实验动物是医学研究的重要组成部分，食品药品安全、疫苗、生物制品的开发以及人类疾病发生、发病机理研究等都离不开实验动物^[1,2]。KM小鼠与人类在遗传学、病理学和生物学等许多方面都非常相似，是动物研究的理想对象。并且MRI可对动物模型进行活体成像，非创伤性地获得解剖及生理资料，对于监测动物模型的疾病进展变化具有高软组织分辨率、多种对比及多参数成像的特点，特别适用于无法对人体反复多次观察成像的研究。由于KM小鼠一般体重仅25~35 g，头尾长不超过12 cm，因此对于活体MR成像具有一定的挑战，需配合特殊定制线圈。目前，国外多采用7.0 T以上超高场强小空径MR扫描仪进行小鼠和裸鼠成像，对小鼠或裸鼠这类小动物成像多在7.0 T、9.4 T、11.0 T等超高场强上获得成像，图像质量虽然清晰^[3,4]，但因其设备成本价格及维护成本过高，国内大多使用1.5 T、3.0 T临床应用型磁共振对小鼠或裸鼠进行扫描。其成像速度及图像对比都低于7.0 T以上超高场小孔径扫描仪。采用临床应用场强3.0 T多个时间点反复成像的研究，其实验细节需要配合麻醉及优化成像流程，减少操作时间，才能完成无法在人体进行的精确多时点成像。特别是由于KM小鼠体重较轻，即使在定制的多通道动物线圈帮助下，仍然会出现定位扫描时难以探测出来，从而使定位失败，难以进入正常扫描流程，最终使需要精确控制各时间点成像的研究难以顺利完成。本研究拟通过结合3D打印优化改良的动物线圈平台，该线圈中心放置的空心支架内部可填充生理盐水，从而增加线圈中心的氢质子密度^[5]，最终实现高扫描成功率，为类似的研究提供解决方案和实验数据。

1　材料与方法

       本实验研究经过华中科技大同济医学院附属同济医院伦理委员会批准。

1.1　实验动物、主要仪器及材料

       KM荷瘤小鼠6只，体重（28±2) g，由华中科技大同济医学院实验动物中心提供。3.0 T MRI扫描仪(Skyra，西门子），5 cm的8通道相阵列线圈（辰光公司）。委托第三方公司采用表面扫描重建并设计完成适合线圈内径形状的动物平台，3D打印材料为Veroclear彩色光敏树脂材料。制成3D支架，其内中空可注入生理盐水。支架上部平整，支架下面与线圈完全吻合，可将小鼠正好置于线圈中心位置。

1.2　KM小鼠MRI扫描

       取6只KM荷瘤小鼠，经腹腔注射5％水合氯醛(6 mL/kg)麻醉后，采用胶带俯卧固定于动物定型模板上，该动物定型板直径小于线圈内径，可迅速替换。扫描序列：T1WI、T2WI。(1）冠状位T2WI参数：TR 2400 ms，TE 79 ms，矩阵256×256，翻转角度160° ，层厚2 mm，层间距0.2 mm；(2）横轴位T1WI参数：TR 350 ms，TE 17 ms，矩阵256×205，翻转角度160° ，层厚1 mm，层间距0.1 mm；(3）横轴位T2WI参数：TR 2200 ms，TE 87 ms，矩阵192×173，翻转角度160° ，层厚1 mm，层间距0.1 mm。

1.3　磁共振动物线圈支架三维模型构建

       对5 cm动物线圈进行表面扫描，自动重建出数据将STL格式文件导入3D打印机，采用Veroclear彩色光敏树脂材料，形成目标支架模型的外形（见图1)。

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图1  动物线圈及实验动物示意图。A：置入3D线圈支架的5 cm动物线圈；B：将小鼠置入动物线圈
图2  A：3D打印支架充盈后采集T2WI图像，B：无3D打印支架采集T2WI图像
Fig. 1  Animal coil and schematic diagram of experimental animals. A: 5 cm animal coil with hollow stent; B: Mouse inserted into animal coil.
Fig. 2  A: Collects T2WI image after filling 3D printing stand, B: Collects T2WI image for no 3D printing bracket.

1.4　MR扫描流程

1.4.1　KM小鼠麻醉、放置及MRI扫描

       经腹腔注射5％水合氯醛(6 mL/kg)麻醉后，首先不使用3D打印支架，直接将麻醉好的KM小鼠俯卧固定于MRI平台上，纱布垫高使之位于线圈中心；扫描完成后再使用3D打印支架重新注册扫描，将动物放置于支架凹槽内。记录扫描时间。3.0 T MRI及使用的磁共振动物专用线圈与上述相同。扫描序列：包括快速自旋回波序T1WI、T2WI。在使用3D打印支架前后，扫描序列及扫描参数保持一致。

1.4.2　数据搜集及处理

       获得以下数据并进行后续处理：(1）使用3D打印支架前后KM小鼠放置完成到扫描完成的时间。(2)使用3D打印支架前后，MRI扫描图像的对比指标。

       客观指标：以信噪比（signal to noise ratio ，SNR)、对比信噪比（contrast to noise ratio，CNR）作为图像质量的客观评价指标，SNR=SI肌肉组织/SD背景，CNR=|SI病灶-SI肌肉组织|／SD背景；SI肌肉组织为肌肉组织的信号强度；SD背景为小鼠周围空气的信号强度，SI病灶为小鼠肿瘤的信号强化（见图2)。

       主观指标：由两位磁共振医师（以下简称“读片医师”）各自在工作站上分析使用3D打印支架前后的图像。评价指标包括自主运动伪影、呼吸运动伪影。将各评价指标分成3个等级^[6]：1=严重的伪影，无法区分正常结构，评分为1分；2＝中度伪影：可区分正常结构与异常结构，评分为2分；3＝无伪影：各结构分界清晰，评分为3分。两位医师各自统计完数据后进行一致性分析。主观评分进行数据统计时两位医师协商，达成统一意见作为最终统计数据结果，以便后续数据分析。

