超高磁場下大鼠腦血管成像技術應用

雷建鋒 趙媛媛 王戰京 武文琦

(首都醫科大學中心實驗室，北京 100069)

磁共振腦血管成像(magnetic resonance angiography,MRA)在腦血管疾病的檢查方法上相比于其他檢查方法具有無輻射、無創傷等優勢，已廣泛應用于臨床。腦血管成像主要依靠于流動的血在MRI 圖像上可表現為亮信號和暗信號，這兩種信號的表現是由血的流動速度和所用的成像序列決定的。核磁共振腦血管成像[1-3]上主要有TOF_MRA 成像方法、PC_MRA 相位成像方法，CE_MRA[4-5]成像方法。

隨著超導技術的發展，磁共振的磁場強度越來越高，市場上已經有7.0T、9.4T、11.7T 等高磁場磁共振，目前7.0T 及以上超高磁場核磁共振主要是小動物核磁共振，小動物核磁共振在使用過程中和用于臨床的核磁共振有很大區別，小動物核磁共振的序列沒有進行序列參數的優化，只能通過實驗員不斷優化序列的參數,獲得理想的磁共振圖像，而用于臨床的核磁共振都做了序列參數優化，后期操作中幾乎不用考慮參數修改問題。基于此種情況，開展以下實驗研究。

由于超高磁場能夠使核磁共振成像的信噪比更高、磁場梯度更高，梯度切換率更快。所以能夠對微小組織結構及功能的改變提供更加快速精確的顯示，為科學研究提供一種無創的、快速的、精確的研究方法。所以小動物核磁在科學研究應用方面日趨廣泛，如動物實驗中對藥物研究、納米材料研究、腦科學研究等都使用到小動物核磁。在腦科學的研究中動物腦功能、腦血管、腦腫瘤方面的研究已經成為非常熱的方向。動物腦血管研究主要是通過建立疾病動物模型，比如腦缺血疾病模型、腦出血疾病模型、微小腦血管疾病模型等，利用超高磁場的動物核磁共振對疾病動物模型做核磁掃描，然后對核磁圖像數據進行分析以及與病理數據相比較，判斷與所研究課題的目的是否一致。超高場小動物核磁共振的線圈一般配備三種線圈：表面線圈、頭線圈（鳥籠線圈）、體線圈。這三個線圈中能夠做小動物頭部磁共振成像的是表面線圈和頭線圈，目前在研究小動物頭部核磁結構圖像及腦功能圖像，一般都是使用表面線圈成像的，但是對于這兩個線圈哪一個更適合做小動物腦血管成像，是實驗研究的主要目的。使用TOF_MRA[6-9]成像方法對正常大鼠的腦部血管成像，主要從二個方面進行研究論證：①線圈對血管信號的影響，即單通道的表面線圈和頭線圈對圖像信噪比和對比度的影響；②序列中其他參數不變的情況下翻轉角對圖像的信噪比和對比度的影響。對采集到大鼠腦血管圖像進行數據分析，利用SNR 和CNR 兩個圖像質量評價參數，為小動物腦血管成像在線圈選擇、序列選擇、參數設定方面提供很好的應用。

1 材料及方法

1.1 實驗動物及儀器選擇

動物選用正常SD 大鼠5 只，體重在330±20 g 左右，儀器選擇的成像系統為Bruker PharmaScan7.0 T的小動物核磁，口徑為16 cm，線圈選用①單通道的發射線圈[10]及用于接收信號的表面線圈；②單通道的發射和接收一體的頭線圈。

1.2 成像方法及參數設定

成像方法選用3D-TOF 序列和2D-TOF 序列對大鼠腦血管成像。成像序列具體參數如下表1 所示。

表1 大鼠腦血管成像參數表

1.3 動物麻醉方法及生理監控

麻醉方法采用氣體麻醉，麻醉劑選取醫用異氟烷，麻醉儀器選用美國JD Medical 的麻醉機，誘導麻醉時采用異氟烷與氧氣混合4%的劑量，維持麻醉采用異氟烷與氧氣混合1.5%的劑量，麻醉過程中動物的生理監控采用的是美國的Small Animal Monitoring and Gating System，麻醉中動物呼吸控制到35±5 次/分鐘左右，血氧控制在98%左右。麻醉過程動物生理監控系統如圖1 所示。

圖1 動物生理監控系統

2 圖像感興區域選擇及數據分析

為了保證數據準確性，必須對感興區域[11](ROI)的選取達到一致性，根據成像序列建立統一感興區域的選取方法。根據成像方法的不同分別建立一套標準的感興區域劃取方法。從感興區域中可以得到血管的信號強度、血管周圍信號強度、背景噪聲信號標準差這些數據。

