與人腦白質磁共振弛豫時間近似的瓊脂凝膠模型制備的實驗研究

葛祖峰，龔向陽，朱莉莉，朱時鏘，吳 偉，單登峰

（1.奉化市人民醫(yī)院放射科，浙江 奉化 315500；2.浙江省人民醫(yī)院放射科，浙江 杭州 310014）

與人腦白質磁共振弛豫時間近似的瓊脂凝膠模型制備的實驗研究

葛祖峰1，龔向陽2，朱莉莉1，朱時鏘1，吳 偉1，單登峰1

（1.奉化市人民醫(yī)院放射科，浙江 奉化 315500；2.浙江省人民醫(yī)院放射科，浙江 杭州 310014）

目的：建立最接近正常成人腦白質弛豫時間的瓊脂及釓對比劑濃度配比的磁共振實驗模型。方法：將濃度為0.03mmol/L、0.06 mmol/L、0.09 mmol/L、0.2 mmol/L、0.4 mmol/L、0.6 mmol/L及0.8 mmol/L的釓特酸葡胺分別與1.0%、1.5%（g/dl）的瓊脂混合制成模型。將模型固定于成人志愿者頭顱周圍行MRI掃描得到T1、T2map圖。測定各種濃度配比模型的弛豫時間，分別得到T1、T2值的回歸方程。通過單變量求解計算出接近人腦白質弛豫時間95%可信區(qū)間（均值）的濃度配比。并根據(jù)計算得到的濃度配比配制成模型后與志愿者腦白質弛豫時間作進一步對比驗證。結果：人腦白質T1、T2值95%可信區(qū)間（均值）分別為792.14～848.59（820.36）ms、83.45～86.09（84.77）ms。0.10～0.11mmol/L（0.11mmol/L）釓特酸葡胺與1%瓊脂混合、0.09～0.10mmol/L（0.10mmol/L）釓特酸葡胺與1.5%瓊脂混合后的弛豫時間與腦白質T1值95%可信區(qū)間上限值與下限值（均值）接近；0.49～0.56mmol/L（0.52mmol/L）釓特酸葡胺與1%瓊脂混合、0.08～0.12 mmol/L（0.10 mmol/L）釓特酸葡胺與1.5%瓊脂混合的弛豫時間與腦白質T2值95%可信區(qū)間上限值與下限值（均值）近似。結論：1.5%的瓊脂與0.09～0.10 mmol/L的釓特酸葡胺配比制成的模型T1、T2值均接近正常成人腦白質，能用于模擬正常成人的腦白質MRI信號。

腦；凝膠類；磁共振成像

在離體MRI實驗研究中，瓊脂凝膠常用于模擬人體組織作為病灶載體與病灶進行信號對比[1-7]，因此要求其與所模擬組織弛豫時間接近。實驗中可通過在瓊脂凝膠中加入適當釓對比劑的方法來獲得所需弛豫時間[1-2]，但目前未見瓊脂及釓對比劑混合模型與腦組織弛豫時間關系的詳細報道，筆者期望通過測定不同濃度配比的瓊脂及釓對比劑模型的弛豫時間，找到接近腦白質弛豫時間的濃度配比方案用于離體研究中模擬腦白質MRI信號。

1 材料與方法

1.1 志愿者

本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會同意，選取既往無神經(jīng)系統(tǒng)疾病的健康成人為志愿者，且行常規(guī)T1WI及T2WI軸位掃描未見異常改變，共納入11例，其中男6例，女5例，年齡35～73歲，中位年齡44歲，所有志愿者均簽署了知情同意書。

