文摘

背景。配备两个固定检测器,一个大孔准直器对中型动物已经最近推出了专门的临床前单光子发射计算机断层扫描(SPECT)成像。我们旨在评估系统的基本性能使用幻影和健康的兔子。方法。通用中型动物(GP-MSA)准直器与135毫米内径和33 2.5毫米直径的孔安装在一个超高分辨率的扫描仪配备两大固定探测器(U-SPECT5-E / CT)。敏感性和一致性进行了使用点光源和一个圆筒幻影99米分别Tc-pertechnetate。均匀性(%)推导使用大量的利息(看到)汽缸幻影和计算的图像 ,较低的值%表示性能优越。空间分辨率和contrast-to-noise比率(CNRs)进行评估与改装车Derenzo幻影的图像使用不同浓度的活动。的可行性在活的有机体内SPECT成像终于证实了兔子和最常用的临床心肌灌注SPECT成像剂(99米Tc] Tc-sestamibi(动态获取的扫描时间5分钟)。结果。在绩效评估中,790 cps /兆贝可的敏感性,空间分辨率与2.5毫米的改装车幻影,和39.2%的一致性。CNRs棒大小的2.5毫米的1.37,1.24,1.20,和0.85活动集中的29.2,1.0,0.5,和0.1兆贝可/毫升。在兔子允许可视化动态SPECT成像的胸腔和生成时间曲线左边心肌壁和心室腔。结论。临床前U-SPECT5-E / CT配备一个大孔准直器展示了足够的灵敏度和分辨率在活的有机体内兔子成像。连同其独特的SPECT分子功能成像的特点是更好的准直器技术,适用于中型动物模型,从而可以促进转化研究可用于诊断和新疗法的发展。

1。介绍

兔子是必不可少的生物医学研究的实验动物。基本和转化的科学家主要使用小型啮齿动物如小鼠和大鼠减少住房和维护成本。然而,兔子的许多独特特征呈现这个物种对调查的吸引力在各种医学专业,比如心脏病(1,2,免疫学3)、微生物学(4,5]。作为一个主要的优势,兔子比啮齿动物(系统更接近人类6]。uptake-2的一个例子是,去甲肾上腺素再摄取的关键机制之一为心肌细胞维持心脏神经完整性,显著降低表达水平在人类和兔的心,虽然它是高度表达的小鼠和大鼠(7- - - - - -9]。例如,这些优越的跨物种转化能力的兔子心肌可能相关的开发和测试新型心脏交感神经system-targeting疗法。此外,更大的器官大小是各种生物医学分析包括的基本优势在活的有机体内成像技术具有有限的空间分辨率(10- - - - - -15]。

鉴于动物功能性分子成像的需求增加,单光子发射计算机断层扫描(SPECT)已经发展在过去的几十年。这些包括,但不限于16-camera小动物SPECT扫描与模块化闪烁相机与活跃的地区(如FastSPECT II 130厘米2)[16]或装有碲化镉锌探测器(SemiSPECT) [17]。尽管这些重要的技术进步的背景下,小动物SPECT,成像中型动物比如兔子用单光子发射计算机断层扫描(SPECT)没有建立临床成像相比,小型啮齿动物。在这方面,大多数临床SPECT系统已经开发专门为鼠标或老鼠实验的调查,对兔子的大孔尺寸(> 10厘米)需要确保动物将充分融入扫描器。作为替代,临床SPECT相机用于兔实验,但他们有限的空间分辨率(> 1厘米),不提供足够的图像质量描绘小器官(12,14,15]。

最近,专用的中型动物SPECT成像系统与大孔multipinhole准直仪高分辨率动物SPECT系统介绍了大型固定探测器。因此,本研究的目的是探讨SPECT的性能系统和幻影在活的有机体内动物实验使用兔子以及动态图像采集,在此应用U-SPECT5-E / CT定义了持续时间和帧前瞻性相对于其他商用SPECT / CT系统。

