電子順磁共振成像及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

1、國(guó)外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊(cè)l999年第22卷第6期Comput，1996，34：346～35013HolderDSElectricalimpedancetomographyofglobalcerebralischaemiawithcorticalorscalpelectrodesLntheanaestherisedratClinics1PhysicsandPhysiologicalMeasurement，1992，l3：87～9814Ba

2、xterAJ，Mangnal[YE，Browneta1Eva[uationofappliedpotentia[tomographyasanewnon—invasivegastricsecretiontestGUT，l988，30：1730～l73515SmallwoodRH，NourSMangnalleta1Impedanceimagingandgastricmoti[ityIn：HoMerDSedClinicalandPhysiolo

3、gica[ApplicationsofE[ectrica[ImpedanceTomography，UCLPres$London，199316KoterCJEITimagereconstructionusingsen—sitivitycoefficientweightedbackprojectionPhysiologicalMeasurement，1992，15：125～13617WatanabeR，Kotour~H，MorishitaY

4、CTanal—ysisoftheuseoftheelectricalimpedancetechniqHetoestimate1OCa1~edemantheextremitiesinpatientswithlymphaticobstructionMedBio[EngComput，1998，36：60~64l8YangminKimImpedancetomographyanditsapplicationindeepvenousthrombos

5、isdeteelionIEEEEngMedBiolMaga~ne，1989，1：46～52(收稿日期l999～06—29)電子順磁共振成像及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用r3吖型、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所國(guó)家生物醫(yī)學(xué)分析中心自由基與順磁實(shí)驗(yàn)室(100850)呂維雪審摘要本文論述了電子順磁共振成像(EPRD方法以廈近年來該方法在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在問題與展望。目前適于生物樣品的EPRI方法主要工作在L波段微波或射頻波段。成像信號(hào)主要依賴于

6、外濰性穩(wěn)定的白旋標(biāo)記物、捧針或NO白旋加合物。成像多以小體積動(dòng)物(大鼠或小鼠)為模型?？裳芯咳R些病理、生理過程覆體內(nèi)藥物代謝特性。成像對(duì)象涉及臟、腦、肝、腎、胃、胸腔、腹腔及皮膚等。體內(nèi)成像分辨率可4、于02ram。實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體內(nèi)源性順磁物質(zhì)的成像廈進(jìn)一步加大成像體積是該領(lǐng)域要解決的主要問題。關(guān)鍵詞電子順磁共振體內(nèi)成像1引言電子順磁共振(EPR)渡譜法作為檢測(cè)和分析生物自由基的最有效手段，已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究的許多方面。隨著自由基

7、奉文由國(guó)家自然科學(xué)基金資助(29935080)334o生物醫(yī)學(xué)研究的深入開展人們不僅需要了解各種生物活性自由基的性質(zhì)與產(chǎn)額，而且還希望了解自由基等順磁性物質(zhì)在生物體特定組織、器官中或在生物整體中的空問分布情況以及它們?cè)跈C(jī)體內(nèi)代謝過程中不同區(qū)域維普資訊國(guó)外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊(cè)1999年第22卷第6期譜線超精細(xì)分裂的影響，提高成像精度到02ram或更低，從而可分辨出左、右動(dòng)脈及動(dòng)脈分枝點(diǎn)升冠狀動(dòng)脈及曲冠狀動(dòng)脈等更精細(xì)的心臟結(jié)構(gòu)_s。利用可控

8、周期采樣EPRI方法，通過外部刺激來穩(wěn)定心跳周期刺激信號(hào)同時(shí)控制采樣周期時(shí)序，在每個(gè)心跳周期內(nèi)進(jìn)行16次或32次成像采樣，可克服心臟的規(guī)律性跳動(dòng)帶來的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)正常搏動(dòng)的活體心臟實(shí)時(shí)成像口這種方法可以獲得心肌中自由基分布的時(shí)間依賴關(guān)系以及在心搏周期中心臟結(jié)構(gòu)的改變信息。心臟的成像還證實(shí)了在心臟截扎損傷過程中，心肌中自由基的清除與轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)過程在不同的心肌區(qū)域存在差別。。用Fe(MGD)。為搏捉劑對(duì)心臟中No分布的3DEPRI，顯示出N

