 플러그인으로 얻었습니다. 왼쪽 상단: Patlak 분석의 결과로 LV의 지역 Ki의 파라메트릭 극좌표 지도. 오른쪽 상단 : 각 심근 세그먼트에대한 Ki 및 I C의 평균값과 각 선형 피팅 (R2)의 결정 계수. 아래쪽: 선택한 심근 세그먼트(이 예에서는 세그먼트 1)에 대한 y(t) 대 x(t)의 산점도(자세한 내용은 텍스트 참조). 이 결과는 도 4 및 도 6에 도시된 심근 PET 이미지를 참조한다(체중이 51g이고 [18F]FDG의 10MBq를 주사한 건강한 성인 남성 CD-1 마우스). 약어 : PET = 양전자 방출 단층 촬영; FDG = 플루오로 데 옥시 글루코오스. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8 : 쥐의 LV의 수동 분할의 예. 이미지는 그림 5에 도시된 것과 동일한 동물을 참조하며 Osirix MD로 획득되었습니다. 이완기 말기 및 수축기 말기에서 LV의 체적 분석 결과가 하단에 표시됩니다. 이들 결과로부터, EF 및 SV는 수학식 3 및 수학식 4에 따라 계산된다. 약어 : EF = 박출률; SV = 스트로크 볼륨; ROI = 관심 영역; LV = 좌심실. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: Cine-CT 이미지의 볼륨 렌더링. 이미지는 그림 5 및 그림 8에 표시된 동일한 쥐를 나타냅니다 (체중이 507g이고 2mL의 iomeprol, 200mg / mL를 5 분 동안 24mL / h의 속도로 주사하고 복셀 크기가 0.24mm3 인 FBP로 재구성). 약어 : RA = 우심방; LA = 좌심방; LV = 좌심실; RV = 우심실; CT = 컴퓨터 단층 촬영; FBP = 필터링된 역투영. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 8 및 도 9는 건강한 쥐에 대한 Cine-CT 심장 분석의 대표적인 결과를 다룬다. 특히, 그림 8에서는 이완기 말기 및 수축기 말기 단계에 대해 LV의 다양한 모양과 크기가 두 단계에서 분할 된 LV 부피의 3D 재구성과 함께 표시됩니다. 이 예에서, 식 3 및 4에 따른 부피의 계산은 EDV = 0.361 mL 및 ESV = 0.038 mL를 초래하였으며, 이는 SV = 0.323 mL의 스트로크 부피 및 박출률 EF = 89.4%에 상응한다. 이것은 문헌에서 유사한 프로토콜에 대해보고 된 결과와 일치하며, 70 % -90 % 26 범위의 쥐의 정상 EF를 보여줍니다. 경색된 심장은 병변 중증도 및 무운동성 심근의 확장에 따라 50%-70% 이하의 범위에서 EF 감소로 이어질 수 있습니다.
Cine-CT 영상에 대해 실험의 잘못된 실행의 다음과 같은 징후가 발생할 수 있습니다 : (i) 심장 챔버 / 혈관과 심근 사이의 이미지 대비가 감소하거나 부재; 이 경우 조영제 주입에 문제가 발생했을 가능성이 있습니다. (ii) 심근벽의 흐릿한 윤곽; 이 경우 재구성에 문제가 발생했는데, 이는 아마도 고유 게이팅 신호에서 심장 및 호흡 피크를 잘못 식별하여 주파수 대역의 잘못된 선택(그림 3) 및/또는 게이팅 신호 ROI의 잘못된 선택(그림 2)에 따라 달라질 수 있습니다. (iii) 너무 낮거나 비자발적 인 마취 수준으로 인한 명백한 동작 인공물.
도 9에서, 동일한 쥐 심장의 부피 렌더링이 이완기 말기 및 수축기 말기 모두에 대해 도시되어 있다. 이러한 유형의 시각화는 요오드가 강화 된 챔버와 혈관 만 묘사 할 수 있으므로 그 가치는 정량적 인 것보다 질적입니다. 그럼에도 불구하고, 경색 된 쥐에서 발생하는 것과 같은 심근 벽의 운동 성 감소는 이완기 말기와 수축기 말기 사이의 덜 분명한 차이가있는 체적 이미지를 생성 할 것이다.
