Name: high-resolution cardiac positron emission tomography/computed tomography for small animals
Uploaded: 2022-12-16T13:00:00
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这项研究得到了JPI-HDHL-INTIMIC “GUTMOM”项目的部分支持：后代的母亲肥胖和认知功能障碍：肠道微生物的因果作用和早期饮食预防（项目编号INTIMIC-085，意大利教育部，大学和研究部第946/2019号法令）。

动物实验是根据欧洲指令（1986年第86/609/EEC号指令和2010/63/UE指令）和意大利法律（D.Lgs.26/2014）要求的《国际实验动物处理指南》中的建议进行的。
1. PET/CT 成像方案和工作流程的设置
注意：此处介绍的方案是专门为小鼠模型的心脏成像而设计的。与大鼠一起工作可能意味着对实际方案进行一些修改，主要是因为动物的体型更大（大约重10倍）?...

本文提出的协议侧重于通过使用高分辨率PET / CT成像对心脏损伤小动物模型进行转化心血管研究的典型实验程序。所呈现的结果表明PET和Cine-CT图像具有很高的定量和定性价值，提供了整个心脏关于其葡萄糖代谢，形状和收缩动力学的功能和结构信息。此外，获得的所有图像都是3D的，时间分辨的，并且呈现各向同性的像素间距;从图像处理的角度来看，这是有益的，因为它不需要预扫描操作员依赖?...

