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方法文章

采用原型小型动物X射线计算机断层扫描仪进行回顾性心脏门控

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DOI：

10.3791/67803

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2025年2月21日

 ,  , 
1Department of Molecular and Medical Pharmacology, David Geffen School of Medicine, University of California, Los Angeles, 2Crump Institute for Molecular Imaging, University of California, Los Angeles, 3Jonsson Comprehensive Cancer Center, University of California, Los Angeles

本文内容

摘要

我们全面描述了CrumpCAT的内在回顾性心脏门控方法。CrumpCAT是我们研究机构设计和构建的一种原型小型动物X射线计算机断层扫描（CT）成像系统。

摘要

CrumpCAT 是由本研究机构开发的一种用于小动物的 X 射线计算机断层扫描（CT）原型机。该设备采用最大帧速率为 29 Hz 的 CMOS 探测器，以及能量范围为 50 kVp 至 80 kVp 的类似钨 X 射线源，这些组件在目前市面上大多数临床前 X 射线 CT 仪器中均被广泛使用。尽管普遍认为此类探测器难以适用于小鼠高心率（约 600 次/分钟）的门控成像，但本研究工作仍对其他研究机构具有高度参考价值。该扫描仪具备中分辨率（200 µm）和高分辨率（125 µm）成像、透视成像、回顾性呼吸门控、回顾性心脏门控功能，并支持迭代重建或滤波反投影图像重建。在这些功能中，心脏门控是研究心脏功能最有用的功能 体内因为它能有效消除由呼吸和心脏运动引起 的图像模糊。

此处，我们介绍了用于临床前内在回顾性心脏门控CT成像的方法，旨在推进相关研究 体内 心脏功能与结构分析。心脏门控方法在最短的实际曝光时间（约20 ms）下采集大量投影图像，随后从原始投影序列的时间变化中回溯性提取呼吸和心脏信号。这些信号用于剔除属于呼吸周期中高运动速率吸气阶段的投影，并将剩余的投影分为12组，每组对应一个心脏周期的相位。每组投影通过迭代方法独立重建，生成每个心脏相位的三维体积图像，从而形成四维（4D）数据集。

这些相位图像可以进行集体或单独分析，从而实现对心脏功能的详细评估。我们通过代表性示例展示了原型扫描仪心脏门控功能两种方法的有效性 体内 成像结果

引言

小型动物研究常采用多种非侵入性成像技术相结合的方法，其中X射线计算机断层扫描（CT）因其技术成熟、成本效益高、成像速度快1,2，以及能够与其他成像模态（如正电子发射断层扫描（PET）2,3和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）2,4）提供互补信息而成为重要选择。然而，与其他成像技术类似，CT也容易受到生理运动伪影的影响，例如心跳或呼吸运动会导致图像模糊，从而限制研究的准确性。

为解决这一局限性，可通过一种称为门控（gating）的技术来减轻呼吸和心脏运动造成的图像模糊5,6,7,8，该技术将数据采集与心脏或呼吸周期（即门控相位）的特定阶段同步。实现这一目标的一种方法称为前瞻性门控（prospective gating）3,6，其通过将传感器连接到动物体上来向兼容的扫描仪提供实时门控信号。尽管该方法有效，但在对小鼠等小型动物进行操作时，将传感器连接至胸部和足垫的过程费时费力，从而限制了研究的规模。另一种方法是内在回顾性门控（intrinsic retrospective gating）7,9,10,11，该方法无需使用传感器，而是通过识别数据中的特征，对采集到的时间序列数据根据其在心脏或呼吸周期中的相位进行回溯性排序。该方法可获得与前瞻性门控相当的结果，同时无需额外的硬件设备，也避免了脉搏传感器安装所需的操作，因而显著简化了实验流程。

