1、磁共振成像的弛豫機理,汪興 生命學院,平衡狀態(tài) 質(zhì)子系統(tǒng)在外磁場中，產(chǎn)生一縱向磁化強度矢量M0，狀態(tài)是不隨時間改變的，稱為平衡狀態(tài) 非平衡狀態(tài) 在射頻脈沖作用下， M0的方向偏離外磁場方向,核磁共振的宏觀描述,縱向的定義：我們稱和外磁場方向一致的方向為縱向 在外磁場B0的作用下，質(zhì)子產(chǎn)生能級分裂，而對于質(zhì)子而言只有1/2和-1/2兩個狀態(tài),核磁共振的宏觀描述,微觀粒子在熱平衡狀態(tài)下滿足波爾茲曼分布規(guī)律，處于低能級的核子數(shù)多于處于高能級的核子數(shù)。,縱向磁化和縱向磁化矢量,每個質(zhì)子產(chǎn)生的核磁矩的大小是相同的，由上圖可知，M+M-，因此宏觀縱向磁化矢量方向和M+的縱向相同,即與外磁場的方向相同，記為

2、M0 在橫向上，由統(tǒng)計學規(guī)律可知，橫向上的磁矩矢量和為0,縱向磁化強度矢量M0的章動,向人體發(fā)射脈沖的頻率等于質(zhì)子繞外磁場進動拉莫爾角頻率，質(zhì)子吸收能量躍遷到高能級，產(chǎn)生核磁共振,縱向磁化強度變化平面翻轉(zhuǎn)圖,縱向磁化強度矢量M0的章動,質(zhì)子在受到磁場作用后會繞外磁場以角速度0進動，由于射頻脈沖的作用，質(zhì)子同時還要繞x軸以角速度1進動，導致磁化強度M0繞z軸按螺旋形向x0y平面運動，這種螺旋形運動形式稱為章動,什么是弛豫過程,在核磁共振成像中，弛豫是指原子核發(fā)生共振且處在高能狀態(tài)時，當射頻脈沖停止后，將迅速回到原來的低能狀態(tài); 當射頻脈沖停止后，質(zhì)子系統(tǒng)所發(fā)生的過程，也就是質(zhì)子系統(tǒng)把從射頻脈沖吸

3、收的能量釋放出來的過程; 即射頻脈沖停止后，從非平衡狀態(tài)恢復到平衡狀態(tài)的過程,射頻脈沖與翻轉(zhuǎn)角,式中，B1為射頻脈沖中磁場B1的大小，為射頻脈沖持續(xù)作用時間，為質(zhì)子的旋磁比 通過改變脈沖磁場的大小，作用時間來改變偏轉(zhuǎn)角的大小。 使M0產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角的射頻脈沖稱為角脈沖，其中以Pi/2脈沖最為常用,翻轉(zhuǎn)角的計算公式為：,部分翻轉(zhuǎn)情況下縱向磁化強度矢量和橫向磁化強度矢量大小Mz，Mxy分別為：,弛豫過程,關閉射頻脈沖以后，將會發(fā)生兩種情況： （1）高能級質(zhì)子將躍遷至低能級； （2）質(zhì)子彼此間將出現(xiàn)相位差。 兩種情況同時發(fā)生且相互獨立。根據(jù)這兩種不同的情況，將弛豫過程分為： （1）縱向弛豫過程 （2）橫

4、向弛豫過程,縱向弛豫過程（以Pi/2脈沖為例）,又稱為自旋-晶格弛豫過程 對Pi/2翻轉(zhuǎn)、Pi翻轉(zhuǎn)和部分翻轉(zhuǎn)來說，其縱向弛豫時間分別是Mz從0、-M0和M0cos恢復到M0的過程,縱向弛豫過程,（a）,（b）,縱向弛豫過程,（c）,（d）,縱向磁化強度分量Mz恢復表達式,縱向磁化強度分量Mz向平衡狀態(tài)的恢復的速度與它們離開平衡位置的程度成正比，因此有,負號表示恢復，T1具有時間的量綱。 Pi/2脈沖作用后，可以解得縱向磁化強度分量Mz恢復表達式為,縱向弛豫時間,上式中的T1稱為縱向弛豫時間， Mz是時間的指數(shù)增長函數(shù)，t從射頻脈沖停止的時刻開始。 通常用Mz由零恢復到M0的63%時所需要的時間

