Name: 无创在体内小动物的MRI和MRS:基本实验程序 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-10-20T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 27 s
Description: 学习小鼠体内无创MRI和MRS的基本实验程序，优化射频线圈调谐与脉冲序列以获取高质量图像和波谱数据。该方法有助于神经科学研究中的代谢过程分析。

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本研究部分得到了NIH/NIBIB R21EB008166（授予DL）以及NIA AG028455和NIA AG022385（授予DJM）的资助。我们感谢弗雷德·哈钦森癌症研究中心的James Olson博士提供D282肿瘤小鼠。

第一部分：磁体安全
磁共振成像（MRI）和磁共振波谱（MRS）均使用强磁场，需格外谨慎。例如，本研究使用的4.7 T仪器，其磁场强度约为地球磁场的90,000倍。即使磁共振扫描仪未在使用中，其高磁场也始终处于开启状态。任何金属物体一旦进入如此强的磁场范围，都会被磁体强烈且迅速地吸引。若实验受试者或操作人员位于飞向磁体的金属物体的路径上，则极其危险。因此，进行磁共振实验的人员在进入仪器附近区域前，应仔细检查并移除衣物上的任何金属物品，并确保周围环境无此类物体。有关磁体安全的更详细信息可参见文献1及以下网页：<a href="http://www.imrser.org/">http://www.imrser.org/</a>。金属材料的存在不仅会引发上述安全问题，还可能通过引入成像/波谱伪影而干扰实验结果。成像对象附近或内部存在的金属材料会改变局部磁场，从而在所获取的图像上产生伪影，或导致波谱谱线展宽。
因此，在对动物进行磁共振操作时，应将钱包、钥匙、笔等物品留在磁体外。
第二部分： 体内 水平磁体中老鼠的磁共振成像
MRI 动物准备
<ol>
 <li>所有动物操作在实施前必须获得机构动物照护与使用委员会（IACUC）的批准。</li>
 <li>我们使用气化异氟烷对动物进行磁共振成像（MRI）实验的麻醉。动物麻醉也可使用其他麻醉剂，如阿戊巴比妥（avertin，即2,2,2-三溴乙醇或TBE）或氯胺酮与赛拉嗪的混合制剂。每种麻醉剂的剂量信息见表1。</li>
 <li>用塑料背衬的吸水垫（蓝色垫或chuck）铺垫诱导室。将一只小鼠（或多只小鼠用于多只小鼠成像）放入诱导室中。</li>
 <li>将异氟烷蒸发器的流量计调节至0.8–1.5 L/min，然后将异氟烷蒸发器浓度调至4%，持续约2–3分钟。</li>
 <li>当动物达到外科麻醉深度（即无足趾夹捏反应）后，将其置于动物固定装置上，鼻部插入鼻罩（或面罩）。进行头部成像时可使用头部固定器，进行身体成像时可使用身体固定器。</li>
 <li>动物固定装置用于防止潜在的运动；市面上有多种商用固定装置。此外，也可根据实验设置的特殊需求定制设计固定装置。若使用定制固定装置，务必仅使用非磁性材料。</li>
 <li>在成像期间，将流量计调节至0.4–0.8 mL/min，并将异氟烷蒸发器浓度降低至1.2–1.5%。从小鼠鼻罩排出的废气通过泵收集，并导入实验室内部的真空系统中。</li>
 <li>动物的眼睛将使用无菌眼用润滑软膏保持湿润。实验期间，动物体温将通过循环温水系统维持在35–37°C。也可使用其他类型的热源，例如加热垫或将暖空气吹入射频（RF）线圈内。</li>
 <li>配备动物监测系统，用于监测体温、呼吸/心率周期，并实现呼吸/心脏门控与图像采集的同步。</li>
 <li>在动物旁边放置一个由琼脂糖制成的标准样品，用于监测信号的突发性变化。该标准琼脂样品在多层面和多时间点成像中尤为有用。当在所获取图像的某一层面中检测到意外的信号变化时，可剔除该层面；此外，在图像后处理分析中，可根据标准样品的信号变化对其实信号强度进行校正。</li>
 <li>将动物及监测组件牢固地安置在动物固定装置上后，将固定装置置于射频（RF）线圈的中心位置。</li>
 <li>将射频（RF）线圈移至磁体室，并将其插入磁体内已放置好的循环温水系统中。图2展示了从磁体孔前端观察到的磁共振成像仪的多个组成部分。</li>
</ol>
磁共振成像实验
<ol>
 <li>使用磁共振扫描仪的调谐面板，将射频线圈调谐至1H共振频率，并将线圈的特征阻抗匹配至50欧姆，以实现最佳信号接收条件。大多数用于人体的磁共振成像仪在常规成像中无需单独进行调谐/匹配操作，但在磁共振波谱（MRS）实验中除外。</li>
 <li>使用单脉冲序列进行匀场（shimming）处理。磁共振信号依赖于环境磁场的均匀性。匀场过程可使感兴趣区域内的磁场尽可能均匀。每台磁共振扫描仪均有其特定的匀场方法，包括快速自动匀场技术，如快速场图法（fast map）和梯度匀场法。</li>
 <li>通过最大化一维图像轮廓来优化射频脉冲。在保持脉冲长度恒定且重复时间（TR，即弛豫延迟）足够长（约为组织T1值的3–5倍）的条件下，可调节射频脉冲功率。</li>
 <li>沿三个正交方向采集定位像，以生成轴向、冠状和矢状图像。可采用快速成像序列（如梯度回波或快速自旋回波成像序列）采集定位像。所获得的图像将用于规划后续正式成像的扫描平面。</li>
 <li>切换至自旋回波序列。选择合适的序列参数：重复时间（TR，即弛豫延迟）应为组织T1值的3至5倍，以获取完全弛豫的图像，如质子密度加权或T2加权图像。回波时间（TE）是指第一个射频脉冲与回波信号中心之间的时间间隔。可根据所需图像对比度选择适当的TE值，具体如表2所示。图2展示了在一只背部接种异种移植肿瘤的裸鼠上，利用不同T1、T2和T2*弛豫效应获得的活体图像。</li>
 <li>T2测量可通过多回波成像或使用多个TE值的单回波成像来完成。</li>
