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T1, T2, and complex permittivities of hydrogels, paramagnetic salt solutions, and oils at 0.35, 1.5, and 3 Tesla

本研究表征了各种水凝胶、顺磁盐溶液和油类在 0.35、1.5 和 3 特斯拉下的 T1、T2 和复介电常数，旨在确定用于构建具有特定介电和弛豫性质的 MRI 仿体之最佳材料。

原作者： H Michael Gach, Kerri Prinos, Hannah Sechaga

发布于 2026-08-12

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原作者： H Michael Gach, Kerri Prinos, Hannah Sechaga

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下你是一位试图烘焙完美蛋糕的厨师，但你的食材不是面粉和糖，而是无形的能量波和磁场。这就是核磁共振成像（MRI）的世界——一种让医生无需切开人体即可看透内部的医疗超能力。但为了确保 MRI 机器正常工作，科学家们需要被称为“幻象”（phantoms）的“测试蛋糕”。这些并不是用来吃的；它们是装有特殊液体和凝胶的罐子，旨在模拟人体组织在机器磁力作用下的反应。

要理解这些测试蛋糕是如何工作的，你需要了解关于其成分的两件核心要物。首先，是弛豫时间（relaxation time）。把这想象成一个蹦床。当磁场将质子（水中的微小粒子）推上蹦床时，它会弹跳。弛豫时间就是质子停止弹跳并恢复平静所需的时间。不同的组织弹跳的时间不同，MRI 正是通过这一点来创建图像的。其次，是介电常数（permittivity）与电导率（conductivity）。想象 MRI 机器是一个广播信号的电台。某些材料，比如水，就像一块吸收信号并改变形状的海绵（介电常数）；而另一些材料，比如盐水，则像一根导线，让电流轻松流过（电导率）。如果测试蛋糕无法匹配真实身体的“弹跳”和“信号吸收”能力，MRI 图像可能会变得模糊或出错。这就是为什么科学家们一直在寻找完美的配方。

在这项研究中，一组研究人员决定测试大量的潜在幻象成分，以观察哪些成分能为不同尺寸的 MRI 机器制作出最好的“测试蛋糕”。他们考察了三类主要的成分：水凝胶（像明胶一样富有弹性、充满水的凝胶）、顺磁盐溶液（混合了铜或锰等特殊金属的水，这些金属充当微型磁铁）以及油脂（就像你烹饪时用的那种）。他们在三种不同的“厨房”中进行了测试：一台 0.35 特斯拉的小型 MRI 机器、一台标准的医院机器（1.5 特斯拉）以及一台强大的 3 特斯拉机器。他们甚至尝试预测这些成分在超强 7 特斯拉机器或微型 0.55 特斯拉机器中的表现。

研究人员发现，并非所有的配方都是平等的。有些成分，如海藻酸钠、Miller's LB 琼脂（通常用于培养细菌的营养丰富的混合物）和黄原胶，被证明是非常优秀的候选材料。它们能创造出性质稳定的凝胶，表现得非常一致，非常适合构建可靠的测试蛋糕。然而，其他成分则是一场灾难。聚丙烯酸钠、PVP 或 PEG 水凝胶具有“挑战性”，这意味着它们难以均匀混合，且经常导致块状、不一致的结果，从而误导 MRI 机器。

在谈到盐溶液时，团队发现了一个令人惊讶的转折。MRI 物理学中有一个通用规则：随着你调高磁场强度，其“弹跳”时间（T1）通常会变长。但研究人员发现，对于他们的一些样本，这一规则并不成立。例如，Mn(NO3)2（硝酸锰）溶液拥有所有测试盐类中最高的“弹跳性”（弛豫率），使其成为一种非常强效的成分，但它也表明，磁场强度与弹跳时间之间的关系并不总是直线关系。他们还注意到，虽然 CuSO4（硫酸铜）和 NiCl2（氯化镍）效果良好，但它们带有警告标签：它们可能具有毒性或腐蚀性，因此处理时需要格外小心。

