采用小动物Look-Locker反转恢复（SALLI）磁共振成像评估大鼠心脏功能与心肌形态

摘要

增强对比的心脏磁共振（CMR）成像可对心血管疾病的小动物模型进行完整的心脏体内评估。本文详细介绍了在大鼠中使用小动物Lock-Locker反转恢复（SALLI）方法进行CMR成像、重建和分析的操作步骤。

摘要

小动物磁共振成像是一种研究心脏功能及心肌组织变化的重要工具。由于小动物心率较高（每分钟200至600次），既往限制了心脏磁共振（CMR）成像的应用。小动物Look-Locker反转恢复（SALLI）是一种针对小动物的T1 mapping序列，可克服这一问题¹。T1图可提供有关组织改变和对比剂动力学的定量信息。此外，还可检测弥漫性心肌病变，如间质性纤维化或水肿^1-6。更重要的是，通过单次采集的图像数据，还可通过生成电影序列图像及反转恢复预准备的延迟钆增强型MR图像，来评估心脏功能和心肌瘢痕¹。

本视频逐步展示了进行小型动物心脏磁共振成像（CMR）的操作流程。此处以健康的Sprague-Dawley大鼠为例进行演示，但该方法自然可推广至多种心脏疾病的小型动物模型。

引言

心肌炎是急性心力衰竭、猝死以及慢性扩张型心肌病的主要病因⁷。心脏磁共振成像（CMR）已被确立为评估心脏功能和进行体内组织分析的金标准技术。新型成像技术的发展以及成像质量的提升，不仅有望提高心肌炎的诊断准确性，还有助于病理生理学研究，并加速治疗靶点的发现^8-10。小动物成像技术是心血管疾病研究的重要工具。临床上常规使用的CMR技术，例如延迟钆增强（LGE），由于小动物心率较高，难以直接应用于小动物CMR；但已有相关研究实现¹¹。小动物Look-Locker反转恢复（SALLI）方法可生成多模态图像数据集，从而实现对心脏功能和形态的全面评估（图1和图3）。本文详细展示了采用典型SALLI方案进行小动物成像的操作流程与实验设置，特别是T1成像数据集的重建与分析方法。

方案

1. 准备

1.1. 大鼠麻醉

1. 将大鼠放入预先充满异氟烷（根据容器大小，约5%浓度3分钟）的麻醉室中，以麻醉大鼠。
2. 麻醉后，取出大鼠并称重。
3. 将大鼠的鼻部置于麻醉面罩中（异氟烷2-3%与氧气1 L/min混合），以维持麻醉状态。在异氟烷麻醉期间，大鼠的心率会下降至300-340 bpm（小鼠为380-420 bpm）。

1.2. 插入尾静脉套管针

1. 用温水（38 °C）和肥皂清洗大鼠的尾巴，以使血管更易于观察。
2. 在尾巴侧面清晰可见的任一静脉处进行插管。使用 22–24 G 静脉导管，从距离尾尖约三分之一处开始尝试。
3. 如果初次尝试未成功，可向近端更靠近的位置再次尝试。
4. 采集血样用于红细胞压积分析（用于计算细胞外容积分数 = ECV）。
5. 使用皮肤胶和胶带固定静脉导管。

1.3. 电极的放置

1. 使用酒精浸湿的棉签或肥皂水清洁所有足垫。
2. 需要四个电极，每个足部一个。
3. 将电极贴附在足垫中部，并用胶带固定。
4. 将心电图导线相互缠绕或编成辫状，以尽量减少形成回路，避免对心电图信号造成干扰。

2. 扫描

2.1. 动物体位的摆放与监测

1. 将大鼠仰卧或俯卧于成像管上，并将其心脏置于线圈中心位置。
2. 调整大鼠体位，使其鼻部置于输送异氟烷麻醉气体（氧气流量1 L/min，浓度2-3%）的锥形罩内。整个成像过程中，大鼠保持自由呼吸。
3. 将体温探头置于肛门开口处，并用胶带固定于实验台上。
4. 通过温水加热系统维持体温在38±1 °C。加热垫放置于动物体下，其位置延伸至线圈外部。有关磁共振成像实验装置的更多细节，请参见示意图（图2）。
5. 连接心电图电极，待心电信号稳定后开始成像。

2.2. 扫描方案/成像参数

1. 本研究使用配备内径为70 mm环形线圈的飞利浦Ingenia 3.0T临床MRI系统 [MRI系统要求为小孔径（例如 16 cm）或大孔径（人体尺寸，例如 65 cm），并配备专用的小动物线圈、心电门控功能（可支持最高500次/分钟的心率）、氧气供应以及麻醉气体清除系统]。
2. 首先进行定位扫描，将心脏置于MRI视野中心。
3. 位置校准正确后，继续采集两腔心和四腔心电影MRI图像，以确定短轴图像序列的几何范围。
4. 对于SALLI，需在两腔心和四腔心图像上定位心腔中部的短轴层面（PreSALLI）。采用4,000毫秒的采集时长与4,000毫秒的弛豫时长组合，可充分恢复Z轴方向的磁化并防止梯度过热。为实现功能分析，相位数应至少设置为12，并采用时间欠采样因子2以加快采集速度。
5. 通过留置导管注射钆基对比剂，期间保持大鼠位置不动。等待5分钟。
6. 开始规划SALLI序列，作为多层短轴图像堆栈，至少包含7层（层厚2.4 mm）。定位时确保最远端层面位于心脏心尖下方，最上层位于心脏瓣膜远端附近。应尽量保证短轴方向垂直于室间隔。大约每30分钟（约完成三次SALLI扫描）追加一次对比剂剂量。
7. 图像采集完成后，将大鼠从扫描仪中取出，并使其从麻醉状态中恢复。