1.2 模型制作與MRI掃描

用1/10 000天平（上平，上海上平儀器有限公司）稱取1 g、1.5 g瓊脂粉（福建綠麒食品膠體有限公司）各7份，將每份瓊脂粉溶解于100 mL蒸餾水中，制成1%、1.5%濃度瓊脂溶液各7份，在兩種濃度瓊脂溶液中用移液器（dragon，芬蘭）分別加入6mL、12 mL、18 mL、40 mL、80 mL、120 mL及160 mL釓特酸葡胺（多它靈，Guerbet），配成濃度分別為0.03mmol/L、0.06 mmol/L、0.09 mmol/L、0.2 mmol/L、0.4 mmol/L、0.6 mmol/L及0.8 mmol/L的溶液。將每瓶溶液置于微波爐上加熱4 min后瓊脂完全溶解呈外觀澄清透明，再注入硅膠試管中，室溫下待其自然冷卻至凝固后置于37℃保溫箱內1 h，然后將試管固定于健康志愿者頭顱周圍，在20℃室溫下用1.5T磁共振掃描儀（Siemens Avanto，德國）相控陣頭線圈進行軸位掃描。

測T1值采用3D擾相梯度回波小角度激勵序列（Flash）雙翻轉角技術，成像參數(shù)：TR為15 ms，TE為5.2 ms，翻轉角為5°、26°，F(xiàn)OV 230 mm×200 mm，矩陣256×256，層厚5 mm，層間距0，帶寬130 Hz/ Px，1次平均，共采集16層。

測T2值采用SE序列16個回波技術，成像參數(shù)：TR為 3 000 ms，TE分別為 22、44、66、88、110、132、154、176、198、220、242、264、286、308、330、352 ms，翻轉角為180°，F(xiàn)OV 230 mm×200 mm，矩陣256×256，層厚5 mm，層間距5 mm，帶寬130 Hz/Px，1次平均，共采集8層。

掃描完成后由機器自動計算產(chǎn)生map圖，由1名有經(jīng)驗的醫(yī)師在工作站上直接測量2組map圖上每支試管的對應中心2個層面的弛豫時間，測量時沿試管內徑選取盡量大的感興趣區(qū)域 （ROI），然后將ROI移至志愿者雙側額部盡量靠近皮層的半卵圓中心測量腦白質的弛豫時間。

根據(jù)計算得到的濃度配比再制作模型進行MRI掃描，測量模型的弛豫時間與腦白質的弛豫時間進一步對比驗證。

1.3 統(tǒng)計學分析

利用SPSS 15.0分析軟件進行統(tǒng)計學分析。首先計算正常志愿者腦白質弛豫時間的95%可信區(qū)間；然后用測得兩種瓊脂濃度與不同釓特酸葡胺配比的弛豫時間進行回歸分析，獲得曲線回歸方程，設單側P＜0.05時差異有統(tǒng)計學意義；在回歸方程成立的基礎上，再將正常志愿者腦白質95%可信區(qū)間的上下限值及均值分別代入回歸方程，利用 excel 2003（Windows XP，Microsoft）單變量求解法計算出接近腦白質弛豫時間的釓特酸葡胺理論配比濃度，根據(jù)求得的濃度配成模型后再次掃描，與志愿者的腦白質進行獨立樣本t檢驗比較，設雙側P＜0.05時差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 志愿者腦白質與模型弛豫時間

正常志愿者腦白質的T1、T2值分別為 （820.36± 63.66）ms、（84.77±2.98）ms，T1值95%可信區(qū)間為792.14～848.59 ms，T2值 95%可信區(qū)間為 83.45～86.09 ms。

各層面試管內瓊脂凝膠信號均勻，未見瓊脂顆粒或釓特酸葡胺分布不均所致的局灶性異常信號。1%瓊脂與釓特酸葡胺配比的模型T1、T2值范圍分別為132～1 014 ms、72～147 ms，1.5%瓊脂與釓特酸葡胺配比的模型T1、T2值范圍分別為135～993 ms、71～99 ms，各種濃度配比模型隨著釓特酸葡胺濃度的增高，T1、T2值均隨之下降（表1，圖1）。

