小(xiǎo)動物(wù)核磁共振成像原理(lǐ)及應用(yòng)
小(xiǎo)動物(wù)核磁成像是一種無輻射、無創的新(xīn)型分(fēn)子成像方法，已被廣泛用(yòng)于基礎醫(yī)學(xué)、藥物(wù)研發、認知及材料科(kē)學(xué)等多(duō)個領域。因為(wèi)它可(kě)以加速從基礎到臨床的轉化，所以它被稱為(wèi)“轉化醫(yī)學(xué)的神器”。近年來，國(guó)内外一些著名(míng)的大學(xué)和研究機構都開始配備高場核磁共振成像儀器，以提高其科(kē)研能(néng)力和水平。 如此龐大的一台精(jīng)密儀器，又(yòu)是如何工(gōng)作(zuò)的？它和臨床上使用(yòng)的核磁共振儀有(yǒu)何不同？影像資料的格式是什麽？怎麽進行分(fēn)析？能(néng)為(wèi)我們的科(kē)研工(gōng)作(zuò)提供什麽幫助？本項目拟以非圖像研究者的視角，從小(xiǎo)動物(wù) MRI的原理(lǐ)和特性、醫(yī)學(xué)科(kē)學(xué)研究中(zhōng)常見的小(xiǎo)動物(wù) MRI的掃描順序和應用(yòng)實例、小(xiǎo)動物(wù) MRI的數據格式和分(fēn)析方法等三個層面來揭示小(xiǎo)動物(wù) MR的奧秘。在這一部分(fēn)中(zhōng)，我們将對小(xiǎo)動物(wù) MRI的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)和特性做一簡單的介紹。 小(xiǎo)動物(wù)磁共振成像的基本原理(lǐ)與臨床上使用(yòng)的磁共振基本一緻，均是在外磁場（0）内以氫為(wèi)代表的磁核（以氫為(wèi)代表），對其進行核磁共振（MRI)，并通過電(diàn)感線(xiàn)圈獲取生物(wù)組織的馳豫時間、質(zhì)子濃度等參數，并結合傅立葉變換，得到磁共振成像（圖1）。唯一的區(qū)别是，因為(wèi)動物(wù)的體(tǐ)積很(hěn)小(xiǎo)，所以想要得到更好的成像效果，就必須使用(yòng)更高的核磁共振儀。目前，臨床上常用(yòng)的 MRI設備的場強一般為(wèi)3.0T和1.5 T (T是特斯拉，是衡量 MRI所用(yòng)磁鐵強度的單位，數值越大，其強度也就越大），而小(xiǎo)動物(wù)的 MRI則多(duō)為(wèi)7.0 T,9.4 T,11.7 T，小(xiǎo)鼠則采用(yòng)15.2 T的超高場核磁共振儀。 磁共振設備的場強越高，掃描速度越快、圖像分(fēn)辨率越高，對于細節的顯示越清晰。目前小(xiǎo)動物(wù)磁共振成像設備的市場還是主要被Bruker、Agilent等國(guó)外大廠壟斷；慶幸的事，在國(guó)家的大力扶持下，2020年聯影醫(yī)療與中(zhōng)國(guó)科(kē)學(xué)院精(jīng)密測量科(kē)學(xué)與技(jì )術創新(xīn)研究院合作(zuò)研制出我國(guó)首台9.4T超高場動物(wù)磁共振設備，補齊了我國(guó)在生命科(kē)學(xué)儀器領域的短闆（圖2）。 圖1.磁共振成像基本原理(lǐ)。a.自旋核在外磁場B0作(zuò)用(yòng)下沿主磁場B0作(zuò)用(yòng)下沿主磁場B0方向做拉莫進動，頻率為(wèi)w0。b.垂直于主磁場方向的射頻脈沖（RF pluse）能(néng)夠使宏觀縱向磁化矢量（Mz）減小(xiǎo)，産(chǎn)生宏觀橫向核此磁化矢量（Mxy），然後再逐漸恢複到初始狀态，這一過程成為(wèi)弛豫。c.T1弛豫時間為(wèi)組織的宏觀縱向磁化矢量恢複到最大值的63%所需的時間。