Micro CT/小动物CT的分辨率概念解析

引子:

Micro CT（Micro Computed Tomography，微计算机断层扫描技术），又称微型CT、显微CT，是一种非破坏性的3D成像技术，可以在不破坏样本的情况下清楚了解样本的内部显微结构。微型CT一般使用的是锥束CT技术（Cone Beam CT），简称CBCT，它与普通临床的CTZ大的差别在于分辨率极高，可以达到微米（μm）级别。 

正文：

提到Micro CT，Z受人关注的还是它的分辨率指标。但是一提到分辨率，不同厂家的说辞表述上会有所差异，尤其是国外厂家的资料经过一些代理的翻译后，更是呈现出五花八门的表述，难免会出现误导性，比如把体素尺寸等同于空间分辨率。如因关键指标的错误理解，导致了研究不能按预期目的进行，对设备采购者将是莫大的损失。小编觉得有必要整理一下分辨率的那些事儿，供大家能快速简单地理解。 

1.空间分辨率(Spatial resolution) 

在高对比度情况下，能区分相临Z小物体的能力，所以也称高对比度分辨率，受系统几何参数的影响，决定了影像的清晰度。 

空间分辨率 = 高对比度分辨率 

显微CT系统能够达到的空间分辨率，常常被引述为Z小的像素尺寸（也命名为“标称分辨率”）。但是，真实的空间分辨率不仅取决于图像中的像素大小，还受到X射线源焦点尺寸、平板探测器像素大小、系统结构设计、系统机械精度和重建校正算法处理等因素的影响。

2. 密度分辨率( Density resolution)

在低对比度情况下能区分物体的能力，也称低对比度分辨率，受影像清晰度和噪声影响。

3. 体素尺寸( Voxel size) 

空间分辨率常常受体素尺寸混淆！

体素尺寸的具体意义是重建图像中一个像素的尺寸大小。

体素尺寸又常被称为重建尺寸、重建分辨率、重建像素。 

CT系统采集到图像是2D的投影图像，如果要看到空间的3D结构，必须通过重建的手段来还原。重建是一种3D图像的重塑手段，重建的尺寸大小在算法上可以人为地去设置。理论上，重建尺寸设置得越小，能得到越高清的图像，但是如果将重建尺寸设置的小于系统的空间分辨率，并没有意义，也不能进一步提高图像质量，只是将图像增大。所以实际上重建尺寸根据系统的分辨率以及样本扫描目的着情设置就好，比如离体样本时重建尺寸偏小设置，活体样本时重建尺寸可偏大设置。 

有关图像分辨率和重建尺寸的关系

（见下图a、b详解）

好比一张摄影的照片，人为得可以分割成许多小方块。如果照片本身很清晰，那么分割得越小，放大同样倍数后，看到的细节也会越多；但是如果照片本身不是很清晰的，分割得再小，放大后也是看不清细节的。分割的大小对应重建尺寸，而图像本身是否清楚对应的是图像分辨率。

4. QRM测试-真实空间分辨率的证据 

前面提到，空间分辨率受系统几何参数的影响，决定了影像的清晰度。 

为证实真实的空间分辨率，德国QRM公司专为评估显微CT系统的空间分辨率而设计了一种模体作为扫描和重建的对象。它含有处于正交取向的两个完全相同的硅芯片，各自带有若干不同粗细的校准线和图案。扫描和重建这样一个模体可证明真实的空间分辨率。

尾声：

求实、求真，愿良好的市场竞争环境督促各科研设备厂家不断前进。

更愿我们国产设备厂家能励志前行，不忘初心！

前言

玉米是一种重要的能量来源，也是很重要的膳食主食之一。从发达国家的特色食品到不发达国家的主食，它以不同的形式用于人类消费。玉米主要是通过干法碾磨加工成玉米粉，包括脱胚（去胚和果皮）后碾磨成不同粒径的玉米粉。玉米籽粒中存在两种胚乳，角质胚乳和粉质胚乳。角质胚乳较硬，密度较高，位于籽粒外部，而粉质胚乳较软，密度较低，位于籽粒中间。由于粉质胚乳的淀粉颗粒不太紧密，所以存在许多颗粒间的空隙。这些在角质胚乳中不存在。此外，玉米籽粒中存在裂缝，主要是由于脱水，胚乳崩塌，留下相对较大的空气空间。由此可见，玉米籽粒中存在的胚乳类型的微观结构是不同的。

