生物组织模型在极低磁场下的核磁共振弛豫机理研究

The nuclear magnetic resonance dispersion (NMRD) profiles show the magnetic field dependence of biological tissue relaxation times. The profiles may reflect the microdynamics of protons and provide useful information of neighboring macromolecules. The lifetimes of the protons magnetically coupled to the macromolecules are relatively long, in the order of tens of microseconds. To improve the relaxation efficiency, the resonant frequency of the NMR signal should be in the order of kHz range. The lowest scanning frequency of conventional field cycling technique is about 10 kHz, so the relaxation times at lower field strengths can only be derived by empirical extrapolation or indirectly measured by spin-locking. In this proposal, by using the superconducting quantum interference device (SQUID) based ultra-low field magnetic resonance system, we will directly measure the longitudinal and transverse NMRD profiles of tissue models like agarose gels, cross-linked proteins, at resonant frequencies ranging from 1 to 15 kHz. By comparing the ultra-low field NMRD curves with those high-field NMRD measured by field cycling and those T1ρ NMRD measured by spin locking, it will help us understand the contributions of microscopic interactions, e.g. magnetization transfer, diffusion, on relaxation processes, and it will verify the feasibility of EMOR model at ultra-low fields. This work will offer the possibility of developing dispersion contrast imaging.

研究生物组织弛豫时间随磁场变化的弛豫色散（NMRD）曲线可反映质子1H运动的微观动力学过程。与宏观大分子有磁耦合的1H寿命在10μs量级，极低磁场下此类1H共振频率在kHz量级，弛豫效率较高，从而可提取紧邻大分子的有用信息。用来扫描NMRD的场循环技术最低频率高于10kHz，故人们只能根据经验外推或改用自旋锁定技术间接测量，导致无法就极低磁场弛豫中起主导的微观相互作用统一意见，进而建立普适物理模型。本项目拟发挥基于超导量子干涉器件（SQUID）的极低场磁共振系统的优势，直接测量凝胶、交联蛋白质等组织模型在1~15kHz范围内的纵向和横向NMRD曲线；通过与场循环和自旋锁定扫描得到的纵向NMRD和T1ρ NMRD曲线对比，深入理解磁化强度转移、扩散等相互作用对弛豫的贡献，并验证EMOR等理论模型在极低场下的适用情况，为发展NMRD对比度成像等新应用方向奠定必要的理论和实验基础。

通过研究磁共振弛豫时间与磁场的关系（即弛豫色散NMRD技术）可以反映质子运动的微观动力学过程。当磁场强度降低到mT量级以下的极低场范围时，μs量级的受限水分子与宏观生物大分子的相互作用将体现出来。本项目借助自主搭建的极低场磁共振系统、快速场循环技术和自旋锁定技术系统地研究了琼脂糖凝胶、乳胶微球、交联蛋白质等经典生物组织模型的纵向、横向弛豫时间和旋转坐标系下的纵向弛豫时间随磁场强度变化的规律。为获得高质量极低场弛豫时间数据，本项目对预极化脉冲强度进行提升，建立了预极化场关断在屏蔽室感应出的涡流磁场模型，发展一系列补偿技术来抑制涡流磁场、工频及其谐波、射频等干扰对极低场磁共振系统的影响。项目研究发现质子交换、扩散运动等在不同场强下对核磁弛豫的贡献形式不同。在极低磁场下，水分子的快速运动（如质子交换、扩散等）对弛豫时间的贡献表现为常数项，μs尺度慢速受限水分子交换对弛豫的贡献占比显著增大，反映出极低场磁共振能更好地反映水分子在邻近宏观大分子表面的慢速输运行为，同时洛伦兹拟合模型能更好地反映极低场弛豫色散行为，并可拟合得到μs量级的相关时间，与理论模型一致。在本项目资助下，共发表标注资助的论文9篇，出版专著1本，培养研究生5名，并为后续开展极低场磁共振临床应用探索奠定研究基础。