2。材料和方法

2.1。扫描仪系统

U-SPECT5 / CT e级(MILabs、乌得勒支荷兰)是用于SPECT成像,显示在数字1(一)和1 (b)。系统性能对小鼠和大鼠使用专用的准直仪已报告在别处(18,19]。短暂,U-SPECT5-E已经开发成一个具有成本效益的替代传统的U-SPECT5系统,这也是一个超高分辨率SPECT临床前的小动物成像系统。U-SPECT5的架构是基于前几代micro-SPECT系统(U-SPECT-II;U-SPECT +;MILabs) [20.,21),有三个固定大小的探测器 和9.5毫米厚thallium-doped碘化钠闪烁晶体排列在一个三角形的视野(FOV)格式。中央位于准直器与multipinhole配置允许收购SPECT图像在螺旋模式使用一个自动化的xyz步阶段(22]。争取成本效益,U-SPECT5 / CT e级是没有底部探测器(18,19]。

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图1
U-SPECT5 / CT e级的概述。(一)系统的正面。(b)系统的背面。管状突出背面(蓝色箭头)可以容纳94厘米长的床上中型动物。(c)床中型动物的照片。(d)通用的中型动物(GP-MSA)准直器。(e)的几何图解GP-MSA准直器在两个固定探测器。的内径GP-MSA准直器是135毫米,和中心的transaxial大小视场(cFOV)是65毫米。(f)侦察的兔子与x射线系统结合SPECT扫描。

U-SPECT5-E有管状突出的扫描仪(图1 (b)),它可以打开举行94厘米长的床上中型动物(图1 (c))。一个通用的中型动物类型(GP-MSA)(图1 (d))准直器有一个宽135毫米直径的孔和33个小孔孔径(图2.5毫米直径1 (e))。所有的小孔指向中心视场(cFOV) 65毫米直径20毫米长度,使获得的SPECT图像宽领域没有床上运动。由于缺少底部探测器,只有上22个小孔为U-SPECT5-E / CT系统成像过程。因为这个扫描仪也有一个x射线辐照能力,它还可以获得计算机断层扫描(CT)和x射线童子军视图(图1 (f))。

2.2。图像重建和数据处理

所有的图片都在列表模式和重构similarity-regulated ordered-subset期望最大化(SROSEM)算法(23),提供的专用软件(MILabs。Rec SPECT的8.06版)系统。该算法可以避免工件造成更多的子集造成潜在的量化错误(24]。对于散射校正,我们应用三重能量窗口方法(25)以20%的光峰126 keV 154 keV的窗口99米Tc 140 keV的光峰,低120.4 keV 126 keV背景窗口,和一个上154 keV 159.6 keV之一。简化了重建过程中,我们总是8迭代32子集和体素的大小为0.8毫米3。获得的SPECT图像转移到酰胺软件(v1.0.4 Windows版本;开源)[26)进一步分析包括高斯预滤器,Vaissier建议的应用等。23]。这种方法没有明显的降低图像质量的参考标准相比,最大似然期望最大化(MLEM) [27]。

2.3。性能度量

使用一个点源敏感性检测99米16.4兆贝可Tc-pertechnetate解决方案。扫描时间是5分钟,没有床上运动。计算是基于国家电气制造商协会(NEMA) [28)如下: 在哪里 是检测计数率的光峰126 keV 154 keV和窗吗 点源的总活动取决于剂量校准器(2010年启动,NUVIA仪器、德累斯顿、德国)。

均匀性研究使用28毫米直径圆柱形幻影同质装满了99米Tc-pertechnetate解决20.5兆贝可/毫升,扫描时间是5分钟,没有床上运动。高斯预滤器应用的半宽度(应用)的2.5毫米,等于该决议在活动1.0 - -29.2兆贝可/毫升的浓度。圆柱的体积感兴趣的(VOI)集中放置的幻影,测量直径25毫米和5毫米长。NEMA[建议的均匀性计算28)如下:

