1、用脉冲核磁共振研究物体成像作者：赖勤展指导老师：杨建荣绪论核磁共振（）现象是原子核的自旋磁矩在外恒定磁场作用下，核磁矩绕此磁场发生拉莫尔进动，若在垂直于外磁场的平面上施加一交变电磁场，当此交变场频率等于核磁矩绕外场进动的频率时，发生谐振现象 1。核磁共振的物理基础是原子核的自旋 2。核磁共振技术来源于 1939 年的美国物理学家拉比（I.I.Rabi） 所创立的分子束共振法，他用这种方法实现了核磁共振这一物理思想，精确地测定了一些原子核的磁矩，从而获得了 1944 年度的诺贝尔物理奖 3。早期的核磁共振电磁波主要采用连续波，1966 年发展起来的脉冲傅立叶变换核磁共振技术，将信号采集由频域变为
2、时域，从而大大提高了检测灵敏度，由此脉冲核磁共振得到迅速发展，成为物理、化学、生物、医学、地学、和计量等学科领域中分析、鉴定和微观结构研究不可缺少的工具 4-5。一直以来，我们学校及许多高校都采用连续波磁场扫描法观察核磁共振信号。用内扫描法或移相法测量横向驰豫时间 。信噪比高、灵敏度低、实验误差大 6，2而且未能开设成像实验。本文我们采用上海高银科技开发有限公司的 GY-3DNMR-10型核磁共振成像仪，用脉冲法观察核磁共振信号，采用自旋回波法测量甘油样品的横向驰豫时间 ，利用配送 3DNMR 软件观察硫酸铜溶液一维成像，对硫酸铜溶液溶2液、土豆、自来水进行二维成像。在我校，脉冲核磁共振成像实
3、验是新开设的实验内容。本文结合 GY-3DNMR-10型核磁共振成像仪，阐述了脉冲核磁共振的原理，空间频率编码、空间相位编码在核磁共振成像技术中的应用；利用脉冲自旋回波测量横向驰豫时间 ，提高了测量2的精确度；设计了核磁共振一维成像、二维成像的实验方案，并进行了二维成像和图像分析；另外针对 GY-3DNMR-10 型核磁共振成像仪操作，总结了自己实验过程中的一些体会，提出了相关的建议。1 实验原理1.1 核磁共振的条件在一个恒定外磁场 作用下，另在垂直于 的平面（ ， 平面）内加一个旋0B0Bxy转磁场 ， 转动方向与自旋核磁矩 的拉莫尔进动同方向 2。当 的转动频率1B1B与拉莫尔进动频率
4、0相等时， 会绕 和 的合矢量进动，从而使势能增加；01当 的旋转频率 与 0不等，自旋系统会交替地吸收和放出能量，没有净能量吸收1B7。因此只有 1的旋转频率 与 相等时才能发生共振。01.2 射频脉冲作用若某一时刻，在垂直于 方向上施加一射频脉冲，在射频脉冲作用前体磁化0B强度 处在热平衡状态。施加射频脉冲作用，则 将以频率 绕 轴进动， 为M M1Bx旋磁比。 转过的角度为 。只要射频场足够强，则脉冲宽度 可以足够小，pt1 pt从而满足 远远小于 和 ， 为纵向驰豫时间， 为横向驰豫时间。这意味着射频pt1T2 2T脉冲作用期间驰豫作用可以忽略不计。脉冲作用后，体磁化强度 绕 旋转 ，
5、1B09这时射频场 消失，核磁矩系统将由驰豫过程回复到热平衡状态 7。 在这个驰豫过1B程中，若在垂直于 z 轴方向上置一个接收线圈，便可感应出一个射频信号，其频率与进动频率 相同，其幅值按照指数规律衰减，称为自由感应衰减信号，也写作0FID 信号 8。1.3 驰豫时间核自旋系统通过自旋与晶格之间的相互作用，以及自旋之间的相互作用，逐步由非平衡态恢复到平衡态的过程，所经历的时间叫驰豫时间 T。驰豫分为纵向驰豫和横向驰豫，纵向驰豫又称为自旋晶格驰豫 3。纵向驰豫是指自旋系统把从射频磁场中吸收的能量交给周围环境，转变为晶格的热能。自旋核由高能态无辐射地返回低能态，能态粒子数差 n 按下式规律变化：
