混合 µCT-FMT 成像与图像分析

荧光介导断层成像是一种高灵敏度的成像技术，可用于定量评估荧光分布。在麻醉小鼠中，已有多种靶向荧光探针可供使用，能够实现对血管生成、细胞凋亡、炎症等过程的成像。在本视频中，我们将展示本机构如何开展FMT与Micro City的融合成像。

在第一章中，这些设备是我们的 F-M-T-F-M-T，代表荧光分子断层成像。断层成像意味着可生成三维图像。FMT 对小鼠体内近红外荧光成像具有高灵敏度。

现在打开前面板以显示 FMT 内部结构。底部是一个安装在二维伺服器上的激光器。该激光器向小鼠体内发射光线，小鼠被固定在一个半透明的小鼠固定床中。

小鼠床层上方配备了一组LED，作为替代光源，可使FMT作为常规反射成像设备运行。滤光轮安装在镜头下方，用于采集来自设备顶部探测器的光线。这是我们的微型CT。

微型CT配备有两个X射线管和两个平板探测器，可实现双能量扫描。第二章，微型CT与FMT扫描方案。微型CT和FMT均用于小鼠成像，成像前需使用异氟烷对小鼠进行麻醉。

进行FMT扫描时，需要去除小鼠的毛发，使用鲱鱼霜（herring cream）效果较好。某些品系的小鼠可能对脱毛霜（deha cream）产生皮疹。因此，建议监测小鼠皮肤变化，必要时联系兽医人员进行处理。

此外，首次使用任何新小鼠品系时，应先对小批量动物进行耐受性测试。为避免低体温，将小鼠置于加热垫上。由于尾静脉较细，需通过导管插入尾静脉以注射对比剂。

这相当困难，需要一定的经验。如果血液回流到导管中，则说明导管位置正确。可注射荧光造影剂和CT造影剂，以避免容量超负荷。

最多注射每公斤体重5毫升，即对于一只30克重的小鼠，注射量为150微升。进行扫描时，将小鼠置于多模态小鼠床内。

小鼠的尾巴上可能已绘制了一些用于识别的标记。应避免在躯干上做此类标记，因为它可能影响光学扫描。关闭小鼠固定床，并调节深度，以牢固地将小鼠固定在指定位置。

操作时需小心并监测呼吸，因为床铺过紧可能导致小鼠窒息。由于免疫抑制特性，裸鼠常被用于肿瘤学研究。其无毛特征是基因突变带来的一个有利的副作用。

因此，可以省略繁琐的脱毛步骤。应检查小鼠呼吸是否正常，必要时相应调整小鼠床的位置。然后将小鼠床放入微型CT中。

用于输送ISO氟气的管道已切换，以维持设备内部的气体流动。然后关闭微C装置，以启动X射线屏蔽。只有在盖子关闭的情况下，微C才会开始扫描。

使用微型CT设备上的按钮，可将小鼠送入微型CT扫描仪中。在微型CT控制计算机上获取并显示定位像，调整窗宽窗位设置以更清晰地观察小鼠。可设置一个或多个ZUP扫描，其位置由浅蓝色区域标示。

通常进行一到三次 ZUP 扫描就已足够。开始扫描后，将以深蓝色进度条显示进度。我们的平板微计算机断层扫描仪按顺序依次进行 ZUP 扫描，这与临床螺旋 CT 不同。

通过按钮将小鼠载物台移至前方。再次打开屏蔽盖，切换麻醉管。小心地将固定器从小鼠载物台上取下，并拔出麻醉管。

这是必要的，因为麻醉鼻（AN）和面罩转接器（FMT）并不依赖于这根小管。实际上，FMT 内部的小型腔室会被麻醉气体充满。现在将带有小鼠的鼠床移至 FMT 上，并在 FMT 控制计算机上进行插入。

调整扫描视野以及采样密度。通常使用约120个点。按下按钮后开始扫描。

FMT 的第一次扫描会为每个激光光源点获取透射照明或激发图像。本视频以快进模式展示，通常需要约五分钟。

可以观察到，与下半身相比，穿过上半身的光线要少得多。这是因为具有较高相对血容量的器官，如心脏、肝脏和肾脏，主要位于上半身。血液是近红外光的主要吸收物质。

第二次扫描采用相同的源点但使用不同的滤光片，该滤光片仅允许荧光通过。第三章，交互式油相与分割。为融合两台设备的数据，使用了内置于小鼠床中的标记物。

这些标记物在FMT获取的反射图像中同样可见。这些标记物实际上是简单的孔洞，无需填充任何荧光剂或CT对比剂。在我们研究所，我们开发了一款软件程序，可自动完成标记物的检测与融合。

