Доклиническая ОФЭКТ

Доклиническая однофотонная эмиссионная компьютерная томография ( ОФЭКТ на основе радионуклидов ) для мелких животных представляет собой метод молекулярной визуализации для мелких лабораторных животных. [1] (например, мыши и крысы). Хотя ОФЭКТ является хорошо зарекомендовавшим себя методом визуализации, который уже несколько десятилетий используется в клинических целях, ограниченное разрешение клинической ОФЭКТ (~ 10 мм) стимулировало разработку специализированных систем ОФЭКТ для мелких животных с разрешением менее миллиметра. В отличие от клиники, доклиническая ОФЭКТ превосходит доклиническую ПЭТ с совпадением по разрешению (лучшее пространственное разрешение ОФЭКТ — 0,25 мм, [2] ПЭТ ≈ 1 мм [3] [4] ) и в то же время позволяет выполнять быструю динамическую визуализацию животных (время менее 15 с). [5] ).
небольших количеств γ-излучающих радиоактивно меченных молекул (обычно называемых « трейсерами ОФЭКТ-визуализация требует введения животному ») перед получением изображения. Эти индикаторы биохимически сконструированы таким образом, что они накапливаются в целевых участках тела. Излучение, испускаемое молекулами индикатора (одиночные γ-фотоны ), может быть обнаружено гамма-детекторами и после реконструкции изображения приводит к получению трехмерного изображения распределения индикатора внутри животного. Некоторые ключевые радиоактивные изотопы, используемые в доклинической ОФЭКТ: 99 м Тс , 123 я , 125 я , 131 я , 111 В , 67 Га и 201 Тл .
Доклиническая ОФЭКТ играет важную роль во многих областях трансляционных исследований. [6] где ОФЭКТ можно использовать для неинвазивной визуализации меченых радиоактивным изотопом молекул, включая антитела, пептиды и наночастицы. Среди основных областей его применения — онкология, неврология, психиатрия, кардиология, ортопедия, фармакология и внутренняя медицина.
Основной принцип визуализации доклинической ОФЭКТ
[ редактировать ]Из-за небольшого размера изображаемых животных (мышь примерно в 3000 раз меньше человека по весу и объему) для доклинического сканера важно иметь высокое пространственное разрешение и эффективность обнаружения.
Пространственное разрешение
[ редактировать ]Если мы сначала посмотрим на пространственное разрешение, то если мы хотим увидеть тот же уровень детализации относительно, например, размера органов у мыши, который мы можем видеть у человека, пространственное разрешение клинической ОФЭКТ необходимо улучшить в раз. или выше. Такое препятствие заставило ученых искать новый подход к визуализации для доклинической ОФЭКТ, который был основан на использовании принципа точечной визуализации. [7]

Коллиматор с точечным отверстием состоит из куска плотного материала, содержащего только одно отверстие, которое обычно имеет форму двойного конуса. Первые попытки получить ОФЭКТ-изображения грызунов с высоким разрешением были основаны на использовании обскурных коллиматоров, прикрепленных к конвекционным гамма-камерам. [8] [9] Таким образом, поместив объект (например, грызуна) близко к апертуре точечного отверстия, можно достичь высокого увеличения его проекции на поверхность детектора и эффективно компенсировать ограниченное собственное разрешение детектора.
Совместное влияние конечного размера апертуры и ограниченного внутреннего разрешения описывается следующим образом:
d e - эффективный диаметр отверстия, R i - собственное разрешение детектора, M - коэффициент увеличения проекции.
Разрешение системы ОФЭКТ, основанной на принципе точечной визуализации, можно улучшить одним из трех способов:
- за счет уменьшения эффективного диаметра точечного отверстия
- за счет увеличения коэффициента увеличения
- за счет использования детекторов с более высоким внутренним разрешением
Точный размер, форма и материал точечного отверстия важны для получения хороших характеристик изображения и являются предметом исследований по оптимизации конструкции коллиматора, например, с использованием моделирования Монте-Карло .Современные доклинические ОФЭКТ-сканеры, основанные на точечной визуализации, могут достигать пространственного разрешения до 0,25 мм или объемного разрешения 0,015 мкл для визуализации мышей in vivo .
