CN109157218B - 一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型及其制备方法，该模型包括磁共振兼容的容器、置于所述容器中的琼脂糖凝胶以及固定在琼脂糖凝胶中的有序排列的呈管道结构的电纺丝纤维，所述琼脂糖凝胶的质量浓度为1‑2％，所述的呈管道结构的电纺丝纤维的管道外直径为1‑20微米，且管道内充满了水。所述的呈管道结构的纺丝纤维仿照人脑主要神经束在人脑中的空间位置分布何形态固定在琼脂糖凝胶中。

Description

一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型及其制备 方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像技术领域，尤其涉及一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型及其制备方法。

背景技术

磁共振弥散成像是一种广泛应用于基础研究和临床诊断的白质纤维结构无损检测技术。它是通过检测水分子的微观扩散运动特征，间接描述大脑神经细胞轴突的形态结构特征，并宏观地揭示基于纤维结构连接的脑网络。基于该方法的大脑的纤维束重建技术在脑疾病、脑科学和神经科学研究中发挥着越来越重要的作用。

近年来，随着磁共振梯度等硬件性能的提升，弥散模型和追踪方法得到了快速发展。诸如平面回波快速扫描技术已经普遍应用于弥散成像以减少扫描时间。通过并行加速技术，可以在更少的时间内在特定区域中获得高空间分辨率、高角度分辨率图像。在给定的影像参数下，如何选择最优化的神经重建方法，重建的结果和实际的人脑纤维分布吻合程度仍然不是很清楚。迫切需要一种具有已知确定结构的纤维物理模型进行测试、验证，为神经纤维精准追踪方法的选择和优化提供参考。

近年来，基于水模的磁共振成像数据质量控制越来越多地得到磁共振技术研究者的重视。通常用常规的序列针对琼脂水模或硫酸铜溶液水模进行扫描，对图像的信噪比、伪影、基线漂移等参数进行统计分析。随着磁共振梯度系统的升级更新，磁共振设备有能力开展更高阶的弥散成像扫描。常规的均匀水模很难满足对新序列扫描日常质量控制的需要。近年来发展迅速的3D打印技术和新材料技术促成包含复杂结构的水模加工技术的发展，使其能更好地模拟人体组织的实际结构和特征。目前，水模以溶液或者凝胶形式为主，国外有研究团队探索用不同浓度的均一PVP凝胶制作各项同性的弥散成像模型开展多中心质量控制研究，可以在一定程度上模拟水分子的扩散。但是这样的水模和神经纤维的机构及弥散特性存在一定的差距。

磁共振弥散成像测量的是富含H质子的液体(通常是水分子)的弥散运动，也就是布朗运动。弥散是一个矢量，不仅有大小，而且有方向，水分子在平行于神经纤维的方向上较垂直其方向更容易弥散，进而可以测量弥散系数、进行神经纤维追踪成像。人体的神经纤维髓鞘是中空管道结构，直径大约1-20微米，通常以神经纤维束的形式分布在大脑中。中空纺丝纤维管径可控，可以根据需要控制纤维束的长短、粗细，因此可以从结构上模拟人体神经纤维的髓鞘结构。

国外有科研团队尝试采用平行管道结构同轴电纺丝纤维模拟神经纤维，电纺丝纤维的外壁采用非水溶性高分子材料，如聚己内酯PCL，内核材料采用非水溶性高分子材料如聚氧化乙烯PEO。电纺丝制备完成后，需要在富含H质子的有机溶剂中浸泡一个月甚至更长时间，利用相似相溶的原理，让十六烷等缓慢透过PCL外壁到达中心，从而可以在磁共振弥散成像中得到纤维追踪图像。这类富含氢质子的有机溶剂(如十六烷)作为弥散介质，具有挥发性、易燃性和毒性。此外模型制作工艺复杂，周期长。国内有团队采用计算机模拟的方法进行弥散成像模型的开发和应用，未见有弥散成像纤维物理模型的报导。

