SPECTとCTイメージングを組み合わせて心臓機能を可視化

ソース:アリシア・G・バーマン、ジェームズ・A・シェーバー、クレイグ・J・ガーゲン、インディアナ州パデュー大学、パーデュー大学ウェルドン・スクール・オブ・バイオメディカル・エンジニアリング

ここでは、マウスを用いた単光子放出コンピュータ断層撮影/コンピュータ断層撮影(SPECT/CT)イメージングの基礎を示します。この技術では、マウスに放射性核種を注入し、動物が全身に分布した後にイメージングを行い、生成された画像を再構築して体積データセットを作成します。これは、病気の診断を改善し、その進行を監視するために解剖学、生理学、および代謝に関する情報を提供することができます。

収集されたデータに関しては、SPECT/CTは陽電子放射断層撮影法(PET)/CTと同様の情報を提供する。しかし、PETは反対方向に放出される2つのガンマフォトンの検出を必要とするため、これら2つの技術の基本原理は根本的に異なります。対照的に、SPECTイメージングはガンマカメラを介して直接放射線を測定します。その結果、SPECTイメージングはPETよりも低い空間分解能を有する。しかし、SPECT放射性同位元素がより容易に入手可能であるため、それはまた安価である。SPECT/CTイメージングは、非侵襲的な代謝と解剖学的情報の両方を提供し、多種多様なアプリケーションに役立ちます。

SPECT/CTイメージングは、SPECTとCTの2つの別々のイメージングモダリティを利用して、機能的および解剖学的情報の両方を取得し、全体的な診断能力を向上させます。CTでは、複数の2D X線画像を収集し、患者または動物の解剖学の3Dモデルを作成します。このCTモデルは、放射性トレーサーを使用して内臓(すなわち、脳または心筋)の機能的評価を提供するSPECTと結合される。CT と同様に、SPECT も取得した 2D イメージを使用して 3D モデルを作成します。SPECT/CTは、解剖学的ランドマークと初期診断や疾患の進行を特徴付けるために使用できる機能評価を提供します。

CTイメージングの基礎は、2D X線画像の収集です。イメージング中に、X線はソースから放出されます。X線が患者を通過するにつれて、X線の一部が吸収される。一般に、密度の高い材料は、低密度材料よりも多くの X 線を吸収します。このため、骨は軟部組織よりも多くのX線を吸収する傾向がある。X線が体内を通過した後、残りの(吸収されていない)X線は、ハウンズフィールドユニットのX線の強度を決定できる検出器によって収集されます。これにより、スライスと呼ばれる 2D イメージが生成されます。X線源と検出器は、指定された角度に回転し、別のスライスを取得するために変換されます。スキャンが進むにつれて、ソースと検出器は、より多くの2Dスライスを取得して回転し続け、さまざまな方向で投影のコレクションを作成します(図1)。次に、スライスを再構築して 3D モデルを作成します。

図1:a)単一のX線投影とb)X線源と検出器の回転の生産を示す図は、完全な2D画像を作成する。その後、この設定全体を変換して容積データを作成できます。

SPECTはCTと同様に機能しますが、X線の代わりにガンマ線の放出を獲得します。この核イメージング技術では、放射性トレーサーが患者に注入される。時間が経つにつれて、トレーサーは減衰し、ガンマ線を放出します。ガンマ カメラはガンマ線をイメージし、2D イメージを作成します。CTと同様に、カメラはさまざまな場所で2D画像を収集します。イメージング後、スライスが再構築され、3D データセットが作成されます。CTとSPECTのボリュームは、解剖学的および機能的評価の両方を提供するために共同登録されます。

1.インビボイメージングセットアップ

1. イメージングソフトウェアを開きます。
2. スキャンのCT部分を設定するには、ソフトウェアのオプションを選択してX線管をウォームアップします。システムはチューブの加熱を開始します。
3. マウスを麻酔します。マウスが意識を失うことを確認するには、片足を伸ばし、動物の足をつまむ。マウスが離脱反射を生じない場合、動物は十分に麻酔される。
4. 放射性核種でマウスを静脈内に注入します。一般的に使用されるSPECT放射性核種は、その半減期のために、一部は^{Technetium99m(99m}Tc)です。しかし、ヨウ素^-123(123I)およびインジウム-111(111In)を含む他の多くの利用可能な放射性核種がある。
5. 待つ。放射性核種は血流を通して分配し、減衰し始めるのに時間がかかるだろう。必要な時間は、使用される放射性核種とイメージングアプリケーションによって異なります。心臓アプリケーションの場合、スキャンはほぼ即座に開始できますが、腫瘍の場合、待ち時間は数時間から数日です。イメージングのタイミングに応じて、マウスは手順全体に麻酔されたままにするか、または目を覚まし、イメージングの準備ができたら再麻酔を受けることができます。
6. SPECT/CTステージにあるマウスベッドにマウスを置きます。ベッドには麻酔ガス用チューブ、ヒーター、心電図と呼吸を監視する手段が装備されている必要があります。イメージング中、オペレータはマウスを直接観察することができないので、イメージング中に生理学的パラメータを監視する代替手段(すなわち、心拍数および呼吸)が必要である。

