多视角磁共振成像与超分辨率重建技术实现小鼠心脏运动全时空定量分析

本研究针对小鼠心脏磁共振成像(CMR)中高代谢率和快速运动导致的空间分辨率不足问题，开发了基于组织分类的散点数据插值超分辨率重建(SRR)框架。通过结合短轴(SA)和长轴(LA)多视角扫描，成功实现了左心室四维(4D)应变的高精度量化，为小动物心脏疾病早期诊断提供了标准化分析工具。

　　

心脏疾病是全球首要死因，而左心室(LV)功能评估是诊断的关键。传统射血分数(EF)等指标对早期病变不敏感，心肌应变分析虽具潜力，但受限于三维(3D)运动捕捉难度——尤其在小鼠等小动物模型中，高达500次/分钟的心率使成像面临巨大挑战。现有磁共振成像(CMR)技术因各向异性分辨率难以准确量化全心脏周期内的四维(4D)应变，严重制约了心脏疾病机制研究和治疗评估。

针对这一瓶颈，美国德克萨斯农工大学生物医学工程系(Department of Biomedical Engineering, Texas A&M University)的Tanmay Mukherjee团队在《Scientific Reports》发表创新研究，提出"CMR-SRR"框架。该技术通过融合多视角低分辨率(LR)图像，首次实现了小鼠心脏全时空应变的精准量化。研究采用7T Bruker扫描仪获取野生型(WT)和糖尿病小鼠的SA/LA图像，通过组织特异性散点插值构建高分辨率(HR)四维图像，结合微分同胚Demons算法进行非刚性配准，最终获得解剖学应变(E_RR, E_ΘΘ, E_ZZ)。通过硅内心脏模型验证，径向/周向/纵向应变计算误差均<10%，显著优于传统方法。

关键技术包括：(1) 建立8SA+5LA多视角采集方案；(2) 基于灰度值的血液/心肌/背景三分类系统；(3) 结合Rodrigues旋转公式的坐标变换；(4) 微分同胚Demons配准算法；(5) 格林-拉格朗日应变张量计算。使用5只WT小鼠和1只糖尿病模型验证，所有操作符合Cincinnati儿童医院动物伦理委员会2018-0054号协议。

图像质量提升

通过自然插值法将像素间距从140×140×8提升至280×280×220，结构相似性指数(SSIM)达0.85±0.12。如图3所示，SRR重建清晰区分了心腔与心肌组织，克服了传统LR模型的层间模糊问题。

应变计算验证

硅内模型显示SRR显著降低应变误差：周向应变E_ΘΘ误差从12.57%降至9.96%，纵向应变E_ZZ误差从26.29%降至15.07%。图4时序曲线证实SRR在收缩早期(标准化时间0-0.4)即表现出优势。

病理应变特征

糖尿病模型出现非生理性应变值(>50%)，而SR-O模型有效抑制此类伪影。如图5-6所示，SRR还原了基底-心尖应变梯度，周向应变E_ΘΘ从-0.087±0.014改善至-0.154±0.028，更符合生理学特征。

群体一致性

WT队列分析显示SRR使应变变异系数(CV)降低50%(图7D)，全球纵向应变(GLS)稳定在-14%左右。美国心脏协会(AHA)16分段模型中，SRR组内标准差显著减小，证实方法可靠性。

该研究建立了首个可量化小鼠心脏4D应变的标准化流程，其创新性体现在：(1) 通过组织分类优化SRR，克服小动物心脏快速运动挑战；(2) 实现近各向同性分辨率(280μm)；(3) 验证应变计算误差<10%。这不仅为心肌病、糖尿病心脏并发症等研究提供新工具，更推动了CMR从定性评估向定量生物力学分析的范式转变。未来通过整合深度学习方法，有望进一步提升重建效率，为个性化医疗提供精准影像支持。