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小动物磁共振成像的原理以及在科研中的应用

萌宠菠菠乐园
2024-09-14 11:46

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不懂影像学的人，一看小动物MRI的操作界面，就会被复杂的参数设置，五花八门的扫描顺序弄得一头雾水。事实上，作为一名操作仪器的研究员，我们并不需要知道扫描顺序的原理，也不需要知道相关参数骂我们需要知道的是，如何利用小动物核磁共振技术来评估我们的实验对象，并对实验结果进行分析，从而得到一些传统的实验方法得不到的有价值的实验结果，从而“锦上添花”。以下将重点阐述在医疗科学研究中使用的小动物MRI扫描序列及其实用案例中。

图1.PharmaScan 70/16 US（Bruker）小动物磁共振成像设备Paravision6.0.1软件操作界面。

01结构成像

首先要说的是结构成像，它主要是反映组织器官的形态结构变化，特别适合于组织器官存在占位病变时的影像分析。结构影像是功能影像学的基础，因此，在各种动物实验中，都需要对其进行影像学研究。T2加权成像是小动物MRI中使用最广泛的一种结构影像，它主要被用在颅脑有关的疾病（胶质瘤、脑出血、脑缺血）、肿瘤、肝肾病变、关节脊柱病变等动物模型中（图2）；其次为T1加权成像，主要用于肥胖，糖尿病等代谢性疾病模型的评价研究。

图2.小动物磁共振T2加权成像在各类动物模型的应用实例。

02T1弛豫和弛豫定量磁共振成像

弛豫是组织的固有属性，在主磁场强度固定的情况下，组织的弛豫时间基本保持恒定。利用T1（纵）和T2（横）弛豫时间变化，可以在一定程度上反映组织的细微变化，被广泛应用于多种疾病（如纤维化，出血，水肿，炎症，肿瘤等）的研究。

图3.T2map（用于测定T2弛豫时间）定量分析不同损伤程度小鼠肾脏缺血再灌注恢复过程

03小动物磁共振血管成像（Magnetic resonance angioraphy,MRA）

小动物MRI血管成像不需要对比剂就能获得模式动物的血管形态学信息。被广泛应用于颅脑血管性疾病的评估（图）。

图4.小动物磁共振血管成像。a.9.4T小动物磁共振成像设备颅内血管成像。b.大鼠脑中动脉阻塞模型（MCAO）T2加权成像及血管成像。

扩散加权成像（Diffusion weighted imaging,DWI）与扩散张量成像|（Diffusion tensor imaging,DTI）

这两种方法都是建立在水分子扩散理论基础上的，都能直接地反映生物组织的微结构特征和变化。DWI只使用了一组扩散敏感梯度场，没有将水分子得到分散方向纳入其中，因此DWI主要应用于急性脑缺血和肿瘤等动物模型的研究中，最常见的史表达分散系数（Apprarent diffusion coefficient ,ADC），它可以比较简单的表征组织内的水分子分散情况（图5）。DTI将扩散的方向性引入到生物组织中，并在此基础上，对生物组织中水分子扩散的方向性进行了定量研究。在DTI中，三个本征向量（V1、V2、V3）和本征值（λ1，λ2，λ3）分别表示了是三个主要的扩散方向，以及它们各自可能的大小。DTI可以在活体无创状态下重建脑白质纤维素，在脑白质病、脱髓鞘，肿瘤等模型研究中有重要作用（图6）。

图5.大鼠脑缺血（MCAO）1小时T2加权、DWI图和ADC图。脑缺血早期T2图上未见明显异常，但DWI和ADC可明显观察到异常信号。

图6.大鼠DTI扫描FA图和确定性纤维追踪。

脑功能成像（Functional MRI,fMRI）

除了结构性影像，其他的影像学都可以被称为功能影像学。脑功能成像是一种基于血氧浓度依赖性（BOLD）的脑功能成像技术，其基本原理是通过脑内血氧饱和度的改变来反映脑功能状态。按其实施方式可分为两类：静息态（Resting-state fMRI,rs-fMRI）和任务态（Task fMRI,tfMRI）。

因为动物难以完成某些具体的工作，所以在小动物中，最常用的方法就是静息态的研究。所谓的静息态，就是在没有任何介入的情况下，将动物放入核磁共振仪中，对其进行扫描。目前，已有的研究主要集中在静息态，即低频段（ALFF）和局部一致性（ReHo）等。另外，基于动物静息态数据我们还可以通过计算不同脑区BOLD信号的相关系数研究大脑功能连接（Functional connection,FC)，更深层的基于功能连接的网络图还可进行图论相关指标的分析，如小世界“（small world）属性、“富人俱乐部”（rich club）等（图7）。目前，在阿尔兹海默症和帕金森病等与学习记忆和认知功能障碍有关的动物模型中，应用最多的小动物功能影像学。

图7.小动物脑功能分析。a.糖尿病大鼠脑ALFF图[1]。b.动物脑功能连接分析流程[2]。

磁共振波谱（Magnetic Resonance Spectroscopy,MRS）

核磁共振（MRI）是目前仅有的一种可活体组织中代谢物进行无创检测的方法。一般情况下，由于氢原子处于不同的化学环境，其进动频率也会有所差别，从而使MRS谱线产生的化学位移也会有所差别，从而可以用来判定化合物的类型和含量。目前，小动物MR波谱主要被用来探测脑内代谢产物的变化，比如N-乙酰门冬氨酸酯（NAA)，胆碱（Cho)，肌酸（Cr)，乳酸（Lac）等，因而在脑胶质瘤， AD, PD，脑缺血等脑内代谢产物的变化方面具有非常重要的作用（图8）。

图8.小鼠海马区MRS检测。

灌注加权成像（Perfusion weighted imaging,PWI）

灌注加权成像能够反映血液在组织中流动时的流动状态，并能够对血液流动过程中的某些血流动力学参数进行无创评估。PWI技术按有无外源性造影剂，可分为造影剂首显像和血管成像两种。首次通过法 MR PWI可按造影剂用量、T1/T2弛豫时间等因素，可分为两类，一类是动态磁敏增强（DSC-MRI)，另一类是动态磁敏增强（DCE-MRI）。

DSC-MRI能反映脑梗死后T_1值的改变，并能反映脑梗死后缺血面积及严重程度。常见的评估指标有：达峰时间（topic top tumor temperature, TTP）、平均通过时间（method temporal time, MTT）、相对脑血流（rCBF, rCBV）等；DCE-MRI与T2*值的变化有关，DCE-MRI主要用来评估血管的通透性，其相关的评估参数有体积传递常数（Ktrans）、回流速率常数（Vp）等（图9）。ASL使用动脉血中水质子作为内源性示踪剂，不需要注射对比剂，安全无创，但该方法评价参数较少，只能得到CBF值（每100g组织每分钟通过的血流量ml）。