本文介绍了一种利用高分辨率小动物正电子发射断层扫描/计算机断层扫描（PET/CT）对心脏功能和形态进行定量分析的实验成像方案。该方案同时涵盖了小鼠和大鼠，并讨论了两种物种在计算机断层扫描对比剂使用上的不同要求。
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本文内容
摘要
摘要
正电子发射断层扫描（PET）和计算机断层扫描（CT）是最常用的诊断成像技术之一，两者均有助于了解心脏功能和代谢情况。在临床前研究中，通常使用具有高灵敏度和高时空分辨率的专用扫描仪，这些扫描仪专为应对小鼠和大鼠心脏体积小、心率极高的技术挑战而设计。本文介绍了一种用于心脏疾病实验小鼠和/或大鼠模型的双模态心脏PET/CT成像方案，涵盖动物准备、图像采集与重建，以及图像处理与可视化全过程。
特别是，18F标记的氟脱氧葡萄糖（[18F]FDG）-PET扫描可用于测量和可视化左心室（LV）不同节段的葡萄糖代谢情况。极坐标图是展示此类信息的便捷工具。CT部分则通过无需心电图（ECG）导联的回顾性门控技术，实现对整个心脏进行时间分辨的三维重建（4D-CT），从而对左心室进行形态与功能评估，并进一步量化最重要的心脏功能参数，如射血分数（EF）和每搏输出量（SV）。利用集成的PET/CT扫描仪，该方案可在同一次麻醉过程中完成，无需在不同扫描设备间重新安置实验动物。因此，PET/CT可被视为在多种心脏疾病的小动物模型中，对心脏进行形态、功能及代谢综合评估的有力工具。
引言
小型动物模型对于深入理解心血管疾病具有极其重要的意义1,2。在过去的几十年中，无创性诊断成像技术彻底改变了我们在临床和临床前研究中观察心脏功能的方式。针对心脏疾病的小型动物模型，已开发出具有极高时空分辨率的特定成像工具。因此，这些仪器能够满足在特定疾病模型（如心力衰竭（HF）3或心肌梗死（MI）4）中，对小而快速跳动的大鼠和小鼠心脏相关代谢及心肌动力学参数进行精确定量的需求。目前有多种成像方式可供选择，每种方式均有其优势与局限性。超声（US）成像是应用最广泛的技术，因其具有高度灵活性、极高的时间分辨率以及相对较低的成本。自采用超高频探头的系统问世以来，超声心脏成像在小型动物中的应用已显著增加5,6，其空间分辨率可达50 µm以下。
超声（US）在实现完整三维心脏成像方面的主要缺点之一是需要将探头安装在电机驱动的平移平台上，沿心脏轴线进行线性扫描，以获取覆盖整个心脏的动态B模式图像序列7。最终，通过对每个探头位置所采集图像进行精确的空间和时间配准，可获得四维图像，但其面内方向与面外方向的空间分辨率不同。这....
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方案
动物实验遵循国际实验动物管理和使用指南中《实验动物护理和使用指南》的建议，符合欧洲指令（1986年指令86/609/EEC和2010/63/UE指令）以及意大利法律（D.Lgs. 26/2014）的要求。
1. PET/CT 成像方案与工作流程的设置
注意：本方案专为小鼠模型的心脏成像而设计。由于大鼠体型较大（重量约为小鼠的10倍），在用于大鼠时可能需要对方案进行某些修改。文中已在具体步骤中特别注明适用于大鼠成像的修改内容；若未提及修改，则大鼠成像可采用与小鼠相同的操作步骤。
- 打开 PET/CT 扫描仪的图形用户界面（GUI）（参见 材料表）并创建一套新方案（包含数据采集、预处理和图像重建的参数）：（i）一种 动态PET扫描，（ii）一个 低剂量CT扫描 用于衰减校正（CTAC) 无对比剂，以及 (iii) 一种 增强对比Cine-CT扫描.
