小動(dòng)物活體microCT在肺功能檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

肺是行使呼吸、進(jìn)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(gè)關(guān)鍵指標(biāo)之一，可以用來(lái)評(píng)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(dòng)物模型研究中都具有重要的意義。傳統(tǒng)的肺功能測(cè)量主要依靠肺功能測(cè)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(yīng)性等經(jīng)典參數(shù)，從而判斷出觀察對(duì)象肺的功能性是否健全。不過(guò)細(xì)心的小伙伴肯定發(fā)現(xiàn)了，傳統(tǒng)的測(cè)量方法只能籠統(tǒng)的測(cè)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(gè)肺葉的功能性參數(shù)，肺功能測(cè)定儀就顯得捉襟見(jiàn)肘了。
那么要如何滿足這一“吹毛求疵”的要求呢？小動(dòng)物活體microCT堪當(dāng)此任



大家都知道，肺部由于充盈著空氣因此幾乎不對(duì)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(duì)比。當(dāng)肺部發(fā)生病變，如肺炎、肺纖維化、肺癌等，本來(lái)應(yīng)該充盈空氣的組織則會(huì)被免疫細(xì)胞、纖維化組織或者腫瘤細(xì)胞占據(jù)，從而導(dǎo)致影像的灰度上升。通過(guò)軟件進(jìn)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(guò)此法即可方便的監(jiān)測(cè)疾病的進(jìn)程和治療的效果。
進(jìn)一步，通過(guò)在活體狀態(tài)下對(duì)肺的呼吸進(jìn)行動(dòng)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(dú)有的回顧性呼吸和心跳門控，可以實(shí)現(xiàn)在一次4min的成像過(guò)程中，無(wú)延遲的進(jìn)行連續(xù)成像。成像過(guò)程同時(shí)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(duì)應(yīng)上呼吸相應(yīng)的時(shí)間戳，即可將呼吸的每一個(gè)過(guò)程都記錄下來(lái)，進(jìn)而得到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的肺容積。
利用軟件進(jìn)行閾值分割后，可以將左肺和右肺的參數(shù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。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(gè)呼吸時(shí)間點(diǎn)——吸氣末期和呼氣末期肺的狀態(tài)。能夠看到兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)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(guò)這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，即可得到功能余氣量(FRC)和潮氣量(VT)。再通過(guò)每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的容積和相鄰時(shí)間點(diǎn)之間的容積差ΔV，即可得到容積(V)-時(shí)間(t)、流量(ΔV)-時(shí)間(t)和流量-容積環(huán)圖等功能性曲線。可以看到，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(shí)間(t)、流量(ΔV)-時(shí)間(t)曲線；右：流量-容積環(huán)圖；黑色實(shí)線：全肺參數(shù)；藍(lán)色虛線：右肺數(shù)據(jù)；綠色虛線：左肺數(shù)據(jù))

那么當(dāng)肺部發(fā)生病變時(shí)，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(guò)彈性蛋白酶氣管滴注后的疾病小鼠，通過(guò)該造模方式，可以誘導(dǎo)小鼠發(fā)生肺氣腫。肺氣腫小鼠的肺部彈性降低，肺回彈無(wú)力降低導(dǎo)致吸氣時(shí)的空氣滯留于肺泡內(nèi)，導(dǎo)致肺泡過(guò)度膨脹甚至破裂。通過(guò)microCT監(jiān)測(cè)，能夠?qū)㈦p肺的功能性差異一覽無(wú)余，我們能夠通過(guò)容積和流量隨時(shí)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(jiàn)左肺一直充盈空氣且?guī)缀鯖](méi)有體積變化。比較雙肺的流量-容積環(huán)能夠看到，相對(duì)于健康肺來(lái)說(shuō)，左肺的潮氣量和順應(yīng)性降低，肺的呼吸功能只能依靠右肺勉強(qiáng)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(shí)間(t)、流量(ΔV)-時(shí)間(t)曲線；右：流量-容積環(huán)圖；黑色實(shí)線：全肺參數(shù)；藍(lán)色虛線：右肺數(shù)據(jù)；綠色虛線：左肺數(shù)據(jù))

通過(guò)上述的介紹，我們不難發(fā)現(xiàn)，基于microCT可以快速對(duì)全肺和局部的肺組織進(jìn)行各項(xiàng)功能性參數(shù)的測(cè)量。借助機(jī)械呼吸機(jī)和胸內(nèi)壓的測(cè)量，還可以無(wú)創(chuàng)地得到肺的順應(yīng)性和氣道阻力等衍生參數(shù)，從而全面的對(duì)肺功能進(jìn)行完整評(píng)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(cè)器能夠兼顧時(shí)間與信噪比，可在活體水平對(duì)模型進(jìn)行連續(xù)時(shí)間點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，是評(píng)估肺部病理生理變化經(jīng)濟(jì)且高效的工具。