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1、物理专辑 广西师范大学学报 JOURNAL OF GU ANGXI NO RM AL UNIV ERSITY 2000年 第 2期 测定生物组织的弛豫时间 贺 超 薜晋惠 罗南敏 (川北医学院物理教研室 ,四川 南充 637007) 摘 要: 讨论了用核磁共振现象测量生物组织弛豫时间 T1, T2的物理原理 ,并运用它测量人体组织功能 ,实 现无创伤诊断 ,建立了医学图像分析的理论依据 .有助于学生进一步了解核磁共振成像仪器. 关键词: 核磁共振; 纵向弛豫时间T1; 横向弛豫时间T2; 磁化强度矢量 ;人体组织 ;脑白质; 脑灰质;脑脊液;尾 状核 1 概述 人体器官组织中含有大量的水 (
2、H2O) ,可以证明水分子的磁矩 ,主要由氢核自旋磁矩决定 .由于氢 核的自旋量子数为 1/2,把氢核置于静磁场 ,其自旋磁矩有两种可能的取向: 一种可能与外磁场方向平 行 ,用磁量子数 m= 1/2描述 ,这时氢核位于低能级;另一种可能与外磁场方向相反 ,用磁量子数 m= - 1/2 表示 ,这时能量较高.处于两个能级中的核子数相差甚微.在静磁场 B0中氢核自旋产生的磁场与 静磁场发生相互作用.使得氢核一方面自旋 ,同时核磁矩又以外磁场方向为轴旋转 ,引起氢核的进动 ,进 动的快慢由拉莫尔频率描述 ,k0 = B 0. 如果对处于静磁场中的氢核 ,在垂直于静磁场方向施加一个射频脉冲场 B1,
3、且频率等于氢核的拉 莫尔进动频率 .氢核质子可从外加射频场 B1中吸收能量 (共振吸收 ) ,从低能级跃迁到高能级.关断射频 场后 ,处于高能级的质子向低能级跃迁 ,同时伴随着高频电磁幅射 ,此辐射携有人体组织的生理信息 (d , T1, T2) ,我们用接收线圈采集 ,送到计算机系统处理、重建 ,可在荧光屏上观察到组织的解剖图像 ,也可 对组织的生理功能进行判别 . 接收线圈接收到的磁共振信号 ( FID信号 )强度随时间按指数规律衰减 , FID信号其强度与质子密 度 d 有关 ,衰减快慢由 T1, T2决定 ,它的频率等于拉莫尔频率 . 从宏观角度来看 ,生物组织放在磁场中被磁化 ,可用
4、磁化强度矢量 M 来描述.无外磁场作用时 M= 0,当加静磁场 B0后 , M顺着 B0方向 , B0的作用确定了进动轴的取向和进动的频率.随后再加一 个以拉莫尔频率变化并与 B0垂直的射频场 B2: B2对 M产生一个偏转力矩 ,偏转角度 = f B1.当 M偏 转 90 时 ,相应的射频脉冲为检测脉冲.当 M偏转 180 时 ,相应的射频脉冲为 180 脉冲也称反转脉冲 . 关断射频脉冲 B1后 ,释放 FID自由感应衰减信号 ,同时 M向平衡态 M0恢复 ,恢复到平衡态所用 的时间为弛豫时间 .一般沿两个方向向平衡态恢复. 第一: 受激核以热的形式向周围介质分子耗散而回跃至低能级 ,即
5、M的 Z 轴 (B0方向 )分量 MZ恢 复到 M0,故称为纵向弛豫 ,相应的时间常数 T 1,称纵向弛豫时间常数 ,弛豫过程中 MZ随时间 t的变化 关系为: MZ= M0( 1- 2e - t /T1) T1的物理意义: MZ恢复到 M0的 63 %所需时间. 第二: 由于单核间的相互作用 , M在 X Y 平面的分量 MX Y沿 X 轴衰减到零 ,故称为横向弛豫 ,相应 的时间常数 T2称横向弛豫时间常数 ,弛豫过程中 , MX Y随时间 t的变化关系为: M XY = M XY( max) e- t /T2 T2的物理意义: MXY衰减到 MX Y( max)的 37 %所需时间. 6
6、4 2 测量原理 2. 1 将生物组织置于磁场强度 1. 5T的静磁场中. 2. 2 反转恢复法测 T1: 对样品先给 180 脉冲 ,经过时间 TR加一个 90 脉冲构成反转脉冲恢复法测定 T1,如图 1. 图 1 因为: MZ= M0( 1- 2e - t /T1) 测量: t= tb M Z = M Z1 t= tc M Z = M Z2 建立方程: MZ1= M0( 1- 2e - tb/T1 ) MZ 2= M 0 ( 1- 2e - tc/T1 ) 联立求解: T1= tc- tb ln MZ1- M0 MZ2- M0 2. 3 自旋回波法测 T2: 自旋回波由一个 90 脉冲与若
7、干个 180 组 成.用 90 脉冲加在样品生物组织上使平衡态磁化强度矢量翻转到 XY 平面 ,经过时间 TE加 180 脉冲 使 MXYmax反转会聚 ,测 FID信号 ,如图 2. 图 2 因为: MXY = M XYmax. e - t /T2 ) 测量: (tb, MX Y1) (tc, MX Y2) 建立方程: MXY1= MXYmax. e- tb /T2 ) MXY2= MXYmax. e- tc /T2 ) 联立求解: T2= tc- tb ln MX Y1 MX Y2 . 3 实验步骤 采用 GE公司生产 1. 5特斯拉 ELSeint磁共振成像仪对人体脑部和老鼠进行研究.
