Imaging combinato SPECT e CT per la visualizzazione della funzionalità cardiaca

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

Qui dimostreremo i fondamenti della tomografia computerizzata a emissione di singolo fotone / tomografia computerizzata (SPECT / CT) utilizzando topi. La tecnica prevede l'iniezione di un radionuclide in un topo, l'imaging dell'animale dopo che è stato distribuito in tutto il corpo e quindi la ricostruzione delle immagini prodotte per creare un set di dati volumetrico. Questo può fornire informazioni sull'anatomia, la fisiologia e il metabolismo per migliorare la diagnosi della malattia e monitorarne la progressione.

In termini di dati raccolti, SPECT / CT fornisce informazioni simili alla tomografia ad emissione di positroni (PET) / CT. Tuttavia, i principi alla base di queste due tecniche sono fondamentalmente diversi poiché il PET richiede il rilevamento di due fotoni gamma, che vengono emessi in direzioni opposte. Al contrario, l'imaging SPECT misura direttamente la radiazione tramite una gamma camera. Di conseguenza, l'imaging SPECT ha una risoluzione spaziale inferiore rispetto alla PET. Tuttavia, è anche meno costoso perché gli isotopi radioattivi SPECT sono più facilmente disponibili. L'imaging SPECT/CT fornisce informazioni metaboliche e anatomiche non invasive che possono essere utili per un'ampia varietà di applicazioni.

L'imaging SPECT / CT utilizza due modalità di imaging separate, SPECT e CT, per ottenere informazioni sia funzionali che anatomiche per migliorare la capacità diagnostica complessiva. In CT, vengono raccolte più immagini a raggi X 2D per creare un modello 3D dell'anatomia del paziente o dell'animale. Questo modello CT viene quindi accoppiato con SPECT, che utilizza traccianti radioattivi per fornire una valutazione funzionale di un organo interno (cioè il cervello o il miocardio). Come CT, anche SPECT utilizza immagini 2D acquisite per creare un modello 3D. Insieme, SPECT / CT fornisce punti di riferimento anatomici e una valutazione funzionale che può essere utilizzata nella diagnosi iniziale o per caratterizzare la progressione della malattia.

La base dell'imaging TC è la raccolta di immagini a raggi X 2D. Durante l'imaging, i raggi X vengono emessi da una sorgente. Mentre i raggi X si muovono attraverso il paziente, alcuni dei raggi X vengono assorbiti. In generale, i materiali ad alta densità assorbono più raggi X rispetto ai materiali a bassa densità. Per questo motivo, l'osso tende ad assorbire più raggi X rispetto ai tessuti molli. Dopo che i raggi X passano attraverso il corpo, i raggi X rimanenti (non assorbiti) vengono raccolti da un rilevatore in grado di determinare l'intensità dei raggi X nelle unità di Hounsfield. Questo produce un'immagine 2D chiamata slice. La sorgente di raggi X e il rivelatore vengono quindi ruotati ad un angolo designato e tradotti per acquisire un'altra fetta. Man mano che la scansione procede, la sorgente e il rilevatore continuano a ruotare acquisendo più sezioni 2D, creando una raccolta di proiezioni a vari orientamenti (Figura 1). Le sezioni vengono quindi ricostruite per creare un modello 3D.

Figura 1: Diagramma che dimostra a) la produzione di una singola proiezione a raggi X e b) la rotazione di una sorgente di raggi X e di un rivelatore per creare un'immagine 2D completa. L'intera configurazione può quindi essere tradotta per creare dati volumetrici.

SPECT funziona in modo simile alla TC, ma acquisisce l'emissione di raggi gamma invece di raggi X. In questa tecnica di imaging nucleare, un tracciante radioattivo viene iniettato nel paziente. Nel tempo, il tracciante decade, emettendo raggi gamma. Una gamma camera ripresa la radiazione gamma, creando un'immagine 2D. Simile alla TC, la fotocamera raccoglie immagini 2D in varie posizioni. Dopo l'imaging, le sezioni vengono ricostruite, creando un set di dati 3D. I volumi di TC e SPECT vengono quindi co-registrati per fornire valutazioni sia anatomiche che funzionali.

