来源：Ouyang, Y., 等．小鼠脑缺氧缺血期间的同步PET/MRI成像．J. Vis. Exp. (2015)
本视频演示了一种通过正电子发射断层扫描（PET）与磁共振成像（MRI）同步进行来评估脑缺氧损伤的技术。对一只麻醉小鼠进行颈总动脉（CCA）结扎，以减少单侧大脑半球的血流，使其易于发生缺氧性损伤。利用PET和MRI成像评估缺氧期间的葡萄糖代谢变化及脑结构改变。MRI可检测到水分子扩散受限，而PET则显示葡萄糖摄取减少，提示缺氧引起的细胞应激及代谢功能障碍。
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小鼠模型中脑缺氧-缺血所致脑损伤的成像
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2025年6月17日
本文内容
摘要
方案
所有涉及动物模型的操作均已经过当地机构动物护理委员会和 JoVE 兽医审查委员会的审核。
1. 单侧颈总动脉（CCA）结扎
- 准备好无菌区域，将已灭菌的手术器械和材料放置在方便取用的位置。确保加热垫已预热至 37 °C，并将温度探头牢固地放置在垫上。务必使用无菌手术单覆盖手术区域。
- 麻醉动物（异氟烷，1-3% 混合空气，流速 0.5-1 L/min），将动物仰卧放置，尾部朝外。通过轻捏脚趾检查麻醉深度——若动物已充分麻醉，则无反应。在眼睛上涂抹眼用软膏。
- 用1-2根棉签将脱毛膏涂抹于下颈部至胸部上部区域。等待1-3分钟，然后用湿纱布或酒精棉签擦去毛发和脱毛膏。用碘伏以由内向外的环形方式擦拭手术切口区域，随后更换为无菌外科手套。
- 使用手术剪刀，在颈部下部中线处做一个约1厘米长的切口。用手术剪刀小心地将表层皮肤与周围筋膜分离。
- 使用两把McPherson显微虹膜缝合镊，将右侧颈总动脉从筋膜中分离，注意避免损伤静脉或扰动迷走神经。
- 用右手持镊子将右侧颈总动脉（CCA）稳定地牵出。滴加数滴生理盐水以防止干燥。取一段适当长度（2–3 cm）的6-0丝线，从右侧颈总动脉下方穿过，并用双重方结结扎。可选择使用另一段6-0丝线再次结扎。
- 将右侧CCA复位，并使用无菌海绵拭子清除切口处多余液体。用6-0丝线缝合切口。局部应用利多卡因，剂量不超过7 mg/kg。
- 待动物从麻醉中恢复至可自主行走（约30分钟），并进行术后监测，直至动物准备进行成像。
2. 成像前准备：系统与硬件检查
- 设置 MRI 和 PET 系统的硬件和软件，并按以下步骤检查其功能。确保所有物理连接牢固，软件设置选择正确。
- 使用风冷系统确保PET系统的运行温度达到规定的5 °C。
- 将PET系统安装至MRI孔径内，利用已知的轴向偏移量对齐PET与MRI的视野（FOV）中心。将MRI线圈安装至PET系统的孔径内，并使线圈中心与PET系统及MRI磁体中心对齐。
- 打开PET电子设备以提供电源和偏置电压（注意：具体步骤因仪器而异）。使用68Ge圆柱体进行一次快速扫描（5分钟），并检查生成的正弦图，以确保所有探测器均正常工作。
- 可选地获取用于 PET/MRI 转换矩阵的数据，以用于配准目的：填充一个三维模体（例如，三个装满200 µCi 18F水溶液的球体）进行15分钟PET采集。采集解剖学MRI数据：在扫描控制窗口中选择多层面多回波（MSME）序列（参见 表1对所有三个主要方位重复上述操作：轴向、矢状向和冠状向。
- 检查输注泵的设置和运行情况。将泵速设置为 4.44 µl/分钟，在持续输注 45 分钟后可输送总量为 200 µl 的液体，这是 20 g 动物静脉（i.v.）注射通常推荐的体积上限。
- 检查加热装置的工作状态，确认温度输出足以维持动物体温（37 °C）。检查温度和呼吸监测设备是否正常运行，为将动物放置于动物床做好准备。
- 检查氧气和氮气流量计的运行情况（0.5 L/min时：氧气为57.2 mg/min，氮气为0.575 g/min），操作时需在关闭压缩空气气源、打开氧气和氮气气源的条件下通电。为避免损坏流量计，切勿在输入压力不足的情况下开启。
- 确保异氟烷蒸发器已充分填充。成像前，以1-2%的异氟烷浓度和0.5至1 L/min的流量开始麻醉。
