楊瑞，何培忠，汪紅志，苗志英， 張凱威

(1.上海理工大學(xué)，上海 200093； 2.上海健康醫(yī)學(xué)院，上海 201318；3.華東師范大學(xué)，上海 200062)

1 引 言

在無輔助的目視檢查下，無創(chuàng)傷的實時深度成像對于皮膚的精確和詳細檢查都是必不可少的。人體皮膚是由不同層構(gòu)成的，每一層的功能結(jié)構(gòu)和生化性質(zhì)也是不同的。核磁共振設(shè)備對于皮膚的應(yīng)用非常廣泛[1]，包括皮膚形態(tài)、水分子的遷移率、不同皮膚層的性能結(jié)構(gòu)、NA+含量等。但是常規(guī)核磁共振對于皮膚臨床檢測仍存在一些缺點：設(shè)備檢測費用昂貴，檢測皮膚深度的空間分辨率低，不能滿足臨床診斷應(yīng)用；設(shè)備檢測時需要施加一個大電流，用來產(chǎn)生脈沖梯度磁場，并且還會產(chǎn)生難以徹底消除的渦流效應(yīng)[2]等。單邊核磁共振設(shè)備便攜，可以滿足各種場所的使用，不受限于大型的醫(yī)療器械中心或醫(yī)院。這種具有小且全開放式永磁體的掃描儀目前主要應(yīng)用于無創(chuàng)傷性測試[3]和土壤、材料[4-5]等方面。但是存在的幾個主要缺點仍然限制了其在醫(yī)療方面的潛在應(yīng)用：小的穿透深度使其只能適用于皮膚表層，對于遠離皮膚表層的器官無法檢測，這種情況不只出現(xiàn)在皮膚的測試過程中，在其他方面的檢測深度也會受限。

盡管有這些限制，但對皮膚進行一維深度采集分析[6]還是合理的。單邊掃描儀可以產(chǎn)生在皮膚深度方向具有高空間分辨率的輪廓，包括強度，弛豫時間。這些優(yōu)點以犧牲橫向分辨率為代價，其僅能夠分析皮膚表層而不呈現(xiàn)其結(jié)構(gòu)特征。然而，即使在沒有這種平面結(jié)構(gòu)信息的情況下，對皮膚層的分析仍然可以為用于檢查皮膚的應(yīng)用提供有價值的信息。

2 人體皮膚組織結(jié)構(gòu)

人體皮膚層的厚度通常為0.5～4 mm,但會因人而異。皮膚主要包含兩個結(jié)構(gòu)層[7]：(1)表皮，是皮膚的最外層，與外界環(huán)境直接接觸; (2)真皮，由膠原，彈性纖維和纖維基質(zhì)層等組織構(gòu)成，可進一步細分為上乳頭真皮和下網(wǎng)狀真皮。皮下組織及其以下部分，主要是脂肪組織，也是皮膚的一部分。真皮中的細胞外基質(zhì)主要由膠原蛋白組成，包含較少量的III型膠原、I型膠原和彈性蛋白、糖胺聚糖(GAG)等。

皮膚老化過程涉及了各種結(jié)構(gòu)和功能性的變化。皮膚中的水分子與大分子(主要是指III型膠原和I型膠原)的相互作用是影響弛豫時間的主要因素，其與水分子的結(jié)合越緊密，所測得的橫向弛豫時間越短，反之，橫向弛豫時間就越長。皮膚老化過程中主要受到年齡和光輻射效應(yīng)的影響。隨著年齡的增長，皮膚中的膠原含量會隨著皮膚的老化逐漸降低，彈性纖維的成分會逐漸增多；在光照輻射效應(yīng)下，受照射一側(cè)與未受照射的一側(cè)皮膚相比較，所含的膠原成分更低，而彈性纖維含量更多。此外皮膚長期老化的另一個潛在原因是在于細胞內(nèi)水，在進行核磁共振檢測實驗時，發(fā)現(xiàn)跨細胞膜物質(zhì)交換會隨著皮膚老化而變緩慢。

