物理专辑
广西师范大学学报
JO U RN A L O F GU AN GX I N O RM A L U N IV ERSIT Y 2000年 第2期
测定生物组织的弛豫时间
贺 超 薜晋惠 罗南敏
(川北医学院物理教研室, 四川南充637007)
摘 要:讨论了用核磁共振现象测量生物组织弛豫时间T 1, T 2的物理原理, 并运用它测量人体组织功能, 实现无创伤诊断, 建立了医学图像分析的理论依据. 有助于学生进一步了解核磁共振成像仪器.
关键词:核磁共振; 纵向弛豫时间T 1; 横向弛豫时间T 2; 磁化强度矢量; 人体组织; 脑白质; 脑灰质; 脑脊液; 尾状核
1 概述
人体器官组织中含有大量的水(H 2O) , 可以证明水分子的磁矩, 主要由氢核自旋磁矩决定. 由于氢
核的自旋量子数为1/2,把氢核置于静磁场, 其自旋磁矩有两种可能的取向:一种可能与外磁场方向平行, 用磁量子数m =1/2描述, 这时氢核位于低能级; 另一种可能与外磁场方向相反, 用磁量子数m =-1/2表示, 这时能量较高. 处于两个能级中的核子数相差甚微. 在静磁场B 0中氢核自旋产生的磁场与静磁场发生相互作用. 使得氢核一方面自旋, 同时核磁矩又以外磁场方向为轴旋转, 引起氢核的进动, 进动的快慢由拉莫尔频率描述, k 0=γB 0.
如果对处于静磁场中的氢核, 在垂直于静磁场方向施加一个射频脉冲场B 1, 且频率等于氢核的拉莫尔进动频率. 氢核质子可从外加射频场B 1中吸收能量(共振吸收) , 从低能级跃迁到高能级. 关断射频场后, 处于高能级的质子向低能级跃迁, 同时伴随着高频电磁幅射, 此辐射携有人体组织的生理信息(d , T 1, T 2) , 我们用接收线圈采集, 送到计算机系统处理、重建, 可在荧光屏上观察到组织的解剖图像, 也可对组织的生理功能进行判别.
接收线圈接收到的磁共振信号(FID 信号) 强度随时间按指数规律衰减, FID 信号其强度与质子密度d 有关, 衰减快慢由T 1, T 2决定, 它的频率等于拉莫尔频率.
从宏观角度来看, 生物组织放在磁场中被磁化, 可用磁化强度矢量M 来描述. 无外磁场作用时M =0, 当加静磁场B 0后, M 顺着B 0方向, B 0的作用确定了进动轴的取向和进动的频率. 随后再加一个以拉莫尔频率变化并与B 0垂直的射频场B 2:B 2对M 产生一个偏转力矩, 偏转角度θ=γf B 1. 当M 偏转90°时, 相应的射频脉冲为检测脉冲. 当M 偏转180°时, 相应的射频脉冲为180°脉冲也称反转脉冲.
关断射频脉冲B 1后, 释放FID 自由感应衰减信号, 同时M 向平衡态M 0恢复, 恢复到平衡态所用的时间为弛豫时间. 一般沿两个方向向平衡态恢复.
第一:受激核以热的形式向周围介质分子耗散而回跃至低能级, 即M 的Z 轴(B 0方向) 分量M Z 恢复到M 0, 故称为纵向弛豫, 相应的时间常数T 1, 称纵向弛豫时间常数, 弛豫过程中M Z 随时间t 的变化关系为:M Z =M 0(1-2e -t /T 1)
%所需时间. T 1的物理意义:M Z 恢复到M 0的63
第二:由于单核间的相互作用, M 在X Y 平面的分量M X Y 沿X 轴衰减到零, 故称为横向弛豫, 相应的时间常数T 2称横向弛豫时间常数, 弛豫过程中, M X Y 随时间t 的变化关系为:M XY =M XY (max ) e -t /T 2
%所需时间. T 2的物理意义:M XY 衰减到M X Y (max ) 的37
2 测量原理
2. 1 将生物组织置于磁场强度1. 5T 的静磁场中.
2. 2 反转恢复法测T 1:对样品先给180°脉冲, 经过时间T R 加一个90°脉冲构成反转脉冲恢复法测定T 1, 如图
1.
