杨瑞，何培忠，汪红志，苗志英， 张凯威

(1.上海理工大学，上海 200093； 2.上海健康医学院，上海 201318；3.华东师范大学，上海 200062)

1 引 言

在无辅助的目视检查下，无创伤的实时深度成像对于皮肤的精确和详细检查都是必不可少的。人体皮肤是由不同层构成的，每一层的功能结构和生化性质也是不同的。核磁共振设备对于皮肤的应用非常广泛[1]，包括皮肤形态、水分子的迁移率、不同皮肤层的性能结构、NA+含量等。但是常规核磁共振对于皮肤临床检测仍存在一些缺点：设备检测费用昂贵，检测皮肤深度的空间分辨率低，不能满足临床诊断应用；设备检测时需要施加一个大电流，用来产生脉冲梯度磁场，并且还会产生难以彻底消除的涡流效应[2]等。单边核磁共振设备便携，可以满足各种场所的使用，不受限于大型的医疗器械中心或医院。这种具有小且全开放式永磁体的扫描仪目前主要应用于无创伤性测试[3]和土壤、材料[4-5]等方面。但是存在的几个主要缺点仍然限制了其在医疗方面的潜在应用：小的穿透深度使其只能适用于皮肤表层，对于远离皮肤表层的器官无法检测，这种情况不只出现在皮肤的测试过程中，在其他方面的检测深度也会受限。

尽管有这些限制，但对皮肤进行一维深度采集分析[6]还是合理的。单边扫描仪可以产生在皮肤深度方向具有高空间分辨率的轮廓，包括强度，弛豫时间。这些优点以牺牲横向分辨率为代价，其仅能够分析皮肤表层而不呈现其结构特征。然而，即使在没有这种平面结构信息的情况下，对皮肤层的分析仍然可以为用于检查皮肤的应用提供有价值的信息。

2 人体皮肤组织结构

人体皮肤层的厚度通常为0.5～4 mm,但会因人而异。皮肤主要包含两个结构层[7]：(1)表皮，是皮肤的最外层，与外界环境直接接触; (2)真皮，由胶原，弹性纤维和纤维基质层等组织构成，可进一步细分为上乳头真皮和下网状真皮。皮下组织及其以下部分，主要是脂肪组织，也是皮肤的一部分。真皮中的细胞外基质主要由胶原蛋白组成，包含较少量的III型胶原、I型胶原和弹性蛋白、糖胺聚糖(GAG)等。

皮肤老化过程涉及了各种结构和功能性的变化。皮肤中的水分子与大分子(主要是指III型胶原和I型胶原)的相互作用是影响弛豫时间的主要因素，其与水分子的结合越紧密，所测得的横向弛豫时间越短，反之，横向弛豫时间就越长。皮肤老化过程中主要受到年龄和光辐射效应的影响。随着年龄的增长，皮肤中的胶原含量会随着皮肤的老化逐渐降低，弹性纤维的成分会逐渐增多；在光照辐射效应下，受照射一侧与未受照射的一侧皮肤相比较，所含的胶原成分更低，而弹性纤维含量更多。此外皮肤长期老化的另一个潜在原因是在于细胞内水，在进行核磁共振检测实验时，发现跨细胞膜物质交换会随着皮肤老化而变缓慢。

本研究使用单边核磁共振扫描仪检测由于年龄老化及光辐射效应所引起的皮肤组织的改变。利用不同油膜模拟皮肤结构，获取横向弛豫时间的差异实现对皮肤结构的一维分层实验；进而采集受试者的前臂部位信息，通过单边核磁共振的信号强度，横向弛豫时间T2分析[8]来完成对皮肤老化的评估。

3 模拟人体皮肤进行一维分层实验

单边核磁共振仪是由谱仪系统、射频功放、射频开关及磁体探头等结构组成[9]。模拟人体皮肤进行一维分层实验中所使用的磁体尺寸大小为154 mm×129 mm×68 mm,重约3 kg;主磁体结构见图1，其垂直方向的恒定梯度为4.5 T/M，其对应的频率变化为191.6 KMzmm;射频线圈为平面螺线管线圈，见图2，用来实现射频激励和核磁共振信号的接收，由于无法同时使射频线圈的空间均匀性和信噪比达到最佳值，因此，实验中所使用的射频线圈是在确保一定的空间均匀性后，获取信噪比达到最优时的结构；根据无损耗传输线理论，即终端负载阻抗与均匀传输线的特性阻抗相等的情况时,传输线的能量传输效率是最高的,负载就能获得最大输出功率，因此，实验采用一组 143 pF无磁电容并联 60 pF可调电容、两组 521.7 pF无磁电容组成的π型电路对射频线圈进行调谐和匹配,确保从输入端看进去射频线圈和调谐匹配电路的阻抗为 50 Ω ,并保证谐振频率是拉莫尔频率。

