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Imagem combinada de SPECT e CT para visualizar funcionalidade cardíaca
 
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Imagem combinada de SPECT e CT para visualizar funcionalidade cardíaca

Overview

Fonte: Alycia G. Berman, James A. Schaber, e Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

Aqui demonstraremos os fundamentos da tomografia computadorizada/tomografia computadorizada de emissão de fótons únicos (SPECT/CT) usando camundongos. A técnica envolve injetar um radionuclídeo em um camundongo, fotografar o animal depois que ele é distribuído por todo o corpo e, em seguida, reconstruir as imagens produzidas para criar um conjunto de dados volumoso. Isso pode fornecer informações sobre anatomia, fisiologia e metabolismo para melhorar o diagnóstico da doença e monitorar sua progressão.

Em termos de dados coletados, o SPECT/CT fornece informações semelhantes à tomografia de emissão de pósitrons (PET)/CT. No entanto, os princípios subjacentes dessas duas técnicas são fundamentalmente diferentes, uma vez que o PET requer a detecção de dois fótons gama, que são emitidos em direções opostas. Em contraste, a imagem SPECT mede diretamente a radiação através de uma câmera gama. Como resultado, a imagem SPECT tem resolução espacial menor que a PET. No entanto, também é menos caro porque os isótopos radioativos SPECT estão mais facilmente disponíveis. A imagem SPECT/CT fornece informações metabólicas e anatômicas não invasivas que podem ser úteis para uma grande variedade de aplicações.

Principles

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A imagem SPECT/CT utiliza duas modalidades de imagem separadas, SPECT e CT, para obter informações funcionais e anatômicas para melhorar a capacidade de diagnóstico geral. Na tomografia computadorizada, várias imagens de raio-X 2D são coletadas para criar um modelo 3D da anatomia do paciente ou animal. Este modelo de tomografia é então acoplado ao SPECT, que usa rastreadores radioativos para fornecer uma avaliação funcional de um órgão interno (ou seja, o cérebro ou o miocárdio). Assim como a CT, a SPECT também usa imagens 2D adquiridas para criar um modelo 3D. Em conjunto, o SPECT/CT fornece marcos anatômicos e uma avaliação funcional que pode ser usada no diagnóstico inicial ou para caracterizar a progressão da doença.

A base da imagem de tomografia computadorizada é a coleta de imagens de raios-X 2D. Durante a imagem, os raios-X são emitidos de uma fonte. À medida que os raios-X se movem através do paciente, alguns dos raios-X são absorvidos. Em geral, materiais de maior densidade absorvem mais raios-X do que materiais de menor densidade. Por causa disso, o osso tende a absorver mais raios-X do que tecido mole. Após os raios-X passarem pelo corpo, os raios-X restantes (não absorvidos) são coletados por um detector que pode determinar a intensidade dos raios-X nas Unidades hounsfield. Isso produz uma imagem 2D chamada fatia. A fonte de raios-X e o detector são então girados para um ângulo designado e traduzidos para adquirir outra fatia. À medida que a varredura progride, a fonte e o detector continuam a girar adquirindo mais fatias 2D, criando uma coleção de projeções em várias orientações (Figura 1). As fatias são então reconstruídas para criar um modelo 3D.

Figure 1
Figura 1: Diagrama demonstrando a) produção de uma única projeção de raios-X e b) rotação de uma fonte de raios-X e detector para criar uma imagem 2D completa. Toda essa configuração pode ser traduzida para criar dados volumosos.

O SPECT funciona de forma semelhante à tomografia computadorizada, mas adquire a emissão de raios gama em vez de raios-X. Nesta técnica de imagem nuclear, um rastreador radioativo é injetado no paciente. Com o tempo, o rastreador se decompôs, emitindo raios gama. Uma câmera gama filma a radiação gama, criando uma imagem 2D. Semelhante ao CT, a câmera coleta imagens 2D em vários locais. Após a imagem, as fatias são reconstruídas, criando um conjunto de dados 3D. Os volumes de CT e SPECT são então co-registrados para fornecer avaliações anatômicas e funcionais.