因为:M Z =M 0(1-2e 1)
测量:t =t b M Z =M Z 1 t =t c M Z =M Z 2 建立方程:M Z 1=M 0(1-2e -t b /T 1)
-t /T
M Z 2=M 0(1-2e c 1)
c b
联立求解:T 1=
Z 0ln M Z 2-M 0
-t /T
图1
2. 3 自旋回波法测T 2:自旋回波由一个90°脉冲与若干个180°组成. 用90°脉冲加在样品生物组织上使平衡态磁化强度矢量翻转到X Y 平面, 经过时间TE 加180°脉冲使M XY max 反转会聚, 测FID 信号, 如图
2.
因为:M XY =M XY max . e -t /T 2) 测量:(t b , M X Y 1) (t c , M X Y 2) 建立方程:M XY 1=M XY max. e -t b /T 2)
M XY 2=M XY max. e -t c /T 2)
c b
. X Y ln
M X Y 2
联立求解:T 2=
图2
3 实验步骤
采用GE 公司生产1. 5特斯拉ELSeint 磁共振成像仪对人体脑部和老鼠进行研究.
第一确定选择扫描对象; 第二设置扫描参数; 第三记录所得结果, 进行统计平均处理.
4 结果与讨论
4. 1 不同组织与器官的弛豫时间有显著差异
表1 不同脑组织的弛豫时间T 1, T 2
组 织T 1(ms) T 2(ms)
尾状核822±1676±4
灰 质817±7387±2
白 质515±2774±5
脑脊液1900±383250±3
4. 2 同一组织器官的不同病理阶段上弛豫时间显著不同
表2 同一组织器官的不同病理、阶段与弛豫时间
病 灶肝肝炎肝癌肾
T 1(ms) 140—170290300—450300—340
病 灶肾癌
胰腺胰腺炎胰腺癌
T 1(ms) 400—450180—200200—275275—400
备 注实验老鼠不同病理阶段的T 1
医学上通过对组织T 1, T 2的测定判断组织的器官功能, 实现无创伤诊断. 这是核磁共振成像用于人体诊断的理论基础.
当病灶组织中含水量多, 如水肿, 该组织在不同病理阶段上T 1会增加, 根据T 1的大小. 对病灶作病理分期, 见表2. 另外组织含水量多, T 1, T 2将增长, 从表1可以看出脑脊液的T 1, T 2较其他组织长许多.
T 1是热弛豫时间, 是样品组织把自己吸收的能量散发到环境中去, 主要靠热交换实现, 这与受激核环境温度有关, 高温下T 1增长, 低温下T 1缩短, 低温下使受激核跃迁概率提高, 能量散发加快, T 1缩短. 临床中, 可根据T 1的高低对动脉、静脉血液区别. 此外, 液体的粘度, 往往表现为分子受阻力的程度, 液体中含蛋白多粘度高时, T 1也将缩短.
样品组织在不同的静磁场中, 测出T 1, T 2不一样, 也是因为磁场强度矢量M 与B 成正比, 当增加B 参予磁共振的质子数数目增多, 处于高能级的核子数数目多, 弛豫过程时间延长, T 1增加.
从表中可看出多数组织的T 2比T 1时间短, 一般地组织的T 2与温度无关, 与外加磁场B 关系不
*大, 但它受外磁场的均匀性影响相当大, 实际测到的是T 2, 它与T 2的关系:*=2+γΔB .
T 2T 2
在顺磁性物质中, T 1, T 2明显缩短. 这为磁共振造影成像提供了理论依据.
参 考 文 献
1 霍纪文, 王秀章. 医学成像技术. 辽宁科技出版社, 19942 栾永万. 磁共振成像技术. 中国医疗器械杂志, 114:(5. 6) 3 栾永万. 核磁共振图像质量. 中国医疗器械杂志, 112:(5. 6) 4 王寄依译. N M R 技术展望. 中国医疗杂志, 1985, (1. 2) 5 甘心照. 近代电子医疗设备技术. 南京大学出版社, 19916 宗贤均. 现代医学成像. 原子能出版社, 1988
(责任编辑 陈丽英)
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广西师范大学学报
JO U RN A L O F GU AN GX I N O RM A L U N IV ERSIT Y 2000年 第2期
测定生物组织的弛豫时间
贺 超 薜晋惠 罗南敏
(川北医学院物理教研室, 四川南充637007)
摘 要:讨论了用核磁共振现象测量生物组织弛豫时间T 1, T 2的物理原理, 并运用它测量人体组织功能, 实现无创伤诊断, 建立了医学图像分析的理论依据. 有助于学生进一步了解核磁共振成像仪器.
