張 煥 范占明 馬曉海

CMR提供無創(chuàng)、高分辨率的關(guān)于心臟解剖、功能、心肌灌注和活性的信息，近年來已經(jīng)越來越多的地應(yīng)用于臨床。同時(shí)，利用MR對(duì)小型實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，特別是小鼠進(jìn)行心臟成像也進(jìn)行了諸多的探索和應(yīng)用研究，特別是轉(zhuǎn)基因(transgenic)小鼠和基因敲除(knockout)小鼠可以用來進(jìn)行心臟疾病的基因和分子生物學(xué)研究[1]。但目前常規(guī)手段，包括超聲心動(dòng)圖、組織切片、免疫組織化學(xué)、導(dǎo)管介入測(cè)量等都存在較明顯的不足，這就更為小鼠CMR成像帶來了廣闊的應(yīng)用前景。

盡管如此，小鼠由于自身體積較小，其心臟體積大約是正常成人的1/2000,而心率則在每分鐘600次以上，這對(duì)磁共振掃描儀、線圈、成像序列、圖像后處理分析以及動(dòng)物麻醉、監(jiān)測(cè)等各個(gè)方面要求較高，為小鼠CMR帶來了巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也是巨大的研究機(jī)遇。

1 磁共振掃描設(shè)備

通常，小鼠CMR研究多在高場MR掃描設(shè)備開展，應(yīng)用高場MR可以獲得更高的圖像信噪比(signal-to-noiseratio,SNR)和空間分辨率，以及合理的掃描時(shí)間。目前國外研究最常用的是4.7T和7T。利用4.7T CMR對(duì)擴(kuò)張型心肌病的小鼠模型進(jìn)行成像，可以用來描述高低不同水平多巴胺含量對(duì)心功能的影響[2]。研究表明，平面空間分辨率接近于0.1×0.1mm2的7T電影CMR可以有效地用來評(píng)價(jià)小鼠的右心室功能[3]。然而，大于7T的高場小鼠CMR研究同樣不少見。利用9.4TCMR將心臟功能成像與壓縮敏感相結(jié)合，在對(duì)正常小鼠及慢性心肌梗死小鼠模型的研究中，不僅能夠有效地縮短掃描時(shí)間，而且驗(yàn)證了此項(xiàng)技術(shù)在評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)小鼠左心室功能參數(shù)等方面的應(yīng)用[4]。也有報(bào)道11T和17.6T等超高場強(qiáng)MR掃描儀在心臟成像方面的應(yīng)用[5]。雖然高場強(qiáng)有如此多的優(yōu)勢(shì)，但是它也易給圖像帶來更大的磁敏感偽影，影響圖像質(zhì)量，而且快速切換的梯度場系統(tǒng)容易加熱線圈，掃描時(shí)易影響動(dòng)物的體溫。對(duì)于許多的研究者而言，專門的用于小動(dòng)物研究的高場強(qiáng)設(shè)備，價(jià)格昂貴而且不易獲得。

目前，1.5T或3TCMR對(duì)小鼠心臟模型的研究也逐漸開展起來。利用1.5TMRI對(duì)小鼠缺血/再灌注模型的研究，對(duì)小鼠的心肌梗死面積進(jìn)行了有效地評(píng)估[6]，與高場強(qiáng)相比，表現(xiàn)出更強(qiáng)的可行性與實(shí)用性。對(duì)于非灌注損傷心肌梗死的小鼠模型，帶小動(dòng)物線圈和梯度回波序列的臨床3TMR生成的圖像有較好的SNR，并且能準(zhǔn)確、迅速地評(píng)價(jià)心梗后長期的左心室重塑[7]，包括對(duì)射血分?jǐn)?shù)、舒張末期容積、收縮末期容積、左室重量等等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定。利用臨床3TMR掃描儀對(duì)小鼠進(jìn)行首過對(duì)比增強(qiáng)心肌灌注成像[8]，為今后小鼠心臟模型能夠系統(tǒng)地研究各種心血管疾病提供了新的理念和方法。

所以，大多數(shù)小鼠CMR是利用非臨床的高場MR掃描儀完成的。但是，目前這樣的高場MRI設(shè)備由于昂貴的購買和維護(hù)費(fèi)用，并不適用于我國國情。而1.5T或者3T臨床MR掃描儀由于其應(yīng)用廣泛，對(duì)小鼠的研究已經(jīng)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不斷完善，各項(xiàng)研究也愈加成熟。

