5分鐘了解\\小動物磁共振成像技術

時間：2023-07-20 熱度：889

小動物磁共振成像原理及介紹：

核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，簡稱NMRI），也稱磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI），依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結構環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，即可得知構成這一物體原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的結構圖像。

小動物磁共振成像原理與醫(yī)院臨床用的磁共振原理相同，都是利用射頻脈沖（Radio frequency，RF）對置于外加磁場（B0）中具有磁性的原子核，主要是氫核，進行激發(fā)產(chǎn)生核磁共振信號，利用感應線圈獲得與組織弛豫時間和質(zhì)子密度相關的信息，通過各種編碼技術和傅立葉變換最終形成磁共振圖像。

圖：磁共振成像基本原理。a.自旋核在外磁場B0作用下沿主磁場B0方向做拉莫進動，頻率為ω0。b.垂直于主磁場方向的射頻脈沖（RF pluse）能夠使宏觀縱向磁化矢量（Mz）減小，產(chǎn)生宏觀橫向磁化矢量（Mxy）。然后再逐漸恢復到初始狀態(tài)，這一過程稱為弛豫。c. T1弛豫時間為組織的宏觀縱向磁化矢量恢復到最大值的63%所需的時間。d. T2弛豫時間為宏觀橫向磁化矢量下降到最大值的37%所需時間[1]。

唯一不同的是由于動物個體較小，因此需要更高場強的磁共振設備才能獲得清晰動物組織臟器結構。臨床常用的磁共振成像設備場強主流是3.0T、1.5T（T指特斯拉，是描述MRI中使用的磁體強度的測量單位，數(shù)字越高，強度越強），而小動物磁共振成像設備主磁場強度大多是7.0T、9.4T、11.7T，當然還有主要用于小鼠研究的15.2T的超高場磁共振設備。磁共振設備的場強越高，掃描速度越快、圖像分辨率越高，對于細節(jié)的顯示越清晰。

小動物磁共振成像特點：

核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)是目前臨床上最有效的影像診斷方法之一。其具有無創(chuàng)、無輻射損傷、軟組織分辨率高、多核多參數(shù)成像、任意層掃描等優(yōu)點。對于中樞神經(jīng)系統(tǒng),神經(jīng)血管成像是首選方法,特別是在其他檢測方法無法識別的小的腫瘤病變中。由于能提供高分辨率的軟組織解剖圖像,MRI已成為臨床成像的重要工具。

相對于小動物超聲、小動物CT、小動物光學成像等其它分子影像技術，小動物磁共振成像有哪些優(yōu)勢？

（1）小動物磁共振成像軟組織對比度好：主要用于腦、心臟、肝臟、腎臟、肌肉等實體臟器的檢測，當然配合關節(jié)線圈，也可用于關節(jié)病變的分析。

（2）多參數(shù)成像：根據(jù)不同的成像原理小動物磁共振成像設備配備有不同的掃描序列，反映組織的不同性質(zhì)對比，可用于不同動物模型的影像學評價。

（3）時空分辨率相對較高：15.2T超高場小動物磁共振成像設備空間分辨率可達19.5μm；采用平面回波成像技術，小動物磁共振成像設備可以在幾毫秒完成一幅圖像的采集。

（4）無需使用對比劑：在大多數(shù)情況下，平掃即可獲得比較理想的影像結果，無需使用額外的增強劑，尤其是可以在無創(chuàng)的條件下進行血管成像，相對于X線及CT具有明顯優(yōu)勢。

（5）提供結構、功能信息：小動物磁共振成像除能顯示組織的結構病變外，還能同時無創(chuàng)的進行功能成像，反映組織的不同功能和特征。例如進行磁共振波譜成像可以獲得感興趣區(qū)域內(nèi)源性代謝物的信息，采用彌散張量成像可以獲得腦組織中白紙纖維束的走向和完整性等信息。

（6）對運動敏感：小動物磁共振成像對運動特別敏感，由于動物不能像人一樣自主憋氣，因此在對腹部臟器如肝臟、心臟等易受呼吸和心臟搏動影響的臟器進行檢測時，需要配合使用呼吸門控和心電門控，以消除圖像運動偽影。