Эффективность обнаружения
[ редактировать ]
Эффективность обнаружения или чувствительность доклинической системы ОФЭКТ с точечным отверстием определяется: [10] [11]
S – эффективность обнаружения (чувствительность), d e – эффективный диаметр отверстия с проникновением, N – общее количество отверстий, r c – радиус коллиматора (например, расстояние от объекта до отверстия).
Чувствительность можно улучшить следующими способами:
- увеличение диаметра отверстия
Возможные недостатки: ухудшение пространственного разрешения.
- уменьшение расстояния от объекта до обскуры (например, размещение животного как можно ближе к обскурному отверстию)
- использование нескольких точечных отверстий, которые одновременно захватывают проекции под разными углами
Возможные недостатки: Когда несколько проекций-обскуров проецируются на одну поверхность детектора, они могут либо перекрывать друг друга (мультиплексирующие проекции), либо быть полностью разделены (неперекрывающиеся проекции). Хотя коллиматоры-обскуры с мультиплексированием проекций позволяют достичь более высокой чувствительности (за счет использования большего количества отверстий) по сравнению с неперекрывающимися конструкциями, они также страдают от множества артефактов на реконструированных ОФЭКТ-изображениях. [12] [13] [14] [15] Артефакты вызваны неясностью происхождения γ-фотонов, обнаруженных в областях перекрытия.
- уменьшение размера « поля обзора »
Размещение животного рядом с апертурой обскуры происходит за счет уменьшения размера области, которая может быть отображена в данный момент («поле зрения») по сравнению с получением изображения при меньшем увеличении. Однако в сочетании с перемещением животного (так называемый «метод сканирующего фокуса») [16] ) большую область интереса все равно можно отобразить с хорошим разрешением и чувствительностью.
Типичная эффективность обнаружения доклинического ОФЭКТ-сканера находится в диапазоне 0,1–0,2% (1000–2000 имп/с/МБк), что более чем в десять раз превышает среднюю чувствительность клинических сканеров. [17] В то же время специальные высокочувствительные коллиматоры могут обеспечить эффективность обнаружения >1% и поддерживать разрешение изображения менее миллиметра. [18]
Проектирование системы
[ редактировать ]Было предложено несколько конструкций систем ОФЭКТ с точечными отверстиями, включая вращающуюся гамма-камеру, стационарный детектор, но вращающийся коллиматор или полностью стационарную камеру. [19] [20] при котором большое количество точечных отверстий окружают животное и одновременно получают проекции с достаточного количества углов для реконструкции томографического изображения. Стационарные системы имеют ряд преимуществ перед нестационарными:
- нет необходимости в повторной калибровке геометрии системы
Почему: благодаря стабильному положению детектора(ов) и коллиматора
- в отличие от нестационарных систем, стационарные системы очень хорошо подходят для динамической ОФЭКТ-визуализации.
Почему: потому что вся необходимая угловая информация собирается одновременно несколькими точечными отверстиями.
Современные стационарные доклинические системы ОФЭКТ могут выполнять динамическую ОФЭКТ-визуализацию с временными интервалами до 15 секунд во время всего тела. [5] и временные рамки до 1 секунды во время «фокусировки» (например, фокусировки на сердце) [16] получение изображений.

