超高磁場(chǎng)下大鼠腦血管成像技術(shù)應(yīng)用

雷建鋒 趙媛媛 王戰(zhàn)京 武文琦

(首都醫(yī)科大學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室，北京 100069)

磁共振腦血管成像(magnetic resonance angiography,MRA)在腦血管疾病的檢查方法上相比于其他檢查方法具有無(wú)輻射、無(wú)創(chuàng)傷等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于臨床。腦血管成像主要依靠于流動(dòng)的血在MRI 圖像上可表現(xiàn)為亮信號(hào)和暗信號(hào)，這兩種信號(hào)的表現(xiàn)是由血的流動(dòng)速度和所用的成像序列決定的。核磁共振腦血管成像[1-3]上主要有TOF_MRA 成像方法、PC_MRA 相位成像方法，CE_MRA[4-5]成像方法。

隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，磁共振的磁場(chǎng)強(qiáng)度越來(lái)越高，市場(chǎng)上已經(jīng)有7.0T、9.4T、11.7T 等高磁場(chǎng)磁共振，目前7.0T 及以上超高磁場(chǎng)核磁共振主要是小動(dòng)物核磁共振，小動(dòng)物核磁共振在使用過(guò)程中和用于臨床的核磁共振有很大區(qū)別，小動(dòng)物核磁共振的序列沒(méi)有進(jìn)行序列參數(shù)的優(yōu)化，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)員不斷優(yōu)化序列的參數(shù),獲得理想的磁共振圖像，而用于臨床的核磁共振都做了序列參數(shù)優(yōu)化，后期操作中幾乎不用考慮參數(shù)修改問(wèn)題?；诖朔N情況，開(kāi)展以下實(shí)驗(yàn)研究。

由于超高磁場(chǎng)能夠使核磁共振成像的信噪比更高、磁場(chǎng)梯度更高，梯度切換率更快。所以能夠?qū)ξ⑿〗M織結(jié)構(gòu)及功能的改變提供更加快速精確的顯示，為科學(xué)研究提供一種無(wú)創(chuàng)的、快速的、精確的研究方法。所以小動(dòng)物核磁在科學(xué)研究應(yīng)用方面日趨廣泛，如動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中對(duì)藥物研究、納米材料研究、腦科學(xué)研究等都使用到小動(dòng)物核磁。在腦科學(xué)的研究中動(dòng)物腦功能、腦血管、腦腫瘤方面的研究已經(jīng)成為非常熱的方向。動(dòng)物腦血管研究主要是通過(guò)建立疾病動(dòng)物模型，比如腦缺血疾病模型、腦出血疾病模型、微小腦血管疾病模型等，利用超高磁場(chǎng)的動(dòng)物核磁共振對(duì)疾病動(dòng)物模型做核磁掃描，然后對(duì)核磁圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及與病理數(shù)據(jù)相比較，判斷與所研究課題的目的是否一致。超高場(chǎng)小動(dòng)物核磁共振的線(xiàn)圈一般配備三種線(xiàn)圈：表面線(xiàn)圈、頭線(xiàn)圈（鳥(niǎo)籠線(xiàn)圈）、體線(xiàn)圈。這三個(gè)線(xiàn)圈中能夠做小動(dòng)物頭部磁共振成像的是表面線(xiàn)圈和頭線(xiàn)圈，目前在研究小動(dòng)物頭部核磁結(jié)構(gòu)圖像及腦功能圖像，一般都是使用表面線(xiàn)圈成像的，但是對(duì)于這兩個(gè)線(xiàn)圈哪一個(gè)更適合做小動(dòng)物腦血管成像，是實(shí)驗(yàn)研究的主要目的。使用TOF_MRA[6-9]成像方法對(duì)正常大鼠的腦部血管成像，主要從二個(gè)方面進(jìn)行研究論證：①線(xiàn)圈對(duì)血管信號(hào)的影響，即單通道的表面線(xiàn)圈和頭線(xiàn)圈對(duì)圖像信噪比和對(duì)比度的影響；②序列中其他參數(shù)不變的情況下翻轉(zhuǎn)角對(duì)圖像的信噪比和對(duì)比度的影響。對(duì)采集到大鼠腦血管圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用SNR 和CNR 兩個(gè)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)，為小動(dòng)物腦血管成像在線(xiàn)圈選擇、序列選擇、參數(shù)設(shè)定方面提供很好的應(yīng)用。

