高場強(qiáng)MR儀結(jié)合小動(dòng)物線圈在小鼠神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用

莊麗華，龔志剛，楊爍慧，陸方，孔營楠，詹松華，劉孟瀟

缺血性腦疾病(腦卒中)及腦腫瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)危害人類健康的重要疾病，其相關(guān)致病機(jī)制、藥物研發(fā)及治療的研究越來越受到重視[1-3]。復(fù)制動(dòng)物模型進(jìn)行此類神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究也逐漸成為一種主要研究方法。而轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和基因治療、生物治療的興起，使得這些疾病模型多在小鼠或者裸鼠上進(jìn)行，加之轉(zhuǎn)基因動(dòng)物價(jià)格昂貴，裸鼠腫瘤造模難度大，則迫切需要一種能重復(fù)監(jiān)測，重復(fù)觀察的手段，這就大大推動(dòng)了小動(dòng)物腦部成像的必要性。

表1 磁共振掃描各序列參數(shù)

磁共振對(duì)軟組織分辨力高，無輻射損傷，可重復(fù)檢查，其多參數(shù)、多序列、多切面成像使其成為活體研究的重要方法。小孔徑可以獲得更高的磁場強(qiáng)度和梯度場，可以提高信噪比和空間分辨率[4-5]。

國外多采用高場強(qiáng)或者超高場強(qiáng)的小動(dòng)物專用磁共振掃描系統(tǒng)進(jìn)行大小鼠的磁共振研究，場強(qiáng)為4.7T、7T、9T甚至更高[6-9]，但目前小動(dòng)物專用MR儀價(jià)格昂貴，國內(nèi)一般科研機(jī)構(gòu)難以配置，大部分醫(yī)院及中小型科研機(jī)構(gòu)，仍要以臨床型MR儀來進(jìn)行動(dòng)物MR研究為主。國內(nèi)報(bào)道的多采用1.5T或者3.0T MR儀進(jìn)行大鼠的MR相關(guān)研究，主要采用表面柔性線圈、膝關(guān)節(jié)線圈或者手指線圈進(jìn)行研究，存在諸多明顯缺陷，信噪比較低，獲得的圖像體素大，組織細(xì)節(jié)不易分辨，圖像質(zhì)量不佳，對(duì)小鼠進(jìn)行成像研究則更少。那么在經(jīng)費(fèi)有限的情況下，如何利用臨床型MR儀進(jìn)行小鼠腦組織成像便成了必須面臨的重要問題。

本研究探索在Siemens 3.0T MR儀上聯(lián)合8通道專用小孔徑線圈對(duì)小鼠腦組織進(jìn)行成像，取得了滿意的圖像質(zhì)量，并將其與小柔線圈圖像質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比，并在此基礎(chǔ)上制作永久性腦缺血及腦膠質(zhì)瘤模型并進(jìn)行了圖像質(zhì)量觀察，能清晰的顯示病灶。

材料與方法

1.材料

C57BL/6n雄性小鼠15只，體重20～25 g，購自浙江維通利華生物科技有限公司，許可證號(hào)：SCXK(浙)2018-0001。4%水合氯醛溶液(上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，1 mL 注射器。8通道橫向放置小孔徑線圈(上海辰光醫(yī)療科技股份有限公司，編號(hào)5000049101/序列號(hào)001006)，配套專用固定筒，Siemens小柔表面線圈。

2.檢查方法

采用Siemens skyra 3.0T MR儀。取C57小鼠，掃描前以4%水合氯醛腹腔注射麻醉小鼠(400 mg/kg)。將麻醉好的小鼠俯臥位放置于8通道橫向放置小孔徑線圈中央，調(diào)整TR、TE、翻轉(zhuǎn)角、層厚、層距、帶寬、激勵(lì)次數(shù)等參數(shù)，觀察圖像質(zhì)量，然后取出小鼠固定于小柔線圈中央，再次掃描，當(dāng)采用兩種線圈掃描圖像質(zhì)量均佳時(shí)，確定最終掃描參數(shù)(表1)。固定參數(shù)后，先使用8通道橫向放置小孔徑線圈，依次行TSE T1WI、T2WI序列掃描(包括冠狀面及橫軸面)。然后更換為小柔表面線圈，依次掃描所有小鼠。

表3 兩種線圈掃描圖像SNR及CNR值

3.主觀評(píng)分

由兩名一線放射科醫(yī)師采用單盲法對(duì)所有小鼠腦部T1WI、T2WI橫軸面及冠狀面圖像銳利度、噪聲、偽影進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)分參考Kalra五級(jí)評(píng)分法[10-11]，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為：5分，圖像質(zhì)量非常好，噪聲控制好，無偽影；4分，圖像質(zhì)量較好，噪聲和偽影少；3分，圖像質(zhì)量一般，有一些噪聲和/或偽影，但不影響診斷；2分，圖像質(zhì)量較差，有嚴(yán)重噪聲或偽影，影響診斷；1分，圖像質(zhì)量差，噪聲或偽影嚴(yán)重，無法進(jìn)行診斷。圖像評(píng)分結(jié)束后統(tǒng)計(jì)出各組小鼠兩名醫(yī)師的評(píng)分，每只小鼠的評(píng)分為2位醫(yī)生評(píng)分的均值。

