小動物核磁共振成像原理及應用
小動物核磁成像是一種無輻射、無創(chuàng)的新型分子成像方法，已被廣泛用于基礎醫(yī)學、藥物研發(fā)、認知及材料科學等多個領域。因為它可以加速從基礎到臨床的轉化，所以它被稱為“轉化醫(yī)學的神器”。近年來，國內外一些著名的大學和研究機構都開始配備高場核磁共振成像儀器，以提高其科研能力和水平。 如此龐大的一臺精密儀器，又是如何工作的？它和臨床上使用的核磁共振儀有何不同？影像資料的格式是什麼？怎麼進行分析？能為我們的科研工作提供什么幫助？本項目擬以非圖像研究者的視角，從小動物 MRI的原理和特性、醫(yī)學科學研究中常見的小動物 MRI的掃描順序和應用實例、小動物 MRI的數據格式和分析方法等三個層面來揭示小動物 MR的奧秘。在這一部分中，我們將對小動物 MRI的工作原理和特性做一簡單的介紹。 小動物磁共振成像的基本原理與臨床上使用的磁共振基本一致，均是在外磁場（0）內以氫為代表的磁核（以氫為代表），對其進行核磁共振（MRI)，并通過電感線圈獲取生物組織的馳豫時間、質子濃度等參數，并結合傅立葉變換，得到磁共振成像（圖1）。唯一的區(qū)別是，因為動物的體積很小，所以想要得到更好的成像效果，就必須使用更高的核磁共振儀。目前，臨床上常用的 MRI設備的場強一般為3.0T和1.5 T (T是特斯拉，是衡量 MRI所用磁鐵強度的單位，數值越大，其強度也就越大），而小動物的 MRI則多為7.0 T,9.4 T,11.7 T，小鼠則采用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、圖像分辨率越高，對于細節(jié)的顯示越清晰。目前小動物磁共振成像設備的市場還是主要被Bruker、Agilent等國外大廠壟斷；慶幸的事，在國家的大力扶持下，2020年聯影醫(yī)療與中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院合作研制出我國首臺9.4T超高場動物磁共振設備，補齊了我國在生命科學儀器領域的短板（圖2）。 圖1.磁共振成像基本原理。a.自旋核在外磁場B0作用下沿主磁場B0作用下沿主磁場B0方向做拉莫進動，頻率為w0。b.垂直于主磁場方向的射頻脈沖（RF pluse）能夠使宏觀縱向磁化矢量（Mz）減小，產生宏觀橫向核此磁化矢量（Mxy），然后再逐漸恢復到初始狀態(tài)，這一過程成為弛豫。c.T1弛豫時間為組織的宏觀縱向磁化矢量恢復到最大值的63%所需的時間。d.T2弛豫時間為宏觀橫向磁化矢量下降到最大值的37%所需時間。 圖2.主流的小動物磁共振成像設備 與小動物超聲，小動物 CT，小動物光學成像等相比，小動物 MRI具有什么優(yōu)點與局限？無電離性：小型動物的核磁共振成像裝置，不會對身體造成傷害，是設備維修經理必須具備的條件。 小動物磁共振圖像軟組織對比度好：主要應用于檢測實體臟器，如腦、心臟、肝臟、腎臟、肌肉等，如果與關節(jié)線圈結合，還可以對關節(jié)病變進行分析。 多參量成像：針對小動物的不同成像機理，采用不同的掃描順序，利用不同的組織特性差異，實現對不同動物模型的成像評估。例如，針對高脂血癥小鼠的腹部和腎臟周圍的脂肪沉積，采用T1加權成像；對于小鼠的腫瘤，可以采用T2加權成像。 圖3.小動物磁共振多參數成像。a.高脂小鼠模型腹后壁及腎周脂肪T1加權成像。b.膠質瘤模型小鼠治療前后T2加權成像。 實現任意方位斷層掃描：小動物磁共振成像是斷層成像的一種，可以在不改變動物體位的情況下實現任意方位層面成像，能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。 時間和空間分辨能力都比較高：15.2 T的超高場小動物 MR成像裝置的空間分辨能力達到19.5微米；基于平面回波成像（EPI）的小型動物磁共振成像（EPI)，可實現微秒級的實時獲取。 不需要對比劑：在大部分病例中，平掃不需添加任何增強劑就能得到滿意的效果，特別是它能在非侵入狀態(tài)下進行，與 X射線和 CT相比有顯著的優(yōu)點。 小動物 MRI不僅可以清晰地顯示結構損傷，而且可以無損傷地進行功能影像。利用核磁共振能譜成像（MRS）獲取腦內內源性代謝產物，利用彌散張量成像（DTI）可獲取白質纖維束方向及完整度等信息。 運動靈敏：小動物 MRI具有對運動異常靈敏的特點，而動物無法像人類那樣自主閉氣，所以，在探測肝臟、心臟等易受到呼吸及心跳作用的器官時，必須結合呼吸門與心電門控技術來去除影像中的運動偽像。 小動物 MRI所獲得的資料，如同臨床上所使用的核磁共振影像資料，均以 DICOM格式儲存。為了方便地觀察和計算腫瘤體積、缺血面積、室壁厚度等方面的數據，建議采用 RadiAnt DICOM Viewer （收費）和 Bee DICOM Viewer （自由）軟件。要做更高層次的腦功能分析，如 BOLD、 DTI等，需要 Linux、 matlab等；要深入研究圖像組學，則需要掌握 Python、 R語言等程序。 在這里，本公司可以提供數據分析服務，歡迎咨詢！
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