前言
由 Wilhelm Roentgen 于 1895 年发现的 X 射线技术是最古老也是最常用的医学成像形式，同时也是诊断各类疾病的重要工具。X 射线在电子束受到高压加速、撞击金属探头时产生。其释放的动能被转换为 X 射线辐射量子。X 射线（在康普顿效应、瑞利散射和光电效应的作用下）被物质吸收并受样品密度影响。例如，X射线骨骼吸收通常具有非常清晰的对比度，（如传统 X 射线胶片中） 白色区域被较暗的组织区域（图 1）包围。X 射线的吸收在体内的骨骼、肌肉和脂肪中各有不同。使用造影剂的 X 射线也可用于血管造影等大量医疗应用。
X 射线被记录在 X 射线敏感材料上。传统而言，图像可以记录在感光胶片中，但是现代化系统主要在电子探测器上捕获 X 射线，并将图像信息存储为数字文件，便于使用和调取。尽管已经开发了一系列诸如计算机断层扫描（CT）、超声成像、核医学成像、磁共振成像（MRI）等新技术，但由于X 射线成像具备相对较快的高分辨率成像性能以及相对较低的成本，它在许多应用中依然很受欢迎。放射成像主要分为两种：单次采集平面（或投影）放射成像或动态采集透视成像。其中，平面放射成像常常用于检查骨骼健康（测量骨密度、检查骨折等），胸部放射成像（肺炎、肠癌），乳腺造影（筛查乳腺癌），识别和检查腹腔、肠道、肝脏和膀胱的溃疡或结肠癌转移等。透视成像可以对身体结构进行实时成像，适合用来检查与肠胃、生殖系统和尿路 1,2 相关的疾病。
布鲁克 Xtreme II 放射成像模态
布鲁克体内 Xtreme II 系统是一个可以提供解剖成像和功能成像模态的光学/X 射线成像系统。Xtreme II X 射线放射成像可以针对功能多光谱荧光、生物发光、DRI/PET （2D）、DRI/SPECT （2D）以及切伦科夫成像模态（如图 2）提供解剖学参考，或者单独用于 X 射线应用/成像（如图 3）。
与临床系统相似，活体Xtreme II 放射成像适用于药理学、骨骼疾病（关节炎、骨质疏松等）、新陈代谢和骨骼再造等领域。结合“布鲁克骨密度软件（Bruker Bone Density Software）”可以测量骨密度和获得骨骼几何结构的统计数据。该软件将执行圆柱拟合程序来提取所选骨段（如表 1）的重要参数。该算法将长骨段的 X 射线图像进行圆柱对称建模。基于浸在水里的 CaPO4，长骨密度测量假设选定骨段是介质中圆柱体的平面视图（如图 4）。并假定圆柱的外壳是较高密度（骨骼）的均质物质，较低密度（骨髓）的内部物质浸入均匀的水或空气 3 介质中。
进行活体X 射线成像时，将实验对象放在动物操作系统中，气体控制和注射口会在成像过程中提供呼吸混合气以及用于机柜外部循环的热气，以维持动物生命。X 射线系统针对小动物成像进行了优化，可以产生 20 - 45 kVp 的电压，电流维持在 500 微安。微焦点 X 射线成像源控制可以提供约 60 微米的焦点尺寸。锥形照明足以在扫描中照亮和测量 19 cm x 19 cm 范围内的样品，最多可以同时进行 10 只小鼠成像。
在 X 射线扫描过程中，专利放射成像荧光屏在实验对象下方滑动，以实现 X 射线能量到光子之间的转换以及冷却 CCD 的探测。系统还可以进行深度样品成像，包括豚鼠和兔子。凭借倒置的设计，系统具有其他光学/X 射线系统（图 6）所不具备的较大的深度间隙。该系统还提供了一系列 0.0 mm (无滤线器), 0.1 mm, 0.2 mm, 0.4 mm 和 0.8 mm 的射束硬化铝滤线器，以提供软组织到高密度组织（图 5）的最佳对比度。该功能已被用于定量调查/测量小鼠和大鼠外周脂肪。
布鲁克光学/X 射线系统及其在 X 射线应用中的使用
临床前 X 射线成像可以针对骨骼、肺和脂肪组织提供天然对比度。布鲁克光学/X 射线系统已经被用于检测骨骼疾病、肺部疾病 4 、脂肪测量 5,6 的研究。凭借 X 射线造影剂的优势，诸如肝、胃肠道、血管系统等软组织解剖结构都进行了成像/研究。在此，我们将介绍一些应用 X 射线成像领域的特定研究，如药理学、骨骼疾病、动态骨骼再造等。
最近，Jacqueline C. Silva 等人（2016）研究了药剂对骨密度和脂肪沉积带来的影响。其中，作者调查了药理级噻唑烷二酮类（TZD）和过氧化物酶体增殖激活受体伽马（PPAR γ）的合成配体。TZD 在临床上主要通过改善胰岛素耐受和控制血糖指数来治疗 2 型糖尿病。虽然这些抗糖尿病药物有助于改善血脂状况、内皮损伤和缓解炎症，但同时它们也具有明显的副作用，如体重增加、液体潴留、骨折和增加心力衰竭的风险，因此它们常常被限制使用，有时甚至被撤出市场。靶向不同 PPAR亚型（双重激动剂）和选择 PPAR γ 部分激动剂的新药设计可以提供改良的治疗方案。这一研究测试了 GQ-177（一种新型TZD）对中高脂饮食性肥胖（DIO）和低密度脂蛋白受体缺陷型（LDLr−/−）小鼠的动脉硬化模型的治疗潜力。GQ-177 的效果针对这些动物的空腹血糖和胰岛素的代谢参数、葡萄糖耐受性和血脂状况、增重、脂肪组织存储和骨密度也进行了测试。股骨和臀部之间特定区域的左股骨被用于 X 射线骨密度分析。.