圖1 不同濃度瓊脂與釓特酸葡胺配比的模型在T1map（圖1a）與T2map（圖1b）圖上顯示為不同的信號。左側1%瓊脂凝膠，從后往前試管內7種釓特酸葡胺濃度從0.03 mmol/L（白箭）依次遞增至0.8 mmol/L（白箭頭）。右側為1.5%瓊脂凝膠，從后往前試管內7種釓特酸葡胺濃度從0.03mmol/L（紅箭）依次遞增至0.8mmol/L（紅箭頭）。Figure 1.T1map(Figure 1a)and T2map(Figure 1b)show different signal intensities of phantom tubes.Tubes within 1%agar,mixed with a range of 0.03 mmol/L(red arrow)～0.8 mmol/L(red arrow head)of gadoteric acid in increasing order,are fixed on the right side of the head.While tubes with 1.5%agar,mixed within a range of 0.03 mmol/L(white arrow)～0.8 mmol/L(white arrow head)of gadoteric acid in increasing order,are fixed on the left side of the head.

2.2 模型弛豫時間回歸方程

根據(jù)測得的兩種濃度瓊脂與不同濃度的釓特酸葡胺配比模型的弛豫時間經(jīng)統(tǒng)計學分析獲得曲線回歸方程，其中1%瓊脂與不同濃度釓特酸葡胺配比的T1值曲線回歸方程為（圖2）：

1.5%瓊脂與不同濃度釓特酸葡胺配比的T1值曲線回歸方程為（圖3）：

1%瓊脂與不同濃度釓特酸葡胺配比的T2值曲線回歸方程為（圖4）：

1.5%瓊脂與不同濃度釓特酸葡胺配比的T2值曲線回歸方程為（圖5）：

表1 不同濃度瓊脂與釓對比劑配比弛豫時間（x±s）

圖2 1%瓊脂與不同濃度釓對比劑混合模型T1值曲線圖。Figure 2.The regression curve of T1relaxation time of 1% agar mixed with different concentration of gadoteric acid.

圖3 1.5%瓊脂與不同濃度釓對比劑混合模型T1值曲線圖。Figure 3.The regression curve of T1relaxation time of 1.5% agar mixed with different concentration of gadoteric acid.

圖4 1%瓊脂與不同濃度釓對比劑混合模型T2值曲線圖。Figure 4.The regression curve of T2relaxation time of 1% agar mixed with different concentration of gadoteric acid.

圖5 1.5%瓊脂與不同濃度釓對比劑混合模型T2值曲線圖。Figure 5.The regression curve of T2relaxation time of 1.5% agar mixed with different concentration of gadoteric acid.

2.3 接近腦白質弛豫時間的模型濃度配比

將測得的正常志愿者腦白質95%可信區(qū)間T1值上下限（均值）分別代入公式（1）與（2），通過單變量求解計算得到1%、1.5%瓊脂與釓特酸葡胺的理論配比濃度范圍分別為0.11～0.10 mmol/L（0.11 mmol/L）、0.09～0.10 mmol/L（0.10 mmol/L）。將測得的正常志愿者腦白質95%可信區(qū)間T2值上下限（均值）分別代入公式（3）與（4），通過單變量求解計算得到1%、1.5%瓊脂與釓特酸葡胺的理論配比濃度范圍分別為0.49～0.56 mmol/L（0.52 mmol/L）、0.08～0.12 mmol/ L（0.10 mmol/L）（表2）。由此可見，1%瓊脂與釓特酸葡胺配比時，無法與腦白質T1、T2值同時接近；1.5%瓊脂與0.09～0.10 mmol/L釓特酸葡胺配比時，T1、T2值均在腦白質95%可信區(qū)間的范圍內。

