前臨床SPECT

前臨床または小動物の単光子放出コンピュータ断層撮影（SPECT）は、放射性核種に基づく小実験動物（マウスやラットなど）用の分子イメージング法です^[1]。 SPECT は、すでに数十年にわたって臨床応用されている確立したイメージング技術ですが、臨床 SPECT の解像度が限られている（約 10 mm）ため、サブ mm 解像度の小動物専用 SPECT システムの開発が促進されました。 臨床とは異なり、前臨床 SPECT は解像度の点で前臨床同時計数PET を上回り（ SPECT の最高空間解像度は 0.25 mm、 ^[2] PET ≈ 1 mm ^{[3] [4]}）、同時に、動物の高速動態イメージング（15 秒未満の時間フレーム^[5]）を実行できます。

SPECT イメージングでは、画像取得前に動物に少量の γ 線放射標識分子 (一般に「トレーサー」と呼ばれる) を投与する必要があります。これらのトレーサーは、体内の標的部位に蓄積するように生化学的に設計されています。トレーサー分子から放出される放射線 (単一γ 光子) はガンマ検出器で検出され、画像再構成後に動物体内のトレーサー分布の 3 次元画像が得られます。前臨床 SPECT で使用される主要な放射性同位元素には、^99m Tc、¹²³ I、¹²⁵ I、¹³¹ I、¹¹¹ In、⁶⁷ Ga、²⁰¹ Tlなどがあります。

前臨床SPECTは、抗体、ペプチド、ナノ粒子などの放射性標識分子の非侵襲的イメージングにSPECTを使用できるトランスレーショナルリサーチの複数の分野で重要な役割を果たしています^[6]。主な応用分野としては、腫瘍学、神経学、精神医学、心臓病学、整形外科、薬理学、内科などがあります。

画像化される動物のサイズが小さいため（マウスは重量と体積で測定すると人間の約 3000 分の 1 の大きさです）、前臨床スキャナーには高い空間解像度と検出効率が不可欠です。

まず空間分解能について見てみると、マウスの臓器の大きさなど、人間と同じレベルの詳細を観察するには、臨床SPECTの空間分解能を1倍以上に向上させる必要があります。このような障害により、科学者は前臨床SPECTの新しい画像化手法を模索せざるを得なくなり、ピンホール画像化原理を活用することが分かりました。^[7]${\displaystyle {\sqrt[{3}]{3000}}\approx 15}$

ピンホールコリメータは、通常は二重円錐の形をした、1つの穴のみを含む高密度材料で構成されています。高解像度でげっ歯類のSPECT画像を取得する最初の試みは、従来のガンマカメラに取り付けられたピンホールコリメータを使用することでした。^{[8] [9]このように、対象物（げっ歯類など）をピンホールの開口部の近くに置くことで、検出器表面への投影の高}倍率を達成し、検出器の限られた固有解像度を効果的に補正することができます。

有限の開口部サイズと限られた固有解像度の複合効果は次のように説明されます。

${\displaystyle R={\sqrt {{\left({d_{e} \over M}\right)^{2}}+{\left({R_{i} \over M}\right)^{2}}}}}$^[10]

d _e - 有効ピンホール径、R _i - 検出器の固有解像度、M - 投影拡大係数。

ピンホールイメージング原理に基づく SPECT システムの解像度は、次の 3 つの方法のいずれかで向上できます。

• ピンホールの有効直径を小さくすることで
• 拡大率を上げることによって
• より高い固有解像度を持つ検出器を使用することで

ピンホールの正確なサイズ、形状、材質は、良好な画像特性を得るために重要であり、例えばモンテカルロシミュレーションの使用によるコリメータ設計の最適化研究の対象です。ピンホール画像に基づく最新の前臨床 SPECT スキャナーは、マウスの生体内画像化において、最大 0.25 mm の空間分解能または 0.015 μL の体積分解能を達成できます。

