核磁共振實(shí)驗(yàn)匯總

1、實(shí)驗(yàn) b4 核磁共振實(shí)驗(yàn)核磁共振現(xiàn)象（nmr ） 是 1946 年美國哈佛大學(xué)的 e.m.purcell 和斯坦福大學(xué)的 f.bloch 兩人各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的。由于這一發(fā)現(xiàn)在物理、化學(xué)上具有重大意義，為此他們兩位于 1952 年獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。隨后的大量實(shí)驗(yàn)使人們逐漸認(rèn)識(shí)到，作為測(cè)定原子的核磁矩和研究核結(jié)構(gòu)的直接而又準(zhǔn)確的方法，核磁共振是物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)研究中一種重要而強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)手段，也使許多應(yīng)用科學(xué)，如醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)、計(jì)量科學(xué)、石油分析等學(xué)科的重要研究工具。nmr 的基本原理是： 當(dāng)處于靜磁場(chǎng)中的物質(zhì)受到電磁波的激勵(lì)時(shí)， 如果射頻電磁波的頻率與靜磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系滿足拉莫爾方程，則組成物質(zhì)的

2、一些原子核會(huì)發(fā)生共振，即所謂核磁共振。這里，原子核吸收射頻電磁波的能量， 當(dāng)射頻電磁波撤掉后， 吸收了能量的原子核又會(huì)把這部份能量釋 放出來，即發(fā)射所謂核磁共振信號(hào)。通過測(cè)量和分析這種共振信號(hào)，可以得到物質(zhì)結(jié)構(gòu)中的許多化學(xué)和物理信息。1972年美國醫(yī)生r damadian提出了利用nmr原理測(cè)定活體組織白縱向弛豫時(shí)間（t1）和橫向弛豫時(shí)間（t2）值的差別來鑒別正常組織和異常組織，為此取得了專利。 1972年美國紐約州立大學(xué)石溪分校的教授p c lauterbur 提出了磁共振成像（ mri ）的方法，即把核磁共振原理同空間編碼技術(shù)結(jié)合起來，用一定方法使空間各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度有規(guī)律地變化，核磁共振信號(hào)

3、中的不同頻率分量即可同一定的空間位置對(duì)應(yīng)，通過一定的數(shù)學(xué)變換即可實(shí)現(xiàn)核磁共振成像?！?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?】1 、理解核磁共振的基本原理；2、理解磁體的中心頻率和拉莫爾頻率的關(guān)系，并掌握拉莫爾頻率的測(cè)量方法；3、掌握梯度回波序列成像原理及其成像過程；4 、掌握弛豫時(shí)間的計(jì)算方法，并反演 t1 和 t2 譜?！?實(shí)驗(yàn)原理 】1 核磁共振現(xiàn)象一、原子與原子核自然界中的任何物質(zhì)都是由分子或原子組成的，分子是由原子組成的，如水分子h-o-h ，是由2 個(gè)氫原子與 1 個(gè)氧原子組成。原子由原子核與核外電子組成，核外電子數(shù)不同的原子具有不同的化學(xué)與物理性質(zhì)，分屬于不同的化學(xué)元素，化學(xué)元素周期表反映了核外電子的排布規(guī)

4、律。原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子有電荷，質(zhì)子數(shù)等于核外電子數(shù)。對(duì)于一種化學(xué)元素，原子核中的質(zhì)子數(shù)是一定的，但中子數(shù)有不同。同一化學(xué)元素中子數(shù)不同的原子屬于不同的核素，不同的核素其物理性質(zhì)是不同的。比如氫元素有3 種核素： 1h 、 2h 、 3h ，它們的原子核的組成分別是1 質(zhì)子、 1 質(zhì)子和1 中子、 1 質(zhì)子和 2 中子，它們的共同點(diǎn)是原子核內(nèi)都有一個(gè)質(zhì)子核外有一個(gè)電子，因此都屬于氫元素。對(duì)于某一種化學(xué)元素，不同核素在自然界的含量是有很大差別的。比如 1h 與 2h 分別為 99.895與 0.015 ， 3h 是一種不穩(wěn)定的核素，只有在特定的條件下才能生成，并且很快便會(huì)衰變。原子核除了

5、它的構(gòu)成不同，其中質(zhì)子帶有電荷以外，還有一部分核具有磁性，核磁共振就是研究這部分具有磁性的原子核。哪些原子核具有磁性呢？氫原子核中只有一個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子有沿自身軸旋轉(zhuǎn)（自旋）的固有本性，質(zhì)子距原子核中心有一定距離。因此質(zhì)子自旋就相當(dāng)于正電荷在環(huán)形線圈中流動(dòng)，在其周圍會(huì)形成一個(gè)小磁場(chǎng)，此即核磁，如圖 b4-1 所示。圖b4-1核磁可看作小磁棒不僅質(zhì)子自旋可產(chǎn)生磁場(chǎng)，中子的自旋也可產(chǎn)生磁場(chǎng)，后者似乎難以理解，推測(cè)這種現(xiàn)象是中 子內(nèi)有幾個(gè)正、負(fù)電荷相互補(bǔ)償，因此中子自旋也相當(dāng)于電荷在線圈中流動(dòng)。如原子核含有的質(zhì)子 和中子數(shù)均為偶數(shù)，則其自旋所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，為非磁性。原子核含有奇數(shù)（不成對(duì)）的質(zhì) 子

