全 文 ：文章编号 :100028551 (2009) 022248205
磁共振成像技术在郁金香花芽分化活体
监测上的应用研究
韩昊君1 ,3 　韩鸿宾2 　孙晓梅3 　杨宏光3
(11 中国农业大学农学与生物技术学院 ,北京　100193 ;21 北京大学第三医院 ,北京　100191 ;31 沈阳农业大学林学院 ,辽宁 沈阳　110161)
摘 　要 :应用磁共振成像 (MRI)技术在活体情况下观察郁金香花芽形态建成过程 ,通过比较不同 MRI 序
列图像即纵向弛豫时间加权像 (longitudinal relaxation ,简写为 T1WI) 、横向弛豫时间加权像 ( transverse
relaxation time weighted imaging ,简写为 T2WI) 、质子密度加权像 (proton density weighted imaging ,简写为
PDWI)对郁金香花芽形态建成过程显示的准确性 ,探求郁金香种球及郁金香花芽发生过程实用的 MRI
图像技术。结果显示 ,在对郁金香种球形态以及花芽形成与建成过程的显示上 ,T1 加权像与大体切片
的结果完全一致 ,质子密度加权像与 T1 加权像具有较高的图像质量 ,在图像信噪比以及花芽发生的显
示上明显优于 T2WI( P < 0105) 。本研究表明 ,磁共振成像技术是无创伤、活体监测与显示郁金香花芽形
成及分化过程的实用技术手段。
关键词 :磁共振成像 (MRI) ;活体监测 ;郁金香 ;花芽分化
APPLICATION OF MAGNETIC RESONANCE IMAGING ( MRI) TECHNIQUE ON
MORNITORING FLOWER BUD DIFFERENTIATION OF TULIP
HAN Hao2jun1 　HAN Hong2bin2 　SUN Xiao2mei3 　YANG Hong2guang1
(11college of Agronomy and Biotechnology , China Agricultural University , Beijing 　100193 ;21 The Third hospital ,
Peking University Health Science Center , Beijing 　100191 ;31 College of Forestry , Shenyang Agricultural University , Shenyang ,Liaoning 　110161)
Abstract :Magnetic resonance imaging (MRI) was used for observing morphogenesis process in the living specimen situation of
tulip flower buds. Through a comparson of different MRI imaging formation technique (longitudinal relaxation 2T1WI , transverse
relaxation time weighted imaging 2T2WI , proton density density weighted imaging 2PDWI) , seeking for an accurate and practical
MRI technique to observe tulip bulb and differentiation period of flower bud. The results showed that in the demonstration of the
morphological characters as well as morphogenesis process of flower bud differentiation , the T1WI was completely consistent with
the results of rough slice , PDWI and T1WI also had obviously higher map quality than the T2WI( P < 0105) . It is indicated that
the magnetic resonance imaging technique could monitor the development of flower bud differentiation in vivo.