本研究使用單邊核磁共振掃描儀檢測由于年齡老化及光輻射效應(yīng)所引起的皮膚組織的改變。利用不同油膜模擬皮膚結(jié)構(gòu)，獲取橫向弛豫時間的差異實現(xiàn)對皮膚結(jié)構(gòu)的一維分層實驗；進而采集受試者的前臂部位信息，通過單邊核磁共振的信號強度，橫向弛豫時間T2分析[8]來完成對皮膚老化的評估。

3 模擬人體皮膚進行一維分層實驗

單邊核磁共振儀是由譜儀系統(tǒng)、射頻功放、射頻開關(guān)及磁體探頭等結(jié)構(gòu)組成[9]。模擬人體皮膚進行一維分層實驗中所使用的磁體尺寸大小為154 mm×129 mm×68 mm,重約3 kg;主磁體結(jié)構(gòu)見圖1，其垂直方向的恒定梯度為4.5 T/M，其對應(yīng)的頻率變化為191.6 KMzmm;射頻線圈為平面螺線管線圈，見圖2，用來實現(xiàn)射頻激勵和核磁共振信號的接收，由于無法同時使射頻線圈的空間均勻性和信噪比達到最佳值，因此，實驗中所使用的射頻線圈是在確保一定的空間均勻性后，獲取信噪比達到最優(yōu)時的結(jié)構(gòu)；根據(jù)無損耗傳輸線理論，即終端負載阻抗與均勻傳輸線的特性阻抗相等的情況時,傳輸線的能量傳輸效率是最高的,負載就能獲得最大輸出功率，因此，實驗采用一組 143 pF無磁電容并聯(lián) 60 pF可調(diào)電容、兩組 521.7 pF無磁電容組成的π型電路對射頻線圈進行調(diào)諧和匹配,確保從輸入端看進去射頻線圈和調(diào)諧匹配電路的阻抗為 50 Ω ,并保證諧振頻率是拉莫爾頻率。

圖1 主磁體結(jié)構(gòu)圖

圖2 射頻線圈

Fig2RFcoil

選取兩種不同比例的油樣制作油膜，模擬人體皮膚不同層次的結(jié)構(gòu)，把兩種油膜樣品分別以兩層蓋玻片和一層油樣相間形式疊放而成,標記為1號油膜和2號油膜，見圖3，將油膜放置于主磁場的最優(yōu)面上進行測量,采用CPMG序列激勵樣品，測量其橫向弛豫時間是否有差別，并且通過頻譜分布圖中的波峰位置反映出被測油樣的位置，完成一維分層實驗。

實驗參數(shù)設(shè)置：脈沖寬度10 μs ,90°脈沖衰減值為-20 dB , 180°脈沖衰減值為-14 dB ,回波時間TE為110 μs , 180°脈沖個數(shù)n為1100 ,重復(fù)時間為9.6 ms。實驗過程中對受測樣品進行多次測量和單指數(shù)擬合；實驗結(jié)果可得油膜1的橫向弛豫時間T2為74.7±0.5 ms,油膜2的橫向弛豫時間T2為65.4±0.4 ms；另外根據(jù)頻譜分布圖(見圖4)中的峰峰距，主磁場的梯度，空間距離 Δd 與共振頻率寬度 Δf 存在如下關(guān)系Δf=Δd×G×γ；通過計算兩層獲取油膜之間的距離為210 μm,與真實值230 μm之間的誤差為8.6%，因此，單邊核磁共振設(shè)備可以在允許的誤差范圍內(nèi)完成對皮膚不同深度的一維分層實驗，對于未來應(yīng)用于臨床奠定了基礎(chǔ)。