图1 主磁体结构图

图2 射频线圈

Fig2RFcoil

选取两种不同比例的油样制作油膜，模拟人体皮肤不同层次的结构，把两种油膜样品分别以两层盖玻片和一层油样相间形式叠放而成,标记为1号油膜和2号油膜，见图3，将油膜放置于主磁场的最优面上进行测量,采用CPMG序列激励样品，测量其横向弛豫时间是否有差别，并且通过频谱分布图中的波峰位置反映出被测油样的位置，完成一维分层实验。

实验参数设置：脉冲宽度10 μs ,90°脉冲衰减值为-20 dB , 180°脉冲衰减值为-14 dB ,回波时间TE为110 μs , 180°脉冲个数n为1100 ,重复时间为9.6 ms。实验过程中对受测样品进行多次测量和单指数拟合；实验结果可得油膜1的横向弛豫时间T2为74.7±0.5 ms,油膜2的横向弛豫时间T2为65.4±0.4 ms；另外根据频谱分布图(见图4)中的峰峰距，主磁场的梯度，空间距离 Δd 与共振频率宽度 Δf 存在如下关系Δf=Δd×G×γ；通过计算两层获取油膜之间的距离为210 μm,与真实值230 μm之间的误差为8.6%，因此，单边核磁共振设备可以在允许的误差范围内完成对皮肤不同深度的一维分层实验，对于未来应用于临床奠定了基础。

图3 样品结构示意图

Fig3Schematicdiagramofsamplestructure

图4 两层油膜的频谱图

Fig4Thefrequencyspectrumoftwolayersofoilfilm

4 皮肤老化测试

鉴于单边核磁共振仪可以完成允许误差范围内的一维模拟皮肤的分层实验，因此征集志愿者进行人体皮肤的老化测试。志愿者包括3名年龄在19、27和28岁的年轻健康受试者，没有实质的因年龄引起临床皮肤老化或日晒老化效应，以及6个年龄较大的健康受试者(年龄为58、60、63、64、84和86岁)，具有皮肤老化的临床症状。每个受试者的NMR检测范围从两个区域获得：前臂(屈肌)的腹侧，其受到紫外线的良好保护，以及前臂(伸肌)的背侧，其受到较多的紫外线照射。 测量见图5。 此外，在实验中为了避免皮肤压迫，指示受试者将其手臂轻轻地，在尽可能小的压力下放置在平坦的线圈表面，利用NMR-MOUSE探头进行测量从而获取实验数据。

这里应该清楚的是，不同健康受试者的皮肤厚度不同，皮肤含水量也不尽相同；加上真皮是不均匀的，并且除了胶原和弹性纤维之外，还包括其他成分，例如毛囊，汗腺，平滑肌，汗管和血管，这种不均匀性可能在真皮的不同点处不同程度地影响磁共振信号。 因此，选择相对较厚的层用于T2分析，可以减弱这些因素对信号的影响。 分析每个受试者皮肤的相同层，尽管厚度有变化，但可以确保近似的信噪比SNR条件下进行测试。

图5 志愿者受测部位

Fig5Themeasurementofvolunteer

实验中所使用的U形磁体沿着z方向提供强梯度磁场，在远离磁体的表面，结合硬射频RF脉冲，产生选择性激发薄片，从而实现切片。射频线圈的检测范围在直径为3 mm 的范围内，位于磁体的最上端表面；根据磁体和线圈沿z轴方向的上升量来进行对不同深度层的检测，另外将磁体放置于步进电机上进行固定，利用步进电机来控制磁体表面与被测位置之前的深度。已知该装置可实现2.5 mm的深度检测，应用(CPMG)序列测量，对测量的时域回波进行傅立叶变换得到相应的的频域谱，将B0的梯度值转换成沿Z轴方向的位置，从而获取重建切片深度 - 强度分布图[10]。

