核磁共振驰豫时间及T2谱

什么是核磁共振驰豫时间和T2谱

北京拉莫尔科技发展有限公司

使用或接触过核磁共振设备的朋友们，可能都会碰到驰豫时间或T2谱的概念，只有在充分理解它们的物理意义后才能更好地使用它们，因此，今天小编就来为大家科普一下这方面的专业知识。

核磁共振现象发生的基本条件有两个：一是原子核在静磁场中要能发生能级分裂，能满足这种条件的同位素其实有很多，只要原子核的质子数和中子数不全为偶数即可，其中氢原子核（即质子）是最常见的研究对象。二是发射特定频率（业内又把该频率称为拉莫尔频率）的电磁波使低能级的原子核能吸收电磁波能量跃迁到高能级的状态。

那什么是驰豫（Relaxation）呢，从字面上理解就是“松弛下来”的意思，它表示体系从一种非平衡态向平衡态转变的过程。我们知道任何体系都会自发地从非平衡态向平衡态过渡：比如样品刚放进磁体中时，由于原子核的磁矩开始是无规则地杂乱无章排列着的，实际上此时体系正处于一种非平衡态。由于在外磁场的作用下，磁矩会慢慢地沿着磁场方向进行有序排列，从而达到被磁化后的平衡态，这就是一个典型的驰豫过程，在核磁共振领域它又被称为纵向驰豫过程。

图1：原子核磁矩从无规则排列到有序排列

在沿着外磁场方向上的磁化矢量Mz随时间t的变化关系是一个e指数的演化行为，如下图2所示的就是磁化矢量随时间的演化过程，特征时间T1就被称为纵向驰豫时间或自旋-晶格驰豫时间（因为它表征了原子核与晶格环境交换能量的过程）：

图2：沿外磁场方向的磁化矢量Mz 的演化过程

原子核在磁场中被磁化仅仅是产生核磁共振的条件之一，第二个条件则是施加一个特定频率的电磁波来激发原子核，使得磁矩从原来的平行于外磁场（Z 轴）变成垂直于外磁场方向（XY 方向），由于原来的平衡态，XY 方向上没有磁化矢量，而现在XY 方向存在磁化矢量，所以体系在射频电磁波的激发下达到了一个新的非平衡态。在撤去射频电磁波后，体系将经过一个新的驰豫过程，称之为横向驰豫或自旋-自旋驰豫，重新回到XY 方向磁化矢量为零的平衡态。

图3：XY 方向上的磁化矢量Mxy 随时间的演化过程

横向驰豫过程对应的特征时间T2，就被称为横向驰豫时间或自旋-自旋驰豫时间（因为它还表征了原子核自旋与自旋之间的相互作用）。

各种物质的T1时间和T2时间，与物质的分子结构，物质的状态（固液气），以及与其他物质的相互作用等密切相关。以人体组织为例，如下图4所示：

)

1()(1/0T t z e M t M --=2

/0)(T t xy e M t M -⊥∙=

图4：人体各组织的T1和T2时间

根据磁化矢量与时间的关系曲线，我们发现各种组织的T1和T2时间是不一样的，这意味着可以通过T1和T2时间来区分不同的组织。实际上，核磁共振成像（MRI）正是基于这个原理，不同组织的信号强度会因为T1和T2的不同而有差别，这样才能实现区分不同的组织以及正常和病变组织。

对于多孔材料，比如岩石或水泥等，孔隙中的水会受到孔隙表面的强烈相互作用，这就导致越小的孔隙中的水驰豫时间越短，越大的孔隙中的水驰豫时间越长。因为多孔材料的孔径分布一般是连续的，因此水的驰豫时间也是连续变化的，这就是所谓的T2谱。T2谱的概念最早来源于石油核磁测井应用，人们根据地层中不同深度的岩石T2谱可以分析和计算出油水的含量及分布状态，这对于油气藏的储量评估和油气的开发开采都具有非常重要的作用。

图5：孔隙大小对驰豫时间的影响和T2谱示意图