Key words :MRI technique ; in vivo monitoring ; tulip ; flower bud differentiation
收稿日期 :2008205218 　接受日期 :2008208205
基金项目 :新世纪优秀人才支持计划 (NCET9852220702113)
作者简介 :韩昊君 (19732) ,女 ,辽宁辽阳人 ,在读博士 ,主要从事园林植物资源与育种研究。Tel :15810307149 ; E2mail :haojunhan123 @163. com
通讯作者 :韩鸿宾 (19712) ,男 ,辽宁省抚顺人 ,研究员 ,主要从事磁共振应用开发工作。Tel :01026201769128502 ; E2mail :cjr. hanhongbin @vip . 1631com
孙晓梅 (19702) ,女 ,辽宁丹东人 ,副教授 ,主要从事园林植物资源与育种研究。Tel : 13032412567　　花芽的分化和形成是开花植物个体发育中最为关键的阶段。郁金香、番红花等植物的花芽分化和形成发生在休眠期。在休眠期 ,尽管种球内部进行着一系列缓慢而不易观察的形态改变 ,但种球的外部变化却不明显。在进行各类环境因子对这类鳞茎发育影响的 分析时 ,以往多采用石蜡切片法来对球根花卉的内部结构进行形态学显示与记录[1 ] 。这种技术虽能客观反映鳞茎内部的结构 ,但操作破坏了种球 ,中断了其发育过程 ,使对后续开花的观察无法进行。MRI技术可以对生物体内部结构进行无创成像显
842　 核 农 学 报　2009 ,23 (2) :248～252Journal of Nuclear Agricultural Sciences
影。该技术上世纪 80 年代开始在人体疾病诊断中应
用 ,目前 ,在大型医院中 ,已成为人类检查疾病的常规
手段 ,其中最为常用的成像技术方法包括三种 :纵向弛
豫时间加权像 (longitudinal relaxation ,简写为 T1WI) 、横
向弛豫时间加权像 ( transverse relaxation time weighted
imaging ,简写为 T2WI) 、质子密度加权像 (proton density
weighted imaging ,简写为 PDWI) ,它们分别以图像的形
式反映着组织的结构和不同物理、化学特性。在植物
领域早有学者利用 MRI 来对植物水分矿质代谢等方
面进行研究[2～5 ] 。世纪之交的几年中 ,国外学者应用
MRI对球根花卉贮藏[6 ] 、外部环境条件对贮藏鳞茎发
育过程的影响[7 ] 、鳞茎发育过程中自由水及结合水转
换率变化[8 ] 、败育现象研究[9 ] 等进行了研究。我国在
该研究方向尚无文章报道 ,也未见针对郁金香花芽分
化过程的活体监测与成像比较的研究。因此 ,我们希
望通过本研究来明确 MRI 对郁金香花芽形成与分化
进行动态活体监测的可行性 ,总结鳞茎内部结构及其
分化过程的 MRI 表现 ,分析其成像表现的基本原理 ,
为进一步应用 MRI 技术进行球根花卉的各类研究奠
定基础。
1 　材料与方法
111 　材料种植与处理
选取荷兰引进郁金香 ( Tulipa gesneriana L. ) 早花
品系福斯特型‘黄普瑞思玛’(‘Yellow Purissima’) ,花黄
色 ,高脚杯形。2006 年 11 月种植后 ,翌年 6 月底开花 ,
叶枯后采收种球。选取周径约 10 cm、无肉眼可见损伤
的种球 30 个 ,消毒后阴干 ,在 7 月 2 日 - 8 月 14 日之
间 ,置于 19 ℃、70 %湿度的人工气候箱中贮藏 ,以备
MRI检查使用。
112 　分组情况
11211 　花芽发生过程的 MRI 图像表现研究 (A 组) 　
30 个球分别于 7 月 2 日、7 月 10 日、7 月 17 日、7 月 25
日、7 月 31 日、8 月 4 日、8 月 14 日进行 MRI 成像并观
察。见表 1。
表 1 　A 组检查数量表 (单位 : 个)
Table 1 　Showing the number of observation in group A
