磁共振成像的弛豫机理汪兴 生命学院v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v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v纵向的定义：我们称 和外磁场方向一致的 方向为纵向v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v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v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θ纵向磁化强度矢量M0的章动v质子在受到磁场作用 后会绕外磁场以角速 度ω0进动，由于射频 脉冲的作用，质子同 时还要绕x轴以角速度 ω1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v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;v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;v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，τ为射频脉 冲持续作用时间，γ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θ偏转角的射频脉冲称为θ角脉冲，其中 以Pi/2脉冲最为常用翻转角的计算公式为：v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v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）v又称为自旋-晶格弛豫过程v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M0cosθ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v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v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 v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M0v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vT1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）v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74000740001.0骨骼肌肉6008701.5灰质6569201.4肝脏3234901.5脂肪组织2152601.2横向弛豫过程 v在射频脉冲作用下，所有质子相位都相同v脉冲停止以后，发生失相位v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v1、质子自旋-自旋相互作用v2、外磁场的不均匀性质子自旋-自旋相互作用v一个质子的自旋磁场可能会影响临近它的质 子v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ΔB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v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v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v类比纵向弛豫过程给出相关定义：vT2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v在实际工作中，基本认为经过5T2，Mxy减 为零v横向弛豫时间比纵向弛豫时间快5~10倍Pi/2脉冲衰减曲线Ø 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Ø 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Ø 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v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v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v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v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v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v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！。