应用Micro-CT对小鼠全身脂肪扫描成像研究

摘要：目的" 探讨扫描电压和X射线滤光片对小鼠全身脂肪扫描图像质量和对小鼠辐射剂量的影响。方法" 选取C57BL/6小鼠6只，3只为正常对照小鼠，3只为高脂喂养的肥胖小鼠。应用Micro-CT对小鼠全身进行成像扫描，统计不同扫描条件下对小鼠的辐射剂量；使用Analyze12.0分析软件对小鼠皮下和内脏脂肪进行提取，然后评价扫描图像质量以及脂肪分布。结果" 正常小鼠和肥胖小鼠的扫描结果表明，在扫描电压为70 kV和Al 1.0 mm X射线滤光片扫描条件下，小鼠皮下脂肪和内脏脂肪边界清晰且无伪影，图像质量高，辐射剂量小。使用Analyze 12.0软件分离的小鼠皮下脂肪和内脏脂肪连续且平滑，脂肪显示完整。结论" 本研究为临床研究患者皮下脂肪和内脏脂肪提供了理论依据，对CT扫描电压和X射线滤光片的选择提供了数据参考。在降低扫描电压和保证图像质量的前提下，最大限度的降低患者受到的辐射剂量。

关键词：Micro-CT；扫描电压；滤光片；脂肪；图像质量

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

基金项目：国家自然科学基金（82370364）；江苏省实验动物协会2023年项目（DWXH202310）

Supported by Natural Science Foundation of China （82370364）

作者简介：侯" 豹，硕士，实验师，E-mail： houbao2015@163.com

通信作者：邱丽颖，博士，教授，E-mail： qiulydoc@sina.com.

肥胖已成为威胁人类健康的主要流行病［1］。肥胖不仅是一种生理状态，还与人体糖脂代谢紊乱密切相关［2］。研究表明男性肥胖更容易引发糖尿病［3］、高脂血症［4］、高血压［5］、冠心病［6］等。近年来对人体脂肪组织分布的研究已经成为热点［7， 8］，尤其是对血管平滑肌脂肪瘤和内脏器官脂肪瘤的研究［9， 10］。然而准确分析体内脂肪分布［11］是当前研究的一个难点，对于分析活体实验动物的脂肪组织更成为当前研究的主重要挑战，虽然超声检测和MRI可以分析脂肪组织，但分析时间长，费用昂贵，精确度差的问题同时存在［12， 13］。

随着Micro-CT的使用，脂肪分布的问题已得到解决。然而，对于生物组织等吸收较弱的材料，图像对比度仍然较差［14］，应用Micro-CT对脂肪的成像条件仍需深入探究。本研究主要探讨扫描电压和X射线滤光片对小鼠全身脂肪分布，扫描图像质量和对小鼠辐射剂量的影响，以期为临床应用提供参考依据。

1" 材料与方法

1.1" 材料

Micro‑CT成像系统（PerkinElmer，quantum GX II），使用分辨率为172 μm小鼠成像模式。麻醉系统使用RAS-4 Rodent Anesthesia System，使用异氟烷麻醉剂；实验动物：6只C57BL/6小鼠，3只为8周龄（25±2 g）正常小鼠，3只为20周龄（35±2 g），高脂喂养的肥胖小鼠，由上海斯莱克实验动物公司提供。图像处理软件使用Analyze12.0，每只小鼠全身脂肪重复分析3次。因本研究不涉及对实验动物构成伤害的实验，未解剖或者处死实验动物，也未进行给予药物干预，仅对实验动物进行Micro-CT成像，故本研究免除实验动物伦理审批，不涉及实验动物伦理福利。

1.2" Micro-CT系统参数设置

Micro-CT检测条件为：分别选择扫描电压为50、70和90 kV、X射线滤光片为Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm、Al 1.0 mm和Al 0.5 mm。固定剩余参数电流88 μA、视野FOV 86 mm、分辨率172 μm、扫描模式High resolution、扫描时间4 min、角增量1.5°。

