Imagerie combinée SPECT et CT pour visualiser la fonctionnalité cardiaque

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

Ici, nous allons démontrer les principes fondamentaux de l'émission d'un seul photon par tomodensitométrie/ tomographie calculée (SPECT/CT) imagerie à l'aide de souris. La technique consiste à injecter un radionucléide dans une souris, l'imagerie de l'animal après qu'il est distribué dans tout le corps, puis la reconstruction des images produites pour créer un ensemble de données volumétriques. Ceci peut fournir l'information au sujet de l'anatomie, de la physiologie, et du métabolisme pour améliorer le diagnostic de la maladie et surveiller sa progression.

En ce qui concerne les données recueillies, SPECT/CT fournit des informations similaires à la tomographie par émission de positrons (TEP)/CT. Cependant, les principes sous-jacents de ces deux techniques sont fondamentalement différents puisque le PET nécessite la détection de deux photons gamma, qui sont émis dans des directions opposées. En revanche, l'imagerie SPECT mesure directement le rayonnement via une caméra gamma. En conséquence, la formation image SPECT a une résolution spatiale inférieure à celle de la TEP. Cependant, il est également moins coûteux parce que les isotopes radioactifs SPECT sont plus facilement disponibles. Spect/ CT imaging fournit des informations métaboliques et anatomiques non invasives qui peuvent être utiles pour une grande variété d'applications.

Spect/CT imaging utilise deux modalités d'imagerie distinctes, SPECT et CT, pour obtenir des informations fonctionnelles et anatomiques pour améliorer la capacité diagnostique globale. Dans CT, plusieurs images 2D de rayon X sont rassemblées pour créer un modèle 3D de l'anatomie du patient ou de l'animal. Ce modèle de Tomodensme est ensuite couplé avec SPECT, qui utilise des traceurs radioactifs pour fournir une évaluation fonctionnelle d'un organe interne (c.-à-d., le cerveau ou le myocarde). Comme CT, SPECT utilise également des images 2D acquises pour créer un modèle 3D. Ensemble, SPECT/CT fournit des repères anatomiques et une évaluation fonctionnelle qui peut être utilisée dans le diagnostic initial ou pour caractériser la progression de la maladie.

La base de l'imagerie Par tocline est la collecte d'images 2D à rayons X. Pendant l'imagerie, les rayons X sont émis à partir d'une source. Au fur et à mesure que les rayons X se déplacent à travers le patient, certaines radiographies sont absorbées. En général, les matériaux à densité plus élevée absorbent plus de rayons X que les matériaux de faible densité. Pour cette raison, l'os a tendance à absorber plus de rayons X que les tissus mous. Après que les rayons X passent à travers le corps, les rayons X restants (non absorbés) sont recueillis par un détecteur qui peut déterminer l'intensité des rayons X dans les unités hounsfield. Cela produit une image 2D appelée une tranche. La source et le détecteur de rayons X sont ensuite tournés vers un angle désigné et traduits pour acquérir une autre tranche. Au fur et à mesure que l'analyse progresse, la source et le détecteur continuent de tourner en acquérant plus de tranches 2D, créant ainsi une collection de projections à diverses orientations (figure 1). Les tranches sont ensuite reconstruites pour créer un modèle 3D.

Figure 1 : Diagramme démontrant a) la production d'une seule projection de rayons X et b) la rotation d'une source et d'un détecteur de rayons X pour créer une image 2D complète. Cette configuration entière peut ensuite être traduite pour créer des données volumétriques.

SPECT fonctionne de la même façon que le CT, mais acquiert l'émission de rayons gamma au lieu de rayons X. Dans cette technique d'imagerie nucléaire, un traceur radioactif est injecté dans le patient. Au fil du temps, le traceur se désintègre, émettant des rayons gamma. Une caméra gamma image le rayonnement gamma, créant une image 2D. Semblable à CT, la caméra recueille des images 2D à divers endroits. Après l'imagerie, les tranches sont reconstruites, créant un jeu de données 3D. Les volumes de CT et de SPECT sont ensuite co-enregistrés pour fournir des évaluations anatomiques et fonctionnelles.

