核磁共振弛豫过程中特性及其应用检测方案(核磁共振)

核磁共振弛豫过程的特性及其应用 刘聪'，任朝辉'，汪红志，张学龙2 1.上海理工大学理学院，上海，200093； 2. 上海理工大学医疗器械学院，上海，200093；上海市营口路101号， Email： xuelongz@yahoo.com.cn 摘要：几乎所有用核磁共振技术对物质结构和性质的分析方面，都要涉及到驰豫过程的特性及相应的驰豫时间的分析，并由它获取相关的信息。本文在结合讨论驰豫过程微观机制的基础上，阐明驰豫时间这个参数的重要的性质特征，然后重点分析研究核磁共振驰豫特性在油井储层中确定孔隙结构参数、在食品研究中分析食品品质、在医学诊断中判明病理病灶等方面的重要应用。 关键词：核磁共振；弛豫时间；孔隙结构；水含量；玻璃化温度； 自由水；结合水 中图分类号O482.53；TE311； X836；0；R35] 自1924年 Pauli 预言核磁共振发生的可能性，到1946年 Bloch 和 Purcell 各自发现核磁共振现象以来，随着计算机科学技术的快速发展进步，核磁共振 (Nuclear MagneticResonance， NMR)技术已成为石油勘探、食品分析和医学诊断等行业和领域重要的研究分析手段。 核磁共振是原子核的磁矩受恒定磁场和相应频率的射频磁场同时作用，且满足一定条件时在它们的磁能级之间所发生的共振吸收现象。具体而言，样品中的自旋不为零的原子核，它们的磁矩在静磁场中会发生能级分裂。若用射频电磁波(Radio Frequency， RF)照射样品，当电磁波的能量等于能级分裂的差值时，低能级的原子核会吸收能量发生能级跃迁，产生共振吸收信号。而一旦恢复原状，原子核又会把多余的能量释放出来，同时状态发生变化。因此，它是一种利用原子核在磁场中的能量和状态变化来获得关于核(及其相关物质)信息的技术。 在核磁共振(成像、波谱或其他分析)技术中，物质的大量原子核受射频场作用撤除后以非辐射的方式逐步恢复到平衡状态的过程叫做驰豫。驰豫过程的特征常数――驰豫时间是-个重要的参数，几乎所有用NMR技术对物质的分析都要涉及到这个参数，并由它获取相关的信息。本文在结合讨论驰豫过程微观机制和本质特征的基础上阐明驰豫时间这个参数的重要作用，分析研究核磁共振技术在油井储层、食品品质和病理判断等方面的应用。 1弛豫过程的本质特征 物质单位体积中所有原子核磁矩的矢量和称为原子核的磁化强度矢量Mg。无外磁场作用时，由于热运动，自旋核系统中各个核磁矩的空间取向杂乱无章，M=0。有外磁场Bo(沿z轴方向)时，磁化强度矢量沿外磁场方向。若在垂直于磁场Bo(90°)方向施加射频场，磁化强度矢量将偏离z轴方向(偏离时称M为M)；一旦射频脉冲场作用停止，自旋核系统自动由不平衡态恢复到平衡态，并释放从射频磁场中吸收的能量。 NMR 中的弛豫按其机制的不同分为两类：一类是在RF场关断后，自旋核和周围晶格互相传递能量，使粒子的状态呈玻耳兹曼 (Boltzmann)分布，称为纵向(Gitudinal relaxation)弛豫，又叫T弛豫。由于这个过程是氢核与周围物质进行热交换，最后到达热平衡，故又称为热驰豫或自旋-晶格驰豫。磁化强度矢量M 在90°RF脉冲停止照射后，在z轴方向恢复到原来最大值的63%时所需时间叫纵向驰豫时间。 另一类是在 RF 场关断后，由于各个共振核的化学环境不同，致使它们的相位逐渐恢复 到不同步、整个共振核系统的分布符合 Boltzmann Distribution 平衡状态的要求，这个过程为横向(Transverse relaxation)弛豫过程也叫T弛豫。由于是自旋核之间相互交换能量的过程，所以又叫自旋-自旋驰豫过程。磁化强度矢量M 在90°RF脉冲作用下，倒向 xy 平面，并在xy 平面散开，撤除 RF 照射后， 其宏观磁矩水平分量减小63%时所需的时间叫做横向弛豫时间。这个过程表示 M在 xy 平面的投影从最大值衰减到零的变化快慢，其本质是自旋核的磁矩由相对有序状态向相对无序状态的过渡过程。 驰豫过程和驰豫时间所具有的这些含义和特征，使它成为 NMR技术分析中的重要参数。了解T、Tz的本质及它们受外界的影响是掌握 NMR 理论应用的重要的物理依据和基础。 对于T弛豫过程，样品中的自旋核与晶格以热辐射的形式相互作用。