6、或中子，其自旋可產(chǎn)生磁場(chǎng)，也就是說凡是質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)，或者二者都為奇數(shù)的原子核都有磁 性，如圖b4-2所示。氫同位嘉城同位素久冗航甄-3藏-4h%電磁性礴性磁性磁性/曜性圖b4-2質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)為奇數(shù)的原子核帶有磁性生物組織中含有1h、13c、19f、23na、311p等元素，有磁性的元素約百余種。但在現(xiàn)今mr中研究和使用得最多的為h,這有兩個(gè)原因，一是1h為磁化最高的原子核，二是因?yàn)樗蓟铙w組織原 子數(shù)量的2/3,形成mri的1h原子大部分位于生物組織的水和脂肪中。因 1h只有一個(gè)質(zhì)子，故1h 的mri影像也稱為質(zhì)子像，mri文獻(xiàn)中未特別注明者，均指的是生物組織的1h像。二、拉莫爾進(jìn)動(dòng)含有奇

7、數(shù)質(zhì)子或中子的原子核（以1h為代表）自旋在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)， 如同一個(gè)小磁體有南北極。磁場(chǎng)用磁矩（m）來表示，磁矩有其大小、方位和方向，如圖 b4-3所示。圖b4-3磁矩有大小、方向和方位無外加磁場(chǎng)時(shí)，質(zhì)子群中的各個(gè)質(zhì)子任意方向自旋，其磁矩相互抵消，因而單位體積內(nèi)生物組織的宏觀磁矩 m = 0 ,如圖b4-4所示。圖b4-4自由質(zhì)子的磁矩如將生物組織置于一個(gè)大的外加磁場(chǎng)中（又稱主磁場(chǎng)，用矢量b0表示），則質(zhì)子磁矩方向發(fā)生變化，結(jié)果是較多的質(zhì)子磁矩指向與主磁場(chǎng)b0相同的方向，而較少的質(zhì)子磁矩與b0方向相反，而與bo方向相反的質(zhì)子具有較高的位能。常溫下，順主磁場(chǎng)排列的質(zhì)子數(shù)目較逆主磁場(chǎng)排列的質(zhì)子稍多

8、，因此，出現(xiàn)與主磁場(chǎng) bo方向一致的凈宏觀磁矩（或稱為宏觀磁化矢量）m,如圖b4-5所示。圖b4-5凈磁矩與主磁場(chǎng)同相此時(shí)，氫原子核在繞著自身軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，又沿主磁場(chǎng)方向bo作圓周運(yùn)動(dòng)，將質(zhì)子磁矩的這種運(yùn)動(dòng)稱之為進(jìn)動(dòng)，如圖 b4-6所示。 bo外磁場(chǎng)方向圖b4-6質(zhì)子磁矩的進(jìn)動(dòng)在主磁場(chǎng)中，宏觀磁矩像單個(gè)質(zhì)子磁矩那樣作旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)，磁矩進(jìn)動(dòng)的頻率符合拉莫爾（larmor）方程：.(b4-1 )f =淚0 / 2幾式中：f -進(jìn)動(dòng)的頻率bo -主磁場(chǎng)強(qiáng)度y -旋磁比（對(duì)于每一種原子核是恒定的常數(shù)）換句話說，在主磁場(chǎng)b 0s 一定的情況下，其原子核的旋進(jìn)頻率是一定的，氫原子核在不同磁場(chǎng) 中的共振頻率是不

9、同的，如主磁場(chǎng)為1.0 t時(shí)，氫原子核的旋進(jìn)頻率為42.6mhz。沿主磁場(chǎng)旋進(jìn)著的質(zhì)子就好像在重力作用下旋進(jìn)著的陀螺，如圖b4-7所示。、ihii hhi旋進(jìn)艇進(jìn)劇率圖b4-7旋進(jìn)的質(zhì)子與旋進(jìn)的陀螺的比較三、施加射頻脈沖后（氫）質(zhì)子狀態(tài)當(dāng)生物組織被置于一個(gè)大的靜磁場(chǎng)中后，其生物組織內(nèi)的氫質(zhì)子順主磁場(chǎng)方向的處于低能態(tài)而 逆主磁場(chǎng)方向者為高能態(tài)。在低能態(tài)與高能態(tài)之間根據(jù)靜磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大小與當(dāng)時(shí)的溫度，勢(shì)必要達(dá)到 動(dòng)態(tài)平衡，稱為 熱平衡”狀態(tài)。這種熱平衡狀態(tài)中的氫質(zhì)子，被施以頻率與質(zhì)子群的旋進(jìn)頻率一致 的射頻脈沖時(shí)，將破壞原來的熱平衡狀態(tài)，從微觀上講，將誘發(fā)兩種能態(tài)間的質(zhì)子產(chǎn)生能態(tài)躍遷， 被激勵(lì)的質(zhì)子從