 与较软的玉米相比，硬玉米籽粒具有更好的碾磨品质（导致更高的碾磨产量）。角质胚乳和粉质胚乳的比率、胚乳中裂缝的大小，数目都影响着玉米的品质。

结尾

显微CT（Micro-CT）是一种非破坏性的技术，它使用X射线来研究生物体的内部解剖和形态。Micro-CT 是一种新兴的植物种子科学技术，因为它能够评估高精度的种子结构（胚、胚乳、种皮等）和质量（如裂缝、虫害、缺陷等）。种子外观不反映种子的质量。种子外观可能是完整的，但内部有破坏、裂缝，异常胚等。使用Micro-ct可以提供更多种子质量的信息、不同性状的品种特性鉴定等。

股骨是人体Z长Z重要的承重骨之一，其长度约为身高的1/4。股骨近端连接骨盆和股骨干，具有非常独特的解剖特征和重要的生理功能。作为连接躯干和下肢的骨性结构，股骨近端承受着人体垂直向下的应力和髋关节活动产生的剪切力的双重作用。股骨近端骨折一直是临床ZL的难点。正确理解股骨近端的解剖和生物力学特征，有助于对其损伤进行合理的ZL⁽¹⁾。 

国际内固定研究协会（AO/ASIF）将小转子下缘以上平面的骨组织定义为股骨近端，主要包括股骨头、股骨颈、股骨大小转子和骨小梁等结构⁽²⁾。骨小梁是股骨近端的主要承重结构，了解其形态特征对于预防和ZL股骨近端骨折具有重要意义。今天小编就带来两个研究股骨近端的案例，分别从大动物和小动物股骨来展示Micro-CT对骨小梁结构的三维影像重建，从而可以理解骨小梁的结构与力学功能等。

小结：骨质疏松可以导致股骨近端的生物力学性能明显下降。各种原因导致的骨小梁数量和质量下降、力学强度降低，都会形成骨质疏松症，股骨近端的生物力学结构和性能下降。当作用于股骨近端的外力超过骨结构所能承受的极限达到屈服点时，会发生骨折，Z常见的为股骨颈骨折⁽¹⁾。骨小梁是预防股骨颈骨折和股骨转子间骨折ZL的重要支撑结构。随着医学影像和技术的进步，股骨近端骨质分布于骨折发生关系的研究得到较多关注。相信有Micro-CT的助力，在股骨近端骨折ZL领域会有越来越多的突破。

前言

斑马鱼与哺乳动物基因组和蛋白调控机制有高度同源性，而且个体小、生殖周期短、繁殖能力强、易于饲养、体外受精、胚胎透明且发育迅速等诸多方面的优点，被广泛应用于药物筛选、毒性检测和发育研究等科学领域。由于硬骨鱼和人类在骨骼发育过程中的基因、信号通路有高度同源性，而且与其他的动物模型相比，斑马鱼具有个体小适合高通量化学筛选、身体透明易于观察骨骼发育的特定，所以近年来斑马鱼为模型的骨骼研究逐渐成为这一领域的热点

结尾：

利用一定造模手段，使得斑马鱼的脊椎骨发生基因突变。由于外形上是看不出突变的形状，需Micro CT扫描并重建，通过观察斑马鱼的脊椎骨突变后的具体形态，来判断造模是否符合预期。在研究骨骼形态的同时，也可以对骨骼的骨密度、肌肉和脂肪的比例进行研究。在Micro-CT助力下，以斑马鱼为疾病模型的研究会有越来越多的突破！

一、实验背景

肺癌是全世界范围内发病率和死亡率Z高的恶性肿瘤，其中非小细胞肺癌占全部肺癌的80%左右，而非小细胞肺癌里，EGFR基因的突变频率又是非常高。所以针对EGFR基因突变型肺癌的药物的开发也一直是科学家们攻克的ZD。利用小鼠造模致其EGFR基因突变来产生非小细胞肺癌肿瘤，用药后在活体模型小鼠上，连续观察其肺部肿瘤的变化，就可以来评价该药物的有效性。预期利用Micro CT（小动物CT），可以同时实现活体小鼠造模是否成功的验证，以及通过对小鼠肺部长期连续性的观察来实现药物有效性的评估。 

二、实验目的

本系列实验前后使用平生公司2种型号的Micro CT设备（小动物CT），对不同模型小鼠肺部进行扫描并观察，来判断Micro CT在小鼠肺部成像的适用性，同时验证小鼠造模的成功性。 

三、实验过程

实验动物：肺部肿瘤小鼠

是否造模：是（EGFR突变肿瘤鼠）

体重：20g

是否饥饿处理：否

麻醉模式：持续性异氟烷呼吸麻醉

影像软件：Avatar 1.3 （平生YL）

实验设备：

1号：NEMO® Micro-CT（平生YL）

2号：Super Nova® Micro-CT（平生YL）

五、实验结论

利用Micro CT（小动物CT）可以对活体小鼠肺部进行有效观察，本次实验也验证了小鼠造模的成功。

注：本次实验的客户为暨南大学肺癌jing准医学实验室，根据自身实验需求和性价比的考量，选择了Super Nova ®Micro-CT系列，并于2017年12月底完成装机。目前设备使用稳定，欢迎有同类实验需求的客户前往暨南大学肺癌jing准医学实验室进行交流与合作。