 <li>在完成磁共振成像（MRI）/磁共振波谱（MRS）活体实验后，应对动物在整个恢复过程中进行密切监测。磁共振成像结束后，应将动物从射频线圈中取出，并持续观察直至其完全恢复后放回笼中。麻醉状态下的小鼠散热迅速，因此需用纱布垫或毛巾覆盖动物和/或提供热源，以维持体温，直至其从麻醉中完全恢复。</li>
</ol>
图像处理
<ol>
 <li>在MR控制台查看采集的图像，并将选定的数据传输至后处理计算机。</li>
 <li>我们通常使用ImageJ（<a href="http://rsbweb.nih.gov/ij/">http://rsbweb.nih.gov/ij/</a>）进行图像分析。图像分析包括图像缩放/滤波、T1、T2和扩散系数的计算、肿瘤体积测量以及肿瘤的分割。</li>
</ol>
第3部分. 垂直孔径磁体中用于小鼠后肢骨骼肌的活体磁共振波谱（MRS）
构建用于诱导可逆性缺血的套管
<ol>
 <li>取一段外径约为 5-7 mm、内径为 12-15 mm 的 PVC 管。在该管壁上钻一个小孔，并攻出螺纹。</li>
 <li>剪取一段两端开口的气球（氦气球材质效果最佳）。将此段气球从 PVC 管中穿过，并反向包裹，将两端在 PVC 管外壁上用胶带固定在一起。</li>
 <li>使用热缩管将气球两端在管子周围密封。此时应形成一个具有坚固外壁和可充气内壁的袖带。</li>
 <li>在螺纹孔周围裁剪掉部分热缩管和气球材料，注意在孔与 PVC 管边缘之间保留足够的材料。将一段长 1.5 cm 的非铁金属材料（例如黄铜）旋入 PVC 管上的孔中，以便对袖带进行充气。用 5 分钟环氧树脂密封该区域。</li>
 <li>将该袖带固定在 MRS 探头的射频线圈旁，并连接至外部血压计。</li>
</ol>
定制呼吸监测仪
<ol>
 <li>我们使用一种定制的呼吸监测仪，该监测仪设计为可兼容磁体孔径内的有限空间和受限的进入条件。市面上也有多种商用型号可供选择。</li>
 <li>将一个小气球绑在耐拉伸导管的一端，并将导管插入探头中。</li>
 <li>将导管的另一端连接至压力传感器。</li>
 <li>确保管路和气球内部无气泡。气泡会减弱因小鼠呼吸导致身体运动而引起气球受压所产生的信号。</li>
</ol>
小鼠在磁共振波谱探头中的定位
<ol>
 <li>用5%阿佛丁（Avertin）麻醉小鼠（剂量为0.010 ml/g体重）。</li>
 <li>待小鼠达到手术麻醉深度后，将其仰卧置于小鼠支撑装置上，并将充满液体的气囊放置于小鼠腹侧，用小鼠固定带将其固定。</li>
 <li>将小鼠及其支撑装置放入MRS探头中。</li>
 <li>将一条后肢穿过缺血套管和MRS线圈，尽可能使腿部位于线圈中心。此设置可使小鼠身体在垂直孔径磁体中保持水平位置（图3）。</li>
 <li>用胶带将足部固定在刚性支撑物上，以固定腿部位置。</li>
 <li>将热电偶皮下植入后肢中，但需避开线圈采样区域。</li>
 <li>使用眼用润滑软膏润湿眼睛，防止角膜干燥。覆盖小鼠眼睛和面部，避免其与探头内壁摩擦或受刺激。</li>
 <li>可根据实验的具体需求添加其他监测探头。</li>
</ol>
设置磁共振波谱实验
<ol>
 <li>将气流连接至MRS探头的加热元件。</li>
 <li>在VNMR软件中设置变温控制单元，以维持腿部温度在35–37 °C。</li>
 <li>使用MRS软件中的调谐面板，对1H和31P共振频率进行线圈频率调谐和阻抗匹配。</li>
 <li>调节匀场电路，利用1H波谱法优化感兴趣区域中B1磁场的均匀性。</li>
 <li>切换至31P频率，确定射频脉冲宽度，以从一次自由感应衰减（FID）中获得最大信号（90°时间）。</li>
 <li>采集高信噪比、完全弛豫状态下的谱图（FRS），用于确定无机磷酸盐（Pi）和磷酸肌酸（PCr）相对于ATP在完全弛豫条件下的比值。这些谱图使用90°时间采集，FID采集之间的重复时间（TR）约为PCr的T1的5倍（在7 T下为20秒）。这些数据将用于从磁共振波谱中定量分析PCr和Pi水平。</li>
</ol>
缺血实验
<ol>
 <li>一种简单的缺血扰动可通过测量缺血期间及缺血后即刻磷酸肌酸的变化，来确定静息和最大线粒体ATP生成。</li>
 <li>设置阵列以使用多光谱采集系统收集多个光谱 45° 脉宽（即 0.5 × 90° 时间）以及 TR 为 T 的 0.5 倍1 （约1.5秒）。我们通常每个谱采集4次自由感应衰减信号（在VNMR软件中平均次数（na）= 4），以获得约6秒的时间分辨率。该时间分辨率足以准确测定静息和最大线粒体ATP生成速率。</li>
 <li>采集静息状态光谱约5分钟。</li>
 <li>通过将袖带充气至270-300 mmHg，持续10-12分钟，以诱导缺血。</li>
 <li>松开袖带，并采集5分钟的恢复期光谱。</li>
 <li>将探针从磁体上取下，并将小鼠从探针中取出。在适当条件下让小鼠从麻醉状态恢复。实验可在后续几天重复进行。最后一次光谱实验结束后，取出小鼠腿部肌肉并立即用液氮冷冻夹取2 用于通过高效液相色谱法分析ATP浓度。</li>
</ol>
数据分析
<ol>
 <li>数据使用多种核磁共振谱分析程序之一进行离线分析。本实验室通常采用标准拟合2和jMRUI（http://www.mrui.uab.es/mrui/mrui_Overview.shtml）来定量峰面积。</li>
 <li>缺血期间初始的磷酸肌酸（PCr）降解速率可反映正常氧条件下线粒体ATP生成能力，这一点已在多篇文献中有所描述3-5。根据先前所述方法4,6，PCr的恢复速率可用于确定线粒体ATP生成的最大能力。</li>
</ol>
