Overview
资料来源：弗雷德里克·达门和克雷格·戈尔根，珀杜大学韦尔登生物医学工程学院，西拉斐特，印第安纳州
在本视频中，通过生理监测，演示了高场、小孔磁共振成像（MRI），以获取鼠心血管系统的门控膜环。此过程为评估左心室功能、可视化血管网络和量化因呼吸引起的器官运动提供了基础。类似的小型动物心血管成像模式包括高频超声和微计算机断层扫描（CT）;但是，每种模式都与应考虑的权衡相关。虽然超声波确实提供高空间和时间分辨率，但成像伪像很常见。例如，密集组织（即胸骨和肋骨）可以限制成像穿透深度，而气体和液体（即肺周围的胸膜）之间的超呼信号可以模糊附近组织的对比度。相比之下，微CT不会遭受尽可能多的平面内伪影，但具有较低的时间分辨率和有限的软组织对比度。此外，微型CT使用X射线辐射，并经常要求使用造影剂来可视化血管，这两种物质已知在高剂量下造成副作用，包括辐射损伤和肾损伤。心血管MRI通过否定电离辐射的需要和为用户提供无反光剂成像的能力（尽管造影剂常用于MRI），在这些技术之间提供了很好的折衷。
这些数据是通过触发快速低角度热（FLASH）MRI序列获得的，该序列在心脏周期的R峰和呼吸中的呼气中呼退的高原上被封闭。这些生理事件通过皮下电极和固定在腹部的压力敏感枕头进行监测。为确保鼠标正确加热，插入了直肠温度探头，用于控制 MRI 安全加热风扇的输出。一旦动物入 MRI 扫描仪的孔和导航序列运行以确认定位，门控 FLASH 成像平面被规定和获取数据。总体而言，高场核磁共振成像是一种强大的研究工具，可以为研究小动物疾病模型提供软组织对比。
Principles
磁共振成像是一种利用组织的顺磁特性来可视化软组织对比度的技术。MRI机器的孔通常使用电磁线圈包裹，当施加电流时，该线圈提供恒定的均质磁场（B0）。在呈现的高场鼠成像中，使用了7特斯拉（T）磁场强度，约为地球磁场的14万倍，是常见的临床3T和1.5T扫描仪场强度的两倍多。这种同质磁场使几乎所有活组织固有的氢质子对齐其旋转轴。然后，可以使用射频 （RF） 波将这些旋转"倾斜"到相对于旋转轴（即翻转角度）的一定角度。当质子试图放松回到原来的方向时，它们垂直于主轴的自旋成分会产生可探测的电信号。
此外，磁梯度可以干扰主磁场，并允许空间隔离的射频激发来本地化接收的信号。特定于此处描述的方法，FLASH 序列使用重复的低翻转角度激发在质子运动中诱导稳态模式。这种模式允许组织固有的动态，如在心血管系统，快速成像，并在心脏周期内实现相对稳定的快照。通过用生理信号触发FLASH序列，可以获取心血管系统的图像，突出心脏、血管和呼吸运动。
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Procedure
1. 动物准备
- 识别在笼子里成像的小鼠并将其转移到麻醉感应室。
- 使用除胶对鼠标进行麻醉，并使用脚趾捏技术确认击倒。抓住拇指和食指之间的爪子，用力捏住以检查反应。如果动物收回他们的脚，你应该等待或重新剂量与麻醉根据批准的协议。
- 检查所有进入成像设施的员工都 MR 安全。这包括去除任何磁性服装/配件，确认没有磁性植入物或心脏起搏器，以及去除含有穿孔的金属。
- 打开的分明流到MRI室的诺塞酮。这允许在小鼠转移前用麻醉剂注洗较长的管子，以确保动物不会醒来。
- 关闭离室流到麻醉感应室，并将小鼠转移到成像阶段。将鼠标放在舞台上，使心脏的大致位置与磁铁的中心对齐。
- 固定鼻锥，并使用脚趾捏技术重新确认击倒。
- 将三个心电图导线插入下皮，一条通向心脏的左右，一条位于左后肢底部。
- 使用无菌探头护套和润滑剂插入直肠温度探头。