d.T2弛豫時間為(wèi)宏觀橫向磁化矢量下降到最大值的37%所需時間。 圖2.主流的小(xiǎo)動物(wù)磁共振成像設備 與小(xiǎo)動物(wù)超聲，小(xiǎo)動物(wù) CT，小(xiǎo)動物(wù)光學(xué)成像等相比，小(xiǎo)動物(wù) MRI具(jù)有(yǒu)什麽優點與局限？無電(diàn)離性：小(xiǎo)型動物(wù)的核磁共振成像裝(zhuāng)置，不會對身體(tǐ)造成傷害，是設備維修經理(lǐ)必須具(jù)備的條件。 小(xiǎo)動物(wù)磁共振圖像軟組織對比度好：主要應用(yòng)于檢測實體(tǐ)髒器，如腦、心髒、肝髒、腎髒、肌肉等，如果與關節線(xiàn)圈結合，還可(kě)以對關節病變進行分(fēn)析。 多(duō)參量成像：針對小(xiǎo)動物(wù)的不同成像機理(lǐ)，采用(yòng)不同的掃描順序，利用(yòng)不同的組織特性差異，實現對不同動物(wù)模型的成像評估。例如，針對高脂血症小(xiǎo)鼠的腹部和腎髒周圍的脂肪沉積，采用(yòng)T1加權成像；對于小(xiǎo)鼠的腫瘤，可(kě)以采用(yòng)T2加權成像。 圖3.小(xiǎo)動物(wù)磁共振多(duō)參數成像。a.高脂小(xiǎo)鼠模型腹後壁及腎周脂肪T1加權成像。b.膠質(zhì)瘤模型小(xiǎo)鼠治療前後T2加權成像。 實現任意方位斷層掃描：小(xiǎo)動物(wù)磁共振成像是斷層成像的一種，可(kě)以在不改變動物(wù)體(tǐ)位的情況下實現任意方位層面成像，能(néng)夠更加清晰的顯示我們所需要觀察的組織結構（圖4）。 圖4.轉基因大鼠腦軸位（a）、失狀位（b)、冠狀位（c）T2加權成像。 時間和空間分(fēn)辨能(néng)力都比較高：15.2 T的超高場小(xiǎo)動物(wù) MR成像裝(zhuāng)置的空間分(fēn)辨能(néng)力達到19.5微米；基于平面回波成像（EPI）的小(xiǎo)型動物(wù)磁共振成像（EPI)，可(kě)實現微秒(miǎo)級的實時獲取。 不需要對比劑：在大部分(fēn)病例中(zhōng)，平掃不需添加任何增強劑就能(néng)得到滿意的效果，特别是它能(néng)在非侵入狀态下進行，與 X射線(xiàn)和 CT相比有(yǒu)顯著的優點。 小(xiǎo)動物(wù) MRI不僅可(kě)以清晰地顯示結構損傷，而且可(kě)以無損傷地進行功能(néng)影像。利用(yòng)核磁共振能(néng)譜成像（MRS）獲取腦内内源性代謝(xiè)産(chǎn)物(wù)，利用(yòng)彌散張量成像（DTI）可(kě)獲取白質(zhì)纖維束方向及完整度等信息。 運動靈敏：小(xiǎo)動物(wù) MRI具(jù)有(yǒu)對運動異常靈敏的特點，而動物(wù)無法像人類那樣自主閉氣，所以，在探測肝髒、心髒等易受到呼吸及心跳作(zuò)用(yòng)的器官時，必須結合呼吸門與心電(diàn)門控技(jì )術來去除影像中(zhōng)的運動僞像。 小(xiǎo)動物(wù) MRI所獲得的資料，如同臨床上所使用(yòng)的核磁共振影像資料，均以 DICOM格式儲存。為(wèi)了方便地觀察和計算腫瘤體(tǐ)積、缺血面積、室壁厚度等方面的數據，建議采用(yòng) RadiAnt DICOM Viewer （收費）和 Bee DICOM Viewer （自由）軟件。要做更高層次的腦功能(néng)分(fēn)析，如 BOLD、 DTI等，需要 Linux、 matlab等；要深入研究圖像組學(xué)，則需要掌握 Python、 R語言等程序。 在這裏，本公(gōng)司可(kě)以提供數據分(fēn)析服務(wù)，歡迎咨詢！