10、低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，出現(xiàn)核磁共振。從宏觀上講，受到射頻脈沖激勵(lì)的質(zhì)子群偏 離原來的平衡狀態(tài)而發(fā)生變化，其變化程達(dá)的位置度取決于所施加射頻脈沖的強(qiáng)度和時(shí)間。施加的 射頻脈沖越強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，在射頻脈沖停止時(shí)，m離開其平衡狀態(tài) bo越遠(yuǎn)。在mri技術(shù)中使用較多的是90、180射頻脈沖。施加90脈沖時(shí)，宏觀磁化矢量m以螺旋運(yùn)動(dòng)的形式離開其原來的 平衡狀態(tài)，脈沖停止時(shí)，m垂直于主磁場(chǎng) b0,如圖b4-8所示。tz圖b4-8射頻脈沖作用質(zhì)子磁矩后的進(jìn)動(dòng)路徑及到達(dá)的位置如用以b。為z軸方向的直角座標(biāo)系表示m,則宏觀磁化矢量m平行于xy平面，而縱向磁化矢量mz = o,橫向磁化矢量mxy最大，如圖b4-9

11、所示。這時(shí)質(zhì)子群幾乎以同樣的相位旋進(jìn)。施xy為零，如圖b4-10所示。加180脈沖后，m與b 平行，但方向相反，橫向磁化矢量m圖b4-9 90脈沖后橫向磁化矢量達(dá)到最大外鹵場(chǎng)廳問/ 1 a /am圖b4-10 180。脈沖后的橫向磁化分量為 0總之，施加90。、180?；蚱渌嵌鹊纳漕l脈沖后，人體組織內(nèi)受檢部位的氫質(zhì)子因接受了額外能量，其磁化矢量偏離了靜磁場(chǎng)方向而轉(zhuǎn)動(dòng)90、 180或其他角度，部分處于低能級(jí)的氫質(zhì)子因吸收能量而躍遷到高能態(tài)，這一接收射頻場(chǎng)電磁能的過程就稱為磁共振的激勵(lì)過程。在激勵(lì)過程中氫質(zhì) 子吸收了額外的電磁能，由低能態(tài)升入高能態(tài)，從而進(jìn)入了磁共振的預(yù)備狀態(tài)。四、射頻脈沖停止后

12、（氫）質(zhì)子狀態(tài)脈沖停止后，宏觀磁化矢量又自發(fā)地回復(fù)到平衡狀態(tài)，這個(gè)過程稱之為核磁弛豫”。當(dāng)90脈沖停止后，m仍圍繞b o軸旋轉(zhuǎn)，m末端螺旋上升逐漸靠向bo,如圖b4-11所示。圖b4-11 90度脈沖停止后宏觀磁化矢量的變化在脈沖結(jié)束的一瞬間，m在 xy平面上分量m xy達(dá)最大值，在z軸上分量mz為零。當(dāng)恢復(fù)到平 衡時(shí)，縱向分量 mz重新出現(xiàn)，而橫向分量m xy消失。由于在弛豫過程中磁化矢量m強(qiáng)度并不恒定， 縱、橫向部分必須分開討論。弛豫過程用2個(gè)時(shí)間值描述，即縱向弛豫時(shí)間（ti）和橫向弛豫時(shí)間（t2）。1 .縱向弛豫時(shí)間（ti）90。脈沖停止后，縱向磁化矢量要逐漸恢復(fù)到平衡狀態(tài)，測(cè)量時(shí)間距射

13、頻脈沖終止的時(shí)間越長(zhǎng)， 所測(cè)得磁化矢量信號(hào)幅度就越大。弛豫過程表現(xiàn)為一種指數(shù)曲線，值規(guī)定為mz達(dá)到最終平衡狀態(tài)63%的時(shí)間，如圖 b4-12所示。圖b4-12縱向弛豫時(shí)間t1t1進(jìn)一步的物理意義的理解，只有從微觀的角度分析。由于質(zhì)子從射頻波吸收能量，處于高能態(tài)的質(zhì)子數(shù)目增加，ti弛豫是質(zhì)子群通過釋放已吸收的能量，以恢復(fù)原來高低能態(tài)平衡的過程，ti弛豫也稱為自旋-晶格弛豫?？v向弛豫的快慢主要取決于自旋的原子核與周圍分子（固體中的晶格，液體中的同類分子或溶劑分子）之間的相互作用情況，所以 ti弛豫又稱為自旋-晶格弛豫。這種弛豫的實(shí)質(zhì)是，自旋原子 核通過與周圍晶格的作用傳遞給周圍物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)自身能量釋