4.SNR及CNR值

在后處理工作站上用View Forum軟件對(duì)圖像進(jìn)行測量，在小鼠腦組織T1WI、T2WI及SWI圖像上大腦皮層、側(cè)腦室旁及周圍背景放置興趣區(qū)(面積約0.2 mm2，10～14個(gè)像素點(diǎn))，測量信號(hào)值(興趣區(qū)中像素點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度平均值)及噪聲強(qiáng)度(興趣區(qū)中像素點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差)，計(jì)算信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)及對(duì)比噪聲比(contrast-to-noise ratio，CNR)，SNR=SI組織/SD噪聲。

5.永久性腦缺血及腦膠質(zhì)瘤模型掃描

上述15只小鼠蘇醒后禁食不禁水12 h，于第二天采用改良線栓法制作右側(cè)大腦中動(dòng)脈閉塞永久性腦缺血模型，造模后24 h進(jìn)行MR掃描，掃描參數(shù)同前，在T1WI、T2WI冠狀面及橫軸面圖像上觀察病灶顯示情況。

另取上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬曙光醫(yī)院神經(jīng)外科制作的裸鼠腦膠質(zhì)瘤模型，先進(jìn)行常規(guī)T1WI、T2WI冠狀面掃描，經(jīng)小鼠尾靜脈注射釓噴酸葡胺(1.1 mL生理鹽水加入0.5 mL對(duì)比劑，每10 g小鼠尾靜脈注射0.1 mL/g)后再進(jìn)行T1WI 冠狀面、橫軸面及矢狀面掃描，觀察腫瘤病灶增強(qiáng)顯示情況。

6.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

結(jié) 果

1.兩種線圈掃描圖像主觀評(píng)分

所有圖像掃描結(jié)束后，對(duì)兩名醫(yī)師的圖像評(píng)分揭盲。8通道橫向放置線圈T1WI、T2WI冠狀面及橫軸面圖像主觀評(píng)分均高于小柔線圈(P均<0.001)，見圖1及表2。

表2 兩種線圈掃描圖像主觀評(píng)分

2.兩種線圈掃描圖像SNR及CNR值

掃描結(jié)束后統(tǒng)計(jì)出所有圖像冠狀面及橫軸面的大腦皮層及中心區(qū)域(側(cè)腦室旁)信號(hào)均值及標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算出SNR及CNR值。8通道橫向線圈T1WI及T2WI冠狀面圖像(皮層及中心)SNR高于小柔線圈，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.01)；8通道橫向線圈T1WI及T2WI冠狀面圖像(皮層及中心)CNR高于小柔線圈，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。

8通道橫向線圈T1WI及T2WI橫軸面圖像(皮層及中心)SNR和CNR高于小柔線圈，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.01)。

圖1 正常小鼠。a～d為8通道通道橫向放置小孔徑線圈，e～f為小柔線圈。a)T1WI橫軸面；b)T2WI橫軸面；c)T1WI冠狀面；d)T2WI冠狀面；e)T1WI橫軸面；f)T2WI橫軸面；g)T1WI冠狀面；h)T2WI冠狀面。

3.正常小鼠兩種線圈MR圖像

使用兩種線圈均可顯示小鼠腦組織輪廓。8通道橫向放置小孔徑線圈T1WI及T2WI冠狀面和橫軸面圖像均可清晰顯示側(cè)腦室、三腦室及周圍腦組織，邊緣清晰可見(圖1a～d)；小柔線圈也可顯示腦部輪廓及腦組織結(jié)構(gòu)，但T1WI冠狀面和橫軸面無法分辨腦室低信號(hào)區(qū)，T2WI可顯示腦室高信號(hào)區(qū)，邊緣模糊(圖1e～h)。

4.永久性腦缺血模型小鼠MR圖像

永久性腦缺血模型小鼠造模24 h后MR掃描。使用8通道橫向放置小動(dòng)物線圈掃描小鼠腦卒中模型時(shí)，T1WI圖像橫軸面及冠狀面腦組織無明顯信號(hào)改變，T2WI可見病灶側(cè)腦組織高信號(hào)區(qū)，清晰顯示病灶邊緣(圖2a～d)。使用小柔線圈掃描圖像病灶邊緣模糊，高低信號(hào)區(qū)域邊緣欠清(圖2e～h)。

5.膠質(zhì)瘤模型小鼠MR圖

膠質(zhì)瘤模型小鼠在成模后進(jìn)行MR掃描，平掃T1WI未見明顯異常信號(hào)，T2WI可見腫瘤部位成略高信號(hào)，增強(qiáng)后T1WI冠狀面、橫軸面、矢狀面可見腫瘤明顯增強(qiáng)，圖像可準(zhǔn)確測量膠質(zhì)瘤的大小和范圍(圖3a～e)。

