第二节　弛豫与弛豫时间

弛豫（relaxation）是物理学的一种现象，外加能量激励后打破了物质系统固有的平衡状态，一旦激励除去后系统逐渐释放过多的能量恢复至原来的平衡状态就是弛豫，这种向平衡态恢复的过程称为弛豫过程（relaxation process）。

质子间与外界环境交换能量的方法不同，弛豫的方式也复杂多种，磁共振弛豫过程主要有两种，一个是纵向磁化矢量Mz开始恢复，称纵向弛豫（longitudinal relaxation）；一个是横向磁化矢量Mxy逐渐减小消失，称横向弛豫（transverse relaxation）。这两个过程都会向外环境释放射频加载的能量，质子由高能态释放能量返回到低能态所需要的时间称为弛豫时间（relaxation time）。

一、T1弛豫

T1弛豫也叫纵向弛豫或自旋-晶格弛豫（spin-lattice relaxation），是指自旋的氢质子把从射频脉冲中所吸收的能量释放到周围的晶格（分子）中回到它稳定状态的过程。当质子受到90°射频脉冲激励后，质子群虽然仍以相同的相位围绕z轴旋转振荡，但磁化矢量在xy平面内的分量Mxy增大，z轴方向的磁化矢量Mz则减小。当射频脉冲终止后，氢质子纵向磁化矢量开始逐渐恢复。纵向磁化矢量Mz恢复到M0平衡态（即Mz最大值）的过程见图2-7，其函数曲线见公式（2-11）：

公式（2-11）中Mz表示磁化强度垂直分量（z轴分量），M0为平衡态纵向磁化强度矢量，t为弛豫时间，T1为纵向磁弛豫时间。

纵向磁化矢量以零值（最小值）为起点，恢复至Mz方向最大值的63%所经历的时间称为T1时间，每经过一个63%的恢复时间为T1周期（图2-8）。高能态的质子释放能量的速度与其周围分子的自由运动频率有关，周围分子的自由运动频率越接近质子的进动频率，能量释放就越快。组织纵向磁弛豫越快，其T1越小，Mz恢复越快，在磁共振的T1加权图像中信号越高。周围分子的自由运动频率明显高于或低于质子的进动频率，能量释放就慢，组织T1时间就越长，M0恢复越慢，磁共振信号越低。不同组织由于质子周围分子的自由运动频率不同，其纵向弛豫的时间也不同（图2-9）。

二、T2弛豫

T2弛豫也叫横向弛豫（transverse relaxation），或自旋自旋弛豫（spin-spine relaxation）。90°射频脉冲关闭后，原先以相同的相位进动的自旋质子群彼此间开始出现进动相位差，导致横向磁化矢量从Mxy（最大值）逐渐衰减。当所有自旋质子间相位完全相反时横向磁化矢量消失为零（图2-10）。横向磁化矢量也是Mxy维持的时间，T2是由于质子间相位不同能量总和产生的，受激核系统的T2弛豫符合指数规律。横向磁化强度矢量Mxy的恢复规律见函数公式2-12。

公式（2-12）中Mxy为横向磁化值，M0为平衡态磁化矢量，t为弛豫时间，T2为横向弛豫时间常数。

当射频脉冲终止后，氢质子横向磁化矢量Mxy逐渐恢复到Mz方向，把自旋自旋弛豫磁化矢量Mxy衰减至最大值的37%所经历的时间称为T2弛豫时间（图2-11），每经过一个37%的恢复时间为T2周期，T2越大Mxy持续的时间越长，磁共振信号越高。T2越小Mxy持续的时间越短，磁共振信号越低。不同组织的T2弛豫时间不同（图2-12）。

三、T2*弛豫

T2衰减取决于完全均匀磁场的自旋自旋相互作用，两者作用的结果称为有效T2或T2*弛豫。

完全均匀的磁场不可能存在，由于外磁场的不均匀性影响氢质子的进动频率不同步，这些频率上的差异导致质子的失相位。当自旋自旋开始时它们的频率是一致的，此时Mxy磁化矢量最大，随着自旋自旋相互作用开始质子彼此间的频率出现不同步（失相位），当所有的自旋相位相互作用相反时，它们的矢量总和将为零，这种不均匀的磁场在自旋自旋相互作用下产生了T2的指数衰减。

当两个自旋质子彼此相邻时，一个质子的磁场会影响到邻近周围其他质子热波动，使质子的进动频率改变，虽然质子间的相互作用微小，但也可影响磁场均匀度的改变，造成质子彼此间失相位。这就加快了Mxy方向的衰减效应，使得T2*衰减时间比T2要小得多（图2-13）。

四、宏观磁化矢量的综合弛豫轨迹

宏观磁化矢量不是指单质子磁化矢量的变化，而是当射频停止后，所有的质子磁化矢量总的变化状态，综合弛豫过程包括T1弛豫和T2弛豫，也就是纵向弛豫和横向弛豫。

平衡状态组织中氢质子是按玻尔兹曼（Boltzmann）分布或叫吉布斯（Gibbs）分布排列的，当外加射频脉冲和自旋氢质子发生共振时，使低能级的氢质子吸收能量跃升至高能态，质子能级系统就进入了高能级非稳定状态。当射频终止后，被射频激发成高能态的质子将受静磁场B0的影响，把所吸收的射频能量逐渐释放出来并恢复到原来静止时的低能级平衡态排列（图2-14）。

当组织中的氢质子吸收和进动频率一致的射频能量后，组织中的氢质子将由低能态跃升为高能态，射频能量使组织的宏观纵向磁化矢量偏离原来的平衡状态。磁场在没有激发射频脉冲之前，宏观纵向磁化矢量处于平衡状态（图2-15A）。当射频以α角度激发时，组织产生一个旋转较小的宏观横向磁化矢量（图2-15B）。当射频使宏观纵向磁化矢量偏离90°时，组织中宏观纵向磁化矢量消失，形成一个较大的宏观横向磁化矢量（图2-15C）。180°脉冲激发后使组织中宏观纵向磁化矢量与主磁场方向相反大小不变（图2-15D）。

90°脉冲使组织中的不同相位质子处于同相位进动，组织中的质子横向磁化矢量方向一致，总和相互叠加，产生了宏观的横向磁化矢量。90°脉冲关闭后宏观横向磁化矢量总和将出现衰减，组织中同相位进动的质子群逐渐出现失相位，其宏观横向磁化矢量逐渐衰减直至完全消失（图2-16）。

T1弛豫是宏观纵向磁化矢量Mz恢复到z轴的最大值，T2弛豫是宏观横向磁化矢量Mxy恢复到xy平面的最小值。他们磁化矢量的变化是两个独立的过程，宏观磁化矢量也就是宏观磁化矢量M的变化过程，宏观磁化矢量的综合弛豫轨迹（图2-17）。

（倪红艳　姚飞荣）