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第 04 章

04-01
自旋晶格弛豫时间(T1)

04-02
T1的微观意义

04-03
T1的宏观意义:脉冲序列

部分饱和脉冲序列
反转恢复脉冲序列
04-04
自旋自旋弛豫时间(T2)

04-05
T2的宏观意义:脉冲序列

自旋回波脉冲序列
04-06
T1和T2的测量

体外测定
活体测定
T1/T2成像和T1/T2加权成像
医学诊断中弛豫时间的测定


第 04 章
弛豫时间与基本脉冲序列

04-01  自旋晶格弛豫时间(T1)

一个平衡体系受到激发后会处于不稳定的高能态,体系在高能态下能维持多长时间取决于体系所处的局部环境(图04-01)。

图04-01
梦醒时分:你可能需要一些悠闲时光来理解弛豫时间,但是,当海浪来袭时,你的逍遥梦还能持续多久?


对于处在磁场中的原子核自旋体系,将处于由射频脉冲作用—海浪—而引起的不稳定状态,也即射频脉冲将能量传递给了自旋原子核体系。在分子尺度上,向平衡态的恢复取决于受激原子核所处的磁环境和电环境。

在共振状态下,外界才能把能量成功地传递给自旋体系。因此,必须将一个受激自旋体系放置在一个频率与该体系的Larmor频率相等或相近的电磁振荡场中,才能引起弛豫。弛豫是指高能态上多出来的原子核(这里的“多出来的”是相对于平衡态而言)从高能态回到低能态的过程,参见图02-06和图04-02。


图04-02
孩子们想通过扔石块的方法把悬在山顶上的球撞击下来。把球撞下来所花的时间,从统计学角度来说,两个小孩同时扔石块要比只有一个小孩扔石块的少一些。


如果一个孤立的质子,在一个绝对真空的、没有任何电磁场存在的环境中被激发了,那么这个质子可能需要好几年的时间才能自发地返回到初始低能态。但是,如果这个受激质子被水包围着,那么,受周围环境中的原子核的影响,质子只需几秒钟就能返回到初始低能态。表04-01列举了体系返回到平衡态所经历的不同过程。




表04-01

不同的弛豫现象。对于临床应用来说,T1和T2要比T1-ρ更重要。


表04-01中所列的第一种弛豫过程被称作自旋晶格弛豫或纵向弛豫,用弛豫时间T1来表示。T1是指一个被90度脉冲激发的体系由激发态恢复到平衡态的63%所耗费的时间。对于一个给定的原子核,T1取值受很多因素影响,如:meters:

spaceholder 600 原子核种类;
spaceholder 600 共振频率(磁场强度);
spaceholder 600 温度;
spaceholder 600 所测自旋的流动性(微黏度);
spaceholder 600 是否邻近大分子;
spaceholder 600 是否邻近顺磁离子或分子。

邻近的大分子、顺磁离子或者顺磁分子对T1的影响有特别重要的意义。

在纯水中,单个水分子的重新定位进行的非常迅速。每一个分子都有自己的磁场,在纯水中水分子的方位不停地快速变换,引起相邻的原子核的磁场的波动。

要加快弛豫,重新定位的频率必须与纯水的共振频率相等或相近。如果重新定位的频率远远高于质子的Larmor频率,弛豫是无效的。但是,如果在纯水中加入运动缓慢的大分子,如蛋白质,水分子就会和大分子发生相互作用,即水分子在大分子表面上的瞬间结合和解离。

这种瞬间的相互作用大大降低了水分子重新定位的频率。纯水中的水分子或者那些远离大分子或膜的水分子要比邻近大分子或膜的水分子运动快一些。水分子运动越慢,弛豫时间T1就越短,反映在图像上就是如图04-03所示的更加明亮的信号。


图04-03
(a)分子的运动越慢,弛豫时间T1就越短(反映在图像上就是更加明亮的信号)。(b)脑肿瘤手术后的磁共振图像(成像参数:T1值)。水肿区域呈明亮信号是因为该区域内的水分子与蛋白质的结合而运动变慢,即T1较短;充满液体的区域呈暗信号是因为该区域内的水分子可以自由运动,即T1较长。


为了描述分子的运动,我们引进相关时间(tc)这个概念来表示一个分子重新定位所耗费的最短时间。

因为受邻近大分子蛋白质的影响,活体中水分子的弛豫时间T1要比纯水中水分子的弛豫时间T1短一些。表04-02列出了一些正常组织的典型T1值。




表04-02

用0.15T磁共振成像仪所测人体组织的T1数据。这些值的标准偏差在10%到30%之间,一般,在活体内直接测得的弛豫时间是非常不可靠的。


T1值随场强变化而变化,因而影响磁共振图像的对比度。不同场强下测得的T1值之间不能进行定量比较。在引用T1值时,一定要注明所用场强。图04-04显示了脑组织的T1值随场强的变化情况。


图04-04
灰质和白质的T1值随场强的变化曲线。绿色:颞叶灰质(tGM);蓝色:顶叶灰质(pGM);黄色:额叶白质(fWM);黄色:颞叶白质(tWM)。

图04-04所用数据是用一款专门用于测量弛豫的特殊NMR仪器—场循环弛豫仪—测量的。场循环弛豫仪主要用于研究不同物质的弛豫特点。用场循环弛豫仪,可以在任何准确场强下,测量体外组织样品或对比剂的弛豫特点。因此,用场循环弛豫仪,可以在相同的条件下对类似样品进行检测。用场循环弛豫仪所测的数据显示:T1随场强的增大是不均匀的。因此不同组织的T1值随场强有不同的递增趋势[⇒ Rinck 1988]。


顺磁离子或分子能增强邻近水分子弛豫速率的原因异常复杂。电子产生的磁场要远远强于原子核产生的磁场,但是成对电子产生的净磁场却非常弱。

图04-05
中的小孩邀请了一个名叫“钆”的小孩来帮他们把悬在山上的球弄下来。顺磁化合物能缩短受激自旋T1值的道理,与站在山顶上的“钆”能直接把球踢下山而大大缩短了球在不稳定高能态的停留时间是相似的。


顺磁离子中有不成对的电子,顺磁离子的重新定位能产生一个强的波动场,导致弛豫时间急剧减小,参见图04-05。典型的顺磁物质有Mn2+、Cu2+、Fe2+、Fe3+、Gd3+、氧分子、自由基。在一定条件下,可以利用顺磁化合物能改变弛豫速率这个特点来改变磁共振图像的对比度。例如,钆和锰的络合物就被用作磁共振成像的对比剂,详见第13章


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