Kombinierte SPECT- und CT-Bildgebung zur Visualisierung der Herzfunktionalität

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

Hier zeigen wir die Grundlagen der Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie/Computertomographie (SPECT/CT)-Bildgebung mit Mäusen. Die Technik besteht darin, ein Radionuklid in eine Maus zu injizieren, das Tier zu bebildern, nachdem es im ganzen Körper verteilt wurde, und dann die produzierten Bilder zu rekonstruieren, um einen volumetrischen Datensatz zu erstellen. Dies kann Informationen über Anatomie, Physiologie und Stoffwechsel liefern, um die Krankheitsdiagnose zu verbessern und deren Fortschreiten zu überwachen.

In Bezug auf die gesammelten Daten liefert SPECT/CT ähnliche Informationen wie die Positronenemissionstomographie (PET)/CT. Die Grundprinzipien dieser beiden Techniken unterscheiden sich jedoch grundlegend, da PET den Nachweis von zwei Gammaphotonen erfordert, die in entgegengesetzte Richtungen emittiert werden. Im Gegensatz dazu misst die SPECT-Bildgebung die Strahlung direkt über eine Gammakamera. Infolgedessen hat SPECT Imaging eine geringere räumliche Auflösung als PET. Es ist jedoch auch billiger, weil die SPECT radioaktiven Isotope leichter verfügbar sind. SPECT/CT-Bildgebung liefert sowohl nichtinvasive metabolische als auch anatomische Informationen, die für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich sein können.

SPECT/CT-Bildgebung nutzt zwei separate bildgebende Verfahren, SPECT und CT, um sowohl funktionelle als auch anatomische Informationen zu erhalten, um die allgemeine Diagnosefähigkeit zu verbessern. In CT werden mehrere 2D-Röntgenbilder gesammelt, um ein 3D-Modell der Anatomie des Patienten oder Tieres zu erstellen. Dieses CT-Modell wird dann mit SPECT gekoppelt, das radioaktive Tracer verwendet, um eine funktionelle Beurteilung eines inneren Organs (d. h. des Gehirns oder Myokards) zu ermöglichen. Wie CT verwendet SPECT auch erworbene 2D-Bilder, um ein 3D-Modell zu erstellen. Zusammen bietet SPECT/CT anatomische Meilensteine und eine funktionelle Bewertung, die bei der Erstdiagnose oder zur Charakterisierung des Krankheitsverlaufs verwendet werden kann.

Die Grundlage der CT-Bildgebung ist die Sammlung von 2D-Röntgenbildern. Während der Bildgebung werden Röntgenstrahlen aus einer Quelle emittiert. Wenn sich Röntgenstrahlen durch den Patienten bewegen, werden einige der Röntgenstrahlen absorbiert. Im Allgemeinen absorbieren Materialien mit höherer Dichte mehr Röntgenstrahlen als Materialien mit geringerer Dichte. Aus diesem Grund, Knochen neigt dazu, mehr Röntgenstrahlen als Weichgewebe zu absorbieren. Nachdem die Röntgenstrahlen durch den Körper gehen, werden die restlichen (nicht absorbierten) Röntgenstrahlen von einem Detektor gesammelt, der die Intensität der Röntgenstrahlen in Hounsfield-Einheiten bestimmen kann. Dadurch wird ein 2D-Bild namens Slice erzeugt. Die Röntgenquelle und der Detektor werden dann in einen bestimmten Winkel gedreht und übersetzt, um eine weitere Scheibe zu erhalten. Im Verlauf des Scans drehen sich Quelle und Detektor weiter und erhalten weitere 2D-Slices, wodurch eine Sammlung von Projektionen in verschiedenen Ausrichtungen entsteht (Abbildung 1). Die Slices werden dann rekonstruiert, um ein 3D-Modell zu erstellen.

Abbildung 1: Diagramm, das a) die Produktion einer einzelnen Röntgenprojektion und b) die Drehung einer Röntgenquelle und eines Detektors zeigt, um ein vollständiges 2D-Bild zu erstellen. Diese gesamte Einrichtung kann dann übersetzt werden, um volumetrische Daten zu erstellen.

SPECT funktioniert ähnlich wie CT, erhält aber die Emission von Gammastrahlen anstelle von Röntgenstrahlen. Bei dieser nuklearen Bildgebungstechnik wird dem Patienten ein radioaktiver Tracer injiziert. Im Laufe der Zeit zerfällt der Tracer und emittiert Gammastrahlen. Eine Gammakamera zeigt die Gammastrahlung und erzeugt so ein 2D-Bild. Ähnlich wie CT sammelt die Kamera 2D-Bilder an verschiedenen Orten. Nach der Abbildung werden die Slices rekonstruiert, wodurch ein 3D-Dataset erstellt wird. Die Volumina von CT und SPECT werden dann gemeinsam registriert, um sowohl anatomische als auch funktionelle Bewertungen zu ermöglichen.