注意：创建用于数据采集、预处理和重建阶段的新协议（即断层扫描仪的特定软件指令）是一个简单直接的过程；若遇到问题，用户可在图形用户界面（GUI）用户手册中找到更详细的说明。- 对于PET扫描，打开 实验方案
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结果
本节展示了按照前述步骤进行PET和CT分析的典型结果。图6显示了对照组（健康）CD-1小鼠[18F]FDG PET扫描的心肌和左心室腔自动分割结果。尽管右心室在重建图像中并不总是可见，但基于DICOM文件头信息的方位轴可用于准确区分室间隔与其他左心室壁，这对于根据美国心脏协会（AHA）推荐标准可靠识别标准节段至关重要25。在心肌缺血情况下，示踪剂摄取的区域性降低是心肌活力丧失的典型表现。这种情况不一定与灌注减少相关，后者需要使用不同的示踪剂（例如[13N]NH3或[15O]H2O）才能在PET图像中显示。即使在健康个体中，PET图像中也常观察到心尖区域的重建值较低（见图6）。这可能是由于心尖部心肌厚度（通常）较左室侧壁或室间隔更薄，导致部分容积效应更为显著所致。
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讨论
本文所述方案聚焦于利用高分辨率PET/CT成像技术在心脏损伤的小动物模型中开展转化心血管研究的典型实验流程。所展示的结果表明，PET与电影CT（Cine-CT）图像具有高度的定量与定性价值，可同时提供全心的葡萄糖代谢、形态结构以及收缩动态的功能性和结构性信息。此外，所获得的所有图像均为三维、时间分辨且具有各向同性的像素间距；从图像处理的角度来看，这一特性具有显著优势，因其无需在扫描前由操作人员依赖经验选择沿心脏标准轴向的特定切面方向。
本文包含基于动态正电子发射断层扫描（PET）数据Patlak图解分析的实验方案18。此类分析可用于描述示踪剂在组织中的不可逆摄取，这对于[18F]FDG而言是一种良好的近似，因为在心肌中，去磷酸化或代谢产物的影响通常可忽略不计19。在此近似条件下，衰变校正后的组织活性浓度CT(t)与衰变校正后的血浆活性浓度CP(t)之比可用以下方程（5）近似表示：
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披露
Daniele Panetta 获得了用于 R 的资助&Inviscan Sas 微型CT仪器的D部分。
致谢
本研究部分得到了 JPI-HDHL-INTIMIC "GUTMOM" 项目的支持：母体肥胖与子代认知功能障碍：肠道微生物组的因果作用及早期饮食预防（项目编号 INTIMIC-085，意大利教育、大学与研究部第 946/2019 号法令）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.9% 无菌生理盐水 | Fresenius Kabi | 注射用 0.9% 氯化钠溶液 | |
| 1025L 生理参数监测仪 | Small Animal Instruments | 用于小动物成像的生理监测系统 | |
| 5 mL 注射器 | Artsana | 带针头的注射器，用于注射 PET 示踪剂 | |
| Atomlab 500 | Else Nuclear | PET 放射性剂量校准仪 | |
| Atrium 软件 | Inviscan | 版本 1.5.5 | PET/CT 操作软件 |
| 蝶形导管 | Delta Med | 27.5 G 针头 | |
| Carimas 软件 | Turku PET 中心 | 版本 2.10 | 图像分析软件 |
| Fenestra VC | Medilumine | 用于小动物的含碘脂质乳剂对比剂 | |
| 加热灯 | 带夹具和开关的加热灯 | ||
| 胰岛素注射器 | Artsana | 带针头的注射器，用于注射 CT 对比剂 | |
| Iomeron 400 mgI/mL | Bracco | 碘美普尔，血管对比剂 | |
| IRIS PET/CT | Inviscan | 用于小动物的 PET/CT 扫描仪 | |
| 异氟烷 | Zoetis | 吸入性麻醉剂，250 mL | |
| OneTouch 血糖仪 | Johnson&Johnson Medical | 血糖检测仪套装 | |
| Osirix MD 软件 | Pixmeo | 版本 11 | 图像分析软件 |
| 氧气 | Air liquide | 压缩气体 | |
| 适用于 1025L 的直肠探头 | Small Animal Instruments | 带电缆的直肠探头，用于 SAII 1025L 系统 | |
| 适用于 1025L 的呼吸传感器 | Small Animal Instruments | 带管路的呼吸垫，用于 SAII 1025L 系统 | |
| TJ-3A 注射泵 | Longer | 电动注射泵，用于 CT 对比剂注射 |
参考文献
- Zaragoza, C. Animal models of cardiovascular diseases. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2011, 497841(2011).
- Russell, J. C., Proctor, S. D. Small animal models of cardiovascular disease: ....
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重印与许可
