對比劑(CuSO4溶液)濃度對磁共振成像弛豫時(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)是在外磁場作用下磁矩不為零的原子核對一定頻率的射頻輻射共振吸收的物理過程.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對成像的明暗對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中被磁化后與特定頻率的射頻場產(chǎn)生共振吸收的現(xiàn)象.處于靜磁場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)通過弛豫釋放能量逐漸恢復(fù)到平衡態(tài).在樣品的弛豫過程中會(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的過程；另一是橫向弛豫，是指橫向磁化Mxy逐漸恢復(fù)為零的過程[4].

靜磁場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)的過程[5].實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，弛豫過程中磁化強(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的測定方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測定T1，CMPG自旋回波法測定T2，考慮樣品受到的是90°RF脈沖的作用，且把90°RF脈沖過后的時(shí)間點(diǎn)作為弛豫過程開始的起點(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)測量3次.

3 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測定了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次測量的平均值.

表1 氫核 T1和T2隨CuSO4溶液濃度變化的測量平均值

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)境溫度及靜磁場強(qiáng)度等因素有關(guān).對于一般液體，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)，也就是說組織與器官的T1及T2值通過不同灰階表現(xiàn)在圖像上[8].而人體組織的磁共振信號強(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，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溶液濃度下測量T1及T2值及其圖像，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明什么樣的CuSO4溶液濃度下測出的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].對于醫(yī)學(xué)中對比劑的濃度對人體不同組織會(huì)有一定的不良反應(yīng)，因此在臨床中找出圖像質(zhì)量相對較優(yōu)情況下人體不同組織所對應(yīng)的最低對比劑濃度(即對人體較安全的濃度)，然后應(yīng)用圖像處理技術(shù)得到清晰的圖像，用以減少對比劑對人體的危害，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]，對人體組織成分的影像參數(shù)研究具有一定的參考價(jià)值.