14、放，而從高能級(jí)返回低能級(jí)。原子核與周圍分子的相互作用和組織的成分、結(jié)構(gòu)和環(huán)境有關(guān)。進(jìn)動(dòng)的質(zhì)子（原子核）有自己 的磁場(chǎng)，其方向在不斷地變化，并且隨著拉莫爾頻率而波動(dòng)。周圍的晶格也有自己的磁場(chǎng)，質(zhì)子要 把自身的能量傳遞給周圍晶格發(fā)生弛豫。晶格的磁場(chǎng)波動(dòng)越接近拉莫爾頻率時(shí)，能量傳遞越有效， 達(dá)到平衡狀態(tài)所需時(shí)間 ti越短。對(duì)于純液體（譬如水），質(zhì)子難于丟失自身的能量，因?yàn)樾〉乃肿舆\(yùn)動(dòng)很快。處于高能級(jí)狀態(tài) 的質(zhì)子不能把它們的能量迅速傳遞給周圍晶格，只能慢慢地回到原來的低能級(jí)水平，這意味著液體 （譬如水）有較長(zhǎng)的 ti。當(dāng)晶格由中等大小的分子構(gòu)成，這些分子運(yùn)動(dòng)、磁場(chǎng)波動(dòng)接近于進(jìn)動(dòng)質(zhì)子的拉莫爾頻率，則能

15、 量傳遞要有效得多，ti短得多，比如脂肪酸末端的碳鍵接近于拉莫爾頻率，能量傳遞有效，故脂肪 組織具有較短的 ti。2 .橫向弛豫時(shí)間（t2）90。脈沖的一個(gè)作用是激勵(lì)質(zhì)子群使之在同一方位，同步旋進(jìn)（相位一致），這時(shí)橫向磁化矢量mxy值最大，但射頻脈沖停止后，質(zhì)子同步旋進(jìn)很快變?yōu)楫惒?，旋轉(zhuǎn)方位也由同而異，相位由聚合 一致變?yōu)閱适Ь酆隙鳟?，磁化矢量相互抵消，m xy很快由大變小，最后趨向于零，稱之為去相位。 橫向磁化矢量衰減也表現(xiàn)為一種指數(shù)曲線，t2值規(guī)定為橫向磁化矢量衰減到其原來值37 %所用的時(shí)間，如圖b4-i3所示。圖b4-i3 90度脈沖停止后宏觀磁化矢量的變化橫向磁化矢量由大變小直至消

16、失的原因是：組織中水分子的熱運(yùn)動(dòng)持續(xù)產(chǎn)生磁場(chǎng)的小波動(dòng)，周 圍磁環(huán)境的任何波動(dòng)可造成質(zhì)子共振頻率的改變，使質(zhì)子振動(dòng)稍快或稍慢，使質(zhì)子群由相位一致變 為互異，即質(zhì)子熱運(yùn)動(dòng)的作用使質(zhì)子間的旋進(jìn)方位和頻率互異，但無能量交換縱向弛豫。這種弛豫 也稱為自旋-自旋弛豫。橫向弛豫過程的本質(zhì)是，激勵(lì)過程使質(zhì)子進(jìn)動(dòng)相位的一致性逐漸散相（即逐漸失去一致性）的 過程，其散相的有效程度與質(zhì)子所處的周圍分子結(jié)構(gòu)的均勻性有關(guān)。分子結(jié)構(gòu)越均勻，散相效果越 差，橫向磁化減小的越慢，需要的橫向弛豫時(shí)間（t2）就越長(zhǎng)；反之，分子結(jié)構(gòu)越不均勻，散相效果越好，橫向磁化減小越快，t2就越短。t2時(shí)間主要取決于質(zhì)子所處的磁場(chǎng)的均勻性。因?yàn)?/p>

17、對(duì)于磁場(chǎng)中的質(zhì)子，其進(jìn)動(dòng)頻率與所處磁場(chǎng) 密切相關(guān)。射頻脈沖剛結(jié)束時(shí)，所以質(zhì)子都以相同相位進(jìn)動(dòng)；射頻結(jié)束后，如果不同位置的質(zhì)子所 處的磁場(chǎng)強(qiáng)度不一致，其進(jìn)動(dòng)頻率就發(fā)生改變，于是其進(jìn)動(dòng)相位自然也就變得不一致了（這種過程 稱為散相過程）。而影響不同位置的磁場(chǎng)（即磁場(chǎng)不均勻）主要有兩個(gè)方面的因素：主磁場(chǎng)的不均勻 性和內(nèi)部組織局部磁場(chǎng)的不均勻性。如果主磁場(chǎng)是絕對(duì)均勻的， 而影響質(zhì)子所處環(huán)境磁場(chǎng)均勻性的主要是組織內(nèi)部的磁場(chǎng)不均勻性。對(duì)于某種組織來講， 如果組織內(nèi)分子大小相對(duì)比較均勻，則由這些分子產(chǎn)生的內(nèi)部磁場(chǎng)也比較均勻，使得質(zhì)子所處的磁場(chǎng)均勻性好，而使相位失去一致性的速度變慢，t2就比較長(zhǎng)，比如液體組織或

