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심장 기능 시각화를 위한 SPECT 및 CT 이미징 결합
 
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심장 기능 시각화를 위한 SPECT 및 CT 이미징 결합

Overview

출처: Alycia G. Berman, 제임스 A. 샤버, 크레이그 J. 괴르겐,웰던 생물 의학 공학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, 인디애나

여기에서 우리는 마우스를 사용하여 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영 / 컴퓨터 단층 촬영 (SPECT/ CT) 이미징의 기초를 보여줍니다. 이 기술은 마우스에 방사성 핵종을 주입하고, 신체 전체에 분포된 후 동물을 이미징한 다음, 생성된 이미지를 재구성하여 체적 데이터 집합을 만드는 것을 포함합니다. 이 해부학에 대 한 정보를 제공할 수 있습니다., 생리학, 그리고 질병 진단을 개선 하 고 그것의 진행을 모니터링 하는 물질 대사.

수집된 데이터의 관점에서 SPECT/CT는 양전자 방출 단층 촬영(PET)/CT와 유사한 정보를 제공합니다. 그러나 PET는 반대 방향으로 방출되는 두 개의 감마 광자를 감지해야 하기 때문에 이 두 기술의 기본 원칙은 근본적으로 다릅니다. 대조적으로 SPECT 이미징은 감마 카메라를 통해 방사선을 직접 측정합니다. 그 결과 SPECT 이미징은 PET보다 공간 해상도가 낮습니다. 그러나 SPECT 방사성 동위원소를 더 쉽게 사용할 수 있기 때문에 비용이 적게 듭니다. SPECT/CT 이미징은 다양한 응용 분야에 유용할 수 있는 비침습적 대사 및 해부학 적 정보를 모두 제공합니다.

Principles

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SPECT/CT 이미징은 두 개의 별도 이미징 양식인 SPECT 및 CT를 활용하여 전반적인 진단 능력을 향상시키기 위해 기능및 해부학 정보를 모두 얻습니다. CT에서, 다중 2D 엑스레이 심상은 환자의 또는 동물의 해부학의 3D 모형을 만들기 위하여 수집됩니다. 이 CT 모델은 방사성 추적기를 사용하여 내부 장기 (즉, 뇌 또는 심근)의 기능적 평가를 제공하는 SPECT와 결합됩니다. CT와 마찬가지로 SPECT는 획득한 2D 이미지를 사용하여 3D 모델을 만듭니다. SPECT/CT는 해부학적 랜드마크와 초기 진단에 사용하거나 질병 진행을 특성화하는 기능성 평가를 제공합니다.

CT 이미징의 기초는 2D X 선 이미지의 모음입니다. 이미징 중에 X선은 소스에서 방출됩니다. 엑스레이가 환자를 통해 이동으로, 엑스레이의 몇몇은 흡수됩니다. 일반적으로 고밀도 재료는 저밀도 재료보다 더 많은 X 선을 흡수합니다. 그 때문에, 뼈는 연조직 보다는 더 많은 엑스레이를 흡수하는 경향이 있습니다. X선이 신체를 통과한 후, 나머지(흡수되지 않은) 엑스레이는 Hounsfield Units에서 X선의 강도를 결정할 수 있는 검출기에 의해 수집됩니다. 이렇게 하면 슬라이스라고 하는 2D 이미지가 생성됩니다. 그런 다음 X선 소스와 검출기가 지정된 각도로 회전하여 다른 슬라이스를 획득하도록 변환됩니다. 스캔이 진행됨에 따라 소스와 검출기가 더 많은 2D 슬라이스를 획득하여 회전하여 다양한 방향에서 투영 모음을 만듭니다(그림 1). 그런 다음 슬라이스를 재구성하여 3D 모델을 만듭니다.

Figure 1
그림 1: 완전한 2D 이미지를 만들기 위해 X선 소스 및 검출기의 단일 X선 프로젝션 및 b) 회전을 보여주는 다이어그램입니다. 그런 다음 전체 설정을 변환하여 볼륨 데이터를 만들 수 있습니다.

SPECT는 CT와 유사하게 작동하지만 X선 대신 감마선의 방출을 얻습니다. 이 핵 화상 진찰 기술에서는 방사성 추적자가 환자에게 주입됩니다. 시간이 지남에 따라 추적자가 감마선을 방출하여 부패합니다. 감마 카메라는 감마 방사선을 이미지하여 2D 이미지를 생성합니다. CT와 마찬가지로 카메라는 다양한 위치에서 2D 이미지를 수집합니다. 이미징 후 슬라이스를 재구성하여 3D 데이터 집합을 만듭니다. CT와 SPECT의 볼륨은 해부학 및 기능 평가를 모두 제공하기 위해 공동 등록됩니다.