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Procedure

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1. Configuração de imagem ao vivo

  1. Abra o software de imagem.
  2. Para configurar a parte ct da varredura, permita que o tubo de raio-X aqueça selecionando a opção no software. O sistema começará a aquecer o tubo.
  3. Anestesiar o rato. Para garantir que o rato esteja inconsciente, estenda uma perna e belisque a pata do animal. Se o rato não produzir um reflexo de abstinência, o animal é suficientemente anestesiado.
  4. Injete o mouse por via intravenosa com o radionuclídeo. Um radionuclídeo SPECT comumente usado é Technetium99m(99mTc), em parte devido à sua meia-vida. No entanto, há também muitos outros radionuclídeos disponíveis que podem ser usados, incluindo Iodo-123(123I) e Indium-111 (111In).
  5. Esperar. O radionuclídeo levará tempo para distribuir através da corrente sanguínea e começar a decomposição. O tempo necessário depende do radionuclídeo utilizado e da aplicação de imagem. Para aplicações cardíacas, os exames podem começar quase imediatamente, enquanto para tumores, o tempo de espera pode ser de várias horas a dias. Dependendo do tempo da imagem, o camundongo pode permanecer anestesiado durante toda a parte do procedimento ou pode acordar e, em seguida, ser re-anestesiado quando pronto para a imagem.
  6. Coloque o mouse na cama do mouse localizada no estágio SPECT/CT. A cama deve ser equipada com um tubo para gás anestésico, um aquecedor e um meio de monitoramento do ECG e respiração. Durante a imagem, o operador não poderá observar o camundongo diretamente, por isso é necessário ter meios alternativos para monitorar parâmetros fisiológicos durante a imagem (ou seja, frequência cardíaca e respiração).

2. Imagem SPECT/CT

  1. Mova a cama (contendo o mouse) dentro do collimador.
  2. Adquira uma única imagem axial do mouse. Usando esta imagem piloto, defina uma região de interesse para uma varredura secundária.
  3. Defina as configurações para SPECT, incluindo o número de imagens coletadas, o tempo por imagem, o modo de varredura (caminho de rotação do detector) e o modo de passo para maior precisão de imagem ou maior velocidade de imagem.
  4. Para configurar a parte ct da varredura, permita que o tubo de raio-X aqueça selecionando a opção no software. O sistema começará a aquecer o tubo.
  5. Defina a configuração para tomografia computadorizada, como a corrente do tubo e a tensão, o ângulo de rotação, a velocidade da varredura e o número de imagens tiradas em cada ângulo de rotação.
  6. Comece a aquisição de dados. O tempo necessário para concluir a varredura dependerá dos parâmetros de varredura selecionados, mas normalmente tem 30-60 min de comprimento.
  7. Remova a cama do collimador.
  8. Retire o mouse da cama e continue monitorando o mouse até que ele esteja consciente e capaz de se mover normalmente.

3. Reconstrução SPECT/CT

  1. A reconstrução é normalmente realizada usando software embutido. Os dados ct e os dados SPECT podem ser reconstruídos separadamente e, em seguida, combinados usando o registro interno.

A tomografia computadorizada combinada pode ser usada para fornecer simultaneamente informações anatômicas e funcionais sobre um determinado órgão de interesse.

A tomografia computadorizada de emissão de fótons único, ou imagem SPECT, mede diretamente a radiação de uma espécie radioativa injetada por via intravenosa através de uma câmera gama. Isso permite imagens não invasivas da atividade biológica, em vez de apenas um instantâneo do órgão.

Quando combinada com tomografia computadorizada ou tomografia computadorizada ou tomografia computadorizada, a imagem SPECT-CT fornece dados metabólicos e informações anatômicas que podem ser úteis para uma grande variedade de aplicações.

Este vídeo ilustrará os princípios básicos da imagem combinada de SPECT-CT e fornecerá uma breve visão geral de como as imagens SPECT-CT são adquiridas, reconstruídas e analisadas.

A imagem SPECT-CT utiliza duas modalidades de imagem separadas, SPECT e CT, para combinar tanto a avaliação funcional quanto as informações anatômicas para melhorar a capacidade de diagnóstico geral.

Na tomografia computadorizada, várias imagens de raio-X 2D são coletadas para criar um modelo 3D da anatomia do paciente ou animal. Durante a imagem da tomografia, os raios-X são emitidos a partir de uma fonte. À medida que os raios-X se movem através do paciente, alguns dos raios-X são absorvidos, e o restante passa pelo paciente. Em geral, materiais de maior densidade, como osso, absorvem mais raios-X do que materiais de menor densidade, como tecido mole.

Os raios-X não absorvidos restantes são coletados por um detector colocado do outro lado do paciente que determina a intensidade dos raios-X não absorvidos nas Unidades hounsfield. Isso produz uma imagem 2D chamada fatia. A fonte de raios-X e o detector são então girados em torno do paciente para adquirir uma coleção de fatias 2D. As fatias são então reconstruídas para criar um modelo 3D.

Análogo à imagem de tomografia computadorizada, o SPECT é uma técnica de imagem nuclear que adquire emissão de radiação de um rastreador radioativo que é injetado no paciente. O rastreador injetado decai ao longo do tempo, emitindo raios gama que é filmado por uma câmera gama para criar uma imagem 2D. Semelhante à CT, a câmera gama coleta imagens 2D em vários locais para gerar uma fatia, que pode ser reconstruída em um modelo 3D.

