7.0T小动物磁共振成像系统几个常用线圈T1 mapping均匀性研究

戚 鸣，张建平，章英剑

1.复旦大学附属肿瘤医院核医学科，复旦大学上海医学院肿瘤学系，上海 200032；

2.复旦大学生物医学影像研究中心，上海 200032；

3.上海分子影像探针工程技术中心，上海 200032；

4.上海市质子重离子医院核医学科，上海 201315；

5.核物理与离子束应用教育部重点实验室，上海 200433

小动物磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）可以更快地将临床前研究结果转化到临床研究中，在生物医学和药物研究中发挥关键作用，并已从小众领域研究发展为基础研究的强大科学工具［1］。利用小动物MRI准确测量特定浓度造影剂及活体组织内纵向弛豫时间或弛豫率，对造影剂研究［2］、临床前研究起着至关重要的作用［3］。

与临床MRI相比，小动物MRI尽管在诸多方面性能有优势，但通常缺乏针对所有临床显像模式实施的质量控制规范［4-7］。Gd基配合物由于T1加速效应显著，是目前临床上使用最广泛的T1型造影剂，与之相关的临床前研究也广泛开展。一旦T1mapping出现明显不均匀，将严重干扰研究结果的分析，扰乱Meta分析。因此，评估小动物MRI常用线圈T1mapping均匀性格外重要。

1 材料和方法

1.1 试剂和材料

试剂使用469.01 mg/mL钆喷酸葡胺注射液（马根维显）。将去离子水、按0.2 mmol/L和0.4 mmol/L去离子水稀释的马根维显溶液分别装满直径17 mm容积15 mL和直径30 mm容积50 mL两种规格锥形底部离心管，离心管内无气泡。样品在MRI扫描室静置12 h以上，确保混合均匀，并且温度与室温（20 ℃）平衡。

1.2 实验仪器

采用德国Bruker公司Biospec 70/20 USR小动物MRI设备。涉及的线圈如下。小鼠脑部2×2相控阵表面接收线圈（以下简称小鼠脑表面线圈）：RF SUC 300 1H M.BR QSN RO AD；大鼠脑部2×2相控阵表面接收线圈（以下简称大鼠脑表面线圈）：RF SUC 300 1H R.BR QSN RO AD；小鼠头部容积线圈：RF RES 300 1H 023 M.BR QSN TR 2.4M；小鼠体部容积线圈：RF RES 300 1H 075/040 QSN TR；射频发射线圈：RF RES 300 1H 112/086 QSN TO AD。表面接收线圈需与射频发射线圈配合使用，以下略去射频发射线圈。所有线圈均符合Bruker专用水模信噪比质量控制检测指标。

1.3 显像实验

对口径较小的小鼠脑表面接收线圈、头部容积线圈采用15 mL规格离心管试剂显像，对口径较大的大鼠脑表面接收线圈、小鼠体部容积线圈采用50 mL规格离心管试剂显像。将离心管水平固定在MRI动物床，移动至磁体中心位置，静置3～5 min，避免因液体流动造成运动伪影，然后开始采集。

控制软件采用ParaVision 6.0.1，T1图像采用T1_RARE序列获得。扫描参数：回波时间（echo time，TE）=6 ms，重复时间（repetition time，TR）=1 500 ms，层厚为1 mm，层数为1层，矩阵为256×256，平均次数2次，扫描时间为144 s。对于15 mL规格样品，扫描视野（field of view，FOV）为20 mm×20 mm，对于50 mL规格样品，FOV为35 mm×35 mm。T1弛豫时间的测量使用T1map_RARE饱和恢复序列，TE=7 ms，矩阵128×128，饱和恢复的TR为100、300、400、600、800、1 000、1 500、2 000、3 000及5 000 ms。平均次数1次，总的扫描时间为940 s。层厚、层数及FOV同T1序列一致。

2 结 果

2.1 T1 mapping图

分别将去离子水、0.2 mmol/L及0.4 mmol/L马根维显溶液放置在大/小鼠脑表面线圈、小鼠头/体部容积线圈中，用同样序列及参数采集T1mapping。将采集得到图像通过设备附带的软件ParaVision 6.0.1标准反转恢复曲线逐像素拟合得到T1mapping图，拟合方程为Y=A+C×（1-e-t/T1）。其中A为修正值，C为信号强度，T1是需要计算的自旋—晶格弛豫时间。

T1mapping伪彩图汇总如图1所示，横向为同一样品在不同线圈中采集的T1mapping，纵向为同一线圈采集不同样品的T1mapping，图像尺寸经过适当缩放。

图1 3种样品分别用4个线圈采集的T1 mapping伪彩图

2.2 不同感兴趣区（regions of interest，ROI）统计结果

根据重建后的T1mapping图，在设备附带的Image Display and Processing软件中勾画ROI，统计不同ROI内T1平均值与标准差，比较同一线圈采集的T1mapping空间均匀性，以及不同线圈的总体空间均匀性差异。

