應用Micro-CT對小鼠全身脂肪掃描成像研究

摘要：目的" 探討掃描電壓和X射線濾光片對小鼠全身脂肪掃描圖像質量和對小鼠輻射劑量的影響。方法" 選取C57BL/6小鼠6只，3只為正常對照小鼠，3只為高脂喂養的肥胖小鼠。應用Micro-CT對小鼠全身進行成像掃描，統計不同掃描條件下對小鼠的輻射劑量；使用Analyze12.0分析軟件對小鼠皮下和內臟脂肪進行提取，然后評價掃描圖像質量以及脂肪分布。結果" 正常小鼠和肥胖小鼠的掃描結果表明，在掃描電壓為70 kV和Al 1.0 mm X射線濾光片掃描條件下，小鼠皮下脂肪和內臟脂肪邊界清晰且無偽影，圖像質量高，輻射劑量小。使用Analyze 12.0軟件分離的小鼠皮下脂肪和內臟脂肪連續且平滑，脂肪顯示完整。結論" 本研究為臨床研究患者皮下脂肪和內臟脂肪提供了理論依據，對CT掃描電壓和X射線濾光片的選擇提供了數據參考。在降低掃描電壓和保證圖像質量的前提下，最大限度的降低患者受到的輻射劑量。

關鍵詞：Micro-CT；掃描電壓；濾光片；脂肪；圖像質量

Application of Micro-CT in whole-body fat scanning imaging of mice

HOU Bao， HUANG Shubing， HAN Peiyu， YAO Wenxi， CAI Weiwei， QU Xiuxia， SUN Haijian， QIU Liying

Wuxi Medical College， Jiangnan University， Wuxi 214122， China

Abstract： Objective To" investigate the effects of scanning voltage and X-ray filter on image quality and radiation dose of whole body fat scanning in mice. Methods Six C57BL/6 mice were selected， including three were normal control mice and three obese mice fed with high fat diet. Micro-CT was used to scan the whole body of mice， and the radiation dose under different scanning conditions was calculated. The subcutaneous and visceral fat were extracted by Analyze12.0 software， and the image quality and fat distribution were evaluated. Results The scanning results of normal mice and obese mice showed that under the scanning voltage of 70 kV and Al 1.0 mm X-ray filter， the boundary between mice subcutaneous fat and visceral fat was clear and without artifacts， with high image quality and low radiation dose. The subcutaneous fat and visceral fat of mice separated by analyze12.0 software were continuous and smooth with complete fat display. Conclusion This study provides a theoretical basis for the clinical study of subcutaneous fat and visceral fat in patients， and provides data reference for the selection of CT scan voltage and filter. Under the premise of reducing the scanning voltage and ensuring the image quality， the radiation dose to the patient was reduced to the maximum.

Keywords： micro-CT; tube voltage; filter; fat; image quality

收稿日期：2023-11-27

基金項目：國家自然科學基金（82370364）；江蘇省實驗動物協會2023年項目（DWXH202310）

Supported by Natural Science Foundation of China （82370364）

作者簡介：侯" 豹，碩士，實驗師，E-mail： houbao2015@163.com

通信作者：邱麗穎，博士，教授，E-mail： qiulydoc@sina.com.

肥胖已成為威脅人類健康的主要流行病［1］。肥胖不僅是一種生理狀態，還與人體糖脂代謝紊亂密切相關［2］。研究表明男性肥胖更容易引發糖尿病［3］、高脂血癥［4］、高血壓［5］、冠心病［6］等。近年來對人體脂肪組織分布的研究已經成為熱點［7， 8］，尤其是對血管平滑肌脂肪瘤和內臟器官脂肪瘤的研究［9， 10］。然而準確分析體內脂肪分布［11］是當前研究的一個難點，對于分析活體實驗動物的脂肪組織更成為當前研究的主重要挑戰，雖然超聲檢測和MRI可以分析脂肪組織，但分析時間長，費用昂貴，精確度差的問題同時存在［12， 13］。

隨著Micro-CT的使用，脂肪分布的問題已得到解決。然而，對于生物組織等吸收較弱的材料，圖像對比度仍然較差［14］，應用Micro-CT對脂肪的成像條件仍需深入探究。本研究主要探討掃描電壓和X射線濾光片對小鼠全身脂肪分布，掃描圖像質量和對小鼠輻射劑量的影響，以期為臨床應用提供參考依據。