在我们的临床前心脏CT成像方法中，我们利用内在的回顾性门控技术，通过X射线投影中相邻帧之间变化最显著区域的幅度变化，提取呼吸和心脏周期。为促进这一过程，采用互信息法（Mutual Information）12将小鼠胸腔模板配准至第一张后前位投影图像上。模板定位完成后，对靠近膈肌区域的一个窗口内的像素强度求和，生成替代性呼吸信号；同时对靠近心肌区域的像素强度求和，获得替代性心脏信号。这些信号随后在时域中进行带通滤波，并根据每帧数据在呼吸和心脏周期中的相位，为其分配一个分数相位值（介于0到1之间）。由此可根据相位值选择或剔除相应的投影图像。通常保留对应于呼吸周期呼气末阶段的帧（0.15 ≤ 相位 < 0.85），而运动最显著的吸气阶段的帧则被舍弃。剩余的帧被分为12个心脏相位，每个相位代表一个心脏周期的1/12（0.083），并通过迭代方法（有序子集期望最大化算法 [OSEM]）13,14重建为三维图像。整个流程如图1所示。

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方案

动物实验方案已通过加州大学洛杉矶分校（UCLA）机构动物护理与使用委员会的审查和批准。本方案中使用 C57BL/6J 小鼠（8 周龄，雄性，24–26 g）。本研究使用的 CT 扫描仪为 CrumpCAT（图 2），该设备由本研究机构为临床前研究开发的原型机，可为我们提供优化数据采集与重建方案所需的操作控制与灵活性。本方法假设麻醉小鼠的心率不超过 600 次/分钟，呼吸频率介于 20 至 180 次/分钟之间15。

1. 仪器设置

  1. 以设定参数操作X射线源 峰值电压 的 50 kVp 与 200 µA 连续电流.
  2. 设置X射线相机 像素合并 到 2 以及将其曝光时间设置为最短的实用值（20 ms 曝光时间 加 14毫秒 阅读时间 对于一个 总采样时间 的 34 毫秒).
    注意：无 binning 选项（binning 1）帧率较慢，因此不能用于门控采集。 最大帧率 约为 30 帧/秒.

2. 动物准备

  1. 使用浓度为2.0%的氧气与异氟烷混合气体对小鼠进行麻醉。在眼部涂抹无菌润滑剂，以防止角膜干燥和溃疡。
  2. 在进行CT成像前，将动物保持在麻醉状态10分钟，以确保生命体征稳定，并使动物充分放松，避免扫描过程中出现身体移动。通过用指甲牢固地夹捏脚趾间的蹼部，观察是否存在脚趾夹捏反射，以此判断小鼠的麻醉深度。
  3. 为了进行心脏门控成像以观察心腔结构，需在CT扫描前立即通过尾静脉注射100 µL的CT对比剂（图3A）。
  4. 将麻醉后的小鼠放入CT成像室中（图3B）。

3. 数据采集

  1. 启动 CrumpCAT 软件。
  2. 采用高分辨率（125 µm，binning 1）进行非门控 CT 成像（图 4A）
    1. 在用户界面上输入研究编号（Study ID）。
    2. 在Protocol下拉菜单中选择Mouse Hi-Res。
    3. 点击用户界面上的Scan按钮，以80 ms/投影的曝光时间采集 720 个投影图像。
  3. 采用中等分辨率（200 µm，binning 2）进行非门控 CT 成像（图 4B）
    1. 在用户界面上输入研究编号（Study ID）。
    2. 在Protocol下拉菜单中选择Mouse Standard。
    3. 点击用户界面上的Scan按钮，以100 ms/投影的曝光时间采集 720 个投影图像。
  4. 门控 CT 成像（200 µm，binning 2）（图 4C）
    1. 在用户界面上输入研究编号（Study ID）。
    2. 在Protocol下拉菜单中选择Cardiac Gating。
    3. 点击用户界面上的Scan按钮，以20 ms/投影的曝光时间采集 21,600 个投影图像。

