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Medicine

Hochauflösende kardiale Positronen-Emissions-Tomographie/Computertomographie für Kleintiere

Published: December 16, 2022 doi: 10.3791/64066
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2, 3, 1, 1
1CNR Institute of Clinical Physiology, 2Sant’Anna School of Advanced Studies, 3Fondazione Regione Toscana/CNR “G. Monasterio”

Summary

Hier stellen wir ein experimentelles Bildgebungsprotokoll zur Quantifizierung der Herzfunktion und -morphologie mittels hochauflösender Positronen-Emissions-Tomographie/Computertomographie für Kleintiere vor. Es werden sowohl Mäuse als auch Ratten betrachtet, wobei die unterschiedlichen Anforderungen an Computertomographie-Kontrastmittel für die beiden Arten diskutiert werden.

Abstract

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und die Computertomographie (CT) gehören zu den am häufigsten verwendeten diagnostischen bildgebenden Verfahren und dienen beide zum Verständnis der Herzfunktion und des Stoffwechsels. In der präklinischen Forschung werden spezielle Scanner mit hoher Empfindlichkeit und hoher räumlich-zeitlicher Auflösung eingesetzt, die den anspruchsvollen technologischen Anforderungen der kleinen Herzgröße und der sehr hohen Herzfrequenz von Mäusen und Ratten gerecht werden. In dieser Arbeit wird ein bimodales kardiales PET/CT-Bildgebungsprotokoll für experimentelle Maus- und/oder Rattenmodelle von Herzerkrankungen beschrieben, von der Tierpräparation über die Bildaufnahme und -rekonstruktion bis hin zur Bildverarbeitung und Visualisierung.

Insbesondere der 18 F-markierte Fluordesoxyglucose ([18F]FDG)-PET-Scan ermöglicht die Messung und Visualisierung des Glukosestoffwechsels in den verschiedenen Segmenten des linken Ventrikels (LV). Polarkarten sind praktische Werkzeuge, um diese Informationen anzuzeigen. Der CT-Teil besteht aus einer zeitaufgelösten 3D-Rekonstruktion des gesamten Herzens (4D-CT) mittels retrospektivem Gating ohne Elektrokardiographie (EKG) Ableitungen, die die morphofunktionelle Bewertung der LV und die anschließende Quantifizierung der wichtigsten Herzfunktionsparameter wie Ejektionsfraktion (EF) und Schlagvolumen (SV) ermöglicht. Mit einem integrierten PET/CT-Scanner kann dieses Protokoll innerhalb derselben Anästhesieinduktion ausgeführt werden, ohne dass das Tier zwischen verschiedenen Scannern neu positioniert werden muss. Daher kann PET/CT als umfassendes Werkzeug für die morphofunktionelle und metabolische Bewertung des Herzens in mehreren Kleintiermodellen von Herzerkrankungen angesehen werden.

Introduction

Kleintiermodelle sind äußerst wichtig für das Verständnis von Herz-Kreislauf-Erkrankungen 1,2. Nicht-invasive, diagnostische Bildgebungsinstrumente haben die Art und Weise, wie wir die Herzfunktion betrachten, in den letzten Jahrzehnten sowohl im klinischen als auch im präklinischen Umfeld revolutioniert. Für Kleintiermodelle von Herzerkrankungen wurden spezifische bildgebende Verfahren mit sehr hoher raumzeitlicher Auflösung entwickelt. Somit können solche Instrumente die Notwendigkeit einer genauen Quantifizierung der relevanten metabolischen und kinetischen Myokardparameter an den sehr kleinen und sich sehr schnell bewegenden Herzen von Mäusen und Ratten in spezifischen Krankheitsmodellen wie Herzinsuffizienz (HF)3 oder Myokardinfarkt (MI)4 erfüllen. Hierfür stehen mehrere Modalitäten zur Verfügung, jede mit ihren eigenen Stärken und Schwächen. Die Ultraschallbildgebung (US) ist aufgrund ihrer großen Flexibilität, sehr hohen zeitlichen Auflösung und relativ niedrigen Kosten die am weitesten verbreitete Modalität. Die Einführung der US-amerikanischen kardialen Bildgebung bei Kleintieren hat seit dem Aufkommen von Systemen mit Sonden mit Ultrahochfrequenz 5,6 und räumlichen Auflösungen unter 50 μm erheblich zugenommen.

Zu den Hauptnachteilen von US für die vollständige 3D-Herzbildgebung gehört die Notwendigkeit linearer Scans entlang der Herzachse, indem die Sonde auf einem motorisierten Translationstisch montiert wird, um einen vollständigen Stapel dynamischer B-Mode-Bilder des gesamten Herzens zu erstellen7. Schließlich führt dieses Verfahren (nach genauer räumlicher und zeitlicher Registrierung der in jeder Sondenposition aufgenommenen Bilder) zu einem 4D-Bild mit unterschiedlichen räumlichen Auflösungen zwischen der In-Plane- und Out-of-Plane-Richtung. Das gleiche Problem der ungleichmäßigen räumlichen Auflösung tritt bei der kardialen MR (CMR)8 auf, die immer noch den Goldstandard in der funktionellen Bildgebung des Herzens darstellt. Echte isotrope 3D-Bildgebung kann stattdessen sowohl mit Computertomographie (CT) als auch mit Positronen-Emissions-Tomographie (PET)9 erhalten werden. PET bietet ein sehr empfindliches Werkzeug in Bezug auf das Bildsignal pro injizierter Sondenmenge (im nanomolaren Bereich), obwohl es im Vergleich zu CT, MR oder US eine reduzierte räumliche Auflösung aufweist. Der Hauptvorteil von PET ist seine Fähigkeit, die zellulären und molekularen Mechanismen darzustellen, die der Pathophysiologie des Organs zugrunde liegen. Zum Beispiel ermöglicht ein PET-Scan nach der Injektion von [18F]FDG die Rekonstruktion einer 3D-Karte des Glukosestoffwechsels im Körper. Durch die Kombination mit dynamischer (d.h. zeitaufgelöster) Datenerfassung kann die kinetische Tracermodellierung verwendet werden, um parametrische Karten der metabolischen Raten der Glukoseaufnahme (MRGlu) zu berechnen, die wichtige Informationen über die myokardiale Lebensfähigkeit liefern10.

Die CT erfordert signifikante Mengen an externen Kontrastmitteln (CA) in hohen Konzentrationen (bis zu 400 mg Jod pro ml), um eine messbare Verbesserung der relevanten Gewebekomponenten (z. B. Blut vs. Muskel) zu erreichen, zeichnet sich jedoch durch räumliche und zeitliche Auflösung aus, insbesondere bei Verwendung modernster Mikro-CT-Scanner, die für die Bildgebung von Kleintieren entwickelt wurden. 11 Ein typisches Krankheitsmodell, in dem die kardiale PET/CT angewendet werden kann, ist die experimentelle Bewertung von Myokardinfarkt und Herzinsuffizienz und dem damit verbundenen Ansprechen auf die Therapie. Eine übliche Methode zur Induktion von MI bei Kleintieren ist die chirurgische Ligatur der linken vorderen absteigenden Koronararterie (LAD)12,13 und die anschließende longitudinale Bewertung des Fortschreitens der Erkrankung und des Herzumbaus in den folgenden Tagen4. Dennoch ist die quantitative morphofunktionelle Bewertung des Herzens bei Kleintieren weitgehend auch für andere Krankheitsmodelle anwendbar, wie z.B. die Bewertung des Einflusses des Alterns auf die Herzfunktion14 oder die veränderte Rezeptorexpression in Modellen der Adipositas15. Das vorgestellte Bildgebungsprotokoll ist nicht auf ein bestimmtes Krankheitsmodell beschränkt und könnte daher in verschiedenen Kontexten der präklinischen Forschung mit kleinen Nagetieren von größtem Interesse sein.

In diesem Artikel stellen wir ein Start-to-End-Versuchsprotokoll für die kardiale Bildgebung mit kleintierintegrierter PET / CT vor. Obwohl das vorgestellte Protokoll für einen bestimmten bimodalen integrierten Scanner ausgelegt ist, können die PET- und CT-Teile des beschriebenen Verfahrens unabhängig voneinander auf separaten Scannern verschiedener Hersteller durchgeführt werden. Im eingesetzten PET/CT-Scanner ist der Arbeitsablauf in einem vorprogrammierten Workflow organisiert. Die Hauptzweige jedes Workflows sind ein oder mehrere Erfassungsprotokolle. Jedes Erfassungsprotokoll kann eine oder mehrere Verzweigungen für bestimmte Vorverarbeitungsprotokolle aufweisen, und jedes Vorverarbeitungsprotokoll kann wiederum eine oder mehrere Verzweigungen für bestimmte Rekonstruktionsprotokolle aufweisen. Sowohl die Vorbereitung des Tieres auf dem Bildgebungsbett als auch die Herstellung der externen Mittel, die während der bildgebenden Verfahren injiziert werden sollen, werden beschrieben. Nach Abschluss des Bildaufnahmeverfahrens werden Beispielverfahren zur quantitativen Bildanalyse auf Basis gängiger Softwaretools bereitgestellt. Das Hauptprotokoll wurde speziell für Mausmodelle entwickelt. Obwohl die Maus nach wie vor die am häufigsten verwendete Spezies in diesem Bereich ist, zeigen wir am Ende des Hauptprotokolls auch eine Anpassung des Protokolls für die Rattenbildgebung. Repräsentative Ergebnisse werden sowohl für Mäuse als auch für Ratten gezeigt, die zeigen, welche Art von Leistung mit den beschriebenen Verfahren zu erwarten ist. Am Ende dieses Papiers wird eine gründliche Diskussion geführt, um die Vor- und Nachteile der Technik, kritische Punkte sowie die Art und Weise, wie verschiedene PET-Radiotracer verwendet werden können, fast ohne Änderung der Vorbereitungs- und Akquisitions- / Rekonstruktionsschritte hervorzuheben.

