揭开T1弛豫神秘的面纱

在上次的科普文章：弛豫是啥？大量动图让您一次弄懂的文章中，在介绍弛豫过程中，用动图的方式展示横向磁化矢量和纵向磁化矢量的变化过程，对！就是下面这个动图，这个动图有不严谨的地方，大家还记得不严谨在哪吗？

错误动图

不严谨之处：

1. 动态过程中的总矢量模值M非恒定

2. 弛豫/恢复过程中，横向恢复到0之后纵向才慢慢完全恢复

正确的动图，应该是这样的！

▲imaios.com

从图中可以明显看出，T1弛豫和T2弛豫同时发生，但是T1弛豫时间远大于T2。

其实这部分基本就是弛豫的内容，在之前的推文中有讲过，为了让大家更方便阅读，本文这里再解释下T1弛豫。

原子核共振的条件是有外加的射频能量，把原子核从低能态激发到高能态；如图所示，假设未激发前低能级有7个原子核，高能级有3个，激发之后，低能级的2个（标红）原子核跃迁到高能级，这样两个能级的布居数相同，总体的磁化矢量为0。

当撤去射频能量RF，两个红色的核就要从激发态回到平衡态，又要回到原来的状态，于是弛豫发生了。

▲imaios.com

T1弛豫我们主要观察沿着主磁场方向的纵向的磁化矢量MZ的变化，从0到最大的过程。当纵向磁化矢量最大时，此时跃迁的处于高能级的质子已经完全回到低能级，又回到未激发之前的状态。

T1弛豫的曲线符合指数衰减，就是下面这个公式

T1弛豫过程是一个非常漫长的过程，有关文献中提到，如果不考虑环境热运动及其他分子运动，自发条件下这个时间是10的13次方年，但是实际考虑环境的因素等，T1弛豫并没有这么长。

当t=T1时，MZ=0.63M0，因此将纵向磁化矢量恢复到最大值63%时所需要的时间为纵向弛豫时间。那到底需要多长时间，质子才能弛豫完全呢？

大家还记得纽迈核磁软件中，TR重复等待时间的设置原则吗？应该让TR>5T1,这样设置的TR才是合适的，能保证每次弛豫都衰减完全。5T1是怎么来的呢？当t=5T1时，MZ约为0.99M0，基本忽略T1弛豫对T2分析的影响了。（认为此时已经基本衰减完全）。

弛豫过程是能量释放的过程，T1弛豫中能量释放到哪里了呢？其名字告诉我们答案，spin-lattice，自旋晶格，晶格相当于指周围H子一个个排列在一起组成的晶格，所以，能量释放到周围的晶格中。

怎么释放呢？对，就是交换，从频率上看，自旋系统（拉莫尔频率）把能量交换到周围系统（周围分子的热运动频率），如果两个频率比较接近，那交换起来就更容易，如果两个频率相差很大，交换完成就需要很长的时间。

这样理解：两个人性格类似，沟通起来非常顺畅；反之性格迥异的，真的是话不投机半句多，完成沟通需要很长时间。

如果将以上的文字，转化成图，就是下面这个：

还记得之前有客户问这样一个问题？

我们经常用T2测孔径分布，T1可以测吗？

答案是：YES

我们发现一个较长的T1弛豫时间其实对应的是两个解（分子运动时间），当分子运动较慢时，T1有唯一解。换句话说，T1用来研究慢速分子运动尤为合适。

T1可以研究慢速分子运动，例如金属离子的螯合状态、蛋白质聚集、多孔材料表面动力学等等。而我们的快速变场核磁共振技术正式利用这一特性研究分子运动的，尤其是研究慢速的分子运动具有非常大的优势，具体的应用咱们等会说。

下面这个表列出了人体的组织在0.5T及1.5T磁场下，典型组织的T1弛豫时间。

磁场越高，T1弛豫越大，如果想要获得某种造影剂在各种场强下（尤其是常用的场强）的T1弛豫率，在同一个地方，我们很难集齐所需场强的仪器，加上市面上现有仪器可利用的场强有限，所以这种方式可行性不强，因此快速变场核磁共振技术（FFC）应用而生，从而实现在一台核磁仪器上实现场强从10Khz到120MHz（3T）的变化，具体的应用案例我们等会展示。

几个组织中，脂肪的T1最小，水等体液的T1最大，是不是在磁共振成像中选择磁场越高的仪器最好呢，答案不是的，核磁共振成像主要是看成像的清晰度和对比度。诸多实验表明（纽迈客户曾做过对比实验），将纽迈1.0T的核磁共振成像分析仪，与医院的1.5T和3.0T的人体核磁做对比，以同一只小鼠做实验，在1.0T下，小鼠的各个组织差异就能很清楚的对比出来，图像的分辨率和清晰度已经足够满足实验要求。

▲神经胶质瘤成像

毋庸置疑，7T场强下能获得更好的清晰度，但是肿瘤成像也关注对比度，相比于7T 高场，肿瘤在1T 低场下有更好的对比度。

所用的1T设备为纽迈分析独家代理的Aspect M3系列1.0T小动物成像分析仪。

T1与分子运动相关，根据上图T1与运动相关时间的关系，尤其是在低场强下，T1弛豫时间越大，更容易观察和区分，据此可以根据弛豫特性研究分子、蛋白、活体组织的慢速分子运动。

治疗性蛋白的聚集是生物制药领域最常研究的问题，我们希望生产的如抗体等蛋白中含有最少的蛋白质聚集体。

图为研究在不同的温度下（40℃—70℃）抗体对温度的依赖性。

抗体在40-55℃聚集，在55℃以上展开。这种温度差异在高场下没有太大差别，反而在低场下能观测到明显的差异，原因是什么呢？

• 高场下反映的是分子内部较为快速的运动，如分子自身的旋转、平移等，而即使蛋白的聚集状态不同，其内部运动也是相同的；

• 低场下反映的是分子的慢速分子运动，聚集状态不一样，慢速分子运动也明显不同，如果聚集，其R1（1/T1)会明显下降。

上图公式表明，拉莫尔频率w0越小，能检测到的分析运动相关时间越长。对于多孔材料而言，如果扩散系数恒定，能检测到的扩散等空间范畴就会加大。因此可以获得其表面复杂的动力学信息。

例如，常用的恒定场低场核磁共振在研究水泥水化过程中获得孔隙分布，水分相态分布信息，而快速变场核磁共振利用其超低场强的优势，利用其T1弛豫特征，获取诸多参数例如水化过程表面粗糙度、本征弛豫T1bulk、液体分子置换所需要的时间等更为丰富的参数。这种方法不受磁场内部不均匀的影响，且对分子运动更为敏感。

关于快速变场核磁共振技术的应用，我们有更为清晰的视频讲解，点击文末的阅读原文观看。

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PS：写在最后

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