7.0T小動物磁共振成像系統(tǒng)幾個常用線圈T1 mapping均勻性研究

戚 鳴，張建平，章英劍

1.復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院腫瘤學(xué)系，上海 200032；

2.復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)影像研究中心，上海 200032；

3.上海分子影像探針工程技術(shù)中心，上海 200032；

4.上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，上海 201315；

5.核物理與離子束應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433

小動物磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）可以更快地將臨床前研究結(jié)果轉(zhuǎn)化到臨床研究中，在生物醫(yī)學(xué)和藥物研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并已從小眾領(lǐng)域研究發(fā)展為基礎(chǔ)研究的強(qiáng)大科學(xué)工具［1］。利用小動物MRI準(zhǔn)確測量特定濃度造影劑及活體組織內(nèi)縱向弛豫時間或弛豫率，對造影劑研究［2］、臨床前研究起著至關(guān)重要的作用［3］。

與臨床MRI相比，小動物MRI盡管在諸多方面性能有優(yōu)勢，但通常缺乏針對所有臨床顯像模式實(shí)施的質(zhì)量控制規(guī)范［4-7］。Gd基配合物由于T1加速效應(yīng)顯著，是目前臨床上使用最廣泛的T1型造影劑，與之相關(guān)的臨床前研究也廣泛開展。一旦T1mapping出現(xiàn)明顯不均勻，將嚴(yán)重干擾研究結(jié)果的分析，擾亂Meta分析。因此，評估小動物MRI常用線圈T1mapping均勻性格外重要。

1 材料和方法

1.1 試劑和材料

試劑使用469.01 mg/mL釓噴酸葡胺注射液（馬根維顯）。將去離子水、按0.2 mmol/L和0.4 mmol/L去離子水稀釋的馬根維顯溶液分別裝滿直徑17 mm容積15 mL和直徑30 mm容積50 mL兩種規(guī)格錐形底部離心管，離心管內(nèi)無氣泡。樣品在MRI掃描室靜置12 h以上，確?；旌暇鶆?，并且溫度與室溫（20 ℃）平衡。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

采用德國Bruker公司Biospec 70/20 USR小動物MRI設(shè)備。涉及的線圈如下。小鼠腦部2×2相控陣表面接收線圈（以下簡稱小鼠腦表面線圈）：RF SUC 300 1H M.BR QSN RO AD；大鼠腦部2×2相控陣表面接收線圈（以下簡稱大鼠腦表面線圈）：RF SUC 300 1H R.BR QSN RO AD；小鼠頭部容積線圈：RF RES 300 1H 023 M.BR QSN TR 2.4M；小鼠體部容積線圈：RF RES 300 1H 075/040 QSN TR；射頻發(fā)射線圈：RF RES 300 1H 112/086 QSN TO AD。表面接收線圈需與射頻發(fā)射線圈配合使用，以下略去射頻發(fā)射線圈。所有線圈均符合Bruker專用水模信噪比質(zhì)量控制檢測指標(biāo)。

1.3 顯像實(shí)驗(yàn)

對口徑較小的小鼠腦表面接收線圈、頭部容積線圈采用15 mL規(guī)格離心管試劑顯像，對口徑較大的大鼠腦表面接收線圈、小鼠體部容積線圈采用50 mL規(guī)格離心管試劑顯像。將離心管水平固定在MRI動物床，移動至磁體中心位置，靜置3～5 min，避免因液體流動造成運(yùn)動偽影，然后開始采集。

控制軟件采用ParaVision 6.0.1，T1圖像采用T1_RARE序列獲得。掃描參數(shù)：回波時間（echo time，TE）=6 ms，重復(fù)時間（repetition time，TR）=1 500 ms，層厚為1 mm，層數(shù)為1層，矩陣為256×256，平均次數(shù)2次，掃描時間為144 s。對于15 mL規(guī)格樣品，掃描視野（field of view，F(xiàn)OV）為20 mm×20 mm，對于50 mL規(guī)格樣品，F(xiàn)OV為35 mm×35 mm。T1弛豫時間的測量使用T1map_RARE飽和恢復(fù)序列，TE=7 ms，矩陣128×128，飽和恢復(fù)的TR為100、300、400、600、800、1 000、1 500、2 000、3 000及5 000 ms。平均次數(shù)1次，總的掃描時間為940 s。層厚、層數(shù)及FOV同T1序列一致。