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Protocol

Tierversuche wurden in Übereinstimmung mit den Empfehlungen im Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Versuchstieren der Internationalen Richtlinien für den Umgang mit Labortieren durchgeführt, die von der europäischen Richtlinie (Richtlinie 86/609/EWG von 1986 und Richtlinie 2010/63/EU) und italienischen Gesetzen (D.Lgs. 26/2014) gefordert wurden.

1. Einrichtung der PET/CT-Bildgebungsprotokolle und des Workflows

HINWEIS: Das hier vorgestellte Protokoll wurde speziell für die kardiale Bildgebung von Mausmodellen entwickelt. Die Arbeit mit Ratten könnte einige Änderungen am eigentlichen Protokoll bedeuten, hauptsächlich wegen der größeren Größe des Tieres (etwa 10x schwerer). Die Modifikationen für die Rattenbildgebung werden in den Schritten ausdrücklich erwähnt; Wenn keine Änderungen erwähnt werden, können die gleichen Schritte für die Mausbildgebung für Ratten verwendet werden.

  1. Öffnen Sie die grafische Benutzeroberfläche (GUI) des PET/CT-Scanners (siehe Tabelle der Materialien) und erstellen eine Reihe neuer Protokolle (einschließlich Parametern für die Datenerfassung, Vorverarbeitung und Bildrekonstruktion): (i) a dynamischer PET-Scan, ii) a niedrig dosierter CT-Scan zur Dämpfungskorrektur (CTAC) ohne Kontrastmittel und iii) eine kontrastverstärkter Cine-CT-Scan.
    HINWEIS: Die Erstellung neuer Protokolle (d. h. spezifischer Softwareanweisungen für den Tomographen) für die Erfassungs-, Vorverarbeitungs- und Rekonstruktionsphasen ist ein unkomplizierter Prozess. Im Falle von Problemen kann der Benutzer detailliertere Informationen im Benutzerhandbuch der GUI finden.
    1. Öffnen Sie für den PET-Scan die Registerkarte Protokoll des Scanners (GUI) und erstellen Sie drei neue Protokolle (für Erfassung, Vorverarbeitung und Rekonstruktion) mit den folgenden Parametern:
      1. Für das Erfassungsprotokoll : Stellen Sie 3.600 s Gesamtscanzeit und Einzelbettposition ein. Speichern Sie dieses Protokoll unter einem richtigen Namen für den nachfolgenden Import in den Workflow. Machen Sie dasselbe auch für alle nächsten Protokolle in den folgenden Punkten.
      2. Für das Vorverarbeitungsprotokoll für Maus: Wählen Sie ein 250-750 keV Energiefenster (EW) und aktivieren Sie die folgenden Korrekturen: radioaktiver Zerfall, zufällige Zufälle und Totzeit. Stellen Sie das Framing-Protokoll (d.h. dynamische Aufteilung der Rohdaten) wie folgt ein: 8 x 5 s, 8 x 10 s, 3 x 40 s, 2 x 60 s, 2 x 120 s, 10 x 300 s (= 3.600 s). Wählen Sie für Ratte ein 350-750 keV Energiefenster (EW) mit dem gleichen Rahmen wie für das Mausprotokoll.
      3. Für das Rekonstruktionsprotokoll: Wählen Sie den hochwertigen, in Monte Carlo basierenden 3D-OSEM-MC-Algorithmus (3D Ordered Subset Expectation Maximization) mit 8 Teilmengen und 8 Iterationen, wobei Normalisierung, quantitative Korrektur und CT-Dämpfungskorrektur aktiviert sind.
    2. Verwenden Sie für den Niedrigdosis-CT-Scan zur Dämpfungskorrektur (CTAC) die folgenden Parameter:
      1. Für das Aufnahmeprotokoll : Einzelbild, Einzelbettposition, Vollscan; Röhreneinstellungen: 80 kV, niedriger Strom (niedrige Dosis); 576 Ansichten über 360°, mit 34 ms Belichtungszeit pro Ansicht (20 s Scanzeit); Rotationstyp: kontinuierlich, Empfindlichkeitsmodus: hohe Empfindlichkeit.
      2. Für das Vorverarbeitungsprotokoll : 240 μm Voxelgröße, transversale FOV: Ratte, axiales FOV: 100%.
      3. Für das Rekonstruktionsprotokoll : Filterfenster: glatt, Voxelgröße: Standard , Strahlhärtung und Ringvorkorrektur aktivieren, Ringartefakt-Nachkorrektur deaktivieren.
    3. Erstellen Sie für den kontrastverstärkten gesteuerten CT-Scan drei neue Protokolle (für die Erfassung, Vorverarbeitung und Rekonstruktion) mit den folgenden Einstellungen:
      1. Für das Aufnahmeprotokoll für Maus: Einzelbild, Einzelbettposition, Full-Scan; Röhreneinstellungen: 65 kV, Vollstrom (rauscharm); 8.000 Ansichten über 360°, mit 15 ms Belichtungszeit pro Ansicht (120 s Scanzeit); Rotationstyp: kontinuierlich, Empfindlichkeitsmodus: hohe Empfindlichkeit. Stellen Sie für RAT die Parameter des Erfassungsprotokolls wie folgt ein: 80 kV Röhrenspannung, 16.000 Ansichten über 360°, mit 12 ms Belichtungszeit pro Ansicht (192 s Scanzeit).
      2. Für das Vorverarbeitungsprotokoll für Maus: Wählen Sie 120 μm Voxelgröße; transsales Sichtfeld (FOV): Maus; axiales Sichtfeld: 50%. Wählen Sie für Ratte eine Voxelgröße von 240 μm; transversales Sichtfeld (FOV): Ratte; axiales Sichtfeld: 50%.
      3. Für das Rekonstruktionsprotokoll : Filterfenster: glatt, Voxelgröße: Standard; Aktivieren Sie die Strahlhärtung und Ringvorkorrektur, deaktivieren Sie die Ringartefakt-Nachkorrektur.
    4. Öffnen Sie die Registerkarte Workflow in der GUI und erstellen Sie einen neuen Workflow und fügen Sie die soeben erstellten Protokolle hinzu: Schritte 1.1.1.1-1.1.1.3 für PET, Schritte 1.1.2.1. -1.1.2.3. für CTAC und Schritte 1.1.3.1. -1.1.3.3. für gated CT, in der angegebenen Reihenfolge. Stellen Sie in beiden Fällen sicher, dass die Protokolle in der folgenden Reihenfolge verschachtelt sind: Erfassung | Vorverarbeitung | Wiederaufbau.
      HINWEIS: Dynamische PET-Frames mit einer Dauer von <5 s zur besseren Erfassung des Peaks der arteriellen Eingabefunktion zu Beginn des PET-Scans sind möglich, werden jedoch nicht empfohlen, da dies zu verrauschten Bildern mit reduzierter quantitativer Genauigkeit führen kann. In Schritt 1.1.2.2 haben wir die Größe "Ratte" für das transversale FOV verwendet. Dies wird häufig sowohl für Ratten als auch für Mäuse in CTAC verwendet.

2. Tierpräparation für die PET/CT-Bildgebung

ANMERKUNG: Für das vorliegende Protokoll wurden alle Tiere über Nacht gefastet.

  1. Betäuben Sie die Maus zunächst mit 3% -4% (v / v) Isofluran in einer Induktionskammer und halten Sie sie dann mit 1% -2% (v / v) Isofluran aufrecht.
  2. Wiegen Sie die Maus und messen Sie die Basalglykämie, um den Zustand des Tieres zu überwachen. Um die erforderliche Blutprobe zu entnehmen, verwenden Sie eine scharfe Schere und machen Sie einen kleinen Schnitt an der Schwanzspitze, dann massieren Sie sanft den Schwanz, um einen Bluttröpfchen (~ 1 μL) direkt auf dem Teststreifen zu sammeln.
  3. Fahren Sie mit der Einführung eines venösen Zugangs auf Höhe der Schwanzvene fort, wobei ein 29 G Schmetterling für Maus und 24 G für Ratte verwendet wird.
    1. Um die Kanülierungstechnik durchzuführen, verwenden Sie gleichzeitige Erwärmung (typischerweise unter einer Heizlampe) und Desinfektion der Stelle, an der die Nadel zur Vasodilatation der Vene eingeführt wird. Befestigen Sie den Schmetterling nach der Kanülierung mit einem Seidenband am Schwanz, um ihn während des Eingriffs an Ort und Stelle zu halten.
      HINWEIS: Fasten ist für [18F]FDG-Studien erforderlich. Verschiedene Tracer können unterschiedliche Tierpräparate beinhalten, aber eine gründliche Diskussion zu diesem Thema würde den Rahmen des vorliegenden Protokolls sprengen. Was [18F]FDG betrifft, führt die Vermeidung von Fasten zu einer sehr unterschiedlichen Tracer-Bioverteilung16.
  4. Schalten Sie das Anästhesiesystem (Isofluran 1%-2%, 0,8 l/minO2 für Maus und 1-1,2 l/min für Ratte) ein, das an den PET-CT-Scanner angeschlossen ist, und bringen Sie die Maus auf das Bett.
  5. Stellen Sie die Maus kopfüber in Rückenlage auf das Scannerbett des PET-CT-Tomographen, stecken Sie ihre Nase zur Narkose in die Nasenmaske und blockieren Sie sanft den Kopf der Maus mit Klebeband zur Maske.
  6. Befestigen Sie die oberen und unteren Gliedmaßen der Maus auf dem Scannerbett, um unwillkürliche Bewegungen während der Bildgebungsverfahren zu vermeiden, die zu Bewegungsartefakten führen können.
  7. Überwachen Sie die Körpertemperatur und die Atemfrequenz mit einer rektalen Sonde bzw. einem Atemkissen.