- 将枕头呼吸传感器放在腹部的胃部区域，并用纸板将其固定到位。纸板将确保压力敏感信号。
- 确认所有生理信号都是通过扫描仪室外的监控软件获取的。如果检测到心率、呼吸速率或温度超出正常范围，请暂停成像并评估动物是否进行了适当的麻醉。如果发现动物处于危难中，麻醉给药应停止，动物应被送回笼子恢复。
- 设置加热模块和风扇，并开始加热流向动物的气流。将所有空气管固定到位，使暖空气吹向刚通过尾部的鼠标。
- 将梯度线圈放在动物上，并确保所有电缆/管都固定。
2. 心脏磁共振成像 - 此部分可适用于其他应用。
- 调谐并匹配磁体孔外的梯度线圈，以确保从受试者身上检测到最大信号。
- 缓慢地将成像阶段插入磁体的孔中，使动物直接位于孔的中心。这包括确保梯度线圈沿所有径向方向具有相等的间距。这是主磁场最均匀的位置。
- 运行本地化器/导航器扫描以确认鼠标在扫描仪中的位置。心脏的某些部分应在所有三个平面（即轴向、下垂和日冕）中可视化。如果不是这样，请重复重新定位鼠标并运行本地化器/导航扫描的过程，直到达到所需的位置。
- 设置 FLASH 序列的参数。例如：TR/TE = 8.0/2.0 ms，FA = 20°，FOV = 35 x 35 mm，矩阵尺寸 = 192 x 192，NEX = 6。然后，选择外部触发为"on"。
- 在监控软件上，配置外部触发器，以便 MRI 序列在识别心脏周期中的 R 峰时启动，并在呼气阶段呼吸稳定时启动。当满足这两个条件时，序列可以串行运行，并将获取数据。
- 在日冕视图中规定并运行初始的 FLASH 序列切片，以便切片平面沿心顶端的轴穿过主动脉瓣。这个初始的cine循环将提供心脏的两室视图。
- 参照双室视图的结果，沿顶端阀轴指定并运行新的 FLASH 序列，以可视化四室视图。
- 最后，规定一个短轴切片，该切片与心脏大约一半的中心端端瓣轴垂直。在此位置的 Cine 循环输出中，毛细管肌肉应清晰可见。
- 可以与之并行获取其他切片，以构建心脏的时间同步卷。这些卷是通过在后处理中连接相邻的 cine 循环创建的。
- 完成成像后，将采集的数据传输到适当的位置进行分析，并将动物从扫描仪中取出。
高场小孔磁共振成像（或心脏MRI）无需使用电离辐射或造影剂即可评估心血管功能。
类似的心血管成像模式包括高频超声，它从传感器发出一束声波，并记录波反射时产生的回声以生成实时图像。它提供高空间和时间分辨率的图像;然而，由于密集组织渗透深度有限，可以观察到成像伪影。
另一种成像技术是微型CT，它需要一系列X射线投影来创建3D横截面。它具有较低的时间分辨率和有限的软组织对比度，并且通常需要使用造影剂来可视化血管结构。这些已知在高剂量下会导致辐射损伤和肾衰竭。
或者，MRI使用强电磁铁根据组织的磁性特性对体内组织进行成像。在心脏MRI中，传统的MRI序列在心脏周期的R峰和呼吸中的呼气高原上被封闭，以评估心血管功能。
本视频将说明如何收集 MRI 数据与触发快速低角度拍摄，或 FLASH MRI 序列。该技术为研究小动物疾病模型提供了高质量的软组织对比。
磁共振成像是一种利用组织的顺磁特性来可视化软组织对比度的技术。MRI 机器的孔通常使用电磁线圈包裹，当施加电流时，该电磁线圈可提供恒定的均质磁场 B-零。
在高场镜像成像中，可以使用 7-Tesla 磁场强度，约为地球磁场的 140，000 倍，是常见临床 3-Tesla 和 1.5-Tesla 扫描仪场强度的两倍多。这种同质磁场使几乎所有活组织固有的氢质子对齐其旋转轴。然后，可以使用射频或 RF 波将这些自旋倾斜到相对于旋转轴（也称为翻转角度）的一定角度。
