来源:Frederick W. Damen 和 Craig J. Goergen,普渡大学韦尔登生物医学工程学院,西拉法叶,印第安纳州
在本视频中,通过结合生理监测的高磁场小孔径磁共振成像(MRI)技术,获取小鼠心血管系统的门控电影图像序列。该方法为评估左心室功能、可视化血管网络以及量化呼吸引起的器…
1. 动物准备
2. 心脏磁共振成像——本节内容可根据其他应用进行调整。
高磁场小孔径磁共振成像,即心脏磁共振成像(cardiac MRI),可在无需电离辐射或对比剂的情况下评估心血管功能。
可比的心血管成像方式包括高频超声,该技术通过换能器发射声波束,并记录声波反射产生的回声,从而生成实时图像。它能够提供高空间和时间分辨率的图像;然而,由于在致密组织中穿透深度有限,可能会出现成像伪影。
另一种成像技术是微计算机断层扫描(micro-CT),它通过采集一系列X射线投影来生成三维横截面图像。该技术的时间分辨率较低,对软组织的对比度有限,通常需要使用对比剂来显示血管结构。已知高剂量的对比剂可导致辐射损伤和肾功能衰竭。
或者,磁共振成像(MRI)利用强电磁体,根据体内组织的磁性特性对其进行成像。在心脏磁共振成像中,常规MRI序列通过心电周期的R波峰值和呼吸过程中的呼气平台进行门控,以评估心血管功能。
本视频将演示如何使用触发式快速低角度激发(FLASH)MRI序列采集MRI数据。该技术可为小型动物疾病模型的研究提供高质量的软组织对比度。
磁共振成像是利用组织的顺磁特性来显示软组织对比度的一种技术。MRI 设备的腔体通常缠绕有螺线管线圈,当通以电流时可产生恒定且均匀的磁场 B-zero。
在高场强磁共振成像中,可采用7特斯拉的磁场强度,约为地球磁场强度的14万倍,超过常规临床使用的3特斯拉和1.5特斯拉扫描仪磁场强度的两倍以上。这种均匀的磁场会使几乎所有生物组织中固有的氢质子自旋轴趋于一致。随后可利用射频(RF)波将这些自旋偏转至相对于旋转轴的某一特定角度,该角度也称为翻转角。
当质子试图弛豫回其原始取向时,其自旋垂直于主轴的分量会诱导出可检测的电信号,从而形成图像。此外,可施加磁梯度来扰动主磁场,实现空间上分离的射频激发,以对所接收信号进行定位。本视频所述方法特有快速低角度激发(FLASH)序列,该序列采用低翻转角的射频激发,并快速重复施加以在质子运动中诱导出稳态模式。其重复时间远短于典型的质子弛豫时间。
当未受激发的氢原子(例如血液中的氢原子)进入成像区域时,会产生相对较强的信号。这使得能够快速对心血管系统进行成像,并在心动周期内提供稳定的图像快照。通过利用生理信号触发FLASH序列,可以获得突出显示心脏、血管及呼吸运动的心血管系统图像。
在回顾了心脏磁共振成像的主要原理之后,现在让我们逐步介绍准备和成像动物的具体操作流程。
首先,确认需要成像的小鼠,然后将小鼠转移至麻醉诱导室。接着,使用异氟烷对动物进行麻醉,并通过夹趾法确认麻醉效果。随后,打开磁共振成像室中向鼻罩输送异氟烷的气流,同时关闭向麻醉诱导室输送异氟烷的气流。此举可使较长的管路预先充满麻醉气体。
确保所有人员符合磁共振安全要求,然后将小鼠转移至成像台,并将鼻罩固定在动物周围。调整小鼠位置,使其心脏大致与射频线圈中心对齐。接着,使用脚趾夹捏法重新确认麻醉深度。随后,将三个心电图电极皮下插入,分别置于心脏左侧、右侧各一个,另一个置于左后肢基部。
使用无菌探头套和润滑剂插入直肠温度计探头。然后将枕头式呼吸传感器放置于腹部的上腹部区域,并使用纸板固定,以获取压力敏感信号。
确认所有生理信号均通过扫描室外的监测软件正常采集。接下来,启动加热模块和风扇,开始对小鼠进行暖风加热。固定好通气管路,使暖风吹向小鼠,起始位置略超过其尾尖。最后,将射频线圈置于小鼠上方,并确保所有电缆和管路均已固定稳妥。
现在让我们回顾一下在麻醉小鼠上进行心脏磁共振成像的逐步操作流程。
首先,将射频线圈置于磁体孔外进行调谐和匹配,以确保最大信号检测。这表现为射频线圈每个组件在零赫兹处出现一个狭窄的谷值。接下来,缓慢将成像平台插入磁体孔内。确保小鼠位于磁体孔的正中心位置,且梯度线圈在所有径向方向上间距相等。此位置可保证主磁场的均匀性。
接下来,运行定位扫描以确定小鼠在扫描仪中的位置。确认心脏的某一部分是否在所有三个平面(即轴向、矢状向和冠状向)中均可见。然后,设置FLASH序列的参数,并启用外部触发。在监测软件中配置外部触发,使MRI序列仅在呼气相稳定呼吸期间的心动周期R波峰值时依次运行。
接下来,通过设置参数并在冠状面视图中放置成像平面矩形来确定初始的 FLASH 序列。然后按继续运行,使切片平面沿从心尖穿过主动脉瓣的轴线进行。该初始电影循环将提供心脏的两腔视图。
然后,参考双腔心切面的结果,沿心尖-主动脉瓣轴线设定并运行一个新的FLASH序列,以获取四腔心切面图像。
最后,设定一个短轴切面,该切面应垂直于心尖至主动脉瓣轴线,并大致位于心脏的中点位置。在此位置,电影循环图像中应能清晰显示乳头肌。成像完成后,将采集的数据转移至适当位置进行分析,随后将成像支架从磁体孔中撤出,并在将动物移出扫描床前,取下梯度线圈及所有探头。
现在我们已经获得了小鼠的心脏磁共振成像,接下来让我们回顾扫描结果。该图像显示了左心室短轴切面的动态电影序列,切面方向与心脏基底-心尖轴线垂直,并包含乳头肌结构。
在此,我们观察到小鼠心脏的血流电影成像,共包含心脏周期中14个短轴切面的图像快照,涵盖舒张末期和收缩高峰。左心室腔内信号缺失的区域表明存在快速流动的血液,这些血液最初位于成像平面之外,未被射频脉冲激发所标记。
该图像显示了心脏的四腔心切面,可见明亮的血流经二尖瓣和三尖瓣流入,随后分别经主动脉瓣和肺动脉瓣流出。
最后,这是一张最大强度投影图,展示了如何将多个切片在空间上进行组合,以可视化整只小鼠的心血管系统。该图像显示了一个三维图像序列,包含时间同步的、明亮的二维血液图像,呈现了小鼠的胸腔和腹腔区域。
现在让我们来看一下这种 MRI 技术的其他一些应用。作为所描述技术的延伸,我们可以利用该技术比较健康心脏与病变心脏的运动学特征。心脏功能障碍的小鼠模型相比临床病例可实现更精确的控制,这使得研究人员能够识别出导致心脏病的特定因素,并研究损伤后的心脏重构过程。
可以开展类似的研究工作,但侧重于血管方面,例如腹主动脉瘤的形成。采用本文所述的高磁场小孔径磁共振成像方法,血液会呈现高强度信号。这种对比度的提升可用于评估腹主动脉瘤的扩张情况,并测量血管生物力学特性的变化。
您刚刚观看了 JoVE 关于心血管磁共振成像的简介。
现在您应该已经掌握了如何进行心脏成像,以及如何使用与心电和呼吸信号同步的标准亮血FLASH MRI序列获取小鼠心脏的电影循环图像数据。最后,您还应了解如何在这些图像中识别心脏结构。感谢观看!
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Q1: How does cardiac MRI compare to other small animal cardiovascular imaging techniques?
Cardiac MRI offers advantages over alternative modalities. High-frequency ultrasound provides excellent spatial and temporal resolution but suffers from imaging artifacts due to limited penetration in dense tissue. Micro-CT avoids these artifacts but has lower temporal resolution, limited soft tissue contrast, and requires contrast agents that cause radiation damage and renal failure at high doses. Cardiac MRI eliminates ionizing radiation and enables imaging without contrast agents, providing a balanced approach.