3. PET-Tracer-Dosisvorbereitung

  1. Bei Mäusen ziehen Sie 10 MBq [18F]FDG in einem Volumen von 100-150 μL mit einer Insulinspritze (1 ml). Bei Ratten eine höhere Dosis von 15 MBq in 0,20-0,25 ml ziehen.
    HINWEIS: Vermeiden Sie eine höhere Aktivität, da der in diesem Protokoll besprochene PET-Scanner eine sehr hohe Empfindlichkeit aufweist und nur eine bescheidene Aktivität erfordert, um qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten.
  2. Wenn die ursprüngliche Konzentration des Tracers in der Durchstechflasche zu hoch ist, verwenden Sie physiologische Lösung (0,9% w/v NaCl), um die Tracerdosis auf eine Konzentration von 50-100 MBq/ml zu verdünnen.
  3. Verwenden Sie den PET-Dosiskalibrator, um die tatsächliche Aktivität in der Spritze zu messen. Kommentieren Sie die Vorinjektionsaktivität und den Zeitpunkt der Messung, da diese Werte später mit speziellen Eingabemodulen der PET-Scanner-GUI verwendet werden.

4. CT-Kontrastmittel-Zubereitung

  1. Ziehen Sie 0,2 ml pro 20 g Mausgewicht jodiertes Lipidemulsionskontrastmittel in eine 1 ml Spritze. Begrenzen Sie das Injektionsvolumen auf 0,5 ml CA für schwerere Mäuse. Wenn Sie Iomeprol verwenden, stellen Sie die Injektionsrate für Mäuse auf 10 ml / h (~ 0,17 ml / min) ein und begrenzen Sie das Injektionsvolumen auf 0,5 ml.
    1. Bei Ratten 2,3-3 ml Iomeprol, verdünnt auf eine Konzentration von 200 mg/ml, in eine 5-ml-Spritze geben.
      HINWEIS: Wenn keine kleintierische Lipidemulsion CA verfügbar ist, kann Iomeprol mit kontinuierlicher Injektion mittels einer Spritzenpumpe verwendet werden, wie unten beschrieben.
    2. Schließen Sie die Spritze an die Spritzenpumpe an und stellen Sie die Pumpe auf die tatsächliche Spritzengröße und den Durchmesser ein.
    3. Verbinden Sie die Spritze mit dem CA-Schlauch und der Nadel, und füllen Sie den Schlauch mit der CA vor.
    4. Stellen Sie die Injektionsrate auf 24 ml/h (= 0,4 ml/min) ein und begrenzen Sie die Injektion auf ein maximales Volumen von 2 ml.
      HINWEIS: Die Verwendung von Blutpool-CA auf Basis einer jodierten Lipidemulsion ist auch bei Ratten möglich, trotz der relativ hohen Kosten dieses Verfahrens aufgrund des größeren Volumens einer einzigen Injektion. Wenn diese Option bevorzugt wird (z. B. um das Protokoll durch Vermeidung der Spritzenpumpe zu vereinfachen), kann folgendes Verfahren angewendet werden:
  2. Ziehen Sie 7,5 ml pro kg Körpergewicht jodiertes Lipidemulsionskontrastmittel in eine 5-ml-Spritze. Begrenzen Sie das Injektionsvolumen auch bei schwereren Ratten auf 2 ml CA.

5. Tierausrichtung und Voroperationen vor der Bildgebung

  1. Nach der Immobilisierung des Tieres auf dem Bildgebungsbett erstellen Sie eine neue Studie auf der Tomographen-GUI. Fügen Sie im Modul Studienname eine Studiennamen-ID hinzu und wählen Sie den zuvor gespeicherten Imaging-Workflow aus dem Dropdown-Menü aus.
  2. Wählen Sie den richtigen anatomischen Teil mit Tier-/Probeninformationen | Anatomischer Teil | Herz - und Tierpositionierung nach Tier-/Probeninformationen | Positionierung | Rückenlage/Kopf zuerst. Kommentieren Sie das Tiergewicht in Gramm für das entsprechende Modul: Tier-/Probeninformationen | Tiergewicht.
    HINWEIS: Alle anderen Informationen in diesem Abschnitt sind optional, aber es ist nützlich, so viele der angeforderten Informationen wie möglich anzugeben, um sie im DICOM-Header der Rekonstruktionsbilder zu finden, um so die nachfolgende Datenabfrage zu erleichtern.
  3. Wählen Sie das Radionuklid in PET-Scan-Informationen | F18 für [18 F]FDG-Studien und andere 18F-markierte Verbindungen; ändern, wenn andere Tracer (z. B. [13N]NH3) verwendet werden. Schreiben Sie auch den Namen des Tracers in die PET-Scan-Informationen | Tracer-Namensmodul, da dieser Name nach Abschluss der Bildrekonstruktion im DICOM-Header angezeigt wird.
    HINWEIS: Die Informationen über Tracerinjektionszeit, Aktivität und Volumen sind obligatorisch, können aber später während der PET-Erfassung bereitgestellt werden.
  4. Schreiben Sie in die CT-Scan-Informationen alle verfügbaren Informationen zum Kontrastmittel.
    HINWEIS: Alle diese Informationen sind optional, können aber die nachfolgende Datenabfrage erleichtern, wenn sie bereitgestellt werden.
  5. Drücken Sie Scan durchführen und warten Sie, bis eine weitere Registerkarte der GUI geöffnet wird, um die Tierpositionierung und die Angabe anderer Scanoptionen zu ermöglichen.
  6. CT-Kalibrierungstyp in CT-Kalibrierung auswählen | Verwenden Sie die Standard-CT-Kalibrierung.
  7. Wählen Sie im Abschnitt Studienvorbereitung jedes Scanprotokoll aus dem Dropdown-Menü aus und aktivieren Sie das Kontrollkästchen Vor diesem Scan auf Benutzerbestätigung warten .
    HINWEIS: Dieser Schritt ist sehr wichtig, da er den Scanner in den Standby-Modus versetzt und auf Benutzereingaben wartet, bevor die entsprechende Erfassungsphase gestartet wird. Für den PET-Scan ermöglicht dies die Synchronisierung der Tracer-Injektion und des tatsächlichen PET-Scan-Starts. für den CTAC-Scan ermöglicht es dem Benutzer, den Deckel (Abschirmung) vor der Emission von Röntgenstrahlen während des CT-Scans zu schließen (die Studie wird automatisch abgebrochen, wenn der Deckel vor Beginn des CT-Scans geöffnet ist); Für den Cine-CT-Scan ermöglicht diese Pause dem Benutzer, das CA-Infusionsprotokoll und das CT-Datenscannen mit der erforderlichen Verzögerung zu initiieren.
  8. Für die Tierpositionierung schalten Sie das Motorsteuermodul mit dem Schalter im linken Bereich der GUI ein.
    HINWEIS: Dadurch werden die Zentrierlaser auf dem Tierbett eingeschaltet und die manuellen Bettausrichtungstasten an der Seite des Scanners aktiviert.
  9. Verwenden Sie die manuellen Bettausrichtungstasten, um die Brust des Tieres auf die Lasermarkierungen zu bewegen. Überprüfen Sie sorgfältig sowohl die längs- als auch die vertikale Ausrichtung des Tieres.
  10. Sobald das Tier in die richtige Position entsprechend dem Zentrierlaser gebracht wurde, drücken Sie den Laser ausschalten , um die aktuelle lasermarkierte Position zu speichern, die während der entsprechenden Erfassungsphasen in die Mitte der PET- und CT-Scanner verschoben werden soll. Schalten Sie anschließend das Motorsteuergerät aus.

6. PET-Scan

  1. Drücken Sie Erfassung starten, um das Tier auf den PET-Scanner FOV zu bewegen. Der Schwanz und die Kanüle bleiben außerhalb des Sichtfelds, um eine Tracerinjektion zu ermöglichen. Der Scanner bleibt im Leerlauf, bis der Benutzer die Taste Continue (Weiter) drückt.
  2. Bereiten Sie die Spritze mit der kalibrierten PET-Tracerdosis vor.
  3. Starten Sie die Erfassung, indem Sie die Taste Continue (Weiter ) drücken, und beginnen Sie innerhalb von 5 s nach Beginn des Scanvorgangs mit der Injektion des Tracers in die Kanüle (Abbildung 1).
    HINWEIS: Die Injektionsdauer beträgt ~20-25 s.
  4. Setzen Sie die Spritze in den PET-Dosiskalibrator ein, um die Restaktivität in der Spritze zu messen. Kommentieren Sie die tatsächliche Aktivität und den Zeitpunkt der Messung.
  5. Verwenden Sie auf der Registerkarte Hardwaremonitor der grafischen Benutzeroberfläche des Scanners die Schaltfläche PET-Tracer-Info aktualisieren , um die tatsächlich injizierte Zeit, Aktivität und Lautstärke einzugeben.
  6. Überprüfen Sie während des Scans regelmäßig die physiologischen Parameter des Tieres.
  7. Messen Sie während des Scans die Glykämie wie in Schritt 2.2 erläutert zu folgenden Zeitpunkten: 5 min, 20 min, 40 min und 60 min nach Beginn des PET-Scans.
  8. Nach der Messung der Glykämie legen Sie den Teststreifen in den Gammazähler und führen die Aktivitätsmessung für 60 s durch. Notieren Sie den tatsächlichen Zeitpunkt, zu dem die Aktivitätsmessung durchgeführt wurde, und korrigieren Sie den radioaktiven Zerfall, wobei die Tracerinjektionszeit als Referenzzeit verwendet wird. Die aufgezeichneten Aktivitätswerte werden in Aktivitätskonzentration (Bq/ml) umgerechnet, indem ein durchschnittliches Blutvolumen von 1 μL im Glukoseteststreifen berücksichtigt wird (d.h. unter Verwendung von Gleichung [1]):
    C Blut(t) = ABlut(t)/0,001 ml [Bq/ml] (1)
    wobei ABlut(t) die zerfallskorrigierte gemessene Aktivität der Blutprobe im Teststreifen ist, ausgedrückt in Bq.
    HINWEIS: Der Start des PET-Scans und die Tracer-Injektion können von demselben Bediener durchgeführt werden, indem das mobile Steuergerät des Tomographen verwendet wird, das während der Injektion auf dem seitlichen Tisch des Scanners in der Nähe der Bedienstelle des Bedieners platziert ist. Längere Verzögerungen zwischen dem Scanstart und dem Beginn der Einspritzung sind zulässig, aber einige rekonstruierte Frames zu Beginn der dynamischen Sequenz bleiben leer. Es wird empfohlen, Verzögerungen von mehr als 10 s zu vermeiden (d. h. mit dem aktuellen Protokoll zu zwei leeren Frames führen).