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Discussion
이 논문에 제시된 프로토콜은 고해상도 PET/CT 영상을 사용하여 심장 손상의 작은 동물 모델에 대한 중개 심혈관 연구를 위한 일반적인 실험 절차에 중점을 둡니다. 제시된 결과는 PET 및 Cine-CT 이미지의 높은 양적 및 질적 가치를 나타내며 포도당 대사, 모양 및 수축 역학에 관한 전체 심장의 기능적 및 구조적 정보를 제공합니다. 또한 얻은 모든 이미지는 3D, 시간 해상도 및 현재 등방성 픽셀 간격입니다. 이는 심장의 표준 축을 따라 특정 슬라이스 방향을 선택하기 위해 사전 스캔 연산자 종속 작업이 필요하지 않기 때문에 이미지 처리 관점에서 유용합니다.
이 논문은 동적 PET 데이터(18)의 Patlak 그래픽 분석에 기초한 프로토콜을 포함한다. 이러한 유형의 분석은 조직으로부터의 비가역적 추적자 흡수를 설명하는데 유용하며, 이는 탈인산화 또는 대사산물의 효과가 일반적으로 심근(19)에서 무시할 수 있는 [18F]FDG의 경우에 양호한 근사치이다. 이 근사 내에서 부패 보정 조직 활동 농도 CT (t)와 붕괴 보정 혈장 활동 농도 CP (t) 사이의 비율은 다음 식 5에 의해 근사 될 수 있습니다.
(5)
이는 경험적으로 결정되어야하는 특정 시작 시간 t * 후에 시간 t를 유지합니다. 상기 식에서, 상수 Ki는 혈액으로부터 조직으로의 순 유입 속도를 나타내는 반면,IC 는 가역적 구획 (즉, 혈장) 내의 추적자의 혈액량 분율 및 분포 부피를 수반하는 상수이다. 이 공식의 보다 상세한 수학적 유도는 다른 곳에서 찾을 수 있다20. 혈장 및 조직 모두의 시간 활동 곡선(TAC)이 이용가능하다면(예를 들어, 동적 PET 스캔 및/또는 혈장 샘플링으로부터), 2D 산점도는 플로팅 
에 의해 그리고 
각 프레임 시간 t에 대해 생성될 수 있어서, Ki 및 IC 는 단순 선형 회귀에 의해 산점도의 기울기 및 절편으로서 용이하게 결정될 수 있고, 선형성이 관찰되는 시점 t > t*로 제한됩니다. 연장 된 마취가 심근21의 대사 속도에 영향을 줄 수 있다는 것을 강조해야합니다. 이러한 이유로 모든 관련 생리적 매개 변수의 주제 간 변형이 최소한으로 유지되도록 프로토콜을 표준화하는 것이 매우 중요합니다. Carimas에서 구현 된 프로토콜에 설명 된 절차는 심근의 지역 Patlak 그래픽 분석을 허용합니다. 우리는 LV 캐비티에서 전혈의 활동 농도를 혈장 입력함수 CP (t)의 근사치로 사용했습니다.
일부 PET 스캐너는 공간 분해능 및/또는 감도가 낮아 측정의 시간 활동 곡선(TAC), 특히 입력 함수(IF)로 사용되는 플라즈마 스캐너에서 더 큰 ROI와 일관된 부분 부피/스필오버 오류를 사용할 수 있습니다. 이 경우, 분석 프로토콜은 주사 후 초기 단계의 이미지 값과 후기 단계(>20분)의 혈액 샘플 활동 농도(프로토콜 단계 6.8 참조)를 기반으로 하이브리드 IF를 생성하여 수정할 수 있습니다. 하이브리드 IF의 보정 된 점은 Shoghi et al.23에 표시된 것처럼 보간법에 의해 계산 될 수 있습니다. Carimas 내에서 각 심근 세그먼트의 원시 TAC를 내보내고 동맥 TAC를 수정한 다음 다시 로드하여 수정된 곡선에서 직접 Patlak 분석을 수행할 수 있습니다. 필요한 작업의 복잡성으로 인해이 프로토콜에 설명 된 사례에서 얻은 결과가 대부분의 응용 분야에서 우수한 수준의 재현성을 갖기 때문에이를 수행하기위한 특정 프로토콜 작업을 제공하지 않았습니다.