1.5　统计学分析

       使用SPSS 17.0软件进行统计学分析。使用3D打印支架前后图像质量对比的等级数据资料采用配对样本t检验，检验水准α=0.05。读片医师之间判断结果是否一致用Cohen's Kappa检验评估，κ值在0.81~ 1.00认为显著一致，0.61~ 0.80认为一致性良好，0.41~0.60认为中等性一致，0.21~0.41认为一致性较差，<0.20认为不一致。

2　结果

2.1　读片医师之间的一致性分析

       采用Cohen's Kappa检验对两位读片医师间进行一致性分析，结果显示两位医师对各项指标（自主运动伪影、呼吸运动伪影）的判断，其κ值均在0.7以上，提示一致性良好。

2.2　MRI扫描检查时间

       未使用3D打印支架时，总共预扫描需进行21次，成功率为28.57%(6/21)；平均每只小鼠需进行3次以上才成功完成定位，需多次调整水模，平均每只KM小鼠完成扫描时间为17.6 min。采用3D支架后，总共预扫描6次，成功率100%(6/6)，无需调整水模，平均每只KM小鼠完成扫描时间为10.8 min，平均减少13.9 min，效率提升了128.7%[(Tmax-Tmin)/Tmin*100%]。

2.3　MRI图像质量

2.3.1　SNR及CNR

       使用3D支架前后，SNR及CNR均值见表1，进行配对样本t检验，差异具有统计学意义(P均<0.05)。

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表1  关于使用3D打印支架前后SNR、CNR的对比
Tab.1  Comparison of SNR and CNR before and after using 3D printing stand

2.3.2　MRI图像伪影

       与未使用3D打印支架相比，使用3D打印支架后降低了对检查部位的伪影，两位读片医师分别对使用3D打印前后的自主运动伪影、呼吸运动伪影评分，具体结果见表2。从表2中可以看出，两位读片医师采用对3D打印使用前后对比的评分经Wilcoxon's秩和检验，结果显示不论是自主运动伪影还是呼吸运动伪影，使用3D打印支架后伪影均不同程度减少，差异具有统计学意义(P <0.05)。

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表2  关于使用3D打印支架前后MRI伪影的对比
Tab.2  Comparison of MRI artifacts before and after 3D printing stent

3　讨论

       3D打印是应用电脑辅助软件，设计、制作相应程序，然后与层层相叠的打印技术相结合，从而实现快速成型打印的一种技术，可以进行复杂模型的构架及打印，甚至可以用于生物体内组织结构的构架^[7,8]。目前已有研究采用3D打印技术成功制备肾血管、膝关节半月板、实质脏器如肝脏等三维模型，并已成功应用于临床，充分体现了3D打印技术在实现生物体组织器官再生方面的巨大潜力^[9,10]。本研究将3D打印技术的设计理念及方法，通过特殊的材料制作了用于动物实验研究的磁共振线圈支架，并进行了MRI扫描，显著优化了实验流程，提高了效率。

3.1　磁共振线圈3D打印支架

       本研究创新地采用3D打印技术，结合对磁共振扫描无干扰的打印材料，制成了3D线圈支架，其内中空可注入液体增加扫描线圈内氢原子含量，提高磁共振扫描成功率，并在一定程度上改善动物在线圈放置中不利于固定、定位不准确等一些难题。特别是制成3D线圈支架后，支架填充生理盐水后置于线圈中心，使线圈中心的氢质子密度数量增加，其线圈定位均快于传统非中心放置水模增加氢质子密度数的方法（常规常使用含氢模具于线圈周边帮助序列定位）。未使用3D打印支架时，动物放置线圈内，周围空余空间很大，既不利于动物的固定，也无法规范实验动物姿态，在反复调整中明显增加了准备时间。本研究结果显示，在麻醉完成到正式序列扫描的前期准备过程中，使用3D打印支架后，节省了动物放置及扫描定位中浪费的时间，在此准备过程中，准备时间平均降低了6.8 min，时间缩短了38.64%，使大批量多时间点观察的实验顺利进行成为可能。

3.2　MRI图像伪影

       进行动物模型的磁共振扫描不同于人体的扫描，人在扫描过程中可以自主控制自身行为，减少运动伪影。但是动物不受人为控制，需要进行麻醉，而麻醉有时间限制，时间越短，动物越容易苏醒，制动困难，这使得对运动伪影较为敏感的磁共振扫描成像形成麻烦。本研究显示，使用3D打印支架后明显降低了前期的准备时间，也就意味着为后续的扫描争取了时间。另外，与未使用3D打印支架相比，使用3D打印支架后降低了检查过程中的伪影，两位读片医师分别对使用3D打印前后的自主运动伪影、呼吸运动伪影进行评分，结果显示不论是自主运动伪影还是呼吸运动伪影，使用3D打印支架后具有不同程度的改善，差异具有统计学意义(P<0.05)。分析结果出现的原因，笔者认为使用3D打印支架后，KM小鼠位于支架内的凹槽中，一方面增加了动物放置的舒适度，另一面凹槽的存在也利于动物的牢靠固定，前者使得KM小鼠呼吸更加均匀，后者一定程度上限制了动物的自主运动。

       综上所述，利用3D打印技术制作的磁共振动物线圈支架，有利于减少动物MRI扫描前期的准备时间，增加其舒适度，有利于固定，增加了扫描定位成功率和图像的信号强度，缩短了成像时间，明显降低了自主运动及呼吸运动造成的伪影，在磁共振动物模型扫描实验中具有重要的应用价值。