Figure 1
Abbildung 1: Injektion des PET-Tracers. Dieser Vorgang wird direkt nach dem Start des PET-Scans durchgeführt. Das Tier befindet sich innerhalb des Sichtfeldes des PET (Kopf vorne, mit sichtbarem Schwanz auf der Bedienerseite). Abkürzung: PET = Positronen-Emissions-Tomographie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

7. CT-Scans

  1. Bevor Sie das CT-Kontrastmittel injizieren, starten Sie den CTAC-Scan direkt nach dem Schließen des Scannerdeckels und dem Drücken der Taste Continue (Weiter ) auf der GUI. Am Ende dieser sehr kurzen Erfassung wenden Sie die folgenden Verfahren an, um eine ordnungsgemäße Verbesserung des Blutpools sicherzustellen, indem die CA vor der Erfassung mit demselben vaskulären Zugang injiziert wird, der für die Injektion des PET-Tracers verwendet wird.
    1. Jodlipidemulsion CA:
      1. Nach Abschluss des CTAC-Scans injizieren Sie die jodierte Lipidemulsion CA mit der Kanüle, die bereits mit der Mausschwanzvene verbunden ist. Die typische Injektionsdauer liegt in der Größenordnung von 30-60 s.
      2. Starten Sie die Bildgebung direkt nach Abschluss der Injektion. Klicken Sie auf der grafischen Benutzeroberfläche des Scanners auf Weiter , um die Cine-CT-Erfassung zu starten.
    2. Iomeprol/Spritzenpumpe:
      1. Wenn eine normale Röntgen-CA wie Iomeprol verwendet wird, verwenden Sie eine Spritzenpumpe, die eine langsame Injektion mit konstanter Rate ermöglicht.
      2. Stellen Sie bei Mäusen die Injektionsrate der CA auf 10 ml / h (~ 0,17 ml / min) ein, indem Sie das Injektionsvolumen auf 0,5 ml begrenzen. Mit dieser Einstellung stoppen Sie die Injektion nach ~3 min. Stellen Sie die Pumpe bei Ratten auf eine Rate von 24 ml/h (= 0,4 ml/min) ein und begrenzen Sie das Injektionsvolumen auf 2 ml. Mit dieser Einstellung beenden Sie die Injektion nach 5 min.
      3. Verbinden Sie die am CA-Schlauch befestigte Nadel mit der Kanüle der Schwanzvene und stellen Sie sicher, dass sowohl der Schlauch als auch die Nadel mit CA vorgefüllt sind.
      4. Starten Sie die Injektion. Schließen Sie den Deckel des Scanners und bereiten Sie sich auf den Cine-CT-Scan vor.
      5. Drücken Sie die Taste Continue (Weiter) auf der Benutzeroberfläche des Tomographen nach 60 s nach Beginn der Injektion für Mäuse und nach 90 s nach Beginn der Injektion für Ratten, so dass die Cine-CT-Erfassung gestartet wird. Die Injektion von CA wird ungefähr zur gleichen Zeit wie der Abschluss des Cine-CT-Scans für Mäuse und nach Abschluss für Ratten beendet.
  2. Trennen Sie das Tier nach Abschluss des Cine-CT-Scans vom physiologischen Überwachungssystem und entfernen Sie die Schwanzvenenkanüle. Je nach tatsächlichem Protokoll werden die Tiere nach dem beschriebenen bildgebenden Verfahren entweder geborgen oder eingeschläfert. Im ersten Fall werden Tiere in ihren Käfigen in einer warmen Umgebung unter einer Infrarotlampe geweckt. Sie werden bis zum vollständigen Erwachen überwacht und dauern 15/30 Minuten nach der Gasanästhesie. Im Falle von Protokollen, die z. B. eine Gewebeentnahme am Ende des bildgebenden Verfahrens erfordern, werden die Tiere mit einer anästhetischen Überdosis in einer Induktionskammer (5% Isofluran) gemäß Anhang VI des D.Lgs. 26/2014 eingeschläfert.
    ANMERKUNG: Im Falle von 18F-basierten Radionukliden, wie in diesem Protokoll erörtert, reichen 24 Stunden nach der Tracerinjektion aus, um ein für alle praktischen Zwecke sicheres Restradioaktivitätsniveau am Körper des Tieres zu erreichen.

8. Rekonstruktion der kardialen 4DCT-Bilder mittels intrinsischem kardiorespiratorischem Gating

HINWEIS: Nach Abschluss der Bildgebungsstudie wird automatisch die Standard-PET- und CT-Rekonstruktion durchgeführt. Dennoch muss die Rekonstruktion der 4D (Cine) Cardio-CT-Sequenz manuell durchgeführt werden und erfordert einige Benutzerinteraktionen. Diese spezielle Art der Rekonstruktion, die für die anschließende morphofunktionelle kardiale CT-Analyse zwingend erforderlich ist, wird in diesem Abschnitt diskutiert.

  1. Öffnen Sie das kardiale Gating-Modul der GUI des Tomogragh und wählen Sie die zu analysierende Bildgebungsstudie aus.
  2. Wählen Sie eine Region of Interest (ROI) auf den Röntgenbildern des angezeigten Tieres (Abbildung 2) aus, um eine zeitabhängige Herzbewegungskurve zu erstellen, die das Gating-Signal darstellt - das Kymogramm. Bewegen Sie den vorgezeichneten rechteckigen ROI vertikal so, dass sowohl die Herzspitze als auch das Zwerchfell ausgewählt werden. Wählen Sie dann Gating-Signalanalyse. Die Benutzeroberfläche zeigt nun das Gating-Signal sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich an.
  3. Wählen Sie im ersten Frequenzbereichsdiagramm das respiratorische Frequenzband aus, indem Sie die erste Gruppe von Spitzen des Frequenzspektrums markieren (siehe Abbildung 3 für ein Beispielspektrum).
  4. Wählen Sie im zweiten Frequenzbereichsdiagramm das Frequenzband der Herzbewegung aus und markieren Sie den zweitschärfsten Peak.
  5. In der nächsten Phase beobachten Sie das Zeitbereichs-Gating-Signal mit überlagerten Farbmarkierungen (Punkten), die die identifizierten Atemspitzen und Herzkontraktionsspitzen zeigen. Wenn die Markerpositionen gut zu den Atem- und Herzspitzen des ursprünglichen Gating-Signals passen, fahren Sie mit der nächsten Phase fort. Sonst:
    1. Wenn sich die Form des Gating-Signals zu sehr von der in Abbildung 3 dargestellten unterscheidet, kehren Sie zu Schritt 8.2 zurück, und wählen Sie einen anderen ROI aus.
    2. Wenn die Form des Gating-Signals der in Abbildung 3 gezeigten Form einigermaßen ähnlich ist, kehren Sie zu Schritt 8.3 und Schritt 8.4 zurück, und wählen Sie verschiedene Frequenzbänder im Gating-Signalspektrum aus.
  6. Wählen Sie in der nächsten Phase mindestens vier Herztore aus.
    HINWEIS: Die typische Cine-CT-Rekonstruktion besteht aus 8-12 Herztoren.
  7. Wählen Sie das richtige Atemschutzfenster aus, indem Sie das Dropdown-Menü verwenden: Atemschutzfenster | 20%-80%.
    HINWEIS: Dadurch bleiben 60% der erfassten Daten in der Rekonstruktion erhalten, wobei die Phase der Spitzeninspiration ausgeschlossen wird und somit die Schärfe der rekonstruierten Myokardwände in jeder Herzphase verbessert wird.
  8. Führen Sie eine Rekonstruktion durch, um die retrospektiv gesteuerten Cine-CT-Bilder in das DICOM-Format zu konvertieren, das zur anschließenden Funktionsanalyse in die Software importiert werden kann.

Figure 2
Abbildung 2: ROI-Auswahlwerkzeug für intrinsisches Gating. Dieses Bild wird während der Cine-CT-Rekonstruktionsphase in der GUI des Tomographen angezeigt. Der Benutzer muss die Position des ROI (gelbes Rechteck) auswählen, auf der das intrinsische Gating-Signal (Kymogramm) aus den rohen CT-Projektionen erhalten wird. Das kreisförmige Objekt, das der Tierbrust überlagert ist, ist das Atemkissen, das während der Studie nur zur physiologischen Überwachung verwendet wird. Abkürzungen: ROI = Region of Interest; CT = Computertomographie; GUI = grafische Benutzeroberfläche. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 3
Abbildung 3: Beispiel Gating-Signal (oberer Rahmen) und entsprechendes Frequenzspektrum (Mitte und unten). Bilder, die mit dem Herz-Gating-Modul der Atrium-Software aufgenommen wurden. Der Benutzer muss die richtigen Frequenzbänder sowohl für die Atem- (Mittelrahmen) als auch für die Herzbewegung (unterer Rahmen) auswählen. Dies ermöglicht die Identifizierung der Atem- und Herzmarker auf dem Gating-Signal, die vom Benutzer überprüft werden müssen, bevor mit der 4D-Rekonstruktion fortgefahren wird. Eine schlechte Identifizierung der Peaks oder eine falsche Zuordnung (z. B. Atemwege zu Herz oder umgekehrt) führen zu einer falschen Rekonstruktion. Die gezeigten Daten stammen aus der Analyse eines 4D-Cine-CT-Scans einer gesunden, erwachsenen männlichen Wistar-Ratte (507 g), der 2 ml Iomeprol, 200 mg/ml, mit einer Rate von 0,4 ml/min für 5 min injiziert wurde (die Grafik oben wird auf die ersten 22 s der Erfassung vergrößert, um eine bessere Visualisierung der identifizierten Herz- und Atembewegung zu ermöglichen). Abkürzung: CT = Computertomographie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

9. PET-Herzanalyse

HINWEIS: In diesem Abschnitt wird gezeigt, wie eine kinetische Analyse dynamischer [18F]FDG-Daten des kleintierischen linken Ventrikels durchgeführt wird. Die Analyse basiert auf der Carimas Software. Die folgenden Anweisungen sind nicht als Ersatz für die Software-Bedienungsanleitung17 gedacht. Das unten dargestellte Verfahren basiert auf der grafischen Analyse dynamischer PET-Daten durch Patlak18. Weitere Informationen zu dieser Analyse finden Sie im Abschnitt Diskussion.

