用于活体植物磁共振成像的磁体孔内气候控制室

《Plant Methods》：In-bore climate control chamber for magnetic resonance imaging of living plants

　　

磁共振成像（MRI）可实现植物组织的非侵入性、非破坏性三维解剖学与功能性成像，并能够对水分运输等动态过程进行定量研究。尽管具备上述优势，MRI在植物学及仿生学研究中的应用仍显不足。其中一项主要限制在于，在长时间测量过程中维持生理学适宜且稳定的环境条件存在困难，尤其是在使用原本为小动物成像设计的超高场（ultra-high-field）临场MRI扫描仪时。本研究中，研究人员展示了一种低成本、气候控制且MR兼容的生长室，其包含适用于临场MRI扫描仪的孔内（in-bore）延伸装置。该系统将生长条件与成像条件整合于单一装置中，允许由同一系统对温度、湿度及光照进行连续控制，无需在商用生长室旁另行维护定制化孔内延伸装置。该装置针对小动物扫描仪（Bruker PharmaScan 70/16）的16 cm孔径及72 mm自由空间水平孔道进行了优化，但亦适用于其他具有可比尺寸的超高场临场MRI系统。研究人员对气候室及孔内延伸装置在温度、湿度及光照稳定性方面的性能进行了表征。此外，还验证了插入装置及其电子元件对MRI信号（B₀均匀性、射频（RF）衰减及潜在射频伪影）的可能负面影响。功能验证以液流测量形式开展，解剖学验证则在四棱西番莲（Passiflora quadrangularis）自然蒸腾的茎段中完成。在受控的孔内环境条件下，利用脉冲场梯度自旋回波（pulsed field gradient spin-echo, PFG-SE）序列可靠地检测到了液流速度的变化。具体而言，增强延伸装置内的光照强度导致单个维管束中的最大流速分别从0.21 mm/s和0.39 mm/s转变至1.37 mm/s和1.17 mm/s。此外，对香龙血树（Dracaena braunii）分支区域的高分辨率解剖学成像（1 mm层厚，面内分辨率25 μm）得以成功实现，且未观察到可辨识的运动伪影。本研究所呈现的系统为利用超高场临场MRI扫描仪开展完整植物的解剖学与功能性MRI研究提供了一种低成本、开源的解决方案。

研究背景与问题

磁共振成像（MRI）技术能够实现对植物组织的非侵入性、非破坏性三维解剖学与功能性成像，并可对水分运输等动态过程进行定量研究。尽管MRI具备显著优势，该技术在植物学及仿生学研究中的应用仍显不足。其中一大限制在于，在长时间测量过程中维持生理学适宜且稳定的环境条件存在困难，特别是当使用原本为小动物成像设计的超高场临场MRI扫描仪时，这一问题尤为突出。现有研究中，植物在扫描仪内往往缺乏充分的水分、养分和光照供应，而水分供应和湿度控制尤为关键，因为脱水引起的萎蔫可导致运动伪影，从而损害数据质量。当研究超越解剖学结构的参数（如液流或扩散）时，环境条件的精确控制变得至关重要，否则光照、温度和湿度的波动将显著影响测量结果。虽然已有定制化MR兼容气候控制室的相关报道，也存在少量配备气候控制的专用植物MRI扫描仪，但大多数研究仍是在低场核磁共振（NMR）波谱仪或超高场小动物MRI扫描仪上完成的。便携式MRI扫描仪代表了另一种方法，可在自然环境或温室中进行原位成像，但这类系统多依赖开放式永磁体，通常产生较低的磁场强度，导致信噪比（SNR）降低，空间和时间分辨率受到限制。

研究开展与意义

针对上述问题，研究人员开发了一种MR兼容的定制-built气候控制室及其孔内延伸装置，用于超高场临场MRI扫描仪。该装置针对Bruker PharmaScan 70/16扫描仪的水平孔道（16 cm孔径，72 mm自由空间）进行了优化，但亦可适配或易于改造用于其他具有相似孔径尺寸的超高场临场MRI系统。该设计优先考虑成本效益和开源可及性，旨在降低其他研究人员开展完整植物MR成像研究的门槛。定制的气候控制生长室与延伸装置持续连接，确保植物在成像前后始终处于一致的环境条件下，无需从商用系统过渡至定制化孔内延伸装置时使用两套独立的控制系统。该研究成果发表在《Plant Methods》期刊。