Мультимодальная визуализация
[ редактировать ]
Медицинская визуализация включает в себя множество различных методов визуализации, которые условно можно разделить на анатомическую и функциональную визуализацию. Анатомические методы (например, КТ , МРТ ) в основном раскрывают структуру тканей и органов, тогда как функциональные методы (ОФЭКТ, ПЭТ и оптическая визуализация ) главным образом визуализируют физиологию и функцию ткани. Поскольку ни один из существующих методов визуализации не может предоставить информацию обо всех аспектах структуры и функции, очевидным подходом является либо изменить один метод визуализации в соответствии с поставленной задачей (например, специальные последовательности изображений в МРТ), либо попытаться получить изображение субъекта, используя несколько методов визуализации. . Следуя мультимодальному подходу, в последние годы комбинация системы ОФЭКТ/КТ стала стандартной комбинацией методов молекулярной визуализации как в доклинической, так и в клинической областях, где структурная информация КТ дополняет функциональную информацию ОФЭКТ. Тем не менее, интеграция ОФЭКТ с другими методами визуализации (например, ОФЭКТ/МР, ОФЭКТ/ПЭТ/КТ) [6] [21] ) не редкость.
Реконструкция
[ редактировать ]Измерение ОФЭКТ состоит из двухмерных проекций распределения радиоактивных источников, полученных с помощью коллиматора(ов) и гамма-детектора(ов). Целью алгоритма реконструкции изображения является точное восстановление неизвестного трехмерного распределения радиоактивности. [22]
Алгоритм максимизации ожидания максимального правдоподобия [23] [24] ( MLEM ) является важным «золотым стандартом» в итеративной реконструкции изображений ОФЭКТ, но это также вычислительно затратный метод. Популярное решение этого препятствия основано на использовании так называемых блочно-итерационных методов реконструкции. При использовании блочно-итерационных методов каждая итерация алгоритма подразделяется на множество последующих подитераций, каждая из которых использует различное подмножество проекционных данных. Примером широко используемой блочно-итеративной версии MLEM является алгоритм максимизации ожидания упорядоченных подмножеств. [25] (ОСЕМ). Ускорение восстановления полной итерации OSEM по сравнению с одной итерацией MLEM примерно равно количеству подмножеств.
Количественная оценка
[ редактировать ]Доклиническая ОФЭКТ – это метод количественной визуализации. Поглощение индикаторов ОФЭКТ в интересующих органах (областях) можно рассчитать по реконструированным изображениям. Небольшой размер лабораторных животных уменьшает затухание фотонов в теле животного (по сравнению с объектами размером с человека). Тем не менее, в зависимости от энергии γ-фотонов и размера животного, используемого для визуализации, для обеспечения хорошей точности количественного определения может потребоваться поправка на затухание и рассеяние фотонов. Подробное обсуждение эффектов, влияющих на количественную оценку изображений ОФЭКТ, можно найти у Hwang et al. [26]
ОФЭКТ-трейсеры
[ редактировать ]ОФЭКТ-трейсеры излучают одиночные γ-фотоны, энергия испускаемого фотона зависит от изотопа, который использовался для радиоактивной метки трассера. Таким образом, в случаях, когда разные трассеры мечены радиоактивными изотопами разных энергий, ОФЭКТ обеспечивает возможность одновременного исследования нескольких молекулярных путей (мультиизотопная визуализация). Двумя примерами распространенных комбинаций мультиизотопных индикаторов, используемых для ОФЭКТ-визуализации, являются: 123 Я- НаИ / 99 м Tc- пертехнетат (функция щитовидной железы [27] ) или 99 м Тс-МАГ3/ 111 Ин- ДТПА (оценка почечной фильтрации ).
Время, в течение которого можно отслеживать индикатор in vivo, сильно зависит от периода полураспада изотопа, используемого для радиоактивной метки соединения. Широкий спектр относительно долгоживущих изотопов (по сравнению с изотопами, обычно используемыми в ПЭТ), которые можно использовать для ОФЭКТ-визуализации, предоставляет уникальную возможность отображать медленные кинетические процессы (от дней до недель).
Другой важной характеристикой ОФЭКТ является простота процедуры мечения радиоактивным изотопом, которую можно выполнить с помощью широкого спектра коммерчески доступных наборов для мечения.