试验日期 data (mΠd)
7Π2 7Π10 7Π17 7Π25 7Π31 8Π4 8Π14
观察球数 the number of bulb 30 25 25 20 15 10 5
11212 　花芽高度测量 (B 组) 　分别于 7 月 2 日、7 月
17 日、7 月 25 日、8 月 4 日进行 4 次大体解剖 (大体解
剖在 MRI成像后进行) ,每次随机从 A 组选取 5 个球。
解剖种球球根时 ,需沿着 MRI 的扫描线来进行 ,以保
证 MRI断层扫描的层面与解剖的层面一致。记录花
芽的有无 ,若有则测量花芽的高度。
11213 　不同成像序列图像质量对比 (C 组) 　选取 B 组
7 月 25 日和 8 月 4 日被解剖观察的 10 个球的 MRI 图
像 ,通过测量信噪比 (SNR ,即待测组织信号与随机背景
噪声的成像质量对比)及对比噪声比 (CNR ,即待测组织
信号 ,本研究中为花芽)的信号与周围组织 (本研究为鳞
片)间的信号对比 ,来比较不同成像技术的图像质量。
113 　影像检查设备、参数设计原理与测量指标
11311 　成像设备 　西门子磁共振机 ( SIEMENS TRIO
310 T) ,腕关节线圈 ,冠状位 (COR) 扫描 ,视野 ( FOV)
10cm ,矩阵 63mm × 100mm , 像素大小为 018mm ×
016mm ,层厚为 2mm。
11312 　序列图像参数设置　(1) 纵向驰豫时间加权图
像 (T1W1) :序列参数重复时间 ( TR) 600ms ,回波时间
(TE) 12ms ; (2) 质子加权图像 ( PDWI) : TR 2420ms , TE
12ms ; (3)横向弛豫时间加权图像 ( T2W1) : TR 2420ms ,
TE 90ms。
114 　MRI图像的观察与测量指标
11411 　MRI对花芽有无判断的准确性 　以解剖的球
根断面上花芽的有无作为金标准 ,统计分析采用常用
列联表四格表法 (fourfold table) ,来研究不同的 MRI 图
像对花芽有无的诊断准确性。
灵敏度 = AΠ(A + C) ×100 % ,特异度 = DΠ(B + D)
×100 %。正确指数 = 灵敏度 + 特异度 - 1。
其中 A 为 MRI 成像与解剖断面上均显示为有芽
的郁金香种球个数 ,B 为解剖断面上显示有芽而 MRI
成像显示无芽的个数 ; C 为解剖断面上显示无芽而
MRI成像显示有芽的个数 ;D 为 MRI 成像与解剖断面
均显示无芽的个数。
11412 　MRI对花芽高度判断的准确性 　在 MRI 图像
上对花芽进行辨认及垂直高度测量 (垂直于茎盘) ,采
用西门子随机标准配置的测量软件进行测量 ,测量精
确到 0101cm ,以种球球根解剖后的测量结果作为金标
942　2 期 磁共振成像技术在郁金香花芽分化活体监测上的应用研究
准进行对照 ,对解剖断面的花芽高度测量应用游标卡
尺进行 ,精确到 0101cm。
11413 　三种序列成像质量的对照 　对球根不同解剖
位置确认后 ,采用西门子随机标准配置的测量软件用
SNR、CNR 法进行分区测量 MRI信号强度 ,信号强度的
平均值以 S 表示 ,测量区域 MRI 信号的标准差以 SD
表示。SNR 以花芽为测量对象 ,在花芽 75 %中心区域
测定像素强度的平均值 (Smeans) ,在成像种球外区域
选取 4 个背景区域进行测量 ,计算 4 个区域 MRI 信号
值的平均值 (Sb) 。SNR (花芽) = {Smeans (花芽) - Sb
(背景本底) }ΠSD(花芽) 。
CNR的测量分别测量花芽及内层鳞片的 SNR 及
SD ,CNR (花芽Π鳞片) = | SNR (花芽) - SNR (鳞片) | Π
{SD(花芽) - SD(鳞片) }Π2。
115 　数据处理与统计分析
使用 SPSS1510 for Windows 对数据进行统计学分
析。对花芽显示准确性及各期真实显示对照使用配对
四格表的 X2 检验 ,对不同序列真实反映花芽可见高
度的差异使用 t 检验 ,对 SNR 与 CNR 采用组间差异 F