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及儀器選擇

動(dòng)物選用正常SD 大鼠5 只，體重在330±20 g 左右，儀器選擇的成像系統(tǒng)為Bruker PharmaScan7.0 T的小動(dòng)物核磁，口徑為16 cm，線(xiàn)圈選用①單通道的發(fā)射線(xiàn)圈[10]及用于接收信號(hào)的表面線(xiàn)圈；②單通道的發(fā)射和接收一體的頭線(xiàn)圈。

1.2 成像方法及參數(shù)設(shè)定

成像方法選用3D-TOF 序列和2D-TOF 序列對(duì)大鼠腦血管成像。成像序列具體參數(shù)如下表1 所示。

表1 大鼠腦血管成像參數(shù)表

1.3 動(dòng)物麻醉方法及生理監(jiān)控

麻醉方法采用氣體麻醉，麻醉劑選取醫(yī)用異氟烷，麻醉儀器選用美國(guó)JD Medical 的麻醉機(jī)，誘導(dǎo)麻醉時(shí)采用異氟烷與氧氣混合4%的劑量，維持麻醉采用異氟烷與氧氣混合1.5%的劑量，麻醉過(guò)程中動(dòng)物的生理監(jiān)控采用的是美國(guó)的Small Animal Monitoring and Gating System，麻醉中動(dòng)物呼吸控制到35±5 次/分鐘左右，血氧控制在98%左右。麻醉過(guò)程動(dòng)物生理監(jiān)控系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 動(dòng)物生理監(jiān)控系統(tǒng)

2 圖像感興區(qū)域選擇及數(shù)據(jù)分析

為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，必須對(duì)感興區(qū)域[11](ROI)的選取達(dá)到一致性，根據(jù)成像序列建立統(tǒng)一感興區(qū)域的選取方法。根據(jù)成像方法的不同分別建立一套標(biāo)準(zhǔn)的感興區(qū)域劃取方法。從感興區(qū)域中可以得到血管的信號(hào)強(qiáng)度、血管周?chē)盘?hào)強(qiáng)度、背景噪聲信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差這些數(shù)據(jù)。

2.1 SNR 及CNR 的測(cè)定方法及分析

根據(jù)SNR 及CNR 算法原理，實(shí)驗(yàn)SNR 及CNR計(jì)算公式[12]如（1）（2）所示。

通過(guò)核磁共振儀器上的軟件測(cè)得感興區(qū)域灰度值，利用公式（1）（2）計(jì)算出血管的SNR 和CNR,根據(jù)成像序列制定3D-TOF 和2D-TOF 大鼠腦血管SNR 和CNR 表，表中內(nèi)容記錄了使用某種線(xiàn)圈成像和不同的翻轉(zhuǎn)角對(duì)大鼠腦血管平均SNR 和CNR。具體表中內(nèi)容如表2 和表3 所示。

從表2 中的數(shù)據(jù)可分析出：①同一翻轉(zhuǎn)角情況下使用頭線(xiàn)圈成像的圖像平均SNR 和CNR 比表面線(xiàn)圈成像的圖像平均SNR 和CNR 高出2～3 倍；②翻轉(zhuǎn)角在10°到20°時(shí)圖像的平均SNR 和CNR最高；③平均CNR 會(huì)出現(xiàn)的負(fù)值的情況，這是由于血管信號(hào)低于周?chē)M織信號(hào)，原因由于表面線(xiàn)圈對(duì)流入血管信號(hào)靈敏度下降或翻轉(zhuǎn)角增大使血管信號(hào)強(qiáng)度低于周?chē)M織信號(hào)強(qiáng)度。

從表3 中的數(shù)據(jù)分析出：①在同一翻轉(zhuǎn)角情況下使用頭線(xiàn)圈成像的圖像平均SNR 和CNR 比表面線(xiàn)圈成像的圖像平均SNR 和CNR 的高大約1.1 到1.5 倍左右；②翻轉(zhuǎn)角在70°到80°時(shí)圖像的平均SNR 和CNR 最高。

2.2 分析大鼠腦血管MIP 圖像

大鼠腦血管MIP 像使用軟件RadiAnt DICOM Viewer 重建，窗位和窗寬設(shè)定為12200 和24400。為了直觀反映圖像質(zhì)量只截取部分大鼠腦血管MIP[13-14]像，大鼠腦血管MIP 像如圖2 所示。