发明内容

基于弥散成像新技术神经纤维束精准定量检测及多中心质量控制的需求，本发明提出了一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型及其制备方法，其中的中空电纺丝纤维，外壁混杂了亲水的PVP材料，内核采用PVP材料，让水通过溶解外壁混杂的亲水的pvp进入内核，再溶解内部的PVP提前形成中空管道，反复洗涤除去PVP然后晾干，用的时候再泡水即可；实现了以水为弥散介质、用琼脂糖凝胶模拟人脑其他组织的，为更贴近人脑组织结构的神经纤维模型，实现对交叉、弯曲结构的神经纤维更好的模拟效果。由于模型的精细物理结构预先知道且可控，可以作为扩散成像方法比较的相对客观的标准。进一步地，仿人脑神经纤维模型可用于磁共振弥散成像质量评估，建立多中心磁共振弥散成像扫描的日常质量控制规范。

本发明所采用的技术方案如下：一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型，包括磁共振兼容的容器、置于所述容器中的琼脂糖凝胶以及固定在琼脂糖凝胶中的有序排列的呈管道结构的电纺丝纤维，所述琼脂糖凝胶的质量浓度为1-2％，所述的呈管道结构的电纺丝纤维的管道外直径为1-20微米，且管道内充满了水。

进一步的，所述的磁共振兼容的容器为3D打印的脑壳模型。

进一步的，所述的琼脂糖凝胶中添加防霉物质和调节磁共振B1场的电解质以及调节磁共振T1、T2值的造影剂。

进一步的，所述的防霉物质选自亚硝酸钠或氮化钠；所述的电解质为氯化钠；所述的造影剂选自氯化锰、氯化镍或钆喷酸葡胺的一种或多种按任意比混合。

本发明的另一目的是提供一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)用磁共振成像设备扫描得到正常人头部的3D T1磁共振结构像，对扫描的磁共振结构像进行处理，去除图像脑部组织部分，保留脑壳的图像，并转换成3D打印机可识别的文件格式；

(2)对所述的3D打印机可识别的文件进行进一步处理，将脑壳切成可盖合的上下两部分，并预留琼脂糖凝胶注入的孔；

(3)采用3D打印的方式，将所述的3D打印机可识别的文件打印成脑壳模型；

(4)准备呈管道结构的电纺丝纤维，且管道中充满水；

(5)在脑壳模型的空腔中放置管道结构的电纺丝纤维，注入40-45℃的琼脂糖凝胶，冷却；

(6)将脑壳的上下两部分用胶水粘合，再通过预留的孔注入琼脂糖凝胶，使其充满整个空腔，最后封住孔。

进一步的，所述的呈管道结构的电纺丝纤维是通过电纺丝方法得到的同轴电纺丝纤维，所述的电纺丝纤维管壁材料为PCL和PVP按质量比为10:3-10：1的混合物质，内核材料为PVP；将电纺丝纤维在纯水中浸泡除去管壁和内核中的PVP，使得管道中迅速充满水，形成管道结构。

进一步的，所述的浸泡时间大于2小时。

进一步的，所述的呈管道结构的电纺丝纤维经过如下准备再放置到脑壳中：先组合成直径为3-8mm的纤维束，电纺丝纤维在纯水中浸泡充分后，置于水中用真空泵抽气泡。

进一步的，在脑壳模型的空腔中放置管道结构的电纺丝纤维，电纺丝纤维采用添加可拆除支架的方式将纤维固定在脑壳中。

进一步的，所述的琼脂糖凝胶中添加防霉物质和调节磁共振B1场的电解质以及调节磁共振T1、T2值的造影剂。

本发明的有益效果：本发明提出了一种新的中空电纺丝纤维，电纺丝纤维管壁材料为PCL和PVP的混合物质，管道材料为PVP。这种电纺丝纤维只需要在水中浸泡较短时间就可以使得中空管道内充满富含H质子的液体——水。相比现有技术中提到的其他富含H质子的材料，如十二烷，水分子更加清洁、安全，没有任何毒性。特别的，充水的过程只要在在纯水中浸泡除去管壁和内核中的PVP，充水过程非常方便迅速。现有技术中通过负压等方法，从中空管道的两个端点注入水，这种方法适用于较短的纤维，在纤维较长时很难保证管道充满水。本发明提出的中空纺丝纤维，水分子通过侧壁进入内核，纤维长度对注水难易程度没有影响。从而，用本发明的纤维可以得到更长的纤维，可以更好地模拟人体纤维排布。

