大鼠颈髓扩散成像

本实验的总体目标是获得高质量的大鼠脊髓扩散加权磁共振成像，以无创地表征组织微结构。首先需将大鼠正确固定于磁共振扫描仪中，并实施适当的制动和呼吸监测，以完成准备步骤。第二步是进行定制化的扩散加权磁共振成像扫描，并结合呼吸门控技术。

接下来，对图像进行磁敏感伪影校正。最后一步是将磁共振信号拟合到数学模型中。最终，通过比较感兴趣区域内的模型参数，可以揭示组织微结构的特性。

与现有的离体扫描等方法相比，该技术的主要优势在于其可转化为临床诊断应用。该方法有助于回答脊髓损伤领域的一些关键问题，例如继发性损伤机制的识别以及恢复预后的评估。在进行本方案中的操作步骤之前，将由本实验室的技术人员 Natasha Wilkins 和 Matt Renquist 演示该实验流程。

首先，需获得相关机构动物护理与使用委员会对所有操作步骤的批准。开始时，将大鼠置于诱导室中，使用含5%异氟烷的医用空气进行麻醉。当 paw withdrawal（足部回缩）和 writing reflex（屈肌反射）消失时，将麻醉浓度降低至2%。随后将动物以头部优先的俯卧位转移至扫描仪床。

在整个操作过程中，通过鼻罩持续维持2%异氟烷，医疗空气流速保持在每分钟约一升。同时，在大鼠眼睛上涂抹少量润滑性眼膏，以避免麻醉期间角膜受损。将呼吸监测带牢固地环绕于大鼠躯干，并连接至呼吸门控系统。

检查呼吸监测计算机，确保呼吸周期清晰且稳定。必要时调整绑带，因为此步骤对图像质量至关重要。使用暖空气加热系统，并通过直肠探针监测和维持动物体温，确保其保持在37摄氏度。

通过将麻醉水平调节在1.2%至2%之间，维持呼吸频率在每分钟30至45次。现在，将大鼠置于头部固定装置中，使用咬合杆，并旋入耳杆，然后将头部滑入四通道容积线圈，直至颈椎位于线圈中心。最后，如适用，将大鼠及其支撑装置推进扫描仪孔内，根据厂商说明调节线圈的调谐和匹配电容至适当频率和阻抗。获取默认的三平面定位扫描图像，以确认位置正确。

首次扫描将启动磁共振成像系统的一系列自动化程序，用于检测共振频率、匀场、射频功率校准以及接收增益调节。请确认颈椎中心与磁体中心及磁共振线圈中心对齐。然后在成像方案中添加一个回波平面扩散加权自旋回波序列。

采用序列默认设置，但规定采集12层切片，每层切片厚度为0.75毫米，并使切片方向垂直于颈髓的主轴。以小脑底部作为内部参照，以确保不同动物及不同扫描会话之间切片位置的一致性。开启饱和带。

然后在脊髓外侧放置四个厚度为10毫米的饱和带，以最小化这些组织的信号并降低其产生伪影的可能性。同时，务必开启呼吸门控。现在，使用屏幕上显示的扩散等待参数设置序列。

然后开始扫描。整个扫描过程的总采集时间约为25分钟。监测呼吸门控软件，并调整触发信号与MRI系统信号之间的延迟时间，以确保采集仅在呼吸周期的静息阶段进行。

请注意，根据动物的呼吸模式，需要设置 100 至 400 毫秒之间的触发延迟，以减少呼吸运动引起的伪影。如果条件允许，在完成成像后，可将自定义反向回波设为开启状态，重复该序列。

将动物从固定装置中取出并放回笼中。监测动物直至其恢复意识。保持胸卧位。

首先进行磁敏感伪影校正，开始图像处理。然后使用 FSL 或其他 MRI 软件包提供的工具，将每次扫描中的 B 等于零的图像提取到一个单独的文件中。此处显示了示例代码。

每个相位编码方向需提供一个文件。接下来，使用 FSL 中的 top-up 命令创建校正文件，以减少图像失真伪影。将此校正应用于原始 DWI 图像，用于生成参数图。

将此校正后的DWI文件载入FSL查看器并选择文件。从菜单中创建掩模。使用铅笔工具在单一组织类型内绘制感兴趣区域。

保存此文件，并对其他任意感兴趣区域（ROI）重复上述操作。使用 ROI 文件对 DWI 文件进行掩模处理，然后计算每个图像体积中 ROI 内的平均信号。将前八个结果作为横向信号的向量，后八个结果作为纵向信号的向量，复制到 MATLAB 等数值计算程序中，其中八为所使用的 b 值数量。

同时将B值作为包含八个B值的向量输入程序中。如果可能，横向和纵向方向的B值应保持一致。有效B值应从扫描仪中获取，而非使用标称B值。

使用曲线拟合工具箱将信号与B值数据拟合到所需模型。在命令提示符下输入 CF tools，选择B值作为X数据，信号向量作为y数据。然后选择拟合菜单并输入拟合方程。

请注意，在输入方程时，可能需要为变量设置更符合数据实际情况的初始值和限制范围。将方程拟合后，记录用作定量标志的参数值。该图像显示了在沿脊髓主轴横向和纵向施加扩散加权时获得的高质量扩散加权图像。

不同方向的B值显示出白质与灰质之间最佳的对比度。左侧一列显示的是使用DWI序列成像的一个切片。中间一列显示的是采用反向blip采集的图像。

注意观察在第一幅图像中显得拉伸的特征，在中间一列中则呈现为压缩状态。右侧一列显示的是使用 top-up 校正后的扩散加权图像。最上方一行是非扩散加权图像。

中间一行显示了在横向方向上施加的扩散加权，底部一行显示了在纵向方向上施加的扩散加权。在此，我们可以看到归一化信号随横向和纵向扩散编码方向的扩散加权变化的曲线图。从每个体素的信号中可计算出高质量的扩散率、峰度和各向异性图谱。

白质与灰质之间的参数存在明显差异，同时白质区域之间也存在区域性差异。在实施该操作时，重要的是要密切监测动物的呼吸，并根据麻醉水平的变化及时调整，以减少运动伪影。这一点在受伤的大鼠中尤为重要，因为这些动物可能出现呼吸频率异常或其他生理并发症，可能需要对操作流程进行相应调整。