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應用案例一：結構成像

在小動物磁共振成像中應用最多的結構成像為T2加權成像。主要用于顱腦相關疾病、腫瘤、肝臟、腎臟病變、關節(jié)脊柱病變等動物模型中；其次為T1加權成像，主要用于肥胖、糖尿病等代謝性疾病動物模型的評價研究。

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圖：腦組織的 T2 加權影像，圖中清晰地顯示了腦內(nèi)的解剖結構以及腫瘤區(qū)域。

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圖：小動物磁共振T2加權成像在各類動物模型的應用實例。

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圖：OT-Lipo@M治療延遲了對海馬結構和突觸可塑性的損害。a）小鼠大腦解剖模板的冠狀和軸向圖譜，帶有主要海馬亞區(qū)域的注釋（紅色：CA1；綠色：CA2；黃色：CA3；藍色：DG）和代表性的T2加權MRI圖像，小鼠大腦的海馬位置突出顯示黑色虛線。b）海馬體及其次區(qū)域的體積分析（n = 6。c）代表性的T2地圖圖像和d）在海馬體中測量的T2放松時間（n = 6）。e）小鼠海馬片中CA3-CA1突觸記錄的LTP的示意圖。f）HFS前后一段時間的fEPSP斜坡。g）代表性痕跡HFS前后100分鐘的fEPSPs。h）累積測量HFS后91分鐘至100分鐘的平均fEPSP斜坡。

應用案例二：

T1弛豫和T2弛豫定量磁共振成像

弛豫是組織的固有屬性，在主磁場強度固定的情況下，組織的弛豫時間基本保持不變。通過測定感興趣區(qū)域T1弛豫時間（縱向弛豫）和T2弛豫時間（橫向弛豫）的變化能夠反映組織結構的微小改變，因此常用于纖維化、出血、水腫、炎癥、腫瘤等疾病模型研究。

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A，術前和術后大鼠再生肝臟的代表性T1、T2、D和K參數(shù)圖；B，PH后T1、T2、D和K值的變化。

參考文獻：doi: 10.1186/s12876-022-02517-1.

應用案例三：

擴散加權成像與擴散張量成像

擴散加權成像（Diffusion weighted imaging, DWI）只使用一組擴散敏感梯度場，未考慮到水分子的彌散方向，主要用于急性腦缺血和腫瘤等動物模型的研究，表觀彌散系數(shù)是最常用的彌散定量參數(shù)，它能夠比較簡單的表征組織內(nèi)水分子的彌散情況。（如圖1）

擴散張量成像（Diffusion tensor imaging，DTI）考慮了彌散的方向性，通過施加多個非線性方向的梯度場實現(xiàn)在三維空間內(nèi)定量分析組織內(nèi)水分子彌散運動的方向特性。DTI 中，最主要的概念是3 個特征向量(v 1、v 2和v 3)和特征值(λ 1、λ 2和λ 3)

，代表著水分子彌散的3個主要方向及其可能性的大小，另外一個重要參數(shù)是分數(shù)各向異性，反映水分子擴散的各向異性程度。DTI 可以在活體無創(chuàng)狀態(tài)下重建腦白質(zhì)纖維束，在腦白質(zhì)病、脫髓鞘、腫瘤等模型研究中有重要應用。（如圖2）

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圖1：獼猴MCAO模型的腦核磁共振成像。MCAO（紅色箭頭）后獼猴腦中DWI和FLAIR梗死病變的代表性圖像。

參考文獻：doi: 10.3390/brainsci13020287

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圖2：應用DTI模型后，四個大腦參數(shù)圖和平方殘差和（SSR）的視圖，使用同一參數(shù)中小鼠的五個擴散張量成像（DTI）數(shù)據(jù)集中的每個數(shù)據(jù)集重建，空間分辨率為82×81×200微分平方米。所有擴散率映射（軸向、平均和徑向擴散率）均以μm2/ms為單位。AD軸向擴散率，B b值，擴散編碼方向的Dir數(shù)，F(xiàn)A分數(shù)各向異性，MD平均擴散率，RD徑向擴散率，SSE平方誤差之和。

