移植干细胞MRI示踪中呼吸伪影消减方法初探

【摘要】  目的： 探讨磁共振成像（MRI）示踪移植干细胞中消减呼吸伪影的方法。方法：　 成功制作的急性心肌梗死模型猪共21头，1周后实验组（15头）经冠状动脉植入超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIOs）标记的骨髓单个核细胞（BM?MNCs）；对照组（6头）注入生理盐水。4周后行ＭＲＩ检查，方法一（n＝8，2例来自对照组）：戊巴比妥钠全身麻醉，胸带加压固定后行MRＩ检查；方法二（n＝13，4例来自对照组）：戊巴比妥钠全身麻醉，气管插管，简易呼吸器控制呼吸，胸带加压固定后行MRＩ检查。扫描图像分为３个等级：图像对比度、清晰度好,评为优秀；能进行诊断但图像噪声较大，评为良好；噪声大、伪影重影响诊断或不能诊断，评为差。结果：　 方法一中优秀2例，良好3例，较差3例；方法二中优秀5例，良好6例，较差1例，因气管插管导致皮下气肿而死亡1例。方法二中图像质量优于方法一，等级秩和检验无统计学意义（Ｐ＞0.05）。结论 ：　利用简易呼吸器控制呼吸可以有效消减MRI中的呼吸伪影，但操作相对复杂，须熟练掌握气管插管术。

【关键词】  干细胞 磁共振成像 呼吸伪影 猪

    移植细胞的磁共振示踪除必须优良的标记物外，对影像质量亦提出了极高的要求，尽管目前高场强的磁共振仪已投入使用，但如呼吸伪影控制不佳，仍将使图像的空间分辨率降低，影响实验结果的最终评判。如何降低磁共振扫描中实验动物的呼吸伪影，作者对此作初步探讨。

    1  材料与方法

    1.1  实验材料

    1.1.1   实验动物  21只健康小型雄性家猪，2月龄，体重20～30kg（东南大学实验动物中心提供）。

    1.1.2  主要试剂及设备  超顺磁性氧化铁纳米颗粒（superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPIOs；东南大学纳米技术研究中心实验室制备）、氯胺酮、戊巴比妥钠、喉镜、简易呼吸器和3.0T磁共振仪（Magneton Trio，Simens Medical Systems）。

    1.2  实验方法

    1.2.1  骨髓单个核细胞（BM?MNCs)的分离、标记及培养  从猪的髂骨抽取骨髓10ml，肝素抗凝，Ficoll淋巴细胞分离液（Sigma公司）梯度离心，分离提取BM?MNCs［1］，用含10％的胎牛血清低糖型DMEM培养液调节细胞浓度至（1～2）×106ml－1，ＳＰＩＯs标记，铁最终浓度为25μg·ml－1［2］。

    1.2.2  制备猪急性心肌梗死模型及实验分组  实验动物以3％戊巴比妥钠耳缘静脉全身麻醉，Seldinger法穿刺外周股动脉，选取左前降支（left anterior descending，LAD）远端1/3为封堵处，球囊阻断血流1h，1周后１５头猪以OTW球囊导管于LAD输入标记的BM?MNCs作为实验组，6头猪注入生理盐水用作对照。

    1.2.3  磁共振成像检查  移植后4周行磁共振检查，置心电门控，行心脏长轴和短轴位扫描。在体视野(FOV)22cm×22cm；激励次数3；层厚5mm，层间距1mm；矩阵256×192。成像序列：（１）自旋回波（SE）序列为T1WI，TR 600ms，TE 22ms；(2)快速自旋回波(FSE)序列为T2WI，TR 2500ms，TE １08ms，回波链 16；（３）梯度回波序列(FE)为T2*WI，TR 600ms，TE 22ms，反转角30°［3］。磁共振检查前处理如下：

    方法一（n＝8，2例来自对照组），肌肉注射氯胺酮200～300mg，将猪仰卧固定于操作台，迅速在猪耳静脉建立静脉通路，静脉注射3％戊巴比妥钠(60mg·kg－１)麻醉，胸带加压固定后施行磁共振检查，每20～30min重复静脉注射3％戊巴比妥钠150mg，保持麻醉状态。

    方法二（n＝13，4例来自对照组），麻醉同方法一，喉镜直视下经口行气管插管，简易呼吸器控制呼吸，胸带加压固定后施行磁共振检查，扫描过程中暂停挤压气囊达到人为屏气，实验中密切观察猪生命体征。

    结果由3位多年从事影像诊断的医师进行评价，图像质量分为3个等级：图像对比度清晰度好,评为优秀；能进行诊断但图像噪声较大，评为良好；噪声大伪影重影响诊断或不能诊断，评为差。

    1.3  统计学分析

    采用SPSS 11.5软件处理，组间比较采用等级秩和检验，P<0.05表示差异有统计学意义。

    2  结    果

    2.1  核磁共振扫描结果

    根据磁共振心肌梗死判断标准，21例实验动物心肌梗死模型均制备成功，梗死部分位于左心室心尖部，部分累及室间隔、左室下后壁及部分右室下壁，表现为梗死肌壁变薄，运动减弱。与T1WI、T2WI相比，T2*WI显示SPIOs标记的移植干细胞最为清晰，实验组在梗死周边区可见模糊的点片状低信号区，与周围心肌形成对比；对照组则未见信号强度的异常变化（图1）。