2.1 SNR 及CNR 的測定方法及分析

根據SNR 及CNR 算法原理，實驗SNR 及CNR計算公式[12]如（1）（2）所示。

通過核磁共振儀器上的軟件測得感興區域灰度值，利用公式（1）（2）計算出血管的SNR 和CNR,根據成像序列制定3D-TOF 和2D-TOF 大鼠腦血管SNR 和CNR 表，表中內容記錄了使用某種線圈成像和不同的翻轉角對大鼠腦血管平均SNR 和CNR。具體表中內容如表2 和表3 所示。

從表2 中的數據可分析出：①同一翻轉角情況下使用頭線圈成像的圖像平均SNR 和CNR 比表面線圈成像的圖像平均SNR 和CNR 高出2～3 倍；②翻轉角在10°到20°時圖像的平均SNR 和CNR最高；③平均CNR 會出現的負值的情況，這是由于血管信號低于周圍組織信號，原因由于表面線圈對流入血管信號靈敏度下降或翻轉角增大使血管信號強度低于周圍組織信號強度。

從表3 中的數據分析出：①在同一翻轉角情況下使用頭線圈成像的圖像平均SNR 和CNR 比表面線圈成像的圖像平均SNR 和CNR 的高大約1.1 到1.5 倍左右；②翻轉角在70°到80°時圖像的平均SNR 和CNR 最高。

2.2 分析大鼠腦血管MIP 圖像

大鼠腦血管MIP 像使用軟件RadiAnt DICOM Viewer 重建，窗位和窗寬設定為12200 和24400。為了直觀反映圖像質量只截取部分大鼠腦血管MIP[13-14]像，大鼠腦血管MIP 像如圖2 所示。

圖2 大鼠腦血管MIP 圖像

圖3 中A 行的圖像：成像線圈為頭線圈，成像方法為3D-TOF 序列，翻轉角從左到右依次為10°15°20°30°40°；B 除了線圈為表面線圈，其他與A 行一致；C 行的圖像：成像線圈為頭線圈，成像方法為2D-TOF 序列，翻轉角從左到右依次為50°60°70°75°80°；D 除了線圈為表面線圈，其他與C 行一致。從圖3 可以直觀得到以下幾種情況：①A 行和C 行血管信號明顯好于B 行和D 行血管信號；②從A 行和B 行紅色箭頭所指血管位置依次從左向右可以看到翻轉角在10°到20°時圖像的腦血管信號好于其他翻轉角的腦血管信號，③從C 行和D 行藍色箭頭所指血管位置依次從左到右可以看到翻轉角在70°到80°腦血管信號好于其他翻轉角的腦血管信號，并且C 行血管是完整的只在藍色箭頭處信號減弱，而在D 行藍色箭頭所指血管都是不完整。

從表2、表3 和圖3 中的分析的結果得到以下結論：①大鼠腦血管成像時在線圈選擇上首選頭線圈；②腦血管動脈成像選擇3D-TOF 序列[15-17]作為成像方法，翻轉角參數設定在10°到20°時，圖像質量最好。腦血管靜脈成像選擇2D-TOF序列[18-19]作為成像方法，翻轉角參數設定在70°到80°時，圖像質量最好。

3 討論

近年來缺血、出血、血管狹窄、腦血管瘤[20-22]等腦血管疾病的發生越來越多，對于這些疾病基礎研究往往通過動物模型來實現，近10 多年來超高磁場的小動物核磁共振的出現，使得這些研究可以通過小動物核磁共振作為研究手段，小動物腦血管成像和臨床腦血管的成像原理一致，即TOF 成像方法、PC 成像方法、CE 成像方法。其中非對比劑[23]血管成像方法有TOF 和PC 法，兩者都屬于短TR梯度回波序列，CE 是通過注射對比劑來改變血管和周圍組織弛豫時間而達到血管成像。對于動物腦血管成像是一個很復雜的過程，①動物呼吸的控制，這是至關重要的一個方面，直接影響到圖像是否有偽影從而影響到圖像質量；②動物擺位和翻轉角設定，由于TOF 方法是屬于流入敏感技術，它利用的效應由流動相關增強(FRE)決定。為了使FRE 最大化，在設定層厚參數應使層厚盡量薄，以提高對慢流動的靈敏度和選層方向分辨率，翻轉角設定根據動物擺放位置使射頻激發的層面與血管垂直。所以在用TOF 序列為動物血管成像時在參數設定上需要做很多改變，根據實驗的目的改變參數，而不是一成不變。

表2 3D-TOF 大鼠腦血管SNR 和CNR 表

表3 2D-TOF 腦血管圖像SNR 和CNR

使用TOF 序列為大鼠腦血管成像，首先是選擇適當的線圈，因為線圈對腦血管信號的影響占了很大比重；然后是動物生理控制，只有動物生理控制好才使得圖像不會出現偽影；最后是參數的設定，使用TOF 成像方法中翻轉角是一個重要的參數，因為它直接影響了FRE 的最大化。不足之處為沒有做動物模型的成像與正常動物成像的比較以及沒有能夠對單通道線圈和多通道線圈成像效果進行比較。