小鼠腦部磁共振成像質量的對照研究

龔志剛 莊麗華 黃炎文 徐慧慧 詹松華

隨著計算機技術的進步，動物磁共振科研越來越受到重視，復制動物模型進行臨床疾病的研究也逐漸成為許多臨床疾病研究的主要方法。國外多采用實驗專用的高場強或超高場強磁共振儀進行小動物成像［1-4］，但小動物迷你磁共振價格昂貴，無法在小型及大型醫療機構中普遍應用。國內臨床科研人員多利用臨床大型磁共振儀進行動物實驗，常規使用小柔表面線圈及關節線圈對大、小鼠進行成像。近年我科引進了8 通道橫向放置動物線圈，目前其在臨床尚未廣泛應用，為此，本研究擬通過對比分析8 通道橫向動物線圈與小柔表面線圈的小鼠腦部成像質量，為臨床及科研人員提供依據。

方 法

1. 材料

C57BL/6N 雄性小鼠15 只，體重20～22 g，由上海中醫藥大學從浙江維通利華生物科技有限公司購入，許可證號為SCXK（浙）2018-0001。水合氯醛（上海國藥集團化學試劑有限公司），1 ml 注射器。8通道橫向放置線圈（上海辰光醫療科技股份有限公司，編號5000049101/序列號001006），4 通道小柔表面線圈（西門子Flex Small 4 a 3T Tim Coil），2 種線圈外觀見圖1。

圖1 八通道橫向放置線圈（A）與4通道小柔表面線圈（B）

2. 磁共振成像檢查

采用西門子skyra 3.0T（西門子skyra，西門子醫療系統有限公司，德國愛爾蘭根）成像設備。掃描前以4%水合氯醛腹腔注射麻醉小鼠（400 mg/kg）。將麻醉適宜小鼠俯臥位放置于8 通道橫向放置線圈小孔徑及小柔表面線圈中央。依次掃描冠狀位及橫斷位的T1WI、T2WI 和SWI，T1WI 及T2WI 采用TSE 序列，SWI采用梯度回波序列掃描（表1）。

表1 磁共振掃描各序列參數

3. 圖像分析

本次研究中圖像由2 名一線放射科醫師采用雙盲法對這15 只小鼠腦部橫斷位及冠狀位的T1WI、T2WI、SWI 圖像的銳利度、噪聲和偽影進行評價。評分參考Kalra 5 級評分法［5-6］。評分標準：5 分，圖像質量非常好，噪聲控制好，無偽影；4 分，圖像質量較好，噪聲和偽影少；3 分，圖像質量一般，有一些噪聲或偽影，但不影響診斷；2 分，圖像質量較差，有嚴重噪聲或偽影，影響診斷；1 分，圖像質量差，噪聲或偽影嚴重，無法進行診斷。所有圖像評分結束后揭盲，分別統計出2 名醫師對各組小鼠的評分，每只小鼠的評分取2位醫生評分的均值。

4. SNR及CNR值測定

在后處理工作站上用VIEW FORUM 軟件對圖像進行測量，在小鼠腦組織T1WI、T2WI 及SWI 冠狀面、橫斷面圖像上的大腦皮質、側腦室旁及周圍背景放置感興趣區（面積約0.2 mm2，約10～14 個像素點），測量信號值（感興趣區中像素點信號強度的平均值）及噪聲強度（感興趣區中像素點信號強度的標準偏差），計算信噪比（signal-to-noise ratio，SNR；SNR=SI組織/SD噪聲） 及對比噪聲比（contrast-noiseratio，CNR；CNR=（SI組織-SI背景）/SD背景噪聲）。

5. 統計學方法

結 果

1. 2種線圈掃描圖像主觀評分

所有圖像掃描結束后，對2 名醫師的圖像評分揭盲。統計結果發現8 通道橫向放置線圈冠狀位及橫斷位的T1WI 及T2WI 圖像主觀評分均高于小柔表面線圈（均P＜0.001），但兩者冠狀位及橫斷位的SWI 圖像主觀評分差異無統計學意義（均P＜0.05）。詳見表2及圖2～4。

表2 2種線圈掃描圖像主觀評分n=15，± s

表2 2種線圈掃描圖像主觀評分n=15，± s

組別8通道橫向線圈小柔表面線圈t值P值評分/分T1WI冠狀位4.50±0.63 3.20±0.37 11.063＜0.001 T2WI冠狀位4.63±0.44 3.17±0.24 12.856＜0.001 T1WI橫斷位4.87±0.35 3.07±0.18 18.924＜0.001 T2WI橫斷位4.90±0.28 3.67±0.45 8.047＜0.001 SWI冠狀位3.70±0.41 3.57±0.50 0.807＞0.05 SWI橫斷位3.27±0.42 3.17±0.31 1＞0.05

