Jump to content

Спин-решеточная релаксация

Во время ядерного магнитного резонанса наблюдений спин-решеточная релаксация представляет собой механизм, с помощью которого продольная компонента полного вектора ядерного магнитного момента (параллельная постоянному магнитному полю) экспоненциально релаксирует из неравновесного состояния с более высокой энергией к термодинамическому равновесию с окружающей средой. («решетка»). Он характеризуется временем спин-решеточной релаксации , постоянной времени, известной как T 1 .

Существует другой параметр T 2 , время спин-спиновой релаксации , который касается экспоненциальной релаксации поперечной компоненты вектора ядерной намагниченности ( перпендикулярной внешнему магнитному полю). Измерение изменений Т 1 и Т 2 в различных материалах является основой некоторых методов магнитно-резонансной томографии . [1]

Ядерная физика

[ редактировать ]
Кривая релаксации Т 1 или продольная релаксация

T 1 характеризует скорость, с которой продольная компонента вектора намагниченности M z экспоненциально восстанавливается к своему термодинамическому равновесию согласно уравнению Или, для конкретного случая,

Таким образом, это время, необходимое для того, чтобы продольная намагниченность восстановилась примерно на 63% [1-(1/ e )] от своего первоначального значения после переворота в магнитную поперечную плоскость радиочастотным импульсом под углом 90°.

Ядра содержатся внутри молекулярной структуры и находятся в постоянном колебательном и вращательном движении, создавая сложное магнитное поле. Магнитное поле, вызванное тепловым движением ядер внутри решетки, называется полем решетки. Поле решетки ядра в состоянии с более низкой энергией может взаимодействовать с ядрами в состоянии с более высокой энергией, в результате чего энергия состояния с более высокой энергией распределяется между двумя ядрами. Следовательно, энергия, полученная ядрами от радиочастотного импульса, рассеивается в виде увеличения вибрации и вращения внутри решетки, что может немного повысить температуру образца. Название «спин-решеточная релаксация» относится к процессу, в котором спины отдают энергию, полученную ими от радиочастотного импульса, обратно окружающей решетке, тем самым восстанавливая свое равновесное состояние. Тот же процесс происходит после изменения энергии спина в результате изменения окружающего статического магнитного поля (например, предварительной поляризации или введения в сильное магнитное поле) или если неравновесное состояние было достигнуто другими способами (например, гиперполяризация при оптической накачке). [ нужна ссылка ]

Время релаксации T 1 (среднее время жизни ядер в более высоком энергетическом состоянии) зависит от гиромагнитного отношения ядра и подвижности решетки. По мере увеличения подвижности частоты колебаний и вращения увеличиваются, что повышает вероятность того, что компонент поля решетки сможет стимулировать переход от состояний с высокой энергией к состояниям с низкой энергией. Однако при чрезвычайно высоких подвижностях вероятность снижается, поскольку частоты колебаний и вращения больше не соответствуют энергетической щели между состояниями.

Разные ткани имеют разные значения Т 1 . Например, жидкости имеют длительный T 1 с (1500–2000 мс), а ткани на водной основе находятся в диапазоне 400–1200 мс, тогда как ткани на жировой основе находятся в более коротком диапазоне 100–150 мс. Присутствие сильно магнитных ионов или частиц (например, ферромагнитных или парамагнитных ) также сильно изменяет значения Т 1 и широко используется в качестве контрастных веществ при МРТ .

T 1 взвешенные изображения

[ редактировать ]
Т взвешенное изображение 1 головы.

Магнитно-резонансная томография использует резонанс протонов для создания изображений. Протоны возбуждаются радиочастотным импульсом соответствующей частоты ( ларморовской частоты ), а затем избыточная энергия высвобождается в виде незначительного количества тепла в окружающую среду, когда спины возвращаются к своему тепловому равновесию. Намагниченность ансамбля протонов возвращается к своему равновесному значению с экспоненциальной кривой, характеризуемой постоянной времени Т 1 (см. Релаксация (ЯМР) ). [ нужна ссылка ]

Взвешенные изображения T 1 можно получить, установив короткое время повторения (TR), например, <750 мс, и время эха (TE), например, <40 мс, в обычных последовательностях спин-эхо , тогда как в последовательностях градиентного эха их можно получить, используя углы поворота. более 50 тот при установке значений TE менее 15 мс.