主要技术方法

研究涉及的关键技术方法包括：定制硬件系统设计与构建（基于Teensy 4.1微控制器的控制面板、SHTC3温湿度传感器、LED照明系统、超声蒸发加湿器、800 W加热垫、高压循环风扇）；主腔体（62×102×90 cm亚克力箱）与孔内延伸装置（适配72 mm内径正交容积线圈的亚克力管结构）的集成设计；利用定制Python脚本进行五组温湿度循环测试的性能表征；通过场图采集评估插入装置及电子元件对B0均匀性的影响；利用水模测量射频衰减；采用二维快速小角度激发（FLASH）序列对D. braunii进行高分辨率解剖学成像（采集时间3小时，重复时间500 ms，回波时间5.8 ms，36次平均，15层1 mm层厚，视野27 mm×15 mm，面内分辨率25 μm）；采用脉冲场梯度自旋回波（PFG-SE）序列测定P. quadrangularis自然蒸腾茎段的液流速度（采集时间5分10秒，重复时间1秒，回波时间60 ms，RARE因子10，视野20 mm×20 mm，6层1 mm层厚，面内分辨率200 μm，梯度持续时间δ=4 ms，扩散时间Δ=50 ms，最大b值4662.4 s/mm²）。

研究结果

硬件：外壳与控制面板。主腔体为定制亚克力箱，配备可开启的盖板和前门，侧面安装有基于电阻式触摸屏的控制面板。软件运行于Teensy 4.1微控制器，使用Arduino集成开发环境和Nextion Editor设计显示界面。所有组件、PCB布局及源代码均公开于GitHub仓库。

硬件：温度控制。温度控制系统由SHTC3温湿度传感器、高流量低压循环风扇和800 W加热垫组成。加热垫悬挂于高压层压板（HPL）和3D打印框架构成的隔热罩中，传感器位于风扇进气口前方。

硬件：湿度控制。湿度控制组件包括带有吸水芯的超声蒸发器，通过3D打印虹吸管连接至标准硬质PET瓶，利用硬质PET瓶不变形的特性保持恒定水位。

硬件：照明控制。照明系统由独立控制的白光和红光LED通道组成，被动散热，安装于盖板外侧以避免向腔体内引入非受控热量。白光和通道分别由60 W电源供电，通过串联保险丝和并联连接实现亮度独立调节。

硬件：孔内延伸装置。孔内延伸装置设计适配Bruker PharmaScan 70/16的72 mm大鼠容积线圈，由酯-聚氨酯软管（孔外使用）和软质PVC带硬质螺旋管（孔内使用）连接主腔体。采用高压高流量风扇循环空气，确保延伸装置内气候条件的可靠稳定性。LED照明由90 W电源独立供电，三并联15颗LED灯带嵌入亚克力管外侧凹槽。延伸装置上部可部分拆卸，便于样品放置和表面线圈安装。

温度与湿度调控的表征。五项测试结果表明：24°C时最大湿度达80%（87分30秒达到稳定）；30°C时最大湿度约67%（46分钟达到稳定）；自动浇水系统（80 ml/24 h）对温湿度稳定性影响甚微；开启循环风扇后，延伸装置湿度从51%升至54%并在14分钟内稳定，温度缓慢升至23°C，主腔体维持24°C和60%湿度；加热至35°C时温度在4分30秒内达到目标值，随后出现约±1°C的正弦波动，湿度相应波动于52%±2%。

气候室与延伸装置内的光照表征。主腔体最大照度分别为底部3752 lx、中部8640 lx、顶部21070 lx（50%功率，避免过热）。延伸装置红光和白光LED在5%功率下达19250 lx和32700 lx，使用1-3层标准打印纸（0.11-0.33 mm）可有效扩散和降低光照强度，三层纸张可将5%功率下的照度降至1025 lx和1523 lx。

