使用MicroCT进行对比增强血管成像

摘要

通过微计算机断层扫描进行小动物血管的对比增强成像是一种快速、经济高效且高通量的技术，适用于系列研究 原位 用于检测肿瘤形成、分析滋养肿瘤的血管网络，以及追踪肿瘤对临床前治疗干预的反应。

摘要

显微计算机断层扫描（microCT）可对活体小型动物的解剖结构进行高分辨率的三维成像。然而，microCT图像中不同软组织与体液之间的固有对比度较差¹。在此情况下，血管的可视化几乎无法实现。为克服这一限制并改善血管的可视化效果，可使用外源性对比剂。本文介绍了一种在啮齿类动物模型中可视化血管网络的方法。通过使用长效水性胶体多分散碘化血池对比剂eXIA 160XL，我们优化了图像采集参数及体绘制技术，以在活体动物中清晰显示血管结构。研究结果表明，为在骨骼、软组织与血管之间获得更优的对比效果，必须采用多帧采集（每个视角至少5–8帧）以及360–720个视角（完成360°完整旋转）的扫描方案。我们还展示了二维传递函数的应用（体素的颜色和不透明度根据CT值及其梯度幅值按比例分配），用于可视化解剖结构并突出目标结构——血管网络。这项具有前景的工作为利用转基因或移植瘤小鼠模型开展抗血管生成的临床前研究提供了定性与定量评估的基础。

方案

1. 动物注射

在进行静脉尾静脉注射前，应使用异丙醇擦拭尾部皮肤以达到消毒目的。随后，使用低死腔½ CC U-100 28G½胰岛素注射器（产品编号#329461，Becton Dickinson and company，NJ，USA），通过尾静脉远端向小鼠注射每20 g体重0.2 mL、浓度为20 mg碘/mL的碘化血池对比剂（eXIA 160XL；Binito Biomedical, Inc. Ottawa, ON, Canada）。

2. 动物准备

注射10分钟后，应准备对动物进行显微CT成像。首先，应在麻醉箱中使用2%异氟烷与100%氧气（流速为每分钟2.5升）对动物进行麻醉。需涂抹眼用润滑软膏，以防止麻醉期间角膜干燥。应通过加热垫将动物体温维持在37°C。

3. 显微CT成像

随后应将小鼠置于能够进行活体动物扫描的微型CT设备上进行扫描。为尽量减少运动伪影并保持稳定，可将小鼠放入市售的多模态成像舱（Numira Biosciences，Salt Lake City，UT），该舱具备进气和排气装置。为避免小鼠在微型CT扫描过程中发生低体温，可使用凝胶加热垫（Hot Cold Therapy Brace，CVS Pharmacy，Woonsocket，RI）、脚趾加热器（Heat Factory，Vista，CA）或Thermipaq黏土加热垫（Thermionics，Springfield，IL）。将这些加热垫放置在泡沫床垫下方，以维持小鼠体温在37°C，同时避免加热装置与动物直接接触。应使用小动物监测与门控系统（如SA Instruments，Stony Brook，NY）监测动物的生命体征，包括体温、呼吸频率和心率。

以下成像方案可作为指南，用于确定任意微计算机断层扫描（microCT）设备的合适扫描参数。本实验所用动物在GE Healthcare（加拿大安大略省伦敦市）的GE eXplore Locus容积CT扫描仪上以93 μm分辨率进行扫描。该容积扫描仪采用3500 × 1750 CCD探测器，用于Feldkamp锥束重建。电流、电压和曝光时间等与平台无关的参数分别保持恒定在450 μA、80 kVp和100 ms。曝光时间、每视野帧数和视野数量等标准参数可进行调整，通常分别为100 ms、5–8和360–720，总扫描时间约为20分钟。图像使用制造商专有的EVSBeam软件进行重建。

4. 图像渲染

可使用 Seg3D 图像处理软件（Seg3D，http://www.sci.utah.edu/cibc/software）对重建的微计算机断层扫描（microCT）数据进行高级等值面、一维或二维传递函数渲染成像。

5. 代表性结果

请参见使用eXIA160XL并按照方法部分所述设置扫描的野生型小鼠附图。

图1. 使用Seg3D图像处理软件（Seg3D，http://www.sci.utah.edu/cibc/software）生成的野生型小鼠二维传递函数（2DTF）渲染图像。该动物注射了eXIA160XL，10分钟后采用方法部分所述参数，以93 μm各向同性分辨率进行microCT扫描。

视频 1. 使用 Imagevis3D 图像处理软件（Imagevis3D，http://www.sci.utah.edu/cibc/software）生成的野生型小鼠二维传递函数（2DTF）渲染的 360° 旋转动画。该动物注射了 eXIA160XL，10 分钟后采用方法部分所述参数，以 93 μm 各向同性分辨率进行 microCT 扫描。
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讨论

利用微计算机断层扫描（microCT）进行对比增强血管成像的首要目标是为活体小鼠血管网络的分析提供生成高质量数据集的最佳方法。对于微CT成像，通过延长扫描时间、增加投影角度数量以及每个角度的帧数，可获得更优的软组织信噪比²。

血管的识别在很大程度上依赖于对软组织的准确识别及其与骨骼的区分。eXIA 160XL 是一种含碘造影剂，具有高度放射不透性，其密度与软组织和骨骼不同。这使得在显微CT数据中能够更方便地聚焦于血管结构。

二维传递函数在渲染过程中能进一步改善血管对比度与骨骼之间的区分效果。在二维传递函数图像渲染中，颜色和不透明度根据传递函数分配给光线采样点，而传递函数本身依赖于CT值和梯度幅度²。可根据CT值直方图提供的指导，手动调整传递函数，以突出显示感兴趣的区域或对象。

该技术可用于利用转基因或异种移植小鼠进行抗血管生成临床前研究的定性和定量评估。未来，随着CT技术的进步，对转基因或异种移植小鼠模型中的血管成像将变得...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
eXIA 160XL	Binito Biomedical, Inc.	eXIA160XL-01