6、 )/exp(10Tt式中， 为时间 的能态粒子差， 与体磁化强度 M的纵向分量 变化一致，故0nt Z称为纵向驰豫时间。横向驰豫又称为自旋自旋驰豫，由非平衡进动相位产生时1T的体磁化强度 M的横向分量 0，恢复到平衡态时相位 =0， 表征所需的特 征时间记为 。由于 与体磁化强度的横向分量 的驰豫时间有关，故 也称横22T 2T向驰豫时间 7。1.4 自旋回波法测量横向驰豫时间 2T自旋回波是一种用双脉冲或多个脉冲周期性地作用于核磁矩系统来观察核磁共振信号的方法 7。比如在 09射频脉冲作用后，经过 时间再施加一个 射频脉冲，018便组成一个 脉冲序列，脉冲序列的脉宽 和脉冲间距 应满足：
7、远0189 ptpt远小于 ， 和 ， 脉冲序列的作用结果如图 1 所示。在 射频脉冲1T200 09后即可观察到 FID 信号；在 射频脉冲后，对应于初始时刻的 处可以观察到一2个“回波”信号。这种回波信号是在脉冲序列作用下核自旋系统的运动引起的，所以称为自旋回波。图 1 自旋回波信号1.5 脉冲核磁共振的捕捉范围脉冲核磁共振是采用时间短而功率大的方形脉冲，用傅立叶变换可得它的频率谱为连续谱，但各频率的幅度不相同，射频 成份最强，在 两边幅度逐渐衰减并0f0f有负值出现，当 的时候，幅度第一次为零。但只要 足够小，在 旁边就021Tf 2T0f有足够宽的振幅基本相等的频谱区域，相应频率范围幅
8、度如下式：)()( 00fSinAfI式中， 是矩形脉冲半宽度， 是脉冲幅度， 是射频脉冲频率。可见 愈短，0Tf 02T覆盖的范围愈宽。所以只要有足够短的脉冲，就具有大的捕捉共振频率范围，021同时对测量无任何影响 7。1.6 空间频率编码所谓成像，就是用灰度值把 NMR 参数作为空间坐标的函数表达为 。如ZYX,何区分来自样品不同位置的贡献？根据 NMR 的条件 ，如果在静磁场 上叠00加一个线性梯场 ，退化为静磁场的均匀性，那么样品中沿梯度方向，不同ZG位置就有不同的共振频率。通过下式： 000xxx可以把空间位移变换为频率位移。含有激发核的样品在线性梯度场下发射频率不同，所以频率信息对
9、应于空间信息，因此称此为空间频率编码 5。1.7 空间相位编码空间频率编码只能得到一维空间分布，实现二维还需要另一编码，这里介绍空间相位编码。如果磁场只有 X 方向梯度，X 位置相同 Y 位置不同的样品中原子核发射频率相同，那么无法区分 Y 方向空间位置。如果在 Y 方向加相同的梯度磁场，那么在 45线上原子核的发射频率相同，只不过梯度方向旋转 450角，同样无法得到二维图像。如果 Y 方向梯度磁场不是恒定不变的，而是保持时间为 的瞬间后恢复为 0，这时在 X 方向位置相同的样品的原子核虽然发射频率相同，但是不同 Y 空间位置样品的原子核的相位发生了明显的变化。而这相位差是： Gf)(Y其中
10、为核磁共振旋磁比，G Y为 Y 方向梯度大小， 为 Y 梯度场保持时间。由此看出 区分 X 方向的空间位置依靠频率不同，也就是空间频率编码；而区分 Y 方向的空间位置依靠相位不同，也就是空间相位编码 5。最终，我们对梯度场函数进行反傅立叶变换即可得到 Y 方向的空间分布。2 仪器组成GY-3DNMR-10 核磁共振成像仪由恒温磁体、主机、电源、计算机、及处理显示软件组成。恒温磁体由恒温器、磁体、梯度线圈、射频探头线圈组成。主机由DDS（数字直接合成器） 、射频功率放大器、正交检波接收机和控制主机（包括 A/D转换、D/A 梯度控制器、脉冲控制器） 、以及通讯接口组成。电源由梯度放大器、直流电源
11、组成。如图 2 所示。主 控 制 器电 源 NS温 度 控 制 器计 算 机匀 场 调 节匀 场 线 圈 推 动 放 大 器和梯 度 线 圈 推 动 放 大 器射 频 检 测 系 统 加热器探 头 匀 场 线 圈及 梯 度 线 圈X梯 度输 出 Y梯 度输 出恒 温 磁 体电 源主 机图 2 GY-3DNMR-10 核磁共振成像仪原理图3 实验内容及步骤3.1 自旋回波法测 2（1）正确连接线路，连接完毕后打开 GY-3DNMR-10 核磁共振成像仪预热半个小时然后将甘油样品放入核磁共振成像仪探头中。（2）打开 3DNMR 软件，设置相关参数后，输入第一脉冲观察波形变化，调节使FID 信号衰减
