肺是行使呼吸、进行气体交换的重要器官,而肺功能是判断肺脏和呼吸系统健康与否的一个关键指标之一,可以用来评估肺气肿、慢阻肺(COPD)、哮喘、间质性肺炎等疾病模型,在临床和临床前的动物模型研究中都具有重要的意义。传统的肺功能测量主要依靠肺功能测定仪,可以很便利的得到潮气量、功能余气量、气流量、气道阻力/顺应性等经典参数,从而判断出观察对象肺的功能性是否健全。不过细心的小伙伴肯定发现了,传统的测量方法只能笼统的测出全肺的总体肺功能参数,如果想探求左右双肺甚至是每一个肺叶的功能性参数,肺功能测定仪就显得捉襟见肘了。
那么要如何满足这一“吹毛求疵”的要求呢?
小动物活体microCT堪当此任
大家都知道,肺部由于充盈着空气因此几乎不对X射线有任何吸收,因此在CT成像中与周围的组织和骨骼之间表现出非常明显的明暗对比。当肺部发生病变,如肺炎、肺纤维化、肺癌等,本来应该充盈空气的组织则会被免疫细胞、纤维化组织或者肿瘤细胞占据,从而导致影像的灰度上升。通过软件进行重构和阈值分割,很容易得到肺中空气的体积——也就是能够行使肺部功能的正常肺组织体积。通过此法即可方便的监测疾病的进程和治疗的效果。
进一步,通过在活体状态下对肺的呼吸进行动态的门控拍摄,我们可以得到比肺容积更有用的参数。珀金埃尔默独有的回顾性呼吸和心跳门控,可以实现在一次4min的成像过程中,无延迟的进行连续成像。成像过程同时伴随着呼吸节律的采集(如图一),可以将每一帧原始图像对应上呼吸相应的时间戳,即可将呼吸的每一个过程都记录下来,进而得到每个时间点的肺容积。
图一 回顾性呼吸门控原理
利用软件进行阈值分割后,可以将左肺和右肺的参数分别进行统计。如下图是一只健康小鼠肺部断层和3D重建后的体渲染图,左侧显示了典型的两个呼吸时间点——吸气末期和呼气末期肺的状态。能够看到两个时间点之间,由于空气含量不同,肺的体积和平均密度均有显著的差异。通过这两个时间点,即可得到功能余气量(FRC)和潮气量(VT)。再通过每一个时间点的容积和相邻时间点之间的容积差ΔV,即可得到容积(V)-时间(t)、流量(ΔV)-时间(t)和流量-容积环图等功能性曲线。可以看到,健康小鼠的双肺功能健全,不论是肺容积和流量变化均显示出完美的一致性。
图二 健康小鼠肺容积与流量示意图 (左:呼气末期和吸气末期的冠状面断层与3D体渲染图;中:容积(V)-时间(t)、流量(ΔV)-时间(t)曲线;右:流量-容积环图;黑色实线:全肺参数;蓝色虚线:右肺数据;绿色虚线:左肺数据)
那么当肺部发生病变时,我们即可从上述这些功能性参数上看到明显的改变。下图则是经过弹性蛋白酶气管滴注后的疾病小鼠,通过该造模方式,可以诱导小鼠发生肺气肿。肺气肿小鼠的肺部弹性降低,肺回弹无力降低导致吸气时的空气滞留于肺泡内,导致肺泡过度膨胀甚至破裂。通过microCT监测,能够将双肺的功能性差异一览无余,我们能够通过容积和流量随时间的变化曲线看到左肺(绿色虚线)的气体交换能力明显受损,在断层图中也可见左肺一直充盈空气且几乎没有体积变化。比较双肺的流量-容积环能够看到,相对于健康肺来说,左肺的潮气量和顺应性降低,肺的呼吸功能只能依靠右肺勉强维持。
图三 肺气肿小鼠肺容积与流量示意图 (左:呼气末期和吸气末期的冠状面断层与3D体渲染图;中:容积(V)-时间(t)、流量(ΔV)-时间(t)曲线;右:流量-容积环图;黑色实线:全肺参数;蓝色虚线:右肺数据;绿色虚线:左肺数据)
通过上述的介绍,我们不难发现,基于microCT可以快速对全肺和局部的肺组织进行各项功能性参数的测量。借助机械呼吸机和胸内压的测量,还可以无创地得到肺的顺应性和气道阻力等衍生参数,从而全面的对肺功能进行完整评估,揭示肺部疾病病理变化的组织不均一性。珀金埃尔默的QuantumGX2快速活体microCT利用高帧数高灵敏度的CMOS平板探测器能够兼顾时间与信噪比,可在活体水平对模型进行连续时间点的长时间观测,是评估肺部病理生理变化经济且高效的工具。
来源于:珀金埃尔默企业管理(上海)有限公司
热门评论
最新资讯
厂商动态
新闻专题
更多推荐