<img border="0" src="/files/ftp_upload/1592/1592fig1tmb.jpg" alt="动物加热系统设置；真空管、异氟烷管路；温度控制；实验设备。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 1"> 图 1. 从磁体孔径前端观察的活体 MRI 装置示意图。该装置包括射频线圈、动物加热系统（或称温水循环系统）和梯度插入器。所有这些组件均插入水平磁体中。温水在磁体室外的水箱中加热后，通过特氟龙管（绿色胶带标记）导入动物加热系统。水在圆筒中循环后，被抽回水箱重新加热。在 MRI 实验期间，通过异氟烷管和真空管对小鼠进行麻醉。 请<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1592/1592fig1.jpg">点击此处</a>查看此图的放大版本。
<img border="0" src="/files/ftp_upload/1592/1592fig2tmb.jpg" alt="MRI成像对比，小鼠脑部与全身，临床前研究结果。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图2"> 图2. 一只背部携带异种移植肿瘤（D282肿瘤）的裸鼠（箭头所示）的活体成像结果，显示不同的弛豫效应：A. T1加权图像（TR/TE=500/14.2 ms）。B. T2加权图像（TR/TE=2 s/40 ms）。T1和T2加权图像均采用自旋回波序列获取。C. 利用4组不同回波时间（TE）下采集的图像（TE值范围为20至80 ms）生成的T2图。D. 采用梯度回波序列获取的T2*加权图像（TR/TE=180/7.39 ms，翻转角=20度）。所有磁共振图像的视野均为35 × 35 mm2。 请<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1592/1592fig2.jpg">点击此处</a>查看该图的放大版本。
<img border="0" src="/files/ftp_upload/1592/1592fig3tmb.jpg" alt="啮齿类动物手术装置示意图；缺血单元、麻醉设备、呼吸球囊、电磁阀线圈细节。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 图3. 小鼠置于水平体位固定装置中，腿部固定于射频线圈内的示意图。 请<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1592/1592fig3.jpg">点击此处</a>查看此图的放大版本。
<img border="0" src="/files/ftp_upload/1592/1592fig4tmb.jpg" alt="ATP、PCr 和 Pi 峰的核磁共振谱图；磷代谢分析；光谱数据" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 4"> 图 4. 经历一次缺血-再灌注循环过程中的活体31P 谱图。数据采集使用 7 T 垂直孔径磁体，并采用 20 Hz 指数滤波进行谱线展宽处理。TR=1，na=4，每 20 次谱图绘制一次。 请<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/1592/1592fig4.jpg">点击此处</a>查看此图的放大版本。 
表1. 小鼠磁共振成像/磁共振波谱麻醉剂剂量。
<table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0">
<tbody>
 <tr>
 <td>动物 
 物种</td>
 <td>麻醉剂 
 药物</td>
 <td>剂量 
 （注射剂以 mg/kg 计）</td>
 <td>给药途径</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>小鼠</td>
 <td>Isoflurane 气体</td>
 <td>4.0% 持续 2-3 分钟（诱导），随后 1.2 至 1.5% 持续吸入（维持）</td>
 <td>通过鼻罩吸入</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>小鼠</td>
 <td>Avertin</td>
 <td>5%，10 ml/kg 体重</td>
 <td>腹腔注射（IP）</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>小鼠</td>
 <td>Ketamine/Xylazine</td>
 <td>100 mg/kg 和 10 mg/kg</td>
 <td>腹腔注射（IP）</td>
 </tr>
</tbody>
</table>
 表2. 具有弛豫权重的图像
<table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0">
<tbody>
 <tr>
 <td>图像加权</td>
 <td>TR（重复时间）</td>
 <td>TE（回波时间）</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>T1</td>
 <td>短（短于T1）</td>
 <td>短（短于T2）</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>T2</td>
 <td>长（T1的3 ~ 5倍）</td>
 <td>长（接近T2）</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>PD（质子密度）</td>
 <td>长（T1的3 ~ 5倍）</td>
 <td>短（短于T2）</td>
 </tr>
</tbody>
</table>
T1：自旋晶格弛豫（或纵向弛豫）时间 
 T2：自旋-自旋弛豫（或横向弛豫）时间