2. スペクター/CTイメージング

1. コリメータ内でベッド(マウスを含む)を移動します。
2. マウスの単一の軸イメージを取得します。このパイロット イメージを使用して、セカンダリ スキャンの対象地域を設定します。
3. 収集された画像の数、画像あたりの時間、スキャンモード(検出器の回転パス)、画像精度の向上や撮像速度の向上のためのステップモードなど、SPECTの設定を定義します。
4. スキャンのCT部分を設定するには、ソフトウェアのオプションを選択してX線管をウォームアップします。システムはチューブの加熱を開始します。
5. チューブの電流と電圧、回転角度、スキャンの速度、各回転角度で撮影した画像の数など、CT の設定を定義します。
6. データ取得を開始します。スキャンの完了に必要な時間の長さは、選択したスキャン パラメータによって異なりますが、通常は 30 ~ 60 分の長さになります。
7. コリメータからベッドを取り外します。
8. ベッドからマウスを取り外し、マウスが意識して正常に動き回れるように監視し続けます。

3. スペクター/CT再構築

1. 再構築は通常、組み込みソフトウェアを使用して実行されます。CT データと SPECT データを個別に再構築し、内部登録を使用して組み合わせることができます。

ラットに^99mTcベースのトレーサーを用いた代表的な結果を図2に示す。SPECT/CT の取得では、CT データ (灰色の網掛けで表示) にオーバーレイされた SPECT データ (図では黄色/オレンジ色の網掛けで表示) が表示されます。SPECTモデル内では、生理活性の程度は色の強度によって実証される。したがって、黄色の領域は、オレンジの領域よりも大きな活動を示しています。図中のSPECTデータは、30枚のワン分画像を収集することによって取得された。結果として得られる分解能は0.8mmである。

図2:心臓機能を示す代表的な画像。左側のビューは全体的な SPECT/CT モデルで、右側の 3 つのビューは心臓のコロナ面、矢状面、経軸面の拡大画像を示しています。灰色の色合いは CT の色合いで、骨格構造を示し、オレンジ/黄色の色合いは SPECT の色合いです。活動の程度は、白が黒より大きい色の強度によって示されます。画像提供:双劉博士。

SPECT/CTは、解剖学的および機能的な情報を提供するために使用されました。一般的な手順は、放射性核種の注入、イメージング、およびデータの再構築を含む。この手順は、小動物イメージングの文脈の中で議論され、臨床的に行われるものと類似している。しかし、小動物の使用は、見逃してはならないいくつかの追加の技術的なニュアンスを追加します。小動物モデルは、驚くほど、イメージングにおいてより高い解像度の使用を必要とする。さらに、小動物は心拍数と呼吸数を増加させており、より迅速なイメージングが必要です。呼吸や心拍は、イメージング中に動物の動きを引き起こす可能性があり、正確なデータを取得することが困難になります。これらの潜在的な問題を補償するために、心臓および呼吸ゲーティングを実施することができる。ゲーティングは機械が動物の心臓および呼吸周期に関連して特定の時間にイメージを得ることを可能にする。例えば、イメージングは、動物の呼吸の間および心臓周期の特定の部分で起こる。これらの変更は、小動物モデルの改善されたイメージングを可能にする。

小型動物モデルのSPECT/CTイメージングの一般的な手順を実証した。結果として得られるデータは、解剖学の文脈における代謝の増加の領域を示し、したがって、より良い診断および疾患特性評価を可能にする。

SPECT/CTイメージングは、心臓病、腫瘍学、炎症など様々な分野にわたる広く適用可能な技術です。心筋灌流研究では、心筋灌流研究ではSPECT/CTを用いて、心筋を通して血液がどれだけよく流れるかを実証することによって冠状動脈の閉塞を診断する。心筋灌流研究を受けている患者は、心臓ストレスを誘発するために運動します。その後、患者は全身の血液移動と混合する放射性トレーサーを注入する。冠状動脈の閉塞のために血液が心臓の特定の領域に到達できない場合、どちらもトレーサーを行わない。SPECT/CT画像は運動後、患者が休息した後に撮影されます。SPECT/CTイメージング中、血液が到達できない領域は暗く現れ、冠状動脈閉塞または梗塞の可能性を示す。

腫瘍学や炎症などの他の用途では、放射性トレーサーを選択的に生物学的分子を標的とするように選択することができる。腫瘍学の場合、放射性トレーサーは腫瘍に見られる特定の細胞表面受容体を標的とする。そして、SPECT/CTイメージング中の放射性トレーサーの取り込みは、腫瘍の存在を示唆している。最後に、炎症の場合、放射性トレーサーは感染または炎症を標的にし、同時に正確な解剖学的位置を提供することができる。これは、骨の感染症である骨髄炎の程度を診断する際に貴重です。要約すると、SPECT/CTは、解剖学的および機能的な情報を非侵襲的に提供するために2つの技術を組み合わせた汎用性の高いイメージングアプローチです。