核磁共振成像的弛豫机理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,M,0,，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，,M,0,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,B,0,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,M,0,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,M,0,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,M,0,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,M,0,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，,B,1,为射频脉冲中磁场,B,1,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,M,0,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,M,z,从,0,、,-,M,0,和,M,0,cos,恢复到,M,0,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,M,z,恢复表达式,纵向磁化强度分量,M,z,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，,T,1,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,T,1,称为纵向弛豫时间，,M,z,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,M,z,由零恢复到,M,0,的,63%,时所需要的时间来确定,T,1,的大小，,T,1,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,M,z,恢复到,M,0,需要的时间是无穷长的时间，然而，当,t=5T,1,时，纵向磁化强度矢量,M,z,已经恢复了,99.33%,，非常接近于,M,0,。,因此在实际中我们用,5T,1,表示,M,z,恢复到它初始磁化矢量,M,0,所需的时间。,T,1,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,组织,0.5T,下的纵向弛豫时间,1.5T,下的纵向弛豫时间,T1,比率（,1.5T/0.5T,）,脑脊液,74000,74000,1.0,骨骼肌肉,600,870,1.5,灰质,656,920,1.4,肝脏,323,490,1.5,脂肪组织,215,260,1.2,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,M,xy,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,B,0,平行，而质子,B,的自旋磁矩与外磁场,B,0,反平行。这样,A,质子受到磁场是,B,0,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,M,xy,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：,T,2,被称为横向弛豫时间，又称为自旋,-,自旋弛豫时间，它是,M,xymax,衰减,63%,时所需要的时间,在实际工作中，基本认为经过,5T,2,，,M,xy,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,T,2,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,M,xy,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！,