再用前述方法，在300 mL蒸餾水中加入4.5 g瓊脂粉及60 mL釓特酸葡胺，配置成1.5%瓊脂與0.10 mmol/L釓特酸葡胺模型試管10支，進行軸位掃描獲得T1、T2map圖，測每支試管中心2個層面弛豫時間。測得T1均值為（802.80±50.13）ms，與腦白質T1值差異沒有統(tǒng)計學意義（t=0.986，P=0.330）；T2值為（86.05±2.68）ms，與腦白質T2值差異亦沒有統(tǒng)計學意義（t=1.012，P=0.317）。

表2 根據(jù)腦白質弛豫時間95%可信區(qū)間計算所得釓對比劑理論濃度

3 討論

在研究諸如離體病灶MRI信號特點的實驗中，常需離體組織作為病灶載體與病灶進行信號對比[1-7]，實驗所需的離體組織有不易獲取、成本較高、保存困難等諸多不足，因此在部分僅強調組織MRI背景信號的離體研究中有必要尋找一種制取容易、成本低廉、性能穩(wěn)定、便于重復的離體組織替代物。瓊脂凝膠常被應用于類似實驗，但以往實驗中的離體模型大部分僅通過選用某種瓊脂濃度來調整弛豫時間，差異較大，相對精確度不高[3-7]，而Bazrafshan等[2]制作的肝臟模型又相對工藝復雜。本實驗中模型制作所需的瓊脂粉與釓對比劑易于獲得，利用實驗室中常見工具，操作方便、方法易于掌握，是一種比較理想的離體組織替代物。而且當瓊脂被加熱溶解后降至人體溫度時尚未凝固，能澆筑成任意形狀[1]。制作過程中需注意的是將瓊脂加熱至完全溶解以避免未溶解的瓊脂顆粒導致的局部信號不均引起實驗結果誤判，本組實驗各試管內瓊脂加熱后澄清透明，且MRI信號均勻，表明瓊脂溶解透徹，釓特酸葡胺能夠不發(fā)生沉淀而均勻分布。

弛豫時間是組織的固有特性。測定弛豫時間的方法有多種，常用的T1值測量方法有基于反轉恢復測量的技術、Look-Locker技術和多翻轉角技術等。本組采用的3D Flash雙翻轉角技術具有信噪比及精確度均較佳、掃描時間短、射頻能量吸收率（SAR值）低等優(yōu)點[8-11]。T2值的常用測量方法有自旋回波、自旋多回波、快速自旋回波[11-12]，以及用自旋回波和反轉恢復交替的聯(lián)合采集技術、基于梯度回波的采集技術能同時獲得T1和T2map圖[12-13]。我們采用經(jīng)典的多層自旋多回波序列來獲得T2map圖進行T2值測量，通過測量不同回波時間的MR信號強度，再通過后處理軟件計算逐個像素值形成T2值偽彩圖，對感興趣區(qū)測量得出組織的T2值[14]。以上測量方法均受磁環(huán)境（主要是場強B0）影響[11]，為了盡量消除外來因素的干擾，我們將試管模型固定于志愿者頭顱周圍進行同時掃描。

在相同磁場、溫度等環(huán)境下，弛豫時間決定物質的MRI信號[15]。理論上不同濃度瓊脂與釓對比劑的配比模型可具有不同的弛豫時間，因此瓊脂與釓對比劑濃度配比方案是模型制作的關鍵。實驗發(fā)現(xiàn)，在相同釓特酸葡胺濃度為1.5%瓊脂模型T1、T2值均短于1%瓊脂模型；在同一種瓊脂濃度下，隨著釓特酸葡胺濃度的增高，T1、T2值均隨之下降。筆者通過對測得的2種濃度瓊脂與多種濃度釓特酸葡胺配比模型的弛豫時間進行回歸分析得到弛豫時間變化曲線方程，利用曲線方程計算得到與腦白質弛豫時間接近的理論配比濃度范圍。通過計算發(fā)現(xiàn)，瓊脂濃度為1%時，與腦白質T1、T2值接近的釓特酸葡胺濃度在不同范圍內，可見1%瓊脂與釓特酸葡胺配比模型無法同時使其T1、T2值均接近腦白質；1.5%瓊脂與0.09～0.10 mmol/L的釓特酸葡胺配比時，其T1、T2值同時均在腦白質95%可信區(qū)間內，我們通過制成1.5%瓊脂與0.10 mmol/L的釓特酸葡胺配比的模型進一步得到了驗證，因此，我們認為該濃度范圍的配比是比較理想的能同時模擬腦白質T1、T2值的濃度配比。

