對(duì)比劑(CuSO4溶液)濃度對(duì)磁共振成像弛豫時(shí)間的影響研究*

何坤 胡明成 郭金興 封頔 陳廣新 仇惠

(牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院 黑龍江 牡丹江 157011) (牡丹江醫(yī)學(xué)院 黑龍江 牡丹江 157011)

1 引言

磁共振(NMR)是在外磁場(chǎng)作用下磁矩不為零的原子核對(duì)一定頻率的射頻輻射共振吸收的物理過(guò)程.磁共振技術(shù)在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1].磁共振弛豫時(shí)間T1和T2是磁共振中描述原子核與物質(zhì)性質(zhì)的重要參量[2]，幾乎所有NMR技術(shù)對(duì)物質(zhì)的分析都要涉及到弛豫時(shí)間，并由它獲取物質(zhì)性質(zhì)的相關(guān)信息；在醫(yī)學(xué)成像方面，磁共振弛豫時(shí)間T1和T2對(duì)成像的明暗對(duì)比和清晰度有較大影響[3]，即在磁共振波譜學(xué)與磁共振成像學(xué)中具有重要的理論意義與臨床實(shí)踐的應(yīng)用.本文利用FD-PNMR-C型脈沖核磁共振實(shí)驗(yàn)儀，測(cè)定了不同濃度的CuSO4溶液在一定條件下濃度變化與磁共振馳豫時(shí)間變化所呈現(xiàn)的關(guān)系.

2 原理與方法

2.1 基本原理

磁共振是自旋不為零的原子核的核磁矩在靜磁場(chǎng)中被磁化后與特定頻率的射頻場(chǎng)產(chǎn)生共振吸收的現(xiàn)象.處于靜磁場(chǎng)B0中的樣品會(huì)逐漸被磁化.當(dāng)樣品達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，會(huì)在靜磁場(chǎng)B0方向(z)形成一個(gè)穩(wěn)定的磁化強(qiáng)度M0.樣品在RF脈沖的作用下會(huì)產(chǎn)生磁共振，導(dǎo)致M偏離z方向，出現(xiàn)橫向磁化Mxy，原有的平衡狀態(tài)被打破，樣品因吸收了能量而處于激發(fā)態(tài).同時(shí)，樣品就會(huì)由激發(fā)態(tài)通過(guò)弛豫釋放能量逐漸恢復(fù)到平衡態(tài).在樣品的弛豫過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)完全獨(dú)立的兩種弛豫，一是縱向弛豫，是指縱向磁化Mz逐漸恢復(fù)為M0的過(guò)程；另一是橫向弛豫，是指橫向磁化Mxy逐漸恢復(fù)為零的過(guò)程[4].

靜磁場(chǎng)B0中的樣品處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(x′，y′，z′)中，Mz′=M0，Mx′y′=0.磁共振中的弛豫就是磁化強(qiáng)度M由非平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)向平衡狀態(tài)的過(guò)程[5].實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，弛豫過(guò)程中磁化強(qiáng)度M偏離平衡狀態(tài)的程度越大，則其恢復(fù)的速度就越快.這一規(guī)律可在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(x′，y′，z′)中表達(dá)成如下形式

2.2 弛豫時(shí)間常數(shù)T1和T2的測(cè)定方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測(cè)定T1，CMPG自旋回波法測(cè)定T2，考慮樣品受到的是90°RF脈沖的作用，且把90°RF脈沖過(guò)后的時(shí)間點(diǎn)作為弛豫過(guò)程開始的起點(diǎn)，因此t=0時(shí)，Mz′=0，Mx′y′=M0，即可推出旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(x′，y′，z′)中的Mz′和Mx′y′隨時(shí)間的變化規(guī)律

式中縱向弛豫時(shí)間T1表示Mz′恢復(fù)到M0的快慢，橫向弛豫時(shí)間T2表示Mx′y′衰減為零的快慢，即為指數(shù)規(guī)律衰減[6，7].

測(cè)量使用FD-PNMR-C型脈沖核磁共振實(shí)驗(yàn)儀，主要由恒溫箱體、射頻發(fā)射主機(jī)及射頻接收主機(jī)構(gòu)成，采用DDS數(shù)字合成技術(shù)作脈沖發(fā)射源，磁鐵恒溫采用PID控制技術(shù).磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度0.470 T，共振頻率20.00 MHz，恒溫溫度36.50 ℃，樣品取樣為1 mL，放入玻璃試管中，置于磁場(chǎng)均勻度為5 ppm(5 mm×5 mm×5 mm)，在室溫26 ℃條件下，開機(jī)預(yù)熱3～4 h，等到磁鐵達(dá)到穩(wěn)定時(shí)開始實(shí)驗(yàn).待測(cè)樣品濃度為0.1～0.6 mol·L-1的CuSO4溶液，同濃度樣品重復(fù)測(cè)量3次.