18、含水較多組織。而對(duì)于一些組織分子大小差別很大的組織，其組織內(nèi)部磁場(chǎng)有較大差異，使得質(zhì)子失 去進(jìn)動(dòng)相位的一致性加快，從而t2也就越短。2核磁共振成像一、磁共振信號(hào)在弛豫過程中通過測(cè)定橫向磁化矢量mxy可得知生物組織的磁共振信號(hào)。橫向磁化矢量mxy垂直并圍繞 主磁場(chǎng)bo以larmor頻率旋進(jìn)，按法拉第定律，磁矢量mxy的變化使環(huán)繞在人體周圍的接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)可以放大的感應(yīng)電流即mr信號(hào)。90。脈沖后，由于受 ti、t2的影響，磁共振信號(hào)以指數(shù)曲線形式衰減，稱為自由感應(yīng)衰減 （free induction decay, fid）,如圖b4-14。圖b4-14自由感應(yīng)衰減信號(hào)磁共振信號(hào)的測(cè)

19、量只能在垂直于主磁場(chǎng)的xy平面進(jìn)行。由于脈沖發(fā)射和接收生物組織原子核的共振信號(hào)不在同一時(shí)間，而射頻脈沖和生物組織發(fā)生的共振信號(hào)的頻率又是一致的，因此，可用一個(gè)線圈兼作發(fā)射和接收。由于m xy指向或背向接收線圈，mr信號(hào)或正或負(fù)，橫向磁化矢量轉(zhuǎn)動(dòng)，在接收線圈中出現(xiàn)周期性電流振蕩，這些振蕩為正弦波并逐漸阻尼（阻尼指信號(hào)幅度隨時(shí)間減弱），幅度的變化可用信號(hào) 演變來表示。由于質(zhì)子和質(zhì)子的相互作用（ spin-spin）,自由感應(yīng)衰減的時(shí)間為t2,質(zhì)子和質(zhì)子間的相互作用以及磁場(chǎng)不均勻性的影響，自由感應(yīng)衰減的時(shí)間為t2, t 2顯著短于丁2。在一個(gè)磁環(huán)境中，所有質(zhì)子并非確切地有同樣的共振頻率。在一個(gè)窄頻率

20、帶，自由感應(yīng)衰減信號(hào) 代表疊加到一起的正弦振蕩，用數(shù)學(xué)方法（傅里葉變換）可把這一振幅隨時(shí)間而變化的函數(shù)變成振 幅按頻率分布而變化的函數(shù)，后者即mr波譜，見圖b4-15。信號(hào)驪潸相關(guān)信nn頻傳時(shí)間頻率號(hào)幅度_ i 口ii圖b4-15傅立葉變換振幅隨時(shí)間而降低的正弦信號(hào)經(jīng)傅里葉變換后用窄細(xì)的鐘形波為代表。由于振幅演變的起始值取決于橫向磁矩，而該磁矩又取決于特定組織體素（voxel）中受激勵(lì)原子核的數(shù)目，因此波峰高度（信號(hào)強(qiáng)度）代表質(zhì)子密度n （h）,如質(zhì)子群為純水且主磁場(chǎng)又很均勻，則質(zhì)子群共振頻率只有1個(gè)，鐘形波為一直線。如由于質(zhì)子群的自旋-自旋作用及磁場(chǎng)不均勻性的影響，在頻率域座標(biāo)上就不是一直線

21、，而表現(xiàn)為一鐘形波，其寬度與t 2成反比，即鐘形波越寬，丁2越短，而鐘形波最寬處為其共振頻率。、梯度磁場(chǎng)前面我們所討論的是處在均勻恒定磁場(chǎng)bo中的樣品，在射頻脈沖的作用下產(chǎn)生核磁共振，此時(shí)接收到的信號(hào)來自整個(gè)樣品，并沒有把它們按空間分布區(qū)分開來，無法用來成像。為了實(shí)現(xiàn)核磁 共振成像，必須把收集到的信號(hào)進(jìn)行空間定位。定位方法常用的主要有3種：投影重建法、二維傅里葉變換法（2dft）和三維傅里葉變換法（3dft）。以下主要介紹 2dft法。mri掃描用的主磁體均勻度越高，影像質(zhì)量則越好。如前述，根據(jù)拉莫爾方程，在均勻的強(qiáng)磁 場(chǎng)中，生物體內(nèi)質(zhì)子群旋進(jìn)頻率由場(chǎng)強(qiáng)決定且是一致的，如在主磁場(chǎng)中再附加一個(gè)線