Neste estudo, mostramos a imagem SPECT-CT de um rato. As imagens de CT do mouse reconstruído e SPECT são sobrepostas para criar uma imagem que exibe avaliações anatômicas e funcionais, como mostrado pelo SPECTRACE colorido e pela tomografia computadorizada em escala de cinza.

Agora que revisamos os princípios básicos da imagem SPECT-CT, vamos agora olhar para o protocolo.

Primeiro, abra o software do sistema. Em seguida, configure a parte ct da varredura para permitir que o tubo de raio-X aqueça selecionando a opção no software. O sistema começará a aquecer o tubo.

Coloque o rato em uma câmara de indução de anestesia e anestesiar o animal usando isoflurano. Em seguida, transfira o mouse para um topo de bancada equipado com um cone de nariz. Em seguida, verifique se o rato está inconsciente usando a técnica de beliscar o dedo do dedo. Em seguida, injete o rato anestesiado com o radionuclídeo tecnécio-99m. Espere até que o radionuclídeo seja distribuído na corrente sanguínea e comece a se deteriorar. Os exames podem ser iniciados quase imediatamente para aplicações de cardiologia, enquanto o tempo de espera para os tumores de imagem pode ser de várias horas a dias.

Em seguida, coloque o mouse na cama de palco SPECT-CT que está equipada com sensores de monitoramento de ECG e respiração. Segure o cone do nariz e inicie o fluxo do anestésico. Ligue o aquecedor da cama do mouse e monitore os parâmetros fisiológicos do mouse usando os sensores e a câmera interna do dispositivo.

Em seguida, deslize a cama do rato dentro do collimador. Em seguida, adquira uma única imagem axial do mouse como referência para determinar a colocação animal, pois ele reside durante a varredura SPECT. Usando isso como uma imagem de referência, defina uma região de interesse para uma varredura SPECT piloto. Esta varredura piloto ajudará o usuário a definir as configurações para a varredura experimental SPECT, incluindo o número de imagens coletadas, o tempo por imagem, o modo de varredura ou o caminho de rotação do detector e o modo de passo para maior precisão de imagem ou maior velocidade de imagem.

Em seguida, defina os parâmetros para a tomografia computadorizada, como a corrente do tubo e a tensão, o ângulo de rotação, a velocidade da varredura e o número de imagens tiradas em cada ângulo de rotação. Finalmente, inicie a aquisição de dados pressionando o botão de aquisição inicial. A duração da varredura depende dos parâmetros de varredura, mas normalmente tem de 30 a 60 minutos de duração.

Uma vez que a varredura esteja completa, remova a cama do colisão e remova o mouse da cama. Monitore o mouse até que ele esteja consciente e possa se mover normalmente. As imagens SPECT e CT coletadas agora podem ser reconstruídas individualmente e posteriormente combinadas usando software embutido.

Vamos agora rever os resultados da imagem SPECT-CT.

Esta figura mostra uma varredura combinada de SPECT-CT representativa obtida usando um rastreador de base tecnécio-99m em um mouse. A varredura combinada SPECT-CT exibe os dados SPECT em tons de amarelo a laranja na figura sobreposta nos dados ct exibidos em tons de cinza.

Dentro dos dados SPECT, o grau de atividade fisiológica é demonstrado pela intensidade da cor. Assim, as áreas amarelas apresentam maior atividade do que as áreas de laranja.

Agora vamos ver como as técnicas de medicina nuclear são usadas para obter dados de imagem mais precisos para melhores diagnósticos médicos.

No rastreamento do câncer, um rastreador radioativo é usado para atingir seletivamente um receptor de superfície celular específico encontrado em tumores. A absorção do rastreador radioativo em uma imagem SPECT-CT indica a presença de um tumor.

O PET-MRI integrado é outra técnica híbrida de imagem usada para diagnosticar doenças e monitorar o tratamento, pois fornece tanto alto contraste de tecidos moles quanto informações metabólicas. Regiões de alto contraste indicam a absorção do rastreador radiolabeled e podem sugerir metástase no rastreamento do câncer. Estas imagens pet e ressonância magnética mescladas mostram múltiplas metástases pulmonares hipermetabólicas e uma metástase no trato de saída ventricular direita do coração.

Para medir a eficácia de novas estratégias de tratamento para o infarto do miocárdio, é necessária a avaliação do estágio agudo, bem como o desfecho a longo prazo. Agentes de contraste intravenoso são entregues para a imagem sequencial de PET-MRI do coração do rato. O procedimento de ressonância magnética normalmente leva 30 minutos, e o PET scan dura 45 minutos. Isso é significativo na avaliação de novas terapêuticas porque o curso do tempo pode não ser conhecido. As áreas aprimoradas da Ressonância Magnética representam tecido inviável e correspondem a áreas de absorção reduzida de FDG que sugerem potenciais bloqueios coronários ou infarto.