3 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了CuSO4溶液中氫核的磁共振弛豫時(shí)間T1和T2的結(jié)果，如表1所示，T1和T2為各自3次測(cè)量的平均值.

表1 氫核 T1和T2隨CuSO4溶液濃度變化的測(cè)量平均值

在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)給出了弛豫時(shí)間與樣品中含有的CuSO4濃度的變化關(guān)系，T1和T2隨CuSO4溶液濃度的變化曲線如圖1所示.由圖可知，弛豫時(shí)間常數(shù)T1和T2與CuSO4溶液濃度大小成反比.

縱向弛豫時(shí)間T1反映的是組織縱向磁化的恢復(fù)速度，T1的大小與氫核所處的分子結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度及靜磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素有關(guān).對(duì)于一般液體，溶液的濃度越大，分子的數(shù)量越多，分子的布朗運(yùn)動(dòng)越激烈，則T1較短.橫向弛豫時(shí)間T2反映的是組織橫向磁化的衰減速度，T2的大小主要與氫核所處的分子結(jié)構(gòu)、靜磁場(chǎng)的均勻性有關(guān).人體不同組織的T1及T2時(shí)間是不同的，而正常組織與異常組織的T1及T2也有明顯差異.一般情況下，T2的大小比T1值小.

圖1 T1和T2隨CuSO4溶液濃度的變化曲線

MRI成像是多參數(shù)的，T1與T2值是MRI技術(shù)中最重要的參數(shù)，也就是說(shuō)組織與器官的T1及T2值通過(guò)不同灰階表現(xiàn)在圖像上[8].而人體組織的磁共振信號(hào)強(qiáng)度與組織中氫核密度及氫核周圍的環(huán)境相關(guān).人體各組織的T1值和T2值是不同的，那就可以通過(guò)T1與T2值建立人體組織的分布圖，圖像與氫核的密度不相關(guān)，因此稱之為T1與T2加權(quán)成像[9]，人體正常組織與病變組織的含水量不同，T1及T2值也不同，這樣可以把圖像中的病變組織凸顯出來(lái)，同樣某一疾病不同階段病變組織含水量、T1及T2值不同，所表現(xiàn)出的圖像也有差異，可以通過(guò)圖像不同反向得知疾病發(fā)展到哪個(gè)階段，為臨床準(zhǔn)確的診斷及選擇正確的治療方案提供相關(guān)依據(jù).本實(shí)驗(yàn)室在不同CuSO4溶液濃度下測(cè)量T1及T2值及其圖像，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明什么樣的CuSO4溶液濃度下測(cè)出的T1和T2值及得出的圖像，使得組織中的病變更加突出，從而應(yīng)用到臨床當(dāng)中.

4 結(jié)論

弛豫時(shí)間常數(shù)的大小受CuSO4溶液濃度影響，在誤差允許的范圍內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出了弛豫時(shí)間常數(shù)與溶液濃度成反比的規(guī)律.在醫(yī)學(xué)成像中，弛豫時(shí)間T1和T2是重要的成像參數(shù).由于人體內(nèi)不同組織T1和T2的差別很大，T1和T2加權(quán)成像也成為科學(xué)研究與醫(yī)學(xué)診斷的重要手段[10，11].對(duì)于醫(yī)學(xué)中對(duì)比劑的濃度對(duì)人體不同組織會(huì)有一定的不良反應(yīng)，因此在臨床中找出圖像質(zhì)量相對(duì)較優(yōu)情況下人體不同組織所對(duì)應(yīng)的最低對(duì)比劑濃度(即對(duì)人體較安全的濃度)，然后應(yīng)用圖像處理技術(shù)得到清晰的圖像，用以減少對(duì)比劑對(duì)人體的危害，最終達(dá)到幫助臨床診斷的目的.本實(shí)驗(yàn)對(duì)CuSO4溶液中氫原子核弛豫時(shí)間的研究是較為基礎(chǔ)的工作，是對(duì)相關(guān)專業(yè)在磁共振及其成像方面開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一次嘗試和探索[12]，對(duì)人體組織成分的影像參數(shù)研究具有一定的參考價(jià)值.