《激光极化129xe的生物磁共振成像研究进展3》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光极化129xe的生物磁共振成像研究进展3（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、发展的超短脉冲超强激光等离子体物理这一新 兴的前沿学科领域,它在X射线激光、X射线 波段的高次谐波相干辐射、 新型的粒子加速器、超快高能X射线光源和 “快点火” 惯性约束聚 变等方面,都有着广泛的应用前景.有关新的物 理现象和新的能量吸收机制的探索和研究也正 在进行之中.参考文献 1 Mourou C A ,Barty C P H , Petty M D. Phys. Today ,1998 ,51 :2228 2 Tabak M ,Hammer J ,Glinsky M Eet al. Phys. Plasmas ,1994 ,1 :16261634 3 常铁强等.激光等离子体相互作用与激光
2、聚变.长沙:湖南科学技术出版社,1991. 2335 4 Brunel F. Phys. Rev.Lett. ,1987 ,59 :5255 5 Kruer W L , Estabrook K. Phys. Fluids ,1985 ,28 :430432 6 Gibbon P. Phys. Rev.Lett. ,1994 ,73 :664667 7 Denavit J. Phys. Rev.Lett. 1992 ,69 :30523055 8 Wilks S C. Phys. Fluids B ,1993 ,5 :26032608 9 Cao Lihua ,Chang Wenwei , Yu
3、e Zongwu. Phys. Plasmas ,1998 ,5 :49950210曹莉华,常文蔚,岳宗五等.中国激光, 1997 , A24 :94795111曹莉华,常文蔚,岳宗五等.强激光与粒子束,1998 ,19 :808312Rozmus W , Tikhonchuk V. Phys. Rev. A , 1990 , 42 :7401741213Gamaliy E G,Dragila R. Phys. Rev. A ,1990 ,42 :92993514Estabrook K G, Kruer W L. Phys. Rev. Lett. ,1978 ,40 :42503 国家自然科学
4、基金资助项目1998 - 10 - 20收到初稿,1998 - 12 - 07修回激光极化129Xe的生物磁共振成像研究进展3孙献平 曾锡之(中国科学院武汉物理与数学研究所,波谱与原子分子物理国家重点实验室 武汉 430071)摘 要 激光光抽运自旋交换方法能够极大地增强129Xe核自旋极化,其获得的非平衡极化度远远高于在相同磁场里玻尔兹曼平衡值.增强的核自旋极化度,可以使129Xe核磁共振的灵敏度提高104105倍,导致激光增强极化的129Xe在自然科学、 生物和医学等方面许多新的研究和应用.文章介绍了激光极化气体129Xe的生物磁共振成像研究的进展.关键词 激光极化气体129Xe ,生物磁
5、共振成像,核自旋极化PROGRESS IN THE STUDY OF BIOLOGICAL MRIMAGING USINGLASER- POLARIZED129XeSun Xianping Zeng Xizhi( State Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and Molecular Physics ,Wuhan Institute of Physics and Mathematics , The Chinese Academy of Sciences , Wuhan 430071)Abstract Large spin pola
6、rization can be produced in129Xe nuclei by laser optical pumping andspin exchange. The amplification factors of the nuclear spin polarization of laser - polarized129Xe arein the range of 104105times the Boltzmann polarization of the129Xe in the same magnetic field.253物理The nuclear spin polarization
7、can greatly enhance the NMR sensitivity of129Xe ,enabling new investi2gations and applications of laser - polarized129Xe in the physical ,biological ,medical and other sci2ences. We review the progress in the study of nuclear magnetic imaging using laser - polarized129Xegases.Key words laser - polar
8、ized129Xe gas , biological MR imaging , nuclear spin polarization自从Albert等人1在1994年报道了第一个使用激光极化气体129Xe获得老鼠肺部磁共振成像以来,研究工作又有了新的进展,使它有 可能成为一种重要的生物和医学新诊断技术.激光增强核自旋极化的技术使得129Xe的磁共振可探测灵敏度获得极大的提高,这是由于其具有大的非平衡极化度.用激光极化129Xe作为在生物活体中的磁共振探针,能够解决使用热 极化129Xe时出现的信噪比问题,其磁共振成像能够给出相当于质子(1H2O)磁共振成像的分辨率.其建立的溶解相成像和气相成像,