- 通过确保麻醉、呼吸垫和加热系统已稳固放置并正常工作，来准备动物床。为提高PET/MRI联合配准的准确性，使用定位标记（例如，可将装有与成像注射浓度相似的放射性示踪剂的毛细管置于动物床面，并位于视野范围内。
3. 成像工作流程
完成所有必要的设备检查后，按以下步骤进行成像：
- 使用异氟烷麻醉动物，并插入尾静脉导管（28 G 针头，PE-10 管路长度小于 5 cm），导管内充满肝素化生理盐水（10 ml 生理盐水中含 0.5 ml 肝素，1,000 USP/ml）。加热动物和/或尾部可提高导管插入的准确性。可选择在插入部位滴加一滴氰基丙烯酸酯粘合剂，以固定静脉输液管路。
- 将动物转移至准备好的动物床。确保动物头部固定牢固，上门齿由门齿杆固定，如使用耳杆，也应就位。
- 在眼睛上涂抹眼用软膏以防止干燥。插入直肠探针式体温计。确保温度和呼吸读数正常工作。
- 抽取待注射的放射性示踪剂剂量（约 600 µCi，溶于 200 µl 溶液中），注入适当长度的肝素化 PE-10 管路中——PE-10 管路长度约为 3 m，体积为 200 µl。将该管路一端连接至输注泵注射器，另一端连接至尾静脉导管管路，注意避免刺穿管路。
- 将动物床向前滑入磁体孔内，确保不扰动 MRI 线圈以及任何管线或电缆，尤其是麻醉气体管路。确保脑部中心与 MRI 线圈、PET 系统及 MRI 磁体的中心对齐。
- 通过旋转线圈上的调节旋钮，对 MRI 线圈进行调谐和匹配，观察高功率前置放大器的显示，使阻抗（参见线圈规格）和频率（7 特斯拉下 ¹H 为 300 MHz）失配最小化。
- （MRI）调谐和匹配完成后，获取定位像：在扫描控制窗口中选择快速自旋回波成像（RARE）三平面定位序列并运行。检查动物位置，必要时重复步骤 3.5 和 3.6。将匀场参数重置为零。
- （MRI）在脑内某一感兴趣体积内获取局部点分辨波谱扫描（PRESS）：运行 PRESS 序列（见表 1），设定为 3.9 mm × 6 mm × 9 mm 的矩形体积。使用 CalcLineWidth 宏命令检查水峰线宽。若半高全宽（FWHM）值可接受（例如，小于 0.2 ppm），则继续执行步骤 3.10；否则，执行步骤 3.9。
- （MRI）获取场图：运行 FieldMap 序列（见表 1）。利用所得数据运行 MAPSHIM 宏命令，选择线性及二阶（z²）局部调整，进行多角度投影匀场（MAPSHIM）。重复步骤 3.8。
- （MRI）设定扩散加权成像（DWI）扫描的切片平面（见表 1）：使用几何编辑器（Geometry Editor），确保采集视野（FOV）覆盖脑内目标感兴趣区域。若所得切片平面符合预期，可在扫描控制窗口中复制此切片平面用于后续所有 DWI 扫描。开始采集。
- （PET）在 PET 采集准备就绪后，启动输注泵。待预定延迟时间（导管内生理盐水已注入）后，开始 PET 采集（见表 1），以捕捉放射性示踪剂进入过程。监测计数率，观察计数是否逐渐上升，以判断注射是否成功。
- 10–15 分钟后，在执行步骤 3.12 的同时启动缺氧刺激。启动缺氧刺激时，关闭医用空气气流，立即根据预设参数开启氧气和氮气流量计，提供 8% 氧气和 92% 氮气混合气体，并将异氟烷浓度降至 0.8%。切勿在无输入压力的情况下开启流量计。
- （MRI）与步骤 3.12 同时，开始执行步骤 3.10 中准备的 DWI 采集（扫描“H1”）。
- （MRI）在扫描 H1 完成后，立即开始执行步骤 3.10 中准备的 DWI 采集（扫描“H2”）。通过关闭流量计、恢复医用空气气流，并根据生理监测结果将异氟烷浓度调回适当水平，结束缺氧刺激。
- （MRI）执行步骤 3.10 中准备的缺氧后 DWI 扫描。此扫描完成后，关闭输注泵。
- （MRI）获取轴向和矢状面解剖图像。在扫描控制窗口中选择 MSME 序列（见表 1）。使用几何编辑器，确保采集视野覆盖整个脑部。
- 取出动物，待其恢复自主活动后放回笼中，监测发病迹象；必要时以 CO2 窒息实施安乐死，辅以颈椎脱位作为二次确认方法。
表1. 本方案中所述扫描的MRI脉冲序列参数，以及PET采集、直方图和重建参数。
| 成像采集参数与硬件采集 | |
| 弥散 MRI（EPI-DWI） | |
| 采集时间 | 15 分钟 |
| 矩阵大小 | 256 × 64 |