检验。P < 0105 有统计学意义。
2 　结果与分析
211 　花芽发生过程各序列的 MRI表现比较
21111 　鳞片的表现　在 3 种成像方法中 ,每层鳞片均
表现为周边高信号 ,中心低信号。随着花芽的分化 ,各
鳞片间出现空隙状低信号 ,并逐渐增大 ,通过解剖切片
图 1 　花芽雌蕊分化期 T1WI显示图
Fig. 1 　Character of T1WI during pistil
differentiation period
1 :花瓣 ; 2 : 雄蕊 ;3 : 雌蕊 ;4 : 磷片 ;5 : 茎盘
1 : petals ; 2 : stamens ;3 : pistils ;4 : scale ;5 : basal scale
验证空隙状低信号为空气 (图 1) 。
21112 　茎盘与新生芽体表现　新生芽体与茎盘相连 ,
并与茎盘的信号一致。茎盘中心可见椭圆形低信号
区 ,边缘围绕以高信号环结构 ,在 T1WI、PDWI 上 ,新生
芽体与茎盘的信号等于或高于鳞片外层的高信号。在
T2WI上 ,新生芽体与茎盘均表现为灰色信号 ,以 8 月
14 日组为例 ,雌蕊分化期 T1WI及 T2WI图像中花芽呈
现高信号 , PDWI 图象中花芽与周围组织的对比不明
显 ,呈现低信号 (图 2) 。在 T1WI 图像上 ,可将花芽发
生过程分为始分化期、花瓣分化期、雄蕊分化期、雌蕊
分化期 4 个时期 (图 3) 。
图 2 　雌蕊分化期不同序列图像的表现与比较
Fig. 2 　Character of various sequences performance at pistil differentiation period
1 : T1WI 图像表现 ; 2 : PDWI 图像表现 ;3 : T2WI 图像表现
1 : character of T1WI ;2 : character of PDWI ;3 : character of T2WI
212 　MRI对花芽分化的诊断价值与图像质量评价
21211 　T1WI、T2WI、PDWI 对花芽显示的诊断价值比
较　B 组鳞茎解剖后 ,发现共 19 例有花芽 ,1 例无花
芽 ,T1WI与金标准结果显示一致 ,应用四格表统计法
X2 值为 0 , P > 0105 ,诊断正确指数为 100 % ; PDWI 显
示有芽 17 例 , X2 值为 015 , P > 0105 , 正确指数为
052 核　农　学　报 23 卷
图 3 　花芽分化过程 T1WI 图像表现
Fig. 3 　Character of T1WI MRI during flower differentiation
1 : 始分化期 ; 2、3 : 花瓣分化期 ;4 : 雄蕊分化期 ;5 : 雌蕊分化期
1 : primitive flower differentiation period ;2 ,3 : petal differentiation period ;4 : stamens differentiation period ; 5 : pistil differentiation period
图 4 　不同序列花芽显示的 MRI表现
Fig. 4 　Flower bud demonstration with different MRI sequences
1 : T1WI 图像表现 ; 2 : PDWI 图像表现 ;3 : T2WI 图像表现 ;3 : 金标准法图像表现
1 : character of T1WI ;2 : character of PDWI ;3 : character of T2WI ;4 : character of golden standard
3313 % ;而 T2WI的正确指数仅为 911 % ,只有 9 例显示
花芽 ,四格表统计法结果 X2 值为 811 , P < 0105 ,T2WI
与金标准的方法有明显差异 (表 2～3) 。T1WI 与对照
相比图像质量佳 ,对花芽高度显示准确 ,PDWI 对花芽
显示较 T1WI稍差 ,T2WI花芽显示不清 (图 4) 。
表 2 　各序列与金标准检验法对花芽显示的对照(单位 : 个)