本发明提出了采用琼脂糖凝胶作为介质，可以利用凝胶的粘稠特性，不需要额外添加固定支架，就可以得到不同结构的纤维造型，在纤维排布上可以更接近人体神经纤维束排布。

本发明还提出了用3D打印脑壳作为容器，可以更好地模拟人脑结构特性。特别是眶额等磁场均匀性不一致，容易产生磁敏感伪影的部位，可以更贴近实际。

附图说明

图1是本发明的一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型的示意图；

其中：脑壳结构1、电纺丝纤维2、琼脂糖凝胶3、注胶孔4、切割线5。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有的实施方式。

实施例1：

首先制备3D打印脑壳的制备：用3T磁共振成像系统T1-mprage序列扫描健康人体被试的头部，得到f分辨率为1mm*1mm*1mm的3D T1结构图像。再用Minics软件进行图形分割，从原始图像中去除脑组织，并进行光滑处理得到中空的脑壳结构。再将该脑结构图转换成3D打印可识别的.stl文件。再将3D头壳图沿分割线5切分成上下可盖合的两部分，其中上面那部分离头顶距离较短且下面部分的开口较大为宜，可以选用2厘米左右，并在上方留出直径为5-10mm的注胶孔4。将修改后的.stl文件，用PLA或SLA材料打印，得到脑壳结构1，如图1所示。

纺丝的制备：所述的电纺丝纤维管壁材料为PCL和PVP按质量比为10:3-10：1的混合物质，内核材料为PVP；通过电纺丝方法得到的同轴电纺丝纤维，电纺时采用的电压为17kV，转速2000rpm，得到直径1-20微米不等的平行排列的呈管道结构的电纺丝。再用纯水浸泡大于2小时，换水冲洗3次，洗净残留的PVP，使水充分进入管道。再将丝组合成5mm直径的纤维束，取纤维丝捆绑成交叉纤维形状，放置在纯水中。用0.07-0.08MPa压力抽真空20-50分钟，去除气泡，避免纤维附近存在气泡导致产生黑色的图像伪影。

琼脂糖凝胶制备和纺丝的固定：配置质量浓度为1-2％的琼脂糖凝胶3，在琼脂糖凝胶凝固前注入脑壳空腔中。首先注入一层琼脂糖凝胶，我们将这一层凝胶称为第一层凝胶。将准备好的电纺丝纤维2部分插入第一层凝胶中、部分放置在第一层凝胶上。再同步准备1-2％的琼脂糖凝胶，等第一层凝胶充分凝固，且新的琼脂糖凝胶温度降为40-45℃左右尚未凝固时，将其注入到第一层凝胶的上面，注入的过程中用支架悬挂电纺丝纤维，使得凝胶凝固的过程中纤维位置固定，以得到想要的纤维结构造型。等第二层琼脂糖凝胶凝固后，再调整悬挂电纺丝纤维用的支架，剪去多余的固定用细丝，继续注后续几层琼脂，直到琼脂灌满下半部分为止。下半部分凝胶和电纺丝纤维，用胶水将上下两部分粘合。最后通过上方的注胶孔灌满琼脂糖凝胶。最后，用热熔胶将注胶孔封住。

实施例2：

3D打印脑壳的制备方式同实施例1，其中3D T1结构图像是用7T磁共振成像系统扫描得到的，分辨率为0.5mm*0.5mm*0.5mm。

纺丝的制备同实施例1。

琼脂糖凝胶的制备和纺丝的固定同实施例1，其中一部分琼脂的质量浓度为2％，用于模拟纤维化脑肿瘤，其他琼脂质量浓度为1.5％，用于模拟常规脑组织。制备方法为先制备2％的琼脂，待琼脂凝固后去除多余的凝胶，保留想要的脑肿瘤形状大小的凝胶块。在此基础上，进一步添加电纺丝纤维和1.5％浓度的琼脂。

