对比剂(CuSO4溶液)浓度对磁共振成像弛豫时间的影响研究*

何坤 胡明成 郭金兴 封頔 陈广新 仇惠

(牡丹江医学院附属红旗医院 黑龙江 牡丹江 157011) (牡丹江医学院 黑龙江 牡丹江 157011)

1 引言

磁共振(NMR)是在外磁场作用下磁矩不为零的原子核对一定频率的射频辐射共振吸收的物理过程.磁共振技术在医学成像领域得到了广泛的应用[1].磁共振弛豫时间T1和T2是磁共振中描述原子核与物质性质的重要参量[2]，几乎所有NMR技术对物质的分析都要涉及到弛豫时间，并由它获取物质性质的相关信息；在医学成像方面，磁共振弛豫时间T1和T2对成像的明暗对比和清晰度有较大影响[3]，即在磁共振波谱学与磁共振成像学中具有重要的理论意义与临床实践的应用.本文利用FD-PNMR-C型脉冲核磁共振实验仪，测定了不同浓度的CuSO4溶液在一定条件下浓度变化与磁共振驰豫时间变化所呈现的关系.

2 原理与方法

2.1 基本原理

磁共振是自旋不为零的原子核的核磁矩在静磁场中被磁化后与特定频率的射频场产生共振吸收的现象.处于静磁场B0中的样品会逐渐被磁化.当样品达到热平衡状态时，会在静磁场B0方向(z)形成一个稳定的磁化强度M0.样品在RF脉冲的作用下会产生磁共振，导致M偏离z方向，出现横向磁化Mxy，原有的平衡状态被打破，样品因吸收了能量而处于激发态.同时，样品就会由激发态通过弛豫释放能量逐渐恢复到平衡态.在样品的弛豫过程中会出现完全独立的两种弛豫，一是纵向弛豫，是指纵向磁化Mz逐渐恢复为M0的过程；另一是横向弛豫，是指横向磁化Mxy逐渐恢复为零的过程[4].

静磁场B0中的样品处于热平衡状态时，在旋转坐标系(x′，y′，z′)中，Mz′=M0，Mx′y′=0.磁共振中的弛豫就是磁化强度M由非平衡状态转向平衡状态的过程[5].实验中发现，弛豫过程中磁化强度M偏离平衡状态的程度越大，则其恢复的速度就越快.这一规律可在旋转坐标系(x′，y′，z′)中表达成如下形式

2.2 弛豫时间常数T1和T2的测定方法

实验设计采用反转恢复法测定T1，CMPG自旋回波法测定T2，考虑样品受到的是90°RF脉冲的作用，且把90°RF脉冲过后的时间点作为弛豫过程开始的起点，因此t=0时，Mz′=0，Mx′y′=M0，即可推出旋转坐标系(x′，y′，z′)中的Mz′和Mx′y′随时间的变化规律

式中纵向弛豫时间T1表示Mz′恢复到M0的快慢，横向弛豫时间T2表示Mx′y′衰减为零的快慢，即为指数规律衰减[6，7].

测量使用FD-PNMR-C型脉冲核磁共振实验仪，主要由恒温箱体、射频发射主机及射频接收主机构成，采用DDS数字合成技术作脉冲发射源，磁铁恒温采用PID控制技术.磁场的磁感应强度0.470 T，共振频率20.00 MHz，恒温温度36.50 ℃，样品取样为1 mL，放入玻璃试管中，置于磁场均匀度为5 ppm(5 mm×5 mm×5 mm)，在室温26 ℃条件下，开机预热3～4 h，等到磁铁达到稳定时开始实验.待测样品浓度为0.1～0.6 mol·L-1的CuSO4溶液，同浓度样品重复测量3次.

3 结果与分析

实验测定了CuSO4溶液中氢核的磁共振弛豫时间T1和T2的结果，如表1所示，T1和T2为各自3次测量的平均值.

表1 氢核 T1和T2随CuSO4溶液浓度变化的测量平均值

在实验误差允许的范围内给出了弛豫时间与样品中含有的CuSO4浓度的变化关系，T1和T2随CuSO4溶液浓度的变化曲线如图1所示.由图可知，弛豫时间常数T1和T2与CuSO4溶液浓度大小成反比.

纵向弛豫时间T1反映的是组织纵向磁化的恢复速度，T1的大小与氢核所处的分子结构、环境温度及静磁场强度等因素有关.对于一般液体，溶液的浓度越大，分子的数量越多，分子的布朗运动越激烈，则T1较短.横向弛豫时间T2反映的是组织横向磁化的衰减速度，T2的大小主要与氢核所处的分子结构、静磁场的均匀性有关.人体不同组织的T1及T2时间是不同的，而正常组织与异常组织的T1及T2也有明显差异.一般情况下，T2的大小比T1值小.

图1 T1和T2随CuSO4溶液浓度的变化曲线

MRI成像是多参数的，T1与T2值是MRI技术中最重要的参数，也就是说组织与器官的T1及T2值通过不同灰阶表现在图像上[8].而人体组织的磁共振信号强度与组织中氢核密度及氢核周围的环境相关.人体各组织的T1值和T2值是不同的，那就可以通过T1与T2值建立人体组织的分布图，图像与氢核的密度不相关，因此称之为T1与T2加权成像[9]，人体正常组织与病变组织的含水量不同，T1及T2值也不同，这样可以把图像中的病变组织凸显出来，同样某一疾病不同阶段病变组织含水量、T1及T2值不同，所表现出的图像也有差异，可以通过图像不同反向得知疾病发展到哪个阶段，为临床准确的诊断及选择正确的治疗方案提供相关依据.本实验室在不同CuSO4溶液浓度下测量T1及T2值及其图像，通过实验数据说明什么样的CuSO4溶液浓度下测出的T1和T2值及得出的图像，使得组织中的病变更加突出，从而应用到临床当中.

4 结论

弛豫时间常数的大小受CuSO4溶液浓度影响，在误差允许的范围内对实验结果进行分析，得出了弛豫时间常数与溶液浓度成反比的规律.在医学成像中，弛豫时间T1和T2是重要的成像参数.由于人体内不同组织T1和T2的差别很大，T1和T2加权成像也成为科学研究与医学诊断的重要手段[10，11].对于医学中对比剂的浓度对人体不同组织会有一定的不良反应，因此在临床中找出图像质量相对较优情况下人体不同组织所对应的最低对比剂浓度(即对人体较安全的浓度)，然后应用图像处理技术得到清晰的图像，用以减少对比剂对人体的危害，最终达到帮助临床诊断的目的.本实验对CuSO4溶液中氢原子核弛豫时间的研究是较为基础的工作，是对相关专业在磁共振及其成像方面开展实验教学的一次尝试和探索[12]，对人体组织成分的影像参数研究具有一定的参考价值.