5、來確定T1的大小，T1恢復曲線如下：,縱向弛豫時間常數(shù)影響因素,取決于熱激發(fā)躍遷幾率 受多種機制作用 核-電子弛豫、四級作用弛豫、自旋轉(zhuǎn)動弛豫、化學位移各向異性弛豫、標量弛豫 對于同一組織，在不同的磁場作用下，常數(shù)的大小也不相同。外磁場增大，常數(shù)也增大。,從理論上來說，從Mz恢復到M0需要的時間是無窮長的時間，然而，當t=5T1時，縱向磁化強度矢量Mz已經(jīng)恢復了99.33%，非常接近于M0。 因此在實際中我們用5T1表示Mz恢復到它初始磁化矢量M0所需的時間。 T1的大小取決于外磁場和質(zhì)子與周圍環(huán)境之間的相互作用（即組織的性質(zhì)）。 縱向弛豫時間是組織的固有特性，在外磁場給定以后，不同生物組織都

6、有不同的弛豫時間。,0.5T和1.5T磁場下部分組織的縱向弛豫時間,橫向弛豫過程,在射頻脈沖作用下，所有質(zhì)子相位都相同。 脈沖停止以后，發(fā)生失相位 我們把質(zhì)子從同相位逐漸分散最終均勻分布，宏觀表現(xiàn)為其橫向磁化強度矢量Mxy從最大逐漸衰減為零的過程為橫向弛豫過程,橫向弛豫過程,（a）,（b）,（c）,上述過程和縱向弛豫過程是同時獨立進行的,失相位的成因,1、質(zhì)子自旋-自旋相互作用 2、外磁場的不均勻性,質(zhì)子自旋-自旋相互作用,一個質(zhì)子的自旋磁場可能會影響臨近它的質(zhì)子 假設質(zhì)子A的自旋磁矩與外磁場B0平行，而質(zhì)子B的自旋磁矩與外磁場B0反平行。這樣A質(zhì)子受到磁場是B0減去質(zhì)子B所產(chǎn)生的小磁場B。由

7、拉莫爾方程可知，A的進動角頻率降低；反之，A的進動角頻率上升,質(zhì)子自旋-自旋相互作用,從物理學的觀點看，橫向弛豫過程是質(zhì)子間交換能量的過程，故又稱為自旋-自旋弛豫過程。 橫向磁化強度Mxy隨時間按下式規(guī)律衰減：,對于Pi/2脈沖作用后，上式的解為,質(zhì)子自旋-自旋相互作用,類比縱向弛豫過程給出相關定義： T2被稱為橫向弛豫時間，又稱為自旋-自旋弛豫時間，它是Mxymax衰減63%時所需要的時間 在實際工作中，基本認為經(jīng)過5T2，Mxy減為零 橫向弛豫時間比縱向弛豫時間快510倍,Pi/2脈沖衰減曲線,在MRI中，通常用橫向弛豫時間來描述橫向磁化強度衰減的快慢。 在人體中，不同組織的T2不同。這主要由于不同組織的自旋-自旋相互作用不同，而這種作用取決于質(zhì)子與質(zhì)子之間的接近程度。 固體中自旋-自旋作用造成的失相位更加明顯,外磁場的不均勻性,在外磁場不均勻的情況下，質(zhì)子角頻率彼此存在差異，他們都接近于真正的拉莫爾頻率。 磁場的均勻性差異通常在百萬分之幾，但是這種微小的差異仍然會造成質(zhì)子的失相位。 考慮到兩種因素時，Pi/2脈沖作用后其橫向磁化強度矢量Mxy隨時間的衰減規(guī)律為,當磁場絕對均勻時，,，一般情況下兩者不相同,在不完全均勻的磁場中,且滿足：,式中，1/T稱為弛豫率，,表示磁場的不均勻性,時，組織的弛豫率與總的弛豫率