  1. Öffnen Sie die DICOM-Bilder des dynamischen PET-Scans.
  2. Wählen Sie das HeartPlugin-Modul aus.
  3. Zoomen Sie in das Bild auf dem Maus-/Rattenherz hinein und wählen Sie den letzten Zeitrahmen (oder äquivalent die Summe der letzten drei bis fünf Zeitrahmen), für den der größte Teil der Blutpoolaktivität bereits ausgewaschen wurde.
  4. Folgen Sie den Anweisungen auf dem Bildschirm, um das Bild entlang der Hauptachse des Tierherzens (kurze Achse, vertikale und horizontale Längsachse) neu auszurichten. Tun Sie dies interaktiv, indem Sie die angezeigten Marker für die Herzbasis und die Spitze verschieben (Abbildung 4).
  5. Wählen Sie das Werkzeug Segmentierung aus.
    HINWEIS: Standardmäßig ist die automatische Segmentierung aktiviert, die in den meisten Fällen zuverlässige Ergebnisse liefert.
  6. Wenn das Ergebnis der automatischen Segmentierung nicht akzeptabel ist, verfeinern Sie die Form des segmentierten Myokards und/oder LV-Hohlraums, indem Sie den manuellen Modus aktivieren (ROI-Suche deaktiviert).
  7. Wählen Sie im Modellierungswerkzeug das geeignete kinetische Modell aus, das für die dynamische PET-Analyse verwendet werden soll. Wählen Sie in diesem Fall Grafik | Patlak , um die Patlak-Diagrammanalyse für die Berechnung der metabolischen Rate der Glukoseaufnahme (MRGlu) für jeden Herzsektor zu ermöglichen.
  8. Wählen Sie im Polarmap-Werkzeug die richtige Anzahl der angezeigten Herzsegmente aus. Wählen Sie in diesem Fall 17 Segmente aus.
  9. Drücken Sie nun die Taste Fit , um den Anpassungsvorgang der Patlak-Analyse durchzuführen.
  10. Beachten Sie am Ende des Anpassungsvorgangs die angezeigte Polarkarte der Ki-Werte (d. h. die Steigung der linearen Regression in ml/[ml× min]).
  11. Unter Verwendung der Ki-Werte für jeden in einer Tabelle dargestellten Sektor wird derMR-Glu anhand von Gleichung (2) berechnet:
    MR Glu = (Ki × PGlu)/LC (2)
    wobei P Glu ein aus der Blutprobe abgeleiteter Wert der Plasmaglukosekonzentration (mmol/L) und dieLumped-Konstante (LC) ein empirischer Koeffizient ist, der verwendet wird, um den Unterschied in der Aufnahme zwischen normaler Glukose und FDG auszugleichen. Siehe z.B. Ng et al.22 für typische Werte der Lumped-Konstante unter verschiedenen experimentellen Bedingungen.
    HINWEIS: Bevor Sie mit der PET-Analyse beginnen, empfiehlt es sich, die dynamische Abfolge der PET-Volumina innerhalb des PET-Analyse-Softwaretools visuell zu überprüfen. Dies ist notwendig, um makroskopische Tierbewegungen zwischen Zeiträumen während der Studie auszuschließen. Wenn Bewegung vorhanden ist, sollte eine ordnungsgemäße Bildregistrierung (außerhalb des Geltungsbereichs dieses Protokolls) vor der Analyse durchgeführt werden, wenn möglich.

Figure 4
Abbildung 4: Neuorientierungstool der PET-Analysesoftware. Die Projektion von zwei einfachen Liniensegmenten im 3D-Raum wird auf jeder der drei Standardebenen (transaxial, koronal und sagittal) dargestellt. Das erste Segment ermöglicht es dem Benutzer, die Herzbasis und die Spitze auszuwählen, während das zweite die Auswahl der linken und rechten Seite des Herzens ermöglicht. Dieser Schritt führt zu einem neuen (interpolierten) PET-Bild (untere Reihe), wobei das Herz entlang der Standard-AHA-Darstellung neu ausgerichtet wird. Die Bilder wurden mit Carimas von einer gesunden erwachsenen männlichen CD-1-Maus mit einem Gewicht von 51 g aufgenommen und mit 10 MBq [18F]FDG injiziert. Abkürzungen: PET = Positronen-Emissions-Tomographie; AHA = American Heart Association; FDG = Fluordesoxyglucose. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

10. Cine-CT Herzanalyse

HINWEIS: In diesem Abschnitt wird gezeigt, wie Sie eine quantitative Analyse des Cine-CT-Herzbildes durchführen, um globale quantitative Daten der Herzfunktion zu sammeln. Die Analyse basiert auf der Software Osirix MD. Die folgenden Anweisungen sind nicht als Ersatz für die Osirix-Bedienungsanleitung24 gedacht.

  1. Laden Sie die DICOM-Bilder des Cine-CT-Scans in die Software.
  2. Öffnen Sie den dynamischen Datensatz mit dem integrierten 4D-Viewer.
  3. Mit dem Werkzeug 3D Multiplanar Reformation (MPR) können Sie die Bilddaten entlang der kurzen Achse neu ausrichten (Abbildung 5).
  4. Exportieren Sie die neu ausgerichteten Daten nach DICOM, um sicherzustellen, dass die gesamten 4D-Daten exportiert werden, mit erhaltener Schichtdicke (wie beim Original) und Bildbittiefe (16 Bit pro Voxel)
  5. Öffnen Sie die exportierten 4D MPR Bilder mit dem 4D Viewer.
  6. Wählen Sie einen Zeitrahmen aus, der der Enddiastole entspricht. Durchsuchen Sie alle Zeitrahmen mit dem Zeitschieberegler in der Hauptsymbolleiste, um sicherzustellen, dass die richtige Herzphase ausgewählt ist.
  7. Wählen Sie in diesem Zeitrahmen das geschlossene Polygon-Anmerkungswerkzeug aus und grenzen Sie die Endokardwand des LV manuell ab.
  8. Machen Sie dasselbe für 10-20 Slices von der Basis bis zum Apex, um sicherzustellen, dass alle ROIs den gleichen Namen haben (z. B. LVENDO).
  9. Wählen Sie im Menü ROI die Option ROI-Volumen | Generieren Sie fehlende ROIs, um die ROIs auf allen kurzen Achsenscheiben durch Interpolation der manuell gezeichneten ROIs zu generieren.
  10. Wählen Sie im Menü ROI die Option ROI-Volumen | Compute Volume , um das Volumen der ROI-Gruppe mit demselben ROI-Namen zu berechnen.
  11. Blättern Sie durch die Zeitrahmen und wählen Sie eine Phase aus, die der Endsystole (kleineres LV-Volumen) entspricht, und wiederholen Sie die Schritte 10.7-10.10 oben.
  12. Berechnen Sie das Hubvolumen (SV) und den Auswurfanteil anhand der Gleichungen (3) und (4):
    SV = EDV - ESV[ml] (3)
    EF = 100 × SV/EDV [%] (4)
    wobei EDV das enddiastolische Volumen und ESV das endsystolische Volumen ist.

Figure 5
Abbildung 5: Grafische Oberfläche des multiplanaren Reformwerkzeugs. Dieses Tool dient zur Neuausrichtung der Cine-CT-Daten für die anschließende Funktionsanalyse. Der Benutzer muss die Referenzachsen auf der linken Seite des Bildschirms so drehen und verschieben, dass rechts die Kurzachsenansicht des Herzens angezeigt wird. Am Ende dieses Verfahrens kann der Benutzer die neu ausgerichteten Bilder als DICOM-Dateisatz exportieren. Die Bilder wurden mit Osirix MD aufgenommen und beziehen sich auf eine gesunde erwachsene männliche Wistar-Ratte (507 g), der 2 ml Iomeprol, 200 mg/ml, mit einer Rate von 0,4 ml/min für 5 min injiziert wurden, rekonstruiert mit gefilterter Rückprojektion mit einer Voxelgröße von 0,24 mm3. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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Representative Results

In diesem Abschnitt werden typische Ergebnisse sowohl für die PET- als auch für die CT-Analytik nach den bisher beschriebenen Verfahren gezeigt. Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse der automatischen Myokard- und LV-Hohlraumsegmentierung des [18F]FDG PET-Scans einer (gesunden) CD-1-Kontrollmaus. Auch wenn der rechte Ventrikel in den rekonstruierten Bildern nicht immer sichtbar ist, können die auf dem DICOM-Header basierenden Orientierungsachsen verwendet werden, um das interventrikuläre Septum korrekt von den anderen LV-Wänden zu unterscheiden, wie es für eine zuverlässige Identifizierung der Standardsektoren gemäß den Empfehlungen der American Heart Association (AHA) erforderlich ist25 . Bei der Myokardischämie erscheint eine regionale Absenkung der Traceraufnahme als typisches Zeichen für den Verlust der myokardialen Vitalität. Dies korreliert nicht unbedingt mit einer verminderten Perfusion, die einen anderen Tracer (z. B. [13N]NH3 oder [15O]H2O) in PET-Bildern visualisieren müsste. Selbst bei gesunden Probanden werden bei PET häufig niedrigere rekonstruierte Werte um die Spitze beobachtet (siehe Abbildung 6). Dies kann auf ein ausgeprägteres Teilvolumenartefakt aufgrund einer (allgemein) dünneren Myokarddicke an der Spitze im Vergleich zu beispielsweise der linken Wand oder dem Septum zurückzuführen sein.

