基于全開放式單邊核磁共振技術(shù)的皮膚老化評估

楊瑞，何培忠，汪紅志，苗志英， 張凱威

(1.上海理工大學，上海 200093； 2.上海健康醫(yī)學院，上海 201318；3.華東師范大學，上海 200062)

1 引 言

在無輔助的目視檢查下，無創(chuàng)傷的實時深度成像對于皮膚的精確和詳細檢查都是必不可少的。人體皮膚是由不同層構(gòu)成的，每一層的功能結(jié)構(gòu)和生化性質(zhì)也是不同的。核磁共振設(shè)備對于皮膚的應用非常廣泛[1]，包括皮膚形態(tài)、水分子的遷移率、不同皮膚層的性能結(jié)構(gòu)、NA+含量等。但是常規(guī)核磁共振對于皮膚臨床檢測仍存在一些缺點：設(shè)備檢測費用昂貴，檢測皮膚深度的空間分辨率低，不能滿足臨床診斷應用；設(shè)備檢測時需要施加一個大電流，用來產(chǎn)生脈沖梯度磁場，并且還會產(chǎn)生難以徹底消除的渦流效應[2]等。單邊核磁共振設(shè)備便攜，可以滿足各種場所的使用，不受限于大型的醫(yī)療器械中心或醫(yī)院。這種具有小且全開放式永磁體的掃描儀目前主要應用于無創(chuàng)傷性測試[3]和土壤、材料[4-5]等方面。但是存在的幾個主要缺點仍然限制了其在醫(yī)療方面的潛在應用：小的穿透深度使其只能適用于皮膚表層，對于遠離皮膚表層的器官無法檢測，這種情況不只出現(xiàn)在皮膚的測試過程中，在其他方面的檢測深度也會受限。

盡管有這些限制，但對皮膚進行一維深度采集分析[6]還是合理的。單邊掃描儀可以產(chǎn)生在皮膚深度方向具有高空間分辨率的輪廓，包括強度，弛豫時間。這些優(yōu)點以犧牲橫向分辨率為代價，其僅能夠分析皮膚表層而不呈現(xiàn)其結(jié)構(gòu)特征。然而，即使在沒有這種平面結(jié)構(gòu)信息的情況下，對皮膚層的分析仍然可以為用于檢查皮膚的應用提供有價值的信息。

2 人體皮膚組織結(jié)構(gòu)

人體皮膚層的厚度通常為0.5～4 mm,但會因人而異。皮膚主要包含兩個結(jié)構(gòu)層[7]：(1)表皮，是皮膚的最外層，與外界環(huán)境直接接觸; (2)真皮，由膠原，彈性纖維和纖維基質(zhì)層等組織構(gòu)成，可進一步細分為上乳頭真皮和下網(wǎng)狀真皮。皮下組織及其以下部分，主要是脂肪組織，也是皮膚的一部分。真皮中的細胞外基質(zhì)主要由膠原蛋白組成，包含較少量的III型膠原、I型膠原和彈性蛋白、糖胺聚糖(GAG)等。

皮膚老化過程涉及了各種結(jié)構(gòu)和功能性的變化。皮膚中的水分子與大分子(主要是指III型膠原和I型膠原)的相互作用是影響弛豫時間的主要因素，其與水分子的結(jié)合越緊密，所測得的橫向弛豫時間越短，反之，橫向弛豫時間就越長。皮膚老化過程中主要受到年齡和光輻射效應的影響。隨著年齡的增長，皮膚中的膠原含量會隨著皮膚的老化逐漸降低，彈性纖維的成分會逐漸增多；在光照輻射效應下，受照射一側(cè)與未受照射的一側(cè)皮膚相比較，所含的膠原成分更低，而彈性纖維含量更多。此外皮膚長期老化的另一個潛在原因是在于細胞內(nèi)水，在進行核磁共振檢測實驗時，發(fā)現(xiàn)跨細胞膜物質(zhì)交換會隨著皮膚老化而變緩慢。