Т 1 существенно различается между серым и белым веществом и используется при сканировании мозга. Сильный контраст Т 1 присутствует между жидкими и более твердыми анатомическими структурами, что делает контраст Т 1 подходящим для морфологической оценки нормальной или патологической анатомии, например, для скелетно-мышечных исследований.

Во вращающейся рамке

[ редактировать ]

Спин-решеточная релаксация во вращающейся системе отсчета - это механизм, с помощью которого M xy , поперечная компонента вектора намагниченности, экспоненциально затухает в направлении своего равновесного значения, равного нулю, под влиянием радиочастотного ( РЧ) поля в ядерном магнитном резонансе (ЯМР). ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). Он характеризуется постоянной времени спин-решеточной релаксации во вращающейся системе отсчета T . Его называют в отличие от Т 1 временем спин -решеточной релаксации . [2]

МРТ T является альтернативой традиционным МРТ T 1 и T 2 , поскольку в ней используется длительная маломощная радиочастота , называемая импульсом спин-блокировки (SL), приложенная к намагниченности в поперечной плоскости. Намагниченность эффективно блокируется по спину вокруг эффективного поля B 1 , создаваемого векторной суммой приложенного B 1 и любой нерезонансной составляющей. Намагниченность, связанная со спином, будет релаксировать с постоянной времени T , которая представляет собой время, необходимое для того, чтобы сигнал магнитного резонанса достиг 37% (1/e) от своего начального значения, . Отсюда соотношение: , где t SL – длительность РЧ поля.

Измерение

[ редактировать ]

T можно определить количественно (релаксометрия) с помощью кривой, аппроксимирующей приведенное выше выражение сигнала в зависимости от длительности импульса спин-блокировки, в то время как амплитуда импульса спин-блокировки ( γB 1 ~0,1-несколько кГц) фиксирована. Количественные карты релаксации Т МРТ отражают биохимический состав тканей. [3]

Визуализация

[ редактировать ]

