基于实验室X射线暗场CT在小鼠模型中纵向体内监测肺部疾病进展的可行性

《European Radiology Experimental》：Feasibility of longitudinal in vivo monitoring of pulmonary disease progression in mouse models using laboratory-based x-ray dark-field CT

　　

目的：慢性阻塞性肺疾病（COPD）与急性肺损伤早期肺微结构改变对传统基于衰减的计算机断层扫描（CT）不可见。暗-field计算机断层扫描对完整肺泡结构产生的小角X射线散射敏感；然而此前所有体内研究均为横断面与伪纵向，无法在同一受试者内直接观察疾病演化。亟需微结构分辨的纵向成像方法以捕捉真实疾病轨迹、降低受试者间变异并支撑临床前药物研发。材料与方法：研究人员开发了专用暗场CT成像系统与集成工作流，包括剂量优化采集、小鼠专用固定装置、运动补偿、伪暗场抑制及基于深度学习的肺三维分割，在健康、炎症损伤与COPD小鼠模型中支持12周重复成像。结果：暗场系数（μd）呈现模型特异的时间轨迹，在衰减（μ）稳定时反映微结构变化；炎症损伤模型存在显著左右异质性，两例同方案COPD小鼠轨迹明显不同，μd早于μ变化，并与终末组织学一致。结论：结果表明临床前肺研究中长期体内暗场CT可行；暗场系数有望作为早期肺损伤、定量评估与治疗监测的潜在无创生物标志物，支持肺病理与药物开发中纵向暗场成像的进一步研究。

研究背景方面，肺组织多孔肺泡结构使常规衰减CT对早期肺泡微结构改变敏感性不足，而基于光栅的X射线暗场成像（dark-field imaging）可捕获微观结构异质性的小角散射信号，对肺气肿、肺纤维化、肺癌与放射性肺损伤等病理改变敏感。已有体内小鼠暗场CT研究多停留在单时间点、横断面或伪纵向设计，伪纵向以不同动物替代同一动物在不同时间点的随访，会引入受试者间生物学变异，掩盖个体疾病演化轨迹；近期4D暗场CT虽实现单次采集内呼吸分辨，但未覆盖长周期随访。因此，研究人员在清华大学开发的Talbot–Lau光栅干涉仪暗场CT系统上，建立可在实验室条件下对同一只小鼠重复成像的工作流，以验证长期体内暗场CT在肺疾病模型中的可行性，并探索暗场系数（μ_d，单位路径长度的小角散射能力，等价于线性扩散系数）作为微结构生物标志物的价值。论文发表于《European Radiology Experimental》。

关键技术方法上，研究人员使用清华开发的Talbot–Lau三光栅干涉仪系统，源为微焦X射线源，自相关长度约0.9 μm以匹配小鼠肺泡尺度；采用三步相位步进与黄金角200角度投影，单扫约60分钟、有效剂量约540 mGy；用PMMA做像素级伪暗场校正以抑制束硬化伪影，用Otsu阈值与位移建模做直立成像肺下移的运动补偿，用SIRT（Simultaneous Iterative Reconstruction Technique）通过TIGRE工具箱重建10003体素，用nnU-Net做三维肺分割并人工校验；样本队列为8周雄性C57BL/6小鼠，健康1只、炎症损伤1只、COPD（弹性蛋白酶诱导）2只，在0、7、14、21、28、35、63、84天重复扫描，终末行H&E组织学。

投影层面纵向信号趋势：炎症损伤小鼠投影图显示左肺黄区μ_d在0–21天快速下降、右肺基本不变，21–84天两侧均略降，而衰减μ无清晰趋势，说明暗场信号时空依赖强于衰减。

CT层面纵向信号趋势：轴向切片中COPD-1鼠衰减无明确趋势，暗场通道低信号空洞比例增加、强度渐降；炎症损伤鼠左肺μ_d先降后复、右肺稳定，体现左右异质；健康鼠两通道小幅波动。量化上，三者肺体积均先降后升，但μ_d与μ轨迹模型各异；COPD-1早期体积丢失伴μ与μ_d下降可为过度膨胀解释，后期μ升、μ_d续降符合肺泡破坏与老化；炎症损伤早期左肺μ_d骤降、μ骤升或为急性炎症，右肺变化或为局灶萎陷；健康鼠符合正常生长。

受试者间变异性：两例同方案COPD小鼠全肺信号差异显著，COPD-1的μ_d单调降、μ呈降–升–降，COPD-2的μ_d为降–升–降、μ为升–降–轻度回升；组织学上COPD-2炎症浸润更重、体积更小，提示同一诱导协议下固有生物学变异可导致不同疾病轨迹，也正是体内同一受试者纵向设计相较伪纵向的优势所在。

讨论部分总结：研究人员指出该工作首次在实验室环境实现小鼠肺暗场CT真纵向随访，并公开自动分割数据集与训练权重；技术核心为Talbot–Lau三光栅干涉仪提供与衰减互补的暗场对比。局限包括分析仪光栅G2阻挡约半数光子导致光子效率低下，直立与机械运动带来跨期对齐难度，样本量小而无法做大样本统计，伪暗场校准对骨–软组织界面可能有残差但具跨期系统性不影响趋势，540 mGy单扫虽有文献支持但累积剂量下放射混杂不能完全排除，炎症损伤鼠为组织学回顾发现而非预设模型，组织学仅终末H&E且无量化的线性截距测量与切片–体积配准。未来需专用小动物机架、双相位光栅等提升通量与效率，加入放射对照与剂量降至约200 mGy方案，并拓展至治疗反应与肺功能联合评估。

结论部分翻译：研究人员的结果提示，临床前肺研究中长期体内暗场CT具有可行性。暗场系数显示出作为早期肺损伤、定量疾病评估与治疗监测的潜在无创生物标志物的前景，并支持在肺病理与药物开发中进一步研究纵向暗场成像。