9、使得激光极化129Xe磁共振成像可以清楚地显示肺的结构和它的功能之间的关系.在类脂肪体中,Xe的可溶解性将简化仍然难以成像的富脂肪组织的研究. Xe也很容易在血液里溶解,并且溶解的129Xe的弛豫时间T1也相当长,输送到末端组织仍携带有足够大的磁矩.这使得脑的富脂结构成像和用激光极化129Xe磁共振研究皮层的脑功能成为可能. Xe溶解在血液里,累 积在脑里,并且在生物活体里处理为可以自由扩散的示踪剂.这些激发了人们对激光极化129Xe的生物磁共振成像研究的热情.1 激光极化129Xe输入到生物体的方法通常,生物体中不含有129Xe.为了进行激光极化129Xe磁共振成像和活体谱测量,需要先将这种
10、媒介物质输入到所要研究的部位.激光 极化129Xe输入到生物体中有以下几种方法:第一种是经由肺部的吸入,已经证明是成功的.并且,由血液传输,在远离肺部的一些器官,例如 啮齿动物和人的脑里获得了信号.第二种是将含有激光极化129Xe饱和的溶液样品局部注入2,并且仅仅集中激光极化129Xe在所要观测的部位.血管造影术是可能使用这样一种生物 惰性和耐药性的携带物. Xe在盐水里具有一个 低的溶解度,但是,在各种类脂物乳胶体和碳氟 化合物的血液代用品中,它的溶解度很高,T1时间也足够长.肌肉内部的辅药(例如,二甲基 亚矾、 维生素E等)也可能是有效的激光极化129Xe的携带者.当129Xe被溶解在类脂
11、物溶液 中或者一个完全碳氟化合物乳胶体中,然后注 入到静脉血里,它的T1时间比单独在静脉血液中的长大约3倍. Zhao等人测定3了溶解在 几种生物可溶的溶液里的激光极化129Xe的弛豫时间T1,其范围从65s到110s.他们也给出 了在活鼠内脉管里由血液替代品或者生物可溶 的溶液输送激光极化129Xe的演示.第三种方法 仅仅适合于动物实验.为了增加Xe溶解度和 增长T1弛豫时间,用碳氟化合物部分地代替血液,去增加吸入技术.2 肺部的激光极化129Xe磁共振谱和成 像我们简要地介绍过4Albert等人使用激光 极化129Xe气体在已切割下来的老鼠肺里获得129Xe磁共振成像的第一例演示1.它们将
12、激光 光抽运自旋交换产生具有25 %极化度的129Xe(70 %的同位素丰度)气体输送到已切割下来的老鼠肺里,使用小翻转角的二维快速梯度回波 序列在016s的时间里获得肺的激光极化129Xe 成像.像的空间分辨率为01140128mm3,信 号强度和空间分辨率两者都超过标准传统的1H2O磁共振成像.并且,129Xe的浓度比典型质子成像中的质子浓度小数千倍.在快速的脉冲 序列中可以获得几个激光极化129Xe磁共振成像,这表明能够利用激光极化129Xe对感兴趣的35328卷(1999年) 6期生物组织进行实时观测.Sakai等 人5在 重400500g的 活Sprague - Dawley鼠的肺气
13、体空间和组织里获得激光极化129Xe磁共振谱和成像.他们使用天 然Xe样品,激光极化后输入到活鼠肺部.除了 在肺空间里获得气态129Xe磁共振信号外,在血 浆、 肺薄膜组织和红血细胞里也观测到激光极 化129Xe磁共振谱.它们的化学位移和表观弛豫 时间T31分别为191ppm ,4916s;199ppm ,26s 和213ppm ,1114s.这些结果与在玻璃试管中的 样品里所获得的129Xe化学位移相符合,也和由 气体的进入和排出状态期间的129Xe峰的瞬时 动态特性相一致.在对重2030g的活Swiss -Webster鼠的研 究 中, Wagshul等 人6使 用FLASH脉冲序列在Br
14、uker MSL - 400微成像 仪获得活鼠肺空间的激光极化129Xe磁共振成 像,并从活鼠胸的溶解相激光极化129Xe磁共振 谱中,观测到与肺排气循环关连的化学位移变化.他们使用了70 %同位素丰度的129Xe ,活体 的表观T31值范围为2030s.这个在肺空间 和组织中的足够长的激光极化129Xe寿命,使得 肺系统的排气和进气功能研究成为可能. 第一例人肺的激光极化129Xe磁共振成像, 是从吸入300500ml同位素丰度(71 %)129Xe气体的平均年龄为25岁的两男一女中获得7. 激光光抽运自旋交换方法产生近1000ml的极 化度约为2 %的激光极化129Xe8.用115T的商
15、用核磁共振成像仪,获得了人肺气体空间的截 面像.在这项研究中,还使用一维核磁共振方法从人胸部测量3个溶解相的激光极化129Xe磁 共振谱.其化学位移与活鼠胸部研究的结果5 惊人地相似.大约有几ppm的系统位移,这是 由物体形状和体积大小的不同所引起的磁化效 应所致.3 血液里129Xe的弛豫时间T1激光光抽运自旋交换技术能够高度极化129Xe核自旋,提高129Xe的核磁共振灵敏度103105倍4.这样,当激光极化129Xe经由血液循环到达所要观测的生物组织上,并保持它的非平衡核极化,就能进行激光极化129Xe的生物磁共振成像.激光极化129Xe从肺中进入血液,经过心脏并进入脑部.为了在脑部获得
16、足够的磁矩,溶解在血液中的129Xe的弛豫时间T1必须足够长.将激光极化129Xe气体输送到静脉的或者掺氧的血液样品,然后测量其T1时间.测量时,由于激光极化129Xe具有高的非平衡核自旋极化度,可以将采样时间减少到分钟量级,以保持血液的生理状态. Albert等人9在脱氧血中测得129Xe的弛豫时间T1为412s ,而在掺氧血液中,T1为1315s.Bifone等人2在盐水中溶解了激光极化129Xe ,然后,将这种溶液注入到静脉血样品,获得T1为5s ,当考虑到T1随稀释度增加时,这一结果与Albert等人报道的符合较好.显然,129Xe的弛豫率强烈地依赖于血液里氧的状态.这一特性是因为氧气束缚在蛋白质基体的无极性空穴中的血红蛋白上10,并且引起了分子中复杂的结构上的变化11,而含氧血红蛋白比脱氧血红蛋白具有较少的顺磁性12 ,13.这与气态情况是完全不同的,在气态,氧则是
