Micro-CT在離體/活體小動(dòng)物心、腦等血管研究中的應(yīng)用及前景

 

顯微CT空間分辨率可達(dá)到1~100μm[1]，其作為一種無(wú)損的檢測(cè)手段，可以在保持組織完整性的同時(shí)進(jìn)行組織學(xué)分析。通過(guò)顯微CT可以對(duì)小動(dòng)物的器官或者組織進(jìn)行三維成像，可以在形態(tài)及功能上研究一些疾病模型中各種表型特征的變化。本文將介紹顯微CT在小動(dòng)物心、腦等涉及血管形態(tài)、功能變化及形成方面的應(yīng)用現(xiàn)狀和廣闊前景。

 

①掃描過(guò)程限制少，操作時(shí)可以通過(guò)調(diào)整時(shí)間和X射線的劑量等方法使得信噪比最大化，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)分辨率。

②其次，離體標(biāo)本處于靜態(tài)，可避免運(yùn)動(dòng)及采集時(shí)間窗的影響，簡(jiǎn)化掃描方案。

由于心跳、呼吸及血流速度的影響，會(huì)形成運(yùn)動(dòng)偽影及流空效應(yīng)，對(duì)灌注鑄型后離體標(biāo)本血管狀態(tài)恒定，無(wú)需控制掃描時(shí)間窗來(lái)達(dá)到精確的圖像采集，避免偽影形成。以下為對(duì)離體標(biāo)本灌注后在顯微CT下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間掃描獲得的小鼠肺、大腦、心臟和腎血管網(wǎng)絡(luò)的三維成像，血管直徑從140 μm 逐漸顯影至50 μm，與活體相比提高了SNR，減少偽影形成。[2]

 

圖1 (A) 成年小鼠腎臟，數(shù)字閾值設(shè)置為只突出主要血管，矢狀視圖。(B) 成年小鼠腎臟，數(shù)字閾值設(shè)置為突出細(xì)小血管，矢狀視圖。(C-D) 成年小鼠腎臟血管在冠狀面(C)和矢狀面(D)的觀察。

 

圖2  綜合分析閾值處理的MIP和體積渲染的數(shù)據(jù)，可以更好地理解血管網(wǎng)絡(luò)。所有圖像都是同一個(gè)Microfil灌注的成年小鼠肝臟血管。(A)MIP和(B)體積渲染的血管，突出主要血管。(C)MIP和(D)體積渲染的血管，顯示全部血管。

 

圖3  使用不透光的硅聚合物介質(zhì)灌注后通過(guò)顯微CT進(jìn)行完整的全裝標(biāo)本血管成像。所有圖像來(lái)自同一個(gè)Microfil灌注的成年小鼠數(shù)據(jù)集。(A-B) 骨架和灌注的血管的體積渲染灰度圖像。(C-D) 灌注血管（紅色）和骨骼（白色）的體積渲染的偽彩圖像。

 

圖4  通過(guò)灌注的小鼠器官脈管測(cè)量血管形態(tài)。每張圖像左側(cè)的色條表示相關(guān)的血管直徑。(A)成年小鼠肺部血管的偽彩圖像。(B) 成年小鼠大腦冠狀動(dòng)脈血管的偽彩圖像。(C) 成年小鼠心臟脈管的偽彩圖像。(D) 成年小鼠腎臟脈管的偽彩圖像。

 

除此之外，顯微CT 還可以對(duì)更加細(xì)小的周圍神經(jīng)微血管和骨內(nèi)血管進(jìn)行三維成像。圖5為將SD 大鼠坐骨神經(jīng)內(nèi)微血管離體灌注后，進(jìn)行顯微CT 三維重建獲得坐骨神經(jīng)內(nèi)微血管形態(tài)和分布規(guī)律。[3]

 

圖5  (a)大鼠全身 CR 圖像 (b) microCT 橫截面圖（× 200） 其中箭頭示顯影劑充盈部位 (c) 三維重建圖 P：神經(jīng)近端 D：神經(jīng)遠(yuǎn)端

 

隨著對(duì)活體血管動(dòng)態(tài)觀察的需求， 基于顯微CT活體的成像技術(shù)也不斷發(fā)展成熟。活體血管成像能盡量維持在某種特定生理或者病理狀態(tài)下觀察到血管的動(dòng)態(tài)變化，且無(wú)需犧牲小動(dòng)物生命，可對(duì)同一個(gè)體或群體進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)觀察，獲得數(shù)據(jù)的同質(zhì)性較好，能在縱向及橫向?qū)Ρ戎袦p少誤差。

 

下圖顯示了使用傳統(tǒng)造影劑（Iomerone 300，Bracco Altana）掃描時(shí)間為40秒的小鼠顱內(nèi)和顱外血管的體內(nèi)數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)集不僅可以分析小鼠不同品系之間腦血管的解剖學(xué)差異，還可以評(píng)估缺氧和常氧之間的急性血管直徑變化。

 

