高场强MR仪结合小动物线圈在小鼠神经系统疾病中的应用

庄丽华，龚志刚，杨烁慧，陆方，孔营楠，詹松华，刘孟潇

缺血性脑疾病(脑卒中)及脑肿瘤是中枢神经系统危害人类健康的重要疾病，其相关致病机制、药物研发及治疗的研究越来越受到重视[1-3]。复制动物模型进行此类神经系统疾病的研究也逐渐成为一种主要研究方法。而转基因动物和基因治疗、生物治疗的兴起，使得这些疾病模型多在小鼠或者裸鼠上进行，加之转基因动物价格昂贵，裸鼠肿瘤造模难度大，则迫切需要一种能重复监测，重复观察的手段，这就大大推动了小动物脑部成像的必要性。

表1 磁共振扫描各序列参数

磁共振对软组织分辨力高，无辐射损伤，可重复检查，其多参数、多序列、多切面成像使其成为活体研究的重要方法。小孔径可以获得更高的磁场强度和梯度场，可以提高信噪比和空间分辨率[4-5]。

国外多采用高场强或者超高场强的小动物专用磁共振扫描系统进行大小鼠的磁共振研究，场强为4.7T、7T、9T甚至更高[6-9]，但目前小动物专用MR仪价格昂贵，国内一般科研机构难以配置，大部分医院及中小型科研机构，仍要以临床型MR仪来进行动物MR研究为主。国内报道的多采用1.5T或者3.0T MR仪进行大鼠的MR相关研究，主要采用表面柔性线圈、膝关节线圈或者手指线圈进行研究，存在诸多明显缺陷，信噪比较低，获得的图像体素大，组织细节不易分辨，图像质量不佳，对小鼠进行成像研究则更少。那么在经费有限的情况下，如何利用临床型MR仪进行小鼠脑组织成像便成了必须面临的重要问题。

本研究探索在Siemens 3.0T MR仪上联合8通道专用小孔径线圈对小鼠脑组织进行成像，取得了满意的图像质量，并将其与小柔线圈图像质量进行了对比，并在此基础上制作永久性脑缺血及脑胶质瘤模型并进行了图像质量观察，能清晰的显示病灶。

材料与方法

1.材料

C57BL/6n雄性小鼠15只，体重20～25 g，购自浙江维通利华生物科技有限公司，许可证号：SCXK(浙)2018-0001。4%水合氯醛溶液(上海国药集团化学试剂有限公司)，1 mL 注射器。8通道横向放置小孔径线圈(上海辰光医疗科技股份有限公司，编号5000049101/序列号001006)，配套专用固定筒，Siemens小柔表面线圈。

2.检查方法

采用Siemens skyra 3.0T MR仪。取C57小鼠，扫描前以4%水合氯醛腹腔注射麻醉小鼠(400 mg/kg)。将麻醉好的小鼠俯卧位放置于8通道横向放置小孔径线圈中央，调整TR、TE、翻转角、层厚、层距、带宽、激励次数等参数，观察图像质量，然后取出小鼠固定于小柔线圈中央，再次扫描，当采用两种线圈扫描图像质量均佳时，确定最终扫描参数(表1)。固定参数后，先使用8通道横向放置小孔径线圈，依次行TSE T1WI、T2WI序列扫描(包括冠状面及横轴面)。然后更换为小柔表面线圈，依次扫描所有小鼠。

表3 两种线圈扫描图像SNR及CNR值

3.主观评分

由两名一线放射科医师采用单盲法对所有小鼠脑部T1WI、T2WI横轴面及冠状面图像锐利度、噪声、伪影进行评价。评分参考Kalra五级评分法[10-11]，评分标准为：5分，图像质量非常好，噪声控制好，无伪影；4分，图像质量较好，噪声和伪影少；3分，图像质量一般，有一些噪声和/或伪影，但不影响诊断；2分，图像质量较差，有严重噪声或伪影，影响诊断；1分，图像质量差，噪声或伪影严重，无法进行诊断。图像评分结束后统计出各组小鼠两名医师的评分，每只小鼠的评分为2位医生评分的均值。

