与人脑白质磁共振弛豫时间近似的琼脂凝胶模型制备的实验研究

葛祖峰，龚向阳，朱莉莉，朱时锵，吴 伟，单登峰

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

与人脑白质磁共振弛豫时间近似的琼脂凝胶模型制备的实验研究

葛祖峰1，龚向阳2，朱莉莉1，朱时锵1，吴 伟1，单登峰1

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

目的：建立最接近正常成人脑白质弛豫时间的琼脂及钆对比剂浓度配比的磁共振实验模型。方法：将浓度为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的钆特酸葡胺分别与1.0%、1.5%（g/dl）的琼脂混合制成模型。将模型固定于成人志愿者头颅周围行MRI扫描得到T1、T2map图。测定各种浓度配比模型的弛豫时间，分别得到T1、T2值的回归方程。通过单变量求解计算出接近人脑白质弛豫时间95%可信区间（均值）的浓度配比。并根据计算得到的浓度配比配制成模型后与志愿者脑白质弛豫时间作进一步对比验证。结果：人脑白质T1、T2值95%可信区间（均值）分别为792.14～848.59（820.36）ms、83.45～86.09（84.77）ms。0.10～0.11mmol/L（0.11mmol/L）钆特酸葡胺与1%琼脂混合、0.09～0.10mmol/L（0.10mmol/L）钆特酸葡胺与1.5%琼脂混合后的弛豫时间与脑白质T1值95%可信区间上限值与下限值（均值）接近；0.49～0.56mmol/L（0.52mmol/L）钆特酸葡胺与1%琼脂混合、0.08～0.12 mmol/L（0.10 mmol/L）钆特酸葡胺与1.5%琼脂混合的弛豫时间与脑白质T2值95%可信区间上限值与下限值（均值）近似。结论：1.5%的琼脂与0.09～0.10 mmol/L的钆特酸葡胺配比制成的模型T1、T2值均接近正常成人脑白质，能用于模拟正常成人的脑白质MRI信号。

脑；凝胶类；磁共振成像

在离体MRI实验研究中，琼脂凝胶常用于模拟人体组织作为病灶载体与病灶进行信号对比[1-7]，因此要求其与所模拟组织弛豫时间接近。实验中可通过在琼脂凝胶中加入适当钆对比剂的方法来获得所需弛豫时间[1-2]，但目前未见琼脂及钆对比剂混合模型与脑组织弛豫时间关系的详细报道，笔者期望通过测定不同浓度配比的琼脂及钆对比剂模型的弛豫时间，找到接近脑白质弛豫时间的浓度配比方案用于离体研究中模拟脑白质MRI信号。

1 材料与方法

1.1 志愿者

本研究经医院伦理委员会同意，选取既往无神经系统疾病的健康成人为志愿者，且行常规T1WI及T2WI轴位扫描未见异常改变，共纳入11例，其中男6例，女5例，年龄35～73岁，中位年龄44岁，所有志愿者均签署了知情同意书。

1.2 模型制作与MRI扫描

用1/10 000天平（上平，上海上平仪器有限公司）称取1 g、1.5 g琼脂粉（福建绿麒食品胶体有限公司）各7份，将每份琼脂粉溶解于100 mL蒸馏水中，制成1%、1.5%浓度琼脂溶液各7份，在两种浓度琼脂溶液中用移液器（dragon，芬兰）分别加入6mL、12 mL、18 mL、40 mL、80 mL、120 mL及160 mL钆特酸葡胺（多它灵，Guerbet），配成浓度分别为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。将每瓶溶液置于微波炉上加热4 min后琼脂完全溶解呈外观澄清透明，再注入硅胶试管中，室温下待其自然冷却至凝固后置于37℃保温箱内1 h，然后将试管固定于健康志愿者头颅周围，在20℃室温下用1.5T磁共振扫描仪（Siemens Avanto，德国）相控阵头线圈进行轴位扫描。

测T1值采用3D扰相梯度回波小角度激励序列（Flash）双翻转角技术，成像参数：TR为15 ms，TE为5.2 ms，翻转角为5°、26°，FOV 230 mm×200 mm，矩阵256×256，层厚5 mm，层间距0，带宽130 Hz/ Px，1次平均，共采集16层。

测T2值采用SE序列16个回波技术，成像参数：TR为 3 000 ms，TE分别为 22、44、66、88、110、132、154、176、198、220、242、264、286、308、330、352 ms，翻转角为180°，FOV 230 mm×200 mm，矩阵256×256，层厚5 mm，层间距5 mm，带宽130 Hz/Px，1次平均，共采集8层。

扫描完成后由机器自动计算产生map图，由1名有经验的医师在工作站上直接测量2组map图上每支试管的对应中心2个层面的弛豫时间，测量时沿试管内径选取尽量大的感兴趣区域 （ROI），然后将ROI移至志愿者双侧额部尽量靠近皮层的半卵圆中心测量脑白质的弛豫时间。