參考文獻：doi: 10.1038/s41598-022-15511-0

應用案例四：心臟磁共振成像

小動物心臟磁共振成像是一種非侵入式的評價心臟結構和功能的臨床前醫(yī)學成像技術。在CMRI中應用最多的是心臟磁共振電影成像技術，該方法可將整個心動周期若干期相的圖像以電影的形式展示出來，具有較高的時間和空間分辨率。通過心臟電影成像，我們不僅可以測量室壁厚度、心室容積等心臟結構參數(shù)，而且可以獲得射血分數(shù)、每搏輸出量等心臟功能指標。

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圖：心臟結節(jié)病：紅色箭頭顯示左心室基底和側段和左心室短軸視圖（B）中心包下LGE區(qū)域。

參考文獻：doi: 10.1016/j.ihj.2015.09.032.

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圖：肥厚性心肌?。℉CM）的模式顯示心肌受影響區(qū)域的分布存在變異性，包括同心、局灶性左室壁、中隔和頂端分布。

參考文獻：doi.org/10.1002/jmri.22030

應用案例五：關節(jié)磁共振成像

可提供骨骼的形態(tài)學和解剖學影像，檢測骨壞死和炎癥，長期跟蹤疾病發(fā)展過程和治療效果。

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圖：（A）MF的MPLW515L移植小鼠模型中觀察到的BM病理學的組織學。高脂肪、出血和高細胞面板被H&E染色，而網(wǎng)狀蛋白染色顯示纖維化?？潭葪l：100微米。（B）健康BALB/c小鼠脛骨中量化ADC、MTR和PDFF MRI參數(shù)的代表性圖像。圖像在偽色標上顯示每個參數(shù)的值，紅色和藍色分別標記高值和低值。注意每個成像參數(shù)的不同尺度。（C和D）健康小鼠和具有漸進MPN/MF的小鼠的脾臟大小和MRI體積的定性差異。我們手動分割了脾臟（用粉紅色覆蓋圖進行輪廓）以進行體積測量。使用MPLW515L轉(zhuǎn)導-移植小鼠模型在疾病開始36天后成像/收獲的病變脾臟。

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圖：定量核磁共振指標確定了健康小鼠脛骨BM的區(qū)域差異。核磁共振成像和組織學顯示，沿脛骨長度的BM存在定量差異。（A）具有MTR、PDFF和ADC參數(shù)近端遠端切片的代表性假色矢狀核磁共振成像圖像，（B）具有代表性的H&E組織學，以及（C）對已識別的近端和遠端切片中每個指標的量化（n = 10只小鼠）。

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圖：定量核磁共振成像顯示移植后BM的區(qū)域變化。胸脛骨BM的代表性、偽色消融和健康BMT矢狀圖像，顯示MTR、PDFF和ADC疊加在相應的、時間點匹配的灰度背景圖像上（分別為MToff；多梯度多回波平均數(shù)；和低b值）。偽色標描繪了每個參數(shù)的值范圍。注意每個刻度條的不同值范圍。

參考文獻：doi: 10.1172/jci.insight.161457.

應用案例六：心血管磁共振成像

對小鼠心臟左心室功能、心肌勞損和血流動力學力的詳細測量。

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圖：小鼠CMR成像的切片規(guī)劃。（A）GRE SCOUT使用初始偵察掃描在3個正交視圖中通過心臟進行規(guī)劃。（B）GRE SCOUT冠狀和矢狀切片的短軸偵察計劃。（C）使用短軸偵察和GRE SCOUT日冕切片規(guī)劃2CH偵察視圖。（D）使用短軸偵察和2CH偵察員規(guī)劃4CH偵察視圖。（E）使用2CH和4CH偵察機規(guī)劃多片短軸視圖。（F）（左）使用中室短軸和2CH/4CH偵察視圖規(guī)劃最終的2CH、3CH和4CH視圖。縮寫：CMR = 心血管磁共振成像；GRE = 梯度回聲；CH = 腔室

參考文獻：doi：10.3791/62595.

應用案例七：腫瘤磁共振成像

檢測腫瘤生長速度，對腫瘤體積、壞死面積、生長檢測進行精確的量化

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