本研究使用單邊核磁共振掃描儀檢測由于年齡老化及光輻射效應所引起的皮膚組織的改變。利用不同油膜模擬皮膚結(jié)構(gòu)，獲取橫向弛豫時間的差異實現(xiàn)對皮膚結(jié)構(gòu)的一維分層實驗；進而采集受試者的前臂部位信息，通過單邊核磁共振的信號強度，橫向弛豫時間T2分析[8]來完成對皮膚老化的評估。

3 模擬人體皮膚進行一維分層實驗

單邊核磁共振儀是由譜儀系統(tǒng)、射頻功放、射頻開關(guān)及磁體探頭等結(jié)構(gòu)組成[9]。模擬人體皮膚進行一維分層實驗中所使用的磁體尺寸大小為154 mm×129 mm×68 mm,重約3 kg;主磁體結(jié)構(gòu)見圖1，其垂直方向的恒定梯度為4.5 T/M，其對應的頻率變化為191.6 KMzmm;射頻線圈為平面螺線管線圈，見圖2，用來實現(xiàn)射頻激勵和核磁共振信號的接收，由于無法同時使射頻線圈的空間均勻性和信噪比達到最佳值，因此，實驗中所使用的射頻線圈是在確保一定的空間均勻性后，獲取信噪比達到最優(yōu)時的結(jié)構(gòu)；根據(jù)無損耗傳輸線理論，即終端負載阻抗與均勻傳輸線的特性阻抗相等的情況時,傳輸線的能量傳輸效率是最高的,負載就能獲得最大輸出功率，因此，實驗采用一組 143 pF無磁電容并聯(lián) 60 pF可調(diào)電容、兩組 521.7 pF無磁電容組成的π型電路對射頻線圈進行調(diào)諧和匹配,確保從輸入端看進去射頻線圈和調(diào)諧匹配電路的阻抗為 50 Ω ,并保證諧振頻率是拉莫爾頻率。

圖1 主磁體結(jié)構(gòu)圖

圖2 射頻線圈

Fig2RFcoil

選取兩種不同比例的油樣制作油膜，模擬人體皮膚不同層次的結(jié)構(gòu)，把兩種油膜樣品分別以兩層蓋玻片和一層油樣相間形式疊放而成,標記為1號油膜和2號油膜，見圖3，將油膜放置于主磁場的最優(yōu)面上進行測量,采用CPMG序列激勵樣品，測量其橫向弛豫時間是否有差別，并且通過頻譜分布圖中的波峰位置反映出被測油樣的位置，完成一維分層實驗。

實驗參數(shù)設(shè)置：脈沖寬度10 μs ,90°脈沖衰減值為-20 dB , 180°脈沖衰減值為-14 dB ,回波時間TE為110 μs , 180°脈沖個數(shù)n為1100 ,重復時間為9.6 ms。實驗過程中對受測樣品進行多次測量和單指數(shù)擬合；實驗結(jié)果可得油膜1的橫向弛豫時間T2為74.7±0.5 ms,油膜2的橫向弛豫時間T2為65.4±0.4 ms；另外根據(jù)頻譜分布圖(見圖4)中的峰峰距，主磁場的梯度，空間距離 Δd 與共振頻率寬度 Δf 存在如下關(guān)系Δf=Δd×G×γ；通過計算兩層獲取油膜之間的距離為210 μm,與真實值230 μm之間的誤差為8.6%，因此，單邊核磁共振設(shè)備可以在允許的誤差范圍內(nèi)完成對皮膚不同深度的一維分層實驗，對于未來應用于臨床奠定了基礎(chǔ)。