关键词:核磁共振; 纵向弛豫时间T 1; 横向弛豫时间T 2; 磁化强度矢量; 人体组织; 脑白质; 脑灰质; 脑脊液; 尾状核
1 概述
人体器官组织中含有大量的水(H 2O) , 可以证明水分子的磁矩, 主要由氢核自旋磁矩决定. 由于氢
核的自旋量子数为1/2,把氢核置于静磁场, 其自旋磁矩有两种可能的取向:一种可能与外磁场方向平行, 用磁量子数m =1/2描述, 这时氢核位于低能级; 另一种可能与外磁场方向相反, 用磁量子数m =-1/2表示, 这时能量较高. 处于两个能级中的核子数相差甚微. 在静磁场B 0中氢核自旋产生的磁场与静磁场发生相互作用. 使得氢核一方面自旋, 同时核磁矩又以外磁场方向为轴旋转, 引起氢核的进动, 进动的快慢由拉莫尔频率描述, k 0=γB 0.
如果对处于静磁场中的氢核, 在垂直于静磁场方向施加一个射频脉冲场B 1, 且频率等于氢核的拉莫尔进动频率. 氢核质子可从外加射频场B 1中吸收能量(共振吸收) , 从低能级跃迁到高能级. 关断射频场后, 处于高能级的质子向低能级跃迁, 同时伴随着高频电磁幅射, 此辐射携有人体组织的生理信息(d , T 1, T 2) , 我们用接收线圈采集, 送到计算机系统处理、重建, 可在荧光屏上观察到组织的解剖图像, 也可对组织的生理功能进行判别.
接收线圈接收到的磁共振信号(FID 信号) 强度随时间按指数规律衰减, FID 信号其强度与质子密度d 有关, 衰减快慢由T 1, T 2决定, 它的频率等于拉莫尔频率.
从宏观角度来看, 生物组织放在磁场中被磁化, 可用磁化强度矢量M 来描述. 无外磁场作用时M =0, 当加静磁场B 0后, M 顺着B 0方向, B 0的作用确定了进动轴的取向和进动的频率. 随后再加一个以拉莫尔频率变化并与B 0垂直的射频场B 2:B 2对M 产生一个偏转力矩, 偏转角度θ=γf B 1. 当M 偏转90°时, 相应的射频脉冲为检测脉冲. 当M 偏转180°时, 相应的射频脉冲为180°脉冲也称反转脉冲.
关断射频脉冲B 1后, 释放FID 自由感应衰减信号, 同时M 向平衡态M 0恢复, 恢复到平衡态所用的时间为弛豫时间. 一般沿两个方向向平衡态恢复.
第一:受激核以热的形式向周围介质分子耗散而回跃至低能级, 即M 的Z 轴(B 0方向) 分量M Z 恢复到M 0, 故称为纵向弛豫, 相应的时间常数T 1, 称纵向弛豫时间常数, 弛豫过程中M Z 随时间t 的变化关系为:M Z =M 0(1-2e -t /T 1)
%所需时间. T 1的物理意义:M Z 恢复到M 0的63
第二:由于单核间的相互作用, M 在X Y 平面的分量M X Y 沿X 轴衰减到零, 故称为横向弛豫, 相应的时间常数T 2称横向弛豫时间常数, 弛豫过程中, M X Y 随时间t 的变化关系为:M XY =M XY (max ) e -t /T 2
%所需时间. T 2的物理意义:M XY 衰减到M X Y (max ) 的37
2 测量原理
2. 1 将生物组织置于磁场强度1. 5T 的静磁场中.
2. 2 反转恢复法测T 1:对样品先给180°脉冲, 经过时间T R 加一个90°脉冲构成反转脉冲恢复法测定T 1, 如图
1.