Q2: What is the FLASH sequence and why is it used in cardiac MRI?
FLASH (Fast Low Angle SHot) is an MRI sequence using low flip angle radiofrequency excitations rapidly repeated to induce a steady state pattern in proton motion. The repetition time is much shorter than typical proton relaxation time. This technique allows unexcited hydrogen in blood to produce relatively high signal, enabling rapid cardiovascular imaging and stable snapshots within the cardiac cycle when triggered by physiologic signals.
Q3: How does the magnetic field strength in high-field MRI affect imaging quality?
High-field MRI employs 7-Tesla magnetic field strength, approximately 140,000 times Earth's magnetic field and more than double common clinical scanners at 3-Tesla or 1.5-Tesla. This stronger homogeneous magnetic field causes hydrogen protons to align their rotation axes more effectively. The increased alignment enhances signal detection and enables high-quality soft tissue contrast for studying small animal disease models.
Q4: What physiological signals are monitored during cardiac MRI procedures?
Cardiac MRI monitoring includes three key physiological signals. Electrocardiogram leads detect R-peaks in the cardiac cycle for triggering image acquisition. A pressure-sensitive pillow on the abdomen monitors respiration, allowing imaging during stable expiratory phases. A rectal temperature probe tracks body temperature to control heating module output, ensuring proper animal thermoregulation throughout the procedure.
Q5: What cardiac structures are visualized in different MRI imaging planes?
The two-chamber view along the apex-aortic valve axis visualizes the left ventricle and atrium. The four-chamber view shows all cardiac chambers with bright blood inflow through mitral and tricuspid valves and outflow through aortic and pulmonary valves. Short axis slices perpendicular to the apex-aortic valve axis reveal the left ventricle with distinctly visible papillary muscles, enabling assessment of cardiac function.
Q6: How does signal dropout in cardiac MRI relate to blood motion?
Signal dropout regions within the left ventricular lumen indicate fast-moving blood that was originally out of plane and not tagged by radiofrequency wave excitation. This phenomenon occurs because unexcited blood entering the imaging frame produces high signal, but blood moving rapidly out of the imaging plane before excitation appears as signal loss, providing functional information about blood flow dynamics.
Q7: What research applications does cardiac MRI enable for disease modeling?
Cardiac MRI allows researchers to compare kinematics of healthy versus diseased hearts using controlled murine disease models. This capability enables identification of specific factors contributing to heart disease and study of cardiac remodeling after injury. Additionally, vascular-focused applications assess abdominal aortic aneurysm formation by exploiting blood's high signal intensity to measure vessel expansion and biomechanical property changes.