小動物活體microCT在肺功能檢測中的優(yōu)勢

肺是行使呼吸、進行氣體交換的重要器官，而肺功能是判斷肺臟和呼吸系統(tǒng)健康與否的一個關鍵指標之一，可以用來評估肺氣腫、慢阻肺(COPD)、哮喘、間質(zhì)性肺炎等疾病模型，在臨床和臨床前的動物模型研究中都具有重要的意義。傳統(tǒng)的肺功能測量主要依靠肺功能測定儀，可以很便利的得到潮氣量、功能余氣量、氣流量、氣道阻力/順應性等經(jīng)典參數(shù)，從而判斷出觀察對象肺的功能性是否健全。不過細心的小伙伴肯定發(fā)現(xiàn)了，傳統(tǒng)的測量方法只能籠統(tǒng)的測出全肺的總體肺功能參數(shù)，如果想探求左右雙肺甚至是每一個肺葉的功能性參數(shù)，肺功能測定儀就顯得捉襟見肘了。
那么要如何滿足這一“吹毛求疵”的要求呢？小動物活體microCT堪當此任



大家都知道，肺部由于充盈著空氣因此幾乎不對X射線有任何吸收，因此在CT成像中與周圍的組織和骨骼之間表現(xiàn)出非常明顯的明暗對比。當肺部發(fā)生病變，如肺炎、肺纖維化、肺癌等，本來應該充盈空氣的組織則會被免疫細胞、纖維化組織或者腫瘤細胞占據(jù)，從而導致影像的灰度上升。通過軟件進行重構(gòu)和閾值分割，很容易得到肺中空氣的體積——也就是能夠行使肺部功能的正常肺組織體積。通過此法即可方便的監(jiān)測疾病的進程和治療的效果。
進一步，通過在活體狀態(tài)下對肺的呼吸進行動態(tài)的門控拍攝，我們可以得到比肺容積更有用的參數(shù)。珀金埃爾默獨有的回顧性呼吸和心跳門控，可以實現(xiàn)在一次4min的成像過程中，無延遲的進行連續(xù)成像。成像過程同時伴隨著呼吸節(jié)律的采集(如圖一)，可以將每一幀原始圖像對應上呼吸相應的時間戳，即可將呼吸的每一個過程都記錄下來，進而得到每個時間點的肺容積。
利用軟件進行閾值分割后，可以將左肺和右肺的參數(shù)分別進行統(tǒng)計。如下圖是一只健康小鼠肺部斷層和3D重建后的體渲染圖，左側(cè)顯示了典型的兩個呼吸時間點——吸氣末期和呼氣末期肺的狀態(tài)。能夠看到兩個時間點之間，由于空氣含量不同，肺的體積和平均密度均有顯著的差異。通過這兩個時間點，即可得到功能余氣量(FRC)和潮氣量(VT)。再通過每一個時間點的容積和相鄰時間點之間的容積差ΔV，即可得到容積(V)-時間(t)、流量(ΔV)-時間(t)和流量-容積環(huán)圖等功能性曲線�？梢钥吹�，健康小鼠的雙肺功能健全，不論是肺容積和流量變化均顯示出完美的一致性。

圖二 健康小鼠肺容積與流量示意圖 (左：呼氣末期和吸氣末期的冠狀面斷層與3D體渲染圖；中：容積(V)-時間(t)、流量(ΔV)-時間(t)曲線；右：流量-容積環(huán)圖；黑色實線：全肺參數(shù)；藍色虛線：右肺數(shù)據(jù)；綠色虛線：左肺數(shù)據(jù))

那么當肺部發(fā)生病變時，我們即可從上述這些功能性參數(shù)上看到明顯的改變。下圖則是經(jīng)過彈性蛋白酶氣管滴注后的疾病小鼠，通過該造模方式，可以誘導小鼠發(fā)生肺氣腫。肺氣腫小鼠的肺部彈性降低，肺回彈無力降低導致吸氣時的空氣滯留于肺泡內(nèi)，導致肺泡過度膨脹甚至破裂。通過microCT監(jiān)測，能夠?qū)㈦p肺的功能性差異一覽無余，我們能夠通過容積和流量隨時間的變化曲線看到左肺（綠色虛線）的氣體交換能力明顯受損，在斷層圖中也可見左肺一直充盈空氣且?guī)缀鯖]有體積變化。比較雙肺的流量-容積環(huán)能夠看到，相對于健康肺來說，左肺的潮氣量和順應性降低，肺的呼吸功能只能依靠右肺勉強維持。

圖三 肺氣腫小鼠肺容積與流量示意圖 (左：呼氣末期和吸氣末期的冠狀面斷層與3D體渲染圖；中：容積(V)-時間(t)、流量(ΔV)-時間(t)曲線；右：流量-容積環(huán)圖；黑色實線：全肺參數(shù)；藍色虛線：右肺數(shù)據(jù)；綠色虛線：左肺數(shù)據(jù))

通過上述的介紹，我們不難發(fā)現(xiàn)，基于microCT可以快速對全肺和局部的肺組織進行各項功能性參數(shù)的測量。借助機械呼吸機和胸內(nèi)壓的測量，還可以無創(chuàng)地得到肺的順應性和氣道阻力等衍生參數(shù)，從而全面的對肺功能進行完整評估，揭示肺部疾病病理變化的組織不均一性。珀金埃爾默的QuantumGX2快速活體microCT利用高幀數(shù)高靈敏度的CMOS平板探測器能夠兼顧時間與信噪比，可在活體水平對模型進行連續(xù)時間點的長時間觀測，是評估肺部病理生理變化經(jīng)濟且高效的工具。