2 成像線圈

為了得到最大的SNR，應(yīng)該盡可能使用小直徑的射頻(Radiofrequency，RF)線圈。因?yàn)镾NR隨著線圈組織間距離的增大而下降，所以RF線圈應(yīng)該孔徑較小，適合小鼠身長。由于普通商用機(jī)型缺少標(biāo)配小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)專用線圈，因此多數(shù)小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)采用商用的肢端線圈來實(shí)現(xiàn)[9]。雖然專用于小鼠MR掃描的RF線圈已經(jīng)商品化，但售價(jià)昂貴，國外研究中心多采用自行研制的RF線圈作為研究使用。自行研制的線圈主要包括鳥籠線圈和相控陣線圈。鳥籠線圈具有良好的空間磁場均勻性，因此作為發(fā)射線圈能夠使被測(cè)體在檢測(cè)范圍內(nèi)接收均勻的能量，從而保證最終的圖像質(zhì)量，提高圖像的SNR。而相控陣線圈不但能得到單個(gè)線圈的信噪比，而且能對(duì)較大的區(qū)域成像，并且可以采用并行采集技術(shù)來縮短掃描時(shí)間。

此外，低溫RF線圈在小鼠心臟MRI應(yīng)用中表現(xiàn)出極大的潛力，與室溫條件下使用的線圈相比，它能夠提高SNR和獲得較高的圖像分辨率，使圖像的質(zhì)量得到很大提高[10]。梯度線圈在小鼠心臟MRI應(yīng)用中同樣重要，為保證圖像的質(zhì)量不因快速的心臟運(yùn)動(dòng)而發(fā)生顯著的變化，磁共振掃描儀要求有強(qiáng)大和快速切換的梯度，這樣梯度線圈的力量和速度就顯得尤為重要[11]。

3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物準(zhǔn)備和監(jiān)測(cè)

3.1 在MR掃描過程中，小鼠必須保持有效的麻醉狀態(tài)。有多種動(dòng)物麻醉劑可供選擇，包括戊巴比妥(pentobarbital)，氯胺酮/甲苯噻嗪(ketamine/xylazine)，地西泮(diazepam)和異氟醚(isoflurane)等。但目前公認(rèn)的麻醉效果好，對(duì)心肌收縮力等心臟功能受影響最小的還是1.0%～1.25%isoflurane的吸入麻醉[12、13]。此外，麻醉劑對(duì)小鼠血流動(dòng)力學(xué)的影響與被研究小鼠的品種有一定的關(guān)系[14]，其中有一種小鼠為C57B1/6，研究表明，1.0%～1.25%isoflurane的吸入麻醉對(duì)此類小鼠的心功能的影響最小。好的麻醉劑應(yīng)該對(duì)心臟功能并無大的影響，事實(shí)上，吸入3～5%的isoflurane，也是目前比較常用的麻醉劑。雖然isoflurane也會(huì)影響小鼠的心率和心臟的射血分?jǐn)?shù)，但是選擇麻醉的程度對(duì)心率和射血分?jǐn)?shù)影響的程度也是不同的。研究表明，在正常心臟功能的小鼠，深度鎮(zhèn)靜比起全身麻醉對(duì)小鼠心率和射血分?jǐn)?shù)的抑制程度更小[15]。

3.2 在麻醉的情況下，監(jiān)測(cè)與保持小鼠的體溫同樣至關(guān)重要，這是因?yàn)樾∈篌w表面積/體重比值要比人大的多。小鼠的中心溫度一般要維持在37度左右，溫度的維持與管理可以通過集成一個(gè)低流量的基于水的加熱毯或者通過熱空氣吹在動(dòng)物身上[11]。目前，可以使用MR兼容直腸探頭對(duì)小鼠的體溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外，在MR掃描期間，可以利用專門MR兼容系統(tǒng)和門控系統(tǒng)對(duì)小鼠的心電圖和呼吸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測(cè)，而這種監(jiān)測(cè)多用在高場強(qiáng)的設(shè)備中[16]。

4 心臟成像序列

心臟電影成像是最常用的方法。采用不同的序列可以對(duì)小鼠心臟進(jìn)行不同的相關(guān)研究，各個(gè)序列也在其常用的領(lǐng)域顯示出極大的優(yōu)勢(shì)。