1. In Vivo Imaging Set-up

1. Ouvrez le logiciel d'imagerie.
2. Pour configurer la partie CT de l'analyse, laissez le tube à rayons X se réchauffer en sélectionnant l'option sur le logiciel. Le système commencera à chauffer le tube.
3. Anesthésiez la souris. Pour s'assurer que la souris est inconsciente, étendez une jambe et pincez la patte de l'animal. Si la souris ne produit pas de réflexe de sevrage, l'animal est suffisamment anesthésié.
4. Injectez la souris par voie intraveineuse avec le radionucléide. Un radionucléide SPECT couramment utilisé est Technetium99m (^99mTc), en partie en raison de sa demi-vie. Cependant, il ya aussi beaucoup d'autres radionucléides disponibles qui peuvent être utilisés, y compris l'iode-123 (¹²³I) et Indium-111 (¹¹¹In).
5. Attendre. Le radionucléide prendra du temps à se distribuer dans la circulation sanguine et commencera à se décomposer. Le temps requis dépend du radionucléide utilisé et de l'application d'imagerie. Pour les applications cardiaques, les scans peuvent commencer presque immédiatement, tandis que pour les tumeurs, le temps d'attente peut être de plusieurs heures à plusieurs jours. Selon le moment de l'imagerie, la souris peut soit rester anesthésiée pendant toute la procédure, soit se réveiller, puis être réanestée lorsqu'elle est prête pour l'imagerie.
6. Placez la souris dans le lit de souris situé sur la scène SPECT/CT. Le lit doit être équipé d'un tube pour le gaz anesthésique, d'un chauffe-eau et d'un moyen de surveillance de l'ECG et de la respiration. Pendant l'imagerie, l'opérateur sera incapable d'observer la souris directement, de sorte qu'il est nécessaire d'avoir d'autres moyens de surveiller les paramètres physiologiques pendant l'imagerie (c.-à-d. la fréquence cardiaque et la respiration).

2. Spect/CT Imaging

1. Déplacez le lit (contenant la souris) à l'intérieur du collimateur.
2. Acquérir une seule image axiale de la souris. À l'aide de cette image pilote, définir une région d'intérêt pour une analyse secondaire.
3. Définissez les paramètres de SPECT, y compris le nombre d'images recueillies, le temps par image, le mode de balayage (chemin de rotation du détecteur) et le mode étape pour améliorer la précision de l'image ou augmenter la vitesse d'imagerie.
4. Pour configurer la partie CT de l'analyse, laissez le tube à rayons X se réchauffer en sélectionnant l'option sur le logiciel. Le système commencera à chauffer le tube.
5. Définissez le réglage de la tomodensitomètre, comme le courant et la tension du tube, l'angle de rotation, la vitesse de l'analyse et le nombre d'images prises à chaque angle de rotation.
6. Commencer l'acquisition de données. La durée nécessaire pour compléter l'analyse dépendra des paramètres d'analyse sélectionnés, mais elle est généralement de 30 à 60 minutes.
7. Retirer le lit du collimateur.
8. Retirez la souris du lit et continuez à surveiller la souris jusqu'à ce qu'elle soit consciente et capable de se déplacer normalement.

3. Spect/CT Reconstruction

1. La reconstruction est généralement effectuée à l'aide d'un logiciel intégré. Les données CT et SPECT peuvent être reconstruites séparément puis combinées à l'aide de l'enregistrement interne.

Les résultats représentatifs à l'aide d'un traceur à base de ^{Tc de 99 m}chez un rat sont démontrés à la figure 2. L'acquisition de SPECT/CT devrait afficher les données SPECT (indiquées sous forme de nuances de jaune/orange dans la figure) superposées aux données CT (indiquées sous forme de nuances de gris). Dans le modèle SPECT, le degré d'activité physiologique est démontré par l'intensité de la couleur. Ainsi, les zones de jaune montrent une plus grande activité que les zones d'orange. Les données SPECT dans la figure ont été acquises en recueillant 30 images d'une min. La résolution résultante est de 0,8 mm.