9、o在截扎過程中產(chǎn)生于整個(gè)心臟區(qū)域，并可呈現(xiàn)心臟外形輪廓、右心室及左心室、心肌內(nèi)膜表層和心室腔。動(dòng)態(tài)觀察還顯示產(chǎn)生NO最多的位置是在心肌中部，而后向左心室內(nèi)膜及外層擴(kuò)展。右心室心肌中產(chǎn)生的No濃度比左心室要低4倍至5倍J。雖然核磁共振成像(MRI)方法及x線CT法已實(shí)際應(yīng)用于腦部成像，但從原理上看，EPRI應(yīng)比MRI有更好的分辨率，產(chǎn)生成像信號(hào)的物質(zhì)及所獲得的信息也將更多。例如，它除了可從結(jié)構(gòu)上對(duì)大腦成像，還可利用自旋探針對(duì)腦中不同區(qū)域氧

10、分壓、pH值或NO分布進(jìn)行成像。YoshimuraT等用Fe—DECS為捕捉劑在L波段獲得了大鼠腦中NO分布的EPR1，但因?yàn)镕e。一絡(luò)臺(tái)物型NO加臺(tái)物的EPR波譜較寬(約046mT)，所以其成像分辨率在6ram左右。為了探求可有效進(jìn)入腦部的標(biāo)記物類型，HiramatsuM等在L波段對(duì)活體大鼠腦部進(jìn)行斷層掃描EPRI(EPR—CT)，比較了脂溶性標(biāo)記物16DS與水溶性的PCA通過血腦屏障的情況1。結(jié)果PCA只存在于顱腔而不能進(jìn)入腦部，而

11、16DS則在腦皮層、海馬層、中腦、腦橋髓質(zhì)、延髓、小腦、基底神經(jīng)節(jié)336線粒體、大腦突觸體等部位均有分布。IshidasI用710MHz射頻段對(duì)大鼠頭部的3DEPRl也證實(shí)了PCA不能進(jìn)入腦部他們采用水平及垂直兩個(gè)方向的斷層影像和高強(qiáng)度梯度磁場(chǎng)(1mT／cm)使每個(gè)縱向斷層厚度為15ram，另一種可透過血腦屏障的氮氧自由基標(biāo)記物為PCAM，YokoyamaH用700MHz射頻段EPRI研究了PCAM在腦中不同區(qū)域的衰減特性1得到了腦不同

12、區(qū)域?qū)ν庠醋杂苫那宄?guī)律除心、腦以外對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的基它器官、組織如肝臟、腎、胃以及腹腔、胸腔的EPRI研究近年來也屢有報(bào)導(dǎo)’””】。由于微波可有效穿透皮膚組織，所以皮膚的在體EPRI是一個(gè)較好的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。FuchsJ等在皮膚病理學(xué)研究中嘗試了用EPRI結(jié)合自旋結(jié)合，對(duì)皮膚中紫外透導(dǎo)的活性氧自由基的代謝規(guī)律及皮膚細(xì)胞的理化特性進(jìn)行了分析]。用梯度調(diào)制場(chǎng)EPRI方法對(duì)無毛小鼠皮組織的1D和2DEPRI的點(diǎn)分辨率為25#m，信號(hào)來源為穩(wěn)

13、定的二特丁基氮氧自由基。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，更適合于對(duì)皮膚實(shí)現(xiàn)成像的方法應(yīng)是適于表面成像的掃描顯微EPRI法J借助于某些自旋探針對(duì)生物體內(nèi)微環(huán)境極敏感的特性，EPRI技術(shù)還被用來分析生物體內(nèi)某些理化特性的空間差別。例如以咪唑類氮氧自由基為pH探針，其超精細(xì)分裂常數(shù)的變化在pH為2～8范圍內(nèi)敏感，用之對(duì)動(dòng)物模內(nèi)的pH值進(jìn)行三維無損檢測(cè)的方法，可望應(yīng)用于活體動(dòng)物。體內(nèi)或器官中的氧濃度也是一個(gè)成像的對(duì)象，利用氮氧自由基在體內(nèi)的還原速率與其周圍的氧