    2.2  图像质量的评价

    本实验共有21头猪行磁共振扫描检查，8例采用方法一，其中图像对比清晰度好,评为优秀者2例（25.00％），图像质量一般，能进行诊断但图像噪声较大，评为良好者3例（37.50％），噪声大伪影重影响诊断或不能诊断评为差者3例（37.50％）；方法二中优秀5例（38.46％），良好6例(46.15％)，较差1例(7.69％),因气管插管导致皮下气肿而死亡1例（7.69%）,方法二组图像质量明显优于方法一组，但等级秩和检验无统计学意义（Ｐ＞0.05）。

    3  讨    论

    细胞的磁共振成像作为新兴的研究领域，其目的主要是对活体器官内的靶细胞进行定位及示踪［4］。为此，除必须对靶细胞在体内或体外进行标记外，高质量的影像学图像亦至关重要。目前，尽管3.0T等高场强的磁共振仪已投入临床使用，但如呼吸伪影控制不佳，仍将影响磁共振检查结果，导致影像形态失真、组织结构模糊、空间分辨率降低，给实验结果的诊断造成困难。目前，控制呼吸伪影的方法主要有提高梯度磁场的质量，采用快速脉冲成像序列，在保证影像质量的前提下减少影像数据的采集等等。然而能否对实验动物的呼吸运动进行控制，从根本上消减呼吸伪影？本实验组的实践表明简易呼吸器取材方便，可操作性强，能进一步改进磁共振图像的质量，提高实验结果的准确性。

    猪是一种大型实验动物，价格昂贵，为更好地进行磁共振成像检查，细节的注意十分必要：（1）良好的麻醉是完成实验的重要保障，猪对麻醉药较为敏感，剂量稍高、注射稍快，易致呼吸抑制而死亡，剂量不足，则猪频繁躁动，影响操作，本实验选用氯胺酮做诱导麻醉，继以3％戊巴比妥钠耳缘静脉全身麻醉，根据猪的生命体征，每隔20～30min定期追加，结果动物的心电图平稳，肌群松弛，麻醉效果良好。（2）猪的正常心率为55～60次·min-1，呼吸频率为12～18次·min-1［5］，实验过程中猪呼吸频率和深度的改变是常见的现象，本实验常用的通气频率，根据小型猪肺的扩张程度，控制呼吸频率为15～20次·min－1，人工屏气磁共振扫描后，予暂时性过度通气，至猪出现自主呼吸后停止辅助通气，实验过程中须密切注意动物的生命体征。（3）阿托品可以减少呼吸道分泌物,防止呕吐的发生，实验中根据猪呼吸道通畅情况，可酌情使用阿托品，但剂量不宜过大，以防心率过快，从而影响心电门控技术的使用，本实验组行气管插管术时酌情使用阿托品0.5～1mg，猪心率波动于60～80次·min-1。（4）猪的头颈部解剖结构特殊，导致喉部暴露困难，给气管插管带来了一定的难度，操作过程中应充分伸展头颈部，拉出舌头时要防止被牙齿损伤，尽量采用市售的前端较软的导丝，动作须轻柔，不可将导管强行推入喉部，否则易导致严重创伤及继发窒息，本实验中有１例因气管插管导致喉部皮下气肿而死亡。

    心血管磁共振成像的伪影主要由心脏血管的搏动及呼吸运动所造成［6］,心电门控技术的应用能使脉冲序列的发射及磁共振成像信号的采集均同步于心脏的跳动,抑制心脏大血管成像相位编码方向上的伪影,从而获得恒定的信号强度,减少了心脏的搏动伪影,保证了成像质量。呼吸运动可产生波浪状细线样伪影［7］，呼吸门控技术是通过选择性地处理呼气和吸气过程中某一时相所接受的信号来实现, 虽有效抑制了呼吸运动伪影,但不能完全消除，且容易受被检者因素的影响,临床应用时常嘱患者在平静呼吸下屏气,猪等实验动物无法自主屏气，本实验组利用简易呼吸器对猪的呼吸运动进行人为控制，结果表明这样既可以明显减弱呼吸伪影又可以使扫描层面连续, 提高实验结果的准确性。

【参考】
  ［1］GOODELL M　A,BROSE K,PARADIS G,et al.Isolation and functional properties of murine hematopoietic stem cells that are replicating in vivo［J］.J Exp Med,1996,183(4): 1797?1806.

［2］ KRAITCHMAN D　L,HELDMAN A W,ATALAR E,et al.In vivo magnetic resonance imaging of mesenchymal stem cells in myocardial infarction［J］.Circulation,2003,107(18): 2290?2293.

［3］BULTE J　W,DOUGLAS T,WITWER B,et al．Magnetodendrimers allow endosomal magnetic labeling and in vivo tracking of stem cells［J］.Nat Biotechnol,2001,19(12)：1141?1147．

［4］MODO M，HOEHN M，BULTE J　W.Cellular MR imaging［J］.Mol Imaging,2005,4(3): 143?164.

［5］江朝光.实用实验动物外科技术［M］.北京:人民军医出版社,2006:30?32.

［6］THOMPSON R B,MCVEIGH E R.Cardiorespiratory?resolved magnetic resonance imaging: measuring respiratory modulation of cardiac function［J］.Magn Reson Med,2006, 56(6):1301?1310.

［7］HATABU H,GAA J,TADAMURA E,et al.MR imaging of pulmonary parenchyma with a half?Fourier single?shot turbo spin?echo(HASTE) sequence［J］.Eur J Radiol,1999,29(2): 152?159.