显然，所研究的对象必须是物质中的自旋核，即自旋不为零的核，而到目前为止一般是针对物质样品中的氢核。这是由含氢物质的旋磁比、天然含量和赋存状态决定的，例如在岩石骨架和孔隙流体中，几种丰度大的自旋不为零的核素是H、23Na、、3Cl，后两种现在还不能测定，只有H的丰度大，磁性强，容易测定。油井勘探储层中大量的水和烃(油、气)即如此。又如生物组织或器官内水的成份占 70%2，所以在其成像和波谱分析中都是将H 作为研究对象。 晶格一般指自旋核以外的部份，即自旋核的外环境。物质样品一般是由多种化学元素构成的化合物或混合物，于是所测得的T 值是指物质不同分子结构中'H核T值的平均值(T值亦如此)。即在不同分子结构中的H核，由于其所属环境不同，其T值(或T值)是不一样的。HzO中的H核的T为最长，这样当组织与器官中含水量增加时，如水肿，则该组织的T会增加。有些病灶在不同阶段上含水量不同，这可以表现在T的大小上，利用这一点可以对病灶作病理分期。 热辐射也是一个能级跃迁的过程，可以有受激和自发两个可能的辐射过程。但无论哪.-种可能性(概率)增加都会使热辐射进程加快，T缩短。根据受激励辐射理论，当外界电磁波频率与能级跃迁频率-致时，受激辐射就将发生。样品的H核因处于不同的分子中而有不同的共振频率，，于是就有一个共振频率段，样品环境的热辐射的电磁波谱比较宽，其中有一部分和共振频率段相重叠，总的趋势是当环境温度越高时重叠的部分越小，反之当温度越低时重叠部分增多(如图31)。样品内发生的受激辐射的概率增加，从而使T缩短。同理可知，环境 图1温度、粘度对T的影响曲线 中组织液的粘度增加(相当温度降低)，同样会使T缩短，而组织液中粘度随其中蛋白质的含量增加而增加。 另外，当主磁场Bo数值增大时，样品磁化强度矢量M增大，亦即参与弛豫过程的自旋粒子数增多，于是弛豫过程加长，T值增加。再者，自旋核所处环境若是顺磁性，也会增强自旋-晶格相互作用，T会明显缩短。这些都是影响纵向驰豫的基本因素。 对于T，弛豫过程，样品中磁化强度矢量的水平分量衰减到零，这种衰减来自于邻核局部场及静磁场的不均匀性引起的散相。根据拉莫尔(Larmor)进动，自旋核的角动量(磁矩)绕主磁场Bo做旋进，但样品(自旋核系统)中各个自旋核旋进的频率(角频率)不会一致。这是因为每个自旋核相当于一个小磁体，自旋核之间必然存在磁相互作用，其作用结果使核磁矩从聚焦的方向上分散开来，这种分散导致M在xy平面的投影从最大值衰减到零。 自旋-自旋弛豫只是磁的相互作用而不存在能量向外的释放，故Tz与环境温度、粘度无关。T与主磁场的相关性也不大，但Tz与主磁场的均匀性关系特别大，因为磁场的不均匀会大大加剧自旋核磁矩方向分散，使T明显缩短。因实际主磁场不均匀性的存在，相应的横向 弛豫时间Tz*<>t，t为第i相的寿命，也称交换特征时间)有 各个相以各自的时间常数T独立弛豫，整个系统以单一特征时间T弛豫： 若n=2，即两相(束缚相和自由相)假设能解释组织水弛豫的大部分数据。大部分水(≥90%)被认为处在自由状态， NMR特性类似于正常水，更确切地说是一种细胞盐溶液；剩余部分(≤10%)被认为是束缚在宏观大分子上(如蛋白质、DNA等)。“束缚水”一词的含义随所考虑的特定模型有些变化。它可以是刚性地不旋转地束缚在宏观大分子上，也可以是被束缚的水分子有受限制的运动，.1可能是各向异性的运动。 两个水相存在的主要证据在于多种生物系统非冻结水成份的实验观察。解释弛豫数据的相关时间分成三类：一是自由相相关时间t在10-2S；二是束缚相相关时间n，在10-~10-’s；三是交换特征时间t。在10-6~10-s。也可以这样认为：小分子如自由水翻滚很快，转动、振动、平移碰撞、翻滚、布朗运动等重新取向时间很短，平均10-12s，频率10Hz。大分子如蛋白质、DNA等振动、转动、重新取向速度很慢，，平均10-~10-s。中等分子如类脂膜的翻滚介于中间。 对于纵向驰豫，在大部分生物样品中属快交换情况，其驰豫时间Ti>>t，对于两相系统，理论得出弛豫率R(1/T)正比于宏观大分子的浓度，这与实验对蛋白质系统及某些生物组织观察到相一致。对于组成成份足够窄的系统，T近似正比于水含量。例如肝水密度低， T也短(高弛豫率)，这是由于相对大份额的水被束缚。脑和肌肉水含量高，T也长。