제시된 프로토콜의 가능한 적용은 심근 경색의 작은 동물 모델입니다. 이러한 특정 영상 연구 분야에 대한 제한을 피하기 위해 MI 또는 다른 유형의 심혈관 질환 유도에 대한 특정 프로토콜 지침을 추가하지 않았습니다. 상세한 수술 절차는 문헌12,13의 다른 곳에서 찾을 수 있으며, 국소 관류 결함 및 허혈 유발 혈관 신생4 모두에 대한 보완 정보를 묘사하는 것을 목표로 우리 그룹에 성공적으로 적용되었습니다. 그럼에도 불구하고, 본 논문에 제시된 PET/CT 영상 프로토콜은 대사 질환(27), 요법 및/또는 상이한 식이요법에 대한 반응(28) 및 방사선-유발된 상해29를 포함하되 이에 국한되지 않는 심장 대사, 기능 및/또는 형태학이 우려될 때 다양한 연구 설계에 유용할 수 있다. 더욱이, 이러한 유형의 조사는 글로벌 및 지역 심장 기능 및 형태와 관련하여 심장 리모델링 및 신생혈관을 모니터링하기 위한 새로운 분자 프로브를 검증할 때 유용할 수 있습니다4.
여기에서는 [18F]FDG를 통한 심근 국소 포도당 흡수의 정량화에 초점을 맞춘 전형적인 PET 이미지 획득 및 분석에 대해 논의했습니다. 예를 들어, 심근 경색 영상화의 경우, 이것은 관류에 대한 보완적인 정보로서 심근 생존성(26)을 측정하는데 유용하고 널리 채택되며, 이는 대신 상이한 추적자를 필요로 한다. 또한 [18F]FDG는 PET 이미징에서 가장 널리 사용되는 추적자이므로 적용 가능성을 높이기 위해 이 프로토콜을 이 추적기에 맞게 조정하기로 결정했습니다. 분석 워크플로우에 대한 경미한 수정으로, 동일한 절차가 예를 들어, 혈류 추적자(30)로서 [13N]NH3 또는 [15O]H2O를 사용하는 국소 심근 혈류(MBF)를 정량화하는데 사용될 수 있다.
이러한 경우, PET 획득 프로토콜은 18F(T 1/2 = 109.8 분)에 대해 13N (T 1/2 = 9.97 분) 및 15O (T1/2 =2.04 분)의 상이한 방사성 핵종 붕괴 시간을 고려하여 약간의 변경이 필요하다. 또한 PET 분석을 위해 대부분의 정량적 이미지 처리 소프트웨어에서 일반적으로 사용할 수 있는 이 백서에 제시된 모델 대신 적절한 운동 모델을 사용해야 합니다. 이러한 점 외에도이 프로토콜에 제시된 실험 절차는 주로 작은 동물의 심장에 초점을 맞춘 다른 유형의 실험 조사에 적합합니다. 이 프로토콜은 마우스 모델의 심장 영상을 위해 특별히 설계되었지만 쥐와 함께 작업하는 것은 주로 동물의 크기가 더 크기 때문에 (~ 10 배 더 무거운) 실제 프로토콜에 대한 일부 수정을 의미 할 수 있습니다. 그러나, 단순화를 위해 래트 영상화에 필요한 수정을 나타내기 위해 추가의 정보가 프로토콜에 추가되었다.