<ol><li>Stecco, A., Saponaro, A., Carriero, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patient+safety+issues+in+magnetic+resonance+imaging%3A+state+of+the+art%5BTitle%5D)+AND+%22Radiol+Med%22%5BJournal%5D)">Patient safety issues in magnetic resonance imaging: state of the art.</a> Radiol Med. 112, 491-491 (2007).</li>
<li>Heineman, F. W., Eng, J., Berkowitz, B. A., Balaban, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((NMR+spectral+analysis+of+kinetic+data+using+natural+lineshapes%5BTitle%5D)+AND+%22Magn+Reson+Med%22%5BJournal%5D)">NMR spectral analysis of kinetic data using natural lineshapes.</a> Magn Reson Med. 13, 490-490 (1990).</li>
<li>Amara, C. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mitochondrial+function+in+vivo%3A+spectroscopy+provides+window+on+cellular+energetics%5BTitle%5D)+AND+%22Methods%22%5BJournal%5D)">Mitochondrial function in vivo: spectroscopy provides window on cellular energetics.</a> Methods. 46, 312-312 (2008).</li>
<li>Blei, M. L., Conley, K. E., Kushmerick, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Separate+measures+of+ATP+utilization+and+recovery+in+human+skeletal+muscle%5BTitle%5D)+AND+%22J+Physiol%22%5BJournal%5D)">Separate measures of ATP utilization and recovery in human skeletal muscle.</a> J Physiol. 465, 203-203 (1993).</li>
<li>Marcinek, D. J., Schenkman, K. A., Ciesielski, W. A., Conley, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mitochondrial+coupling+in+vivo+in+mouse+skeletal+muscle%5BTitle%5D)+AND+%22Am+J+Physiol+Cell+Physiol%22%5BJournal%5D)">Mitochondrial coupling in vivo in mouse skeletal muscle.</a> Am J Physiol Cell Physiol. 286, C457-C457 (2004).</li>
<li>Paganini, A. T., Foley, J. M., Meyer, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Linear+dependence+of+muscle+phosphocreatine+kinetics+on+oxidative+capacity%5BTitle%5D)+AND+%22Am+J+Physiol%22%5BJournal%5D)">Linear dependence of muscle phosphocreatine kinetics on oxidative capacity.</a> Am J Physiol. 272, 501-501 (1997).</li>
<li>Sun, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+MRI+detection+of+gliomas+by+chlorotoxin-conjugated+superparamagnetic+nanoprobes%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">In vivo MRI detection of gliomas by chlorotoxin-conjugated superparamagnetic nanoprobes.</a> Small. 4, 495-495 (2008).</li>
<li>Marcinek, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reduced+mitochondrial+coupling+in+vivo+alters+cellular+energetics+in+aged+mouse+skeletal+muscle%5BTitle%5D)+AND+%22J+Physiol%22%5BJournal%5D)">Reduced mitochondrial coupling in vivo alters cellular energetics in aged mouse skeletal muscle.</a> J Physiol. 569, 467-467 (2005).</li>
</ol>