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Procedure

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1. Vivo 이미징 설정에서

  1. 이미징 소프트웨어를 엽니다.
  2. 검사의 CT 부분을 설정하려면 소프트웨어에서 옵션을 선택하여 X선 튜브가 워밍업되도록 합니다. 시스템이 튜브를 가열하기 시작합니다.
  3. 마우스를 마취합니다. 마우스가 의식이 없는지 확인하려면 한쪽 다리를 확장하고 동물의 발을 꼬집습니다. 마우스가 철수 반사를 생성하지 않으면 동물이 충분히 마취됩니다.
  4. 방사성 핵종으로 마우스를 정맥으로 주입합니다. 일반적으로 사용되는 SPECT 방사성 핵종은 반감기로 인해 부분적으로 테크네튬999m(99mTc)입니다. 그러나 요오드-123(123I) 및 인듐-111(111In)을 포함하여 사용할 수 있는다른 많은 방사성 핵종도 있다.
  5. 기다림. 방사성 종종은 혈류를 통해 배포하고 부패를 시작하는 데 시간이 걸릴 것입니다. 필요한 시간의 양은 사용되는 방사성 종종 및 이미징 응용 프로그램에 의존한다. 심장 응용 프로그램의 경우 종양의 경우 대기 시간이 몇 시간에서 며칠이 걸릴 수 있는 반면 스캔은 거의 즉시 시작할 수 있습니다. 이미징의 타이밍에 따라 마우스는 절차 전체에 대해 마취 상태로 유지되거나 깨어 나서 이미징을 준비할 때 다시 마취될 수 있습니다.
  6. SPECT/CT 단계에 있는 마우스 침대에 마우스를 놓습니다. 침대에는 마취 가스, 히터 및 심전도 및 호흡을 모니터링하는 수단에 튜브가 장착되어 있어야합니다. 이미징 중에 작업자가 마우스를 직접 관찰할 수 없으므로 이미징(즉, 심박수 및 호흡)에서 생리적 파라미터를 모니터링하는 대체 수단이 필요합니다.

2. SPECT/CT 이미징

  1. 콜리메이터 내부에 침대(마우스 포함)를 이동합니다.
  2. 마우스의 단일 축 이미지를 획득합니다. 이 파일럿 이미지를 사용하여 보조 검사에 대한 관심 영역을 설정합니다.
  3. 수집된 이미지 수, 이미지당 시간, 스캔 모드(검출기 회전 경로), 이미지 정확도 향상 또는 이미징 속도 향상을 위한 스텝 모드를 포함하여 SPECT의 설정을 정의합니다.
  4. 검사의 CT 부분을 설정하려면 소프트웨어에서 옵션을 선택하여 X선 튜브가 워밍업되도록 합니다. 시스템이 튜브를 가열하기 시작합니다.
  5. 튜브 전류 및 전압, 회전 각도, 스캔 속도 및 각 회전 각도에서 촬영한 이미지 수와 같은 CT설정을 정의합니다.
  6. 데이터 수집을 시작합니다. 스캔을 완료하는 데 필요한 시간은 선택한 스캔 매개 변수에 따라 달라지지만 일반적으로 길이는 30-60분입니다.
  7. 콜리메이터에서 침대를 제거합니다.
  8. 침대에서 마우스를 제거하고 의식이 정상적으로 이동할 수있을 때까지 마우스를 계속 모니터링합니다.

3. SPECT/CT 재건

  1. 재구성은 일반적으로 기본 제공 소프트웨어를 사용하여 수행됩니다. CT 데이터와 SPECT 데이터는 내부 등록을 사용하여 별도로 재구성한 다음 결합할 수 있습니다.

결합 된 SPECT-CT 스캔은 동시에 관심의 특정 기관에 대한 해부학 적 및 기능 정보를 제공하기 위해 사용할 수 있습니다.

단일 광자 방출 컴퓨팅 단층 촬영 또는 SPECT 이미징은 감마 카메라를 통해 정맥 내 주입 된 방사성 종의 방사선을 직접 측정합니다. 이것은 기관의 단지 스냅샷보다는 생물학 활동의 비침범성 화상 진찰을 가능하게 합니다.