Table 2 　Showing of various sequences comparing
with golden standard
序列
sequence
有芽
with bud
无芽
no bud
T1WI 19 0
PDWI 17 2
T2WI 9 10
金标准 Golden standard 19 0
21212 　T1WI、T2WI、PDWI 对花芽高度的评价结果比
较 　不同序列对花芽高度的准确性显示不尽相同 ,
T1WI、PDWI与金标准的方法无显著差异 ,而 T2WI 与
金标准有显著差异 ,其成像的对照的表现及具体数据
分别见图 4 及表 3。
表 3 　不同序列与游标卡尺测得的花芽高度对照
Table 3 　Height of flower bud comparing of
different sequence and venire caliper
序列
sequence
高度
height (cm)
Z 值
Z value
P 值
P value
T1WI 2120 (0 ,4121) 0 P > 0105
PDWI 2105 (0 ,4113) - 11562 P > 0105
T2WI 1100 (0 ,4111) - 31224 P < 0105
金标准 golden standard 2120 (0 ,4121)
21213 　T1WI、T2WI、PDWI 的 SNR 与 CNR 比较 　SNR
由高至低的序列表现依次为 T1WI、PDWI、T2WI。经配
对 t 检验 , T1WI 与 PDWI 之间的 t 值为 0170 , P >
0105 ; T1WI 与 T2WI 之间的 t 值为 8127 , P < 0105 ;
PDWI与 T2WI之间的 t 值为 7149 , P < 0105。结果表
明 T1WI与 PDWI二种序列方法没有显著性差异 ,T2WI
与 T1WI、PDWI之间具显著性差异。
CNR由高至低的序列表现依次为 T1WI、PDWI、
T2WI。三种序列的组间差异显著。经配对 t 检验 ,
T1WI与 PDWI之间的 t 值为 9102 , P > 0105 ; T1WI 与
T2WI之间的 t 值为 19199 , P < 0105 ; PDWI 与 T2WI 之
152　2 期 磁共振成像技术在郁金香花芽分化活体监测上的应用研究
间的 t 值为 44141 , P < 0105 ;结果表明三种统计方法
之间具有显著性差异。各序列 SNR、CNR 的具体数据
见表 4。
表 4 　不同 MRI序列图像质量对比
Table 4 　The image qualities of different MRI sequences
序列
sequence
信噪比
SNR
对比度Π噪声比
CNR
T1WI 4144 ±0120 12113 ±1113
PDWI 4139 ±0129 8155 ±0126
T2WI 3111 ±0152 3 4131 ±0133 3
组间差异 F = 43173 F = 311110
difference of group P < 0105 P < 0105
　　注 : 3 表示与其他组比较有显著差异。
Note : 3 the difference is statistically significant .
3 　讨论
当含有氢原子核的生物有机体被置放于均匀磁场
环境时 ,施加一定频率的射频 (radiofrequency ,RF) 电磁
波 ,有机物中的氢核会吸收射频的能量 ,当射频停止作
用后 ,有机物中的氢核吸收的能量会以射频的形式被
释放出来 ,并可以被敏感的仪器测量 ,这就是氢核磁共
振的基本过程 (NMR) 。不同化学结构的含氢化合物吸
收不同频率的射频 ,并最终释放出与外加射频相同频
率的电磁波。因此 ,如果化合物吸收射频的频率不同 ,
其最终释放的射频频率均不同 ,这种差异被称为化学
位移。依靠化学位移现象 ,NMR 一直被用来进行有机
物化学基团的结构分析。
射频对顺磁场方向核磁子的矢量合 (M0 ) 的作用
可以形象的理解为磁针被手指推移偏离了主磁场的方