4. 数据预处理

注意：预处理步骤仅适用于门控采集。所有这些步骤均由重建软件自动完成，无需操作者干预。

  1. 信号提取
    1. 对于胸腔模板配准，令一个粗略表示小鼠胸腔（包含肋骨、心脏、肺和肝脏）的小图像（模板）通过最大化投影与模板之间的互信息12，自动配准到第一幅X射线投影上（图5）。
      注意：仅对模板执行平移操作，配准后的模板用于在所有投影上识别感兴趣区域（ROI）。
    2. 为提取呼吸信号，允许在模板中指定一个矩形感兴趣区域（ROI-1）以代表膈肌，并通过对每个投影中ROI-1内的像素强度求和来生成呼吸信号（图5）。
    3. 为提取心脏信号，令在模板中心脏附近指定第二个矩形感兴趣区域（ROI-2），并通过求和每个投影中ROI-2内的像素强度来生成心脏信号（图5）。
      注意：胸腔模板仅在第一幅投影上进行配准，以确定用于信号提取的图像行和列（窗口）。只要动物被合理居中（如使用我们的动物床16时的情况），该窗口足够宽以涵盖所有投影。
  2. 带通滤波
    1. 允许通过在时间域中组合两个具有不同截止频率的Sinc函数生成带通滤波器17，这些函数在频域中对应低通滤波器，如下所述。
    2. 令软件使用[300, 600] min-1的频带对心脏信号应用带通滤波（图6A）。
      注意：未滤波的心脏信号（图6B）仍包含来自呼吸运动的显著成分。
    3. 类似地，令使用[20, 300] min-1的频带对呼吸信号进行滤波。保留较高次谐波，以产生非简单正弦形式的信号，并更清晰地识别两个主要阶段：吸气和呼气。
      注意：此时，呼吸和心脏信号均可轻松插值，并可视为连续的时间函数，用于计算分数相位数。
  3. 相位分配
    1. 令软件通过寻找信号一阶导数的过零点来识别每个周期（呼吸或心脏）的起始点。每个过零点对应信号中的一个极大值，标志着新周期的开始和前一周期的结束。示例见图7中的呼吸信号。
    2. 允许为每个投影的两个信号（呼吸或心脏）分别分配一个分数相位值（介于0和1之间）。
      注意：根据定义，起始点的分数相位值为零（当前周期）或一（前一周期）。
  4. 选择掩模
    1. 令创建12个二值掩模（每个心脏相位一个），用于选择属于各相位的投影。每个掩模包含21,600个条目（每个投影一个），其值为0或1，分别表示拒绝或保留该投影。
    2. 对于每个掩模（相位），观察软件是否根据其分数相位数指示保留（1）或丢弃（0）某个投影。对于相位0，保留心脏相位值在区间[0, 1/12]内的投影；对于相位1，保留心脏相位值在[1/12, 2/12]区间内的投影，依此类推。
    3. 对于每个掩模（相位），注意任何呼吸相位小于0.15或大于0.85的投影均被拒绝（掩模中为0），因为它们属于吸气阶段，该阶段运动幅度最大（图8A）。图8B显示了前2秒内投影的心脏相位分配。
      注意：由于每相位的投影数量相对恒定（1,800 ± 194），该选择过程未引入显著偏差。

5. 图像重建

  1. 对于非门控CT扫描，使用滤波反投影（Feldkamp18）算法结合Shepp-Logan滤波器，以中等（200 µm）或高（125 µm）分辨率重建图像。
  2. 对于心脏门控CT扫描，使用迭代OSEM算法13（12个子集，8次迭代）重建每个心脏时相的图像，仅纳入对特定时相有贡献的投影数据（如时相选择二值掩膜所指示）。
  3. 为降低噪声，在时间维度上（即跨图像）应用重建后中值滤波，并在空间维度上应用轻度3D高斯滤波（σ = 38 µm）。
    注意：对于呼吸门控图像重建，应无差别地使用所有心脏时相。每次重建均应用束硬化校正（水校正）。