对于油脂，结果在高性能机器方面表现出色。团队测试了菜籽油、蓖麻油和葡萄籽油，发现它们非常适合高场强 MRI（如 3 特斯拉和 7 特斯拉机器）。为什么呢？因为它们的“信号吸收”能力极低（低介电常数）且电导率较低。在高功率 MRI 的世界里，这是一种超能力，因为它能防止信号发生畸变，就像透明的窗户让光线通过而不发生弯曲一样。

研究还测量了这些成分随浓度增加的变化情况。例如，向水中添加更多的盐通常会提高其导电性，但添加更多的 PEG 或 PVP 则几乎不会改变电导率。他们还测量了“弹跳”时间随浓度的变化，发现对于某些凝胶，其关系并不像他们预期的那样可预测。

最后，论文并未宣布哪一种成分是适用于所有情况的“完美”成分。相反，它提供了一份详细的选择菜单。如果你需要一个用于高功率机器的低介电幻象，请选择油脂。如果你需要一个模仿软组织的凝胶，海藻酸钠或 Miller's LB 琼라 是你的最佳选择。但如果你尝试使用 PEG 或 PVP，请做好迎接颠簸旅程的准备。研究人员还指出，虽然合成聚合物因不会腐烂而表现出色，但盐溶液的优点在于它们可以阻止细菌生长，尽管它们也带来了自身的毒性风险。通过绘制出这些材料在不同磁场强度下的行为图谱，这项研究为未来的科学家提供了制作更精确测试蛋糕的工具，从而确保世界各地的医院里的 MRI 机器都能为我们提供最清晰的人体视图。

技术摘要：0.35、1.5 和 3 特斯拉下水凝胶、顺磁盐溶液和油类的 T1、T2 及复介电常数

问题陈述
磁共振成像 (MRI) 质量保证 (QA) 高度依赖于用于验证系统性能的体模（phantom）。虽然存在商业化体模，但对于资金有限的机构而言，其成本往往过高，因此需要使用自制的替代品。设计有效的体模需要精确了解材料在临床拉莫尔频率下的弛豫时间（ $T_1$ 、 $T_2$ ）和复介电常数（介电强度和电导率）。然而，现有的文献往往早于 1.5 T 和 3 T 临床系统的广泛应用，或者缺乏针对新兴场强（如用于 MRI 引导放射治疗的 0.35 T）的数据。此外，关于弛豫时间随场强增加而变化（例如 $T_1$ 总是上升）的假设，对于所有体模组分而言未必成立。本研究旨在填补常见体模材料在多场强综合数据方面的空白。

方法论
作者测量了三类材料（水凝胶、顺磁电解质和油类）的 $T_1$ 、 $T_2$ 及复介电常数。测量是在 21°C 下，在三个磁场强度下进行的：0.35 T (ViewRay MRIdian)、1.5 T (Philips Ingenia) 和 3 T (Siemens mMR)。

弛豫测量： 使用具有可变反转时间的反转恢复 (IR) 回波平面成像 (EPI) 序列确定 $T_1$ 。使用 Carr–Purcell–Meiboom–Gill (CPMG) 多自旋回波序列测量 $T_2$ 。数据被拟合到三参数非线性模型中，以提取弛豫率 ( $R_1$ , $R_2$ ) 和弛豫度 ( $r_1$ , $r_2$ )。
介电测量： 使用连接到阻抗分析仪（14 MHz 至 1 GHz）的同轴介电探头测量复介电常数。通过将数据拟合到 Cole-Cole 弛豫模型，推导出静态介电常数 ( $\varepsilon_s$ ) 和静态电导率 ( $\sigma_s$ )。同时独立测量了直流 (DC) 电导率。
测试材料：
- 水凝胶： Miller's LB 琼脂、明胶、聚乙二醇 (PEG)、聚乙烯醇 (PVA)、聚吡咯烷酮 (PVP)、海藻酸钠、聚丙烯酸钠和黄原胶。
- 顺磁电解质： 硫酸铜 ( $CuSO_4$ )、氯化镍 ( $NiCl_2$ ) 和硝酸锰 ( $Mn(NO_3)_2$ ) 的水溶液。
- 油类： Canola 油、蓖麻油和葡萄籽油。
数据处理： 使用幂律模型 ( $T_1(B_0) = A \cdot B_0^C$ ) 对 0.55 T 的 $T_1$ 值进行插值，并对 7 T 进行外推。为弛豫度和介电常数生成了关于浓度的线性拟合。