小动物模型对于促进对心血管疾病的认识极为重要1，2。在过去的几十年里，非侵入性诊断成像工具彻底改变了我们在临床和临床前环境中看待心脏功能的方式。就心脏病的小动物模型而言，已经开发出具有非常高时空分辨率的特定成像工具。因此，此类仪器可以满足在特定疾病模型中（例如心力衰竭（HF）3或心肌梗塞（MI）4）中对小鼠和大鼠非常小且非常快速移动的心脏进行相关代谢和动力学心肌参数的准确定量的需求。为此目的有几种方式，每种方式都有自己的优点和缺点。超声（英文）成像是使用最广泛的方式，因为它具有极大的灵活性、非常高的时间分辨率和相对较低的成本。自从使用超高频5，6探头的系统出现以来，美国心脏成像在小动物中的采用已经大大增加，其空间分辨率低于50μm。
US 用于全 3D 心脏成像的主要缺点之一是需要沿心脏轴进行线性扫描，方法是将探头安装在电动平移台上，以创建整个心脏的完整动态 B 模式图像7。最终，该过程产生（在每个探头位置获取的图像进行准确的空间和时间配准后）在面内和面外方向之间具有不同空间分辨率的4D图像。心脏MR（CMR）8也存在空间分辨率不均匀的问题，这 仍然是心脏功能成像的黄金标准。可以使用计算机断层扫描（CT）和正电子发射断层扫描（PET）9来获得真正的各向同性3D成像。PET在每注射探针量（在纳摩尔范围内）的图像信号方面提供了一种非常灵敏的工具，尽管与CT，MR或US相比，它的空间分辨率降低。PET的主要优点是它能够显示器官病理生理学背后的细胞和分子机制。例如，注射[18F]FDG后的PET扫描可以重建体内葡萄糖代谢的3D图。通过将其与动态（即时间分辨）数据采集相结合，示踪动力学建模可用于计算葡萄糖摄取代谢率（MRGlu）的参数图，这将提供有关心肌活力的重要信息10。
CT需要大量高浓度的外部造影剂（CA）（每毫升高达400毫克碘），以提供相关组织成分（例如，血液与肌肉）的可测量增强，但它在空间和时间分辨率方面表现出色，特别是在使用专为小动物成像设计的最先进的微型CT扫描仪时。11 可以应用心脏PET / CT的典型疾病模型是心肌梗塞和心力衰竭的实验评估以及对治疗的相关反应。在小动物中诱导心肌梗死的常见方法是手术结扎左前降（LAD）冠状动脉12，13 ，然后在随后的几天纵向评估疾病的进展和心脏重塑4。然而，小动物心脏的定量形态功能评估在很大程度上也适用于其他疾病模型，例如评估衰老对心脏功能的影响14 或肥胖模型中受体表达的改变15。所提出的成像方案不限于任何给定的疾病模型，因此，在小型啮齿动物临床前研究的几种背景下可能是最广泛的兴趣。
在本文中，我们提出了一种使用小动物集成PET / CT进行心脏成像的从头到尾实验方案。尽管所提出的协议是为特定的双峰集成扫描仪设计的，但所述程序的PET和CT部分可以在来自不同制造商的单独扫描仪上独立执行。在使用中的PET/CT扫描仪中，操作顺序在预编程的工作流程中组织。每个工作流程的主要分支是一个或多个采集协议;每个采集协议可以有一个或多个用于特定预处理协议的分支，反过来，每个预处理协议可以有一个或多个用于特定重建协议的分支。描述了在成像床上制备动物和在成像过程中要注射的外部试剂的制备。图像采集程序完成后，提供了基于常用软件工具的定量图像分析示例程序。主协议专为鼠标模型设计;尽管小鼠仍然是该领域最常用的物种，但我们在主协议结束时也展示了对大鼠成像协议的改编。显示了小鼠和大鼠的代表性结果，展示了所描述程序可能预期的输出类型。本文最后进行了彻底的讨论，以强调该技术的优缺点、关键点以及如何使用不同的PET放射性示踪剂，而几乎不修改准备和采集/重建步骤。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.9% sterile saline</td>
			<td>Fresenius Kabi</td>
			<td></td>
			<td>0.9% sodium chloride for injection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1025L Physiological Monitoring</td>
			<td>Small Animal Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Physiological monitoring system for small animal imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 mL syringes</td>
			<td>Artsana</td>
			<td></td>
			<td>Syringes with needle for injection of PET tracer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atomlab 500</td>
			<td>Else Nuclear</td>
			<td></td>
			<td>PET Dose calibrator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atrium software</td>
			<td>Inviscan</td>
			<td>Version 1.5.5</td>
			<td>PET/CT operating software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Butterfly catheters</td>
			<td>Delta Med</td>
			<td></td>
			<td>27.5 G needle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carimas software</td>
			<td>Turku PET Center</td>
			<td>Version 2.10</td>
			<td>Image analysis software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fenestra VC</td>
			<td>Medilumine</td>
			<td></td>
			<td>Lipid emulsion iodinated contrast agent for small animals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heat lamp</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Heat lamp with clamp and switch</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Insulin syringes</td>
			<td>Artsana</td>
			<td></td>
			<td>Syringes with needle for injection of CT CA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iomeron 400 mgI/mL</td>
			<td>Bracco</td>
			<td></td>
			<td>Iomeprol, vascular contrast agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IRIS PET/CT</td>
			<td>Inviscan</td>
			<td></td>
			<td>PET/CT scanner for small animals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>Zoetis</td>
			<td></td>
			<td>Inhalation anesthetic, 250 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OneTouch Glucometer</td>
			<td>Johnson&#38;Johnson Medical</td>
			<td></td>
			<td>Glucose meter kit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Osirix MD software</td>
			<td>Pixmeo</td>
			<td>Version 11</td>
			<td>Image analysis software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxygen</td>
			<td>Air liquide</td>
			<td></td>
			<td>Compressed gas</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rectal probe for 1025L</td>
			<td>Small Animal Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Rectal probe with cable for SAII 1025L systems</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Respiratory sensor for 1025L</td>
			<td>Small Animal Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Respiratory pillow with tubings for SAII 1025L systems</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TJ-3A syringe pump</td>
			<td>Longer</td>
			<td></td>
			<td>Motorized syringe pump for CT CA injection</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high-resolution cardiac positron emission tomography/computed tomography for small animals

