丁洪園，張輝耀，張 玲*

（1.南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院，南京 210029；2.江蘇力磁醫(yī)療設(shè)備有限公司，江蘇連云港 222023）

0 引言

腦出血（intracerebral hemorrhage，ICH）是指腦實質(zhì)內(nèi)血管破裂引起的出血[1]，發(fā)病原因包括高血壓、血管畸形、血管淀粉樣變、動脈瘤等，其中亞洲人腦出血與高血壓之間的關(guān)系比白種人更加密切[2]，主要因高血壓合并小動脈硬化，微動脈瘤或者微血管瘤破裂所致[3]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，腦出血的發(fā)病率和致死率雖然在高收入國家有所降低，但在中低收入國家仍在增加，腦出血仍然是腦血管疾病中致死率和致殘率最高的疾病之一[4]。

磁共振掃描序列在腦血管疾病診斷方面具有一定的價值[5]，用不同的序列對顱腦進行掃描，可以清楚辨析出血部位，同時利用磁共振掃描模擬腦出血的模型，也能進一步驗證和調(diào)試掃描序列。目前市場上的出血模型大都是活體體模，利用特定的動物做出腦部出血的效果，常使用的動物模型有猴子、犬、豬、兔、大鼠、小鼠等[6]。而動物活體實驗價格貴，需事先預(yù)定，活體動物不能長時間、反復(fù)使用，而且涉及到動物倫理。除活體體模外，對磁共振序列進行調(diào)試時經(jīng)常使用參數(shù)接近于人體的水模，由于水模通常為液體介質(zhì)，存在以下問題：擺放時會導(dǎo)致測試液的晃動，造成圖像運動偽影，通常需靜置15 min才可進行測試；傳統(tǒng)水模的液體介質(zhì)無法避免所注射血液在水模中擴散相溶，從而不能有效模擬人體大腦出血實況。鑒于此，本文研制一種注血凝膠模，可克服使用傳統(tǒng)活體動物和水模模擬腦出血的缺陷，實現(xiàn)對模擬腦出血磁共振成像效果的直觀化，制作簡易、成本很低并可反復(fù)利用。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

注血凝膠模示意圖如圖1所示，由填充物、血液、試管、蓋體及模體5個部分組成。填充物制作利用吉利丁的凝膠作用，采用一定的配比方案將凝膠物質(zhì)與CuSO4·5H2O液體混合，使膠體粒子彼此結(jié)合將混合液體中的水分子（溶劑分子）包絡(luò)起來，形成一種使分散相顆粒相互搭接但不能自由運動的果凍狀凝膠，該凝膠物質(zhì)有一定的彈性和變形性，從而達到接近腦組織狀態(tài)的效果；所注射血液在凝膠物質(zhì)中不會擴散融合并且仍能保持液態(tài)，進而有效模擬人腦出血狀態(tài)，用不同磁共振序列進行掃描，注射血液部分可以清晰成像；模體采用雙層亞克力材料（或其他材料）的圓柱體（或球體）上開加蓋設(shè)計；試管可以是多種形狀，能用來同時存放不同測試液，如不同時期的血液，不同濃度、不同種類的水模填充液等。

圖1 注血凝膠模結(jié)構(gòu)示意圖

2 注血凝膠模填充物制作

目前對磁共振序列進行驗證、調(diào)試等操作時，經(jīng)常使用參數(shù)接近于人體的水模，水模填充液多由油、純水、CuSO4·5H2O、六水合氯化鎳、四水合氯化錳、NaCl等配比而成。而凝膠是由膠體體系中分散相顆粒相互搭接，搭成具有三維結(jié)構(gòu)的骨架后形成的，具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體系，膠體體系中原有的分散介質(zhì)（液體）充填在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的空隙中。因考慮到液體水模環(huán)境會使血液擴散、溶解，并且填充物不能含有脂肪、膽固醇、氣泡、顏色以及與血液發(fā)生反應(yīng)等影響成像效果的因素，故填充液采用能夠鎖住血液，并且保證血液有一定擴散性又不會與填充液發(fā)生化學反應(yīng)的非液體果凍狀凝膠物質(zhì)。