圖2 8通道橫向放置線圈的小鼠腦部圖像A.橫斷位T1WI；B.橫斷位T2WI；C.冠狀位T1WI；D.冠狀位T2WI。

2. 2種線圈掃描圖像SNR及CNR值

掃描結束后統計出所有圖像冠狀位及橫斷位圖像的大腦皮質及中心區域（側腦室旁）信號均值及標準差，計算出SNR 及CNR 值。結果（表3）顯示：8 通道橫向放置線圈冠狀位T1WI 及T2WI 圖像（皮質及中心）SNR 顯著高于小柔表面線圈（均P＜0.01）；8通道橫向放置線圈冠狀位T1WI 及T2WI 圖像（皮質及中心）CNR 與小柔表面線圈差異無統計學意義（均P＞0.05）；8 通道橫向放置線圈橫斷位T1WI 及T2WI圖像（皮質及中心）SNR 和CNR 均高于小柔表面線圈（均P＜0.01）；8 通道橫向放置線圈冠狀位及橫斷位SWI 圖像（皮質及中心）SNR 與小柔表面線圈差異無統計學意義（均P＞0.05）；8 通道橫向放置線圈冠狀位及橫斷位SWI 圖像（皮質及中心）CNR高于小柔表面線圈（均P＜0.05）。

圖3 小柔線圈的小鼠腦部圖像A.橫斷位T1WI；B.橫斷位T2WI；C.冠狀位T1WI；D.冠狀位T2WI。

圖4 8通道橫向放置線圈和小柔線圈的小鼠腦部SWI圖像比較A.8通道橫向放置線圈橫斷位SWI；B.小柔表面線圈橫斷位SWI；C.8通道橫向放置線圈冠狀位SWI；D.小柔表面線圈冠狀位SWI。

表3 2種線圈掃描圖像SNR及CNR值比較

討 論

MRI圖像質量受到多種成像因素的影響［7］，主要包括磁場強度、線圈、掃描野、層厚與層間距、矩陣、激勵次數、帶寬等。MRI是活體動物檢測的最佳途徑［8-11］，小柔表面線圈具有較高的信噪比，在關節檢查中應用較為廣泛，但表面線圈所產生的磁場不均勻，穿透深度有限，在小鼠等動物MRI 研究中質量欠佳。為了提高小鼠頭部圖像的清晰度，研究者使用了8通道小動物專用線圈。

為了探究這種線圈對小鼠頭部成像的信噪比（SNR）及其質量，我們使用西門子3.0T 磁共振儀結合8 通道動物線圈進行研究，成功實現了對小鼠腦部結構的清晰顯示，并將其與常規小柔表面線圈進行了圖像質量主觀及客觀對比。我們發現使用8 通道橫向線圈時，小鼠腦部冠狀位及橫斷位T1WI、T2WI圖像主觀評分均高于小柔表面線圈，兩者冠狀位及橫斷位SWI 圖像主觀評分差異無統計學差異；9 通道橫向線圈冠狀位及橫斷位T1WI、T2WI 圖像SNR 明顯高于小柔表面線圈，8 通道橫向線圈橫斷位T1WI、T2WI圖像及橫斷位和冠狀位SWI 圖像對比信噪比（CNR）高于常規小柔表面線圈，且這一結果在皮質及中心部位具有一致性。通過實驗得到，盡管2 種線圈圖像的SNR 及CNR 差異明顯，但無論是8 通道橫向線圈還是小柔表面線圈，其SNR 和CNR 的標準差均較大，說明這2 種線圈穩定性不佳，所以在圖像質量評價時，我們采用主觀評分結合SNR 及CNR 進行評判，更為全面，更為準確。另外，小鼠橫斷位T1WI、T2WI圖像的主觀評分、SNR 及CNR 均優于小柔表面線圈，這可能與其掃描面積大于冠狀位有關。橫斷位圖像掃描野更大，空間分辨率更高，但其也存在掃描層面較少的缺點。

8 通道橫向放置線圈具有孔徑小的優勢，能緊密包裹小鼠的頭部，周圍空隙減少，背景噪聲小，因而使圖像SNR 增加，圖像質量更好。8通道橫向放置線圈T1WI 及T2WI 圖像對小鼠細節顯示良好，能清晰顯示小鼠頭部輪廓，皮質、側腦室及海馬、紋狀體等結構，統計分析結果與此一致。本研究中掃描層厚1 mm，層間距小至0.1 mm，較小的層厚和層間距使我們能獲得更多的解剖細節。雖然過高的激勵次數還可提高SNR，但掃描時間也相應延長，時間過長小鼠易蘇醒移動，也不可取，本研究中激勵次數在4 次及以下，T1WI、T2WI及SWI掃描時間均在6 min以內，總共掃描時間在麻醉時效內，滿足掃描時間要求。我們掃描的小鼠體重20～25 g，腦部體素小，腦實質最大層面面積小于1 cm2，如果采用大鼠則能獲得更高清晰度圖像。在實驗過程中，我們嘗試對小鼠腦部DWI圖像進行調試，但8通道專用線圈在較長掃描時間情況下成像質量依舊不佳，小柔線圈則未能成功獲得DWI圖像。

綜上所述，3.0T 磁共振儀結合使用8 通道橫向放置動物線圈對小鼠頭部進行成像切實可行，通過綜合調整掃描參數，可清晰顯示小鼠腦部結構，尤其是TIWI、T2WI 和SWI，值得在實驗動物磁共振成像研究中推薦應用。