Rubin 2021-09-03

时域核磁共振T2弛豫时间与横向弛豫过程

弛豫过程

在核磁共振现象中,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,将迅速恢复到原来低能状态的现象。恢复的过程即称为弛豫过程,它是一个能量转换过程,需要一定的时间反映了质子系统中质子之间和质子周围环境之间的相互作用。

完成弛豫过程分两步进行,即纵向磁化强度矢量Mz恢复到最初平衡状态的M0和横向磁化强度Mxy要衰减到零,这两步是同时开始但独立完成的,下面将简单介绍横向弛豫过程和弛豫时间T2

在射频脉冲的作用下,所有质子的相位都相同,它们都沿相同的方向排列,以相同的角速度(或角频率)绕外磁场进动。当射频脉冲停止后,同相位的质子彼此之间将逐渐出现相位差,即失相位。

我们把质子由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(对于π/2脉冲来说,为M0)逐渐衰减为0的过程称为横向弛豫过程。下图为处在外磁场(沿z轴)中4个质子系统

核磁共振T2弛豫时间 横向弛豫过程及横向弛豫意义 T2造影剂弛豫率测试

(a)在射频脉冲作用后最初4个质子磁矩的横向分量相同形成横向磁化强度Mxy

(b)表示开始失相位;

(c)为完全失相位,横向磁化强度衰减为零。

从物理学的观点看,横向弛豫过程是同种核相互交换能量的过程,故又称为自旋-自旋弛豫过程。由于质子自旋间的相互作用,其横向磁化强度Mxy随时间衰减。而在π/2脉冲作用后,有如下关系:

Mxy(t)=Mxymaxe-t/T2

上式中的T2称为横向弛豫时间(transverse relaxation time)又称自旋-自旋弛豫时间,通常用Mxymax衰减63%时所需的时间,所以经过一个T2时间,Mxy还存在37%在实际工作中,一般认为Mxy经过5T2时间已基本衰减为零。下图表示π/2脉冲之后Mxy随时间的衰减曲线:

核磁共振T2弛豫时间 横向弛豫过程及横向弛豫意义 T2造影剂弛豫率测试

在MRI中,通常用横向弛豫时间T2来描述横向磁化强度Mxy衰减的快慢,如果T2小就说明横向磁化强度Mxy衰减快。否则,若T2长就说明横向磁化强度Mxy衰减慢。

在给定外磁场中,T2仅取决于组织,不同的组织由于其自旋-自旋相互作用效果不同,而这种效果取决于质子间的接近程度。由于不同组织自旋-自旋相互作用效果不同,所以不同组织的T2不同,固体中的T2比液体中的T2短的多。特别注意的是:横向弛豫时间T2比纵向弛豫时间T1快5-10倍,也就是说在纵向磁化强度恢复到M0时,横向磁化强度早已经衰减为零。

横向弛豫时间应用案例–造影剂弛豫率的测试:

MRI造影剂是为增强影像观察效果而注入(或服用)到组织或器官的制剂,其通过内外界弛豫效应和磁化率效应间接地改变组织信号的强度,增加组织或器官的对比度。根据显像特点,可以将造影剂分为阳性造影剂( positive contrast agent) 和阴性造影剂( negative contrast agent) . 阴性造影剂会使影像比正常状态更为暗,主要影响横向弛豫时间T2值的变化,阴性造影剂又称为T2造影剂。而造影剂的弛豫率是评价造影剂性能的主要参数之一

下图为T2造影剂弛豫率测试曲线:

核磁共振T2弛豫时间 横向弛豫过程及横向弛豫意义 T2造影剂弛豫率测试