此外,线路纵断面测量通过一条线穿过中心的幽灵来评估图像平滑或不规则的模式。

空间分辨率是评价使用改装的汽车幻影的一般特征补充图所示1。棒的直径范围从1.80到3.10毫米。在每个部分,intercapillary距离等于相应的杆直径的部分。幻影充满了99米Tc-pertechnetate解决方案和放置在cFOV的中心。的cFOV GP-MSA准直器宽足以覆盖整个幻没有床上运动。当活动的浓度99米Tc为29.2,1.0,0.5,和0.1兆贝可/毫升,SPECT扫描进行了20分钟用一床的位置。高斯预滤器应用最大值宽度为1.8毫米,相应的最低杆尺寸。在重建图像的视觉分析,最小的可辨别的杆尺寸决心描述collimator-dependent空间分辨率。

2.4。幻影成像质量

评估在体外图像质量,contrast-to-noise比率(CNR)分析使用的图像与高斯预滤器优化各杆尺寸。应用设置为每个调查杆部分的直径大小来增强图像质量(19]。改装的汽车的技术设置看到幻影采用从沃克描述的方法等。29日]。使用一个高分辨率计算机断层扫描(CT)图像作为模板,圆柱形看到4毫米的长度被放置在高棒的中心。所有的看到有一个直径的0.9倍的大小各自放射性杆。此外,看到同样大小的放射性燃料棒被安置在两个放射性燃料棒之间的非放射性地区。同样大小的看到也在4毫米上下片 轴,如图2(一个)。的对比 定义如下: 在哪里 的意思是平均值的放射性看到杆尺寸吗 和 是所有非放射性看到的均值。噪音 定义如下: 在哪里 是均值的标准差的放射性看到杆尺寸 和 是所有非放射性的均值标准差的看到。 的意思是平均值的放射性和非放射性看到杆尺寸 。

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图2
分辨率和contrast-to-noise比率的改装的汽车幻影图像。(a)代表transaxial和日冕SPECT图像的幻影。红色和黄色圆柱体指示冷热看到地区,分别。(b)改装的汽车幽灵的SPECT图像包含4种不同浓度的活动。切片厚度5.0毫米和高斯预滤器的半宽度(应用等于最小棒大小的1.8毫米。星是代表最小的杆尺寸,可以明确区分图像的每个活动的浓度。(c) Contrast-to-noise浓度比率为不同的活动。图片为每个杆尺寸进行了优化分析的高斯预滤器应用等于每个直径相应的棒。

每个尺寸的CNR杆 定义如下:

中国北车的测量是重复三次三看到每个放射性和非放射性地区,和三个CNRs的意思是计算每个区域。

2.5。在活的有机体内心脏SPECT图像使用GP-MSA准直器

动物协议被批准的当地动物保健和使用委员会(Regierung冯Overfranken、德国)和按照指南进行的护理和使用实验动物(30.]。在在活的有机体内成像,接受吸入麻醉的动物(2.0%异氟烷,1.5 L O2/分钟)。健康雄性新西兰白兔(查尔斯河实验室Inc . Sulzfeld,德国)与970克体重是中型动物放置在专用的床上。SPECT成像后进行CT证实的确切位置。动态SPECT收购开始之前注射378.5兆贝可(99米Tc) Tc-sestamibi (MIBI) [31日通过耳静脉),扫描时间5分钟( sec-frames, sec-frame, sec-frames)。重建后,高斯预滤器应用5毫米的应用。两个椭圆形的看到被集中在左心室的前壁和左心房,和时间曲线创建活动。静态收购开始15分钟后注入扫描时间为30分钟。另一个兔子1300克体重是扫描以同样的方式来确认结果的再现性。