图像质量验证。B₀场图显示插入装置本身及LED开关均不改变磁场均匀性；射频衰减小于5%；D. braunii的三小时高分辨率解剖学扫描未出现运动相关涂抹伪影或电子元件引起的射频伪影，25 μm面内分辨率下可清晰辨识维管束结构。

液流测量功能验证。在P. quadrangularis自然蒸腾茎段中，夜间恒定24°C和60%湿度条件下，关闭光照时两个体素的最大流速分别为0.21 mm/s和0.39 mm/s，开启5% LED强度（红光9250 lx，白光32700 lx）后分别增至1.37 mm/s和1.17 mm/s，证实延伸装置光照可有效触发光合作用和蒸腾作用从而改变液流速度。

讨论与结论

该MR兼容气候室设计的主要优势在于低成本、所有组件材料的易获取性，以及气候室与孔内延伸装置的功能性与实用性。最昂贵的部件为四面覆盖亚克力玻璃的主腔体，该设计便于无阻碍观察植物生长状况并进行外部摄影录像。替代方案可采用铝型材框架配亚克力面板，成本相当或更低，且增强抗扭转性。

系统的整体可用性直观且充分，但样品制备仍具挑战性。临场扫描仪并非为活体植物受控环境成像专门设计，而本延伸装置使样品可在插入孔道前完成制备和气候调节，顶部开口便于样品和线圈定位。需注意该延伸装置针对水平孔道设计，重力向性（gravitropism）的潜在影响必须考虑，尽管对于典型MRI采集时间尤其是解剖学成像影响可忽略，但生理过程如液流动态可能受影响。研究中所用的P. quadrangularis为攀援植物，茎段可水平生长，故预期水平放置对其液流动态无显著影响。

LED照明需覆盖叶绿素a和b的光合有效光谱，白光LED覆盖430 nm和453 nm的低吸收峰，655 nm红光LED覆盖662 nm和642 nm的高吸收峰。气候室内可实现从热带雨林下层（~2000 lx）到晴朗夏日（>100000 lx）的光照范围，但>50%功率需主动冷却。孔内照明采用嵌入亚克力管外侧的独立LED，从各方向照射植物，可拆卸设计简化样品定位。需注意叶片靠近LED时可能受热损伤，且点光源可能导致光抑制。使用打印纸作为滤光层可经济有效地扩散光线并降低峰值强度。

温度调节在35°C以下范围运行良好，但系统惯性和开关式控制导致温度达到设定值后出现正弦波动。由于成本考虑未设置制冷功能，如需精确独立的温湿度控制（5-95%湿度，5-75°C温度），需采用专用实验室湿度发生器，成本可超过20000欧元，而本系统温湿度控制成本低于200欧元。现有超声蒸发器存在两个限制：最大可达湿度受蒸发能力限制，且无法降低至环境湿度以下。如需除湿，可采用替换式干燥剂或集成冷凝式除湿器。

气候控制室和孔内延伸装置维持了稳定的环境条件，使植物在扫描期间保持生理活性，支撑了长达3小时的高分辨率解剖学成像而无可见运动伪影。延伸装置内光照的改变导致可测量的液流速度变化，证明了在受控条件下开展功能成像的可行性。由于其他环境参数保持恒定，该效应可归因于施加的照明。此外，"开灯"和"关灯"实验均在夜间进行，确保了观察到的液流速度变化源于光合作用而非昼夜节律。

研究人员呈现了一种低成本、开源的气候控制室及其MR兼容孔内延伸装置，专为水平小动物MRI扫描仪设计。该系统实现了主腔体和延伸装置内照明的独立控制，以及湿度和温度的调节。尽管其精细程度不及专用植物MRI系统，但为控制活体植物成像所需关键环境参数提供了经济有效的解决方案。通过维持扫描期间植物的生理活性，该腔室延伸装置支持高质量解剖学成像；且调节单一环境变量的能力使功能性成像输出（如液流速度图谱）可直接关联至特定实验条件。