4.SNR及CNR值

在后处理工作站上用View Forum软件对图像进行测量，在小鼠脑组织T1WI、T2WI及SWI图像上大脑皮层、侧脑室旁及周围背景放置兴趣区(面积约0.2 mm2，10～14个像素点)，测量信号值(兴趣区中像素点的信号强度平均值)及噪声强度(兴趣区中像素点信号强度的标准差)，计算信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)及对比噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)，SNR=SI组织/SD噪声。

5.永久性脑缺血及脑胶质瘤模型扫描

上述15只小鼠苏醒后禁食不禁水12 h，于第二天采用改良线栓法制作右侧大脑中动脉闭塞永久性脑缺血模型，造模后24 h进行MR扫描，扫描参数同前，在T1WI、T2WI冠状面及横轴面图像上观察病灶显示情况。

另取上海中医药大学附属曙光医院神经外科制作的裸鼠脑胶质瘤模型，先进行常规T1WI、T2WI冠状面扫描，经小鼠尾静脉注射钆喷酸葡胺(1.1 mL生理盐水加入0.5 mL对比剂，每10 g小鼠尾静脉注射0.1 mL/g)后再进行T1WI 冠状面、横轴面及矢状面扫描，观察肿瘤病灶增强显示情况。

6.统计学方法

结 果

1.两种线圈扫描图像主观评分

所有图像扫描结束后，对两名医师的图像评分揭盲。8通道横向放置线圈T1WI、T2WI冠状面及横轴面图像主观评分均高于小柔线圈(P均<0.001)，见图1及表2。

表2 两种线圈扫描图像主观评分

2.两种线圈扫描图像SNR及CNR值

扫描结束后统计出所有图像冠状面及横轴面的大脑皮层及中心区域(侧脑室旁)信号均值及标准差，计算出SNR及CNR值。8通道横向线圈T1WI及T2WI冠状面图像(皮层及中心)SNR高于小柔线圈，差异具有统计学意义(P均<0.01)；8通道横向线圈T1WI及T2WI冠状面图像(皮层及中心)CNR高于小柔线圈，差异无统计学意义(P均>0.05)。

8通道横向线圈T1WI及T2WI横轴面图像(皮层及中心)SNR和CNR高于小柔线圈，差异具有统计学意义(P均<0.01)。

图1 正常小鼠。a～d为8通道通道横向放置小孔径线圈，e～f为小柔线圈。a)T1WI横轴面；b)T2WI横轴面；c)T1WI冠状面；d)T2WI冠状面；e)T1WI横轴面；f)T2WI横轴面；g)T1WI冠状面；h)T2WI冠状面。

3.正常小鼠两种线圈MR图像

使用两种线圈均可显示小鼠脑组织轮廓。8通道横向放置小孔径线圈T1WI及T2WI冠状面和横轴面图像均可清晰显示侧脑室、三脑室及周围脑组织，边缘清晰可见(图1a～d)；小柔线圈也可显示脑部轮廓及脑组织结构，但T1WI冠状面和横轴面无法分辨脑室低信号区，T2WI可显示脑室高信号区，边缘模糊(图1e～h)。

4.永久性脑缺血模型小鼠MR图像

永久性脑缺血模型小鼠造模24 h后MR扫描。使用8通道横向放置小动物线圈扫描小鼠脑卒中模型时，T1WI图像横轴面及冠状面脑组织无明显信号改变，T2WI可见病灶侧脑组织高信号区，清晰显示病灶边缘(图2a～d)。使用小柔线圈扫描图像病灶边缘模糊，高低信号区域边缘欠清(图2e～h)。

5.胶质瘤模型小鼠MR图

胶质瘤模型小鼠在成模后进行MR扫描，平扫T1WI未见明显异常信号，T2WI可见肿瘤部位成略高信号，增强后T1WI冠状面、横轴面、矢状面可见肿瘤明显增强，图像可准确测量胶质瘤的大小和范围(图3a～e)。