2 結(jié) 果

2.1 T1 mapping圖

分別將去離子水、0.2 mmol/L及0.4 mmol/L馬根維顯溶液放置在大/小鼠腦表面線圈、小鼠頭/體部容積線圈中，用同樣序列及參數(shù)采集T1mapping。將采集得到圖像通過設(shè)備附帶的軟件ParaVision 6.0.1標(biāo)準(zhǔn)反轉(zhuǎn)恢復(fù)曲線逐像素?cái)M合得到T1mapping圖，擬合方程為Y=A+C×（1-e-t/T1）。其中A為修正值，C為信號強(qiáng)度，T1是需要計(jì)算的自旋—晶格弛豫時間。

T1mapping偽彩圖匯總?cè)鐖D1所示，橫向?yàn)橥粯悠吩诓煌€圈中采集的T1mapping，縱向?yàn)橥痪€圈采集不同樣品的T1mapping，圖像尺寸經(jīng)過適當(dāng)縮放。

圖1 3種樣品分別用4個線圈采集的T1 mapping偽彩圖

2.2 不同感興趣區(qū)（regions of interest，ROI）統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)重建后的T1mapping圖，在設(shè)備附帶的Image Display and Processing軟件中勾畫ROI，統(tǒng)計(jì)不同ROI內(nèi)T1平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，比較同一線圈采集的T1mapping空間均勻性，以及不同線圈的總體空間均勻性差異。

ROI的勾畫方法如下，ROI 1，在T1圖上以樣品中心為圓點(diǎn)，樣品直徑約9/10為ROI直徑畫圓；ROI 2～6均以ROI 1直徑約1/3為直徑，ROI 2、3、4、5分別為與ROI 1頂部、底部、左端、右端內(nèi)切的圓；ROI 6，為與ROI 1同心圓。將T1圖上繪制的ROI同步至T1mapping圖，完成ROI的勾畫。圖2為大鼠腦表面線圈，50 mL去離子水樣品T1顯像，及ROI勾畫。計(jì)算T1圖上各ROI內(nèi)信號強(qiáng)度，T1mapping圖各ROI內(nèi)T1平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，匯總結(jié)果如表1及圖3所示。

圖2 大鼠腦表面線圈，50 mL去離子水樣品T1顯像及ROI勾畫

表1 各ROI內(nèi)T1平均值及標(biāo)準(zhǔn)差 時間/ms

圖3 不同溶液分別用四種線圈采集的T1值各ROI統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 討 論

弛豫時間的測量，對鑒別正常組織與腫瘤組織、診斷腦損傷、腦卒中［8］等起著至關(guān)重要的作用。通過mapping技術(shù)定量測量的組織縱向弛豫時間（T1）與橫向弛豫時間（T2）與組織變化相關(guān)，能提供關(guān)于腫瘤大小、浸潤情況、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移等信息，從而提高對腫瘤的檢測及評估預(yù)后的水平。

臨床前7.0T小動物MRI相較于3.0T MRI信噪比有較大提高，尤其是顯著提升血氧水平依賴（blood oxygen level dependent，BOLD）信號［9］。然而隨著磁場強(qiáng)度的提升，化學(xué)位移偽影及運(yùn)動偽影也越明顯［10］，勻場難度亦隨之增大。通常小動物MRI質(zhì)控主要針對信噪比，而考慮到弛豫時間測量的重要程度，有必要評價常用線圈T1mapping均勻性，以及是否應(yīng)當(dāng)納入日常質(zhì)控指標(biāo)。縱向弛豫時間通常有兩種測量方法：反轉(zhuǎn)恢復(fù)法與飽和恢復(fù)法。由于飽和恢復(fù)法沒有將磁化矢量反轉(zhuǎn)，信號只含大于零的部分，達(dá)到相同的擬合精度相較于反轉(zhuǎn)恢復(fù)法所需要測量的點(diǎn)數(shù)也少，可以大幅縮短掃描時間［11］，因此本研究采用飽和恢復(fù)法。以往的研究表明，典型的臨床前MRI測量鎳瓊脂糖模型縱向弛豫率，大約會有2%的誤差，通常不會對基于縱向遲豫時間的生物學(xué)研究帶來顯著影響［12］。

