临床前超声成像—技术和成像应用回顾

　　英国爱丁堡大学心血管科学中心

　　超声成像是一种成熟的临床成像技术，它提供人体的实时、定量解剖和生理信息。电离辐射的缺乏以及相对较低的购买和维护成本使其成为最常用的临床成像技术之一，越来越多地用于指导介入临床过程。

　　直到20年前，将临床超声实践转化为临床前应用被证明是一项重大的技术挑战，因为小鼠的尺寸较小(25 g对70 kg)且意识心率较快(500-700 BPM对60 bpm ),需要将空间和时间分辨率提高10-20倍，才能获得与临床相当的诊断信息。

　　自2000年以来[1]，这些技术挑战已经被克服，并且商用高频超声扫描仪已经能够在小动物模型中进行疾病进展的纵向研究。现在可以以低至30微米的分辨率和足够的时间分辨率扫描成年、新生和胚胎大鼠、小鼠和斑马鱼，从而能够识别所有这些物种的心脏异常。

　　在小鼠和大鼠中，可以使用多普勒技术获得心腔、肾、肝和子宫血管中的血流以及壁内组织运动的量化。通常用于临床应用的超声造影微泡现在正被进一步开发以包括靶向机制和药物装载能力，并且在动物模型中的结果预示着用于人类靶向药物递送的转化。

　　介绍

　　尽管超声自开发以来已被广泛用于研究临床前动物模型，但该领域的许多早期工作是使用换能器进行的，所述换能器被设计用于临床小部件的超声扫描或术中成像，并在10至20 MHz的频率范围内工作。这种频率使得能够获取具有数百微米量级空间分辨率的图像，从而限制了它们在检测较小临床前模型中异常的有效性。

　　此外，设计用于以每分钟60-100次心跳(bpm)成像人类心脏的临床扫描仪没有足够的时间分辨率来成像临床前模型的快速心脏运动(400-600 BPM)。随着2000年第一个商用临床前超声扫描仪的推出，设计和制造能够分辨小于100微米的结构并具有足够的时间分辨率来分辨小鼠心脏内的心脏运动的商用超声扫描仪的技术挑战被克服。

　　从那时起，使用临床前超声成像来评估成年、新生和胚胎大鼠、小鼠和斑马鱼的生物学研究出版物的数量急剧增加，当成像成年鼠心脏时，空间分辨率接近30微米，帧频高达350 Hz，从而能够识别心脏异常。

　　此外，可以使用扫描仪上的多普勒功能实时测量心腔、肾、肝和子宫血管内的血流，并且可以使用弹性成像技术测量组织的弹性特性。正在开发和在动物模型中测试使用超声造影微泡的令人兴奋的新应用，所述超声造影微泡被设计用于靶向特定的生物标记物并且具有药物装载能力换能器制造的技术进步已经导致线性阵列换能器取代了第一代机械驱动的单元件换能器。

　　在这篇文章中，我们将回顾临床前超声扫描仪上可用的不同成像模式，并强调它们对临床前模型成像的效用。为清楚起见，临床前动物模型一词用于描述遗传足迹可以改变的小型非伴侣动物，主要指小鼠、大鼠和斑马鱼。描述的所有图像和实验都是在爱丁堡大学伦理审查后，在英国内政部许可下进行的。