사양인 단층 촬영 또는 CT와 결합하면 SPECT-CT 이미징은 다양한 응용 분야에 유용할 수 있는 대사 데이터와 해부학 적 정보를 모두 제공합니다.

이 비디오는 결합된 SPECT-CT 이미징의 기본 원리를 설명하고 SPECT-CT 이미지를 획득, 재구성 및 분석하는 방법에 대한 간략한 개요를 제공합니다.

SPECT-CT 이미징은 두 개의 별도 이미징 양식인 SPECT 및 CT를 활용하여 기능 성 평가와 해부학 정보를 결합하여 전반적인 진단 능력을 향상시킵니다.

CT에서, 다중 2D 엑스레이 심상은 환자의 또는 동물의 해부학의 3D 모형을 만들기 위하여 수집됩니다. CT 이미징 중에 X선은 소스에서 방출됩니다. 엑스레이가 환자를 통해 이동할 때, 엑스레이의 몇몇은 흡수되고, 나머지는 환자를 통과합니다. 일반적으로 뼈와 같은 고밀도 물질은 연조직과 같은 저밀도 재료보다 더 많은 X선을 흡수합니다.

나머지, 비흡수X선은 Hounsfield 단위에 있는 비 흡수엑스레이의 강도를 결정하는 환자의 반대편에 놓인 검출기에 의해 집합됩니다. 이렇게 하면 슬라이스라고 하는 2D 이미지가 생성됩니다. X선 소스와 검출기는 환자 주위로 회전하여 2D 슬라이스 컬렉션을 획득합니다. 그런 다음 슬라이스를 재구성하여 3D 모델을 만듭니다.

CT 이미징과 유사하게 SPECT는 환자에게 주입되는 방사성 추적자로부터 방사선 방출을 획득하는 핵 이미징 기술입니다. 주입된 트레이서가 시간이 지남에 따라 부패하여 감마 카메라로 이미지된 감마선을 방출하여 2D 이미지를 만듭니다. CT와 마찬가지로 감마 카메라는 다양한 위치에서 2D 이미지를 수집하여 슬라이스를 생성하여 3D 모델로 재구성할 수 있습니다.

이 연구에서는 마우스의 SPECT-CT 이미징을 보여줍니다. 재구성된 마우스 CT 및 SPECT 이미지는 컬러 SPECTRACE 및 회색 스케일 CT 스캔에서 보여 주는 해부학 및 기능 평가를 모두 표시하는 이미지를 만들기 위해 오버레이됩니다.

이제 SPECT-CT 이미징의 기본 원리를 검토한 지금, 이제 프로토콜을 살펴보겠습니다.

먼저 시스템 소프트웨어를 엽니다. 그런 다음 소프트웨어에서 옵션을 선택하여 X선 튜브가 예열될 수 있도록 검사의 CT 부분을 설정합니다. 시스템이 튜브를 가열하기 시작합니다.

마취 유도 챔버에 마우스를 놓고 이소플루란을 사용하여 동물을 마취시화하십시오. 그런 다음 마우스를 코 콘이 장착된 벤치 탑으로 옮기습니다. 다음으로 발가락 핀치 기술을 사용하여 마우스가 무의식인지 확인합니다. 그런 다음 방사성 핵종 테크네튬-99m로 마취 마우스를 주입한다. 방사성 핵종혈류가 혈류에 분포되어 부패하기 시작할 때까지 기다립니다. 검사는 심장학 응용을 위해 거의 즉시 시작할 수 있습니다, 반면 이미지 종양에 대기 시간은 며칠에 몇 시간이 될 수 있습니다.

다음으로, 심전도 및 호흡 모니터링 센서가 장착된 SPECT-CT 단계 침대에 마우스를 놓습니다. 코 콘을 고정하고 마취의 흐름을 시작합니다. 마우스 침대 히터를 켜고 센서와 장치의 내부 카메라를 사용하여 마우스의 생리적 매개 변수를 모니터링합니다.

다음으로, 마우스 침대를 콜리마터 내부로 밀어 넣습니다. 그런 다음 SPECT 스캐닝 중에 상주할 때 동물 배치를 결정하는 참조로서 마우스의 단일 축 이미지를 획득한다. 이를 참조 이미지로 사용하여 파일럿 SPECT 검사에 대한 관심 영역을 설정합니다. 이 파일럿 검사는 사용자가 수집된 이미지 수, 이미지당 시간, 스캔 모드 또는 검출기 회전 경로, 향상된 이미지 정확도 또는 향상된 이미징 속도를 위한 스텝 모드를 포함하여 실험 SPECT 스캔의 설정을 정의하는 데 도움이 됩니다.