8、第一确定选择扫描对象;第二设置扫描参数;第三记录所得结果 ,进行统计平均处理. 4 结果与讨论 4. 1 不同组织与器官的弛豫时间有显著差异 表 1 不同脑组织的弛豫时间 T1,T2 组 织尾状核灰 质白 质脑脊液 T1( ms)822 16817 73515 271900 383 T2( ms)76 487 274 5250 3 4. 2 同一组织器官的不同病理阶段上弛豫时间显著不同 65 表 2 同一组织器官的不同病理、阶段与弛豫时间 病 灶T1(ms)病 灶T1(ms)备 注 肝140 170肾癌400 450 肝炎290胰腺180 200 肝癌300 450胰腺炎200 275 肾30
9、0 340胰腺癌275 400 实验老 鼠 不同 病理阶段的 T1 医学上通过对组织 T1, T2的测定判断组织的器官功能 ,实现无创伤诊断.这是核磁共振成像用于 人体诊断的理论基础. 当病灶组织中含水量多 ,如水肿 ,该组织在不同病理阶段上 T1会增加 ,根据 T1的大小.对病灶作病 理分期 ,见表 2.另外组织含水量多 , T1, T2将增长 ,从表 1可以看出脑脊液的 T1, T2较其他组织长许 多. T1是热弛豫时间 ,是样品组织把自己吸收的能量散发到环境中去 ,主要靠热交换实现 ,这与受激核 环境温度有关 ,高温下 T1增长 ,低温下 T1缩短 ,低温下使受激核跃迁概率提高 ,能量散
10、发加快 , T1缩 短.临床中 ,可根据 T1的高低对动脉、静脉血液区别.此外 ,液体的粘度 ,往往表现为分子受阻力的程度 , 液体中含蛋白多粘度高时 , T1也将缩短. 样品组织在不同的静磁场中 ,测出 T1, T2不一样 ,也是因为磁场强度矢量 M与 B 成正比 ,当增加 B 参予磁共振的质子数数目增多 ,处于高能级的核子数数目多 ,弛豫过程时间延长 , T1增加. 从表中可看出多数组织的 T2 比 T 1时间短 ,一般地组织的 T2与温度无关 ,与外加磁场 B 关系不 大 ,但它受外磁场的均匀性影响相当大 ,实际测到的是 T2 * ,它与 T2的关系: 1 T2* = 1 T2+ 1 2 B. 在顺磁性物质中 , T1 , T 2明显缩短.这为磁共振造影成像提供了理论依据. 参 考 文 献 1 霍纪文 ,王秀章 .医学成像技术.辽宁科技出版社 , 1994 2 栾永万.磁共振成像技术 .中国医疗器械杂志 , 114: ( 5. 6) 3 栾永万.核磁共振图像质量 .中国医疗器械杂志 , 112 : ( 5. 6) 4 王寄依译.NM R技术展望.中国医疗杂志 , 1985, ( 1. 2) 5 甘心照.近代电子医疗设备技术 .南京大学出版社 , 1991 6 宗贤均.现代医学成像 .原子能出版社 , 1988 (责任编辑 陈丽英 ) 66