利用毀損梯度回波序列進(jìn)行單層面多時(shí)相掃描被證實(shí)是有效的。因?yàn)樾∈笮穆蔬^快，節(jié)段性k空間填充必須進(jìn)行修正。利用2D-毀損梯度回波序列(2D-FLASH，SIEMENS)對(duì)小鼠缺血/再灌注模型進(jìn)行研究，在心臟乳頭肌水平進(jìn)行短軸單層面成像[6]，有效地顯示了心臟的收縮舒張狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動(dòng)序列，它產(chǎn)生的是亮血圖像，這是因?yàn)榭梢垣@得更高的SNR和增加心肌和血池的對(duì)比度，所以被認(rèn)為是臨床上最理想的電影成像序列，但目前還沒有有效的方法在小鼠心臟成像上應(yīng)用。有報(bào)道利用黑血技術(shù)進(jìn)行電影成像，與傳統(tǒng)的亮血技術(shù)比較，可以更有效的測(cè)量心腔的體積和心肌的質(zhì)量[17]，但目前僅限于高場MR。此外，還有一些其他的序列研究可利用小鼠模型對(duì)其進(jìn)行心臟成像。相位敏感反轉(zhuǎn)恢復(fù)(PSIR)序列通過延遲釓增強(qiáng)為體內(nèi)的心肌梗死面積的測(cè)定提供了便利[6]，在比較高層厚的條件下，它能更好的耐受偽影，并且所測(cè)的心肌梗死的面積與組織學(xué)比較，表現(xiàn)出極大的相關(guān)性。

最基本的MR信號(hào)采集序列設(shè)計(jì)，應(yīng)該包括一個(gè)用于激勵(lì)磁化的射頻脈沖和用于圖像采集的梯度波形。序列中重復(fù)時(shí)間(TR)和回波時(shí)間(TE)共同決定圖像的對(duì)比度，TR和TE應(yīng)該盡可能短，以提高圖像的時(shí)間分辨率，在一次心動(dòng)周期中應(yīng)采集盡可能多的心臟相位。在用于激勵(lì)磁化的射頻脈沖中，用于采集圖像的反轉(zhuǎn)角保持在15～20度。層面厚度是SNR和空間分辨率的主要影響因素，層厚越厚，SNR越高，空間分辨率越低，一般單層采集層厚限制在1～3min。

5 磁共振圖像分析和后處理

應(yīng)用MR電影圖像，LV容量性指標(biāo)(舒張末期容積(EDV)、收縮末期容積(ESV)、每搏輸出量(SV)以及左心室重量等）都可以獲到，同樣可以得到整體心室功能的射血分?jǐn)?shù)(EF)和心輸出量(CO)。在每一層短軸層面勾畫心外膜和心內(nèi)膜的邊界，將其在不同層面累積起來與層厚乘積即可計(jì)算出全心室容積，心肌質(zhì)量為心肌容積與質(zhì)量系數(shù)(1.055g/cm3)的乘積[11]。所有這些指標(biāo)都可以通過商業(yè)后處理軟件分析得出。

某些情況下，更需要了解局部心肌功能的變化。肥厚型心肌病的小鼠模型，左心室的舒張功能障礙最常見，尤其是發(fā)生充血性心臟衰竭，磁共振成像組織標(biāo)記為評(píng)價(jià)心肌的收縮功能提供了行之有效的方法[18]，局部收縮功能的定量分析表明肥厚性心肌病患者的收縮與舒張功能與正常人比較有顯著的差異。這種情況下所測(cè)量的各項(xiàng)心臟的指標(biāo)也會(huì)出現(xiàn)不同程度的差異。心肌標(biāo)記圖像分析比容量分析要復(fù)雜的多，標(biāo)記分析的方法包括標(biāo)記網(wǎng)格交叉點(diǎn)的檢測(cè)和跟蹤、輪廓線的標(biāo)記和追蹤以及相位反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的追蹤[19、20]。目前，心肌標(biāo)記的圖像分析軟件一般是采用諧波相位(HARP)分析軟件。

6 總 結(jié)

高場強(qiáng)的MR掃描設(shè)備因其可獲得較高的SNR和空間分辨率被廣泛應(yīng)用和推崇，然而售價(jià)昂貴及不易獲得，使其具有一定的局限性。利用臨床1.5T和3TMR掃描儀對(duì)有效的實(shí)驗(yàn)小鼠心臟模型進(jìn)行成像，采用自制的成像線圈及不同的掃描序列，為實(shí)驗(yàn)小鼠心臟的解剖和功能、心肌灌注和活性的研究提供了廣闊的前景，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)小鼠的麻醉、體溫和心電監(jiān)測(cè)也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。隨著實(shí)驗(yàn)小鼠CMR技術(shù)軟件和硬件的不斷完善，實(shí)驗(yàn)小鼠心臟模型在心血管系統(tǒng)疾病方面的應(yīng)用越來越廣泛，此項(xiàng)技術(shù)成為分析與研究心血管疾病的重要工具與方法。

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