根据计算得到的浓度配比再制作模型进行MRI扫描，测量模型的弛豫时间与脑白质的弛豫时间进一步对比验证。

1.3 统计学分析

利用SPSS 15.0分析软件进行统计学分析。首先计算正常志愿者脑白质弛豫时间的95%可信区间；然后用测得两种琼脂浓度与不同钆特酸葡胺配比的弛豫时间进行回归分析，获得曲线回归方程，设单侧P＜0.05时差异有统计学意义；在回归方程成立的基础上，再将正常志愿者脑白质95%可信区间的上下限值及均值分别代入回归方程，利用 excel 2003（Windows XP，Microsoft）单变量求解法计算出接近脑白质弛豫时间的钆特酸葡胺理论配比浓度，根据求得的浓度配成模型后再次扫描，与志愿者的脑白质进行独立样本t检验比较，设双侧P＜0.05时差异有统计学意义。

2 结果

2.1 志愿者脑白质与模型弛豫时间

正常志愿者脑白质的T1、T2值分别为 （820.36± 63.66）ms、（84.77±2.98）ms，T1值95%可信区间为792.14～848.59 ms，T2值 95%可信区间为 83.45～86.09 ms。

各层面试管内琼脂凝胶信号均匀，未见琼脂颗粒或钆特酸葡胺分布不均所致的局灶性异常信号。1%琼脂与钆特酸葡胺配比的模型T1、T2值范围分别为132～1 014 ms、72～147 ms，1.5%琼脂与钆特酸葡胺配比的模型T1、T2值范围分别为135～993 ms、71～99 ms，各种浓度配比模型随着钆特酸葡胺浓度的增高，T1、T2值均随之下降（表1，图1）。

图1 不同浓度琼脂与钆特酸葡胺配比的模型在T1map（图1a）与T2map（图1b）图上显示为不同的信号。左侧1%琼脂凝胶，从后往前试管内7种钆特酸葡胺浓度从0.03 mmol/L（白箭）依次递增至0.8 mmol/L（白箭头）。右侧为1.5%琼脂凝胶，从后往前试管内7种钆特酸葡胺浓度从0.03mmol/L（红箭）依次递增至0.8mmol/L（红箭头）。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 模型弛豫时间回归方程

根据测得的两种浓度琼脂与不同浓度的钆特酸葡胺配比模型的弛豫时间经统计学分析获得曲线回归方程，其中1%琼脂与不同浓度钆特酸葡胺配比的T1值曲线回归方程为（图2）：

1.5%琼脂与不同浓度钆特酸葡胺配比的T1值曲线回归方程为（图3）：

1%琼脂与不同浓度钆特酸葡胺配比的T2值曲线回归方程为（图4）：

1.5%琼脂与不同浓度钆特酸葡胺配比的T2值曲线回归方程为（图5）：

表1 不同浓度琼脂与钆对比剂配比弛豫时间（x±s）

图2 1%琼脂与不同浓度钆对比剂混合模型T1值曲线图。Figure 2.The regression curve of T1relaxation time of 1% agar mixed with different concentration of gadoteric acid.

图3 1.5%琼脂与不同浓度钆对比剂混合模型T1值曲线图。Figure 3.The regression curve of T1relaxation time of 1.5% agar mixed with different concentration of gadoteric acid.

图4 1%琼脂与不同浓度钆对比剂混合模型T2值曲线图。Figure 4.The regression curve of T2relaxation time of 1% agar mixed with different concentration of gadoteric acid.

图5 1.5%琼脂与不同浓度钆对比剂混合模型T2值曲线图。Figure 5.The regression curve of T2relaxation time of 1.5% agar mixed with different concentration of gadoteric acid.

2.3 接近脑白质弛豫时间的模型浓度配比

将测得的正常志愿者脑白质95%可信区间T1值上下限（均值）分别代入公式（1）与（2），通过单变量求解计算得到1%、1.5%琼脂与钆特酸葡胺的理论配比浓度范围分别为0.11～0.10 mmol/L（0.11 mmol/L）、0.09～0.10 mmol/L（0.10 mmol/L）。将测得的正常志愿者脑白质95%可信区间T2值上下限（均值）分别代入公式（3）与（4），通过单变量求解计算得到1%、1.5%琼脂与钆特酸葡胺的理论配比浓度范围分别为0.49～0.56 mmol/L（0.52 mmol/L）、0.08～0.12 mmol/ L（0.10 mmol/L）（表2）。由此可见，1%琼脂与钆特酸葡胺配比时，无法与脑白质T1、T2值同时接近；1.5%琼脂与0.09～0.10 mmol/L钆特酸葡胺配比时，T1、T2值均在脑白质95%可信区间的范围内。