ROI的勾画方法如下，ROI 1，在T1图上以样品中心为圆点，样品直径约9/10为ROI直径画圆；ROI 2～6均以ROI 1直径约1/3为直径，ROI 2、3、4、5分别为与ROI 1顶部、底部、左端、右端内切的圆；ROI 6，为与ROI 1同心圆。将T1图上绘制的ROI同步至T1mapping图，完成ROI的勾画。图2为大鼠脑表面线圈，50 mL去离子水样品T1显像，及ROI勾画。计算T1图上各ROI内信号强度，T1mapping图各ROI内T1平均值和标准差，汇总结果如表1及图3所示。

图2 大鼠脑表面线圈，50 mL去离子水样品T1显像及ROI勾画

表1 各ROI内T1平均值及标准差 时间/ms

图3 不同溶液分别用四种线圈采集的T1值各ROI统计结果

3 讨 论

弛豫时间的测量，对鉴别正常组织与肿瘤组织、诊断脑损伤、脑卒中［8］等起着至关重要的作用。通过mapping技术定量测量的组织纵向弛豫时间（T1）与横向弛豫时间（T2）与组织变化相关，能提供关于肿瘤大小、浸润情况、淋巴结转移等信息，从而提高对肿瘤的检测及评估预后的水平。

临床前7.0T小动物MRI相较于3.0T MRI信噪比有较大提高，尤其是显著提升血氧水平依赖（blood oxygen level dependent，BOLD）信号［9］。然而随着磁场强度的提升，化学位移伪影及运动伪影也越明显［10］，匀场难度亦随之增大。通常小动物MRI质控主要针对信噪比，而考虑到弛豫时间测量的重要程度，有必要评价常用线圈T1mapping均匀性，以及是否应当纳入日常质控指标。纵向弛豫时间通常有两种测量方法：反转恢复法与饱和恢复法。由于饱和恢复法没有将磁化矢量反转，信号只含大于零的部分，达到相同的拟合精度相较于反转恢复法所需要测量的点数也少，可以大幅缩短扫描时间［11］，因此本研究采用饱和恢复法。以往的研究表明，典型的临床前MRI测量镍琼脂糖模型纵向弛豫率，大约会有2%的误差，通常不会对基于纵向迟豫时间的生物学研究带来显著影响［12］。

本研究为保持扫描参数的一致性，同时考虑到扫描效率，饱和恢复的TR可能不足去离子水质子纵向弛豫时间的2倍，对于去离子水样品的测量拟合曲线相对误差较大，表现为T1mapping各ROI标准差整体偏大。两种浓度的马根维显溶液T1值与活体动物组织T1值相当，能够反映活体动物实验T1mapping水平。

通过对比不同ROI的信号强度发现，对于表面线圈，贴近线圈信号强度较高，远离线圈部分信号较弱，最大可相差3倍以上；对于容积线圈，信号强度均匀性良好，各ROI相差不大，通常不超过3%。

而从T1mapping分析中发现，对口径较小的小鼠脑表面线圈和小鼠头部容积线圈，表现出良好的T1mapping均匀性。在0.2、0.4 mmol/L马根维显溶液T1mapping中，各ROI内T1均值相差不超过3%。而口径较大的线圈，T1mapping均匀性相对弱些。大鼠脑表面线圈，远离线圈表面的ROI 3与其他ROI内T1均值差异相对较大，这可能是表面线圈远处信号衰减所致。

小鼠头部容积线圈采集去离子水T1mapping，ROI 2～3 T1均值相差0.32%， ROI 4～5 T1均值相差0.57%，表现出较好的水平、垂直方向对称性，但ROI 2～4、ROI 2～5、ROI 3～4与ROI 3～5的T1均值相差15%左右，这一差异远大于信号强度的差异。

小鼠体部容积线圈，同样表现出ROI 3与其他ROI内T1均值差异相对较大，此外还表现出对不同浓度的马根维显溶液T1mapping均匀性也存在一定差异。对0.4 mmol/L马根维显溶液表现出较好的均匀性，各ROI的T1均值相差不超过6%，然而随着溶液中马根维显浓度降低，T1值增大，T1mapping均匀性显著变差，对去离子水甚至出现ROI间T1均值最大相差50%。因此，当采用小鼠体部容积线圈测量T1mapping时，应尽可能延长TR，达到被测组织或样品T1值的5倍左右，以获得相对准确的T1mapping。

本研究的局限性：① 为了避免可能的层间干扰，选择单层激发，未能进行Z方向T1mapping均匀性分析。② 权衡精度和效率后，仅采用一个脉冲序列（RARE饱和恢复序列）采集。并且由于B1场非理想情况，最后一个回波中点纵向磁化可能不是理论零值。③ 温度对T1mapping存在一定程度影响，考虑到操作复杂性与其他不可控因素，样品选择平衡至室温而非模拟活体动物体温，但仍不能排除射频脉冲造成局部温度改变。

综上所述，在7.0T小动物MRI中，不同线圈对T1值的测量存在空间不均匀差异，并且特定情况下容积线圈中T1值差异比信号强度差异更灵敏。总的来说，口径较小的线圈均匀性优于口径较大的线圈；X方向（左右）均匀性相对较好，优于Y方向（上下）均匀性，建议将T1mapping均匀性作为质控参考指标之一。在满足实验需求的情况下，尽可能采用口径较小的线圈。并且当实验动物采用仰卧或俯卧位时，选取对侧组织T1值作为对比具有更高的可信度。