前臨床ピンホールSPECTシステムの検出効率または感度は、以下の要素によって決まります。^{[10] [11]}

${\displaystyle S={{N{d_{e}}^{2}} \over {{16r_{c}}^{2}}}}$

S – 検出効率（感度）、d _{e –}貫通時の有効ピンホール径、N – ピンホールの総数、r _c – コリメータ半径（例：物体からピンホールまでの距離）。

感度は次の方法で向上できます。

• ピンホール径を大きくする

考えられる欠点: 空間解像度の低下

• 物体からピンホールまでの距離を短くする（例えば、動物をピンホールの開口部にできるだけ近づける）
• 複数の角度からの投影を同時に捉える複数のピンホールを使用する

考えられる欠点：複数のピンホール投影が単一の検出器表面に投影される場合、それらは互いに重なり合うか（多重投影）、完全に分離されるか（非重複投影）。多重投影を備えたピンホールコリメータは、非重複設計と比較して（より多くのピンホールを使用できるため）より高い感度を実現できますが、再構成されたSPECT画像に複数のアーティファクトが発生します。^{[12] [13] [14] [15]}アーティファクトは、重なり合う領域で検出されたγ光子の起源があいまいなために発生します。

• 「視野」の大きさを小さくする

動物をピンホールの開口部に近づけると、低倍率で撮影する場合に比べて、一定時間内に撮影できる領域（「視野」）のサイズが小さくなります。しかし、動物を移動させることと組み合わせると（いわゆる「スキャンフォーカス法」^[16]）、より広い関心領域を良好な解像度と感度で撮影することができます。

前臨床SPECTスキャナの典型的な検出効率は0.1～0.2％（1000～2000 cps/MBq）の範囲内であり、これは臨床スキャナの平均感度の10倍以上である。^[17]同時に、専用の高感度コリメータは1％を超える検出効率を可能にし、サブミリメートルの画像解像度を維持することができる。^[18]

回転ガンマカメラ、検出器は固定だがコリメータは回転する、または完全に固定されたカメラ^{[19] [20]}など、複数のピンホールSPECTシステム設計が提案されており、多数のピンホールが動物を取り囲み、断層画像再構成のために十分な数の角度から同時に投影画像を取得する。固定システムには、非固定システムに比べていくつかの利点がある。

• システムジオメトリの繰り返しの再調整が不要

理由: 検出器とコリメータの位置が安定しているため

• 非定常システムとは異なり、定常システムは動的SPECT画像診断に非常に適している。

理由: 必要な角度情報はすべて複数のピンホールによって同時に取得されるためです。

現代の固定式前臨床SPECTシステムは、全身撮影中に最大15秒の時間枠で動的SPECTイメージングを実行できます^[5] 。また、「焦点を絞った」（心臓に焦点を絞ったなど）画像取得中に最大1秒の時間枠で動的SPECTイメージングを実行できます^[16]。

医療用画像診断にはさまざまな画像診断法があり、大まかに分けると解剖学的画像診断と機能的画像診断に分けられます。解剖学的画像診断法 ( CT、MRIなど) は主に組織や臓器の構造を明らかにしますが、機能的画像診断法 (SPECT、 PET、光学画像診断) は主に組織の生理機能と機能を視覚化します。既存の画像診断法では構造と機能のすべての側面に関する情報を提供できるものはないため、明らかなアプローチとしては、1 つの画像診断法をタスクに合わせて変更するか (MRI の特殊な画像シーケンスなど)、複数の画像診断法を使用して対象を画像化してみることです。マルチモダリティ アプローチに続いて、近年では SPECT/CT システムの組み合わせが前臨床および臨床の両分野で標準的な分子画像診断法の組み合わせとなり、CT の構造情報が SPECT の機能情報を補完しています。ただし、SPECT と他の画像診断法 (SPECT/MR、SPECT/PET/CT ^{[6] [21]}など) の統合は珍しくありません。

SPECT測定は、コリメータとガンマ検出器で得られる放射性源分布の2次元投影から構成されます。画像再構成アルゴリズムの目的は、放射能の未知の3次元分布を正確に再構成することです。^[22]