Você acabou de assistir a introdução da JoVE à tomografia computadorizada combinada de emissão de fótons e imagens de tomografia computadorizada. Agora você deve saber como configurar parâmetros SPECT e CT, realizar a varredura combinada e analisar a imagem. Você também deve saber como a imagem nuclear é usada em aplicações biomédicas. Obrigado por assistir!

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Results

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Os resultados representativos usando um rastreador baseado em Tc de 99mem um rato são demonstrados na Figura 2. A aquisição do SPECT/CT deve exibir os dados SPECT (mostrados como tons de amarelo/laranja na figura) sobrepostos em dados ct (mostrados como tons de cinza). Dentro do modelo SPECT, o grau de atividade fisiológica é demonstrado pela intensidade da cor. Assim, as áreas amarelas apresentam maior atividade do que as áreas de laranja. Os dados SPECT na figura foram adquiridos coletando 30 imagens de um min. A resolução resultante é de 0,8 mm.

Figure 2
Figura 2: Imagens representativas demonstrando funcionalidade cardíaca. A visão à esquerda é o modelo geral SPECT/CT, enquanto as três visualizações à direita mostram imagens ampliadas dos planos coronal, sagital e transaxial do coração. As tonalidades cinzas são as da tomografia e indicam a estrutura esquelética, enquanto as tonalidades laranja/amarela são as de SPECT. O grau de atividade é indicado pela intensidade da cor com o branco sendo maior que o preto. Imagens cortesia do Dr. Shuang Liu.

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Applications and Summary

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O SPECT/CT foi utilizado para fornecer informações anatômicas e funcionais. O procedimento geral envolveu a injeção de um radionuclídeo, imagem e, em seguida, reconstrução dos dados. Este procedimento, discutido no contexto da imagem animal de pequeno porte, é semelhante ao que é realizado clinicamente. No entanto, o uso de animais pequenos adiciona algumas nuances técnicas adicionais que não devem ser negligenciadas. Modelos de pequenos animais, como se pode supor, exigem o uso de maior resolução em imagens. Além disso, animais pequenos têm aumentado as frequências cardíacas e as taxas de respiração, que requerem imagens mais rápidas. Respiração e batimento cardíaco podem causar movimento do animal durante a imagem, o que dificulta a aquisição de dados precisos. Para compensar esses problemas potenciais, podem ser implementadas gating cardíaco e respiratório. O gating permite que a máquina adquira imagens em momentos específicos em relação aos ciclos cardíacos e respiratórios do animal. Por exemplo, a imagem ocorre entre as respirações do animal e em uma parte específica de seu ciclo cardíaco. Essas modificações permitem uma melhor imagem de pequenos modelos animais.

Foi demonstrado o procedimento geral de imagem SPECT/CT de pequeno modelo animal. Os dados resultantes mostram áreas de aumento do metabolismo no contexto da anatomia, possibilitando melhor diagnóstico e caracterização da doença.

A imagem SPECT/CT é uma técnica amplamente aplicável, abrangendo uma variedade de áreas, incluindo cardiologia, oncologia e inflamação. No domínio da cardiologia, os estudos de perfusão miocárdio empregam SPECT/CT para diagnosticar bloqueios de artérias coronárias, demonstrando o quão bem o sangue flui através do músculo cardíaco. Pacientes submetidos a um estudo de perfusão miocárdio se exercitarão para induzir o estresse cardíaco. O paciente será então injetado com um rastreador radioativo que se mistura com os movimentos sanguíneos por todo o corpo. Se o sangue não consegue alcançar uma determinada área do coração devido a um bloqueio em uma artéria coronária, então nem o rastreador. As imagens de SPECT/CT serão tiradas após o exercício e, posteriormente, após o repouso do paciente. Durante a imagem SPECT/CT, as áreas que o sangue não pode alcançar aparecerão como escuras, indicando potenciais bloqueios coronários ou infarto.

Em outras aplicações, como na oncologia e na inflamação, o rastreador radioativo pode ser escolhido para atingir seletivamente uma molécula biológica. No caso da oncologia, o rastreador radioativo tem como alvo um receptor específico de superfície celular que é encontrado em tumores. Em seguida, a absorção do rastreador radioativo durante a imagem SPECT/CT é sugestiva da presença de um tumor. Finalmente, no caso da inflamação, o rastreador radioativo pode atingir a infecção ou inflamação, ao mesmo tempo em que fornece uma localização anatômica precisa. Isso é valioso ao diagnosticar a extensão da osteomielite, que é uma infecção do osso. Em resumo, o SPECT/CT é uma abordagem de imagem versátil que combina duas técnicas para fornecer informações anatômicas e funcionais.

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Transcript

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