討 論

隨著轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的逐漸普及及基因治療等成為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究熱點(diǎn)，活體顯示腦組織內(nèi)部情況對(duì)于檢測腦卒中及腦腫瘤變化或者治療尤為重要。MR對(duì)軟組織分辨力好，具有強(qiáng)大的后處理功能，無創(chuàng)且可重復(fù)，是活體動(dòng)物檢測的最佳途徑，在動(dòng)物研究中的應(yīng)用越來越廣泛[12-15]。過去大部分科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行小動(dòng)物MR研究常用的小柔表面線圈雖能貼近被檢動(dòng)物，但表面線圈所產(chǎn)生的磁場不均勻，穿透深度有限，這限制了它的使用。為了提高小鼠頭部圖像的清晰度，研究者發(fā)明了8通道小動(dòng)物專用線圈。這種線圈具有孔徑小的優(yōu)勢，能夠很好的包裹小鼠的頭部，周圍空隙減少，因而使圖像信噪比增加，改善了圖像質(zhì)量，解剖細(xì)節(jié)顯示更佳。

使用Siemens 3.0T MR儀結(jié)合8通道橫向放置小孔徑線圈進(jìn)行小鼠腦組織成像，通過參數(shù)調(diào)節(jié)，很好的顯示出小鼠腦組織結(jié)構(gòu)，包括皮層、側(cè)腦室及海馬、紋狀體等。使用8通道橫向放置小孔徑線圈時(shí)，小鼠腦部T1WI、T2WI冠狀面及橫軸面成圖像的主觀評(píng)分均高于小柔表面線圈，8通道橫向線圈T1WI、T2WI冠狀面及橫軸面圖像SNR明顯高于小柔線圈，8通道橫向線圈T1WI、T2WI橫軸面圖像CNR高于常規(guī)小柔線圈。小鼠普遍體重小，僅為大鼠的幾十分之一，成像也較大鼠困難。本研究所用小鼠體重為20～25 g，體素小，層厚不宜過大，本研究中層厚1 mm，層間距0.1 mm，較小的層厚和層間距能獲得更多的解剖細(xì)節(jié)；雖然過高的激勵(lì)次數(shù)還可提高SNR，但掃描時(shí)間也相應(yīng)延長，時(shí)間過長小鼠易蘇醒移動(dòng)，也不可取，本研究中激勵(lì)次數(shù)在4次及以下，T1WI、T2WI掃描時(shí)間均在5 min以內(nèi)，總掃描時(shí)間在麻醉時(shí)效內(nèi)，滿足掃描時(shí)間要求。

圖2 小鼠永久性腦缺血模型。a～d為8通道通道橫向放置小孔徑線圈，e～f為小柔線圈。a)T1WI橫軸面；b)T2WI橫軸面；c)T1WI冠狀面；d)T2WI冠狀面；e)T1WI橫軸面；f)T2WI橫軸面；g)T1WI冠狀面；h)T2WI冠狀面。

圖3小鼠腦膠質(zhì)瘤模型，8通道橫向放置小動(dòng)物線圈。a)T1WI橫軸面；b)T2WI橫軸面；c)增強(qiáng)T1WI橫軸面；d)增強(qiáng)T1WI冠狀面；e)增強(qiáng)T1WI矢狀面。

同時(shí)，筆者在C57BL/6永久性腦缺血模型和裸鼠腦膠質(zhì)瘤模型上進(jìn)行觀察和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)采用Siemens 3.0T臨床型MR設(shè)備結(jié)合國產(chǎn)通道橫向放置小孔徑線圈作為發(fā)射和接收線圈進(jìn)行成像，發(fā)現(xiàn)其在小鼠腦卒中模型中能清晰顯示腦缺血范圍及水腫情況，同時(shí)在小鼠腦膠質(zhì)瘤模型上可檢查出膠質(zhì)瘤的存在，對(duì)比劑注射后各個(gè)層面增強(qiáng)圖像顯示清晰，說明這些圖像能滿足藥物治療腦卒中或腦腫瘤效果評(píng)價(jià)的相關(guān)研究。盡管這些圖像與國外超高場強(qiáng)專用小孔徑MR儀成像有一定差距，但在經(jīng)費(fèi)有限不具備小動(dòng)物迷你磁共振掃描條件時(shí)，可通過臨床磁共振儀器結(jié)合國產(chǎn)小孔徑線圈進(jìn)行小鼠腦組織的掃描，同時(shí)還可嘗試進(jìn)行SWI及灌注等相關(guān)研究，這一圖像能滿足包括腦血管疾病及腦腫瘤在內(nèi)的絕大部分神經(jīng)系統(tǒng)疾病的臨床研究，值得加以應(yīng)用。當(dāng)然，筆者首先在3.0T磁共振上利用這一線圈進(jìn)行了小鼠腦組織的研究，在未來的研究中，將利用此線圈探索更多其他序列、其他部位的成像，期待能為其他系統(tǒng)的研究提供更多幫助。