圖3 樣品結(jié)構(gòu)示意圖

Fig3Schematicdiagramofsamplestructure

圖4 兩層油膜的頻譜圖

Fig4Thefrequencyspectrumoftwolayersofoilfilm

4 皮膚老化測試

鑒于單邊核磁共振儀可以完成允許誤差范圍內(nèi)的一維模擬皮膚的分層實驗，因此征集志愿者進行人體皮膚的老化測試。志愿者包括3名年齡在19、27和28歲的年輕健康受試者，沒有實質(zhì)的因年齡引起臨床皮膚老化或日曬老化效應，以及6個年齡較大的健康受試者(年齡為58、60、63、64、84和86歲)，具有皮膚老化的臨床癥狀。每個受試者的NMR檢測范圍從兩個區(qū)域獲得：前臂(屈肌)的腹側(cè)，其受到紫外線的良好保護，以及前臂(伸肌)的背側(cè)，其受到較多的紫外線照射。 測量見圖5。 此外，在實驗中為了避免皮膚壓迫，指示受試者將其手臂輕輕地，在盡可能小的壓力下放置在平坦的線圈表面，利用NMR-MOUSE探頭進行測量從而獲取實驗數(shù)據(jù)。

這里應該清楚的是，不同健康受試者的皮膚厚度不同，皮膚含水量也不盡相同；加上真皮是不均勻的，并且除了膠原和彈性纖維之外，還包括其他成分，例如毛囊，汗腺，平滑肌，汗管和血管，這種不均勻性可能在真皮的不同點處不同程度地影響磁共振信號。 因此，選擇相對較厚的層用于T2分析，可以減弱這些因素對信號的影響。 分析每個受試者皮膚的相同層，盡管厚度有變化，但可以確保近似的信噪比SNR條件下進行測試。

圖5 志愿者受測部位

Fig5Themeasurementofvolunteer

實驗中所使用的U形磁體沿著z方向提供強梯度磁場，在遠離磁體的表面，結(jié)合硬射頻RF脈沖，產(chǎn)生選擇性激發(fā)薄片，從而實現(xiàn)切片。射頻線圈的檢測范圍在直徑為3 mm 的范圍內(nèi)，位于磁體的最上端表面；根據(jù)磁體和線圈沿z軸方向的上升量來進行對不同深度層的檢測，另外將磁體放置于步進電機上進行固定，利用步進電機來控制磁體表面與被測位置之前的深度。已知該裝置可實現(xiàn)2.5 mm的深度檢測，應用(CPMG)序列測量，對測量的時域回波進行傅立葉變換得到相應的的頻域譜，將B0的梯度值轉(zhuǎn)換成沿Z軸方向的位置，從而獲取重建切片深度 - 強度分布圖[10]。

(1)設(shè)置相應的參數(shù)，采集數(shù)據(jù)進行分析，得到深度-T2分布曲線，見圖6。

圖6 深度-T2分布曲線

Fig6Thedepth-T2profilesofvolunteer

圖6是單邊磁體測得不同深度下的值，結(jié)合皮膚的生理組織結(jié)構(gòu)，可以將皮膚大致分為以下五層[11]：一是表皮層：隨著受試者不同，其變化的起伏形狀和厚度也是不同的；二是乳頭狀真皮：由于位于表皮和乳頭狀真皮之間的交界面，核磁共振的檢測不能在這些層之間產(chǎn)生清楚的分離，因此，將來自兩個表層的加權(quán)平均信號作為混合區(qū)域的測量信號值； 三是上網(wǎng)狀真皮，其T2值較低，強度水平較弱，主要是因為彈性纖維及膠原纖維含量高，自由水成分下降；四是下網(wǎng)狀真皮，由于該層與脂肪組織有交叉。因此，強度和T2值隨著脂肪量的增加而增加，直到達到皮下組織。五是皮下組織：主要由脂肪組織構(gòu)成的皮下組織，其特征在于高強度曲線和長T2值。

(2) 分別測量來自19歲、27歲、28歲三名年輕受試者的前臂腹側(cè)檢測，得到以下深度-T2數(shù)據(jù)曲線，見圖7。

圖7 深度-強度分布曲線

Fig7Thedepth-intensityprofilesofvolunteer

分別測量所有年齡段受試者的前臂腹側(cè)，得到以下深度-T2分布曲線，見圖8。

圖8 深度-強度分布曲線

Fig8Thedepth-intensityprofilesofvolunteer

由圖7可知，具有非老化皮膚的年輕受試者的皮膚狀態(tài)模式和強度水平非常相似。 然而，層的厚度可以在受試者之間顯著變化。 隨著人的皮膚老化，由圖8中可觀察到在皮膚表皮和真皮層之間的連接處T2強度值逐漸變平緩，而強度的降低可歸因于老年人的細胞含量的減少。