2.1 吉利丁與CuSO4·5H2O凝膠模填充物配比試驗

吉利丁又稱明膠或魚膠，是從魚膘、魚皮中提取的一種蛋白質(zhì)凝膠，不含淀粉和脂肪成分。利用吉利丁的凝膠作用，與CuSO4或其他溶液混合，能生成果凍狀物質(zhì)，在此狀態(tài)下注入血液，可以模擬類似人腦出血的狀態(tài)。

根據(jù)中華人民共和國醫(yī)藥行業(yè)標準YY/T 0482—2010《醫(yī)用成像磁共振設(shè)備 主要圖像質(zhì)量參數(shù)的測定》，水模配比液選擇質(zhì)量濃度為1.25 g/L的CuSO4·5H2O。本試驗分別選用1.25、2、2.5、3.3、5 g的吉利丁片，分別凝結(jié)100 g CuSO4·5H2O液體，從凝固時間、凝固效果、完全凝固后的呈現(xiàn)效果以及注血效果等維度進行統(tǒng)計，詳見表1。

表1 不同濃度配比液效果

從表1可知，在吉利丁片與CuSO4·5H2O液體的質(zhì)量比為2.5∶100即1∶40的條件下，凝固時間短，凝固后呈半固體狀，接近腦組織狀態(tài)，并且容易注血，插入試管時無大量氣泡，為最優(yōu)選方案。質(zhì)量比為2∶100和3.3∶100時具有與最優(yōu)方案類似的效果。

2.2 凝膠模填充物具體制作步驟

根據(jù)上述試驗，按1片5 g的吉利丁片凝結(jié)200 g CuSO4·5H2O的比例配置凝膠物質(zhì)，具體步驟如下：

（1）將吉利丁片剪開成兩段或更多，使其方便放入容器、利于泡軟；

（2）在容器中放進適量清水（冷水），淹沒過剪裁好的吉利丁片即可，等待其至軟化狀態(tài)；

（3）待其軟化后，瀝干水分；

（4）隔熱水加熱，期間不斷攪拌，使吉利丁片完全熔化成液體；

（5）將吉利丁液體放入按比例配置的CuSO4·5H2O液體中，攪拌均勻，之后放入冰箱冷藏30 min，即呈果凍狀，最后在果凍狀凝膠模填充物中注入新鮮血液（或其他測試液體）。

3 注血凝膠模掃描序列

磁共振成像對于腦部出血模型的測試使用特定的掃描序列，如磁敏感加權(quán)成像（susceptibility weighted imaging，SWI）和彌散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）。SWI是利用不同組織間磁化率差異的成像方式對鐵沉積、脫氧血紅蛋白、含鐵血黃素等血液代謝產(chǎn)物及小靜脈具有高度的敏感性[7]，通過監(jiān)測不同組織間局部磁場不均勻帶來的相位差異，增強圖像間的對比效果，相位數(shù)據(jù)經(jīng)高通濾波形成相位蒙片，相位蒙片加權(quán)至強度圖[8-9]，最后經(jīng)后處理重建形成高信噪比、高分辨力的SWI圖像[10]。經(jīng)證實，SWI對出血灶的診斷敏感性明顯優(yōu)于CT[11]，甚至可發(fā)現(xiàn)更多常規(guī)磁共振序列無法檢出的微出血病灶[12]。DWI是通過水分子在組織間的彌散變化情況來了解組織的生理狀況[13-14]。腦出血后，出血灶周圍水腫相關(guān)組織內(nèi)的細胞變性或凋亡、細胞結(jié)構(gòu)疏松，水分子彌散運動加強，通過水分子的異常運動，可以定量計算水分子的表觀擴散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）值[15-16]，進而判斷出血情況。SWI和DWI在診斷腦血管疾病中有不同的影像學表現(xiàn)，將二者聯(lián)合起來可以快速診斷急性腦血管疾病[17]。在腦部出血模型中，DWI掃描液態(tài)的血液一般會呈現(xiàn)明顯的高信號，而對于SWI掃描，血液中脫氧血紅蛋白的順磁性效應(yīng)可使局部磁場發(fā)生改變而引起質(zhì)子去相位，呈現(xiàn)黑色的低信號。

