第二章 弛豫和共振信号的检测

第二章 弛豫和共振信号的检测

• 弛豫和弛豫时间

1. 弛豫的概念

1. 弛豫：在旋转磁场B1的作用下，低能态的核吸收能量向高能态跃迁；同时，由于自旋体系与周围环

境相互作用，高能态的核向周围环境转移能量跃迁到低能态，这种不经过辐射而回到低能态的

过程叫弛豫

1. 弛豫的分类

1. 自旋-晶格弛豫（纵向弛豫）：晶格指的是构成质子和原子的外在环境，晶格本身也在运动，会产生

各种频率的交变磁场，当其中某交变磁场的频率与自旋核的进动频率相

同，处于高能态的自旋核就有可能把能量转移给这个交变磁场，自身弛

豫到低能态，这也保证了玻尔兹曼过剩；对于核体系，这是一个释放能

量的过程

1. 自旋-自旋弛豫（横向弛豫）：核系统中有多个核，当高能态的核和低能态的核相互接近时，如果它

们的进动频率相同，高能态的核将能量传递给低能态，二者的能态互换；

对于核体系，这个过程总能量不变

1. 弛豫时间的分类

——弛豫时间T1和T2的长短反映了自旋核周围的环境情况

1. 自旋-晶格弛豫时间（T1）：射频场关断后，自旋体系借自旋-晶格弛豫恢复玻尔兹曼平衡，所需的时

间称为自旋-晶格弛豫时间（T1），生物组织中，T1在几百毫秒到几秒之间

1. 自旋-自旋弛豫时间（T2）：自旋-自旋弛豫的能量交换在相同的自旋核之间进行，弛豫效率非常高，

生物组织的T2在30-150ms之间

• 磁化强度矢量的弛豫过程

——医学磁共振成像中所说的弛豫通常是指磁化强度矢量M的弛豫过程，是上述两种弛豫的宏观反映

1. 磁化强度矢量的弛豫过程

1. 弛豫过程：射频脉冲停止后，M的弛豫过程就是核系统的弛豫过程，这个过程包含两个方面，一方面

是Mz，即纵向分量的恢复，称为纵向弛豫，是自旋-晶格弛豫的反映；另一方面是Mxy，即

横向分量的恢复，称为横向弛豫，是自旋-自旋弛豫的反映

                

1. 横向弛豫：横向弛豫过程即相位发散过程。在理想的均匀磁场中，所有被激发的核都具有相同的进动

频率，整齐地在某一频率震荡，但在自旋-自旋耦合的作用下导致频散，失去同步，并且局

部磁场的非均匀性会加速相散

         

1. 弛豫的开始时间：弛豫并不是在自旋翻转结束后才开始的，也就是说弛豫和激励并不是两个分开的过

程，只要B1场一开启，M偏离B0，弛豫过程就已经开始了，但是，由于射频激发脉

冲的时间比弛豫时间短得多，射频脉冲作用期间的弛豫就可以忽略不计了

1. 弛豫时间的影响因素：场强依赖性、晶格的分子大小、物理状态、温度依赖性，因此在MRI中，弛

豫时间仅可作为诊断的参考值

• 弛豫的生物学意义

1. 氢质子MRI成像的物理学基础

1. 物理学基础：人体水分占体重的70%左右，因此MRI成像属于液体成像范畴。人体的不同组织器官

以及正常与异常组织间氢质子的弛豫特性有很大的不同，例如软组织中水多，NMR信号

强，骨中水少，NMR信号弱，大脑灰质中氢大多存在于水中，大脑白质中氢大多存在于

脂肪中

1. 组织弛豫的决定因素

1. 组织含水量：组织含水量是决定组织间弛豫差异的主要因素，含水量下降则弛豫加快，反之弛豫变慢
2. 水的杂乱运动：不同的大分子可对其表面上的水分子的运动产生不同程度的扰乱，影响弛豫时间
3. 脂肪的含量：脂肪具有疏水性，这使其中的氢质子得以与水中的氢质子分开
4. 顺磁性粒子：顺磁性粒子对磁共振的弛豫影响很大，它所产生的局部磁场比自旋核的强得多

• 自由感应衰减及其信号检测

1. 自由感应衰减信号FID

1. 自由进动：射频场停止作用后磁化强度矢量M的运动
2. 自由感应衰减信号FID：在探测线圈中感应出的自由进动信号，FID是NMR的信号源。具体而言，M

在xoy平面内的分量Mxy绕z轴以角速度w0旋转，在xoy平面内放置一检测

线圈就能检测到FID信号

                          

                                        

1. FID信号的检测

1. FID信号的检测：若在xoy平面内放置一检测线圈，Mxy将以w0/2Π的频率切割线圈，从而产生电势，

这就是检测到的FID信号，FID信号正比于Mxy，确实反映了M的变化

• NMR信号强度及其影响因素

——在静磁场中，原子核可被磁化，但其磁性被整个原子的磁性所掩盖，用静态测量的方法无法观察到，

核磁只能用NMR技术进行研究和测量

1. 组织中的浓度：目前的MRI只限与氢核成像，氢核主要存在于生物组织的水分子和脂肪中，氢只有

一个质子，故它的磁共振图像也称为质子像。在MRI中，人体断面被封为若干个体素，

线圈接受到的NMR信号由体素中的氢核产生，因此信号强度与每个体素内的氢核浓度

成正比

1. 其他因素：磁场强度、磁场均匀性、射频线圈大小和形状