6. 图像评估与左心室（LV）容积定量

  1. 在 Amide 等 DICOM 查看器中打开 CT 图像19 (图9A).
  2. 通过将CT值（以Hounsfield单位[HU]测量）范围设置为[-500, 500]来增强可见图像对比度图9A).
  3. 图像质量评估
    1. 绘制钙化区域的感兴趣区（ROI），该区域定义为围绕最大值且CT值大于或等于最大HU值85%的区域（图9B).
    2. 使用对比度噪声比（CNR）20,21 作为评估图像质量及其识别微小结构（如微小钙化灶）能力的指标：
      成像中对比度噪声比分析的CNR方程；公式表示。,
      其中 I 和 σ 表示一个区域的平均强度和标准差：钙化（下标 C）或背景（下标 B).
  4. 左心室容积定量
    1. 使用自由手绘制三维感兴趣区域（ROI），以识别每个时相的左心室（LV）图10A).
    2. 通过计算CT值阈值为730 HU的体素来量化左心室容积图10B左心室容积图显示在 图10C.
      注意：CT值阈值并非绝对，其取决于所使用的对比剂、动物体型、品系、健康状况以及注射后至CT成像的时间间隔。Amide 是由本机构开发的一款免费软件，但也可使用其他更为先进的图像查看工具（例如 ORS Dragonfly）22).

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结果

我们首先比较了非门控和门控CT图像在小鼠（雄性，30–32 g）心脏钙化可视化中的应用。小鼠心脏钙化模型通过快速冻融心脏组织（冷冻损伤）诱导心肌损伤建立，方法如前所述23。在非门控CT成像方案中，高分辨率（125 µm，binning 1）图像上心脏钙化显示更为清晰（图11A）。中等分辨率（200 µm，binning 2）和高分辨率（125 µm，binning 1）图像的CNR分别为3.2 ± 0.3和4.0 ± 0.2。在门控图像（图11B）中，CNR为4.2 ± 0.1（仅呼吸门控）和5.2 ± 0.4（呼吸和心脏门控）。因此，呼吸门控相较于高分辨率图像仅提高了5%（CNR 4.2 vs 4.0）。相比之下，心脏门控实现了30%的提升（5.2 vs 4.0）。

随后，我们采用回顾性心电门控CT成像方法，在C57BL/6J小鼠的一个心动周期内对左心室（LV）容积进行可视化和定量分析。为了更清晰地展示心动周期中左...

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讨论

此处描述的特定硬件实现是我们研究所独有的定制X射线CT系统，但所使用的特定探测器在市面上现有的临床前X射线CT仪器中广泛采用，因此本文所述工作对其他机构也具有参考价值。该系统在功能上是两种已上市且广泛应用的 体内 嵌入式X射线显微CT子系统
在 临床前PET/CT扫描仪。这些微型CT扫描仪具有相同的探测器架构和性能参数（像素尺寸、灵敏度、DQE、帧率等）。同一探测器也被其他多家商业制造商的临床前PET/CT和SPECT/CT系统所采用。 体内 临床前系统。因此，全球范围内大量商用且已安装的临床前PET/CT和SPECT/CT设备共享相同的探测器性能。只要编程得当，所有这些系统均可达到相同的帧率，而帧率正是实现本文所述工作的关键参数。尽管大多数用户无法获取商用微型CT系统的原始数据，但本文所述方法可为用户和设备供应商提供一个可参考的模板 体内 临床前仪器，以展示利用这些仪器中已包含的有限硬件所能实现的功能。

除了探测器之外，几乎所有 commercially available 的临床前 PET/CT 系统也...

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披露

Richard Taschereau 博士是一位 Sofie Biosciences 和 Xodus 的顾问 成像。Arion F. Chatziioannou 博士是创始人 Sofie Biosciences 公司的

致谢

感谢加州大学洛杉矶分校（UCLA）克兰普临床前影像技术中心所有成员提供的帮助与支持。特别感谢Mikayla Tamboline和Isabel Day为心脏CT成像准备实验动物，感谢Sophie Shumilov在研究期间绘制了部分左心室感兴趣区域（ROI）。同时感谢加州大学洛杉矶分校（UCLA）的Arjun Deb博士和Yijie Wang博士提供了用于心脏钙化微CT成像的急性缺血性心脏损伤小鼠模型。本研究得到美国国立卫生研究院癌症中心支持基金（2 P30 CA016042-44）的资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
C57BL/6J 小鼠Jackson Laboratory664雄性，8 周龄，24–26 克
Dexela 相机Varex1512探测器，20 毫秒曝光，74.8/149.6 µm 像素
VivoVistNanoprobes1301-5X0.25MLCT 造影剂
X 射线源MoxtekTUB0008250 kV 峰值，200 µA，1.0 mm 厚铝滤片

参考文献

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