调谐/匹配和匀场等采集前步骤对于获得高空间分辨率和高信噪比（SNR）至关重要。在信号采集过程中，使用动物监测系统监控动物状态也非常重要，以维持动物稳定的生理状态，符合人道动物操作规范，并防止可能出现的伪影测量结果。本方案中所述的操作步骤可进行修改，以获取更多额外信息，包括扩散、灌注和血流成像以及体内的局部波谱分析。除非特定操作需要附加装置，所有动物准备步骤均应保持一致。本研究中描述的磁共振成像（MRI）和磁共振波谱（MRS）方案已应用于多个研究领域，包括用于开发靶向肿瘤的纳米探针的纵向MRI研究7，以及线粒体ATP生成的MRS研究5,8。MRI和MRS是无创观察动物解剖结构、弛豫变化或非破坏性监测代谢过程的有用技术。这两种技术均可作为纵向监测手段，用于随时间观察上述变化。针对MRS，我们设计了一种定制的射频探头，使动物可在垂直孔径磁体中保持水平位置。因此，这些实验可在任何垂直宽孔径磁体上进行，例如大多数化学系所配备的设备。

<table><tbody><tr><td>Inova 200 MR 扫描仪/4.7 T</td><td>Varian Inc., Agilent</td><td></td><td>用于小鼠 MRI</td></tr><tr><td>Inova 300 NMR 波谱仪/7 T</td><td>Varian Inc., Agilent</td><td></td><td>用于小鼠骨骼肌的 MRS</td></tr></tbody></table>

