同位素气体应用：超极化Xe-129

1、同位素气体应用：超极化Xe-129作为呼吸系统里的重要器官肺部主要有两种功能即气-气交换和气-血交换，其对于人体生命健康的维持起着非常重要的作用。然而可能由于环境污染等因素的影响，使得肺部疾病逐渐成为影响人类生命健康以及生活质量的显著问题。国家卫生部数据表明在所有癌症种类中，目前肺癌的致死率为第一位。同时其它肺部疾病，例如慢性阻塞性肺病(COPD)的发病率也非常高，且呈上升趋势。目前对于肺部的影像诊疗手段主要有胸透(X光)、计算机断层扫描(CT)、正电子发射X射线断层扫描技术(PET)等。然而这些传统影像学技术具有一定的局限性，或有放射性，或信噪比较低，并且不能全面获得肺部的功能信息这极大的阻

2、碍了对月市部重大疾病的早期发现、诊疗和评价。随着激光的发展使得自旋交换光泵(SEOP)技术能产生大容量、超极化(即比传统热极化度高4-5个量级的原子核自旋极化度)的惰性气体,从而使得超极化惰性气体的磁共振成像(MRI)成为可能，因此能为肺部疾病的诊断提供一种全新的、无放射性、高灵敏度的影像学技术。肺部多为空腔组织致使传统的基于热极化质子的磁共振成像无法获得肺部通气和交换的相关信息。利用超极化惰性气体作为一种高极化度的气体造影剂，结合磁共振成像技术可以实现肺部的通气成像和气体交换等成像。什么是超极化通俗理解就是增强气体信号的强度。我们这项技术即人体肺部超极化气体磁共振技术，通过"两步走

3、”实现磁共振信号增强44000倍，从而“点亮”肺部。第一步通过激光把光子角动量转移到电子，第二步由电子再转移到磁共振的核上。简单而言，光到电子、再到核。每个人身体都有水，水分子中的质子进行自旋。自旋大约一半朝上，一半朝下，就基本抵消了。我们的技术，让微观世界的原子核自旋的“陀螺”朝一个方向旋转，角动量积聚而非抵消，从而极大增强气体信号，进而让肺部气体“可视”成为可能。（氙129超极化设备）氙-129医学影像是如何运作的InhaleAImage氙-129的超极化是在非常少量的碱金属存在下，通过将非放射性氙气-129放入偏振激光束中来实现的。结果是氙-129的核磁自旋高度对齐，旦与无极化的氙气没有

4、化学或生物学差异。氙气超极化后，可以将其分配到塑料袋中，佥查极化气体的量，然后将其施用于已经躺在MRI扫描仪上的患者。患者吸入少量的气体并且屏住呼吸，然后进行MRI扫描。MRI扫描通常持续10到20秒。与肺内的空气相比，超极化氙气可将MRI信号增强10万倍（国内文献是4.4万倍）,从而使肺部结构和区域通气非常清晰可见。下图左侧面板中的图像显示了传统的MRI肺部扫描；右侧面板中的图像显示了使用超极化气体MRI对患者进行的扫描。气体扫描将大的气肿性肺泡定位在局部，并确定其他几个通气较差的较细微区域。129XeMRI能够计算出肺内通风空间的体积，以及各种其他定量指标。由于超极化Xe-129MRI技术不像CT扫描或核闪烁扫描一样使用电离辐射，因此可以重复使用该技术而不会损害患者，以便评估一段时间内疾病的进展或治疗的有效性。这对于诸如慢性阻塞性肺病或囊性纤维化之类的疾病尤其有价值，在这些疾病中，必须随时间推移对疾病进行频繁监测。该前沿技术目前在国际上只有为数不多的几个实验室开展。中国科学院武汉物理与数学研究所是国际上较早从事气体增强磁共振研究的机构之一。研究目的正是为了"点亮月市部”。受限于超极化仪器的高技术门槛和检测费用，目前超极化气体肺部MRI虽尚未应用于临床，但国内外医学界都已意识到这