Figure 6
Abbildung 6: Ergebnisse der automatischen Segmentierung der PET-Analysesoftware. Die Bilder wurden mit dem Herz-Plugin der Carimas-Software aufgenommen. Die Segmentierung erfolgte nach Standard-Neuorientierung nach AHA-Richtlinien. Die gezeigten Bilder beziehen sich auf eine gesunde erwachsene männliche CD-1-Maus (wie Abbildung 4) mit einem Gewicht von 51 g und einer Injektion von 10 MBq [18 F]FDG ohne Herz-Gating und summieren die letzten 15Minuten eines 60-minütigen PET-Scans. Die Bilder wurden mit einem iterativen 3D-OSEM-Algorithmus mit einer Voxelgröße von 0,85 mm3 rekonstruiert. Abkürzungen: PET = Positronen-Emissions-Tomographie; AHA = American Heart Association; FDG = Fluordesoxyglucose. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

In Abbildung 7 ist ein Beispiel für das regionale Ki gezeigt, das durch die grafische Analyse von Patlak18 erhalten wurde (oben links). Im unteren Rahmen sind das Patlak-Streudiagramm und die entsprechenden Ergebnisse der linearen Regressionsanalyse dargestellt. Jeder Punkt im Streudiagramm stellt das Verhältnis zwischen der Gewebeaktivitätskonzentration und der Plasmaaktivitätskonzentration zu einem bestimmten Zeitpunkt t (nach Korrektur um radioaktiven Zerfall), CT(t)/CP(t), aufgetragen gegen das Zeitintegral der Plasmaaktivitätskonzentration von der Injektionszeit t0 = 0 bis zum Zeitpunkt t dar. Die Tabelle oben rechts in Abbildung 7 zeigt die Werte der Steigung (Ki) und des Schnittpunkts (Ic) der linearen Anpassung für jedes Segment sowie den entsprechenden Bestimmtheitskoeffizienten (R2).

Was die kardiale PET betrifft, so können Anzeichen für eine schlechte Ausführung des Protokolls Folgendes umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt: (i) geringe oder fehlende Traceraufnahme aus dem Myokard, was typischerweise ein Zeichen dafür ist, dass während der Tracerinjektion ein Problem aufgetreten ist, z. B. eine extravasierte Injektion; ii) ähnliche Probleme wie in der vorstehenden Nummer, wenn die Tiertemperatur während der PET-Untersuchung zu niedrig ist (z. B. unter 35 °C) und somit eine veränderte Traceraufnahme auftritt; (iii) offensichtliche Bildunschärfe, die auf eine zu geringe Anästhesie oder eine unwillkürliche Bewegung zurückzuführen sein könnte.

Figure 7
Abbildung 7: Ergebnisse der grafischen Analyse von Patlak. Die Bilder wurden mit dem Herz-Plugin der Carimas-Software aufgenommen. Oben links: parametrische Polarkarte der regionalen Ki der LV, die sich aus der Patlak-Analyse ergibt. Oben rechts: Mittelwerte von Ki und IC auf jedem Myokardsegment sowie die Bestimmungskoeffizienten jeder linearen Anpassung (R2). Unten: Streudiagramm von y(t) versus x(t) (siehe Text für Details) für das ausgewählte Myokardsegment (Segment 1 in diesem Beispiel). Dieses Ergebnis bezieht sich auf die myokardialen PET-Bilder in Abbildung 4 und Abbildung 6 (gesunde erwachsene männliche CD-1-Maus mit einem Gewicht von 51 g und injiziert mit 10 MBq [18F]FDG). Abkürzungen: PET = Positronen-Emissions-Tomographie; FDG = Fluordesoxyglucose. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 8
Abbildung 8: Beispiel für eine manuelle Segmentierung der LV einer Ratte. Das Bild bezieht sich auf dasselbe Tier wie in Abbildung 5 und wurde mit Osirix MD aufgenommen. Die resultierende volumetrische Analyse der LV an Enddiastole und Endsystole ist unten dargestellt. Aus diesen Ergebnissen werden EF und SV gemäß den Gleichungen 3 und 4 berechnet. Abkürzungen: EF = Ejektionsfraktion; SV = Hubvolumen; ROIs = Regionen von Interesse; LV = linker Ventrikel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 9
Abbildung 9: Volumendarstellung der Cine-CT-Bilder. Die Bilder beziehen sich auf dieselbe Ratte, die in Abbildung 5 und Abbildung 8 gezeigt wird (gesunde erwachsene männliche Wistar-Ratte mit einem Gewicht von 507 g und injiziert mit 2 ml Jomeprol, 200 mg/ml, mit einer Rate von 24 ml/h für 5 min, rekonstruiert mit FBP mit einer Voxelgröße von 0,24 mm3). Abkürzungen: RA = rechter Vorhof; LA = linker Vorhof; LV = linker Ventrikel; RV = rechter Ventrikel; CT = Computertomographie; FBP = Filtered BackProjection. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 8 und Abbildung 9 behandeln die repräsentativen Ergebnisse der Cine-CT-Herzanalyse für eine gesunde Ratte. Insbesondere in Abbildung 8 sind die unterschiedliche Form und Größe der LV für die enddiastolischen und endsystolischen Phasen sowie die 3D-Rekonstruktion des segmentierten LV-Volumens in beiden Phasen dargestellt. In diesem Beispiel ergab die Berechnung der Volumina nach Gleichungen 3 und 4 EDV = 0,361 mL und ESV = 0,038 ml, was einem Hubvolumen von SV = 0,323 mL und einer Ejektionsfraktion EF = 89,4% entspricht. Dies stimmt mit den Ergebnissen überein, die über ähnliche Protokolle in der Literatur berichtet wurden und normale EF von Ratten im Bereich von 70%-90%26 zeigen. Infarkte Herzen können zu einer reduzierten EF im Bereich von 50% -70% oder weniger führen, abhängig von der Läsionsschwere und der Ausdehnung des akinetischen Myokards.

Die folgenden Anzeichen einer schlechten Durchführung des Experiments könnten bei Cine-CT-Bildern auftreten: (i) reduzierter oder fehlender Bildkontrast zwischen den Herzkammern/-gefäßen und dem Myokard; In diesem Fall ist es wahrscheinlich, dass ein Problem bei der Kontrastmittelinjektion aufgetreten ist; (ii) verschwommene Konturen der Myokardwände; in diesem Fall ist ein Problem bei der Rekonstruktion aufgetreten, wahrscheinlich aufgrund einer falschen Identifizierung der Herz- und Atemspitzen aus dem intrinsischen Gating-Signal, was wiederum von einer schlechten Auswahl der Frequenzbänder (Abbildung 3) und/oder einer schlechten Auswahl des Gating-Signal-ROI abhängen kann (Abbildung 2); (iii) offensichtliche Bewegungsartefakte, die auf ein zu niedriges Anästhesieniveau oder eine unwillkürliche Bewegung zurückzuführen sein können.

In Abbildung 9 ist ein Volumenrendering desselben Rattenherzens sowohl für die Enddiastole als auch für die Endsystole dargestellt. Diese Art der Visualisierung ermöglicht nur die Darstellung der jodverstärkten Kammern und Gefäße, so dass ihr Wert eher qualitativ als quantitativ ist. Dennoch führt eine verminderte Motilität der Myokardwände, wie sie bei infarktierten Ratten auftritt, zu volumetrischen Bildern mit weniger offensichtlichen Unterschieden zwischen der enddiastolischen und der endsystolischen Phase.

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Discussion

Das in diesem Artikel vorgestellte Protokoll konzentriert sich auf ein typisches experimentelles Verfahren für die translationale kardiovaskuläre Forschung an Kleintiermodellen von Herzverletzungen unter Verwendung hochauflösender PET/CT-Bildgebung. Die vorgestellten Ergebnisse sind bezeichnend für den hohen quantitativen und qualitativen Wert von PET- und Cine-CT-Bildern, die sowohl funktionelle als auch strukturelle Informationen des gesamten Herzens über seinen Glukosestoffwechsel, seine Form und die Dynamik seiner Kontraktion liefern. Darüber hinaus sind alle erhaltenen Bilder 3D, zeitaufgelöst und weisen einen isotropen Pixelabstand auf. Dies ist aus Sicht der Bildverarbeitung von Vorteil, da keine bedienerabhängigen Aufgaben vor dem Scannen erforderlich sind, um bestimmte Schichtorientierungen entlang der Standardachsen des Herzens auszuwählen.

Dieses Papier enthält ein Protokoll, das auf der grafischen Analyse dynamischer PET-Daten von Patlak basiert18. Diese Art der Analyse ist nützlich, um die irreversible Traceraufnahme aus dem Gewebe zu beschreiben, was im Fall von [18F]FDG eine gute Näherung darstellt, wo die Wirkung der Dephosphorylierung oder der Metaboliten im Myokard19 im Allgemeinen vernachlässigbar ist. Innerhalb dieser Näherung kann das Verhältnis zwischen der zerfallskorrigierten Gewebeaktivitätskonzentration CT(t) und der zerfallskorrigierten Plasmaaktivitätskonzentration CP(t) durch folgende Gleichung (5) angenähert werden:

Equation 1 (5)

was für Zeiten t, ab einer bestimmten Startzeit, t* gilt, die empirisch bestimmt werden müssen. In der obigen Gleichung stellt die Konstante Ki die Nettoeinwanderungsrate vom Blut zum Gewebe dar, während IC eine Konstante ist, die den Blutvolumenanteil und das Verteilungsvolumen des Tracers im reversiblen Kompartiment (dh dem Plasma) umfasst. Eine detailliertere mathematische Herleitung dieser Formel findet sich an anderer Stelle20. Wenn die Zeitaktivitätskurven (TACs) sowohl des Plasmas als auch des Gewebes verfügbar sind (z. B. aus einem dynamischen PET-Scan und/oder einer Plasmaprobenahme), kann durch Plotten Equation 2 und für jede Bildzeit t ein 2D-Streudiagramm erstellt werden, so dass Ki und IC leicht als Steigung und Equation 3 Schnittpunkt des Streudiagramms durch einfache lineare Regression bestimmt werden können. beschränkt auf die Zeitpunkte t > t*, nach denen Linearität beobachtet wird. Es muss betont werden, dass die verlängerte Anästhesie die Stoffwechselrate des Myokardsbeeinflussen kann 21. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, das Protokoll so zu standardisieren, dass subjektübergreifende Variationen aller relevanten physiologischen Parameter auf ein Minimum beschränkt werden. Das im Protokoll beschriebene Verfahren, das in Carimas implementiert wurde, ermöglicht eine regionale patlakische grafische Analyse des Myokards; Wir haben die Aktivitätskonzentration des Vollblutes im LV-Hohlraum als Annäherung an die Plasmaeingangsfunktion CP(t) verwendet.