Доклиническая ОФЭКТ в сравнении с ПЭТ
[ редактировать ]Доклиническая ОФЭКТ и ПЭТ — два очень похожих метода молекулярной визуализации, используемые для неинвазивной визуализации биораспределения радиоактивных меток, которые вводятся животному. Основное различие между ОФЭКТ и ПЭТ заключается в природе радиоактивного распада их индикаторов. ОФЭКТ-трейсер излучает одиночные γ-фотоны, энергия фотонов которых зависит от изотопа, который использовался для радиоактивной метки. При ПЭТ трассер испускает позитроны, которые после аннигиляции с электронами в объекте производят пару аннигиляционных фотонов с энергией 511 кэВ, испускаемых в противоположных направлениях. Случайное обнаружение этих аннигиляционных фотонов используется для формирования изображения в ПЭТ. В результате были разработаны разные принципы обнаружения для индикаторов ОФЭКТ и ПЭТ, что привело к созданию отдельных сканеров ОФЭКТ и ПЭТ.
Сравнение доклинических ОФЭКТ и ПЭТ представлено в таблице ниже.
Характеристики | ОФЭКТ | ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ |
---|---|---|
Радиационный распад | одиночные γ-фотоны | б + разлагаться |
Основной принцип обнаружения | Коллимация, одиночные γ-фотоны | Обнаружение совпадений, аннигиляционные фотоны |
Энергия γ-фотонов | Разные для разных изотопов | 511 кэВ |
Самый популярный изотоп | 99 м Tc: период полувыведения 6,03 часа, γ-энергия 141 кэВ | 18 F: период полураспада 108 минут, γ-энергия 511 кэВ |
Мультиизотопная визуализация | Да, для изотопов с разной энергией γ-фотонов | Нет, все изотопы излучают фотоны с энергией 511 кэВ. |
Визуализация медленных динамических процессов | Да, для изотопа с более длительным периодом полураспада (например 99 м Тк - 6,03 часа, 123 Я - 13 часов, 111 Через - 2,8 дня, 125 Я - 60,14 дней) | Ограничено распадом изотопа (период полураспада 18 Ф – 108 минут, 11 С – 24 минуты, 124 Я - 4,18 дней) |
Визуализация быстрых динамических процессов | Кадры >15 с (изображение всего тела) [5] Кадры >1 с (сфокусированное изображение) [18] | Да, от секунд до минут |
Разрешение, лучшее | 0,25 мм (0,015 мкл) [2] | 0,75 мм (0,422 мкл) [28] |
Эффективность обнаружения | 0.1-1.3% | 1- 10% |
Радиомечение индикаторами (затраты) | От низкого к высокому | Высокий |
Современная доклиническая ОФЭКТ
[ редактировать ]Производителями доклинических систем ОФЭКТ являются MILabs, Siemens , Bruker , Mediso и MOLECUBES. [29] [30] Доступны системы, сочетающие ОФЭКТ с множеством других методов, включая МРТ , ПЭТ и КТ . [31] [32] Они могут достигать пространственного разрешения до 0,25 мм (объемное разрешение 0,015 мкл) и динамической неинвазивной ОФЭКТ-визуализации грызунов с длительностью до 1 секунды. [33]
Приложения в переводческих исследованиях
[ редактировать ]ОФЭКТ можно использовать для диагностической или терапевтической визуализации. Если радиоактивный индикатор помечен первичными гамма-излучающими изотопами (например, 99 м Тс, 123 Я, 111 В, 125 I), полученные изображения предоставляют функциональную информацию о биораспределении соединения, которую можно использовать для различных диагностических целей. Примеры диагностического применения: визуализация метаболизма и перфузии, кардиология, ортопедия.
Когда трассер ОФЭКТ помечен комбинированным гамма- и α- или β-излучающим изотопом (например, 213 Би или 131 I) можно сочетать радиоизотопную терапию рака с использованием α- или β-частиц с неинвазивной визуализацией ответа на терапию, что достигается с помощью ОФЭКТ.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мейкле SR и др. ОФЭКТ мелких животных и ее место в матрице технологий молекулярной визуализации. Физ Мед Биол. 2005 г.; 50(22):Р45-61.
