核磁共振成像的弛豫机理.ppt
磁共振成像的弛豫机理,汪兴生命学院,平衡状态 质子系统在外磁场中，产生一纵向磁化强度矢量M0，状态是不随时间改变的，称为平衡状态非平衡状态 在射频脉冲作用下，M0的方向偏离外磁场方向,核磁共振的宏观描述,纵向的定义：我们称和外磁场方向一致的方向为纵向在外磁场B0的作用下，质子产生能级分裂，而对于质子而言只有1/2和-1/2两个状态,核磁共振的宏观描述,微观粒子在热平衡状态下满足波尔兹曼分布规律，处于低能级的核子数多于处于高能级的核子数。,纵向磁化和纵向磁化矢量,每个质子产生的核磁矩的大小是相同的，由上图可知，M+M-，因此宏观纵向磁化矢量方向和M+的纵向相同,即与外磁场的方向相同，记为M0在横向上，由统计学规律可知，横向上的磁矩矢量和为0,纵向磁化强度矢量M0的章动,向人体发射脉冲的频率等于质子绕外磁场进动拉莫尔角频率，质子吸收能量跃迁到高能级，产生核磁共振,纵向磁化强度变化平面翻转图,纵向磁化强度矢量M0的章动,质子在受到磁场作用后会绕外磁场以角速度0进动，由于射频脉冲的作用，质子同时还要绕x轴以角速度1进动，导致磁化强度M0绕z轴按螺旋形向x0y平面运动，这种螺旋形运动形式称为章动,什么是弛豫过程,在核磁共振成像中，弛豫是指原子核发生共振且处在高能状态时，当射频脉冲停止后，将迅速回到原来的低能状态;当射频脉冲停止后，质子系统所发生的过程，也就是质子系统把从射频脉冲吸收的能量释放出来的过程;即射频脉冲停止后，从非平衡状态恢复到平衡状态的过程,射频脉冲与翻转角,式中，B1为射频脉冲中磁场B1的大小，为射频脉冲持续作用时间，为质子的旋磁比通过改变脉冲磁场的大小，作用时间来改变偏转角的大小。使M0产生偏转角的射频脉冲称为角脉冲，其中以Pi/2脉冲最为常用,翻转角的计算公式为：,部分翻转情况下纵向磁化强度矢量和横向磁化强度矢量大小Mz，Mxy分别为：,弛豫过程,关闭射频脉冲以后，将会发生两种情况：（1）高能级质子将跃迁至低能级；（2）质子彼此间将出现相位差。两种情况同时发生且相互独立。根据这两种不同的情况，将弛豫过程分为：（1）纵向弛豫过程（2）横向弛豫过程,纵向弛豫过程（以Pi/2脉冲为例）,又称为自旋-晶格弛豫过程对Pi/2翻转、Pi翻转和部分翻转来说，其纵向弛豫时间分别是Mz从0、-M0和M0cos恢复到M0的过程,纵向弛豫过程,（a）,（b）,纵向弛豫过程,（c）,（d）,纵向磁化强度分量Mz恢复表达式,纵向磁化强度分量Mz向平衡状态的恢复的速度与它们离开平衡位置的程度成正比，因此有,负号表示恢复，T1具有时间的量纲。Pi/2脉冲作用后，可以解得纵向磁化强度分量Mz恢复表达式为,纵向弛豫时间,上式中的T1称为纵向弛豫时间，Mz是时间的指数增长函数，t从射频脉冲停止的时刻开始。通常用Mz由零恢复到M0的63%时所需要的时间来确定T1的大小，T1恢复曲线如下：,纵向弛豫时间常数影响因素,取决于热激发跃迁几率受多种机制作用 核-电子弛豫、四级作用弛豫、自旋转动弛豫、化学位移各向异性弛豫、标量弛豫对于同一组织，在不同的磁场作用下，常数的大小也不相同。外磁场增大，常数也增大。,从理论上来说，从Mz恢复到M0需要的时间是无穷长的时间，然而，当t=5T1时，纵向磁化强度矢量Mz已经恢复了99.33%，非常接近于M0。因此在实际中我们用5T1表示Mz恢复到它初始磁化矢量M0所需的时间。T1的大小取决于外磁场和质子与周围环境之间的相互作用（即组织的性质）。纵向弛豫时间是组织的固有特性，在外磁场给定以后，不同生物组织都有不同的弛豫时间。,0.5T和1.5T磁场下部分组织的纵向弛豫时间,横向弛豫过程,在射频脉冲作用下，所有质子相位都相同。脉冲停止以后，发生失相位我们把质子从同相位逐渐分散最终均匀分布，宏观表现为其横向磁化强度矢量Mxy从最大逐渐衰减为零的过程为横向弛豫过程,横向弛豫过程,（a）,（b）,（c）,上述过程和纵向弛豫过程是同时独立进行的,失相位的成因,1、质子自旋-自旋相互作用2、外磁场的不均匀性,质子自旋-自旋相互作用,一个质子的自旋磁场可能会影响临近它的质子假设质子A的自旋磁矩与外磁场B0平行，而质子B的自旋磁矩与外磁场B0反平行。这样A质子受到磁场是B0减去质子B所产生的小磁场B。由拉莫尔方程可知，A的进动角频率降低；反之，A的进动角频率上升,质子自旋-自旋相互作用,从物理学的观点看，横向弛豫过程是质子间交换能量的过程，故又称为自旋-自旋弛豫过程。横向磁化强度Mxy随时间按下式规律衰减：,对于Pi/2脉冲作用后，上式的解为,质子自旋-自旋相互作用,类比纵向弛豫过程给出相关定义：T2被称为横向弛豫时间，又称为自旋-自旋弛豫时间，它是Mxymax衰减63%时所需要的时间在实际工作中，基本认为经过5T2，Mxy减为零横向弛豫时间比纵向弛豫时间快510倍,Pi/2脉冲衰减曲线,在MRI中，通常用横向弛豫时间来描述横向磁化强度衰减的快慢。在人体中，不同组织的T2不同。这主要由于不同组织的自旋-自旋相互作用不同，而这种作用取决于质子与质子之间的接近程度。固体中自旋-自旋作用造成的失相位更加明显,外磁场的不均匀性,在外磁场不均匀的情况下，质子角频率彼此存在差异，他们都接近于真正的拉莫尔频率。磁场的均匀性差异通常在百万分之几，但是这种微小的差异仍然会造成质子的失相位。考虑到两种因素时，Pi/2脉冲作用后其横向磁化强度矢量Mxy随时间的衰减规律为,当磁场绝对均匀时，,，一般情况下两者不相同,在不完全均匀的磁场中,且满足：,式中，1/T称为弛豫率，,表示磁场的不均匀性,时，组织的弛豫率与总的弛豫率是相同的,研究弛豫时间的作用,横向和纵向弛豫时间决定了射频脉冲结束一段时间后，纵向和横向磁化的恢复和衰减状况它们将影响接收到的信号强度，而信号强度代表MRI图像中的灰度，通过接收到信号强度的不同，我们就可以区分不同的组织，用于临床的检测,谢谢！,