Einige PET-Scanner haben möglicherweise eine geringere räumliche Auflösung und/oder Empfindlichkeit, was zur Verwendung größerer ROIs und konsistenter partieller Volumen-/Spillover-Fehler in den Zeitaktivitätskurven (TACs) der Messungen führt, insbesondere der plasmatischen, die als Eingabefunktion (IF) verwendet wird. In diesem Fall kann das Analyseprotokoll modifiziert werden, indem ein Hybrid-IF basierend auf den Bildwerten in der frühen Phase nach der Injektion und der Blutprobenaktivitätskonzentration (siehe Protokollschritt 6.8) in der späten Phase (>20 min) erstellt wird. Die korrigierten Punkte des Hybrid-IF können durch Interpolation berechnet werden, wie Shoghi et al.23 zeigen. Innerhalb von Carimas ist es möglich, die rohen TACs jedes Myokardsegments zu exportieren, die arterielle TAC zu korrigieren und sie erneut zu laden, um eine Patlak-Analyse direkt auf den korrigierten Kurven durchzuführen. Aufgrund der Komplexität der erforderlichen Operation haben wir hierfür keine spezifischen Protokolloperationen bereitgestellt, da die in dem in diesem Protokoll beschriebenen Fall erzielten Ergebnisse für die meisten Anwendungen ein gutes Maß an Reproduzierbarkeit aufweisen.

Eine mögliche Anwendung des vorgestellten Protokolls ist in Kleintiermodellen des Myokardinfarkts. Um Einschränkungen in einem so spezifischen Bereich der Bildgebungsforschung zu vermeiden, haben wir keine spezifische Protokollanweisung für die Induktion von MI oder anderen Arten von Herz-Kreislauf-Erkrankungen hinzugefügt. Detaillierte chirurgische Verfahren finden sich an anderer Stelle in der Literatur12,13 und wurden in unserer Gruppe erfolgreich mit dem Ziel angewendet, komplementäre Informationen sowohl für regionale Perfusionsdefekte als auch für die ischämieinduzierte Angiogenese abzubilden4. Dennoch kann das in diesem Artikel vorgestellte PET/CT-Bildgebungsprotokoll in einer Vielzahl von Studiendesigns nützlich sein, wenn der Herzstoffwechsel, die Funktion und/oder die Morphologie von Belang sind, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Stoffwechselerkrankungen27, Ansprechen auf Therapie und/oder verschiedene Diäten 28 und strahleninduzierte Verletzungen29. Darüber hinaus kann diese Art der Untersuchung nützlich sein, wenn neue molekulare Sonden zur Überwachung des kardialen Umbaus und der Neovaskularisation in Korrelation mit der globalen und regionalen Herzfunktion und -morphologie validiert werden 4.

Hier haben wir eine typische PET-Bildaufnahme und -analyse diskutiert, die sich auf die Quantifizierung der myokardialen regionalen Glukoseaufnahme mittels [18F]FDG konzentriert; Für die Myokardinfarktbildgebung zum Beispiel ist dies nützlich und weit verbreitet, um die Myokardlebensfähigkeit26 als ergänzende Information über die Perfusion zu messen, die stattdessen verschiedene Tracer erfordert. Darüber hinaus ist [18F]FDG der am weitesten verbreitete Tracer in der PET-Bildgebung, und daher haben wir uns entschieden, dieses Protokoll auf diesen Tracer zuzuschneiden, um seine Anwendbarkeit zu erhöhen. Mit geringfügigen Änderungen am Analyseablauf kann das gleiche Verfahren beispielsweise zur Quantifizierung des regionalen myokardialen Blutflusses (MBF) verwendet werden, wobei [13 N]NH3 oder [15O]H2O als Blutflusstracer30 verwendet werden.

In diesen Fällen erfordert das PET-Erfassungsprotokoll geringfügige Änderungen unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Radionuklidzerfallszeiten von 13 N (T 1/2 = 9,97 min) und 15 O (T 1/2 = 2,04 min) gegenüber 18F (T1/2 = 109,8min). Darüber hinaus müssen geeignete kinetische Modelle anstelle des in diesem Artikel vorgestellten verwendet werden, das in den meisten quantitativen Bildverarbeitungsprogrammen für die PET-Analyse allgemein verfügbar ist. Neben diesen Punkten eignet sich das in diesem Protokoll vorgestellte experimentelle Verfahren vor allem für andere Arten von experimentellen Untersuchungen, die sich auf die Herzen von Kleintieren konzentrieren. Obwohl das Protokoll speziell für die kardiale Bildgebung von Mausmodellen entwickelt wurde, könnte die Arbeit mit Ratten einige Änderungen am eigentlichen Protokoll bedeuten, hauptsächlich aufgrund der größeren Größe des Tieres (~ 10x schwerer). Dem Protokoll wurden jedoch zusätzliche Informationen hinzugefügt, um die erforderlichen Änderungen für die Rattenbildgebung der Einfachheit halber anzuzeigen.

Ein Vorteil des vorgestellten Protokolls besteht darin, dass es keine EKG-Sonden am Tier erfordert, da die PET-Studie zuverlässig ohne Gating durchgeführt werden kann und die CT-Studie intrinsisches (sensorloses) retrospektives Gating verwendet. Der Algorithmus an der Basis der intrinsischen Gating-Software basiert auf der Arbeit von Dinkel et al.31. Diese Methode zeigt eine sehr hohe Übereinstimmung mit EKG-basiertem (extrinsischem) kardialem Gating und kann bei Arrhythmien aufgrund der Dissoziation mechanischer und elektrischer Ereignisse möglicherweise sogar besser sein31. Obwohl intrinsisches Gating in vollautomatischen Workflows32 implementiert werden könnte, basiert dieses Protokoll auf einer interaktiven Methode, die im IRIS-CT-Scanner implementiert ist und mehr Flexibilität bei der Wahl der Parameter bietet. Wie bereits erwähnt, sind geringfügige Anpassungen der Verfahren erforderlich, wenn Ratten anstelle von Mäusen verwendet werden, hauptsächlich in Bezug auf die injizierten Dosen, die Notwendigkeit von CTAC-Scans (Attenuation Correction) bei Verwendung größerer Tiere sowie einige Unterschiede zwischen den Arten von CT-Kontrastmitteln. In Bezug auf diesen letzten Punkt wird die Verwendung von jodreichen Öl-in-Wasser-Lipidemulsionen bei Ratten auch in den technischen Hinweisen von Kleintier-CA-Anbietern berichtet. Aufgrund der relativ großen Injektionsvolumina, der relativ höheren Kosten und der weniger verbreiteten Verfügbarkeit dieser spezialisierten Kontrastmittel haben wir auch eine Modifikation des Protokolls vorgestellt, die auf allgemein verfügbaren vaskulären Kontrastmitteln wie Iomeprol basiert, die im klinischen Umfeld breit anwendbar ist. Aufgrund der sehr schnellen Clearance solcher Standard-Gefäßmittel ist in diesem Fall eine motorisierte Injektionspumpe erforderlich, die eine langsame kontinuierliche Injektion ermöglicht.

Einschränkungen der Methode
Die Anwendbarkeit der vorgestellten PET/CT-Protokolle beruht auf der Verfügbarkeit von Instrumenten, die im Allgemeinen weniger verbreitet und teurer sind als andere Techniken (hauptsächlich US-Echokardiographie), obwohl die kontextuellen Informationen über Struktur, Funktion und Stoffwechsel durch keine andere Technik mit der gleichen Sensibilität und Flexibilität bei der Wahl der molekularen Sonde erreicht werden können. Der erfolgreiche Abschluss des gesamten Aufbereitungs-/Akquisitions-/Analyse-Workflows mit dieser Methodik erfordert jedoch eine enge Zusammenarbeit zwischen mehreren Fachleuten, darunter Biologen, Tierärzte, Chemiker, Physiker und Bioingenieure. Dies gilt umso mehr, wenn nicht standardmäßige PET-Tracer verwendet werden, was sowohl Anstrengungen bei der Radiosynthese und der mathematischen Modellierung als auch bei der Anpassung der Analysesoftware für eine korrekte und zuverlässige Quantifizierung impliziert33,34,35.

In Protokollabschnitt 9 haben wir ein sehr einfaches Quantifizierungsverfahren unter Verwendung einer bildabgeleiteten Eingabefunktion (IDIF) beschrieben und darauf hingewiesen, dass ein gemischter Ansatz mit IDIF und aus Blutproben gewonnenen IF für späte Frames bessere Ergebnisse liefern kann. Es muss beachtet werden, dass die Verwendung von Aktivität, die aus dem ganzen (venösen) Blut aus dem Schwanz gemessen wird, als zuverlässige Näherung in [18F]FDG angesehen wird, aber weitere Korrekturen für die Aktivität von Metaboliten im Falle verschiedener Tracererfordert 36,37. Einer der kritischsten Punkte des gesamten Protokolls ist die intravenöse Kanülierung, die venösen Zugang für die Injektion sowohl des radioaktiven Tracers für den PET-Scan als auch des jodierten Kontrastmittels für den CT-Scan ermöglicht. Die erfolglose Durchführung dieses kritischen Schritts führt zu nutzlosen Bildern, da die effektive Menge an zirkulierendem PET-Tracer oder CT-CA geringer als erforderlich sein kann. Fachpersonal mit spezifischer Ausbildung für die Schwanzveneninjektion muss in dieses Verfahren einbezogen werden, um zuverlässige Ergebnisse zu liefern.

