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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


04-03  T1的宏观意义:脉冲序列

概括地说,弛豫时间T1是体系受到90°脉冲激发后恢复到平衡态的63%时所需要的时间。有几个不同的脉冲序列均可用来测量T1。


04-03-01  部分饱和脉冲序列

部分饱和脉冲序列是磁共振中最简单的脉冲序列,也被称作饱和恢复脉冲序列。但是,相对部分饱和脉冲序列而言,饱和恢复脉冲序列需要更长的重复时间。

如图04-07所示,在时间零点,处于平衡态的磁化矢量M0受到90º脉冲作用而被推倒在x'-y'平面内。经过一定的延迟时间(亦称重复时间,用TR表示),自旋再次受到90º脉冲作用,磁化矢量M0再次被推倒在x'-y'平面内。处于x'-y'平面内的磁化矢量M0产生可被观测的FID信号。


图04-07
有多个90°脉冲的部分饱和序列的示意图。连续两个90°脉冲之间的时间间隔被称之为重复时间,用TR表示。当TR小于5倍的T1时,自旋没有足够的时间完全恢复到平衡态,FID信号强度就小于最大值M0


如图04-08所示,如果TR等于或者大于5倍的T1,处于x'-y'平面内的磁化矢量等于M0。但是,如果TR和T1相当,弛豫进行的不完全,观测到的磁化矢量就小于M0




图04-08

部分饱和序列:
磁化矢量M0受90°脉冲作用之后,在重复时间TR期间,体系发生弛豫,磁化矢量M0向平衡态恢复。为了测量与TR对应的磁化矢量,必须再次用90°脉冲激发该体系。


z轴方向的磁化矢量Mz与信号强度相等,Mz对TR的依赖性可通过对一定范围内指定的一系列重复时间TR下所测的Mz进行拟合。最简单的情况是向平衡态的恢复符合一个单指数函数:

Mz(TR) = Mz(0) × (1 - exp[-TR / T1])

因此,如果体系再次被激发时的时间间隔小于5倍的T1,那么所观测的磁化矢量将小于最大值M0,小多少则取决于TR与T1的比值。如果一个体系中含有多种拥有不同T1值的组分,就可以利用这个关系来减小样品中某些组分的信号,比如压制脂肪组织的信号。不同样品对一系列相等的90º脉冲的反映是不相同的,参见图04-09和04-10,所以,在磁共振成像实验中,可以利用重复时间来改变图像的对比度。

在临床磁共振成像中,会对这里讨论的部分饱和脉冲序列进行一定的调整,然后与梯度回波序列一起使用。这就相当于随后即将讨论的FLASH成像序列。


图04-09
信号强度与弛豫时间、重复时间的关系。假设有质子含量相同的三个样品:1:血;2:肌肉;3:脂肪,且样品的弛豫时间按这个顺序依次变小。当用重复时间TR不同的脉冲序列激发这三个样品时,由于血样弛豫时间最长,所以随着TR的缩短,血样的信号强度减小最为明显。




图04-10
使用部分饱和序列的实验中,样品的相对信号强度与弛豫时间的关系。TR是连续两个90脉冲之间的时间间隔,自旋恢复到平衡态的63%时所需时间为T1。弛豫时间T1为500毫秒的样品的相对信号强度强于弛豫时间T1为1500毫秒的样品。


04-03-02  反转恢复脉冲序列

如果平衡态的自旋受到180°脉冲激发,总的磁化矢量将被反转到与外磁场相反的方向上,即与主磁场成反平行。被反转之后,磁化矢量开始向平衡态恢复,恢复的速率取决于T1。如果在一定的延迟时间(亦称反转时间,用TI表示)之后,再用90°脉冲激发,就可以观测与反转时间TI相对应的磁化矢量Mzx'-y'平面内产生的FID信号。设置一系列不同的延迟时间,就可以研究磁化矢量Mz随时间变化的关系,也可以研究信号随反转时间变化的关系。如果延迟时间相当于T1的5倍,磁化矢量就能恢复到初始的平衡态。

这个180º-90º脉冲序列就是反转恢复序列,参见图04-11和04-12。

最简单的情况是向平衡态的恢复符合一个单指数函数:

Mz(TI) = Mz(0) (1 - 2 × exp(-TI / T1))


图04-11
反转恢复序列的示意图。磁化矢量受180°脉冲的作用发生反转。在反转延迟期间(TI),磁化矢量向平衡态恢复的速率取决于样品的弛豫时间T1,在这个恢复过程中的某个时刻,用一个90°脉冲激发自旋并测量产生的信号。




图04-12

反转恢复序列:磁化矢量受180°脉冲作用发生反转。在反转延迟TI期间,体系发生弛豫,磁化矢量将向平衡态恢复。为了测量与TI对应的磁化矢量,必须用一个90°脉冲激发该体系,使磁化矢量处于x'-y'平面内而产生信号。


图04-13和04-14展示了信号强度的演化过程。当重复时间TR不够长,比如TR小于T1的5倍时,自旋不能完全恢复到初始的平衡态,所观测到的信号强度就小于最大强度M0

图04-13
反转恢复序列的示意图。第一个90°脉冲来自前一个循环;采集数据始于第二个90°脉冲作用之后。连续两个180°脉冲之间的时间间隔即为重复时间TR。




图04-14
反转恢复序列实验中,TR为2秒时,两个组织(T1为500毫秒、质子密度为72%的组织和T1为1500毫秒、质子密度为100%的组织)的相对信号强度与反转延迟时间TI的关系。反转延迟时间是指相邻的180°脉冲和90°脉冲之间的时间间隔。注意:TI等于0.69倍的T1时,Mz等于零。


和使用部分饱和脉冲序列一样,使用反转恢复序列时,所观测的信号强度也取决于重复时间TR。只不过,在反转恢复序列中,重复时间是两个180º脉冲之间的时间间隔。

因此,重复时间最小值至少要长于所测组织T1值的3倍,让组织的纵向弛豫尽可能地完全恢复,从而避免信号强度的减小。

在分析化学中,反转恢复序列被用作一个180º-90º脉冲序列,最初的FID信号大小与测量时的净磁化矢量的值成正比。在磁共振成像实验中,常将调整过的反转恢复序列与自旋-回波脉冲序列联用,以获取图像。


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