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都有助于了解心脏功能和代谢。在临床前研究中，采用具有高灵敏度和高时空分辨率的专用扫描仪，旨在应对小鼠和大鼠的小心脏尺寸和非常高的心率所带来的苛刻技术要求。本文描述了一种用于实验小鼠和/或大鼠心脏病模型的双模心脏PET / CT成像方案，从动物制备和图像采集和重建到图像处理和可视化。
特别是， 18F标记的氟脱氧葡萄糖（[18F]FDG）-PET扫描允许测量和可视化左心室（LV）不同部分的葡萄糖代谢。极地地图是显示此信息的便捷工具。CT 部分包括使用无心电图 （ECG） 导联的回顾性门控对整个心脏 （4D-CT） 进行时间分辨 3D 重建，从而可以对左心室进行形态功能评估，并随后量化最重要的心脏功能参数，例如射血分数 （EF） 和每搏输出量 （SV）。使用集成的PET / CT扫描仪，该协议可以在同一麻醉诱导内执行，而无需在不同的扫描仪之间重新定位动物。因此，PET / CT可以被视为几种心脏病小动物模型中心脏形态功能和代谢评估的综合工具。

在本节中，显示了按照目前描述的程序进行PET和CT分析的典型结果。 图6 显示了对照（健康）CD-1小鼠的[18F]FDG PET扫描的自动心肌和左心室腔分割的结果。尽管右心室在重建的图像中并不总是可见，但基于DICOM接头的方向轴可用于正确区分室间隔与其他左心室壁，这是按照美国心脏协会（AHA）建议25可靠识别标准扇区所必需的。.在心肌缺血的情况下，...

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High-Resolution Cardiac Positron Emission Tomography/Computed Tomography for Small Animals

在这里，我们提出了一种实验成像协议，用于使用高分辨率正电子发射断层扫描/计算机断层扫描来量化小动物的心脏功能和形态。考虑小鼠和大鼠，讨论计算机断层扫描造影剂对两个物种的不同要求。

小动物高分辨率心脏正电子发射断层扫描/计算机断层扫描

Positron emission tomography (PET) and computed tomography (CT) are among the most employed diagnostic imaging techniques, and both serve in understanding ...