МРТ T использовалась для визуализации таких тканей, как хрящ, [4] [5] межпозвоночные диски, [6] мозг, [7] [8] и сердце, [9] а также некоторые виды рака. [10] [11]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Ринк, Питер А. (2022). Время релаксации и основные последовательности импульсов при МРТ. в: Магнитный резонанс в медицине. Критическое введение. 12-е издание. стр. 65-92 . Отпечаток для скачивания: TRTF — Фонд «Круглый стол» / EMRF — Европейский форум по магнитному резонансу. ISBN  978-3-7460-9518-9 .
  2. ^ Левитт, Малкольм Х. (2016). Спиновая динамика: основы ядерного магнитного резонанса, 2-е издание . Уайли. ISBN  978-0470511176 .
  3. ^ Бортакур, А; Меллон, Э; Нийоги, С; Витчи, В; Ниланд, Дж.Б.; Редди, Р. (ноябрь 2006 г.). «МРТ натрия и Т1ро для молекулярной и диагностической визуализации суставного хряща» . ЯМР в биомедицине . 19 (7): 781–821. дои : 10.1002/nbm.1102 . ПМК   2896046 . ПМИД   17075961 .
  4. ^ Ли, Х; Бенджамин Ма, центральный; Линк, ТМ; Кастильо, Д.Д.; Блюменкранц, Г; Лозано, Дж; Карбаллидо-Гамио, Дж; Райс, М; Маджумдар, С. (июль 2007 г.). «Картирование T(1rho) и T(2) суставного хряща in vivo при остеоартрите коленного сустава с использованием МРТ 3 Т» . Остеоартрит и хрящ . 15 (7): 789–97. дои : 10.1016/j.joca.2007.01.011 . ПМК   2040334 . ПМИД   17307365 .
  5. ^ Витчи, WR; Бортакур, А; Фенти, М; Ниланд, Би Джей; Лоннер, Дж. Х.; Макардл, Эл.; Сохор, М; Редди, Р. (май 2010 г.). «Количественная оценка T1rho МРТ артроскопически подтвержденной дегенерации хряща» . Магнитный резонанс в медицине . 63 (5): 1376–82. дои : 10.1002/mrm.22272 . ПМЦ   2933515 . ПМИД   20432308 .
  6. ^ Бортакур, А; Маурер, премьер-министр; Фенти, М; Ван, К; Бергер, Р; Йодер, Дж; Балдерстон, РА; Эллиотт, DM (1 декабря 2011 г.). «Магнитно-резонансная томография T1ρ и дискографическое давление как новые биомаркеры дегенерации дисков и болей в пояснице» . Позвоночник . 36 (25): 2190–6. дои : 10.1097/BRS.0b013e31820287bf . ПМК   4002043 . ПМИД   21358489 .
  7. ^ Бортакур, А; Сохор, М; Давацикос, К; Трояновский, JQ; Кларк, КМ (15 июля 2008 г.). «Т1ро МРТ болезни Альцгеймера» . НейроИмидж . 41 (4): 1199–205. doi : 10.1016/j.neuroimage.2008.03.030 . ПМЦ   2473861 . ПМИД   18479942 .
  8. ^ Кай, К; Харис, М; Сингх, А; Коган, Ф; Гринберг, Дж. Х.; Харихаран, Х; Детре, Дж.А.; Редди, Р. (22 января 2012 г.). «Магнитно-резонансная томография глутамата» . Природная медицина . 18 (2): 302–6. дои : 10.1038/нм.2615 . ПМК   3274604 . ПМИД   22270722 .
  9. ^ Витчи, WR; Пилла, Джей-Джей; Феррари, Г; Кумалсингх, К; Харис, М; Хинмон, Р; Зсидо, Г; Горман Дж. Х., третий; Горман, Р.К.; Редди, Р. (ноябрь 2010 г.). «Релаксация вращающейся рамочной спиновой решетки на модели хронического инфаркта миокарда левого желудочка у свиней» . Магнитный резонанс в медицине . 64 (5): 1453–60. дои : 10.1002/mrm.22543 . ПМЦ   2965811 . ПМИД   20677236 . {{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  10. ^ Ли, ЛЗ; Чжоу, Р; Сюй, Х.Н.; Луна, Л; Чжун, Т; Ким, Э.Дж.; Цяо, Х; Редди, Р; Липер, Д; Шанс, Б; Гликсон, доктор юридических наук (21 апреля 2009 г.). «Количественные биомаркеры магнитного резонанса и оптической визуализации метастатического потенциала меланомы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (16): 6608–13. Бибкод : 2009PNAS..106.6608L . дои : 10.1073/pnas.0901807106 . ПМЦ   2672511 . ПМИД   19366661 .
  11. ^ Кай, К; Шор, А; Сингх, А; Харис, М; Хираки, Т; Вагрэй, П; Редди, Д; Гринберг, Дж. Х.; Редди, Р. (2 февраля 2012 г.). «Ангиография, зависящая от уровня кислорода в крови (BOLDangio), и ее потенциальное применение в исследованиях рака» . ЯМР в биомедицине . 25 (10): 1125–1132. дои : 10.1002/nbm.2780 . ПМК   3390450 . ПМИД   22302557 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • МакРобби Д. и др. МРТ, От изображения к протону. 2003 г.
  • Хашеми Рэй и др. МРТ, Основы 2ED. 2004 г.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 231574e20608fbe963902ba77c91a9c1__1716822780
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/23/c1/231574e20608fbe963902ba77c91a9c1.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Spin–lattice relaxation - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)