小動(dòng)物磁共振成像原理及介紹：

核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，簡(jiǎn)稱NMRI），也稱磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，簡(jiǎn)稱MRI），依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減，通過(guò)外加梯度磁場(chǎng)檢測(cè)所發(fā)射出的電磁波，即可得知構(gòu)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(jié)構(gòu)圖像。

小動(dòng)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(duì)置于外加磁場(chǎng)（B0）中具有磁性的原子核，主要是氫核，進(jìn)行激發(fā)產(chǎn)生核磁共振信號(hào)，利用感應(yīng)線圈獲得與組織弛豫時(shí)間和質(zhì)子密度相關(guān)的信息，通過(guò)各種編碼技術(shù)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(chǎng)B0作用下沿主磁場(chǎng)B0方向做拉莫進(jìn)動(dòng)，頻率為ω0。b.垂直于主磁場(chǎng)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(fù)到初始狀態(tài)，這一過(guò)程稱為弛豫。c. T1弛豫時(shí)間為組織的宏觀縱向磁化矢量恢復(fù)到最大值的63%所需的時(shí)間。d. T2弛豫時(shí)間為宏觀橫向磁化矢量下降到最大值的37%所需時(shí)間[1]。

唯一不同的是由于動(dòng)物個(gè)體較小，因此需要更高場(chǎng)強(qiáng)的磁共振設(shè)備才能獲得清晰動(dòng)物組織臟器結(jié)構(gòu)。臨床常用的磁共振成像設(shè)備場(chǎng)強(qiáng)主流是3.0T、1.5T（T指特斯拉，是描述MRI中使用的磁體強(qiáng)度的測(cè)量單位，數(shù)字越高，強(qiáng)度越強(qiáng)），而小動(dòng)物磁共振成像設(shè)備主磁場(chǎng)強(qiáng)度大多是7.0T、9.4T、11.7T，當(dāng)然還有主要用于小鼠研究的15.2T的超高場(chǎng)磁共振設(shè)備。磁共振設(shè)備的場(chǎng)強(qiáng)越高，掃描速度越快、圖像分辨率越高，對(duì)于細(xì)節(jié)的顯示越清晰。

小動(dòng)物磁共振成像特點(diǎn)：

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(wú)創(chuàng)、無(wú)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(diǎn)。對(duì)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(cè)方法無(wú)法識(shí)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。

（1）小動(dòng)物磁共振成像軟組織對(duì)比度好：主要用于腦、心臟、肝臟、腎臟、肌肉等實(shí)體臟器的檢測(cè)，當(dāng)然配合關(guān)節(jié)線圈，也可用于關(guān)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(dòng)物磁共振成像設(shè)備配備有不同的掃描序列，反映組織的不同性質(zhì)對(duì)比，可用于不同動(dòng)物模型的影像學(xué)評(píng)價(jià)。

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

（4）無(wú)需使用對(duì)比劑：在大多數(shù)情況下，平掃即可獲得比較理想的影像結(jié)果，無(wú)需使用額外的增強(qiáng)劑，尤其是可以在無(wú)創(chuàng)的條件下進(jìn)行血管成像，相對(duì)于X線及CT具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（5）提供結(jié)構(gòu)、功能信息：小動(dòng)物磁共振成像除能顯示組織的結(jié)構(gòu)病變外，還能同時(shí)無(wú)創(chuàng)的進(jìn)行功能成像，反映組織的不同功能和特征。例如進(jìn)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(duì)運(yùn)動(dòng)敏感：小動(dòng)物磁共振成像對(duì)運(yùn)動(dòng)特別敏感，由于動(dòng)物不能像人一樣自主憋氣，因此在對(duì)腹部臟器如肝臟、心臟等易受呼吸和心臟搏動(dòng)影響的臟器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要配合使用呼吸門控和心電門控，以消除圖像運(yùn)動(dòng)偽影。

應(yīng)用案例一：結(jié)構(gòu)成像

在小動(dòng)物磁共振成像中應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)成像為T2加權(quán)成像。主要用于顱腦相關(guān)疾病、腫瘤、肝臟、腎臟病變、關(guān)節(jié)脊柱病變等動(dòng)物模型中；其次為T1加權(quán)成像，主要用于肥胖、糖尿病等代謝性疾病動(dòng)物模型的評(píng)價(jià)研究。

圖：腦組織的 T2 加權(quán)影像， 圖中清晰地顯示了腦內(nèi)的 解剖結(jié)構(gòu)以及腫瘤區(qū)域。

圖：小動(dòng)物磁共振T2加權(quán)成像在各類動(dòng)物模型的應(yīng)用實(shí)例。

圖：OT-Lipo@M治療延遲了對(duì)海馬結(jié)構(gòu)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(lán)色：DG）和代表性的T2加權(quán)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(cè)量的T2放松時(shí)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(shí)間的fEPSP斜坡。g）代表性痕跡HFS前后100分鐘的fEPSPs。h）累積測(cè)量HFS后91分鐘至100分鐘的平均fEPSP斜坡。

應(yīng)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(chǎng)強(qiáng)度固定的情況下，組織的弛豫時(shí)間基本保持不變。通過(guò)測(cè)定感興趣區(qū)域T1弛豫時(shí)間（縱向弛豫）和T2弛豫時(shí)間（橫向弛豫）的變化能夠反映組織結(jié)構(gòu)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。

A，術(shù)前和術(shù)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(xiàn)：doi: 10.1186/s12876-022-02517-1.