圖3 樣品結(jié)構(gòu)示意圖

Fig3Schematicdiagramofsamplestructure

圖4 兩層油膜的頻譜圖

Fig4Thefrequencyspectrumoftwolayersofoilfilm

4 皮膚老化測試

鑒于單邊核磁共振儀可以完成允許誤差范圍內(nèi)的一維模擬皮膚的分層實驗，因此征集志愿者進行人體皮膚的老化測試。志愿者包括3名年齡在19、27和28歲的年輕健康受試者，沒有實質(zhì)的因年齡引起臨床皮膚老化或日曬老化效應(yīng)，以及6個年齡較大的健康受試者(年齡為58、60、63、64、84和86歲)，具有皮膚老化的臨床癥狀。每個受試者的NMR檢測范圍從兩個區(qū)域獲得：前臂(屈肌)的腹側(cè)，其受到紫外線的良好保護，以及前臂(伸肌)的背側(cè)，其受到較多的紫外線照射。 測量見圖5。 此外，在實驗中為了避免皮膚壓迫，指示受試者將其手臂輕輕地，在盡可能小的壓力下放置在平坦的線圈表面，利用NMR-MOUSE探頭進行測量從而獲取實驗數(shù)據(jù)。

這里應(yīng)該清楚的是，不同健康受試者的皮膚厚度不同，皮膚含水量也不盡相同；加上真皮是不均勻的，并且除了膠原和彈性纖維之外，還包括其他成分，例如毛囊，汗腺，平滑肌，汗管和血管，這種不均勻性可能在真皮的不同點處不同程度地影響磁共振信號。 因此，選擇相對較厚的層用于T2分析，可以減弱這些因素對信號的影響。 分析每個受試者皮膚的相同層，盡管厚度有變化，但可以確保近似的信噪比SNR條件下進行測試。

圖5 志愿者受測部位

Fig5Themeasurementofvolunteer

實驗中所使用的U形磁體沿著z方向提供強梯度磁場，在遠離磁體的表面，結(jié)合硬射頻RF脈沖，產(chǎn)生選擇性激發(fā)薄片，從而實現(xiàn)切片。射頻線圈的檢測范圍在直徑為3 mm 的范圍內(nèi)，位于磁體的最上端表面；根據(jù)磁體和線圈沿z軸方向的上升量來進行對不同深度層的檢測，另外將磁體放置于步進電機上進行固定，利用步進電機來控制磁體表面與被測位置之前的深度。已知該裝置可實現(xiàn)2.5 mm的深度檢測，應(yīng)用(CPMG)序列測量，對測量的時域回波進行傅立葉變換得到相應(yīng)的的頻域譜，將B0的梯度值轉(zhuǎn)換成沿Z軸方向的位置，從而獲取重建切片深度 - 強度分布圖[10]。

(1)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，采集數(shù)據(jù)進行分析，得到深度-T2分布曲線，見圖6。

圖6 深度-T2分布曲線

Fig6Thedepth-T2profilesofvolunteer

圖6是單邊磁體測得不同深度下的值，結(jié)合皮膚的生理組織結(jié)構(gòu)，可以將皮膚大致分為以下五層[11]：一是表皮層：隨著受試者不同，其變化的起伏形狀和厚度也是不同的；二是乳頭狀真皮：由于位于表皮和乳頭狀真皮之間的交界面，核磁共振的檢測不能在這些層之間產(chǎn)生清楚的分離，因此，將來自兩個表層的加權(quán)平均信號作為混合區(qū)域的測量信號值； 三是上網(wǎng)狀真皮，其T2值較低，強度水平較弱，主要是因為彈性纖維及膠原纖維含量高，自由水成分下降；四是下網(wǎng)狀真皮，由于該層與脂肪組織有交叉。因此，強度和T2值隨著脂肪量的增加而增加，直到達到皮下組織。五是皮下組織：主要由脂肪組織構(gòu)成的皮下組織，其特征在于高強度曲線和長T2值。

(2) 分別測量來自19歲、27歲、28歲三名年輕受試者的前臂腹側(cè)檢測，得到以下深度-T2數(shù)據(jù)曲線，見圖7。

圖7 深度-強度分布曲線

Fig7Thedepth-intensityprofilesofvolunteer

分別測量所有年齡段受試者的前臂腹側(cè)，得到以下深度-T2分布曲線，見圖8。

圖8 深度-強度分布曲線

Fig8Thedepth-intensityprofilesofvolunteer

由圖7可知，具有非老化皮膚的年輕受試者的皮膚狀態(tài)模式和強度水平非常相似。 然而，層的厚度可以在受試者之間顯著變化。 隨著人的皮膚老化，由圖8中可觀察到在皮膚表皮和真皮層之間的連接處T2強度值逐漸變平緩，而強度的降低可歸因于老年人的細胞含量的減少。