22、性梯度磁場(chǎng)，由于被檢物體各部位質(zhì)子群的旋進(jìn)頻率可因磁感應(yīng)強(qiáng)度的不同而有所區(qū)別，這樣就可對(duì)被檢體某一 部位行mr成像。因此，mri空間定位靠的是梯度磁場(chǎng)，mri的梯度磁場(chǎng)有3種：選層梯度場(chǎng) gz、頻率編碼梯度場(chǎng)gx、相位編碼梯度場(chǎng)gy。這些梯度場(chǎng)的產(chǎn)生是通過3對(duì)（x、y、z）梯度線圈通以電流產(chǎn)生的，可通過人為地分別控制它的通斷實(shí)現(xiàn)成像所需要的梯度場(chǎng)。1 .選層梯度場(chǎng)gz以橫軸位（z）斷層為例，于主磁場(chǎng) bo再附加一個(gè)梯度磁場(chǎng) gz,磁感應(yīng)強(qiáng)度為bz,則總的磁感 應(yīng)強(qiáng)度為bo+bz,即沿z軸方向自左到右磁感應(yīng)強(qiáng)度不同，根據(jù)拉莫爾定律，被檢者質(zhì)子群在縱軸 平面上（垂直于z軸）被分割成一個(gè)個(gè)橫向斷面，

23、且質(zhì)子群有相同的旋進(jìn)頻率，如以這個(gè)頻率的90。脈沖激勵(lì)，就可在人體縱軸上選出橫軸層面，如圖 b4-16。圖b4-16選層原理2 .頻率編碼梯度場(chǎng)gx以橫軸位斷層為例，在啟動(dòng) gz選出被激勵(lì)的橫軸層面后，在采集信號(hào)的同時(shí)啟動(dòng)gx梯度磁場(chǎng),由于人體x軸的各質(zhì)子群相對(duì)位置不同，其對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng) gx也不同，磁感應(yīng)強(qiáng)度較大處的體素共振頻率比磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱處的體素要高一些，從而達(dá)到了按部位在x軸上進(jìn)行頻率編碼的目的。這時(shí)被 激勵(lì)平面發(fā)出的為一混合信號(hào)，用數(shù)學(xué)方法（傅里葉變換）區(qū)分出這一混合信號(hào)在頻率編碼梯度上 不同的頻率位置，則可在x軸上分出不同頻率質(zhì)子群的位置，如圖 b4-17所示。梯度捌率傅氏警換 后號(hào)

24、微場(chǎng)垂直 于星而7圖b4-17頻率編碼原理3 .相位編碼梯度場(chǎng) gy在施加90。脈沖gz梯度磁場(chǎng)后，人體相應(yīng)的xy平面上質(zhì)子群發(fā)生共振。如果在采集信號(hào)以前啟動(dòng)gy梯度，到采集信號(hào)時(shí)停止。由于 gy梯度的作用，磁感應(yīng)強(qiáng)度較大處的體素與磁感應(yīng)強(qiáng)度較小gy誘處的體素相比，前者磁化矢量轉(zhuǎn)動(dòng)得快，后者轉(zhuǎn)動(dòng)得慢，從而使磁化矢量失去相位的一致性，其相 位的改變?nèi)Q于體素在垂直方向上白位置。當(dāng) gy停止時(shí)，所有體素又以相同的速率轉(zhuǎn)動(dòng)，但 發(fā)的相位偏移依然存在，所以每一橫排發(fā)出的信號(hào)之間相位不一致，如圖b4-18所示。圖b4-20梯度場(chǎng)強(qiáng)度與射頻帶寬決定層厚圖b4-18相位編碼原理通過以上gx和gy兩路梯度的編

25、碼， 一幅二維mri影像由不同的頻率和相位組合成的每個(gè)體素 在矩陣中有其獨(dú)特的位置，計(jì)算每個(gè)體素的灰度值就可形成一幅影像。如圖b4-19所示。4 .斷層厚度與梯度磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系mri用的射頻脈沖其頻率并非越寬。因此mri完全一致，它有一個(gè)頻率范圍稱作射頻帶寬。射頻脈沖越短，其帶常用的 短激勵(lì)脈沖可選擇斷層面的厚度，斷層面的厚度與帶寬成正比。而增加梯度場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 可減薄斷層的厚度，如圖b4-20所示。但mri的層厚是有一定限制的，一般為3 20m m 。層厚3脈沖序列對(duì)于核磁共振系統(tǒng)來說， 射頻脈沖是用來產(chǎn)生射頻磁場(chǎng)的脈沖。而射頻磁場(chǎng)是驅(qū)動(dòng)激發(fā)磁化矢量，產(chǎn)生核磁共振信號(hào)的動(dòng)力源，所以對(duì)于不