圖2、3所示為注射血液后的凝膠模磁共振掃描圖像，DWI序列注射血液位置處呈高信號，在圖中發(fā)白發(fā)亮；SWI序列順磁性的血液呈低信號，在圖中發(fā)黑發(fā)暗。

圖2 DWI序列掃描圖像

4 應(yīng)用測試

4.1 衍生凝膠模模體制作

圖3 SWI序列掃描圖像

采用雙層亞克力材料（或其他材料，如玻璃）的圓柱體（或球體）上開設(shè)計，為了更好地模擬人腦結(jié)構(gòu)，兩層之間可注入不同試劑（例如用來模擬人腦腦皮層脂肪的油脂），模體外形尺寸按接近人腦大小設(shè)計，隨之配備多個可用于放置不同測試液的試管。圓柱體采取上開設(shè)計易于凝膠的攪拌，通過插入凝膠內(nèi)各種不同測試液（如不同時期的血液、灌注油、純水、CuSO4等溶液或其他電解質(zhì)溶液）的試管達到多種測試目的。

試管的插入方案有如下2種，必須在凝膠完全凝固前插入，否則凝膠無法完全包裹試管，容易產(chǎn)生氣泡，不利于成像。方案一：試管不固定，可直接插入凝膠中，如圖4所示；方案二：試管固定在上蓋中，凝膠物質(zhì)凝固之前可先行蓋上蓋子，待凝固后再向試管中添加各種測試液，如圖5所示。

圖4 方案一示意圖

圖5 方案二示意圖

4.2 測試液的配比

使用不同濃度配比的Fe3O4納米顆粒與CuSO4·5H2O懸浮液做凝膠模的測試液：分別選取0、1.38、2.76、6.90、13.80 mg Fe3O4納米顆粒溶于1 L CuSO4·5H2O液體中，配置成納米鐵離子質(zhì)量濃度分別為0、1、2、5、10 mg/L的5種混合液作為目標測試液。

將按配比要求得到的目標測試液插入凝膠模中，之后行SWI序列掃描，驗證凝膠模的有效性。由于納米懸浮液會有沉降現(xiàn)象，掃描前需事先晃動搖勻水模，減輕沉降現(xiàn)象。

橫軸位SWI掃描圖像如圖6所示，可以清晰分辨出含鐵濃度不同的測試液，隨著含鐵濃度的增加，SWI掃描信號逐漸變低，與預(yù)期效果一致。成像結(jié)果同時表明，對于含鐵濃度僅為1～2 mg/L的CuSO4·5H2O測試液，SWI序列亦可清晰分辨。

圖6 橫軸位SWI掃描圖像

5 結(jié)語

本文研制的注血凝膠模與市場常規(guī)使用的出血水模相比，外形尺寸更接近成人顱腦大?。还麅鰻钅z模填充物具有一定的彈性和變形性，可進一步達到接近腦組織狀態(tài)的效果；克服了所注射血液會與水模擴散相溶、無法有效鎖住血液以及水模晃動造成磁共振檢查圖像偽影等困難。另外，沒有干擾成像效果的因素，可直觀觀察注血的位置及范圍大小，操作簡便，凝膠模模體、填充物以及測試液試管均可重復(fù)利用，可為有效模擬腦出血以及磁共振序列參數(shù)設(shè)置和調(diào)試等提供可靠的保障。

本研究的不足之處在于僅解決了目前相關(guān)研究亟須解決的問題，比如模擬腦出血、磁共振序列調(diào)試等相關(guān)研究普遍是基于傳統(tǒng)的動物活體或者使用水模注射血液的方法，而沒有通過與腦出血病例的實際磁共振掃描圖像效果進行對比驗證，后期需進一步深入探討。