다음으로, 튜브 전류 및 전압, 회전 각도, 스캔 속도 및 각 회전 각도에서 촬영한 이미지 수와 같은 CT 스캔에 대한 매개 변수를 정의합니다. 마지막으로 시작 수집 버튼을 눌러 데이터 수집을 시작합니다. 스캔 기간은 스캔 매개 변수에 따라 다르지만 일반적으로 길이는 30~60분입니다.

스캔이 완료되면 콜리메이터에서 침대를 제거하고 침대에서 마우스를 제거합니다. 마우스가 의식이 있고 정상적으로 움직일 때까지 마우스를 모니터링합니다. 수집된 SPECT 및 CT 이미지는 이제 개별적으로 재구성되고 나중에 내장 소프트웨어를 사용하여 결합할 수 있습니다.

이제 SPECT-CT 이미징의 결과를 검토해 보겠습니다.

이 그림은 마우스에서 테크네튬-99m 베이스 트레이서를 사용하여 얻은 대표적인 결합 된 SPECT-CT 스캔을 보여줍니다. 결합된 SPECT-CT 스캔은 회색 음영으로 표시된 CT 데이터에 겹쳐진 그림에서 노란색에서 주황색으로 SPECT 데이터를 표시합니다.

SPECT 데이터 내에서, 생리 활성의 정도는 색상의 강도에 의해 입증된다. 따라서 노란색 영역은 주황색 영역이 더 큰 활동을 표시합니다.

이제 핵 의학 기술이 개선된 의료 진단을 위해 보다 정확한 이미징 데이터를 얻는 데 어떻게 사용되는지 살펴보겠습니다.

암 스크리닝에서 방사성 추적자는 종양에서 발견되는 특정 세포 표면 수용체를 선택적으로 표적으로 하는 데 사용됩니다. SPECT-CT 이미지에서 방사성 추적자를 섭취하면 종양의 존재가 있음을 나타냅니다.

통합 PET-MRI는 연조직과 대사 정보의 높은 대비를 모두 제공하기 때문에 질병을 진단하고 치료를 모니터링하는 데 사용되는 또 다른 하이브리드 이미징 기술입니다. 높은 대조의 지구는 방사선 표지 추적자의 uptake를 표시하고 암 검열에 있는 전이를 건의할 수 있습니다. 이 병합된 PET 및 MRI 이미지는 심장의 오른쪽 심실 유출 로에서 여러 과대사 폐 전이와 전이를 보여줍니다.

심근 경색을 위한 새로운 치료 전략의 효능을 측정하기 위해서는 급성 단계뿐만 아니라 장기적인 결과의 평가가 필요합니다. 정맥 내 조영제는 마우스 심혼의 순차적인 PET-MRI 화상 진찰을 위해 전달됩니다. MRI 절차는 일반적으로 30분이 걸리며 PET 스캔은 45분 동안 지속됩니다. 이것은 시간 과정이 알려지지 않을 수 있기 때문에 새로운 치료법을 평가하는 데 중요합니다. MRI의 강화된 지역은 비실행 가능한 조직을 나타내고 잠재적인 관상 동맥 막힘 또는 경색을 건의하는 감소된 FDG 섭취 부위에 대응합니다.

단층 촬영과 컴퓨터 단층 촬영 을 결합한 단일 광자 배출 단층 촬영에 대한 JoVE의 소개를 방금 시청했습니다. 이제 SPECT 및 CT 매개 변수를 설정하고 결합된 검사를 수행하고 이미지를 분석하는 방법을 알아야 합니다. 또한 핵 이미징이 생물 의학 응용 분야에서 어떻게 사용되는지 알아야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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쥐에서 99mTc 기반 추적자를 이용한 대표적인 결과는 도 2에서입증된다. SPECT/CT를 획득하면 CT 데이터(회색 음영으로 표시됨)에 오버레이된 SPECT 데이터(그림에 노란색/주황색 음영으로 표시됨)가 표시되어야 합니다. SPECT 모델 내에서, 생리 활성의 정도는 색상의 강도에 의해 입증된다. 따라서 노란색 영역은 주황색 영역보다 활동이 더 큽습니다. 그림의 SPECT 데이터는 30개의 1분 이미지를 수집하여 획득했습니다. 결과 해상도는 0.8 mm입니다.