26、同的射頻脈沖形式，其產(chǎn)生的作用是不同的。硬脈沖是指 時(shí)域內(nèi)很窄很強(qiáng)的矩形射頻脈沖，這種矩形脈沖對(duì)應(yīng)的頻譜很寬，頻譜的主瓣中央部分足以覆蓋樣 品吸收譜的頻率范圍。因此，這樣的激發(fā)脈沖可以近似地把射頻線圈所作用范圍內(nèi)的樣品全部進(jìn)行激發(fā)，它的特點(diǎn)是脈寬很短，強(qiáng)度和功率很大。而軟脈沖一般是指形狀為sinc波的射頻脈沖，這種射頻脈沖頻帶寬度窄，并且頻帶邊緣陡直，可以實(shí)現(xiàn)很好的選擇性激勵(lì)。因此，實(shí)際的核磁共振成 像都是利用時(shí)域內(nèi)的 sinc波作為軟脈沖來對(duì)樣品的某個(gè)層面進(jìn)行選擇性激勵(lì)的。3.1 硬脈沖fid序列圖b4-21硬脈沖fid序列硬脈沖自由感應(yīng)衰減(free induction decay, fi

27、d )序列的脈沖時(shí)序如圖 b4-21所示，其序列參數(shù)分 別為：rf：射頻脈沖的觸發(fā)時(shí)序；rx：核磁信號(hào)的接收時(shí)序；p1: 90硬脈沖脈寬；rfa1 : 90硬脈沖幅度；d0:重復(fù)采樣等待時(shí)間，即前一次采樣結(jié)束到下一次采樣開始之間的時(shí)間間隔；d3:線圈死時(shí)間；dt2:接收機(jī)死時(shí)間；acq:接收機(jī)采樣的總時(shí)間。硬脈沖cpmg序列硬脈沖cpmg序列是在自旋回波脈沖序列基礎(chǔ)上，多次施加180度脈沖，從而可以得到多個(gè)回波的脈沖序列(如圖b4-22所示)，其序列參數(shù)分別為：rf：射頻脈沖的觸發(fā)時(shí)序；rx：核磁信號(hào)的接收時(shí)序；p90、p180分別是硬脈沖90度和硬脈沖180度脈寬；tr:重復(fù)采樣等待時(shí)間，即

28、前一次采樣結(jié)束到下一次采樣開始之間的時(shí)間；d3:從180度射頻結(jié)束到信號(hào)采集開始之間的時(shí)間間隔，其最小值應(yīng)該是線圈死時(shí)間與接收機(jī) 死時(shí)間之和；t：半回波時(shí)間；2r回波時(shí)間；echocnt: 180度射頻脈沖個(gè)數(shù)。軟脈沖fid序列軟脈沖fid序列和硬脈沖fid序列在序列形式上是一樣的 （如圖b4-23所示），只是采用的射頻脈沖 種類不同。軟脈沖的脈寬較寬，幅值較低，對(duì)應(yīng)的頻帶較窄，只能激發(fā)較小頻率范圍內(nèi)的氫原子， 具有很好的激勵(lì)選擇性。圖上參數(shù)的具體含義如下：rf：射頻脈沖的觸發(fā)時(shí)序；rx：核磁信號(hào)的接收時(shí)序；p1: 90軟脈沖脈寬；rfa1 : 90軟脈沖幅度；d0:重復(fù)采樣等待時(shí)間，即前一次

29、采樣結(jié)束到下一次采樣開始之間的時(shí)間間隔；d3:線圈死時(shí)間；dt2:接收機(jī)死時(shí)間；acq:接收機(jī)采樣的總時(shí)間。rfa1圖b4-23軟脈沖fid序列多層自旋回波序列軟脈沖自旋回波(spin echo, se)序列是最為常見的一種核磁共振成像序列，而多層自旋回波 (multi-slice spin echo, mse)序列不但實(shí)現(xiàn)了 se的基本功能，而且可以一次進(jìn)行多個(gè)層面的成像，其 序列結(jié)構(gòu)形式如圖b4-24所示，圖上參數(shù)的具體含義如下：rf：射頻脈沖的觸發(fā)時(shí)序；gs：選層梯度脈沖的觸發(fā)時(shí)序；gp：相位編碼梯度脈沖的觸發(fā)時(shí)序；gr：頻率編碼梯度脈沖的觸發(fā)時(shí)序；rx：核磁信號(hào)的接收時(shí)序；p1: 90

30、軟脈沖脈寬；p2: 180軟脈沖脈寬；rfa1 : 90軟脈沖幅度；rfa2: 180軟脈沖幅度；d0:重復(fù)采樣等待時(shí)間，即前一次采樣結(jié)束到下一次采樣開始之間的時(shí)間間隔；d1:抗渦流梯度脈沖脈寬，也是補(bǔ)償梯度脈沖的脈寬；d2:選層方向的補(bǔ)償梯度脈沖脈寬，也是相位編碼梯度脈沖脈寬，同時(shí)還是頻率編碼方向的補(bǔ) 償梯度脈沖脈寬；d4:脈沖觸發(fā)時(shí)延；d5:線圈死時(shí)間；d9:梯度脈沖的上升沿或下降沿時(shí)間(未在圖上標(biāo)記)；d10:每層采樣之間的時(shí)間間隔；ga0 :選層梯度脈沖的幅度，也是抗渦流梯度脈沖幅度；ga1 :選層方向的補(bǔ)償梯度脈沖的幅度；ga2 :補(bǔ)償梯度脈沖的幅度；ga3:相位編碼梯度脈沖的幅度；