應(yīng)用案例三：擴(kuò)散加權(quán)成像與擴(kuò)散張量成像

擴(kuò)散張量成像（Diffusion tensor imaging，DTI）考慮了彌散的方向性，通過(guò)施加多個(gè)非線性方向的梯度場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在三維空間內(nèi)定量分析組織內(nèi)水分子彌散運(yùn)動(dòng)的方向特性。DTI 中，最主要的概念是3 個(gè)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(gè)主要方向及其可能性的大小，另外一個(gè)重要參數(shù)是 分?jǐn)?shù)各向異性，反映水分子擴(kuò)散的各向異性程度。DTI 可以在活體無(wú)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(yīng)用。（如圖2）

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(xiàn)：doi: 10.3390/brainsci13020287

圖2：應(yīng)用DTI模型后，四個(gè)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(gè)擴(kuò)散張量成像（DTI）數(shù)據(jù)集中的每個(gè)數(shù)據(jù)集重建，空間分辨率為82×81×200微分平方米。所有擴(kuò)散率映射（軸向、平均和徑向擴(kuò)散率）均以μm2/ms為單位。AD軸向擴(kuò)散率，B b值，擴(kuò)散編碼方向的Dir數(shù)，F(xiàn)A分?jǐn)?shù)各向異性，MD平均擴(kuò)散率，RD徑向擴(kuò)散率，SSE平方誤差之和。

參考文獻(xiàn)：doi: 10.1038/s41598-022-15511-0

應(yīng)用案例四：心臟磁共振成像

小動(dòng)物心臟磁共振成像是一種非侵入式的評(píng)價(jià)心臟結(jié)構(gòu)和功能的臨床前醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。在CMRI中應(yīng)用最多的是心臟磁共振電影成像技術(shù)，該方法可將整個(gè)心動(dòng)周期若干期相的圖像以電影的形式展示出來(lái)，具有較高的時(shí)間和空間分辨率。通過(guò)心臟電影成像，我們不僅可以測(cè)量室壁厚度、心室容積等心臟結(jié)構(gòu)參數(shù)，而且可以獲得射血分?jǐn)?shù)、每搏輸出量等心臟功能指標(biāo)。

圖： 心臟結(jié)節(jié)?。杭t色箭頭顯示左心室基底和側(cè)段和左心室短軸視圖（B）中心包下LGE區(qū)域。

參考文獻(xiàn)：doi: 10.1016/j.ihj.2015.09.032.

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(xiàn)：doi.org/10.1002/jmri.22030

應(yīng)用案例五：關(guān)節(jié)磁共振成像

可提供骨骼的形態(tài)學(xué)和解剖學(xué)影像，檢測(cè)骨壞死和炎癥，長(zhǎng)期跟蹤疾病發(fā)展過(guò)程和治療效果。

圖：（A）MF的MPLW515L移植小鼠模型中觀察到的BM病理學(xué)的組織學(xué)。高脂肪、出血和高細(xì)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(biāo)上顯示每個(gè)參數(shù)的值，紅色和藍(lán)色分別標(biāo)記高值和低值。注意每個(gè)成像參數(shù)的不同尺度。（C和D）健康小鼠和具有漸進(jìn)MPN/MF的小鼠的脾臟大小和MRI體積的定性差異。我們手動(dòng)分割了脾臟（用粉紅色覆蓋圖進(jìn)行輪廓）以進(jìn)行體積測(cè)量。使用MPLW515L轉(zhuǎn)導(dǎo)-移植小鼠模型在疾病開始36天后成像/收獲的病變脾臟。

圖：定量核磁共振指標(biāo)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(xué)顯示，沿脛骨長(zhǎng)度的BM存在定量差異。（A）具有MTR、PDFF和ADC參數(shù)近端遠(yuǎn)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(xué)，以及（C）對(duì)已識(shí)別的近端和遠(yuǎn)端切片中每個(gè)指標(biāo)的量化（n = 10只小鼠）。

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(yīng)的、時(shí)間點(diǎn)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(biāo)描繪了每個(gè)參數(shù)的值范圍。注意每個(gè)刻度條的不同值范圍。

參考文獻(xiàn)：doi: 10.1172/jci.insight.161457.

應(yīng)用案例六：心血管磁共振成像

對(duì)小鼠心臟左心室功能、心肌勞損和血流動(dòng)力學(xué)力的詳細(xì)測(cè)量。

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(gè)正交視圖中通過(guò)心臟進(jìn)行規(guī)劃。（B）GRE SCOUT冠狀和矢狀切片的短軸偵察計(jì)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(jī)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?？s寫：CMR = 心血管磁共振成像；GRE = 梯度回聲；CH = 腔室

參考文獻(xiàn)：doi：10.3791/62595.

應(yīng)用案例七：腫瘤磁共振成像

檢測(cè)腫瘤生長(zhǎng)速度，對(duì)腫瘤體積、壞死面積、生長(zhǎng)檢測(cè)進(jìn)行精確的量化

圖：活體跟蹤 B16 黑色素瘤小鼠的腫瘤生長(zhǎng)（從左到右為第1d、2d、5d、8d）

圖：LLC腫瘤血管的組織和結(jié)構(gòu)。

圖：LLC腫瘤血管擴(kuò)散和灌注異質(zhì)性。

圖：LLC腫瘤血管壞死分析。第20天（上面板）四個(gè)腫瘤具有壞死區(qū)（黑色箭頭）的真實(shí)擴(kuò)散系數(shù)D的參數(shù)映射（腫瘤掩蔽）。四個(gè)腫瘤的明顯區(qū)域的代表性血氧基林-伊紅染色部分，有明顯的壞死。

參考文獻(xiàn)：doi：10.1136/jitc-2022-006092