因为:M Z =M 0(1-2e 1)
测量:t =t b M Z =M Z 1 t =t c M Z =M Z 2 建立方程:M Z 1=M 0(1-2e -t b /T 1)
-t /T
M Z 2=M 0(1-2e c 1)
c b
联立求解:T 1=
Z 0ln M Z 2-M 0
-t /T
图1
2. 3 自旋回波法测T 2:自旋回波由一个90°脉冲与若干个180°组成. 用90°脉冲加在样品生物组织上使平衡态磁化强度矢量翻转到X Y 平面, 经过时间TE 加180°脉冲使M XY max 反转会聚, 测FID 信号, 如图
2.
因为:M XY =M XY max . e -t /T 2) 测量:(t b , M X Y 1) (t c , M X Y 2) 建立方程:M XY 1=M XY max. e -t b /T 2)
M XY 2=M XY max. e -t c /T 2)
c b
. X Y ln
M X Y 2
联立求解:T 2=
图2
3 实验步骤
采用GE 公司生产1. 5特斯拉ELSeint 磁共振成像仪对人体脑部和老鼠进行研究.
第一确定选择扫描对象; 第二设置扫描参数; 第三记录所得结果, 进行统计平均处理.
4 结果与讨论
4. 1 不同组织与器官的弛豫时间有显著差异
表1 不同脑组织的弛豫时间T 1, T 2
组 织T 1(ms) T 2(ms)
尾状核822±1676±4
灰 质817±7387±2
白 质515±2774±5
脑脊液1900±383250±3
4. 2 同一组织器官的不同病理阶段上弛豫时间显著不同
表2 同一组织器官的不同病理、阶段与弛豫时间
病 灶肝肝炎肝癌肾
T 1(ms) 140—170290300—450300—340
病 灶肾癌
胰腺胰腺炎胰腺癌
T 1(ms) 400—450180—200200—275275—400
备 注实验老鼠不同病理阶段的T 1
医学上通过对组织T 1, T 2的测定判断组织的器官功能, 实现无创伤诊断. 这是核磁共振成像用于人体诊断的理论基础.
当病灶组织中含水量多, 如水肿, 该组织在不同病理阶段上T 1会增加, 根据T 1的大小. 对病灶作病理分期, 见表2. 另外组织含水量多, T 1, T 2将增长, 从表1可以看出脑脊液的T 1, T 2较其他组织长许多.
T 1是热弛豫时间, 是样品组织把自己吸收的能量散发到环境中去, 主要靠热交换实现, 这与受激核环境温度有关, 高温下T 1增长, 低温下T 1缩短, 低温下使受激核跃迁概率提高, 能量散发加快, T 1缩短. 临床中, 可根据T 1的高低对动脉、静脉血液区别. 此外, 液体的粘度, 往往表现为分子受阻力的程度, 液体中含蛋白多粘度高时, T 1也将缩短.
样品组织在不同的静磁场中, 测出T 1, T 2不一样, 也是因为磁场强度矢量M 与B 成正比, 当增加B 参予磁共振的质子数数目增多, 处于高能级的核子数数目多, 弛豫过程时间延长, T 1增加.
从表中可看出多数组织的T 2比T 1时间短, 一般地组织的T 2与温度无关, 与外加磁场B 关系不
*大, 但它受外磁场的均匀性影响相当大, 实际测到的是T 2, 它与T 2的关系:*=2+γΔB .
T 2T 2
在顺磁性物质中, T 1, T 2明显缩短. 这为磁共振造影成像提供了理论依据.
参 考 文 献
1 霍纪文, 王秀章. 医学成像技术. 辽宁科技出版社, 19942 栾永万. 磁共振成像技术. 中国医疗器械杂志, 114:(5. 6) 3 栾永万. 核磁共振图像质量. 中国医疗器械杂志, 112:(5. 6) 4 王寄依译. N M R 技术展望. 中国医疗杂志, 1985, (1. 2) 5 甘心照. 近代电子医疗设备技术. 南京大学出版社, 19916 宗贤均. 现代医学成像. 原子能出版社, 1988
(责任编辑 陈丽英)