一、     心电门控的应用价值

影像检查中，由于组织或脏器的运动（例如呼吸、心跳等）容易使得影像设备（包括超声、X线CT以及MRI等）产生伪影，这会降低图像的分辨率及诊断价值。因而在心血管和呼吸疾病研究中，控制好由于心脏或隔膜的运动而对 Micro CT 图像产生的影响，是至关重要的。

为了获得更好质量的影像，一般运用诸如呼吸补偿和呼吸门控、心电门控和心电触发等技术来做影像修正。所谓心电门控就是为了减少或消除心腔及心脏大血管的搏动对图像造成的影响而采取的基于硬件的门控技术手段。

在Micro CT中和临床上类似，采用心电门控技术主要有两个目的：

（1）去除心腔和心脏大血管的搏动伪影；

（2）利用门控技术与扫描成像技术相配合，可以获得心脏大血管生理功能等信息。比如评价高脂血症对心脏瓣膜钙化的影响、心室功能和代谢评价、心肌梗死ZL评价等等。 

二、     心电门控下的图像

以下举例的是平生公司的Micro CT设备（型号NEMO）通过心电门控技术应用的扫描成像，可以有效地去除心跳导致的运动伪影。

三、        相关产品介绍

平生公司全系列的小动物活体影像产品（小动物PET/CT和小动物CT）都具备双门控技术，即利用先进的回顾性心电和呼吸门控技术实现了对心跳和呼吸的运动伪影控制，并配备动物的心跳、呼吸生理信息的监控系统。

一、研究背景

在啮齿动物中，BAT（Brown Adipose Tissue，棕色脂肪）是一个新陈代谢组织。不同于白色脂肪，棕色脂肪因含有丰富的血管和大量的线粒体，而呈现棕红色的外观，可以在寒冷或饥饿环境下分解线粒体、为生物体提供能量。长久以来，棕色脂肪被认为只存在于小型哺乳动物和婴幼儿中，而近期的研究发现，棕色脂肪同样存在于成人体内，并在能量平衡调节方面发挥重要的功能。由此，棕色脂肪在能量代谢相关疾病如肥胖、Ⅱ型糖尿病以及代谢紊乱等ZL领域显示出巨大的应用潜能，关于棕色脂肪的功能和应用也迅速成为一个新的研究热点[1]。

如何测量棕色脂肪一直是困扰科研人员的一个问题，早期的研究可能需要把实验动物处理，剥离脂肪进行测量，但这种方法并不精确，且无法对棕色脂肪的变化情况进行追踪；研究发现，棕色脂肪对葡萄糖有高摄取，使得18F-FDG（18F标记的葡萄糖类似物）可反映棕色脂肪的能量代谢情况[2][3]，因而小动物PET/CT可以有效评价棕色脂肪的活动，提供棕色脂肪在机体中活动的直观数据，是研究小动物棕色脂肪的一种有效方法和重要工具。

二、研究内容

提醒事项：因在肥胖研究中，白色脂肪棕色化、棕色脂肪激活具有重要意义，因而动物实验中常会用到肥胖体型的实验动物，所以对PET设备的动物舱尺寸以及有效视野有较高的要求。

小知识点：被扫描动物的横向直径（动物体宽）＜动物舱内径＜PET横向有效视野，满足此条件才能重建成像。

本实验使用的设备为平生公司的小动物PET/CT（型号：Super Nova®），该设备的大号动物舱内径为89mm，横向有效视野为100mm，该尺寸满足实验用肥胖大鼠、鼠兔、豚鼠的体宽。

研究者将高原鼠兔作为研究对象，利用Super Nova PET/CT系统（平生YL），观察高原鼠兔在低温环境下，其体内的肩胛骨处棕色脂肪激活状态。高原鼠兔是一种生活于海拔3200~5200米土坡上的啮齿动物，体态浑圆，是青藏高原的特有物种。有研究表明，高海拔地区的鼠兔较低海拔鼠兔皮下脂肪会表现出脂肪代谢能力的适应性改变：棕色脂肪的含量增加，以及棕色脂肪的产热能力的增加。

研究者将实验组高原鼠兔始终置于低温环境中，再与常温环境下的对照组高原鼠兔一起，注射18F-FDG后进行PET/CT扫描，结果显示对照组的肩胛骨处棕色脂肪无明显摄取，而实验组的肩胛骨处棕色脂肪有明显摄取。