제시된 프로토콜의 장점은 PET 연구가 게이팅없이 안정적으로 수행 될 수 있고 CT 연구가 본질적인 (센서리스) 후 향적 게이팅을 사용하기 때문에 동물에 ECG 프로브를 사용할 필요가 없다는 것입니다. 내장 게이팅 소프트웨어의 기반에 있는 알고리즘은 Dinkel et al.31의 작업을 기반으로 합니다. 이 방법은 ECG 기반 (외인성) 심장 게이팅과 매우 높은 일치를 나타내며 기계적 및 전기적 사건의 해리로 인한 부정맥의 경우 잠재적으로 더 나을 수도 있습니다31. 본질적인 게이팅이 완전히 자동화된 워크플로우(32)에서 구현될 수 있지만, 이 프로토콜은 IRIS CT 스캐너에서 구현된 상호작용성 방법에 기초하여, 파라미터들의 선택에 있어서 더 많은 유연성을 제공한다. 논의 된 바와 같이, 마우스 대신 쥐를 사용할 때, 주로 주사 된 용량, 큰 동물을 사용할 때 감쇠 보정 (CTAC) 스캔의 필요성 및 CT 조영제 유형 간의 일부 차이와 관련하여 절차의 약간의 적응이 필요합니다. 이 마지막 요점과 관련하여 쥐에 대한 요오드가 풍부한 수중유 지질 에멀젼의 사용은 작은 동물 CA 공급 업체의 기술 노트에도보고됩니다. 상대적으로 많은 주사량, 상대적으로 높은 비용 및 이러한 특수 조영제의 덜 널리 보급 된 가용성으로 인해 임상 환경에서 광범위하게 적용 할 수있는 iomeprol과 같은 일반적으로 사용 가능한 혈관 조영제를 기반으로 한 프로토콜의 수정본을 제시했습니다. 이러한 표준 혈관 제제의 매우 빠른 제거로 인해이 경우 느린 연속 주입을 허용하는 전동 주입 펌프가 필요합니다.
방법의 한계
제시된 PET/CT 프로토콜의 적용 가능성은 구조, 기능 및 대사에 대한 컨텍스트 정보가 분자 프로브의 선택에 대해 동일한 감도와 유연성을 가진 다른 기술로 달성될 수 없음에도 불구하고 일반적으로 다른 기술(주로 미국 심초음파)보다 덜 광범위하고 비용이 많이 드는 기기의 가용성에 의존합니다. 그러나 이 방법론으로 전체 준비/획득/분석 워크플로우를 성공적으로 완료하려면 생물학자, 수의사, 화학자, 물리학자 및 생명공학자를 포함한 여러 전문 인물 간의 강력한 협력이 필요합니다. 이는 비표준 PET 추적자를 사용하는 경우 더욱 사실이며, 이는 방사선 합성 및 수학적 모델링뿐만 아니라 정확하고 신뢰할 수있는 정량화를위한 분석 소프트웨어의 적응을 의미합니다33,34,35.
프로토콜 섹션 9에서는 이미지 파생 입력 함수(IDIF)를 사용하여 매우 간단한 정량화 절차를 설명했으며, 후기 프레임에 대해 IDIF와 혈액 샘플 파생 IF를 사용하는 혼합 접근 방식이 더 나은 결과를 제공할 수 있음을 지적했습니다. 꼬리에서 채취 한 전체 (정맥) 혈액에서 측정 한 활성을 사용하는 것은 [18F] FDG에서 신뢰할 수있는 근사치로 간주되지만 다른 추적자36,37의 경우 대사 산물의 활성에 대한 추가 수정이 필요합니다. 전체 프로토콜의 가장 중요한 점 중 하나는 정맥 캐뉼러로, PET 스캔을위한 방사성 추적자와 CT 스캔을위한 요오드화 조영제를 모두 주입하기위한 정맥 접근을 제공합니다. 이 중요한 단계를 성공적으로 수행하지 못하면 순환 PET 추적기 또는 CT CA의 유효 양이 필요한 것보다 적을 수 있으므로 쓸모없는 이미지가 생성됩니다. 신뢰할 수 있는 결과를 제공하기 위해 꼬리 정맥 주사에 대한 특정 교육을 받은 전문 인력이 이 절차에 참여해야 합니다.
동적 심장 영상을위한 CT의 단점은 초음파를 사용한 3D 심장 영상이 정확한 결과를 얻기 위해 프로브 및 후속 이미지 등록을위한 전동 변환 단계를 사용해야하지만 미국 및 MRI에 비해 상대적으로 낮은 시간 해상도입니다. 재구성 된 이미지에서 혈액과 심근의 올바른 구별을 위해 일관된 양의 CA를 주입해야 할 필요성은 방법론의 본질적으로 낮은 민감도로 인해 주요 관심사 중 하나입니다. 이 프로토콜에서는 CT 연구를 위한 CA 주입량을 마우스에서 0.5mL, 쥐에서 2mL로 제한했으며, 마우스에서 10mL/h로 3분, 쥐에서 24mL/h로 5분 동안 연속 주입을 사용했습니다. 우리는 이러한 주사 속도와 부피가 동물에 의해 잘 견디는 것을 관찰했습니다. 여기에 설명된 양은 문헌에서 발견되는 동등한 프로토콜과 일치하거나 더 작습니다.