| 层数 | 10 |
| 视野（FOV） | 30 × 14 × 8 mm |
| 体素大小 | 0.117 × 0.219 × 0.8 mm |
| 有效谱带宽 | 150 kHz |
| TE | 41 毫秒 |
| TR | 3,000 毫秒 |
| 平均次数 | 6 |
| k空间分段数 | 16 |
| b值 | 0, 400, 800 sec/mm² |
| 解剖 MRI（MSME） | |
| 采集时间 | 5 分钟 |
| 矩阵大小 | 256 × 256 |
| 层数 | 16 |
| 视野（FOV） | 30 × 22 × 12.8 mm |
| 体素大小 | 0.117 × 0.086 × 0.8 mm |
| TE | 14 毫秒 |
| TR | 1,000 毫秒 |
| 平均次数 | 1 |
| 重复次数 | 1 |
点分辨波谱扫描 （PRESS） | |
| 采集时间 | 15 秒 |
| 体素大小 | 3.9 × 6 × 9 mm |
| TE | 20 毫秒 |
| TR | 2,500 毫秒 |
| 平均次数 | 6 |
| 场图（FieldMap） | |
| 采集时间 | 1 分 21 秒 |
| 第一 TE | 1.49 毫秒 |
| 第二 TE | 5.49 毫秒 |
| TR | 20 毫秒 |
| 平均次数 | 1 |
PET 采集、直方图 与重建参数 | |
| 示踪剂 | [18F]FDG |
| 输注速率 | 4.44 µL/min |
| 采集时间 | 60 分钟 |
| 每层图像大小 | 128 × 128 |
| 层数 | 99 |
| 体素大小 | 0.4 × 0.4 × 0.6 mm |
| 动态帧采集 | 12 × 300 秒 |
| 重建类型 | OS-MLEM（6 个子集，6 次迭代） |
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 手术 | |||
| 手术剪 | Roboz | RS-5852 | |
| 镊子 | Roboz | RS-5237 | |
| 哈特曼蚊式止血钳 | Miltex | 7-26 | |
| 2×麦克弗森缝合镊，8.5 cm | Accurate Surgical & Scientific Instruments | 4473 | 使用绑带减小用于夹持颈动脉的镊子的开口宽度较为有利 |
| 6-0 硅涂层编织丝线，带 3/8 C-1 针 | Covidien Sofsilk | S-1172 | |
| 恒温毯系统 | Harvard Apparatus | 507220F | |
| 超级胶水 | (通用) | ||
| 低氧 | |||
| 氧气流量计 | Alicat Scientific | MC-500SCCM-D | |
| 氮气流量计 | Alicat Scientific | MC-5SLPM-D | |
| 氧气检测仪 | MSA | Altair Pro | |
| 成像 | |||
| 7.05 特斯拉磁共振成像系统 | Bruker | BioSpec | 内径 20 cm，配备梯度线圈组，使用 Paravision 5.1 软件 |
| 体积射频发射/接收线圈（¹H），35 mm 内径 | Bruker | T8100 | |
| 正电子发射断层扫描系统 | (自制) | 4×24 LSO-PSAPD 探测器 | |
| 每个探测器含 10×10 LSO 阵列 | |||
| 晶体间距 1.2 mm，深度 14 mm。14 × 14 mm PSAPD。视场：60×35 mm。能量窗：350–650 keV。时间窗：16 ns | |||
| 血管插管杜蒙特镊 | Roboz | RS-4991 | |
| PE-10 聚乙烯导管 | BD Intramedic | 427401 | |
| 输注泵 | Braintree Scientific | BS-300 | |
| 动物监测与门控设备 | Small Animal Instruments Inc. | Model 1025 | 仅使用呼吸监测功能 |
| 带温度调控功能的动物床 | (自制) |