12、最慢。（3）设置不同的脉冲宽度使产生不同的倾斜角度 ，如 ， 等，观察 FID 信0918号变化， 信号最大， 信号为零。09018（4）用 脉冲的方法获得自旋回波信号，改变 分别获得回波极大 值，记录数据，求出驰豫时间 。23.2 一维二维成像(1)换取实验样品，将硫酸铜溶液样品放入核磁共振成像仪探头中。(2)设置频率，按下“参数设置”页面，再按下“自动采集”出现采集的信号图及傅立叶变换的频谱图，同时出现闪动的“采集”字样。(3)调节匀场，分别调节电源上匀场调节电位器（12、13、14、15、16、17） ；同时调节软件中的 XY 匀场至傅立叶频谱图中峰最尖锐最高，信号最长。(4)逐渐增大
13、Z 梯度场，观察一维图像的变化。(5)二维核磁共振成像记录及处理。按下“成像记录及操作” ，再按下“记录”等待 2 分钟，记录结束计算机会提示结束并且“采集”不再闪动。按下“二维傅立叶变换” ，当调节“行选择”可以看到每一列二次傅立叶变换的谱图。按下“成像彩色显示”即可得到所需的成像彩色密度图。（6）换取实验样品进行实验，重复上述步骤，记录不同样品的二维图像。3.3 实验操作及建议（1）仪器应在开机预热后进行实验和测试数据。否则会带来很大的调节困难和实验误差。（2）实验时应该避免外来磁场的干扰，严禁磁性物质落入磁体内部，尤其是通过样品口进入磁体。（3）自旋回波法测 ，因为 GY-3DNMR-1
14、0 核磁共振成像仪电源内使用大功率电2容，对示波器的干扰较大，所以尽量使示波器远离 GY-3DNMR-10 核磁共振成像仪电源；如果自旋回波较小，可以反复调节 致使回波最大，再改变0分别获得回波极大值，做包络线可以求出 。 2（4）成像调节过程中，按下“自动采集”后，如果不出现采集图，说明串行端口设置错误，或者串行通讯口连接错误，首先检查连接，然后调整端口设置。（5） “共振频率设定”时，先调节“中调”后“细调” ，频率调节范围大致在18.00MHz-20.00MHz 之间。（6）若傅立叶频谱图出现“混叠现象” ，即傅立叶频谱图有高次杂波，采集波形不光滑且尾波不长。这说明信号频率是采样频率的倍
15、数，应调节共振频率直至波形光滑频谱尖锐。4 实验结果与分析4.1 横向驰豫时间 分析2实验条件：样品：甘油，温度：33.5，共振频率：20MHz表 1、自旋回波测 实验数据2序列 1 2 3 4 52 /ms10 20 30 40 50Y 轴分度值 0.5V/DIV 0.5V/DIV 0.5V/DIV 0.2/DIV 0.2/DIVY 读数/DIV 4.4 3.6 2.8 4.8 3.6VFID /V 2.2 1.8 1.4 0.96 0.72Ln(U 回波 ) 0.788 0.588 0.336 -0.041 -0.33数据分析：由 关系作线性拟合，得斜率 =-0.0287 ms-1；2ln
16、回 波U21T截距 =1.1277 ln(U 回波 )=-0.0287( )+1.128，拟合相关系数 ；0 94.0r所以： ， 。纯液体甘油核磁共振驰豫时间 T2的理论msT352V08.值范围是：（10-40）ms 7，实验结果与理论值相符。4.2 一维成像分析梯度场对一维图像的作用分析：将硫酸铜溶液样品放入探头中后，可观察到自由衰减信号及其频谱。如图 3 所示，此时 Z 梯度场为“零” ，从图中可以知道，无法区分任何空间信息；逐渐加大梯度场可以观察到自由衰减信号及频谱的变化，当 Z 梯度场到达 20.00mA 时，频谱将开始分裂。如图 4 所示，此时 Z 梯度场大小为 25.08mA，