Nahrendorf et al.은 쥐 심근 경색의 묘사를 위한 Cine-CT 프로토콜을 설명했으며, 여기에는 0.2mL의 수중유 지질 에멀젼 혈액 풀 CA의 기저(사전 스캔) 볼루스 주사 후 1mL/h로 1시간38분 동안 이오메프롤을 연속 주사하는 것이 포함됩니다. Badea et al. Isovue 370 (iopamidol)의 1 시간 주입과 Fenestra VC (수중유 지질 에멀젼)의 체중 0.5mL / 25g의 볼 루스 주사를 기반으로 한 유사한 심장 Cine-CT 프로토콜을 비교하여 두 번째 경우39에서 이미지 대비 측면에서 더 나은 결과를 발견했습니다. Fenestra VC 조영제의 동일한 제조업체는 micro-CT 40을 사용한 혈관 영상에 체중0.4mL/20g의 권장 주사량을 보고했습니다. 그러나 eXIA 160 XL, MVivo Au, Aurovist 15 nm 또는 Exitron nano 12000과 같은 고밀도의 새로운 CA는 최근 전임상 시장에 진입했으며 심장 마이크로 CT 프로토콜에서 주입량을 줄일 수있는 잠재력을 가지고 있습니다. Nebuloni et al. 그러한 CA의 광범위한 특성화를 수행했습니다41. 게이트 CT의 방사선량은 종단 연구의 또 다른 일반적인 관심사입니다. 이 경우, 기술된 Cine-CT 프로토콜에 대한 최대 투여량은 당사의 CT 스캐너(42)의 이전 선량 측정에 기초하여 추정된 바와 같이, 마우스와 래트 모두에 대해 200mGy 미만이다. 이는 5D 심장 CT 스캔에 대한 문헌에서보고 된 선량보다 약38,39 배 낮고 30Gy 6으로 추정되는 작은 동물의 전신 조사에 대한 평균 치사량보다43 배 낮습니다.
다양한 계측 및 소프트웨어에 대한 프로토콜의 적용 가능성
이 프로토콜에 제시된 특정 지침은 불가피하게 특정 PET/CT 단층 촬영기에 맞게 조정되지만 여기에 제시된 이미징 작업은 다른 이미징 시스템에 맞게 조정할 수 있습니다. 이 프로토콜의 PET 섹션과 관련하여 소형 동물 연구를 위해 설계된 모든 최첨단 PET 또는 PET/CT 시스템에는 프로토콜을 수행하는 데 적합한 성능 요구 사항(공간 및 시간 해상도 측면에서)이 있습니다. 심장 CT에 관한 한, 프로토콜은 사용되는 특정 심폐 게이팅 시스템(예: 외인성 또는 내인성)에 따라 변경될 수 있습니다. 독자는 현재 PET, CT 또는 PET/CT 시스템의 기능44,45,46에 대한 철저한 논의를 위해 최근 리뷰 기사 및 책 장을 참조할 수 있습니다. 참고로, 이 백서에 제시된 CT 및 PET 프로토콜은 사용 중인 단층 촬영 기기의 기능과 특성에 따라 독립적으로 수행할 수 있습니다. 따라서 우리는 제시된 절차가 작은 동물에 대한 심장 PET / CT 연구를 처음으로 수행하는 데 관심이있는 모든 실무자에게 유용한 참고 자료를 제공 할 수 있다고 믿습니다.