本研究為保持掃描參數(shù)的一致性，同時考慮到掃描效率，飽和恢復(fù)的TR可能不足去離子水質(zhì)子縱向弛豫時間的2倍，對于去離子水樣品的測量擬合曲線相對誤差較大，表現(xiàn)為T1mapping各ROI標(biāo)準(zhǔn)差整體偏大。兩種濃度的馬根維顯溶液T1值與活體動物組織T1值相當(dāng)，能夠反映活體動物實(shí)驗(yàn)T1mapping水平。

通過對比不同ROI的信號強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，對于表面線圈，貼近線圈信號強(qiáng)度較高，遠(yuǎn)離線圈部分信號較弱，最大可相差3倍以上；對于容積線圈，信號強(qiáng)度均勻性良好，各ROI相差不大，通常不超過3%。

而從T1mapping分析中發(fā)現(xiàn)，對口徑較小的小鼠腦表面線圈和小鼠頭部容積線圈，表現(xiàn)出良好的T1mapping均勻性。在0.2、0.4 mmol/L馬根維顯溶液T1mapping中，各ROI內(nèi)T1均值相差不超過3%。而口徑較大的線圈，T1mapping均勻性相對弱些。大鼠腦表面線圈，遠(yuǎn)離線圈表面的ROI 3與其他ROI內(nèi)T1均值差異相對較大，這可能是表面線圈遠(yuǎn)處信號衰減所致。

小鼠頭部容積線圈采集去離子水T1mapping，ROI 2～3 T1均值相差0.32%， ROI 4～5 T1均值相差0.57%，表現(xiàn)出較好的水平、垂直方向?qū)ΨQ性，但ROI 2～4、ROI 2～5、ROI 3～4與ROI 3～5的T1均值相差15%左右，這一差異遠(yuǎn)大于信號強(qiáng)度的差異。

小鼠體部容積線圈，同樣表現(xiàn)出ROI 3與其他ROI內(nèi)T1均值差異相對較大，此外還表現(xiàn)出對不同濃度的馬根維顯溶液T1mapping均勻性也存在一定差異。對0.4 mmol/L馬根維顯溶液表現(xiàn)出較好的均勻性，各ROI的T1均值相差不超過6%，然而隨著溶液中馬根維顯濃度降低，T1值增大，T1mapping均勻性顯著變差，對去離子水甚至出現(xiàn)ROI間T1均值最大相差50%。因此，當(dāng)采用小鼠體部容積線圈測量T1mapping時，應(yīng)盡可能延長TR，達(dá)到被測組織或樣品T1值的5倍左右，以獲得相對準(zhǔn)確的T1mapping。

本研究的局限性：① 為了避免可能的層間干擾，選擇單層激發(fā)，未能進(jìn)行Z方向T1mapping均勻性分析。② 權(quán)衡精度和效率后，僅采用一個脈沖序列（RARE飽和恢復(fù)序列）采集。并且由于B1場非理想情況，最后一個回波中點(diǎn)縱向磁化可能不是理論零值。③ 溫度對T1mapping存在一定程度影響，考慮到操作復(fù)雜性與其他不可控因素，樣品選擇平衡至室溫而非模擬活體動物體溫，但仍不能排除射頻脈沖造成局部溫度改變。

綜上所述，在7.0T小動物MRI中，不同線圈對T1值的測量存在空間不均勻差異，并且特定情況下容積線圈中T1值差異比信號強(qiáng)度差異更靈敏。總的來說，口徑較小的線圈均勻性優(yōu)于口徑較大的線圈；X方向（左右）均勻性相對較好，優(yōu)于Y方向（上下）均勻性，建議將T1mapping均勻性作為質(zhì)控參考指標(biāo)之一。在滿足實(shí)驗(yàn)需求的情況下，盡可能采用口徑較小的線圈。并且當(dāng)實(shí)驗(yàn)動物采用仰臥或俯臥位時，選取對側(cè)組織T1值作為對比具有更高的可信度。