再用前述方法，在300 mL蒸馏水中加入4.5 g琼脂粉及60 mL钆特酸葡胺，配置成1.5%琼脂与0.10 mmol/L钆特酸葡胺模型试管10支，进行轴位扫描获得T1、T2map图，测每支试管中心2个层面弛豫时间。测得T1均值为（802.80±50.13）ms，与脑白质T1值差异没有统计学意义（t=0.986，P=0.330）；T2值为（86.05±2.68）ms，与脑白质T2值差异亦没有统计学意义（t=1.012，P=0.317）。

表2 根据脑白质弛豫时间95%可信区间计算所得钆对比剂理论浓度

3 讨论

在研究诸如离体病灶MRI信号特点的实验中，常需离体组织作为病灶载体与病灶进行信号对比[1-7]，实验所需的离体组织有不易获取、成本较高、保存困难等诸多不足，因此在部分仅强调组织MRI背景信号的离体研究中有必要寻找一种制取容易、成本低廉、性能稳定、便于重复的离体组织替代物。琼脂凝胶常被应用于类似实验，但以往实验中的离体模型大部分仅通过选用某种琼脂浓度来调整弛豫时间，差异较大，相对精确度不高[3-7]，而Bazrafshan等[2]制作的肝脏模型又相对工艺复杂。本实验中模型制作所需的琼脂粉与钆对比剂易于获得，利用实验室中常见工具，操作方便、方法易于掌握，是一种比较理想的离体组织替代物。而且当琼脂被加热溶解后降至人体温度时尚未凝固，能浇筑成任意形状[1]。制作过程中需注意的是将琼脂加热至完全溶解以避免未溶解的琼脂颗粒导致的局部信号不均引起实验结果误判，本组实验各试管内琼脂加热后澄清透明，且MRI信号均匀，表明琼脂溶解透彻，钆特酸葡胺能够不发生沉淀而均匀分布。

弛豫时间是组织的固有特性。测定弛豫时间的方法有多种，常用的T1值测量方法有基于反转恢复测量的技术、Look-Locker技术和多翻转角技术等。本组采用的3D Flash双翻转角技术具有信噪比及精确度均较佳、扫描时间短、射频能量吸收率（SAR值）低等优点[8-11]。T2值的常用测量方法有自旋回波、自旋多回波、快速自旋回波[11-12]，以及用自旋回波和反转恢复交替的联合采集技术、基于梯度回波的采集技术能同时获得T1和T2map图[12-13]。我们采用经典的多层自旋多回波序列来获得T2map图进行T2值测量，通过测量不同回波时间的MR信号强度，再通过后处理软件计算逐个像素值形成T2值伪彩图，对感兴趣区测量得出组织的T2值[14]。以上测量方法均受磁环境（主要是场强B0）影响[11]，为了尽量消除外来因素的干扰，我们将试管模型固定于志愿者头颅周围进行同时扫描。

在相同磁场、温度等环境下，弛豫时间决定物质的MRI信号[15]。理论上不同浓度琼脂与钆对比剂的配比模型可具有不同的弛豫时间，因此琼脂与钆对比剂浓度配比方案是模型制作的关键。实验发现，在相同钆特酸葡胺浓度为1.5%琼脂模型T1、T2值均短于1%琼脂模型；在同一种琼脂浓度下，随着钆特酸葡胺浓度的增高，T1、T2值均随之下降。笔者通过对测得的2种浓度琼脂与多种浓度钆特酸葡胺配比模型的弛豫时间进行回归分析得到弛豫时间变化曲线方程，利用曲线方程计算得到与脑白质弛豫时间接近的理论配比浓度范围。通过计算发现，琼脂浓度为1%时，与脑白质T1、T2值接近的钆特酸葡胺浓度在不同范围内，可见1%琼脂与钆特酸葡胺配比模型无法同时使其T1、T2值均接近脑白质；1.5%琼脂与0.09～0.10 mmol/L的钆特酸葡胺配比时，其T1、T2值同时均在脑白质95%可信区间内，我们通过制成1.5%琼脂与0.10 mmol/L的钆特酸葡胺配比的模型进一步得到了验证，因此，我们认为该浓度范围的配比是比较理想的能同时模拟脑白质T1、T2值的浓度配比。

综上所述，琼脂与钆对比剂按一定比例浓度配比后，其弛豫时间能接近正常成人脑白质，1.5%琼脂中加入0.09～0.10 mmol/L钆特酸葡胺是一个比较理想的浓度配比方案，能用来模拟正常成人脑白质T1WI或T2WI图像信号。本组实验仅找出了能模拟脑白质弛豫时间的琼脂与钆对比剂浓度配比方案，今后我们期望利用类似方法找出能模拟人体其他组织的浓度配比方案。

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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，副主任医师。E-mail：13566589758@163.com

龚向阳，浙江省人民医院放射科，310014。E-mail：cjr.gxy@hotmail.com

浙江省卫计委基金资助项目（2013KYA193）；宁波市科技局基金资助项目（2011c50070）。