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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

动物模型是现代生物医学研究中重要的实验方法与手段，有助于更方便、更有效地认识人类疾病的发生、发展规律，研究防治措施，建立疾病模型；同时由于大鼠、天竺鼠、小鼠等小动物方便养殖，易于实验等诸多优势，其在生命科学、医学研究及药物开发等多个领域的应用日益增多。近年来，各种影像技术在动物研究中发挥着越来越重要的作用，涌现出各种小动物成像的专业设备,为科学研究提供了强有力的工具[1] 。而CT 因其具有较高空间分辨率，较短成像时间，相对低的成本等优点成为小动物成像的重要技术手段。目前研究动物模型的方法主要有两种：离体和活体。离体的方法是将小动物处死解剖后，再通过其他方法如组织切片等进行研究。离体的方法得到的是组织器官的一个固定状态，而且该状态脱离了在体时复杂的环境因素，因此得到的结果与实际情况可能会大有差别。活体成像技术能够在不损伤小动物的前提下对其进行长时间的动态研究，从而为我们了解活体小鼠体内的疾病发展变化，相关生物学过程，特异性基因的功能以及蛋白质与蛋白质的相互作用等提供了可能。因此，小动物活体成像技术在生物医学研究中得到了非常广泛的应用[4]。然而在活体小动物CT 成像中，特别是对小动物的胸腹部进行成像时，小动物呼吸运动是难以避免的且CT 扫描周期远远大于小动物呼吸运动周期，导致运动伪影的引入，使重建图像空间分辨率、对比度和信噪比的降低。因此，需要加入呼吸门控模块来降低呼吸运动对CT 重建图像的影响。

国内外研究现状

上世纪80 年代，可用的X 射线探测器像元巨大，以至于无法达到用于小动物成像所需的较高的空间分辨率。后来X 射线胶片取代选装探测器结构，X 射线胶片被处理和数字化，这样可以再用于重建的小动物器官中获得的较高的空间分辨率（150um）。上世纪90 年代至今，大量研究者及研究机构开发出了各种用途的Micro CT 系统，这些系统中大部分使用CCD 探测器，微焦点X 射线源等。可以重建的图像分辨率从20microns到100micros。1999 年美国能源部橡树岭国家实验室研发出了性能较高的Micro CT 系统，该系统的分辨率可以达到50um，拍摄1024 平行投影需要2~3 分钟，采集360 度信息需要15 分钟。2003 年Sang Chul Lee 等人在PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY 上发表了使用平板探测器的微型CT 系统，该探测器分辨率为7lp/mm。2005 年，比利时SkyScan公司提出了纳米级断层成像的概念并成功研制出纳米级CT（Nano-CT）。此后关于微型CT的报道层出不穷，技术日趋进步。系统空间分辨率从微米级到亚微米级再到纳米级，重建

时间从几十分钟缩短至几分钟。

目前已有商业化小动物Micro CT 产品，国外方面如比利时SkyScan 公司生产的VicoSkyScan1174、Nano--CT SkyScan2011 等产品；瑞士SCANCO 公司成产的用于活体小动物进行成像的vivaCT40、vivaCT75 以及Xtreme CT；GE 公司的eXplore Locus SP Pre-ClinicalSpecimen Micro CT 等，美国PerkinElmer 的Quantum FX micro CT 但这些设备大多价格昂贵。国内方面，华中科技大学是较早的研究活体小动物微型CT 的单位，他们是在X 射线数字摄影（DR）的基础上进行改进，系统的空间分辨率达到10lp/mm。商业化的产品如北京托摩根生物科技有限公司MILabs 的U-SPECTmini 以及平生医疗科技（昆山）有限公司Super Nova 高性能活体小动物CT、PET/CT 影像系统，许多CT 系统未配备相应的呼吸门控装置。

2. 研究的基本内容

本文在实验室已有的小动物微型ct 系统的基础上分别设计和实现了内在和外在两种回顾性呼吸门控技术，通过活体小鼠呼吸门控实验验证了呼吸门控技术能够有效的消除ct 图像中的运动伪影。