1. In Vivo Imaging Setup

1. Öffnen Sie die Imaging-Software.
2. Um den CT-Teil des Scans einzurichten, lassen Sie die Röntgenröhre aufwärmen, indem Sie die Option auf der Software auswählen. Das System beginnt mit dem Aufheizen des Rohres.
3. Anästhesisieren Sie die Maus. Um sicherzustellen, dass die Maus bewusstlos ist, strecken Sie ein Bein aus und kneifen Sie die Pfote des Tieres. Wenn die Maus keinen Entzugsreflex erzeugt, ist das Tier ausreichend beästhetisiert.
4. Injizieren Sie die Maus intravenös mit dem Radionuklid. Ein häufig verwendetes SPECT Radionuklid ist Technetium99m (^99mTc), teilweise aufgrund seiner Halbwertszeit. Es gibt jedoch auch viele andere verfügbare Radionuklide, die verwendet werden können, einschließlich Jod-123 (¹²³I) und Indium-111 (¹¹¹In).
5. Warte. Das Radionuklid wird Zeit brauchen, um durch den Blutkreislauf zu verteilen und zu zerfallen. Die benötigte Zeit hängt vom verwendeten Radionuklid und der Bildgebungsanwendung ab. Bei Herzanwendungen können Scans fast sofort beginnen, während bei Tumoren die Wartezeit mehrere Stunden bis Tage betragen kann. Abhängig vom Timing der Bildgebung kann die Maus entweder während des gesamten Verfahrens beästhebt bleiben oder aufwachen und dann erneut anbeäert werden, wenn sie für die Bildgebung bereit ist.
6. Platzieren Sie die Maus im Mausbett auf der SPECT/CT-Bühne. Das Bett sollte mit einem Schlauch für Anästhetikum, einer Heizung und einem Mittel zur Überwachung von EKG und Atmung ausgestattet sein. Während der Bildgebung kann der Bediener die Maus nicht direkt beobachten, so dass alternative Mittel zur Überwachung physiologischer Parameter während der Bildgebung (d. h. Herzfrequenz und Atmung) erforderlich sind.

2. SPECT/CT Imaging

1. Bewegen Sie das Bett (mit der Maus) innerhalb des Kollimators.
2. Erfassen Sie ein einzelnes axiales Bild der Maus. Legen Sie mithilfe dieses Pilotimages einen Bereich fest, der für einen sekundären Scan von Interesse ist.
3. Definieren Sie die Einstellungen für SPECT, einschließlich der Anzahl der gesammelten Bilder, der Zeit pro Bild, des Scanmodus (Detektorrotationspfad) und des Schrittmodus für verbesserte Bildgenauigkeit oder erhöhte Bildgeschwindigkeit.
4. Um den CT-Teil des Scans einzurichten, lassen Sie die Röntgenröhre aufwärmen, indem Sie die Option auf der Software auswählen. Das System beginnt mit dem Aufheizen des Rohres.
5. Definieren Sie die Einstellung für CT, z. B. den Rohrstrom und die Spannung, den Drehwinkel, die Geschwindigkeit des Scans und die Anzahl der Bilder, die bei jedem Drehwinkel aufgenommen wurden.
6. Beginnen Sie mit der Datenerfassung. Die zum Abschließen des Scans benötigte Zeit hängt von den ausgewählten Scanparametern ab, ist jedoch in der Regel 30-60 min lang.
7. Entfernen Sie das Bett aus dem Kollimator.
8. Entfernen Sie die Maus aus dem Bett und überwachen Sie die Maus weiter, bis sie bewusst ist und sich normal bewegen kann.

3. SPECT/CT Rekonstruktion

1. Die Rekonstruktion wird in der Regel mit integrierter Software durchgeführt. Die CT-Daten und die SPECT-Daten können separat rekonstruiert und dann mittels interner Registrierung kombiniert werden.

Repräsentative Ergebnisse mit einem ^99mTc-basierten Tracer bei einer Ratte sind in Abbildung 2dargestellt. Die Erfassung von SPECT/CT sollte die SPECT-Daten (in der Abbildung als Gelb-Orange-Töne dargestellt) auf CT-Daten (als Grautöne) überlagert anzeigen. Innerhalb des SPECT-Modells wird der Grad der physiologischen Aktivität durch die Intensität der Farbe demonstriert. So zeigen die gelben Bereiche eine größere Aktivität als Orangebereiche. Die SPECT-Daten in der Abbildung wurden durch das Sammeln von 30 Ein-Min-Bildern erfasst. Die resultierende Auflösung beträgt 0,8 mm.