31、ga4 :頻率編碼方向的補(bǔ)償梯度脈沖的幅度；ga5 :頻率編碼梯度脈沖的幅度；c1:成像層面的層數(shù)；dt2:接收機(jī)死時(shí)間；acq:接收機(jī)采樣的總時(shí)間?！緦?shí)驗(yàn)儀器u(1) nmi20臺(tái)式磁共振成像儀(2) 乙醇和水的混合溶液(3) 花生和花生油樣品【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容u1測(cè)量乙醇和水混合溶液的橫向弛豫時(shí)間t2(1)配置乙醇和水的混合溶液，乙醇質(zhì)量含量分別為0%、20%、40%, 60%, 80%和100%。(2)系統(tǒng)參數(shù)和脈沖參數(shù)的設(shè)置。雙擊桌面上的運(yùn)行nmi20的分析軟件，點(diǎn)擊setpar ”圖標(biāo)，打開硬脈沖自由感應(yīng)衰減(freeinduction decay, fid)序列(pulse sequenc

32、e-hard pulse fid)(注：軟件用戶登錄的默認(rèn)用戶名為 admin,默認(rèn)密碼為admin)。尋找中心頻率和硬脈沖寬度，并設(shè)置其他參數(shù)，具體設(shè)置過程參見nmi20分析軟件使用說明書。設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊保存參數(shù)按鈕 ;v?,然后點(diǎn)擊退出按鈕一一回到主界面(注 意：不要點(diǎn)擊關(guān)閉窗口的按鈕)cpmg驗(yàn)調(diào)入cpmg序列界面，具體實(shí)驗(yàn)過程及其參數(shù)設(shè)置參見 nmi2吩析軟件使用說明書。采樣結(jié)束后，點(diǎn)擊保存文件(格式：.fid);,點(diǎn)擊:提取回波峰點(diǎn)，再點(diǎn)擊.j保存峰點(diǎn)文件(格式：.txt)。(4)弛豫信號(hào)反演。詳見t1、t2、t2*(t2star)反演軟件使用說明書。(5)分析不同濃度的乙醇和水混

33、合液t2的區(qū)別，計(jì)算第一個(gè)峰值面積占總面積的比率，并做該比率與濃度關(guān)系圖，分析利用核磁共振t21i量濃度的可行性。2 .測(cè)量花生的含油率含油率測(cè)量軟件是一款針對(duì)加工行業(yè)、食品、科研、教育等相關(guān)行業(yè)專門設(shè)計(jì)的一款專業(yè)軟件。其測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)，軟件性能穩(wěn)定，能適應(yīng)各行各業(yè)發(fā)展的需求。但要想測(cè)量結(jié)果與實(shí)際相符合則必 須要按含油率測(cè)量步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(1) 表樣制作取六根試管。將花生油置入試管，高度控制在1520mm,依次完成，并測(cè)量花生油的質(zhì)量。 定標(biāo)打開含油率分析軟件，將標(biāo)準(zhǔn)油樣置入磁體。點(diǎn)擊%按鈕，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，校正中心頻率和90度脈沖寬度并設(shè)置好實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并點(diǎn)擊定標(biāo)，進(jìn)入定標(biāo)對(duì)話框。輸入樣品名稱

34、，并選擇樣品數(shù)量為6”。點(diǎn)擊開始采樣”按鈕，按照程序提示輸入第一個(gè)標(biāo)樣質(zhì)量和標(biāo)樣含油率(100% 。將1#式管置入的探頭線圈中，點(diǎn)擊確定”開始測(cè)量。1#品測(cè)量完成后,彈出對(duì)話框要求填入2州羊品數(shù)據(jù)，此時(shí)樣品質(zhì)量框處第二個(gè)樣品花生油的質(zhì)量即可，點(diǎn)擊確定進(jìn)行 測(cè)量；測(cè)量完畢重復(fù)前面步驟，完成其余標(biāo)樣測(cè)量；最后一個(gè)樣品測(cè)量完畢后獲得擬合曲線，得到 擬合曲線的斜率和截距。3 3)測(cè)量測(cè)量花生的質(zhì)量，放入試管，并置入探頭線圈中，點(diǎn)擊測(cè)量按鈕，輸入樣品名稱、樣品），點(diǎn)擊 “開始測(cè)量 ”編號(hào)和樣品質(zhì)量，選擇參考樣品 “花生油 ” （此處樣品應(yīng)選前面定標(biāo)時(shí)所得標(biāo)樣完成后顯示樣品的含油率。 重復(fù)測(cè)量樣品十次，并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。3 花生的 mse 成像實(shí)驗(yàn)在正式開始成像實(shí)驗(yàn)之前，請(qǐng)首先將標(biāo)準(zhǔn)樣品放入磁體箱內(nèi)并完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置