1" 材料與方法

1.1" 材料

Micro?CT成像系統（PerkinElmer，quantum GX II），使用分辨率為172 μm小鼠成像模式。麻醉系統使用RAS-4 Rodent Anesthesia System，使用異氟烷麻醉劑；實驗動物：6只C57BL/6小鼠，3只為8周齡（25±2 g）正常小鼠，3只為20周齡（35±2 g），高脂喂養的肥胖小鼠，由上海斯萊克實驗動物公司提供。圖像處理軟件使用Analyze12.0，每只小鼠全身脂肪重復分析3次。因本研究不涉及對實驗動物構成傷害的實驗，未解剖或者處死實驗動物，也未進行給予藥物干預，僅對實驗動物進行Micro-CT成像，故本研究免除實驗動物倫理審批，不涉及實驗動物倫理福利。

1.2" Micro-CT系統參數設置

Micro-CT檢測條件為：分別選擇掃描電壓為50、70和90 kV、X射線濾光片為Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm、Al 1.0 mm和Al 0.5 mm。固定剩余參數電流88 μA、視野FOV 86 mm、分辨率172 μm、掃描模式High resolution、掃描時間4 min、角增量1.5°。

1.3" 成像方法

使用Micro-CT成像系統對小鼠全身脂肪進行成像，小鼠成像前1 d晚上禁食，排除腹部食物對實驗結果產生干擾。成像之前對小鼠進行預先麻醉。掃描成像過程中通過麻醉機對小鼠進行實時麻醉，使用氧氣作為載氣，異氟烷作為麻醉劑，防止小鼠在掃描成像過程中因扭動產生成像干擾。

1.4" 成像分析

由2位經驗豐富的醫學影像學實驗師借助分析軟件對影像進行單獨分析3次，分析內容包括皮下脂肪體積、內臟脂肪體積和骨體積。如果2位實驗師分析結果誤差大于5%，則進行重復分析。并對影像清晰度進行評判。

1.5" 統計學分析

采用Graph Prism 8.0軟件進行統計分析。所有計量資料以均數±標準差表示，兩組間比較采用獨立樣本t檢驗，多組間比較采用單因素方差分析和Dunnett檢驗。以Plt;0.05為差異有統計學意義。

2" 結果

2.1" 掃描電壓對正常小鼠脂肪成像質量的影響

在90 kV掃描電壓和Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm X射線濾光片掃描條件下，掃描結果顯示小鼠皮下脂肪邊界清晰，內臟脂肪邊緣處出現嚴重偽影（圖1A）。使用Analyze12.0軟件可以很好地分離小鼠皮下脂肪，脂肪組織連續且平滑（圖1B）。小鼠內臟脂肪分離難度較大，難以確定邊界，脂肪組織比較分散（表1）。

在70 kV掃描電壓和Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm X射線濾光片掃描條件下，掃描結果顯示小鼠皮下和內臟脂肪邊界均不明顯，脂肪邊緣處出現偽影（圖2A）。使用Analyze12.0軟件分離的皮下和內臟脂肪均比較分散和粗糙（圖2B）。不同掃描條件下小鼠骨體積差異無統計學意義，而小鼠皮下脂肪和內臟脂肪的體積差異有統計學意義（Plt;0.01，表1）。當掃描電壓為50 kV時，小鼠脂肪偽影明顯，無法分離小鼠脂肪與肌肉和內臟組織。使用Analyze12.0軟件無法識別和計算小鼠皮下和內臟的脂肪體積。

2.2" X射線濾光片對正常小鼠脂肪成像質量的影響

在70 kV掃描電壓和Al 0.5 mm X射線濾光片掃描條件下，掃描結果顯示小鼠皮下脂肪和內臟脂肪邊界不清晰，脂肪邊緣處有嚴重偽影（圖3A）。使用Analyze12.0軟件分離的皮下和內臟脂肪均無連續性，組織粗糙，分散嚴重（圖3B）。

在70 kV掃描電壓和Al 1.0 mm X射線濾光片掃描條件下，掃描結果顯示皮下脂肪邊界清晰，內臟脂肪邊緣處無明顯偽影（圖4A）。使用Analyze12.0軟件分離的皮下和內臟脂肪均連續且平滑（圖4B，表1）。

2.3" 掃描電壓對肥胖小鼠脂肪成像質量的影響

在相同的條件下進一步對肥胖小鼠的掃描結果進行分析。使用Analyze12.0軟件分離的皮下和內臟脂肪均連續且平滑（圖5～6）。在90 kV掃描電壓和Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm X射線濾光片掃描條件下，掃描結果顯示肥胖小鼠皮下脂肪和內臟脂肪的邊界清晰，邊緣無偽影，圖像質量高于70 kV掃描電壓和Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm X射線濾光片組（表2）。