Ein Nachteil der CT für die dynamische kardiale Bildgebung ist ihre relativ geringere zeitliche Auflösung im Vergleich zu US und MRT, obwohl die 3D-Herzbildgebung mit Ultraschall die Verwendung einer motorisierten Übersetzungsstufe für die Sonde und die anschließende Bildregistrierung erfordert, um korrekte Ergebnisse zu erhalten. Die Notwendigkeit, konsistente Mengen an CA für die korrekte Unterscheidung von Blut und Myokard in rekonstruierten Bildern zu injizieren, ist aufgrund der intrinsisch geringen Empfindlichkeit der Methodik eines der Hauptprobleme. In diesem Protokoll haben wir das Volumen der Injektion von CA für CT-Studien auf 0,5 ml bei Mäusen und 2 ml bei Ratten begrenzt, wobei eine kontinuierliche Infusion für 3 min bei 10 ml/h bei Mäusen und für 5 min bei 24 ml/h bei Ratten verwendet wurde. Wir haben beobachtet, dass diese Injektionsraten und -volumina von den Tieren gut vertragen werden. Die hier beschriebenen Größen entsprechen oder sind kleiner als gleichwertige Protokolle, die in der Literatur gefunden werden.

Nahrendorf et al. beschrieben ein Cine-CT-Protokoll zur Darstellung des murinen Myokardinfarkts, das eine basale (Pre-Scan) Bolusinjektion von 0,2 ml Öl-in-Wasser-Lipidemulsions-Blutpool CA beinhaltete, gefolgt von einer kontinuierlichen Injektion von Iomeprol bei 1 ml / h für 1 h38. Badea et al. verglichen ein ähnliches kardiales Cine-CT-Protokoll, das auf einer 1-stündigen Infusion von Isovue 370 (Iopamidol) basierte, mit einer Bolusinjektion von 0,5 ml / 25 g Körpergewicht von Fenestra VC (Öl-in-Wasser-Lipidemulsion) und fand bessere Ergebnisse in Bezug auf den Bildkontrast im zweiten Fall39. Derselbe Hersteller des Kontrastmittels Fenestra VC berichtete über ein empfohlenes Injektionsvolumen von 0,4 ml/20 g Körpergewicht für die vaskuläre Bildgebung mit Mikro-CT40. Neuartige CAs mit höherer Dichte wie eXIA 160 XL, MVivo Au, Aurovist 15 nm oder Exitron nano 12000 sind jedoch kürzlich in den präklinischen Markt eingetreten und haben das Potenzial, die Injektionsvolumina in kardialen Mikro-CT-Protokollen zu reduzieren. Nebuloni et al. führten eine umfangreiche Charakterisierung solcher CAs41 durch. Die Strahlendosis in der kontrollierten CT ist ein weiteres häufiges Problem für Längsschnittstudien; in diesem Fall liegt die maximale Dosis für das beschriebene Cine-CT-Protokoll sowohl für Mäuse als auch für Ratten unter 200 mGy, wie auf der Grundlage früherer dosimetrischer Charakterisierung unseres CT-Scannersgeschätzt 42. Dies ist etwa 5x niedriger als die in der Literatur für 4D-Herz-CT-Scans38,39 und 30x niedriger als die durchschnittliche tödliche Dosis für die Ganzkörperbestrahlung von Kleintieren, geschätzt auf 6 Gy43.

Anwendbarkeit des Protokolls auf verschiedene Instrumente und Software
Auch wenn die spezifischen Anweisungen in diesem Protokoll unvermeidlich auf einen bestimmten PET/CT-Tomographen zugeschnitten sind, können die hier vorgestellten bildgebenden Aufgaben an unterschiedliche bildgebende Systeme angepasst werden. In Bezug auf den PET-Abschnitt dieses Protokolls haben alle modernen PET- oder PET/CT-Systeme, die für die Kleintierforschung entwickelt wurden, Leistungsanforderungen (in Bezug auf räumliche und zeitliche Auflösung), die für die Durchführung des Protokolls geeignet sind. Was die kardiale CT betrifft, kann sich das Protokoll je nach verwendetem kardiorespiratorischem Gating-System (z. B. extrinsisch oder intrinsisch) ändern. Die Leser können sich auf aktuelle Übersichtsartikel und Buchkapitel beziehen, um eine gründliche Diskussion der aktuellen Fähigkeiten von PET-, CT- oder PET / CT-Systemenzu erhalten 44,45,46. Bemerkenswert ist, dass die in diesem Artikel vorgestellten CT- und PET-Protokolle unabhängig voneinander durchgeführt werden können, basierend auf den Fähigkeiten und Besonderheiten der verwendeten tomographischen Instrumente. Wir glauben daher, dass die vorgestellten Verfahren eine nützliche Referenz für jeden Praktiker darstellen können, der daran interessiert ist, zum ersten Mal eine kardiale PET / CT-Studie an Kleintieren durchzuführen.

Jeder Anwender mit ausreichenden Kenntnissen im allgemeinen Protokollaufbau seines eigenen PET/CT-Tomographen sollte in der Lage sein, die erforderlichen Anpassungen an der vorgestellten Methode vorzunehmen, um gleichwertige Ergebnisse in seinem Labor zu erhalten. Die gleichen Argumente können für den Abschnitt verwendet werden, der der Bildanalyse gewidmet ist. Eine gründliche Liste aller verfügbaren Softwarepakete für die kardiale PET- und kardiale CT-Analyse liegt außerhalb des Zwecks dieses Artikels. Viele andere vergleichbare Softwarepakete verwenden jedoch eine ähnliche Methodik für die Erstellung polarer Karten und die kinetische Analyse regionaler Tracer. Der Leser kann sich auf Wang et al.47 und Referenzen für die Aufgabe der PET-Quantifizierung und auf einschlägige Forschungsartikel 48,49,50 für die 4D-CT-Quantifizierung beziehen. In diesem Fall haben wir uns entschieden, dieses Protokoll auf Carimas 51,52,53,54 und OsiriX55,56,57,58 für die quantitative Analyse von kardialen PET- bzw. CT-Bildern zu konzentrieren. Aufgrund der weit verbreiteten Verwendung dieser Werkzeuge glauben wir, dass diese Wahl hilfreich sein könnte, um das Interesse der Forschungsgemeinschaft an der Implementierung und Anwendung der vorgestellten Methoden zu erhöhen, verglichen mit einer Diskussion, die sich auf geschlossene, kommerzielle und scannerspezifische Analysewerkzeuge konzentriert, die von einigen PET- und CT-Scannerherstellern bereitgestellt werden.

Änderungen am quantitativen Bildanalyseprotokoll
Die hier gezeigten Beispielergebnisse sind nur ein einfaches Ergebnis einer einfachen quantitativen Analyseaufgabe, die für die meisten praktischen Zwecke in translationalen kardiovaskulären Forschungsexperimenten, die sich auf Kleintiermodelle von Herzverletzungen konzentrieren, als ausreichend angesehen werden könnte. Es sind jedoch noch viele weitere Analysemöglichkeiten möglich, ausgehend von den DICOM-Bildern, die sich aus dem in diesem Artikel beschriebenen Aufnahme-/Rekonstruktionsprotokoll ergeben. Zum Beispiel könnte man daran interessiert sein, verschiedene Kompartimentmodelle anstelle der grafischen Analyse von Patlak aus dynamischen [18F]FDG-PET-Daten 59,60,61 anzuwenden. Darüber hinaus war die Analyse der Herzfunktion auf der Grundlage von 4D-Cine-CT-Bildern, die in diesem Protokoll gezeigt wurden, nur für die gesamte LV global, aber mehrere verschiedene (hauptsächlich kommerzielle) Software ermöglichen es Benutzern, Dehnungsanalysen und regionale Wandbewegungen, Wandverdickungen und regionale EF-Analysen aus denselben Bildern durchzuführen49. Dennoch glauben wir, dass die hier gezeigten Beispiele einen guten Ausgangspunkt für tiefergehende Nachbearbeitungs- und quantitative Aufgaben darstellen.

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Disclosures

Daniele Panetta erhielt Zuschüsse für die Forschung und Entwicklung von Mikro-CT-Instrumenten von Inviscan Sas.

Acknowledgments

Diese Forschung wurde teilweise durch das JPI-HDHL-INTIMIC "GUTMOM" Projekt unterstützt: Maternal obesity and cognitive dysfunction in the offspring: Cause-effect role of the GUT MicrobiOMe and early dietary prevention (Projekt Nr. INTIMIC-085, Italian Ministry of Education, University and Research Decree Nr. 946/2019).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
0.9% sterile saline Fresenius Kabi 0.9% sodium chloride for injection
1025L Physiological Monitoring Small Animal Instruments Physiological monitoring system for small animal imaging
5 mL syringes Artsana Syringes with needle for injection of PET tracer
Atomlab 500 Else Nuclear PET Dose calibrator
Atrium software Inviscan Version 1.5.5 PET/CT operating software
Butterfly catheters Delta Med 27.5 G needle
Carimas software Turku PET Center Version 2.10 Image analysis software
Fenestra VC Medilumine Lipid emulsion iodinated contrast agent for small animals
Heat lamp Heat lamp with clamp and switch
Insulin syringes Artsana Syringes with needle for injection of CT CA
Iomeron 400 mgI/mL Bracco Iomeprol, vascular contrast agent
IRIS PET/CT Inviscan PET/CT scanner for small animals
Isoflurane Zoetis Inhalation anesthetic, 250 mL
OneTouch Glucometer Johnson&Johnson Medical Glucose meter kit
Osirix MD software Pixmeo Version 11 Image analysis software
Oxygen Air liquide Compressed gas
Rectal probe for 1025L Small Animal Instruments Rectal probe with cable for SAII 1025L systems
Respiratory sensor for 1025L Small Animal Instruments Respiratory pillow with tubings for SAII 1025L systems
TJ-3A syringe pump Longer Motorized syringe pump for CT CA injection

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Medizin Ausgabe 190
Hochauflösende kardiale Positronen-Emissions-Tomographie/Computertomographie für Kleintiere
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Panetta, D., Guzzardi, M. A., La… More

Panetta, D., Guzzardi, M. A., La Rosa, F., Granziera, F., Terlizzi, D., Kusmic, C., Iozzo, P. High-Resolution Cardiac Positron Emission Tomography/Computed Tomography for Small Animals. J. Vis. Exp. (190), e64066, doi:10.3791/64066 (2022).

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