无创 体内 小动物 mri 与 mrs：基本实验操作程序

Noninvasive In Vivo Small Animal MRI and MRS: Basic Experimental Procedures

小型动物磁共振（MR）研究因其无创性以及所提供的丰富生物学信息，已成为现代生物医学研究的重要组成部分。MR 不需要使用电离辐射，与其它断层成像或光谱技术相比，能够以无创方式提供更高的分辨率和更优的信噪比。在本方案中，我们将重点介绍小型动物磁共振成像和磁共振波谱（MRI/MRS），用于无创获取弛豫加权的1小鼠的 H 图像并获取31小鼠肌肉的P谱。本工作并非旨在涵盖小动物MRI/MRS的各个方面，而是介绍小鼠MRI/MRS实验的基本操作流程。本工作的主要目标是向研究人员说明进行MRI/MRS实验所需的基本步骤in vivo小型动物的磁共振实验。目的是帮助研究人员更好地理解基本的实验操作流程，使刚进入磁共振领域的研究者能够更合理地规划研究中非磁共振部分的内容，从而实现磁共振与非磁共振实验步骤的无缝整合。

本研究描述了非侵入性小型动物磁共振成像（MRI）和磁共振波谱（MRS）的基本操作流程 体内.

无创 体内 小动物 MRI 与 MRS：基本实验操作程序

小型动物磁共振（MR）研究因其无创性以及在现代生物医学研究中的重要作用而日益成为关键组成部分。

开始本实验时，将一只麻醉后的小鼠放置在动物固定装置上，随后将该装置插入射频（RF）线圈中。在进行磁共振成像（MRI）或磁共振波谱（MRS）实验之前，需先将射频线圈调节至共振频率，并匹配至50欧姆的特征阻抗。接着，在优化脉冲序列后进行MRI或MRS信号采集，最后使用分析软件对所得图像或谱图进行分析。大家好，我是来自华盛顿大学放射学系R研究实验室的Dawn Lee。这位是David Senek，同样来自华盛顿大学放射学系及生物工程系的R研究实验室。今天我们将向您展示小鼠磁共振成像和磁共振波谱分析的实验操作流程。在我们的实验室中，我们使用这些方法来研究小鼠肿瘤模型、肌肉营养不良以及肌肉代谢。现在让我们开始吧。本方案并不旨在涵盖小动物磁共振成像（M-R-I）和磁共振波谱（M-R-S）的各个方面，而是介绍小鼠磁共振成像（M-R-I）和磁共振波谱（M-R-S）实验的基本操作流程。目的是增进对小动物活体磁共振（MR）实验基本操作的理解，使刚进入MR领域的研究人员能够更好地规划研究中非MR相关的部分，从而最终实现MR与非MR操作的无缝整合。开始磁共振成像（MRI）实验的准备工作时，将使用异氟烷麻醉的小鼠放置于动物固定装置上，使其鼻部插入鼻罩中。头部固定器可用于头部成像，身体固定器可用于身体成像。保持动物眼睛湿润，使用无菌眼用润滑软膏。实验过程中，应将动物置于温水循环系统中，保持体温在35至37摄氏度之间。使用动物监测系统监测体温、呼吸和心率周期，并同步呼吸和心脏门控与图像采集。接下来，将标准的农业样品放置在动物旁边，以监测信号的突然变化。该标准农业样本特别适用于多切片和多时间点成像。当在采集的图像中检测到某个切片出现意外信号变化时，可将该切片剔除。在动物固定稳妥且所有监测组件均已就位后，将动物固定装置置于射频（RF）线圈的中心位置。将射频线圈移入磁体室，并插入磁体内部的温水循环系统中。现在开始进行 MRI 数据采集。在成像期间，调节流量计至 0.4 至 0.8 毫升/分钟，并将异氟烷蒸发器降低至 1.2 至 1.5%。从小鼠鼻罩排出的废气通过实验室自建的真空系统抽走。为优化信号接收，将射频线圈调谐至质子¹H的共振频率，并将线圈的特征阻抗匹配至50欧姆。使用磁共振扫描仪的调谐面板时，大多数人体MRI扫描仪除MRS操作外无需单独进行阻抗匹配。开始使用单脉冲序列进行匀场。匀场过程可优化感兴趣区域中磁场的均匀性。每台扫描仪均有其特定的匀场方法，包括自动快速匀场程序，如快速图谱匀场和梯度匀场。匀场完成后，优化射频脉冲。