圖2 大鼠腦血管MIP 圖像

圖3 中A 行的圖像：成像線(xiàn)圈為頭線(xiàn)圈，成像方法為3D-TOF 序列，翻轉(zhuǎn)角從左到右依次為10°15°20°30°40°；B 除了線(xiàn)圈為表面線(xiàn)圈，其他與A 行一致；C 行的圖像：成像線(xiàn)圈為頭線(xiàn)圈，成像方法為2D-TOF 序列，翻轉(zhuǎn)角從左到右依次為50°60°70°75°80°；D 除了線(xiàn)圈為表面線(xiàn)圈，其他與C 行一致。從圖3 可以直觀得到以下幾種情況：①A 行和C 行血管信號(hào)明顯好于B 行和D 行血管信號(hào)；②從A 行和B 行紅色箭頭所指血管位置依次從左向右可以看到翻轉(zhuǎn)角在10°到20°時(shí)圖像的腦血管信號(hào)好于其他翻轉(zhuǎn)角的腦血管信號(hào)，③從C 行和D 行藍(lán)色箭頭所指血管位置依次從左到右可以看到翻轉(zhuǎn)角在70°到80°腦血管信號(hào)好于其他翻轉(zhuǎn)角的腦血管信號(hào)，并且C 行血管是完整的只在藍(lán)色箭頭處信號(hào)減弱，而在D 行藍(lán)色箭頭所指血管都是不完整。

從表2、表3 和圖3 中的分析的結(jié)果得到以下結(jié)論：①大鼠腦血管成像時(shí)在線(xiàn)圈選擇上首選頭線(xiàn)圈；②腦血管動(dòng)脈成像選擇3D-TOF 序列[15-17]作為成像方法，翻轉(zhuǎn)角參數(shù)設(shè)定在10°到20°時(shí)，圖像質(zhì)量最好。腦血管靜脈成像選擇2D-TOF序列[18-19]作為成像方法，翻轉(zhuǎn)角參數(shù)設(shè)定在70°到80°時(shí)，圖像質(zhì)量最好。

3 討論

近年來(lái)缺血、出血、血管狹窄、腦血管瘤[20-22]等腦血管疾病的發(fā)生越來(lái)越多，對(duì)于這些疾病基礎(chǔ)研究往往通過(guò)動(dòng)物模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，近10 多年來(lái)超高磁場(chǎng)的小動(dòng)物核磁共振的出現(xiàn)，使得這些研究可以通過(guò)小動(dòng)物核磁共振作為研究手段，小動(dòng)物腦血管成像和臨床腦血管的成像原理一致，即TOF 成像方法、PC 成像方法、CE 成像方法。其中非對(duì)比劑[23]血管成像方法有TOF 和PC 法，兩者都屬于短TR梯度回波序列，CE 是通過(guò)注射對(duì)比劑來(lái)改變血管和周?chē)M織弛豫時(shí)間而達(dá)到血管成像。對(duì)于動(dòng)物腦血管成像是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，①動(dòng)物呼吸的控制，這是至關(guān)重要的一個(gè)方面，直接影響到圖像是否有偽影從而影響到圖像質(zhì)量；②動(dòng)物擺位和翻轉(zhuǎn)角設(shè)定，由于TOF 方法是屬于流入敏感技術(shù)，它利用的效應(yīng)由流動(dòng)相關(guān)增強(qiáng)(FRE)決定。為了使FRE 最大化，在設(shè)定層厚參數(shù)應(yīng)使層厚盡量薄，以提高對(duì)慢流動(dòng)的靈敏度和選層方向分辨率，翻轉(zhuǎn)角設(shè)定根據(jù)動(dòng)物擺放位置使射頻激發(fā)的層面與血管垂直。所以在用TOF 序列為動(dòng)物血管成像時(shí)在參數(shù)設(shè)定上需要做很多改變，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的改變參數(shù)，而不是一成不變。

表2 3D-TOF 大鼠腦血管SNR 和CNR 表

表3 2D-TOF 腦血管圖像SNR 和CNR

使用TOF 序列為大鼠腦血管成像，首先是選擇適當(dāng)?shù)木€(xiàn)圈，因?yàn)榫€(xiàn)圈對(duì)腦血管信號(hào)的影響占了很大比重；然后是動(dòng)物生理控制，只有動(dòng)物生理控制好才使得圖像不會(huì)出現(xiàn)偽影；最后是參數(shù)的設(shè)定，使用TOF 成像方法中翻轉(zhuǎn)角是一個(gè)重要的參數(shù)，因?yàn)樗苯佑绊懥薋RE 的最大化。不足之處為沒(méi)有做動(dòng)物模型的成像與正常動(dòng)物成像的比較以及沒(méi)有能夠?qū)瓮ǖ谰€(xiàn)圈和多通道線(xiàn)圈成像效果進(jìn)行比較。