1.3" 成像方法

使用Micro-CT成像系统对小鼠全身脂肪进行成像，小鼠成像前1 d晚上禁食，排除腹部食物对实验结果产生干扰。成像之前对小鼠进行预先麻醉。扫描成像过程中通过麻醉机对小鼠进行实时麻醉，使用氧气作为载气，异氟烷作为麻醉剂，防止小鼠在扫描成像过程中因扭动产生成像干扰。

1.4" 成像分析

由2位经验丰富的医学影像学实验师借助分析软件对影像进行单独分析3次，分析内容包括皮下脂肪体积、内脏脂肪体积和骨体积。如果2位实验师分析结果误差大于5%，则进行重复分析。并对影像清晰度进行评判。

1.5" 统计学分析

采用Graph Prism 8.0软件进行统计分析。所有计量资料以均数±标准差表示，两组间比较采用独立样本t检验，多组间比较采用单因素方差分析和Dunnett检验。以Plt;0.05为差异有统计学意义。

2" 结果

2.1" 扫描电压对正常小鼠脂肪成像质量的影响

在90 kV扫描电压和Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm X射线滤光片扫描条件下，扫描结果显示小鼠皮下脂肪边界清晰，内脏脂肪边缘处出现严重伪影（图1A）。使用Analyze12.0软件可以很好地分离小鼠皮下脂肪，脂肪组织连续且平滑（图1B）。小鼠内脏脂肪分离难度较大，难以确定边界，脂肪组织比较分散（表1）。

在70 kV扫描电压和Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm X射线滤光片扫描条件下，扫描结果显示小鼠皮下和内脏脂肪边界均不明显，脂肪边缘处出现伪影（图2A）。使用Analyze12.0软件分离的皮下和内脏脂肪均比较分散和粗糙（图2B）。不同扫描条件下小鼠骨体积差异无统计学意义，而小鼠皮下脂肪和内脏脂肪的体积差异有统计学意义（Plt;0.01，表1）。当扫描电压为50 kV时，小鼠脂肪伪影明显，无法分离小鼠脂肪与肌肉和内脏组织。使用Analyze12.0软件无法识别和计算小鼠皮下和内脏的脂肪体积。

2.2" X射线滤光片对正常小鼠脂肪成像质量的影响

在70 kV扫描电压和Al 0.5 mm X射线滤光片扫描条件下，扫描结果显示小鼠皮下脂肪和内脏脂肪边界不清晰，脂肪边缘处有严重伪影（图3A）。使用Analyze12.0软件分离的皮下和内脏脂肪均无连续性，组织粗糙，分散严重（图3B）。

在70 kV扫描电压和Al 1.0 mm X射线滤光片扫描条件下，扫描结果显示皮下脂肪边界清晰，内脏脂肪边缘处无明显伪影（图4A）。使用Analyze12.0软件分离的皮下和内脏脂肪均连续且平滑（图4B，表1）。

2.3" 扫描电压对肥胖小鼠脂肪成像质量的影响

在相同的条件下进一步对肥胖小鼠的扫描结果进行分析。使用Analyze12.0软件分离的皮下和内脏脂肪均连续且平滑（图5～6）。在90 kV扫描电压和Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm X射线滤光片扫描条件下，扫描结果显示肥胖小鼠皮下脂肪和内脏脂肪的边界清晰，边缘无伪影，图像质量高于70 kV扫描电压和Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm X射线滤光片组（表2）。

2.4" X射线滤光片对肥胖小鼠脂肪成像质量的影响

在70 kV扫描电压和Al 1.0 mm X射线滤光片扫描条件下，皮下脂肪和内脏脂肪的边界比70 kV扫描电压和Al 0.5 mm X射线滤光片扫描条件下图像边界清晰，且无伪影（图7～8）。使用Analyze12.0软件分离的皮下脂肪和内脏脂肪均连续且平滑。图像质量显著高于其他组，且辐射剂量低于其他组（Plt;0.01）。不同扫描条件下小鼠骨体积差异无统计学意义，而小鼠皮下脂肪和内脏脂肪体积差异无统计学意义（Plt;0.01，表2）。