所提出的心脏PET / CT方案可用于在各种心脏病小动物模型中获取功能和形态学信息。与其他临床前成像方式相比，PET/CT成像的优势包括但不限于高灵敏度和非常高的空间时间分辨率，以及鲁棒性，因为它不需要操作员手动定位探针。可以使用该协议研究的主要疾病模型之一是心肌梗塞。然而，可以研究其他心脏代谢疾病以及对治疗的反应。例如，我们的小组对肥胖和糖尿病对心脏代谢和功能的作用感兴趣。没有经验的用户可以轻松遵循此协议中包含的步骤。然而，一些步骤，如尾静脉插管和血液采样，可能需要一些培训和经验才能重复进行。演示该程序的将是来自我们实验室的研究员Federica La Rosa，Sant'Anna School of Advanced Studies的博士生Federico Granziera和Fondazione Toscana Gabriele Monasterio的兽医Domiziana Terlizzi。首先，将鼠标置于仰卧位置，首先放在PET / CT断层扫描仪的扫描仪床上，将其鼻子放入鼻罩中进行麻醉，并用胶带轻轻地挡住面罩的头部。将上肢和下肢固定在扫描仪台上，以防止在成像过程中可能导致运动伪影的不自主运动。使用直肠探头监测体温，使用呼吸枕头监测呼吸频率。对于小鼠，使用胰岛素注射器抽取100至150微升10兆贝克勒尔氟-18 FDG。如果小瓶中示踪剂的原始浓度很高，则用盐水稀释示踪剂至每毫升50至100兆贝克勒尔的浓度。使用PET剂量校准器测量注射器中的实际活性。注释注射前活动和测量时间，因为这些值将在以后使用 PET 扫描仪图形用户界面的特定输入模块使用。如果使用碘美普尔，请将注射速率设置为每小时10毫升，体积设置为0.5毫升。将注射器连接到注射泵，并将泵设置为实际注射器的尺寸和直径，然后将注射器连接到CA管和针头，并用CA预填充管。将注射速率设置为每小时 10 毫升，将注射量限制为 0.5 毫升。对于碘美洛注射，使用注射泵允许以恒定速率缓慢注射，已经设定的注射速率为每小时10毫升。将注射量限制在0.5毫升，三分钟后停止注射。确保管子和针头预先填充了CA后，将连接到CA管的针头连接到尾静脉的套管。开始注射。合上扫描仪盖，准备进行Cine-CT扫描。从注射开始60秒后，按下断层扫描用户界面上的继续按钮，以便开始Cine-CT采集。CA的注入将在Cine-CT扫描完成的同时停止。打开动态 PET 扫描的 DICOM 映像。选择心脏插件模块。放大小鼠或大鼠心脏图像，然后选择最后一个时间范围或过去三到五个时间范围的总和，其中大部分血池活动已被清除。按照屏幕上的说明沿动物心脏的主轴重新定向图像。通过移动心脏底部和顶点的显示标记来交互执行此操作。接下来，选择细分工具。如果自动分割的结果不可接受，请通过启用禁用手动模式 ROI 搜索来优化分段心肌或左心室腔的形状。在建模工具中，选择适当的动力学模型或动态 PET 分析。在这种情况下，选择图形，然后选择 Patlak 以启用 Patlak 图分析以计算每个心脏扇区的葡萄糖摄取代谢率。接下来，在极坐标图工具中，选择正确数量的显示心脏段。在这种情况下，请选择 17 个段。现在，按拟合按钮以执行 Patlak 分析的拟合过程。在拟合过程结束时，观察显示的KI值的极坐标图。在软件中加载Cine-CT扫描的DICOM图像。然后使用内置 4D 查看器打开动态数据集。并使用 3D 多人游戏改革或 MPR 工具，沿短轴重新定向图像数据。将重定向的数据导出到 DICOM，确保导出整个 4D 数据时保留切片厚度和每体素 16 位的图像位深度。使用 4D 查看器打开导出的 4D MPR 图像，然后选择与舒张末期相对应的时间范围，并使用主工具栏上的时间滑块浏览所有时间范围，以确保选择正确的心脏阶段。在此时间范围内，选择封闭的多边形注释工具并手动描绘左心室的心内膜壁。对从底部到顶点的 10 到 20 个切片执行相同的操作，确保所有 ROI 具有相同的名称。接下来，在ROI菜单上，选择ROI体积，然后生成缺失的ROI，通过插值手动绘制的ROI在所有短轴切片上生成ROI。然后选择“ROI 卷”，然后选择“计算量”，以计算具有相同 ROI 名称的 ROI 组的卷。接下来，浏览时间范围，选择与收缩末相对应的阶段，并计算具有与所示相同 ROI 名称的 ROI 组的交易量。最后，使用手稿中描述的公式计算行程体积和射出分数。此处显示了对照CD1小鼠的自动心肌和左心室腔分割的结果。即使在健康受试者中，在PET中也经常观察到顶点周围的较低重建值。Patlak 图形分析演示了区域 KI、散点图和线性回归分析的示例，以及对每个线段执行的线性拟合的斜率和截距值以及相应的决定系数。在健康大鼠中，舒张末期和收缩末期显示了左心室的不同形状和大小。通过分段左心室容积的 3D 重建，体积计算结果舒张末期容积为 0.361 毫升，收缩末期容积为 0.038 毫升。舒张末期和收缩末期相同大鼠心脏的体积渲染允许描绘碘增强室和血管，因此它们的价值比定量更定性。在研究期间保持麻醉水平并经常检查动物的生理参数。此外，必须对插管的通畅性进行初步检查，以避免注射失败。由于本研究的非侵入性，动物可以在放射性示踪剂的程序和衰变后恢复，因此实际上可以应用任何其他研究方法。否则，如果动物要在PET / CT成像后被安乐死，则可以对兴奋的组织进行所有标准的离体分析。

Research

JoVE Journal

Medicine

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