作为参考,GP-MSA准直器成像与男性纯种老鼠(查尔斯河实验室Inc . Sulzfeld,德国)与250克体重后进行(99米Tc) Tc-MIBI(200兆贝可)政府通过尾静脉。25分钟后注入,静态SPECT成像进行收购时间10分钟后CT采集。高斯预滤器并不适用。CT融合图像和SPECT创建与酰胺等软件解决方案(26]。

3所示。结果

3.1。敏感性和均匀性测量

灵敏度的点源790 cps /兆贝可(0.079%)。均匀的GP-MSA准直器是39.0%符合NEMA协议。图3说明了代表重建图像均匀性和线配置文件。水平线的形象似乎更不规则的垂直线。图2 (b)提供改装的汽车幽灵的SPECT图像用于空间分辨率分析。在视觉分析中,增加了降低图像噪声指出活动。最小2.5毫米直径明显歧视甚至在1.0兆贝可/毫升,从而代表空间分辨率。另一方面,歧视的棒2.0毫米和小是不可能的,即使应用浓度最高的活动。

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图3
代表图像和线配置文件汽缸幻影的一致性。(一)Transaxial SPECT图像。活动的浓度为20.5兆贝可/毫升。切片厚度5.0毫米和高斯预滤器半宽度(应用等于2.5毫米的最大分辨率。(b)线的左边的垂直和水平行SPECT图像。蓝色和红色曲线对应的蓝色红色垂直和水平线。
3.2。幻影成像质量

图2 (c)显示了中国北车的结果分析六杆尺寸的四种不同浓度的活动。CNRs棒大小的2.5毫米的1.37,1.21,1.24,和0.79活动集中的29.2,1.0,0.5,和0.1兆贝可/毫升。所有活动的浓度,中国北车不断改进与提高杆尺寸。虽然中国北车活动往往是浓度高的杆尺寸超过2.2毫米,倾向消失在杆尺寸的2.0毫米和小。CNR值棒大小的2.0毫米和较小的浓度几乎是负面的所有活动。中国北车1.30实现了0.5兆贝可/毫升杆尺寸超过2.5毫米和0.1兆贝可/毫升杆尺寸超过2.8毫米。

3.3。兔子和老鼠的动态心肌灌注SPECT图像

在活的有机体内兔子和老鼠的SPECT图像数据所示4和5。整个肺部和心脏的图像得到了兔子没有床上运动。动态的心肌灌注SPECT图像研究健康兔成功(图生成4(一))。背景活动逐渐减少,和心脏注射后吸收显然是见过3 - 5分钟。时间活动的动态变化曲线显示心脏和血池活动(图4 (b))。SPECT成像结果证实了第二只兔子。静态SPECT图像可以精确地融合CT图像(图4 (c))。的大小GP-MSA准直器及其大幅宽cFOV可以很容易地覆盖了一只兔子的心脏和肺部区域(图5(一个)(图)和老鼠5 (b))。

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图4
动态(99米Tc) Tc-MIBI SPECT兔子的胸腔的数据。(一)Transaxial动态SPECT图像的心脏在静脉注射后5分钟。(b)心肌和血池的时间活动曲线在5分钟动态扫描。a.u。:任意单位。(c)融合图像(CT-based)级别的心肌和静态SPECT图像示踪剂注入期间15-45分钟之后。
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图5
之间的关系的视野(FOV)和身体大小的一只兔子和一只老鼠。(一)代表胸部SPECT图像与99米Tc) Tc-MIBI兔子(热金属颜色)和(b)一只老鼠使用GP-MSA准直器与一个相应的CT图像融合(黑色和白色)。单人床位置的视野SPECT成像(黄点框)涵盖了心肺区域的兔子和老鼠。