肾水含量中等，T介于其间。T对水密度的线性依赖有一个经验公式： 其微分形式为AT=7.94Ap，表明水密度对自旋-晶格弛豫时间有一个放大效应。水含量有一小变化(典型的是百分之几)，T可有一个大的变化。这是MRI中T成像的基础，它反映Ti分布而不是简单的自旋密度成像。用顺磁离子(Mn²)对比剂可以使组织区分得更清楚。例如，心脏正常部分、梗塞区域及缺血区域可区分得一清二楚。值得指出的是，水含量与组织弛豫率的这个线性关系，在一个器官内，在一个窄的生理限制内是对的，但不同器官不适合，例如脑和肌肉纤维。 T值对不同动物的特定器官变化不大，所以动物实验结果对人也基本正确。试验测量的T值列在表1中。对于生物组织中， T约在300~2000mS， T约在20~150mS。 由表中数据可知，肿瘤组织的T值变大。这是因为分子重新定向的平均速率与分子大 小有关。小分子重新定向很快，相关时间就短，z约为 10-2s。生物大分子如蛋白质或 DNA 振动很慢，相关时间t比较大， -般为10~~10S之间。中等分子如类脂膜介于中间，相关时间r，一般是10-8~10°S，其频率很接近匹配 MR 典型场强中的拉莫尔频率，因此类脂膜质子比自由水质子弛豫快，纯水T是3S。小分子和大分子的布朗运动对弛豫贡献不大。自由水、体液弛豫慢，T长。生物组织中水弛豫要快得多，典型为几百 mS。组织中水部分地被束缚在蛋白质上，结果束缚水运动被大分子慢化使更接近匹配 表1.100 MHz 时人体正常、不正常组织的T值 组织 Titumor/s Tnormal/s 乳房 1.080±0.080 0.367±0.079 皮肤 1.047±0.108 0.616±0.019 胃 1.238±0.109 0.765±0.075 肝 0.832±0.012 0.570±0.029 脾 1.113±0.006 0.701±0.045 肾 0.862±0.033 脑 0.998±0.016 心脏 0.906±0.046 红细胞 0.54 血浆 1.45 脑脊液 4.5 拉莫尔进动，因而增强了弛豫，缩短了T。正常健康状态，，自由水(Tir)和束缚水(T1b)之间有一个平衡(见图71)，其平衡关系式为： T16 病理条件会扰乱这种平衡，在一些肿瘤中束缚水释放，使自由水比例增大，于是T变长。 图7自由水和束缚水之间的平衡示意 对于横向驰豫T2，没有从核自旋到晶格的 能量转移，但激发态和塞曼基态之间相互交换能量。当一个核自旋吸收能量时，它临近的核自旋释放能量，横向磁化强度损失的速度取决于T2弛豫时间。核自旋磁矩相互作用导致相 位分散使Mxy衰减。主磁场不完善和组织的内在场所导致的非均匀性都会使核自旋以稍微不同的频率进动，频散产生相位分散使 Mxy衰减加快。对于一定的主磁场，Tz主要是样品中局部场所作用的结果，它与邻近的慢的或零定向速率的质子引起的本征场相关。在大分子中， Tz弛豫更有效率，因为大分子比小分子重新取向 慢得多。强束缚在大分子比如蛋白质上的水分子翻滚速率慢，T弛豫就快。分子翻滚速率若比拉莫尔频率慢得多，则T弛豫慢。T对外场不如 T敏感，如图8所示。典型的生物组织中的T位于20~100 mS范围，比T短一个量级左右。自由水中T比束缚水T要长得多，在病灶处观察到Tz延长被解释为自由水比例增高。 1971 年达摩迪安(Damadian)在未成熟肌肉中质子线宽比在成熟肌肉中的质子线宽窄这个结 图8青蛙肌肉质子的T和T频率关系曲线 论的基础上，进一步实验发现新生肌瘤组织中的弛豫时间确实要长。此结果在 SCIENCE 杂志公布之后，人们对老鼠乳腺呈现正常、良性肿瘤，恶性肿瘤前期三种状态的 T、Tz进行了测量3，其值是不一样的。换句话说，通过测量参数T、T完全可以把正常组织和肿瘤区分开，把良性瘤和癌区分开。对人体所做的实验也有类似的结论。 临床用于肝癌诊断的情况是，病灶区T和T驰豫时间比正常情况延长，半数以上病例Ti加权图肿瘤表现为较周围肝组织低信号强度或等信号强度，而在T加权图上均显示高信号强度。原发性肝癌 MRI 的特性表现：①肿瘤的脂肪变性，T驰豫时间短，T加权图像产生等或高信号，Tz加权显示不均匀的高信号强度，病灶边缘不清楚，而肝癌伴纤维化者 T驰豫时间长则产生低信号强度。②肿瘤包膜存在，T}加权图表现为肿瘤周围呈低信号强度环，Tz加权图显示包膜不满意。