核磁共振成像的弛豫機理第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五平衡狀態質子系統在外磁場中，產生一縱向磁化強度矢量M0，狀態是不隨時間改變的，稱為平衡狀態非平衡狀態在射頻脈沖作用下，M0的方向偏離外磁場方向第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五核磁共振的宏觀描述縱向的定義：我們稱和外磁場方向一致的方向為縱向在外磁場B0的作用下，質子產生能級分裂，而對于質子而言只有1/2和-1/2兩個狀態第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五核磁共振的宏觀描述微觀粒子在熱平衡狀態下滿足波爾茲曼分布規律，處于低能級的核子數多于處于高能級的核子數。第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五縱向磁化和縱向磁化矢量每個質子產生的核磁矩的大小是相同的，由上圖可知，M+>M-，因此宏觀縱向磁化矢量方向和M+的縱向相同,即與外磁場的方向相同，記為M0在橫向上，由統計學規律可知，橫向上的磁矩矢量和為0第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五縱向磁化強度矢量M0的章動向人體發射脈沖的頻率等于質子繞外磁場進動拉莫爾角頻率，質子吸收能量躍遷到高能級，產生核磁共振縱向磁化強度變化平面翻轉圖θ第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五縱向磁化強度矢量M0的章動質子在受到磁場作用后會繞外磁場以角速度ω0進動，由于射頻脈沖的作用，質子同時還要繞x軸以角速度ω1進動，導致磁化強度M0繞z軸按螺旋形向x0y平面運動，這種螺旋形運動形式稱為章動第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五什么是弛豫過程在核磁共振成像中，弛豫是指原子核發生共振且處在高能狀態時，當射頻脈沖停止后，將迅速回到原來的低能狀態;當射頻脈沖停止后，質子系統所發生的過程，也就是質子系統把從射頻脈沖吸收的能量釋放出來的過程;即射頻脈沖停止后，從非平衡狀態恢復到平衡狀態的過程第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五射頻脈沖與翻轉角第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五式中，B1為射頻脈沖中磁場B1的大小，τ為射頻脈沖持續作用時間，γ為質子的旋磁比通過改變脈沖磁場的大小，作用時間來改變偏轉角的大小。使M0產生θ偏轉角的射頻脈沖稱為θ角脈沖，其中以Pi/2脈沖最為常用翻轉角的計算公式為：第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五部分翻轉情況下縱向磁化強度矢量和橫向磁化強度矢量大小Mz，Mxy分別為：第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五弛豫過程關閉射頻脈沖以后，將會發生兩種情況：（1）高能級質子將躍遷至低能級；（2）質子彼此間將出現相位差。兩種情況同時發生且相互獨立。根據這兩種不同的情況，將弛豫過程分為：（1）縱向弛豫過程（2）橫向弛豫過程第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五縱向弛豫過程（以Pi/2脈沖為例）又稱為自旋-晶格弛豫過程對Pi/2翻轉、Pi翻轉和部分翻轉來說，其縱向弛豫時間分別是Mz從0、-M0和M0cosθ恢復到M0的過程第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五縱向弛豫過程（a）（b）第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五縱向弛豫過程（c）（d）第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五縱向磁化強度分量Mz恢復表達式縱向磁化強度分量Mz向平衡狀態的恢復的速度與它們離開平衡位置的程度成正比，因此有負號表示恢復，T1具有時間的量綱。Pi/2脈沖作用后，可以解得縱向磁化強度分量Mz恢復表達式為第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五縱向弛豫時間上式中的T1稱為縱向弛豫時間，Mz是時間的指數增長函數，t從射頻脈沖停止的時刻開始。通常用Mz由零恢復到M0的63%時所需要的時間來確定T1的大小，T1恢復曲線如下：第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五縱向弛豫時間常數影響因素取決于熱激發躍遷幾率受多種機制作用

核-電子弛豫、四級作用弛豫、自旋轉動弛豫、化學位移各向異性弛豫、標量弛豫對于同一組織，在不同的磁場作用下，常數的大小也不相同。外磁場增大，常數也增大。第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五從理論上來說，從Mz恢復到M0需要的時間是無窮長的時間，然而，當t=5T1時，縱向磁化強度矢量Mz已經恢復了99.33%，非常接近于M0。因此在實際中我們用5T1表示Mz恢復到它初始磁化矢量M0所需的時間。T1的大小取決于外磁場和質子與周圍環境之間的相互作用（即組織的性質）?？v向弛豫時間是組織的固有特性，在外磁場給定以后，不同生物組織都有不同的弛豫時間。第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五0.5T和1.5T磁場下部分組織的縱向弛豫時間組織0.5T下的縱向弛豫時間1.5T下的縱向弛豫時間T1比率（1.5T/0.5T）腦脊液74000740001.0骨骼肌肉6008701.5灰質6569201.4肝臟3234901.5脂肪組織2152601.2第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五橫向弛豫過程在射頻脈沖作用下，所有質子相位都相同。脈沖停止以后，發生失相位我們把質子從同相位逐漸分散最終均勻分布，宏觀表現為其橫向磁化強度矢量Mxy從最大逐漸衰減為零的過程為橫向弛豫過程第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五橫向弛豫過程（a）（b）（c）上述過程和縱向弛豫過程是同時獨立進行的第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五失相位的成因1、質子自旋-自旋相互作用2、外磁場的不均勻性第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五質子自旋-自旋相互作用一個質子的自旋磁場可能會影響臨近它的質子假設質子A的自旋磁矩與外磁場B0平行，而質子B的自旋磁矩與外磁場B0反平行。這樣A質子受到磁場是B0減去質子B所產生的小磁場ΔB。由拉莫爾方程可知，A的進動角頻率降低；反之，A的進動角頻率上升第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五質子自旋-自旋相互作用從物理學的觀點看，橫向弛豫過程是質子間交換能量的過程，故又稱為自旋-自旋弛豫過程。橫向磁化強度Mxy隨時間按下式規律衰減：對于Pi/2脈沖作用后，上式的解為第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五質子自旋-自旋相互作用類比縱向弛豫過程給出相關定義：T2被稱為橫向弛豫時間，又稱為自旋-自旋弛豫時間，它是Mxymax衰減63%時所需要的時間在實際工作中，基本認為經過5T2，Mxy減為零橫向弛豫時間比縱向弛豫時間快5~10倍第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五Pi/2脈沖衰減曲線在MRI中，通常用橫向弛豫時間來描述橫向磁化強度衰減的快慢。在人體中，不同組織的T2不同。這主要由于不同組織的自旋-自旋相互作用不同，而這種作用取決于質子與質子之間的接近程度。固體中自旋-自旋作用造成的失相位更加明顯第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五外磁場的不均勻性在外磁場不均勻的情況下，質子角頻率彼此存在差異，他們都接近于真正的拉莫爾頻率。磁場的均勻性差異通常在百萬分之幾，但是這種微小的差異仍然會造成質子的失相位。考慮到兩種因素時，Pi/2脈沖作用后其橫向磁化強度矢量Mxy隨時間的衰減規律為當磁場絕對均勻時，，一般情況下兩者不相同第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期五在不完全均勻的磁場中且滿足：式中，1/T稱為弛豫率，表示磁場的不均勻性時，組織的弛豫率與總的弛豫率是相同的第29頁，共31頁，2023年，2