核磁共振T1弛豫时间纵向弛豫过程及纵向弛豫意义 - 物理 - 交叉学科

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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，下面将简单介绍纵向弛豫过程和弛豫时间T1。
热力学的一个普通原理就是所有的系统都趋向于自己最低的能态。纵向弛豫过程就是质子与周围物质进行热交换，或者说质子将多余能量通过晶格扩散出去，使其从高能级跃迁到低能级，因此
这一过程又称为自旋-晶格弛豫过程。
T1弛豫时间描述了自旋系统，两能级布局数从开始到热平衡的快慢。
下图给出了由4个质子组成的系统之弛豫过程

（a）表示最初平衡状态，4个质子均处在低能级形成最初的纵向磁化强度矢量M0；（b）为π/2脉冲激发后的非平衡状态，低能级的高能级质子数相等，此时纵向磁化强度为零；
（c）与（d）表示进行的纵向弛豫过程,在这一过程中纵向磁化强度逐渐从零恢复到最初情况，这里没有考虑到横向弛豫过程。

纵向磁化强度分量Mz向平衡状态的M0恢复的速度与它们离开平衡位置的成都成正比，当π/2脉冲作用后，可得到纵向磁化强度Mz的恢复表达式：
Mz(t)=M0（1-e-t/T1）

上式中的T1称为纵向弛豫时间（longitudinal relaxation time）简称T1，通常用Mz由零恢复到M0的63%时所需要的时间来确定T1，即纵向弛豫时间T1为Mz恢复到0.63M0时所需的时间，如下图所示：

纵向弛豫时间T1的大小取决于外磁场和质子与周围环境之间的相互作用（即组织的性质）。它是组织的固有特性，在外磁场给定后，不同组织的T1值都有相应的固定值，但不同的组织T1值是有很大的差异的。

外磁场B0（B0的大小）对组织的纵向弛豫时间T1也有影响，大多数组织的纵向弛豫时间T1随外磁场的B0的减小而变小。但对于纯水（又称为自由水或游离水）来说却并非如此，其T1值不随外磁场强度变化而变化。
纵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) ．阳性造影剂会使影像比正常状态更为明亮变白，主要影响纵向弛豫时间T1值的变化，阳性造影剂又称为T1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T1造影剂弛豫率测试曲线：