当质子试图放松回到原来的方向时，其垂直于主轴的自旋成分会产生可探测的电信号，从而产生图像。此外，磁梯度可以干扰主磁场，并允许空间隔离的射频激发来本地化接收的信号。本视频中描述的具体方法是 FLASH 序列，它使用快速重复的低翻转角度 RF 激发，以在质子运动中诱导稳定状态模式。重复时间比典型的质子放松时间短得多。
当未激发的氢（如血液中的氢）进入成像帧时，会产生相对较高的信号。这使得心血管系统能够快速成像，并在心脏周期内提供稳定的快照。通过用生理信号触发FLASH序列，可以获取心血管系统的图像，突出心脏、血管和呼吸运动。
在回顾了心脏核磁共振检查的主要原理后，现在让我们通过分步程序来准备和成像动物。
首先，确定要成像的鼠标，然后将鼠标转移到击倒室。然后，使用异法兰麻醉动物，并使用脚趾捏技术确认击倒。接下来，打开到 MRI 室鼻锥的除胶流，并将离锥流关闭到敲除室。这种麻醉剂的管质越长。
确保所有人员都 MR 安全，然后将鼠标转移到成像阶段，并将鼻锥固定在动物周围。将鼠标放置，使其心脏与 RF 线圈的中心大致对齐。接下来，使用脚趾捏技术重新确认击倒。然后，插入三个心电图引线下皮。将一个引线分别放在心脏的左侧和右侧，一个放在左后肢的底座上。
使用无菌探头护套和润滑剂插入直肠温度计探头。然后，在腹部的表观气区放置枕头呼吸传感器，并用纸板将其固定到位，以获得压力敏感信号。
确认所有生理信号都是通过扫描仪室外的监控软件获取的。接下来，设置加热模块和风扇，开始加热流向鼠标的气流。将空气管固定到位，使温暖的空气吹向鼠标，从刚过去的尾部开始。最后，将射频线圈放在鼠标上，确保所有电缆和管管都安全。
现在，让我们回顾一下分步协议，在麻醉小鼠上执行心脏 MRI。
首先，调谐和匹配磁体孔外的 RF 线圈，以确保最大信号检测。这由射频线圈每个组件的零赫兹的窄谷表示。接下来，缓慢地将成像阶段插入磁体的孔中。确保鼠标直接位于孔的中心，并且梯度线圈沿所有径向方向具有相等的间距。此位置可确保均匀的主磁场。
接下来，运行导航扫描以在扫描仪中定位鼠标。确认心脏的某些部分是否在所有三个平面中可视化，即轴向、下垂和日冕。然后，设置 FLASH 序列的参数，并选择要打开的外部触发。在监控软件上，配置外部触发器，使 MRI 序列仅在心脏周期的 R 峰上运行，在呼气阶段的稳定呼吸期间。
接下来，通过设置参数并在日冕视图中定位成像平面矩形来指定初始 FLASH 序列。然后按继续运行它，使切片平面跟随轴从心脏的顶点通过主动脉瓣。这个初始的cine循环将提供心脏的两室视图。
然后，在引用双室视图的结果时，沿顶端主动脉阀轴指定并运行新的 FLASH 序列，以可视化四室视图。
最后，规定一个短轴片，该切片与尖顶主动脉瓣轴垂直于心脏的一半左右。在此位置的 Cine 循环输出中，毛细管肌肉应清晰可见。完成成像后，将采集的数据传输到适当的位置进行分析，然后从磁体的孔中收回成像阶段，从动物身上取出梯度线圈和所有探头，然后再将动物从扫描仪床上转移。
现在，我们已经在鼠标中获得了心脏MRI，让我们回顾一下扫描结果。下图显示了左心室短轴视图的 Cine 循环，直接垂直于心脏的基顶轴，位置包括尖顶肌肉。
在这里，我们看到小鼠心脏的血肉成像与14个短轴视图快照整个心脏周期，包括端隔膜和峰值systole。左心室流明内的跌落信号区域表示血液快速移动，最初位于平面外，未被 RF 波激发标记。
这张图片显示了心脏的四室视图，明亮的血液通过斜面瓣膜和三头肌瓣，然后分别通过主动脉和肺瓣膜流出。
最后，下面是一个最大强度投影，显示了如何将多个切片在空间上组合，以可视化整个小鼠的心血管系统。图中显示了一个三维时间同步、明亮、二维血液图像，显示小鼠的胸腔和腹部区域。