1. Configurazione dell'imaging in vivo

1. Aprire il software di imaging.
2. Per impostare la parte TC della scansione, consentire al tubo a raggi X di riscaldarsi selezionando l'opzione sul software. Il sistema inizierà a riscaldare il tubo.
3. Anestetizzare il mouse. Per assicurarti che il topo sia incosciente, estendi una gamba e pizzica la zampa dell'animale. Se il topo non produce un riflesso di astinenza, l'animale è sufficientemente anestetizzato.
4. Iniettare il topo per via endovenosa con il radionuclide. Un radionuclide SPECT comunemente usato è Technetium99m^(99mTc), in parte a causa della sua emivita. Tuttavia, ci sono anche molti altri radionuclidi disponibili che possono essere utilizzati tra cui Iodio-123⁽¹²³I) e Indio-111⁽¹¹¹In).
5. Aspettare. Il radionuclide impiegherà del tempo per distribuirsi attraverso il flusso sanguigno e iniziare a decadere. La quantità di tempo necessaria dipende dal radionuclide utilizzato e dall'applicazione di imaging. Per le applicazioni cardiache, le scansioni possono iniziare quasi immediatamente, mentre per i tumori, il tempo di attesa potrebbe essere di diverse ore o giorni. A seconda dei tempi dell'imaging, il mouse può rimanere anestetizzato per l'intera procedura o può svegliarsi e quindi essere nuovamente anestetizzato quando è pronto per l'imaging.
6. Posizionare il mouse nel letto del mouse situato sullo stadio SPECT/CT. Il letto deve essere dotato di un tubo per gas anestetico, un riscaldatore e un mezzo per monitorare l'ECG e la respirazione. Durante l'imaging, l'operatore non sarà in grado di osservare direttamente il mouse, quindi è necessario disporre di mezzi alternativi per monitorare i parametri fisiologici durante l'imaging (ad es. Frequenza cardiaca e respirazione).

2. Imaging SPECT / CT

1. Spostare il letto (contenente il mouse) all'interno del collimatore.
2. Acquisire una singola immagine assiale del mouse. Utilizzando questa immagine pilota, impostare una regione di interesse per una scansione secondaria.
3. Definire le impostazioni per SPECT, tra cui il numero di immagini raccolte, il tempo per immagine, la modalità di scansione (percorso di rotazione del rilevatore) e la modalità step per una migliore precisione dell'immagine o una maggiore velocità di imaging.
4. Per impostare la parte TC della scansione, consentire al tubo a raggi X di riscaldarsi selezionando l'opzione sul software. Il sistema inizierà a riscaldare il tubo.
5. Definire l'impostazione per CT, ad esempio la corrente e la tensione del tubo, l'angolo di rotazione, la velocità della scansione e il numero di immagini scattate a ciascun angolo di rotazione.
6. Inizia l'acquisizione dei dati. Il tempo necessario per completare la scansione dipenderà dai parametri di scansione selezionati, ma in genere è di 30-60 minuti.
7. Rimuovere il letto dal collimatore.
8. Rimuovere il mouse dal letto e continuare a monitorare il mouse fino a quando non è cosciente e in grado di muoversi normalmente.

3. Ricostruzione SPECT/CT

1. La ricostruzione viene in genere eseguita utilizzando il software integrato. I dati CT e i dati SPECT possono essere ricostruiti separatamente e quindi combinati utilizzando la registrazione interna.

I risultati rappresentativi che utilizzano un tracciante a base di Tc ^{da 99}m in un ratto sono dimostrati nella Figura 2. L'acquisizione di SPECT / CT dovrebbe visualizzare i dati SPECT (mostrati come sfumature di giallo / arancione nella figura) sovrapposti ai dati CT (mostrati come sfumature di grigio). All'interno del modello SPECT, il grado di attività fisiologica è dimostrato dall'intensità del colore. Pertanto, le aree di giallo mostrano una maggiore attività rispetto alle aree di arancione. I dati SPECT nella figura sono stati acquisiti raccogliendo 30 immagini di un minuto. La risoluzione risultante è di 0,8 mm.