通过最大化一维图像轮廓，可在保持脉冲长度恒定并维持足够长的或循环延迟的同时，调整射频脉冲功率。TR 应约为组织 T1 的三到五倍，以沿三个正交方向获取定位像，从而生成轴向、冠状和矢状图像。可采用快速图像采集序列来获取定位像。所获得的图像将用于规划实际成像，并确定成像平面。在实际成像过程中，采用自旋回波序列。可以通过多回波成像或使用多个T值的单回波成像来进行两次测量。完成MRI实验后，让我们观察小鼠后肢骨骼肌的活体磁共振波谱（MRS），包括静息状态和最大线粒体状态。通过MRS测量缺血期间及缺血后立即发生的磷酸肌酸变化，可以确定ATP的生成能力。首先构建一个用于诱导可逆性缺血的套管。取一段宽约5至7毫米、内径为12至15毫米的PVC管。在管壁上钻一个小孔，再剪下一小段两端开口的气囊。氦气质量的气球效果最佳。将此部件插入PVC管中，并将其向后缠绕。用胶带将末端在PVC管外壁上固定在一起。接下来，使用热缩管将气球两端固定在管子周围进行密封。应形成一个具有坚固外壁和可充气内壁的袖套。在螺纹孔周围裁剪掉相应区域的热缩管和气球。注意在孔与PVC片边缘之间留出足够的材料，将一段1.5厘米长的非铁金属丝穿入PVC的孔中，以便后续充气。使用五分钟环氧树脂密封该区域。现在将袖带固定在MRS探头的射频线圈旁，并将其连接至外部信号。连接水银血压计。然后将一只仰卧在小鼠支撑装置上的麻醉小鼠放入MRS探头中。将充满液体的气球置于小鼠腹侧，并用小鼠固定带将其固定。将小鼠及身体支撑装置放入磁共振波谱（MRS）探头中。将一侧后肢穿过缺血袖带和MRS线圈。应尽可能将动物的腿部置于线圈中心。这种设置可使动物身体保持水平。将探头置入垂直孔径磁体内部，调节、匹配并匀场，以优化磁共振波谱（MRS）的信噪比，具体操作与磁共振成像（MRI）所述相同，但在 MRS 中，通过最大化谱图信号幅度来优化射频脉冲。现在使用 P 31 MRS 采集高信噪比、完全弛豫的谱图，或使用 FRS 在完全弛豫条件下测定无机磷酸盐和磷酸肌酸相对于 TP 的比值。进行缺血实验时，首先采集约五分钟的静息状态谱图。随后通过将袖带充气至 270 至 300 毫米汞柱，持续 10 至 12 分钟，以诱导缺血状态。松开袖带，并采集五分钟的恢复光谱。实验可在后续几天重复进行。接下来，我们将展示一些体内 MRI 和 MRS 的代表性结果。裸鼠背部移植有D 2 82脑肿瘤，采用常规自旋回波序列进行成像，以观察不同的弛豫效应。在T1加权像中，肿瘤的信号强度与邻近组织相似；而在相应的T2加权像中，肿瘤则清晰地表现为高信号区域。多回波采集可实现T₂图的计算，其中包含动物体内T₂值变化的定量信息。肿瘤区域的局部T₂变化可在叠加图像上进行纵向监测。此处显示的是从小鼠后肢获得的完全弛豫的³¹P磁共振波谱。该谱图代表了16次叠加的fis。从左到右的峰依次代表以下肌肉代谢物：无机磷酸盐（Pi）、磷酸肌酸（PCr）以及三磷酸腺苷（ATP）的γ、α和β磷酸基团。在整个动态缺血-再灌注实验过程中采集的³¹P MRS谱图显示，在缺血期间，磷酸肌酸（PCr）水平下降，而无机磷酸盐（Pi）水平上升。缺血期间PCr下降的速率等于静息状态下线粒体ATP的生成速率。缺血后的PCR恢复可用于计算线粒体最大ATP生成量。我们刚刚向您展示了如何获取活体小鼠图像，并利用磁共振波谱和磁共振成像来测量活体小鼠肌肉代谢。对于磁共振波谱（MRS），我们设计了一种定制的射频探头，可使小鼠身体在垂直孔径磁体中保持水平位置。因此，这些实验可以在任何宽孔径的垂直系统上进行。在执行该操作时，重要的是要记住在最佳条件下进行，例如对射频线圈进行更好的调谐和匹配，以及改善磁场的均匀性。同时，使用动物监测系统监测动物的状态也非常重要，以维持动物稳定的生理状态，并防止出现任何潜在的人为测量误差。以上就是全部内容。感谢观看，祝您的实验顺利成功。

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