小鼠的外形，以及异质性吸收和散射图，均通过微计算机断层扫描（micro CT）数据自动估算，方法详见我们近期发表在 Theranostics 的文章。这些参数对于定量荧光重建至关重要。为了测量荧光的生物分布，需要进行器官分割。

我们通过本机构开发的名为 imulitic preclinical 的软件，在下文中以交互方式生成此类分割。该过程以快进形式展示，有经验的操作者可在大约 10 到 20 分钟内完成。首先，加载 CT 数据集。

可以使用ISO表面渲染在三维中进行观察。通过更改窗宽窗位设置，可以改变ISO值。例如，若要可视化包含小鼠垫的整只小鼠的骨骼，则需加载叠加图像。

本示例的信号出现在膀胱区域。现在关闭叠加显示，以便专注于解剖结构的分割。

在原位显微扫描中，由于肺部与其他软组织之间存在强烈的负对比度，肺部很容易被识别。肺部内部较大的结构是心脏。我们先对肺部进行分割。

通过阈值分割低于某一特定值的所有体素，该部分显示为绿色。肺部是一个连通区域，可通过填充操作将其分离。

类似于绘图程序中的油漆桶工具。可以通过切割和填充将目标区域与肺部分开。对于膀胱等凸形器官，可通过绘制涂鸦来勾勒器官的边界，从而实现分割。

继续添加更多涂鸦，直至达到足够的准确性。非凸形器官（如肠道）可以逐段分割。肝脏表现为一个均质区域，但具有更复杂的结构。

由于它由多个叶组成，因此可以将分割结果保存到磁盘并加载到程序中。利用此类分割，可将荧光信号分配至各个器官。程序会计算这些信号量，并将其作为额外的工作表保存。对于纵向扫描，需要对每个时间点重新进行分割，因为通常时间间隔过长，无法使小鼠在固定位置持续保持麻醉状态。

因此，如果涉及大量小鼠和多个时间点，分割工作将非常耗时。为了量化结果，请加载一个叠加图像和一个分割图像，然后单击“设置批处理参数”以使程序记住当前设置。

现在，点击“批量统计”以让程序计算所有微CT FMT扫描中各个区域的数值。此过程需要几秒钟。随后，统计结果将保存在一个电子表格文件中。

这非常方便，因为用户无需手动合并数十个文件。根据此文件，可计算出器官的曲线。第四章，代表性结果。

为了测试融合效果是否正常，我们使用了一个 aros 模体。添加了一些二氧化钛粉末以实现散射。为了形成不规则形状，我们切除了一部分。

在模体中构建了多个充满荧光物质和CT对比剂的小型包埋物。由于FMT无法获知物体的真实形状，而是假设其为简化的几何形状，因此对于不规则形状的物体，重建结果并不准确。为此，我们实现了另一种重建方法，该方法利用来自微型CT数据所获得的形状信息进行重建。

如您所见，模体中的信号定位效果要好得多。为了检查体内数据，我们依次查看各成像时间点。这是扫描前的图像。

我们看到的基本上只是噪声和伪影。如果切换到下一个时间点，即注射后的图像，会看到信号明显增强，但窗宽窗位设置过高。通过使用窗宽窗位调节对话框，可以调整这些设置。

我们在膀胱中观察到大部分信号。如果查看注射后0.2小时的下一个时间点，会看到小鼠体外存在一些信号。这是因为小鼠已将荧光物质排尿至小鼠垫上。

通过进一步调整窗宽，我们可以观察到脊柱和膝盖部位存在一些信号。现在让我们观察注射后0.4小时的时间点，此时尿液中的信号已消失，而在注射后6小时和24小时的后续时间点，我们观察到脊柱和膝盖部位出现荧光信号，情况相同。

现在让我们转向下一个图像。使用这些窗宽窗位设置的扫描前图像显示无异常。注射后15分钟的扫描显示膀胱信号明显增强，依此类推。

本研究中，注射后不久尿液膀胱中即出现高浓度信号，这是由于该探针快速经肾排泄所致。此外，脊柱区域的信号迅速升高，并在后续的成像时间点保持相对稳定。第五章，结论。

综上所述，我们展示了一种多模态成像方案，可结合荧光成像、分子断层成像和微型计算机断层成像的优势。解剖学微CT数据可通过利用小鼠的形态形状，改善荧光信号的重建效果。此外，该数据还可用于生成器官分割结果，这对于从小鼠图像数据中提取定量测量信息至关重要。