本文共分为四章，各章内容安排如下：

第一章 简要概述动物模型的作用和保持动物模型活性的必要性；小动物ct的实现原理和影响因素；以及小动物ct的国内外研究现状。

第二章 介绍各种小动物ct呼吸门控装置的设计方案。简单介绍现有方案的和各自的适用范围以及缺点；讨论了麻醉的方式对于小动物呼吸状态的影响。最后提出了本文使用的方案和其特点。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实行方案：

准备阶段：（2017-1-14——2017-2-14）：查阅相关文献，掌握学习与课题相关的基础知识和相关课题研究的最新进展。

试验阶段：（2017-2-15——2017-4-1）：

4. 参考文献

[1] 李冬梅万春丽李继承小动物活体成像技术研究进展[J] 中国生物医学工程学报2009 28 卷6 期[2]Weiss leder R , P ittet M J . Imaging in the era of molecular oncology[J ] . Nature , 2008 , 452(7187) :580 - 589.[3]Soenke H. Bartling et.al Small Animal Computed Tomography Imaging Current MedicalImaging Reviews, 2007, 3, 45-59[4]叶乃力用于活体小鼠的微型CT 呼吸门控技术研究[硕士学位论文] 武汉市华中科技大学2012[5]Soenke H. Bartling, Jan Kuntz, Wolfhard Semmler Gating in small-animal cardio-thoracic CTDepartment of Medical Physics in Radiology, German Cancer Research Center (DKFZ)[6]N. L. Ford, et.al In vivo characterization of lung morphology and function in anesthetizedfree-breathing mice using micro-computed tomography[J] Appl Physiol102: 2046 –2055, 2007.[7]Nancy L. Ford et.al Prospective respiratory-gated micro-CT of free breathing rodents 2005

American Association of Physicists in Medicine.DOI: 10.1118/1.2013007

[8]Feldkamp,L.A.et al.(1984) Practical cone-beam algorithm[J]. J.Opt.Soc.Am.Al,612-619[9]Laurel M Burk et.al Non-contact respiration monitoring for in-vivo murine micro computedtomography: characterization and imaging applications Phys. Med. Biol.57(2012) 5749–5763[10]罗广文红外摄像呼吸监测系统设计与研制[硕士学位论文] 北京清华大学2008[11]Philippe Giraud.et.al Reduction of organ motion in lung tumors with respiratory gating LungCancer (2006)51, 41—51[12]Erin B Walters.et.al Improved method of in vivo respiratory-gated micro-CT imaging Phys.Med. Biol.49(2004) 4163–4172[13]Soenke H. Bartling.et.al Retrospective Motion Gating in Small Animal CT of Mice and RatsInvest Radiol2007;42: 704 –714[14]C Chavarr′as et.al Extraction of the respiratory signal from small-animal CT projections fora retrospective gating method Phys. Med. Biol.53(2008) 4683–4695[15]Soenke H. Bartling et.al Intrinsic respiratory gating in small-animal CT Eur Radiol (2008) 18:1375–1384[16]Wolfgang Recheis Methods of in-vivo mouse lung micro-CT Medical Imaging 2005[17]Jicun Hu et.al Post Acquisition Small Animal Respiratory Gated Imaging Using microCone-Beam CT Medical Imaging 2004[18]仲爱军,龚辉,骆清铭适于小动物研究的微型CT 系统的研制Chinese Journal of MedicalInstrumentation 2004 年第28 卷第5 期[19]仲爱军用于小动物研究的微型CT 系统研制[硕士学位论文]武汉市华中科技大学2004[20]田丰,郭晓莲,胡广书适用于微型CT 系统活体成像的新型门控技术航天医学与医学工程2010 年第23 卷第6 期[21]崔友军应用单片机改进螺旋CT 呼吸门控装置现代仪器与医2013 年第19 卷第3 期[22]Robert A. McLaughlin et.al Respiratory gating of anatomical optical coherence tomographyimages of the human airway Optical coherence tomography; (170.2150)[23]J. J. Vaquero et.al Assessment of a New High-Performance Small-Animal X-Ray TomographIEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 55, NO. 3, JUNE 2008[24]Shannon P HOLMES et.al Delineation of an Acquisition Window within the RespiratoryCycle of Laboratory Animals Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med 9 (2001)[25]Guohua Cao et.al Prospective-gated cardiac micro-CT imaging of free-breathing miceusing carbon nanotube field emission x-ray Med. Phys. 3710…, October 2010