Figure 2: Images représentatives démontrant la fonctionnalité cardiaque. La vue sur la gauche est le modèle spect/CT global tandis que les trois vues sur la droite montrent des images agrandies des plans coronal, sagittal, et transaxial du coeur. Les nuances grises sont celle de la CT et indiquent la structure squelettique, tandis que les nuances orange/jaune sont celle de SPECT. Le degré d'activité est indiqué par l'intensité de la couleur avec le blanc étant plus grand que le noir. Images courtoisie du Dr Shuang Liu.

SPECT/CT a été employé pour fournir l'information anatomique et fonctionnelle. La procédure générale impliquait l'injection d'un radionucléide, l'imagerie, puis la reconstruction des données. Cette procédure, discutée dans le contexte de l'imagerie de petit animal, est semblable à ce qui est exécuté médicalement. Cependant, l'utilisation de petits animaux ajoute quelques nuances techniques supplémentaires qui ne doivent pas être négligées. Les modèles de petits animaux, comme on pourrait le supposer, nécessitent l'utilisation d'une résolution plus élevée dans l'imagerie. En outre, les petits animaux ont augmenté les fréquences cardiaques et les taux de respiration, ce qui nécessite une imagerie plus rapide. La respiration et le rythme cardiaque peuvent provoquer le mouvement de l'animal pendant l'imagerie, ce qui rend difficile l'acquisition de données précises. Pour compenser ces problèmes potentiels, le gating cardiaque et respiratoire peut être mis en œuvre. Le gating permet à la machine d'acquérir des images à des moments précis par rapport aux cycles cardiaques et respiratoires de l'animal. Par exemple, l'imagerie se produit entre les respirations de l'animal et à une partie spécifique de son cycle cardiaque. Ces modifications permettent d'améliorer l'imagerie des modèles de petits animaux.

La procédure générale pour l'imagerie spect/CT du modèle de petit animal a été démontrée. Les données obtenues montrent des zones de métabolisme accru dans le contexte de l'anatomie, permettant ainsi un meilleur diagnostic et une meilleure caractérisation de la maladie.

L'imagerie SPECT/CT est une technique largement applicable, couvrant une variété de domaines, y compris la cardiologie, l'oncologie et l'inflammation. Dans le domaine de la cardiologie, les études de perfusion myocardique emploient SPECT/CT pour diagnostiquer les blocages des artères coronaires en démontrant comment le sang circule à travers le muscle cardiaque. Les patients subissant une étude de perfusion myocardique exerceront pour induire le stress cardiaque. Le patient sera ensuite injecté avec un traceur radioactif qui se mélange avec le sang se déplace dans tout le corps. Si le sang est incapable d'atteindre une certaine zone du cœur en raison d'un blocage dans une artère coronaire, alors le traceur non plus. Spect / CT images seront prises après l'exercice, puis plus tard, après que le patient s'est reposé. Pendant la formation image spectorne/CT, les zones que le sang ne peut pas atteindre se présenteront comme sombres, ce qui indique des blocages ou des infarctus coronariens potentiels.

Dans d'autres applications, comme en oncologie et en inflammation, le traceur radioactif peut être choisi pour cibler sélectivement une molécule biologique. Dans le cas de l'oncologie, le traceur radioactif cible un récepteur spécifique de la surface cellulaire qui se trouve dans les tumeurs. Ensuite, l'étude du traceur radioactif pendant la formation image de SPECT/CT suggère la présence d'une tumeur. Enfin, dans le cas de l'inflammation, le traceur radioactif peut cibler l'infection ou l'inflammation tout en fournissant un emplacement anatomique précis. Ceci est utile lors du diagnostic de l'étendue de l'ostéomyélite, qui est une infection de l'os. En résumé, SPECT/CT est une approche d'imagerie polyvalente qui combine deux techniques pour fournir des informations anatomiques et fonctionnelles non invasives.