最尤期待値最大化アルゴリズム^{[23] [24]} ( MLEM ) は、SPECT 画像の反復画像再構成における重要な「ゴールド スタンダード」ですが、計算コストの高い方法でもあります。この障害に対する一般的な解決策は、いわゆるブロック反復再構成法の使用に基づいています。ブロック反復法では、アルゴリズムのすべての反復が、それぞれ投影データの異なるサブセットを使用する、後続の多くのサブ反復に分割されます。広く使用されている MLEM のブロック反復バージョンの例として、順序付きサブセット期待値最大化アルゴリズム^[25] (OSEM) があります。単一反復 MLEM に対する完全反復 OSEM の再構成速度の向上は、サブセットの数にほぼ等しくなります。

前臨床 SPECT は定量的画像診断法です。関心のある臓器 (領域) における SPECT トレーサーの取り込みは、再構成画像から計算できます。実験動物はサイズが小さいため、動物の体内での光子の減衰は小さくなります (人間サイズの物体の場合と比較)。ただし、γ 光子のエネルギーと画像診断に使用する動物のサイズによっては、光子の減衰と散乱の補正が定量化の精度を高めるために必要になる場合があります。SPECT 画像の定量化に影響を与える効果に関する詳細な議論は、Hwang ら^{[26]に記載されています。}

SPECTトレーサーは、トレーサーの放射標識に使用された同位体に応じて、放出される光子のエネルギーを持つ単一のγ光子を放出します。したがって、異なるトレーサーが異なるエネルギーの同位体で放射標識されている場合、SPECTは複数の分子経路を同時に調べる機能を提供します（マルチ同位体イメージング）。SPECTイメージングに使用される一般的なマルチ同位体トレーサーの組み合わせの2つの例は、¹²³ I- NaI / ^99m Tc-過テクネチウム酸（甲状腺機能^[27]）または^99m Tc-MAG3 / ¹¹¹ In- DTPA （腎濾過の評価）です。

トレーサーを体内で追跡できる時間は、化合物の放射性標識に使用される同位体の半減期に大きく依存します。SPECT イメージングに使用できる、比較的長寿命の同位体 (PET で通常使用される同位体と比較して) の範囲が広いため、遅い運動プロセス (数日から数週間) をイメージングできる独自の可能性が生まれます。

SPECT のもう一つの重要な特徴は、トレーサー放射性標識手順が簡単で、市販のさまざまな標識キットを使用して実行できることです。

前臨床 SPECT と PET は、動物に注入された放射性標識トレーサーの生体内分布を非侵襲的に視覚化するために使用される、非常によく似た 2 つの分子イメージング モダリティです。SPECT と PET の主な違いは、トレーサーの放射性崩壊の性質にあります。SPECT トレーサーは、放射性標識に使用された同位体によって決まる光子エネルギーを持つ単一の γ 光子を放出します。PET では、トレーサーが陽電子を放出し、これが対象内の電子と消滅した後、反対方向に放出される 511 keV の消滅光子のペアを生成します。PET では、これらの消滅光子の同時検出が画像形成に使用されます。その結果、SPECT トレーサーと PET トレーサーには異なる検出原理が開発され、別々の SPECT スキャナーと PET スキャナーが誕生しました。

前臨床SPECTとPETの比較は下の表に示す。

前臨床SPECTシステムのメーカーとしては、MILabs、Siemens、Bruker、 Mediso、MOLECUBESなどがある。^{[29] [30] SPECTと}MR、PET、CTなどの複数の他のモダリティを組み合わせたシステムも利用可能である。^{[31] [32]}これらのシステムは、最大0.25 mmの空間分解能（0.015 μLの体積分解能）と最大1秒フレームのげっ歯類の動的非侵襲SPECTイメージングを実現できる。^[33]

SPECT は診断または治療用画像診断に使用できます。放射性トレーサーを主要なガンマ線放出同位元素 (例: ^99m Tc、¹²³ I、¹¹¹ In、¹²⁵ I) で標識すると、取得した画像から化合物の生体内分布に関する機能情報が得られ、さまざまな診断目的に使用できます。診断用途の例: 代謝および灌流画像診断、心臓病学、整形外科。

SPECT トレーサーがガンマ線と α 線または β 線放出同位元素の組み合わせ (例: ²¹³ Bi または^{131 I) で標識されている場合、} α 線またはβ 線粒子 による癌放射性同位元素療法と、SPECT で達成される治療に対する反応の非侵襲的イメージングを 組み合わせることが可能になります。