Abbildung 2:Repräsentative Bilder, die dieHerzfunktion demonstrieren. Die Ansicht auf der linken Seite ist das gesamte SPECT/CT-Modell, während die drei Ansichten auf der rechten Seite vergrößerte Bilder der koronalen, sagittalen und transaxialen Ebenen des Herzens zeigen. Grautöne sind die des CT und zeigen die Skelettstruktur an, während die Orange/Gelb-Töne die von SPECT sind. Der Grad der Aktivität wird durch die Intensität der Farbe angezeigt, wobei Weiß größer als Schwarz ist. Bilder mit freundlicher Genehmigung von Dr. Shuang Liu.

SPECT/CT wurde verwendet, um anatomische und funktionelle Informationen bereitzustellen. Das allgemeine Verfahren beinhaltete die Injektion eines Radionuklids, die Bildgebung und dann die Rekonstruktion der Daten. Dieses Verfahren, das im Rahmen der Kleintierbildgebung diskutiert wird, ähnelt dem, was klinisch durchgeführt wird. Die Verwendung von Kleintieren fügt jedoch einige zusätzliche technische Nuancen hinzu, die nicht übersehen werden sollten. Kleintiermodelle erfordern, wie vermutet werden könnte, die Verwendung einer höheren Auflösung in der Bildgebung. Darüber hinaus haben Kleintiere erhöhte Herzfrequenzen und Atmungsraten, die eine schnellere Bildgebung erfordern. Atmung und Herzschlag können während der Bildgebung Bewegung des Tieres verursachen, was es schwierig macht, genaue Daten zu erfassen. Um diese potentiellen Probleme zu kompensieren, können Herz- und Atmungs-Gating implementiert werden. Die Gating ermöglicht es der Maschine, Bilder zu bestimmten Zeiten relativ zu den Herz- und Atmungszyklen des Tieres zu erfassen. Zum Beispiel, Bildgebung tritt zwischen den Atemzügen des Tieres und an einem bestimmten Teil seines Herzzyklus. Diese Modifikationen ermöglichen eine verbesserte Bildgebung von Kleintiermodellen.

Das allgemeine Verfahren zur SPECT/CT-Bildgebung von Kleintiermodell wurde demonstriert. Die daraus resultierenden Daten zeigen Bereiche des erhöhten Stoffwechsels im Kontext der Anatomie und ermöglichen so eine bessere Diagnose und Krankheitscharakterisierung.

SPECT/CT-Bildgebung ist eine weit verbreitete Technik, die eine Vielzahl von Bereichen umfasst, einschließlich Kardiologie, Onkologie und Entzündung. Im Bereich der Kardiologie verwenden Myokardperfusionsstudien SPECT/CT, um Blockaden der Herzkranzgefäße zu diagnostizieren, indem sie zeigen, wie gut Blut durch den Herzmuskel fließt. Patienten, die sich einer Myokardperfusionsstudie unterziehen, werden trainieren, Herzstress zu induzieren. Der Patient wird dann mit einem radioaktiven Tracer injiziert, der sich mit dem Blut vermischt, bewegt sich im ganzen Körper. Wenn das Blut aufgrund einer Verstopfung in einer Herzkranzgefäße nicht in der Lage ist, einen bestimmten Bereich des Herzens zu erreichen, dann wird auch der Tracer nicht. SPECT/CT-Bilder werden nach dem Training und später, nachdem der Patient ausgeruht hat, aufgenommen. Während der SPECT/CT-Bildgebung werden Bereiche, die das Blut nicht erreichen kann, als dunkel angezeigt, was auf mögliche koronare Blockaden oder Infarkt hindeutet.

In anderen Anwendungen, wie in der Onkologie und bei Entzündungen, kann der radioaktive Tracer ausgewählt werden, um selektiv auf ein biologisches Molekül zu zielen. Bei der Onkologie zielt der radioaktive Tracer auf einen bestimmten Zell-Oberflächen-Rezeptor ab, der in Tumoren gefunden wird. Dann ist die Aufnahme des radioaktiven Tracers während der SPECT/CT-Bildgebung auf das Vorhandensein eines Tumors hindeutend. Schließlich kann der radioaktive Tracer im Falle einer Entzündung auf die Infektion oder Entzündung abzielen und gleichzeitig eine präzise anatomische Position bereitstellen. Dies ist wertvoll, wenn das Ausmaß der Osteomyelitis, die eine Infektion des Knochens ist, diagnostiziert wird. Zusammenfassend ist SPECT/CT ein vielseitiger bildgebender Ansatz, der zwei Techniken kombiniert, um nicht invasiv anatomische und funktionelle Informationen bereitzustellen.