讨 论

随着转基因动物的逐渐普及及基因治疗等成为神经系统疾病的研究热点，活体显示脑组织内部情况对于检测脑卒中及脑肿瘤变化或者治疗尤为重要。MR对软组织分辨力好，具有强大的后处理功能，无创且可重复，是活体动物检测的最佳途径，在动物研究中的应用越来越广泛[12-15]。过去大部分科研机构进行小动物MR研究常用的小柔表面线圈虽能贴近被检动物，但表面线圈所产生的磁场不均匀，穿透深度有限，这限制了它的使用。为了提高小鼠头部图像的清晰度，研究者发明了8通道小动物专用线圈。这种线圈具有孔径小的优势，能够很好的包裹小鼠的头部，周围空隙减少，因而使图像信噪比增加，改善了图像质量，解剖细节显示更佳。

使用Siemens 3.0T MR仪结合8通道横向放置小孔径线圈进行小鼠脑组织成像，通过参数调节，很好的显示出小鼠脑组织结构，包括皮层、侧脑室及海马、纹状体等。使用8通道横向放置小孔径线圈时，小鼠脑部T1WI、T2WI冠状面及横轴面成图像的主观评分均高于小柔表面线圈，8通道横向线圈T1WI、T2WI冠状面及横轴面图像SNR明显高于小柔线圈，8通道横向线圈T1WI、T2WI横轴面图像CNR高于常规小柔线圈。小鼠普遍体重小，仅为大鼠的几十分之一，成像也较大鼠困难。本研究所用小鼠体重为20～25 g，体素小，层厚不宜过大，本研究中层厚1 mm，层间距0.1 mm，较小的层厚和层间距能获得更多的解剖细节；虽然过高的激励次数还可提高SNR，但扫描时间也相应延长，时间过长小鼠易苏醒移动，也不可取，本研究中激励次数在4次及以下，T1WI、T2WI扫描时间均在5 min以内，总扫描时间在麻醉时效内，满足扫描时间要求。

图2 小鼠永久性脑缺血模型。a～d为8通道通道横向放置小孔径线圈，e～f为小柔线圈。a)T1WI横轴面；b)T2WI横轴面；c)T1WI冠状面；d)T2WI冠状面；e)T1WI横轴面；f)T2WI横轴面；g)T1WI冠状面；h)T2WI冠状面。

图3小鼠脑胶质瘤模型，8通道横向放置小动物线圈。a)T1WI横轴面；b)T2WI横轴面；c)增强T1WI横轴面；d)增强T1WI冠状面；e)增强T1WI矢状面。

同时，笔者在C57BL/6永久性脑缺血模型和裸鼠脑胶质瘤模型上进行观察和验证，发现采用Siemens 3.0T临床型MR设备结合国产通道横向放置小孔径线圈作为发射和接收线圈进行成像，发现其在小鼠脑卒中模型中能清晰显示脑缺血范围及水肿情况，同时在小鼠脑胶质瘤模型上可检查出胶质瘤的存在，对比剂注射后各个层面增强图像显示清晰，说明这些图像能满足药物治疗脑卒中或脑肿瘤效果评价的相关研究。尽管这些图像与国外超高场强专用小孔径MR仪成像有一定差距，但在经费有限不具备小动物迷你磁共振扫描条件时，可通过临床磁共振仪器结合国产小孔径线圈进行小鼠脑组织的扫描，同时还可尝试进行SWI及灌注等相关研究，这一图像能满足包括脑血管疾病及脑肿瘤在内的绝大部分神经系统疾病的临床研究，值得加以应用。当然，笔者首先在3.0T磁共振上利用这一线圈进行了小鼠脑组织的研究，在未来的研究中，将利用此线圈探索更多其他序列、其他部位的成像，期待能为其他系统的研究提供更多帮助。