綜上所述，瓊脂與釓對比劑按一定比例濃度配比后，其弛豫時間能接近正常成人腦白質，1.5%瓊脂中加入0.09～0.10 mmol/L釓特酸葡胺是一個比較理想的濃度配比方案，能用來模擬正常成人腦白質T1WI或T2WI圖像信號。本組實驗僅找出了能模擬腦白質弛豫時間的瓊脂與釓對比劑濃度配比方案，今后我們期望利用類似方法找出能模擬人體其他組織的濃度配比方案。

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A model for an appropriate mix ratio of agar and gadoteric acid similar to the relaxation time of white matter of human brain:experiment study

GE Zu-feng1,GONG Xiang-yang2,ZHU Li-li1,ZHU Shi-qiang1,WU Wei1,SHAN Deng-feng1
(1.Department of Radiology,Fenghua People’s Hospital,Fenghua Zhejiang 315500,China; 2.Department of Radiology,Zhejiang People’s Hospital,Hangzhou 310014,China)

Objective:To set up an MR study model for an appropriate mix ratio of agar and gadoteric acid similar to the relaxation time of white matter of adult brain.The mixture is expected to be a substitution of adult brain in MRI experiment.Methods:After a phantom was made of 0.03 mmol/L,0.06 mmol/L,0.09 mmol/L,0.2 mmol/L,0.4 mmol/L,0.6 mmol/L, 0.8 mmol/L gadoteric acid mixed with 1%(g/dl)and 1.5%(g/dl)agar respectively,it was fixed around adult brains(n=11)to be scanned by a 1.5T superconducting unit to get T1and T2maps.Then the curve equations were fitted by regression analysis of T1,T2values of every mixture.Single goal seeking was used to calculate the ranges of mix ratio matching to the relaxation times of 95%CI(means)of brain white matter.According to the calculated mix ratio,another phantom was made to compare it’s relaxation times to the white matter.Results:The 95%CIs(means)of T1and T2of white matter were 792.14～848.59 (820.36)ms and 83.45～86.09(84.77)ms,respectively.The calculated mix ratio matching to the 95%CI(means)of T1of white matter as follow:0.10～0.11 mmol/L(0.11 mmol/L)gadoteric acid mixed with 1%agar,0.09～0.10 mmol/L(0.10 mmol/L)gadoteric acid mixed with 1.5%agar.The calculated mix ratio matching to the 95%CI(means)of T2of white matter as follow:0.49～0.56 mmol/L(0.52 mmol/L)gadoteric acid mixed with 1%agar,0.08～0.12 mmol/L(0.10 mmol/L)gadoteric acid mixed with 1.5% agar.Conclusion:A range of 0.09～0.10 mmol/L gadoteric acid mixed with 1.5%agar is an appropriate mix ratio matching to the both T1and T2value of adult brain white matter,which can provide an analog MRI signal of human white matter.

Brain;Gels;Magnetic resonance imaging

R338.2；R445.2

A

1008-1062（2016）03-0157-04

2015-07-29

葛祖峰（1975-），男，浙江奉化人，副主任醫(yī)師。E-mail：13566589758@163.com

龔向陽，浙江省人民醫(yī)院放射科，310014。E-mail：cjr.gxy@hotmail.com

浙江省衛(wèi)計委基金資助項目（2013KYA193）；寧波市科技局基金資助項目（2011c50070）。