3. 图像重建

图像重建可通过使用预定义的重建参数在线进行，或使用专用的图像重建工具离线进行：

3.1. 在线重建

1. 可以定义各种参数，包括：

• 用于T1 mapping：心动周期内重建窗口的位置和宽度例如 从50到100毫秒，以在心率300次/分钟时获得收缩期T1图
• 对于IR预准备（LGE）图像：反转时间（TI）窗口的位置和宽度，以及在该窗口内需重建的图像数量例如 TI 100-300 毫秒，采集 5 幅图像，以生成 TI 为 100、150、200、250、300 毫秒的 5 幅 LGE 图像。

3.2. 离线重建

1. 使用专用软件包（Gyrotools，苏黎世，瑞士）进行图像重建时，以更具交互性的方式提取三组数据（电影磁共振、反转恢复和 T1 图谱）。
2. 通过选择相应的电影图像，调整 T1 测量时的收缩末期或舒张末期定义。
3. 将 T1 图谱以彩色图谱形式可视化。通过将鼠标悬停在感兴趣区域上获取精确数值。图像可保存为多种图像格式，用于进一步分析（例如，根据心肌和血池的对比剂前、后 T1 值计算 ECV）¹²。

结果

本文展示了来自一只健康的Sprague Dawley大鼠的研究结果。通过此前所述的良好动物准备方案，可以获得稳定的心电图（ECG）信号。类似于人类心脏MRI方案，我们首先进行扫描定位以确定心脏位置。若大鼠在线圈中的位置正确，则继续获取两腔心视图和四腔心视图，以确定SALLI序列的几何结构。

SALLI 技术可同时获取三种类型的图像。第一种是电影图像，可用于评估左心室（LV）的局部及整体功能。通过心脏磁共振（CMR）软件包可评估的 LV 参数包括收缩末期容积、舒张末期容积、射血分数以及心肌质量。第二种图像是具有不同标称反转时间（TI）的多组反转恢复（IR）图像，从中可选择对正常心肌信号抑制效果最佳的图像。这有助于最大限度地增强局灶性心肌纤维化/瘢痕区域的信号，满足延迟强化成像（LGE）的需要。第三种是生成的 T1 图。T1 图应在健康心肌区域显示出均匀的弛豫时间，如图所示。 图3 （代表性T1图）。在注射钆喷酸葡胺前，心肌的T1值短于左心室腔内血液的T1值。注射对比剂后的最初几分钟内，血液的T1值缩短程度大于心肌。尽管来自健康动物的数据显示整个心肌区...

讨论

本文介绍一种在小动物中生成多模态（电影磁共振、反转恢复和T1图）磁共振图像的方法。小动物研究在心血管疾病研究中正发挥着日益重要的作用，而心脏磁共振（CMR）是一种强大的工具，使我们能够研究心肌的功能、结构和组织成分。然而，由于小动物心率高且心脏体积小，小动物CMR面临诸多独特挑战。改进的成像方法，包括更高效利用时间的技术，将在该技术的发展中进一步发挥重要作用。

动物初始设置是本方案的关键部分。这不仅关系到能否获得最佳图像，还关系到动物在通常较长的检查过程中（包括重建在内的完整方案约需2小时）能否保持稳定。由于图像采集需依赖心电图（ECG）门控，若心电导联接触不良或ECG导线形成环路产生干扰，可能导致扫描时间延长或序列失败。因心率过高或心律失常导致ECG信号质量差，是小动物心脏磁共振（CMR）面临的主要挑战之一。此外，必须严格控制体温和麻醉状态，以获得准确且可重复的测量结果，并使动物能够耐受长时间的检查。与标准的人类CMR检查类似，首先定位心脏，随后进行两次长轴电影扫描，为后续执行短轴SALLI图像（T1图）提供依据。根据具体应用的不同，SALLI图像的采集方案有多种变体：1）单次...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
胶带（Silkafix）	Lohmann und Rauscher	34327
钆喷酸葡胺（Magnevist）	Bayer	G-00012163	2 mmol/kg
Introcan Safety-W（G24）	B. Braun	4254503-01
红色圆点新生儿监护电极（带预接导线）	3M	2269T
皮肤粘合剂（Histoacryl）	B. Braun	1050052
电子秤（型号 440）	Kern	95088
皮肤消毒剂（Softasept N）	B. Braun Petzold	360250
温度计	LumaSense Technologies	Luxtron 812