(3) 用T2分析測評皮膚老化

通過弛豫時間T2來分析皮膚的老化機理，采用雙指數(shù)分析有利于實現(xiàn)對特定皮膚層的分析。在時間t的歸一化衰減信號S被建模如下：

(1)

其中f是具有弛豫時間T2f的快速衰減所占比重，T2s是具有互補分量的緩慢衰減比重的弛豫時間。對從每個志愿者的上網(wǎng)狀真皮測量的NMR信號進行T2分析。選擇該區(qū)域是因為其比乳頭真皮厚，并且具有清晰的邊界。這些特征允許表皮用NMR信號測量和光損傷檢測，因為該層暴露于UV輻射。 雙指數(shù)分析應用于每個空間分辨(分辨率，50 μm)衰減曲線，在300～550 μm的深度。

圖9顯示了在免受陽光照射的腹側(cè)區(qū)域(藍色)與在陽光暴露的背側(cè)區(qū)域(紅色)中的快速衰減比重及緩慢衰減弛豫時間的的比較。

圖9a.為前臂腹側(cè)及背側(cè)部位的快速衰減比重與年齡關(guān)系；b.為前臂腹側(cè)及背側(cè)部位的快速衰減弛豫時間與年齡的關(guān)系；c.為前臂腹側(cè)及背側(cè)部位的緩慢衰減弛豫時間與年齡的關(guān)系

Fig9a.Therelationoffastattenuationratioofverstralforearm,dorsalforearmskinandage；b.Therelationoffastattenuationrelaxationtimeofverstralfoream,dorsalforearrnskinandage；c.Therelationofslowattenuationrelaxationtimeofverstralforearm,dorsalforearmskinandage.

由圖9可知：隨著年齡的增長，快速衰減所占比重逐漸降低，而緩慢衰減弛豫時間逐漸增加；在大多數(shù)老年志愿者中，都會出現(xiàn)上述現(xiàn)象，而在年輕志愿者的測量中，卻不存在快速衰減比重降低，緩慢衰減弛豫時間增加的效應；另外通過對測量數(shù)據(jù)進行處理，發(fā)現(xiàn)快速衰減所占比重與年齡的模型中，擬合程度較高，而快速衰減弛豫時間與年齡的線性擬合程度較差，因此，沒有證據(jù)表明皮膚(圖b)中T2f弛豫時間的改變是由老化效應引起的[12]。

如上所述，結(jié)合水的量與膠原纖維的含量密切相關(guān)[12]。因此，膠原含量隨年齡的減少是觀察到的快速衰減比重f減少的主要因素。圖10顯示了腹側(cè)(圖a)和背部(圖b)的上網(wǎng)狀真皮中膠原含量。結(jié)果顯示來自背側(cè)和腹側(cè)真皮的樣品中膠原和T2級分之間的一些相關(guān)性，對于腹側(cè)和背側(cè)值的線性擬合，發(fā)現(xiàn)富含膠原的年輕皮膚(用正方形標記)的特征在于具有較低的T2f比重，而較老的皮膚(用圓圈標記)具有較低的膠原含量和較高的T2f比重。

圖10a和b分別為前臂腹側(cè)及背側(cè)部位的膠原含量與快速衰減所占比重的關(guān)系

Fig10a，b.Therelationofcollagenamountoftheverstralforearmanddorsalforearmskinandfastattenuationration

5 總結(jié)

利用全開放式單邊核磁共振技術(shù)實現(xiàn)對人體皮膚老化檢測，對于皮膚癌的前期診斷、化妝品的使用效果檢驗等具有非常廣闊的應用前景。