3" 讨论

肥胖对人体的危害已受到广大学者的关注［15］，研究表明腹部脂肪是人体脂肪较为集中的部位，各内脏器官的脂肪瘤更成为研究的热点［16-18］，故监测腹部脂肪可以更好地了解肥胖与疾病的相关性［19］。当前应用Micro-CT对脂肪的成像条件存在严重缺失，即使是重点研究脂肪的文献也没有给出明确的脂肪检测方法［20-21］。本研究着重探讨优化Micro-CT的扫描电压和X射线滤光片的使用对小鼠全身脂肪扫描图像质量和对小鼠辐射剂量的影响。本研究结果显示，增强扫描电压虽然提高了Micro-CT图像质量，但是辐射剂量也随之增大。因此选择70 kV的扫描电压对小鼠全身脂肪进行扫描。已有研究表明降低扫描电压与降低管电流相比，能够更有效地降低辐射剂量［22］。但是，低扫描电压会导致图像噪声和颗粒状伪影的增加进而影响图像质量。扫描电压低，粒子能量较小不能穿透物体，沉积在物体表面，导致物体表面出现伪影［23-24］，这也很好地解释了当使用50 kV扫描电压时，小鼠脂肪伪影显著，无法进一步分离和分析的原因。随着扫描电压的增加，能量较大的粒子更容易穿透物体，辐射剂量随之增大。在物体表面沉积能量减少，则物体表面不容易出现伪影。这解释了90 kV扫描电压和Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm X射线滤光片扫描条件下，图像的质量显著高于70 kV扫描电压和Cu 0.06 mm+Al 0.5 mm X射线滤光片扫描条件下图像质量，且辐射剂量较大的原因。因此适宜的扫描电压是平衡辐射剂量和成像质量的重要因素。

本研究显示，增加Al的X射线滤光片的厚度，可以显著增强图像质量，辐射剂量也显著减小。这是因为Al 1.0 mm比Al 0.5 mm具有更好的滤过低能射线产生的效果。结合正常小鼠和肥胖小鼠的扫描结果可知，肥胖小鼠的脂肪提取分离效果优于正常小鼠。在X射线到达物体之前使用附加的X射线滤光片对X射线光谱进行物理预过滤，不仅可以减少辐射剂量，还能够通过吸收低能X射线光子使辐射光束强度均匀，从而利用更均匀的光束进行成像，提高成像质量［25］。但由于X射线滤光片的使用，X射线硬化效应和物体吸收剂量都得到了本质上的降低，这也会损害图像质量和导致物体的检测性对比度降低［26］。纯Al的X射线滤光片能够大大改善原级谱低能射线产生的本底，过滤效果良好。Al 1.0 mm比Al 0.5 mm具有更好的滤过低能射线产生的效果。铜的X射线滤光片比铝的X射线滤光片具有更强的光电吸收能力，是诊断放射学的有效X射线滤光片［27］。这也很好地解释了本研究中Al 1.0 mm X射线滤光片组图像质量更高，脂肪边界清晰，无伪影，图像质量更高的原因。使用扫描电压70 kV和Al 1.0 mm X射线滤光片扫描条件，小鼠皮下脂肪和内脏脂肪边界清晰且无伪影，图像质量高，辐射剂量小。使用Analyze12.0软件分离小鼠的皮下脂肪和内脏脂肪连续且平滑。

综上所述，本研究为临床研究患者皮下和内脏脂肪提供了理论依据，弥补了当前脂肪成像最佳条件的空缺。本研究采用扫描电压70 kV和Al 1.0 mm X射线滤光片的扫描条件，小鼠皮下脂肪和内脏脂肪边界清晰且无伪影，图像质量高，辐射剂量小。在降低扫描电压和保证图像质量的前提下，最大限度地降低了患者受到的辐射剂量。

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（编辑：郎" 朗）