钆元素对比磁共振造影剂Gd-DTPA的原理及应用

钆对比剂的原理

钆(Gd)元素螯合物是所有磁共振造影剂中使用较广泛的。由于其独特的电子结构，Gd3+具有7个不成对电子，这些电子与质子一样为偶极子，具有磁矩，其磁矩约为质子的657倍。Gd具有很强的顺磁性。顺磁性是某些材料的固有属性，当置于外部磁场中时会暂时磁化。事实上，Gd是室温下仅有的四种可以磁化的元素之一(另外三种是铁、镍和钴)。Gd强大的顺磁性使其作为磁共振造影剂非常有用。在磁共振图像中没有直接看到钆的存在，但通过促进附近氢质子的弛豫间接地显示了它的存在。Gd优先缩短其积累的组织中的T1值，使其在T1加权图像上变亮。顺磁性可能存在于很大的范围内—从亚原子到原子再到整个分子。核顺磁性是造成核磁共振现象的一种形式，除了在原子核的附近，它是极其微弱的。它在确定整个原子(如钆)的总体顺磁性质方面作用很小，甚至没有作用。钆化合物表现出的顺磁性形式来自电子，而不是质子，被称为居里顺磁性。由于电子具有相同的自旋，在无顺磁性物质的情况下，组织的T1、T2驰豫时间是由质子之间的偶极子–偶极子相互作用，形成局部磁场波动所引起的，在有不成对电子的顺磁性物质（如钆）存在时，由于电子的磁化率是质子的657倍，从而产生巨大磁场波动，所以它们的旋磁比是质子的657倍。结果造成T1和T2驰豫时间缩短。如果这些电子在壳层或成键轨道上保持不成对，不平衡的自旋就会产生一个强大的磁矩，能够在附近的原子核中诱导核磁弛豫。这就是钆等元素所具有的块状顺磁性的根源。钆在元素周期表上的原子序数为64。它在镧系元素中占有中心地位。

镧系元素是一种稀土金属，其化学分类是因为它们拥有部分填充的电子内壳(4f和5d层)。元素周期表Gd中性Gd原子的电子结构如图所示：

其4f亚壳层中的7个未配对电子，这解释了该元素强烈的顺磁性。在电离状态下，Gd+3为成键提供了6s2和5d1电子，使其4f7电子壳层完好无损。因此，即使在造影剂配方中螯合到诸如DTPA的配体时，Gd的强大磁矩也在很大程度上保持不变，所以，钆的螯合物也有很强的顺磁性，因此，可以做磁共振的造影剂。

钆对比剂的临床应用

在钆造影剂浓度较低时，由于组织的T1驰豫时间较长，所以造影剂对组织的T1驰豫时间影响大，缩短了T1驰豫时间，在T1WI上含有对比剂的组织信号增高，即阳性增强效应，身体大多数部位增强利用的就是此效应，例如中枢神经系统的增强以及CE-MRA。

随着钆造影剂浓度增加，T2缩短效应明显，导致T2的增强作用掩盖了T1的增强作用，这是采用T2WI或T2※WI成像时，含有对比剂的组织显示为低信号，即阴性增强效应，又叫T2负性对比增强效应，例如臂丛神经成像。

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