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

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

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

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.......

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.......

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 Laboratory	664	雄性，8 周龄，24–26 克
Dexela 相机	Varex	1512	探测器，20 毫秒曝光，74.8/149.6 µm 像素
VivoVist	Nanoprobes	1301-5X0.25ML	CT 造影剂
X 射线源	Moxtek	TUB00082	50 kV 峰值，200 µA，1.0 mm 厚铝滤片