关键结果
本研究生成了详尽的数据集（表 3–15），详细列出了不同浓度和场强下的弛豫时间、弛豫度和介电常数。

场强依赖性： 与 $T_1$ 随场强增加而增加的普遍假设相反，研究观察到 $T_1$ 对于 $NiCl_2$ 并没有随场强增加而上升。此外， $T_2$ 随场强增加而降低（针对 PEG、PVA、聚丙烯酸钠和 $Mn(NO_3)_2$ ），而对于 $CuSO_4$ ， $T_2$ 则有所增加。
弛豫度：
- $T_1$ 弛豫度 ( $r_1$ ) 对于 PEG 和 PVP 保持不变，但对于 $NiCl_2$ 则有所上升。
- $T_2$ 弛豫度 ( $r_2$ ) 通常随场强保持不变或上升，但对于 $CuSO_4$ 则有所下降。
- $Mn(NO_3)_2$ 在所有测试的顺磁样品中表现出最高的弛豫度。
水凝胶性能：
- 具有挑战性的材料： 发现聚丙烯酸钠、PVP 和 PEG 水凝胶难以制备均匀，导致弛豫率出现高方差。PEG 和 PVP 的电导率不随浓度上升。
- 可行的候选材料： 海藻酸钠、Miller's LB 琼脂和黄原胶在生成体模方面表现出良好的特性，尽管它们易受生物生长影响。
- 介电特性： 大多数水凝胶和顺磁溶液保持较高的静态介电常数 ( $\varepsilon_s \approx 70$ )，与水相似。PVP 是一个例外，能够将 $\varepsilon_s$ 降低到 40 以下。
油类： 所有三种测试的油类（Canola、蓖麻、葡萄籽油）均表现出低静态介电常数 ( $\varepsilon_s < 10$ ) 和低电导率，使其适用于存在介电伪影担忧的高场应用。
电导率： 静态电导率对于 Miller's LB 琼脂、明胶、PVA、海藻酸钠、聚丙烯酸钠、黄原胶和顺磁盐通常随浓度上升。

意义与主张
作者将这项工作定位为涵盖体模材料随浓度和场强变化（0.35 T 至 7 T）的独特资源。该研究挑战了既定假设，特别指出 $T_1$ 并不普遍随场强上升，且弛豫行为具有材料依赖性。

论文最后提出了体模构建的实际建议：

材料选择： 推荐使用海藻酸钠、Miller's LB 琼脂和黄原胶作为基于水凝胶的体模，而推荐使用油类作为低介电、高场应用的材料。
安全性与稳定性： 虽然顺磁电解质提供高弛豫度并具有抗菌特性，但作者对其毒性（ $Mn^{2+}$ 的神经毒性和 $Cu^{2+}$ 、 $Ni^{2+}$ 的致癌性）以及腐蚀性提出了警告。合成聚合物在寿命方面优于有机聚合物，尽管水凝胶的寿命通常较短（<3 个月），不及油类或电解质。
局限性： 研究局限于单组分（油类）或双组分（水 + 凝胶/电解质）材料。作者指出，某些水凝胶的不均匀性仍然是生成一致性体模的挑战。

总体而言，本文为研究人员在广泛的临床及研究场强范围内设计用于质量保证的 MRI 体模提供了基础数据集。

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