一.肺部核磁共振成像进展
肺部核磁共振成像MRI长期以来都是个巨大的挑战,主要原因在于肺实质内质子密度很低,缺少产生MRI信号的物质基础,加之伪影等原因,影响肺部MRI的成像质量。随着MRI成像技术的快速发展,MRI肺通气或灌注成像已成为可能。
利用核磁共振成像仪进行体检时,如果让病人吸入一口经过特殊处理的气体———极化氦,照出的图像将非常清晰,可以一目了然地看到气体是如何进入气管,到达两个主支气管,然后充满肺部的。这种气体进入肺部的实时图像,能使科学家更好地研究肺的换气情况及换气对肺的作用,并可对某些肺病,如哮喘或肺气肿等作出预先诊断或更好地跟踪病情发展。
欧盟对这个课题的研究早在2001年前就开始了。2001年1月,欧盟投资160万欧元,组织了5个国家、9个实验室的上百名医生和物理学家,进行为期3年的慢性肺病研究,这种疾病是导致欧洲人死亡的第四大杀手。以往的研究方法是利用核磁共振仪观察身体内部组织或液体中的质子含量的变化情况,以判断病情。现在,科学家将观察对象由质子变为极化的氦离子,以改进观察效果。这是因为肺部组织空腔多、质子量少,因此用核磁共振仪检测肺内部情况可见度非常低。不过,由于普通氦气的密度非常小,核磁共振的图像质量也不甚理想,因此科学家设法用光泵将氦气极化,这极大地提高了图像质量。科学家通过研究发现,核磁共振图像质量的好坏取决于氦的极化度。
美国普林斯顿大学、宾州大学、杜克大学等也在研究这种核磁共振成像法,但他们用来产生极化气体的光泵系统与欧盟的不一样:欧洲科学家只使用纯氦气,美国科学家则将氦气与铷气混合后极化。欧洲科学家认为,使用纯氦气更适于大量、快速地生产观察所需的极化氦,因为极化气体是在一定压力下产生的,无需再进行压缩,缺点是剂量不大。但如果有需要,欧洲科学家的方法只需20分钟就可产生一份剂量,而采用美国科学家的方法则需要4个小时。
巴黎有两家医院已经将这种技术用于临床试验,如:根据核磁共振图像治疗肺气肿,对感染部分进行手术;观察肺移植的早期排异反应;诊断肺栓塞;对哮喘发作进行观察和治疗等。
威斯康辛大学的研究人员能够借助于呼吸运动中无害的气体氦探测到烟民更深的肺部。氦能够被吸入,一般通过广泛运用的磁共振成像(MRI)技术可以探测到,因为该技术可以生成人体软组织高清晰度对比的图像。氦的运用不同于传统的MRI技术,后者一般根据含水量的差异来区别各种组织。
威斯康辛大学的科学家们在放射学期刊中写道,同已有的图像技术相比,依赖氦的方法能够让医生更准确的评估肺部的健康,更迅速的发现吸烟引起的疾病。
在小儿肺成像研究方面,维吉利亚大学的Talissa Altes博士和他的同事们用超极化的氦-3弥散MR检测儿童期肺泡扩大患者,该研究的好处是让患者在一生中多次接受非辐射的扫描检查。设菲尔德大学的Jim Wild博士和他的同事们的研究也表明儿童容易接受超极化的氦-3 MRI成像技术。
二.超极化的氦-3肺部核磁共振成像的原理与装置
1999年起法国Keopsys公司就与多家欧洲研究机构合作,开发出高功率、小体积、高效率的氦气泵浦用1083nm掺镱光纤激光器,以便产生大量的超极化氦气作为磁共振成像MRI中核磁共振信号源,从而可以对肺部进行清晰成像,而这是传统MRI技术所不能及的。因此使用极化氦气的方法能够让医生更准确的评估肺部的健康以及分析肺病机理与功能。高效率的掺铒光纤激光器在生物医学的皮肤学等其它领域也有了更多的应用。
对3He进行光学泵浦要求激光器满足以下条件:
1. 中心波长1083nm
2. 线宽<2GHz
3. 激光为线偏振光
4. 频谱调节范围大于60GHz以便覆盖3He 与 4He的吸收谱线
5. 高功率CW连续光>2W,以便对大量气体进行快速极化,从而增强核极化的程度。
Keopsys公司的1083nm双包层掺镱光纤激光器具有特别优化的激光线宽(<2GHz)以便满足氦原子跃迁中的多普勒线宽,其工作波长可在80GHz范围内调节以便覆盖氦的几条吸收谱线3He 与 4He,饱和输出功率可达20W(Tastevin & al., Applied Physics B 75, 1–12 (2003))。1083nm光纤激光器泵浦并极化氦气对肺部进行磁共振成像的装置图如下
超极化的氦-3磁共振成像MRI对肺部进行的清晰成像如下图
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