实验注明：因棕色脂肪在肩胛骨分布较多，本实验主要探究高原鼠兔实验组和对照组在肩胛骨处棕色脂肪激活状态。Super Nova® PET/CT系统拥有130mm单床位轴向扫描视野范围，可在一个床位下完成鼠兔躯体扫描，能够及时有效获取脂肪代谢动态图像信息。

三、结论

该实验表明，在寒冷刺激下，高原鼠兔肩胛区棕色脂肪激活显著增加，可以利用小动物PET/CT系统进行活体持续性的研究。

鸣谢：青海大学在使用平生公司的小动物PET/CT设备后提供的实验数据和图片分享。

文中注释：

[1].     Cypess, A.M. & Kahn, C.R. The role and importance of brown adipose tissue in energy homeostasis. Curr. Opin. Pediatr. 22, 478-84 (2010).

[2].     Baba S, Tatsumi M, Ishimori T, et al. Effect of nicotine and ephedrine on the accumulation of 18F-FDG in brown adipose tissue[J]. Journal of Nuclear Medicine, 2007, 48(6): 981-986.

[3].     Borga M, Virtanen KA, Romu T, et al. Brown adipose tissue in humans: detection and functional analysis using PET (positron emission tomography), MRI (magnetic resonance imaging), and DECT (dual energy computed tomography) [J]. Methods Enzymol, 2014, 537: 141-159.

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前言

肿瘤学是小动物PET/CT分子影像技术的应用热点之一，主要在评估肿瘤模型的建立、进行肿瘤模型筛选、肿瘤检测及药效评价方面发挥着重要作用。除了在肿瘤方面的应用外，PET还在大鼠的肠道方面有重要应用。

 案例一、小鼠肺部肿瘤

本案例选用的是20g肺部肿瘤小鼠，尾静脉注射FDG260μci,代谢60分钟，采集10分钟。从图像中看出左侧肺部有一明显肿瘤区域。

案例二、FDG在大鼠肠道的显像

盐酸二甲双胍是一线降糖药，本类药物不刺激胰岛β细胞，对正常人几乎无作用，而对2型糖尿病人降血糖作用明显。它不影响胰岛素分泌，主要通过促进外周组织摄取葡萄糖、控制葡萄糖异生、降低肝糖原输出、延迟葡萄糖在肠道吸收，由此达到降低血糖的作用。

本案例使用的是238g糖尿病大鼠，在使用了二甲双胍药物后，尾静脉注射FDG270μCi，代谢半小时后扫描，采集10分钟。从图像可以看出，肠道内FDG聚集，推测二甲双胍可能刺激葡萄糖从血液循环到肠腔内空间的转移。

案例三：大鼠胃切除后的炎症反应

本案例选用的是251g大鼠，胃部切除手术后尾静脉注射FDG  370μci,代谢一个小时，采集十分钟。从图像可以看出胃部切除部分的边缘有更多的FDG摄取，提示炎症的发生。胃部切除的部分也可以通过软件自动计算切除部分的体积等。

结尾：小动物pet/ct是当今医药领域及生物工程方面的领先技术。通过对小型啮齿动物(小鼠或大鼠)进行活体状况下的功能及解剖成像，获得该动物身体功能成像、药物分布等情况，能对肿瘤、神经、心血管等疾病以及遗传基因研究及药物临床前筛选等提供先进的技术支持。

一、实验背景

斑马鱼与哺乳动物基因组和蛋白调控机制有高度同源性，而且个体小、生殖周期短、繁殖能力强、易于饲养、体外受精、胚胎透明且发育迅速等诸多方面的优点被广泛应用于药物筛选、毒性检测和发育研究等科学领域。由于硬骨鱼和人类在骨骼发育过程中的基因、信号通路有高度同源性，而且与其他的动物模型相比，斑马鱼具有个体小适合高通量化学筛选，幼鱼身体透明易于观察骨骼发育的特定，所以近年来斑马鱼为模型的骨骼研究逐渐成为这一领域的热点。 

二、实验目的

利用一定造模手段，使得斑马鱼的脊椎骨发生基因突变。外形上是看不出突变的形状的，需Micro CT扫描并重建，通过观察斑马鱼的脊椎骨突变后的具体形态，来判断造模是否符合预期。本次实验的目的就是观察基因突变的斑马鱼骨骼发育的异常情况。 

三、实验过程

实验概述：对斑马鱼的脊椎骨进行CT扫描并重建，观察野生型和基因突变型脊柱的状态。

实验动物：野生型斑马鱼若干条、基因突变斑马鱼若干条（突变后的性状类似人类的驼背等脊柱疾病），体长均在3cm左右

是否造模：是（造模方式保密）

采集参数：管压60kV, 管流200μA，迭代重建方法1K*1K

影像软件：Avatar 1.3 （平生YL）

实验设备：NEMO® Micro-CT（平生YL）