(3) 用T2分析測評皮膚老化

通過弛豫時間T2來分析皮膚的老化機理，采用雙指數(shù)分析有利于實現(xiàn)對特定皮膚層的分析。在時間t的歸一化衰減信號S被建模如下：

(1)

其中f是具有弛豫時間T2f的快速衰減所占比重，T2s是具有互補分量的緩慢衰減比重的弛豫時間。對從每個志愿者的上網(wǎng)狀真皮測量的NMR信號進行T2分析。選擇該區(qū)域是因為其比乳頭真皮厚，并且具有清晰的邊界。這些特征允許表皮用NMR信號測量和光損傷檢測，因為該層暴露于UV輻射。 雙指數(shù)分析應(yīng)用于每個空間分辨(分辨率，50 μm)衰減曲線，在300～550 μm的深度。

圖9顯示了在免受陽光照射的腹側(cè)區(qū)域(藍色)與在陽光暴露的背側(cè)區(qū)域(紅色)中的快速衰減比重及緩慢衰減弛豫時間的的比較。

圖9a.為前臂腹側(cè)及背側(cè)部位的快速衰減比重與年齡關(guān)系；b.為前臂腹側(cè)及背側(cè)部位的快速衰減弛豫時間與年齡的關(guān)系；c.為前臂腹側(cè)及背側(cè)部位的緩慢衰減弛豫時間與年齡的關(guān)系

Fig9a.Therelationoffastattenuationratioofverstralforearm,dorsalforearmskinandage；b.Therelationoffastattenuationrelaxationtimeofverstralfoream,dorsalforearrnskinandage；c.Therelationofslowattenuationrelaxationtimeofverstralforearm,dorsalforearmskinandage.

由圖9可知：隨著年齡的增長，快速衰減所占比重逐漸降低，而緩慢衰減弛豫時間逐漸增加；在大多數(shù)老年志愿者中，都會出現(xiàn)上述現(xiàn)象，而在年輕志愿者的測量中，卻不存在快速衰減比重降低，緩慢衰減弛豫時間增加的效應(yīng)；另外通過對測量數(shù)據(jù)進行處理，發(fā)現(xiàn)快速衰減所占比重與年齡的模型中，擬合程度較高，而快速衰減弛豫時間與年齡的線性擬合程度較差，因此，沒有證據(jù)表明皮膚(圖b)中T2f弛豫時間的改變是由老化效應(yīng)引起的[12]。

如上所述，結(jié)合水的量與膠原纖維的含量密切相關(guān)[12]。因此，膠原含量隨年齡的減少是觀察到的快速衰減比重f減少的主要因素。圖10顯示了腹側(cè)(圖a)和背部(圖b)的上網(wǎng)狀真皮中膠原含量。結(jié)果顯示來自背側(cè)和腹側(cè)真皮的樣品中膠原和T2級分之間的一些相關(guān)性，對于腹側(cè)和背側(cè)值的線性擬合，發(fā)現(xiàn)富含膠原的年輕皮膚(用正方形標記)的特征在于具有較低的T2f比重，而較老的皮膚(用圓圈標記)具有較低的膠原含量和較高的T2f比重。

圖10a和b分別為前臂腹側(cè)及背側(cè)部位的膠原含量與快速衰減所占比重的關(guān)系

Fig10a，b.Therelationofcollagenamountoftheverstralforearmanddorsalforearmskinandfastattenuationration

5 總結(jié)

利用全開放式單邊核磁共振技術(shù)實現(xiàn)對人體皮膚老化檢測，對于皮膚癌的前期診斷、化妝品的使用效果檢驗等具有非常廣闊的應(yīng)用前景。