圖6  小鼠腦血管數(shù)據(jù)集的最大強(qiáng)度投影（MIP，A-C）和體積渲染（D)。圖像（A）顯示了大腦內(nèi)部動(dòng)脈（ICA）通過(guò)顱底和Willis圈的情況，其中包括大腦中動(dòng)脈（MCA）和大動(dòng)脈。大腦中動(dòng)脈（MCA）和大腦前動(dòng)脈（ACA），以彎曲的MIP形式呈現(xiàn)。圖片(B)是BALB/c小鼠的Willis圈的橫向視圖，顯示了大腦后動(dòng)脈（PCA）、小腦上動(dòng)脈（SCA）和后交通動(dòng)脈（PcomA）。圖片(C)表示小鼠腦血管的矢狀圖。小鼠腦血管的矢狀面圖，可見舌周動(dòng)脈（azPA）的小分支。D）顯示了小鼠顱外血管的體積圖，其中包括頸總動(dòng)脈（CCA）、顱外動(dòng)脈（ACA）等動(dòng)脈。

 

圖7  圖片A、B顯示BALB/c小鼠Willis圈的體積渲染數(shù)據(jù)集，C、D顯示C57BL/6小鼠可見的大腦前動(dòng)脈（ACA）、大腦中動(dòng)脈（MCA）、頸內(nèi)動(dòng)脈（ICA）、大腦后動(dòng)脈（PCA）、小腦上動(dòng)脈（SCA）、后部交通動(dòng)脈（PcomA）和基底動(dòng)脈（BA）。在BALB/c小鼠中，后循環(huán)主要由PcomA供應(yīng)，而在C57BL/6小鼠中，相關(guān)區(qū)域由BA和SCA供應(yīng)，這可能導(dǎo)致不同的梗死區(qū)域小鼠卒中模型中不同的梗死區(qū)域與血管解剖結(jié)構(gòu)的差異相對(duì)應(yīng)。

 

顯微CT可以提供組織結(jié)構(gòu)的定量分析，通過(guò)專門的可視化和形態(tài)分析軟件系統(tǒng)處理掃描數(shù)據(jù)，可以客觀地量化血管三維結(jié)構(gòu)。通過(guò)定量指標(biāo)的測(cè)量，可以客觀評(píng)價(jià)血管定量，更加精確地描述血管在細(xì)微形態(tài)學(xué)中的變化。

小鼠頸動(dòng)脈的對(duì)比度增強(qiáng)微型CT成像：計(jì)算壁面剪切應(yīng)力的新方案[6]

 

壁面剪切應(yīng)力（WSS）參與了動(dòng)脈粥樣硬化的病理生理學(xué)。使用WSS操縱的動(dòng)脈粥樣硬化小鼠模型，可以調(diào)查WSS和動(dòng)脈粥樣硬化之間的相關(guān)性。通過(guò)建立細(xì)節(jié)充分的血管網(wǎng)絡(luò)三維幾何形狀，可以幫助確定WSS。利用eXIA 160這種小動(dòng)物造影劑，在顯微CT上評(píng)估小鼠血管網(wǎng)絡(luò)的充分性，并基于局部閾值分割算法對(duì)血管進(jìn)行幾何分割。

 

圖8  左圖：eXIA 160的頸部骨骼結(jié)構(gòu)和血管網(wǎng)絡(luò)的三維體積渲染。主要血管包括頸內(nèi)靜脈（①）和頸動(dòng)脈（②）�？蛑酗@示了由錐形鑄模引起的RCCA狹窄的放大區(qū)域。右圖：eXIA 160增強(qiáng)型顯微CT使用局部閾值和全局閾值分割進(jìn)行RCCA的三維重建，清晰地捕捉到了由石膏造成的管腔狹窄。

 

[1]楊曦,徐永清,何曉清.顯微CT對(duì)小動(dòng)物血管三維成像的研究進(jìn)展[J].中國(guó)骨與關(guān)節(jié)損傷雜志,2016,31(03):334-336.

[2]Vasquez SX，Gao F，Su F，et al. Optimization of microCT imaging and blood vessel diameter quantitation of preclinical specimen vasculature with radiopaque polymer injection medium [J]. PLoS One，2011，6(4)：e19099.

[3]朱昭煒,毛以華,何波,周翔,朱慶棠,顧立強(qiáng),鄭劍文,朱家愷,唐茂林,劉小林.SD大鼠坐骨神經(jīng)微血管三維可視化研究初探[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志,2013,27(02):189-192.

[4]Schambach SJ，Bag S，Groden C，et al. Vascular imaging in small rodents using micro-CT[J]. Methods，2010，50(1)：26-35.

[5]Schambach SJ，Bag S，Schilling L，et al. Application of micro-CT in small animal imaging[J]. Methods，2010，50(1)：2-13.

[6]Xing R, De Wilde D, McCann G, et al. Contrast-enhanced micro-CT imaging in murine carotid arteries: a new protocol for computing wall shear stress[J]. Biomedical engineering online, 2016, 15(2): 621-636.