자신의 PET/CT 단층 촬영기의 일반적인 프로토콜 설정에 충분한 기술을 가진 모든 사용자는 실험실에서 동등한 결과를 얻기 위해 제시된 방법에 필요한 적응을 구현할 수 있어야 합니다. 이미지 분석 전용 섹션에 동일한 인수를 사용할 수 있습니다. 심장 PET 및 심장 CT 분석에 사용할 수 있는 모든 소프트웨어 패키지의 전체 목록은 이 문서의 목적을 벗어납니다. 그러나 다른 많은 유사한 소프트웨어 패키지는 극지 지도 생성 및 지역 추적자 역학 분석에 유사한 방법론을 사용합니다. 독자는 PET 정량화 작업에 대한 Wang et al.47 및 참조 및 4D CT 정량화에 대한 관련 연구 기사 48,49,50을 참조할 수 있습니다. 이 경우 심장 PET 및 CT 이미지의 정량 분석을 위해 각각 Carimas 51,52,53,54 및 OsiriX55,56,57,58에 이 프로토콜을 집중하기로 결정했습니다. 이러한 도구의 광범위한 사용으로 인해 우리는 이 선택이 일부 PET 및 CT 스캐너 제조업체에서 제공하는 폐쇄형, 상업용 및 스캐너별 분석 도구에 초점을 맞춘 논의와 비교하여 제시된 방법의 구현 및 적용에 대한 연구 커뮤니티의 관심을 높이는 데 도움이 될 수 있다고 믿습니다.
정량적 이미지 분석 프로토콜의 수정
여기에 표시된 예제 결과는 간단한 정량 분석 작업의 간단한 결과일 뿐이며, 이는 심장 손상의 작은 동물 모델에 초점을 맞춘 중개 심혈관 연구 실험에서 가장 실용적인 목적에 충분하다고 간주될 수 있습니다. 그러나 이 백서에 설명된 수집/재구성 프로토콜에서 생성된 DICOM 이미지에서 시작하여 더 많은 분석 옵션이 가능합니다. 예를 들어, 동적 [18F]FDG-PET 데이터 59,60,61의 Patlak 그래픽 분석 대신 다른 구획 모델을 적용하는 데 관심이있을 수 있습니다. 더욱이, 이 프로토콜에 도시된 4D Cine-CT 이미지에 기초한 심장 기능의 분석은 전체 LV에 대해서만 전역적이었으나, 몇몇 상이한 (주로 상업용) 소프트웨어는 사용자가 동일한 이미지로부터 변형 분석 및 국소 벽 운동, 벽 두꺼움 및 지역 EF 분석을 수행할 수 있게 한다(49). 그럼에도 불구하고 여기에 표시된 예제가 보다 심층적인 후처리 및 정량적 작업을 위한 좋은 출발점을 나타낸다고 생각합니다.
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Disclosures
Daniele Panetta는 Inviscan Sas로부터 마이크로 CT 기기의 R&D에 대한 보조금을 받았습니다.
Acknowledgments
이 연구는 JPI-HDHL-INTIMIC "GUTMOM"프로젝트 : 자손의 모성 비만 및인지 기능 장애 : GUT MicrobiOMe의 인과 관계 역할 및 조기식이 예방 (프로젝트 번호. INTIMIC-085, 이탈리아 교육부, 대학 및 연구 법령 번호 946/2019).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 0.9% sterile saline | Fresenius Kabi | 0.9% sodium chloride for injection | |
| 1025L Physiological Monitoring | Small Animal Instruments | Physiological monitoring system for small animal imaging | |
| 5 mL syringes | Artsana | Syringes with needle for injection of PET tracer | |
| Atomlab 500 | Else Nuclear | PET Dose calibrator | |
| Atrium software | Inviscan | Version 1.5.5 | PET/CT operating software |
| Butterfly catheters | Delta Med | 27.5 G needle | |
| Carimas software | Turku PET Center | Version 2.10 | Image analysis software |
| Fenestra VC | Medilumine | Lipid emulsion iodinated contrast agent for small animals | |
| Heat lamp | Heat lamp with clamp and switch | ||
| Insulin syringes | Artsana | Syringes with needle for injection of CT CA | |
| Iomeron 400 mgI/mL | Bracco | Iomeprol, vascular contrast agent | |
| IRIS PET/CT | Inviscan | PET/CT scanner for small animals | |
| Isoflurane | Zoetis | Inhalation anesthetic, 250 mL | |
| OneTouch Glucometer | Johnson&Johnson Medical | Glucose meter kit | |
| Osirix MD software | Pixmeo | Version 11 | Image analysis software |
| Oxygen | Air liquide | Compressed gas | |
| Rectal probe for 1025L | Small Animal Instruments | Rectal probe with cable for SAII 1025L systems | |
| Respiratory sensor for 1025L | Small Animal Instruments | Respiratory pillow with tubings for SAII 1025L systems | |
| TJ-3A syringe pump | Longer | Motorized syringe pump for CT CA injection |
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