Figure 2
그림 2: 심장 기능을 보여주는 대표적인 이미지. 왼쪽의 뷰는 전체 SPECT/CT 모델이며, 오른쪽의 세 뷰는 심장의 관상, 처진 및 횡단 평면의 확대된 이미지를 보여줍니다. 회색 음영은 CT의 음영이며 골격 구조를 나타내고 주황색 / 노란색 음영은 SPECT의 음영입니다. 활동 정도는 흰색이 검정보다 큰 색상의 강도에 의해 표시됩니다. 이미지 제공: 슈앙 리우 박사

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Applications and Summary

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SPECT/CT는 해부학 적 및 기능 정보를 제공하는 데 사용되었습니다. 일반적인 절차는 방사성 핵종의 주입을 관련시켰습니다, 화상 진찰, 그리고 데이터의 재건. 작은 동물 화상 진찰의 맥락에서 토론된 이 절차는 임상으로 행해지는 것과 유사합니다. 그러나, 작은 동물의 사용은 간과해서는 안 몇 가지 추가 기술적 뉘앙스를 추가합니다. 작은 동물 모델은 추측 할 수 있듯이 이미징에서 더 높은 해상도의 사용을 필요로합니다. 또한, 작은 동물은 더 빠른 화상 진찰을 요구하는 심박수 및 호흡 비율을 증가시켰습니다. 호흡과 심장 박동은 이미징 중에 동물의 움직임을 유발할 수 있으므로 정확한 데이터를 얻기가 어렵습니다. 이러한 잠재적인 문제를 보완하기 위해 심장 및 호흡 게이팅을 구현할 수 있습니다. 게이팅을 통해 기계는 동물의 심장 및 호흡 주기에 비해 특정 시간에 이미지를 얻을 수 있습니다. 예를 들면, 화상 진찰은 동물의 호흡 사이 그리고 그것의 심장 주기의 특정 부분에서 생깁니다. 이러한 수정은 작은 동물 모델의 향상된 이미징을 가능하게합니다.

작은 동물 모형의 SPECT/CT 화상 진찰을 위한 일반적인 절차는 입증되었습니다. 결과 데이터는 해부학의 맥락에서 증가 된 신진 대사의 영역을 보여, 따라서 더 나은 진단및 질병 특성을 가능하게.

SPECT/CT 이미징은 심장학, 종양학 및 염증을 포함한 다양한 분야에 걸친 널리 적용되는 기술입니다. 심장학의 영역에서 심근 관류 연구는 SPECT/CT를 사용하여 심장 근육을 통해 혈액이 얼마나 잘 흐르는지 보여 줌으로써 관상 동맥의 막힘을 진단합니다. 심근 관류 연구를 겪고 있는 환자는 심장 스트레스를 유도하기 위하여 운동할 것입니다. 환자는 그 때 바디를 통해 혈액 이동과 혼합하는 방사성 추적자로 주입될 것입니다. 혈액관상 동맥의 막힘으로 인해 심장의 특정 부위에 도달 할 수없는 경우 추적자도 마찬가지입니다. SPECT/CT 이미지는 운동 후, 그리고 나중에 환자가 휴식을 취한 후에 촬영됩니다. SPECT/CT 이미징 동안 혈액에 도달할 수 없는 영역은 잠재적인 관상 동맥 막힘 또는 경색을 나타내는 어두운 것으로 나타납니다.

종양학 및 염증과 같은 다른 응용 분야에서 방사성 추적자는 생물학적 분자를 선택적으로 표적으로 삼을 수 있습니다. 종양학의 경우 방사성 추적자는 종양에서 발견되는 특정 세포 표면 수용체를 대상으로합니다. 이어서, SPECT/CT 이미징 중 방사성 추적자의 섭취는 종양의 존재를 암시한다. 마지막으로, 염증의 경우 방사성 추적자는 정확한 해부학 적 위치를 제공하면서 감염이나 염증을 표적으로 할 수 있습니다. 이것은 뼈의 감염인 골수염의 정도를 진단할 때 귀중합니다. 요약하자면 SPECT/CT는 두 가지 기술을 결합하여 해부학 적 및 기능적 정보를 비침습적으로 제공하는 다목적 이미징 접근법입니다.

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