向。当我们撤掉手指的外力后 ,磁针会在原来的磁场
力的作用下 ,再次回复到主磁场的方向上。与磁针相
似 ,植物内不同组织的 M0 在受到射频作用后 ,也会重
新回复到主磁场方向 ,只是不同的组织其回复的速度
各不相同 ,用纵向弛豫时间 ( T1) 来对这种回复所需要
的时间进行定量描述 ,我们将释放射频给周围组织所
需要的时间为原来状态总时间的 63 %定义为组织的
纵向弛豫时间 ( T1) 。这个时间主要与物质的存在状
态 ,即与周围热传递的速度有关 ,同时也受外在的磁场
强度、温度等因素影响。T2 也被称为横向弛豫时间 ,
我们定义能量释放至占总吸收能量 37 %的时间称为
组织的 T2。其与局部的场均匀情况、化学结构、结合
水Π自由水比例等多种因素有关。突出组织间的 T1 值
差异而设定的序列图像称为纵向驰豫时间加权像
(T1WI) ,突出组织间的 T2 值差异而设定的序列图像
称为横向驰豫时间加权像 ( T2WI) ,不突出 T1 及 T2 差
异的差异 ,将得到以反映质子密度为主的质子密度加
权像 (PDWI) 。以上序列图像均通过设置时间参数来
实现 ,即设置磁共振信号 (MR) 衰减的某一采集时间
点 ,这个时间点称为回波时间 (echo time ,TE) ,设置单
位时间内射频线圈要发射多个射频脉冲 ,这个单位时
间称为重复时间 (repetition time ,TR) 。
本研究中 ,鳞片与茎盘以及新生花芽均表现为短
T1 (T1WI上高信号) ,等或稍短 T2 (灰色等信号 ,或者
低信号) ,分析其产生的可能机制包括 :11 局部结合水
含量较高 ,结合水本身具有短 T2 的特征 ,因此 ,会使这
些结构表现为 T2WI 上低信号。同时 ,由于自由水较
少 ,这些区域的结构呈现相对的固体状态或者凝胶状
态 ,此时组织的 T1 缩短 ,表现为 T1WI 的高信号。21
化学位移的原因 ,鳞片边缘区的化学成分特殊 ,偏离
MRI成像的射频电磁波频率 ,在这种情况下 , TE 回波
时间越短 ,MRI 信号越强 , T1WI 与 PDWI 都采用的是
短 TE时间 (12ms) ,而 T2WI 采用的 90ms 的 TE 时间 ,
因此 ,也可以用化学位移的偏离来解释这一现象。
鳞片及茎盘中心区域 MRI 的低信号与以下因素
有关 :11 该区整体含水量较少 ,导致无论在 T1、T2 ,还
是 PDWI上均以低信号显示。21 化学位移 ,该区域组
织的射频吸收频率远远偏离于 MRI 成像的氢核射频
电磁波频率。如前所述 ,MRI 成像的前提是有机物吸
收电磁波的频率 ,如果有机物并没有吸收电磁波的能
量 ,那么也就不会释放出能量而被系统吸收后 ,转化为
信号。本研究上述的种种分析都需要进一步的离体与
在体 MRI定量分析测量来进一步的明确。
4 　结论
本研究明确了应用 MRI 对郁金香球根的花芽发
生过程进行动态、无创的成像显示的可行性 ,郁金香球
根花芽分化期鳞片、茎盘以及新生花芽均具有短 T1 特
征 ,采用 T1WI 图像可以准确对花芽的发生过程进行
监测 ,也为进一步针对郁金香活体的相关生理、生化变
化等研究奠定了基础。
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(下转第 284 页)
252 Journal of Nuclear Agricultural Sciences
2009 ,23 (2) :248～252
肉排骨中的灰分含量有一定的差异 ,尤其是鸡肉排骨
中的差异达到了显著水平 ,但最大值与最小值在数量
上的差异仅为 119 % ,可能是辐照导致了鸡肉排骨中
其他营养成分的变化所致。结果能说明试验样品中的
灰分含量相对稳定 ,这与辐照前后宠物食品的其他营
养成分含量变化基本不显著的结果是一致的。
此外 ,感官品质的检验也证明了 4～10kGy 的剂量
辐照不会破坏宠物食品的感官品质。
综上所述 ,采用辐照技术对宠物食品进行杀菌的
方法是可行的 ,可以确定其适宜的辐照工艺剂量范围
为 4～10kGy。
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