除此之外，X 射线双射束硬化方法也被用于检测外周脂肪组织。调查发现新型 TZD，即 GQ-177 药物可以改善动物模型的胰岛素敏感性和血脂状况，X 射线骨密度和脂肪分析可以提供生理指标或药物可能存在的安全指标/耐受性。
最近的一项高同半胱胺酸血症研究，使用骨密度分析和血管造影剂（Tyagi 等人，2011）进行了 X 射线成像。同型半胱氨酸Hcy（在蛋氨酸和半胱氨酸的代谢过程中形成的含硫氨基酸）浓度的增加，也称高同半胱胺酸血症（HHcy）会引起骨质退变，同时可能导致骨质缺乏症和骨质疏松症等骨骼异常。Hcy巯基的自动氧化触发氧化应激并促进活性氧的产生。这可能导致骨骼中血流量的减少进而限制骨骼的营养输送，引起内皮损伤和骨质疏松症。该研究还调查了 HHcy 和骨骼血流量5 变化之间的因果关系。研究使用了野生型（WT）和胱硫醚合成酶异型接合（CBS+/−）小鼠，并通过 X 射线血管造影术（使用硫酸钡对照）来识别小鼠胫骨的营养动脉。胫骨血流量则通过激光多普勒仪和超声波探针的方法进行探测。骨密度（胫骨处）也进行了评估。有趣的是，这份研究指出，CBS+/− 小鼠与 WT相比，骨密度有所降低。此外，Hcy 的增加也影响着胫骨营养动脉的血管扩张和收缩。在饮用水中对动物实施6 周的叶酸疗法。与 WT 小组相比，该疗法在某种程度上改善了 CBS+/− 小鼠的恶化现象，从而叶酸疗法可能对基因可诱导 HHcy 骨质流失具有潜在的治疗效果。
Vijayan 等人（2013）在骨骼再造的动态变化研究中进行了 X射线成像和骨密度测量。在绝经后、骨质疏松症和卵巢切除术的条件下，已知雌激素水平会发生变化。特化的骨骼再造成骨细胞（用于产生新骨骼）和破骨细胞（用于重新吸收骨骼）受到破骨细胞分化因子配体（RANKL）（一个由成骨细胞表达并影响成骨细胞信息蛋白质）的精密调节。这些情况下的荷尔蒙失调表现为破骨细胞增加对骨骼再造产生不利影响，增加骨折风险。作者还探讨了 FOXO 转录因子（主要是 FOXO1）对调节成骨细胞功能的重要性。该实验使用了 SD 大鼠。在结束用于培养更高级别的大鼠循环系统 Hcy 疗法后，使用布鲁克系统进行 X 射线扫描，并在股骨处测量骨密度以追踪骨质的完整性变化。作者在股骨的股内膜中测量 FOXO1 并检测其他因素，例如血清中高半胱氨酸、破骨细胞活性的 TRAP5b、骨保护素、分泌的 RANKL、细胞激素、骨钙素、骨桥蛋白以及骨髓血浆中的氧化压力。接着向实验对象施用乙酰半胱氨酸。据报道乙酰半胱氨酸疗法可以降低 RANKL 水平，提高骨密度，引起血清 Hcy 水平的多重降低和破骨细胞活性的减少。
根据时间进程进行探针靶位摄取半定量测量
几何放大倍率和 X 射线旋转成像Xtreme II 的特殊功能扩展了系统 X 射线的性能/功能。例如，系统支持 3.3 倍的几何放大功能，提供微观结构（图 7A）研究中有益的精致细节。不仅如此，动态放射成像支持延时成像。该功能可以实时用于类似临床透视的低剂量扫描或进行多次捕获以创建视频文件11。结合独一无二的布鲁克多模态动物旋转系统（MARS），这个自动化平台可以实现 360°图像采集并提供最佳的探测性能，例如骨骼或头骨挫伤以及全身血管造影（见图 7B）
辐射安全和样品剂量
布鲁克光学/X 射线系统超过美国食品和药物管理局（FDA）和ASN 欧洲安全局的标准。系统的 X 射线发生器受屏蔽外壳保护并设有安全开关、状态指示器和一个外部软件接口。它还包括一个手动紧急短路开关和控制按键（Key Control）。机电联锁配置在柜门和安装元件内，旨在限制活动，确保系统正确安装和机柜门关闭。常规 X 射线成像时间很短（1.2 秒），产生的剂量（~0.3mGy）也远远低于最低分辨率的 microCT 成像。
结论
布鲁克活体 Xtreme II 提供多模态光学/X 射线成像。结合功能成像，X 射线成像可以提供有意义的解剖图。它还被用于多个骨骼和软组织疾病的解剖研究中，并采用仅适用于布鲁克活体光学/X 射线系统的先进功能，如射束硬化、骨密度分析、几何放大倍率以及大型样品的深度成像等。
参考文献
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