17、我们已经可以分辨出三个尖峰；继续增加 Z 梯度场，空间结构完全分开，同时信号明显变小，噪声增加。如图 5 和如图 6 所示。第 8 页 共 11 页图 3 自由衰减信号及其频谱图（Z=0 mA，T=32.310C）图 4 自由衰减信号及其频谱图（Z=25.8mA，T=32.31 0C）第 9 页 共 11 页图 5 自由衰减信号及其频谱图（Z=40.0mA，T=32.310C）图 6 自由衰减信号及其频谱图（Z=50.3mA，T=32.310C）4.3 二维成像分析实验条件：参数设置 硫酸铜溶液样品 矩形土豆样品 自来水样品温度 t（ 0C） 31.62 23.00 22.12Z 匀场梯度电流
18、（mA）19.5 21 20.7X 匀场梯度电流（mA）6 35 30Y 匀场梯度电流（mA）-7 127 123共振频率 F（MHz） 18.461165 20.051274 20.051484二维图像对比：黑底白色 黑底红色 白色红底第 10 页 共 11 页硫酸铜溶液样品矩形土豆样品自来水样品图 7 各种不同底色的二维图像二维图像分析：（1） 如图 7 中所示，是通过 GY-3DNMR-10 核磁共振成像仪二维成像得到的实验样品的截面特征图。三种不同的底色的图像都可以清晰地分辨出样品的二维结构特征，同时与实际样品形状相符，最明显的为矩形土豆样品。（2） 在三种不同的底色图像中，黑底红色图
19、像的效果最佳，在实验中建议使用黑底红色图像对样品特征进行分析更为准确。 （3） 黑底白色图像在样品的边缘容易出现毛刺，同时在样品里面也出现混色的现象，影响了分辨效果。（4） 白底红色图像不仅样品边缘出现较多的毛刺，而且整个图像都会出现混色的现象，更为严重的是图片的边缘还会出现马赛克。第 11 页 共 11 页5 结束语本文在实验的基础上，利用脉冲自旋回波法（ 脉冲） ，选择甘油为00189实验样品测量了它的横向驰豫时间 。较之以前连续波的方法，实验的精确度有了2很大的提高，这充分说明了脉冲法核磁共振的原理科学性。同时，在 GY-3DNMR-10核磁共振成像仪基础上，利用空间相位编码技术，选择硫
20、酸铜溶液溶液进行一维成像，用以说明梯度场的作用；且对硫酸铜溶液溶液，土豆，自来水三种样品，进行二维成像观察和分析，用以说明核磁共振成像技术的应用。但是由于液体物质的驰豫时间与微量杂质有关，而且极为敏感。因实验条件所限制，得到纯净的实验样品比较困难，所以我们没能进行纵向驰豫时间 的测量。在测量 的过程中，因为磁12场不均匀的影响，导致的“相位散失”从而带来 A 类误差不可避免。根据空间编码技术，核磁共振不仅仅可以进行一维二维成像，还应该可以三维成像。但是因条件不足，我们没有进行三维成像，因此，虽然我们采用脉冲法提高了测量 的精确度，2利用空间相位编码技术，观察核磁共振一维二维成像。但是还有很多问
21、题都还待于解决。参考文献1 毛杰健,杨建荣.近代物理实验讲义.第一版.上饶师范学院出版社.2005 年2 侯淑莲,谢寰彤.医学影像实验与原理.第十版.人民卫生出版社.2007 年 8 月3 林木欣.近代物理实验教程.第十版.科学出版社.2007 年4 戴乐山,戴道宣.近代物理实验.上海复旦大学出版社.1995 年5 王立锋，赵诗华.GY-CTNMR-10 小型核磁共振成像仪的性能研究.大学物理实验.2007 年 3 月.第 20 卷第 1 期6 成音,王昱.连续法核磁共振实验的教与学.物理实验.1994 年.第 15 卷第 5 期7 上海高银科技开发公司.核磁共振成像教学仪器实验指导书.2007 年8 罗湘南，唐建锋,张登玉.脉冲核磁共振实验自由衰减信号分析.湖南科技学院学报.2007 年 4 月.第 28 卷第 4 期9蒋莹莹,张洁天,吕斯骅.核磁共振成像系列实验教学探讨.物理实验.2007 年.第27 卷第 1 期