现在让我们来看看这种MRI技术的其他一些应用。作为所述技术的延伸，我们可以使用这种技术来比较健康心脏与患病心脏的运动学。心脏功能障碍的Murine模型可以比在诊所中发现的模型控制得多。这使得研究人员能够识别导致心脏病的特定因素，并研究受伤后的重塑过程。
类似的研究工作可以进行与血管为重点，如腹部主动脉瘤的形成。血液使用此处描述的高场小孔MRI方法发出高强度信号。这种增加的对比可用于评估腹部主动脉瘤的扩张，并测量容器的生物力学特性的变化。
您刚刚观看了 JoVE 的心血管磁共振成像入门。
您现在应该知道如何执行心脏成像，以及如何使用标准明亮的血液 FLASH MRI 序列与心脏和呼吸信号同步获取肉眼心脏的 Cine 循环数据。最后，您还应知道如何识别这些图像中的心脏结构。感谢您的收看！
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Results
图 1显示了左心室短轴视图的 Cine 循环，该循环直接垂直于心脏的基顶轴，位置包括心室肌肉。
图1：小鼠心脏的明亮血肉成像，在心脏周期内提供14个短轴视图快照，包括端膜（t = 8）和峰值systole（t = 13）。左心室流明内的跌落信号区域表示血液快速移动，最初位于平面外，未被 RF 波激发标记。
第二个代表性的图像显示了心脏的4室视图，明亮的血液通过斜面瓣膜和三头瓣，然后分别流经主动脉和肺瓣。
图2：明亮的血液电影成像的老鼠心脏与四室视图显示端片（左）和峰值systole（右）。左心室流明内的跌落信号区域表示血液快速移动，最初位于平面外，未被 RF 波激发标记。
最后，第三个代表性的结果是最大强度投影（MIP），它显示了如何将多个切片空间结合，以可视化整个小鼠身体的心血管系统。
图3：三维时间同步的二维明亮血液图像的最大强度投影，显示小鼠的胸腔和腹部区域。从这个角度可以看出心脏、劣质的维纳卡瓦和小腹部主动脉瘤（红圈）。
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Applications and Summary
在这里，心脏MRI与心脏和呼吸门浇口结合使用，以获取鼠心的循环数据。虽然心脏是示范的重点，但心血管系统的其他区域可以按照相同的方法进行成像。尽管 MRI 不会遭受其他成像模式常见的伪影，但每个采集持续时间实现的空间分辨率也有明显的权衡。当小鼠无法承受更长的麻醉持续时间时（如在严重疾病模型中）时，这种权衡是值得关注的。尽管如此，MRI的优点是能够可视化底层组织，而不会有微CT固有的电离辐射损伤风险。 使用MRI技术，可以对心血管进行体内评估，为小动物模型中疾病进展和相关治疗反应的纵向研究奠定基础。
作为所述技术的延伸，该技术可用于比较健康心脏与患病心脏的运动学。与临床上发现的Murine模型相比，心脏功能障碍的Murine模型可以受到更多的控制，使研究人员能够识别导致心脏病的特定因素，并研究机械损伤后的重塑过程。此外，类似的研究工作可以进行与血管的焦点，如腹部主动脉瘤（AAA）形成。鉴于血液在所述方法下发出高强度信号，可以利用该对比度来评估AAA的膨胀，并测量血管生物力学特性的变化。最后，可以进行研究，研究大脑的血管化，以比较血管生成对创伤性脑损伤或中风的反应。理想情况下，与大多数临床前成像一样，高场心血管MRI等技术可以加深我们对人类疾病过程的理解，并激发对下一代诊断技术的创新。
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