- ^ Jump up to: а б Иващенко и др. Визуализация молекулярной мыши с четвертьмиллиметровым разрешением с помощью U-SPECT+. Мол Имиджинг. 2014.
- ^ Уокер, доктор медицинских наук, и др. Оценка производительности доклинического ПЭТ-сканера с точечной коллимацией по сравнению с ПЭТ-сканером для мелких животных, основанным на совпадениях. Джей Нукл Мед. 2014 г.; 55(8):1368-1374.
- ^ Тай Ю и др. Оценка производительности microPET Focus: сканер microPET третьего поколения, предназначенный для визуализации животных. Джей Нукл Мед. 2005 г.; 46(3):455-463.
- ^ Jump up to: а б с Vaissier PEB и др. Быстрая спиральная ОФЭКТ со стационарными γ-камерами и фокусирующими отверстиями. Джей Нукл Мед. 2012 г.; 53(8):1292-9.
- ^ Jump up to: а б Бернсен М.Р. и др. Роль доклинической ОФЭКТ в онкологических и неврологических исследованиях в сочетании с КТ или МРТ. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2014 г.; 41(1):36-49.
- ^ Бикман Ф.Дж. и др. Обскура: путь к трехмерной радионуклидной визуализации со сверхвысоким разрешением. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2007 г.; 34(2):151-61.
- ^ Вебер Д.А. и др. ОФЭКТ с точечным отверстием: подход к in vivo ОФЭКТ с высоким разрешением у мелких лабораторных животных. Джей Нукл Мед. 1994 год; 35: 342-8.
- ^ Ящак Р.Дж. и др. Коллимация точечных отверстий для ОФЭКТ со сверхвысоким разрешением и малым полем зрения. Физ Мед Биол. 1994 год; 39: 425-37.
- ^ Jump up to: а б Рентмистер МСМ и др. Оптимизация геометрии ОФЭКТ с несколькими отверстиями с использованием аналитической модели. Физ Мед Биол. 2007 г.; 52:2567-2581.
- ^ Мецлер С.Д. и др. Эффективный диаметр разрешения и чувствительности при точечной коллимации: экспериментальная проверка. Физ Мед Биол. 2005 г.; 50:5005-5017.
- ^ Роу РК и др. Стационарный полусферический ОФЭКТ-сканер для трехмерной визуализации мозга. J Nucl Med.1993; 34:474-80.
- ^ Мейке С.Р. и др. Прототип детектора с кодированной апертурой для ОФЭКТ мелких животных. IEEE Trans Nucl Sci. 2002 г.; 49:2167-71.
- ^ Ван Оденхейге К. и др. Оценка полноты данных и качества изображения при мультиплексной многоточечной ОФЭКТ. IEEE Trans Med Изображение. 2015 г.; 34: 474-86.
- ^ Вунк К. и др. Влияние перекрывающихся проекций на качество реконструкции изображения в многоточечной ОФЭКТ. IEEE Trans Med Imag.2008; 27: 972-83.
- ^ Jump up to: а б Брандерхорст В. и др. Прицельная многоточечная ОФЭКТ. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2001 г.; 38(3):552-61.
- ^ Мэдсен MT. Последние достижения в области ОФЭКТ. Джей Нукл Мед. 2007 г.; 48(4):661-673.
- ^ Jump up to: а б Иващенко и др. ОФЭКТ для мыши с субмиллиметровой сверхвысокой чувствительностью. Джей Нукл Мед. 2015 г.; 56(3):470-5.
- ^ Фуренлид Л.Р. и др. FastSPECTII: динамический ОФЭКТ-сканер второго поколения с высоким разрешением. IEEE Trans Nucl Sci. 2004 г.; 51(3):631-635.
- ^ Ван дер Хаве Ф. и др. U-SPECT-II: устройство сверхвысокого разрешения для молекулярной визуализации мелких животных. Джей Нукл Мед. 2009 г.; 50(4):599-605.
- ^ Черри С.Р. Мультимодальность систем визуализации in vivo: удвоенная мощность или двойная проблема. Анну Рев Биомед Инж. 2006 г.; 8:35-62.
