Micro-CT在离体/活体小动物心、脑等血管研究中的应用及前景

 

显微CT空间分辨率可达到1~100μm[1]，其作为一种无损的检测手段，可以在保持组织完整性的同时进行组织学分析。通过显微CT可以对小动物的器官或者组织进行三维成像，可以在形态及功能上研究一些疾病模型中各种表型特征的变化。本文将介绍显微CT在小动物心、脑等涉及血管形态、功能变化及形成方面的应用现状和广阔前景。

 

①扫描过程限制少，操作时可以通过调整时间和X射线的剂量等方法使得信噪比最大化，实现微米级分辨率。

②其次，离体标本处于静态，可避免运动及采集时间窗的影响，简化扫描方案。

由于心跳、呼吸及血流速度的影响，会形成运动伪影及流空效应，对灌注铸型后离体标本血管状态恒定，无需控制扫描时间窗来达到精确的图像采集，避免伪影形成。以下为对离体标本灌注后在显微CT下经过长时间扫描获得的小鼠肺、大脑、心脏和肾血管网络的三维成像，血管直径从140 μm 逐渐显影至50 μm，与活体相比提高了SNR，减少伪影形成。[2]

 

图1 (A) 成年小鼠肾脏，数字阈值设置为只突出主要血管，矢状视图。(B) 成年小鼠肾脏，数字阈值设置为突出细小血管，矢状视图。(C-D) 成年小鼠肾脏血管在冠状面(C)和矢状面(D)的观察。

 

图2  综合分析阈值处理的MIP和体积渲染的数据，可以更好地理解血管网络。所有图像都是同一个Microfil灌注的成年小鼠肝脏血管。(A)MIP和(B)体积渲染的血管，突出主要血管。(C)MIP和(D)体积渲染的血管，显示全部血管。

 

图3  使用不透光的硅聚合物介质灌注后通过显微CT进行完整的全装标本血管成像。所有图像来自同一个Microfil灌注的成年小鼠数据集。(A-B) 骨架和灌注的血管的体积渲染灰度图像。(C-D) 灌注血管（红色）和骨骼（白色）的体积渲染的伪彩图像。

 

图4  通过灌注的小鼠器官脉管测量血管形态。每张图像左侧的色条表示相关的血管直径。(A)成年小鼠肺部血管的伪彩图像。(B) 成年小鼠大脑冠状动脉血管的伪彩图像。(C) 成年小鼠心脏脉管的伪彩图像。(D) 成年小鼠肾脏脉管的伪彩图像。

 

除此之外，显微CT 还可以对更加细小的周围神经微血管和骨内血管进行三维成像。图5为将SD 大鼠坐骨神经内微血管离体灌注后，进行显微CT 三维重建获得坐骨神经内微血管形态和分布规律。[3]

 

图5  (a)大鼠全身 CR 图像 (b) microCT 横截面图（× 200） 其中箭头示显影剂充盈部位 (c) 三维重建图 P：神经近端 D：神经远端

 

随着对活体血管动态观察的需求， 基于显微CT活体的成像技术也不断发展成熟。活体血管成像能尽量维持在某种特定生理或者病理状态下观察到血管的动态变化，且无需牺牲小动物生命，可对同一个体或群体进行连续动态观察，获得数据的同质性较好，能在纵向及横向对比中减少误差。

 

下图显示了使用传统造影剂（Iomerone 300，Bracco Altana）扫描时间为40秒的小鼠颅内和颅外血管的体内数据集。这些数据集不仅可以分析小鼠不同品系之间脑血管的解剖学差异，还可以评估缺氧和常氧之间的急性血管直径变化。

 

图6  小鼠脑血管数据集的最大强度投影（MIP，A-C）和体积渲染（D)。图像（A）显示了大脑内部动脉（ICA）通过颅底和Willis圈的情况，其中包括大脑中动脉（MCA）和大动脉。大脑中动脉（MCA）和大脑前动脉（ACA），以弯曲的MIP形式呈现。图片(B)是BALB/c小鼠的Willis圈的横向视图，显示了大脑后动脉（PCA）、小脑上动脉（SCA）和后交通动脉（PcomA）。图片(C)表示小鼠脑血管的矢状图。小鼠脑血管的矢状面图，可见舌周动脉（azPA）的小分支。D）显示了小鼠颅外血管的体积图，其中包括颈总动脉（CCA）、颅外动脉（ACA）等动脉。

 

图7  图片A、B显示BALB/c小鼠Willis圈的体积渲染数据集，C、D显示C57BL/6小鼠可见的大脑前动脉（ACA）、大脑中动脉（MCA）、颈内动脉（ICA）、大脑后动脉（PCA）、小脑上动脉（SCA）、后部交通动脉（PcomA）和基底动脉（BA）。在BALB/c小鼠中，后循环主要由PcomA供应，而在C57BL/6小鼠中，相关区域由BA和SCA供应，这可能导致不同的梗死区域小鼠卒中模型中不同的梗死区域与血管解剖结构的差异相对应。

 

显微CT可以提供组织结构的定量分析，通过专门的可视化和形态分析软件系统处理扫描数据，可以客观地量化血管三维结构。通过定量指标的测量，可以客观评价血管定量，更加精确地描述血管在细微形态学中的变化。

小鼠颈动脉的对比度增强微型CT成像：计算壁面剪切应力的新方案[6]

 

壁面剪切应力（WSS）参与了动脉粥样硬化的病理生理学。使用WSS操纵的动脉粥样硬化小鼠模型，可以调查WSS和动脉粥样硬化之间的相关性。通过建立细节充分的血管网络三维几何形状，可以帮助确定WSS。利用eXIA 160这种小动物造影剂，在显微CT上评估小鼠血管网络的充分性，并基于局部阈值分割算法对血管进行几何分割。

 

图8  左图：eXIA 160的颈部骨骼结构和血管网络的三维体积渲染。主要血管包括颈内静脉（①）和颈动脉（②）。框中显示了由锥形铸模引起的RCCA狭窄的放大区域。右图：eXIA 160增强型显微CT使用局部阈值和全局阈值分割进行RCCA的三维重建，清晰地捕捉到了由石膏造成的管腔狭窄。

 

[1]杨曦,徐永清,何晓清.显微CT对小动物血管三维成像的研究进展[J].中国骨与关节损伤杂志,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]朱昭炜,毛以华,何波,周翔,朱庆棠,顾立强,郑剑文,朱家恺,唐茂林,刘小林.SD大鼠坐骨神经微血管三维可视化研究初探[J].中国修复重建外科杂志,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.