2.4" X射線濾光片對肥胖小鼠脂肪成像質量的影響

在70 kV掃描電壓和Al 1.0 mm X射線濾光片掃描條件下，皮下脂肪和內臟脂肪的邊界比70 kV掃描電壓和Al 0.5 mm X射線濾光片掃描條件下圖像邊界清晰，且無偽影（圖7～8）。使用Analyze12.0軟件分離的皮下脂肪和內臟脂肪均連續且平滑。圖像質量顯著高于其他組，且輻射劑量低于其他組（Plt;0.01）。不同掃描條件下小鼠骨體積差異無統計學意義，而小鼠皮下脂肪和內臟脂肪體積差異無統計學意義（Plt;0.01，表2）。

3" 討論

肥胖對人體的危害已受到廣大學者的關注［15］，研究表明腹部脂肪是人體脂肪較為集中的部位，各內臟器官的脂肪瘤更成為研究的熱點［16-18］，故監測腹部脂肪可以更好地了解肥胖與疾病的相關性［19］。當前應用Micro-CT對脂肪的成像條件存在嚴重缺失，即使是重點研究脂肪的文獻也沒有給出明確的脂肪檢測方法［20-21］。本研究著重探討優化Micro-CT的掃描電壓和X射線濾光片的使用對小鼠全身脂肪掃描圖像質量和對小鼠輻射劑量的影響。本研究結果顯示，增強掃描電壓雖然提高了Micro-CT圖像質量，但是輻射劑量也隨之增大。因此選擇70 kV的掃描電壓對小鼠全身脂肪進行掃描。已有研究表明降低掃描電壓與降低管電流相比，能夠更有效地降低輻射劑量［22］。但是，低掃描電壓會導致圖像噪聲和顆粒狀偽影的增加進而影響圖像質量。掃描電壓低，粒子能量較小不能穿透物體，沉積在物體表面，導致物體表面出現偽影［23-24］，這也很好地解釋了當使用50 kV掃描電壓時，小鼠脂肪偽影顯著，無法進一步分離和分析的原因。隨著掃描電壓的增加，能量較大的粒子更容易穿透物體，輻射劑量隨之增大。在物體表面沉積能量減少，則物體表面不容易出現偽影。這解釋了90 kV掃描電壓和Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm X射線濾光片掃描條件下，圖像的質量顯著高于70 kV掃描電壓和Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm X射線濾光片掃描條件下圖像質量，且輻射劑量較大的原因。因此適宜的掃描電壓是平衡輻射劑量和成像質量的重要因素。

本研究顯示，增加Al的X射線濾光片的厚度，可以顯著增強圖像質量，輻射劑量也顯著減小。這是因為Al 1.0 mm比Al 0.5 mm具有更好的濾過低能射線產生的效果。結合正常小鼠和肥胖小鼠的掃描結果可知，肥胖小鼠的脂肪提取分離效果優于正常小鼠。在X射線到達物體之前使用附加的X射線濾光片對X射線光譜進行物理預過濾，不僅可以減少輻射劑量，還能夠通過吸收低能X射線光子使輻射光束強度均勻，從而利用更均勻的光束進行成像，提高成像質量［25］。但由于X射線濾光片的使用，X射線硬化效應和物體吸收劑量都得到了本質上的降低，這也會損害圖像質量和導致物體的檢測性對比度降低［26］。純Al的X射線濾光片能夠大大改善原級譜低能射線產生的本底，過濾效果良好。Al 1.0 mm比Al 0.5 mm具有更好的濾過低能射線產生的效果。銅的X射線濾光片比鋁的X射線濾光片具有更強的光電吸收能力，是診斷放射學的有效X射線濾光片［27］。這也很好地解釋了本研究中Al 1.0 mm X射線濾光片組圖像質量更高，脂肪邊界清晰，無偽影，圖像質量更高的原因。使用掃描電壓70 kV和Al 1.0 mm X射線濾光片掃描條件，小鼠皮下脂肪和內臟脂肪邊界清晰且無偽影，圖像質量高，輻射劑量小。使用Analyze12.0軟件分離小鼠的皮下脂肪和內臟脂肪連續且平滑。

綜上所述，本研究為臨床研究患者皮下和內臟脂肪提供了理論依據，彌補了當前脂肪成像最佳條件的空缺。本研究采用掃描電壓70 kV和Al 1.0 mm X射線濾光片的掃描條件，小鼠皮下脂肪和內臟脂肪邊界清晰且無偽影，圖像質量高，輻射劑量小。在降低掃描電壓和保證圖像質量的前提下，最大限度地降低了患者受到的輻射劑量。

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（編輯：郎" 朗）