4所示。讨论

众所周知,SPECT图像质量是由准直器设计的强烈影响。在这项研究中,第一个商用中型动物GP-MSA准直仪高分辨率动物SPECT成像系统是使用幻影和调查在活的有机体内动态成像的兔子。GP-MSA的准直器实现了高灵敏度的790 cps /兆贝可,与之前报道值比较通用的鼠标类型(GP-M)准直仪(847 cps /兆贝可)19]。空间分辨率为2.5毫米,从而表明准直仪的空间分辨率大致对应于每个孔直径(18,19,21,32]。我们包括相对低浓度0.1兆贝可/毫升的幽灵实验,因为示踪剂的数量,可以管理以及扫描在一个繁忙的时间是有限的在活的有机体内动物实验设置高吞吐量。

在中国北车分析,CNR值1.3的杆尺寸达到2.5毫米,大。快速减少被确认为杆尺寸的2.2毫米和浓度较小的所有活动。这个结果是对应的视觉空间分辨率的分析。考虑它的性能,它似乎是不可能获得2毫米的空间分辨率和更少的使用这个准直器。准直器的功能是实现宽cFOV代替高空间分辨率。考虑到兔子的重量超过30倍比一只老鼠,重,每个器官都是超过三倍大,这准直器应该能够解决更大的体型和体质的兔子。

均匀度为39.0%,略低于29.1%的GP-M准直器同样的扫描仪(19]。直接比较两个准直仪是不合适的,因为体素的大小在重建和应用高斯预滤器为每个准直器是不同的。此外,当使用GP-MSA准直器,一个单人床的位置扫描使用因为cFOV准直器的宽足以覆盖整个幻,而多个床GP-M等准直仪所需职位。注意,使用GP-MSA,我们发现水平线概要相比稍微出现不规则的垂直。这可能是一个特征工件的扫描仪和两个探测器,需要确认直接比较两个——和three-detector SPECT系统。

的优势GP-MSA准直器是专门cFOV。如图5(一个),cFOV规模是65毫米,因此足够宽扫描兔子的胸膛。一般来说,针孔准直仪的缺点是一个狭窄的cFOV。例如,一只兔子的心的极震区大小约20毫米。准直器的cFOV老鼠的大小是28毫米(18),从而不足以想象任何吸收的兔子的心没有床上运动。在SPECT图像进行定性评价时,比率目标正常器官的血池和肌肉等经常使用。GP-MSA的准直器允许可视化几乎整个transaxial兔子和分析目标吸收与积累放射性示踪剂在其他器官。我们能够执行动态成像的兔胸器官在这项研究为未来的SPECT成像的兔子是一个进步。未来的研究调查U-SPECT5-E / CT的性能也可能重复本实验使用低数量的活动,那么注射兆贝可也可能影响扫描仪精度。然而,所需的大量的活动来达到足够的诊断准确性可能也为其他研究限制,例如,肿瘤放射性药物,极易受当前受体表达。

5。结论

我们评估的性能GP-MSA准直器U-SPECT5-E / CT的中型动物比如兔子。在这个特殊的设置,准直器的宽cFOV是适用于各种目的与SPECT成像中型动物包括动态在活的有机体内评估。

数据可用性

所有的数据都是可以在请求到相应的作者。

的利益冲突

所有作者声明没有利益冲突,以及同意科学分析和出版。

作者的贡献

山本耀司(Yohji Matsusaka和鲁道夫·a·沃纳的贡献同样这项工作。

确认

这项研究是由德国Forschungsgemeinschaft (DFG)(格兰特数字362993054,CRC1525, 453989101)。这个项目部分由日本冈山大学“校长”计划和KAKENHI资助(JSPS19KK0215和21 k19450)日本促进社会科学。我们感谢菅野孝、简·文森特·霍夫曼和Jan保罗·詹森的实验支持。

补充材料

补充图1:设计一种Derenzo幻影动物扫描仪(10111-21-2-008)。幽灵的照片显示在上面的行,而图像显示transaxial低和日冕x射线计算机断层扫描的图像。幻影包含一个丙烯列的高度和宽度16毫米和36毫米,分别。列有6个不同的组棒的直径范围从1.80到3.10毫米。每批之间的距离等于各个杆的直径在这部分。(补充材料)