- ^ Ци Дж и др. Методы итерационной реконструкции в эмиссионной компьютерной томографии. Физ Мед Биол. 2006 г.; 51(15):R541-78.
- ^ Ланге К. и др. Алгоритмы ЭМ реконструкции для эмиссионной и трансмиссионной томографии. J Comput Assist Томогр. 1984 год; 8:306-316.
- ^ Шепп Л.А. и др. Реконструкция максимального правдоподобия для эмиссионной томографии. IEEE Trans Med Изображение. 1982 год; 1(2):113-22.
- ^ Хадсон Х.М. и др. Ускоренная реконструкция изображения с использованием упорядоченных подмножеств проекционных данных. IEEE Trans Med Изображение. 1994 год; 13(4):601-609.
- ^ Хван AB и др. Оценка источников ошибок, влияющих на количественную точность ОФЭКТ-изображений мелких животных. Физ Мед Биол. 2008. 53:2233-2252.
- ^ Руководство Общества ядерной медицины по сцинтиграфии щитовидной железы. V3.0 Сцинтиграфия щитовидной железы. 10 сентября 2006 г. http://snmmi.files.cms-plus.com/docs/Thyroid_Scintigraphy_V3.pdf.
- ^ Goorden MC и др. VECTor: система доклинической визуализации для одновременной субмиллиметровой ОФЭКТ и ПЭТ. Джей Нукл Мед. 2013 г.; 54(2): 306-12.
- ^ Кузина Лидия; Хорват, Ильдико; Феррейра, Сара; Лемос, Джоанна; Коста, Питер; Гребешок, Домингос; Верес, Дэниел С.; Сзигети, Кристиан; Суммавиэль, Тереза; Мате, Домокос; Метелло, Луис Ф. (22 октября 2013 г.). «Доклиническая визуализация: важный союзник в современных биологических науках» (PDF) . Молекулярная диагностика и терапия . 18 (2): 153–173. дои : 10.1007/s40291-013-0062-3 . hdl : 10400.22/15057 . ПМИД 24146172 .
- ^ Кал-Гонсалес, Хакобо; Рауш, Иво; Шиям Сундар, Лалит К.; Лассен, Мартин Л.; Музик, Отто; Мозер, Эвальд; Папп, Ласло; Бейер, Томас (18 мая 2018 г.). «Гибридная визуализация: приборы и обработка данных» . Границы в физике . 6 . дои : 10.3389/fphy.2018.00047 .
- ^ Хаттон, Брайан Ф; Оккипинти, Микеле; Кюне, Андре; Мате, Домокос; Ковач, Ноэми; Вайцис, Хельмар; Эрландссон, Кьелл; Сальвадо, Дебора; Карминати, Марко; Монтаньани, Джованни Л; Шорт, Сьюзен С; Оттобрини, Луиза; ван Муллеком, Питер; Пьемонт, Клаудио; Букки, Тамас; Ньитрай, Золтан; Папп, Золтан; Надь, Кальман; Ниендорф, Торальф; де Франческо, Ирен; Фиорини, Карло (январь 2018 г.). «Развитие клинической одновременной ОФЭКТ/МРТ» . Британский журнал радиологии . 91 (1081): 20160690. doi : 10.1259/bjr.20160690 . ПМК 5966197 . ПМИД 28008775 .
- ^ Шобер, Отмар; Кисслинг, Фабиан; Дебус, Юрген (2020). Молекулярная визуализация в онкологии . Спрингер Природа. п. 127. ИСБН 978-3-030-42618-7 .
- ^ Азазрм, Ахмад Реза; Гарапапа, Эсмаил; Исламиан Джалил Пираеш; Махмудян, Бабак (2015). «Достижения в области точечных и многоточечных коллиматоров для однофотонной эмиссионной компьютерной томографии» . Всемирный журнал ядерной медицины . 14 (1): 3–9. дои : 10.4103/1450-1147.150505 . ПМК 4337004 . ПМИД 25709537 .