其余步骤同实施例1。

实施例3：

该实施例在实施例1中的琼脂糖凝胶中加入了0.1mmol/L的氯化锰和0.2mmol/L的氯化镍，使得琼脂的T1、T2值更接近人体灰质。另外，加入了质量浓度为30mg/kg的防霉物质亚硝酸钠。

Claims (9)

1.一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型，其特征在于，包括磁共振兼容的容器、置于所述容器中的琼脂糖凝胶以及固定在琼脂糖凝胶中的有序排列的呈管道结构的电纺丝纤维，所述琼脂糖凝胶的质量浓度为1-2%，所述的呈管道结构的电纺丝纤维的管道外直径为1-20微米，且管道内充满了水；所述的呈管道结构的电纺丝纤维是通过电纺丝方法得到的同轴电纺丝纤维，所述的电纺丝纤维管壁材料为PCL和PVP按质量比为10:3-10：1的混合物质，内核材料为PVP；将电纺丝纤维在纯水中浸泡除去管壁和内核中的PVP，使得管道中迅速充满水。

2.根据权利要求1所述的一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型，其特征在于，所述的磁共振兼容的容器为3D打印的脑壳模型。

3.根据权利要求1所述的一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型，其特征在于，所述的琼脂糖凝胶中添加防霉物质和调节磁共振B1场的电解质以及调节磁共振T1、T2值的造影剂。

4.根据权利要求3所述的一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型，其特征在于，所述的防霉物质选自亚硝酸钠或氮化钠；所述的电解质为氯化钠；所述的造影剂选自氯化锰、氯化镍或钆喷酸葡胺的一种或多种按任意比混合。

5.一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）用磁共振成像设备扫描得到正常人头部的3D T1磁共振结构像，对扫描的磁共振结构像进行处理，去除图像脑部组织部分，保留脑壳的图像，并转换成3D打印机可识别的文件格式；

（2）对所述的3D打印机可识别的文件进行进一步处理，将脑壳切成可盖合的上下两部分，并预留琼脂糖凝胶注入的孔；

（3）采用3D打印的方式，将所述的3D打印机可识别的文件打印成脑壳模型；

（4）准备呈管道结构的电纺丝纤维，且管道中充满水；所述的呈管道结构的电纺丝纤维是通过电纺丝方法得到的同轴电纺丝纤维，所述的电纺丝纤维管壁材料为PCL和PVP按质量比为10:3-10：1的混合物质，内核材料为PVP；将电纺丝纤维在纯水中浸泡除去管壁和内核中的PVP，使得管道中迅速充满水；

（5）在脑壳模型的空腔中放置管道结构的电纺丝纤维，注入40-45℃的琼脂糖凝胶，冷却；

（6）将脑壳的上下两部分用胶水粘合，再通过预留的孔注入琼脂糖凝胶，使其充满整个空腔，最后封住孔。

6.根据权利要求5所述的一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型的制备方法，其特征在于，所述的浸泡时间大于2小时。

7.根据权利要求6所述的一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型的制备方法，其特征在于，所述的呈管道结构的电纺丝纤维经过如下准备再放置到脑壳中：先组合成直径为3-8mm的纤维束，电纺丝纤维在纯水中浸泡充分后，置于水中用真空泵抽气泡。

8.根据权利要求5所述的一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型的制备方法，其特征在于，在脑壳模型的空腔中放置管道结构的电纺丝纤维，电纺丝纤维采用添加可拆除支架的方式将纤维固定在脑壳中。

9.根据权利要求5所述的一种用于磁共振弥散成像质量控制的神经纤维模型的制备方法，其特征在于，所述的琼脂糖凝胶中添加防霉物质和调节磁共振B1场的电解质以及调节磁共振T1、T2值的造影剂。