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第 04 章

04-01
自旋晶格弛豫时间(T1)

04-02
T1的微观意义

04-03
T1的宏观意义:脉冲序列

部分饱和脉冲序列
反转恢复脉冲序列
04-04
自旋自旋弛豫时间(T2)

04-05
T2的宏观意义:脉冲序列

自旋回波脉冲序列
04-06
T1和T2的测量

体外测定
活体测定
T1/T2成像和T1/T2加权成像
医学诊断中弛豫时间的测定


04-02  T1的微观意义

像水分子这样的单一化合物的弛豫时间很好解释。

然而,要解释活体的弛豫时间就相当复杂了。因为活体中含有大量的化学物质,这些化学物质都能影响待测质子的磁共振信号;而且,这些物质各自拥有不同的弛豫时间。不同的组织因所含组分在浓度、弛豫时间上存在差异而各不相同,分析来自这些组织的核磁共振信号异常复杂却很重要。

为了简化问题,我们只讨论双组分体系的T1。这类讨论也适用于T2。

例如,用0.1T的仪器测得肌肉组织的T1大约是300到400毫秒。但是,检测到的信号有超过四分之三是来源于水分子的,而纯液态水分子的T1却长达几秒钟。

临床上有一个众所周知的诊断经验是:脑部病态组织的弛豫时间要比正常组织的短很多。如(图04-03)所示,脑脊液的弛豫时间与水近似;而脑水肿(含有大量水的病态脑组织)的弛豫时间却与脑肿瘤的近似,要比脑脊液的短得多。

样品的弛豫时间为何千差万别?为了回答这个问题,我们引进弛豫速率R1这个参数(R1是T1的倒数)。样品中R1不同的组分之间的相互影响使样品呈现出一个不同于各组分的R1值(见第12章).

生物样品的T1值是反映被检测原子核所处的物理环境、化学环境的一个参数。如果被检测原子核在整个样品中所处的环境不相同,那么所测的T1值就是一个平均值。多数生物组织的弛豫行为通常是由水这个组分主宰的。如果样品中含有浓度相近的、T1值截然不同的两个组分,那么,整个样品的弛豫行为就会很复杂而难以进行定量解释。

含有两种不同质子(一种运动的快,另一种运动的慢)的两个体系,拥有不同的弛豫时间T1,因而拥有不同的弛豫速率R1(参见图04-06)。譬如,图04-06a中所示的两个装满水的容器I和II都有排水口,只不过容器II的排水口要比容器I的大一些。如果水受到的压力不变、水流出容器的速率为R(以毫升每秒计),则排空容器所需时间可由V/R计算,其中V是容器中水的体积。

还有一个如图04-06b所示的容积为V的容器III上有两个排水口。这两个排水口,一个与容器I的相同,另一个与容器II的相同。那么容器III排水速率就是两个排水口排水速率的总和。

图04-06
容器的排水速率与弛豫速率。弛豫速率是为讨论复杂体系的弛豫时间而引进的一个概念。图a是两个容积相等的、各自拥有不同尺寸排水口的容器I和II;图b是容积与I或II相等的容器III,容器III的两个排水口的尺寸分别与容器I和容器II的相同。


这与图04-03中脑组织的弛豫时间相似。虽然组织中含有两种组分,但是所测的弛豫时间只有一个值。

如果两种组分质子间的交换速率很慢或者为零,就能区分两种质子对样品弛豫时间的贡献。例如,在含有脂肪和肌肉的组织中,脂肪不能和水分子交换质子。即,在质子之间的交换速率很慢的情况下,体系呈现双指数弛豫。其他生物学体系,尤其是弛豫行为由一种组分主宰的体系则呈现单指数弛豫。

如果有足够多的数据点,就能区分单指数弛豫和双指数弛豫。但是,实际测试中所得数据的精确度,尤其是在全身成像仪上 所获取数据的精确度却很低。

交叉弛豫。固体,例如蛋白质和细胞膜,有一个较大范围的共振频率,导致固体内部不同局部之间可以交换能量。固体内部的能量交换被称之为自旋扩散。因此,如果某个局部弛豫比其他部分快,这个局部就能促使整个固体弛豫变快。固体与结合在其表面的水分子之间也存在自旋扩散。例如,生物样品中蛋白质或细胞膜这类固体能缩短该样品中水分子的弛豫时间。这个过程称之为偏共振激发,可以用来提高对比度(磁化矢量转移对比剂)。


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