Figura 2: Immagini rappresentative che dimostrano la funzionalità cardiaca. La vista a sinistra è il modello SPECT / CT generale mentre le tre viste a destra mostrano immagini ingigantite dei piani coronale, sagittale e transassiale del cuore. Le sfumature di grigio sono quelle della TC e indicano la struttura scheletrica, mentre le tonalità arancione/giallo sono quelle della SPECT. Il grado di attività è indicato dall'intensità del colore con il bianco maggiore del nero. Immagini per gentile concessione del Dr. Shuang Liu.

SPECT / CT è stato utilizzato per fornire informazioni anatomiche e funzionali. La procedura generale prevedeva l'iniezione di un radionuclide, l'imaging e quindi la ricostruzione dei dati. Questa procedura, discussa nel contesto dell'imaging di piccoli animali, è simile a quella che viene eseguita clinicamente. Tuttavia, l'uso di piccoli animali aggiunge alcune sfumature tecniche aggiuntive che non dovrebbero essere trascurate. I modelli di piccoli animali, come si potrebbe supporre, richiedono l'uso di una risoluzione più elevata nell'imaging. Inoltre, i piccoli animali hanno aumentato la frequenza cardiaca e la frequenza respiratoria, che richiedono immagini più rapide. La respirazione e il battito cardiaco possono causare il movimento dell'animale durante l'imaging, il che rende difficile acquisire dati accurati. Per compensare questi potenziali problemi, è possibile implementare il gating cardiaco e respiratorio. Il gating consente alla macchina di acquisire immagini in momenti specifici relativi ai cicli cardiaci e respiratori dell'animale. Ad esempio, l'imaging si verifica tra i respiri dell'animale e in una parte specifica del suo ciclo cardiaco. Queste modifiche consentono di migliorare l'imaging di modelli di piccoli animali.

È stata dimostrata la procedura generale per l'imaging SPECT/CT di modelli di piccoli animali. I dati risultanti mostrano aree di aumento del metabolismo nel contesto dell'anatomia, consentendo così una migliore diagnosi e caratterizzazione della malattia.

L'imaging SPECT / CT è una tecnica ampiamente applicabile, che copre una varietà di aree tra cui cardiologia, oncologia e infiammazione. Nel campo della cardiologia, gli studi di perfusione miocardica impiegano SPECT / CT per diagnosticare i blocchi delle arterie coronarie dimostrando quanto bene il sangue scorre attraverso il muscolo cardiaco. I pazienti sottoposti a uno studio di perfusione miocardica si eserciteranno per indurre stress cardiaco. Al paziente verrà quindi iniettato un tracciante radioattivo che si mescola con i movimenti del sangue in tutto il corpo. Se il sangue non è in grado di raggiungere una certa area del cuore a causa di un blocco in un'arteria coronaria, allora nemmeno il tracciante. Le immagini SPECT/ CT saranno prese dopo l'esercizio e poi più tardi, dopo che il paziente si è riposato. Durante l'imaging SPECT / CT, le aree che il sangue non può raggiungere appariranno come scure, indicando potenziali blocchi coronarici o infarto.

In altre applicazioni, come in oncologia e nell'infiammazione, il tracciante radioattivo può essere scelto per colpire selettivamente una molecola biologica. Nel caso dell'oncologia, il tracciante radioattivo prende di mira uno specifico recettore della superficie cellulare che si trova nei tumori. Quindi, l'assorbimento del tracciante radioattivo durante l'imaging SPECT / CT è indicativo della presenza di un tumore. Infine, in caso di infiammazione, il tracciante radioattivo può colpire l'infezione o l'infiammazione fornendo anche una posizione anatomica precisa. Questo è prezioso quando si diagnostica l'estensione dell'osteomielite, che è un'infezione dell'osso. In sintesi, SPECT / CT è un approccio di imaging versatile che combina due tecniche per fornire informazioni anatomiche e funzionali in modo non invasivo.