(1)设置相应的参数，采集数据进行分析，得到深度-T2分布曲线，见图6。

图6 深度-T2分布曲线

Fig6Thedepth-T2profilesofvolunteer

图6是单边磁体测得不同深度下的值，结合皮肤的生理组织结构，可以将皮肤大致分为以下五层[11]：一是表皮层：随着受试者不同，其变化的起伏形状和厚度也是不同的；二是乳头状真皮：由于位于表皮和乳头状真皮之间的交界面，核磁共振的检测不能在这些层之间产生清楚的分离，因此，将来自两个表层的加权平均信号作为混合区域的测量信号值； 三是上网状真皮，其T2值较低，强度水平较弱，主要是因为弹性纤维及胶原纤维含量高，自由水成分下降；四是下网状真皮，由于该层与脂肪组织有交叉。因此，强度和T2值随着脂肪量的增加而增加，直到达到皮下组织。五是皮下组织：主要由脂肪组织构成的皮下组织，其特征在于高强度曲线和长T2值。

(2) 分别测量来自19岁、27岁、28岁三名年轻受试者的前臂腹侧检测，得到以下深度-T2数据曲线，见图7。

图7 深度-强度分布曲线

Fig7Thedepth-intensityprofilesofvolunteer

分别测量所有年龄段受试者的前臂腹侧，得到以下深度-T2分布曲线，见图8。

图8 深度-强度分布曲线

Fig8Thedepth-intensityprofilesofvolunteer

由图7可知，具有非老化皮肤的年轻受试者的皮肤状态模式和强度水平非常相似。 然而，层的厚度可以在受试者之间显着变化。 随着人的皮肤老化，由图8中可观察到在皮肤表皮和真皮层之间的连接处T2强度值逐渐变平缓，而强度的降低可归因于老年人的细胞含量的减少。

(3) 用T2分析测评皮肤老化

通过弛豫时间T2来分析皮肤的老化机理，采用双指数分析有利于实现对特定皮肤层的分析。在时间t的归一化衰减信号S被建模如下：

(1)

其中f是具有弛豫时间T2f的快速衰减所占比重，T2s是具有互补分量的缓慢衰减比重的弛豫时间。对从每个志愿者的上网状真皮测量的NMR信号进行T2分析。选择该区域是因为其比乳头真皮厚，并且具有清晰的边界。这些特征允许表皮用NMR信号测量和光损伤检测，因为该层暴露于UV辐射。 双指数分析应用于每个空间分辨(分辨率，50 μm)衰减曲线，在300～550 μm的深度。

图9显示了在免受阳光照射的腹侧区域(蓝色)与在阳光暴露的背侧区域(红色)中的快速衰减比重及缓慢衰减弛豫时间的的比较。

图9a.为前臂腹侧及背侧部位的快速衰减比重与年龄关系；b.为前臂腹侧及背侧部位的快速衰减弛豫时间与年龄的关系；c.为前臂腹侧及背侧部位的缓慢衰减弛豫时间与年龄的关系

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

由图9可知：随着年龄的增长，快速衰减所占比重逐渐降低，而缓慢衰减弛豫时间逐渐增加；在大多数老年志愿者中，都会出现上述现象，而在年轻志愿者的测量中，却不存在快速衰减比重降低，缓慢衰减弛豫时间增加的效应；另外通过对测量数据进行处理，发现快速衰减所占比重与年龄的模型中，拟合程度较高，而快速衰减弛豫时间与年龄的线性拟合程度较差，因此，没有证据表明皮肤(图b)中T2f弛豫时间的改变是由老化效应引起的[12]。

如上所述，结合水的量与胶原纤维的含量密切相关[12]。因此，胶原含量随年龄的减少是观察到的快速衰减比重f减少的主要因素。图10显示了腹侧(图a)和背部(图b)的上网状真皮中胶原含量。结果显示来自背侧和腹侧真皮的样品中胶原和T2级分之间的一些相关性，对于腹侧和背侧值的线性拟合，发现富含胶原的年轻皮肤(用正方形标记)的特征在于具有较低的T2f比重，而较老的皮肤(用圆圈标记)具有较低的胶原含量和较高的T2f比重。

图10a和b分别为前臂腹侧及背侧部位的胶原含量与快速衰减所占比重的关系

Fig10a，b.Therelationofcollagenamountoftheverstralforearmanddorsalforearmskinandfastattenuationration

5 总结

利用全开放式单边核磁共振技术实现对人体皮肤老化检测，对于皮肤癌的前期诊断、化妆品的使用效果检验等具有非常广阔的应用前景。