③肿瘤侵犯血管， MRI 优点是不用注射造影剂即可显示门静脉肝静脉分枝、血管的受压推移，癌栓时T加权图为中等信号强度，T加权图呈高信号强度。④子结节在T加权图为较正常肝实质高的信号强度141。 上述情况的原因是，肝癌组织的含水量和脂质含量均比正常肝组织高。水具有长T和长Tz弛豫时间，脂质则具有短T和较长T弛豫时间。水分增加将延长肿瘤的T弛豫时间，而脂质增加则缩短肿瘤的T弛豫时间。两者制约肝癌T弛豫时间的变化至少可有3种结果5：肿瘤水份增加较多，而脂质没有或仅有少量增多，致使这部分肝癌具有较长的T弛豫时间。在T加权图像上呈低信号约占2/3的病例；肿瘤水份增加不多，但脂质明显增多，致使这部分肝癌的T驰豫时间较明显地短于正常组织者，而在T加权图像上呈高信号，约占1/3的病例；肿瘤水份增加和脂质增多处于某种比例关系，致使这部分肝癌组织的T弛豫时间延长的幅度不大或与正常组织十分接近，在T加权图像上后者一般呈等信号。 最后指出：许多多究结果提示，T 以升高和生长速度、较高含水量有关。在胎儿组织、再生肝以及在生长着的肿瘤中都观察到较长的Ti。在人的各种疾病(不一定专指癌)中也看到T有提高的现象，因此很可能广泛的流行疾病也值得用 NMR 成像进行研究。 ( 致 谢 ) 本工作得到上海市重点学科 (P0502)、上海市高海科技发展基金 (07ZZ93， 06EZ026)和上海市重大科研项目基金(06DZ11311)的资助，以及上海市医疗器械教育高地建设项目和上海市重点课程建设项目资助课题，，特此致谢。 ( 参考文献： ) ( [1]包尚联编著，现代医学影像物理学[M]，北京：北京大学医学出版社，2004年4月， p.474 ) ( [2]赵喜平编著， 磁 共振成像系统原理及其应用[M]，北京：科学出版社，2000年12月， p.73 ) ( [3]张泽宝主编，医学影像物理学[M]，北京：人民卫生出版社，2000年11月， p. 1 26 ) ( [4] Korringa J， Seevers D O， Torrey H C. 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Medical Instrumentation College， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093) Abstract： Almost every aspect of structural and characteristic analysis of material byNuclear Magnetic Resonance technology refers to relaxation process characteristicsand relaxation time. The important characteristics of the relaxation time were illustrated onthe base of the micro-mechanism of relaxation process. Many important applications werediscussed， such as pore structure parameters determined in the oil well reservoir， food qualityanalyzed in food research field and pathology and focus diagnosed in the medicine diagnosis indetail. Key words： Nuclear Magnetic Resonance； Relaxation time； Pore structure； Water content；Glass transition temperature； Free water； Bound water 通讯地址：200093上海市营口路101号医疗器械学院张学龙 联系电话：021-65502664， 13916239058 传真电话：021-55620106 电子邮件： xuelongz@yahoo.com.cn