武漢工程大學(xué)2015課表

1、核 磁 共 振 研 究 核磁共振成像(MRI) 是一種多參數(shù)、多核種的成像技術(shù)。目前臨床上使用的主要是氫核(質(zhì)子) 密度、弛豫時(shí)間T1 、T2 的成像。其基本原理是利用一定頻率的電磁波, 向處于靜磁場(chǎng)中的人體照射。人體各種不同組織的氫核,在電磁波作用下會(huì)發(fā)生核磁共振。吸收電磁波的能量,隨后又發(fā)射電磁波,即發(fā)射所謂核磁共振信號(hào)。這種核磁共振信號(hào)攜帶了物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息,通過測(cè)量和分析,可以獲得物質(zhì)的物理和化學(xué)信息,從而在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。而MRI 系統(tǒng)探測(cè)到這些來自人體中的氫核發(fā)射出來的電磁波信號(hào)之后,經(jīng)計(jì)算機(jī)處理和圖象重建,得到人體的斷層圖象,不僅可以反映形態(tài)學(xué)的

2、信息,還可以從圖象中得到與病理有關(guān)的信息。因此被認(rèn)為是一種研究活體組織、診斷早期病變的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 了解核磁共振的實(shí)驗(yàn)基本原理。2. 學(xué)習(xí)利用核磁共振校準(zhǔn)磁場(chǎng)和測(cè)量g因子的方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】永久磁鐵（含掃場(chǎng)線圈）、探頭1個(gè)（樣品為水）、數(shù)字頻率計(jì)、示波器。圖1實(shí)驗(yàn)裝置的方框圖如圖1所示，它由永久磁鐵、掃場(chǎng)線圈、DH2002型核磁共振儀（含探頭）、DH2002型核磁共振儀電源、數(shù)字頻率計(jì)、示波器。永久磁鐵：對(duì)永久磁鐵的要求是有較強(qiáng)的磁場(chǎng)、足夠大的均勻區(qū)和均勻性好。本實(shí)驗(yàn)所用的磁鐵中心磁場(chǎng)B0約0.48，在磁場(chǎng)中心（5mm）3范圍內(nèi)，均勻性優(yōu)于10-5。掃場(chǎng)線圈：用來產(chǎn)生一個(gè)幅度

3、在10-510-3 T的可調(diào)交變磁場(chǎng)用于觀察共振信號(hào)。掃場(chǎng)線圈的電流由變壓器隔離降壓后輸出交流6V的電壓。掃場(chǎng)的幅度的大小可通過調(diào)節(jié)核磁共振儀電源面板上的掃場(chǎng)電流電位器調(diào)節(jié)。探頭：本實(shí)驗(yàn)提供兩個(gè)探頭，其中一個(gè)的樣品為水（摻有硫酸銅），另一個(gè)為固態(tài)的聚四氟乙烯。測(cè)試儀由探頭和邊限振蕩器組成，液態(tài)1H樣品裝在玻璃管中。在玻璃管上繞有線圈，這個(gè)線圈就是一個(gè)電感L，將這個(gè)線圈插入磁場(chǎng)中，線圈的取向與B0垂直。線圈兩端的引線與測(cè)試儀中處于反向接法的變?nèi)荻O管（充當(dāng)可變電容）并聯(lián)構(gòu)成LC電路并與晶體管等非線性元件組成振蕩電路。當(dāng)電路振蕩時(shí)，線圈中即有射頻場(chǎng)產(chǎn)生并作用于樣品上。改變二極管兩端反向電壓的大小可

4、改變二極管兩個(gè)之間的電容C，由此來達(dá)到調(diào)節(jié)頻率的目的。儀器結(jié)構(gòu)A、 核磁共振儀電源圖3 磁場(chǎng)掃描電源1、掃場(chǎng)電源開關(guān)：掃場(chǎng)電源的開與關(guān)控制（電源開指示燈亮）2、掃場(chǎng)調(diào)節(jié)旋鈕：用于捕捉共振信號(hào)；順時(shí)針調(diào)節(jié)幅度增加。3、X軸偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕：用于相位的調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)節(jié)幅度增加。4、電源開關(guān)：電源的開與關(guān)控制（電源開指示燈亮）5、掃場(chǎng)電源輸出：用連接線連接到磁鐵底座上的接線柱6、電源輸出（三芯航空插頭）：供邊限振蕩器工作電源7、X軸偏轉(zhuǎn)輸出：用Q9連接線接到示波器的外接輸入B、 核磁共振儀由邊限振蕩器、探頭等組成。圖4 邊限振蕩器有關(guān)核磁共振儀的面板說明如下1、頻率調(diào)節(jié)旋鈕：用于頻率的調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)節(jié)頻

5、率增加。2、工作電流調(diào)節(jié)旋鈕：使振蕩器處于邊限振蕩狀態(tài)，以提高核磁共振信號(hào)的檢測(cè)靈敏度，并避免信號(hào)的飽和3、NMR輸出：用于信號(hào)的觀測(cè)，接示波器。4、頻率輸出：接頻率計(jì)共振頻率的測(cè)量5、電壓輸入：邊限振蕩器的工作電源輸入 圖5 核磁共振實(shí)驗(yàn)連線圖【實(shí)驗(yàn)原理】核磁共振是重要的物理現(xiàn)象。核磁共振實(shí)驗(yàn)技術(shù)在物理、化學(xué)、生物、臨床診斷、計(jì)量科學(xué)和石油分析與勘探等許多領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。1945年發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象的美國科學(xué)家鉑塞耳（Purcell）和布洛赫（Bloch）1952年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在改進(jìn)核磁共振技術(shù)方面作出重要貢獻(xiàn)的瑞士科學(xué)家恩斯特（Ernst）1991年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。大家知道，氫原

6、子中電子的能量不能連續(xù)變化，只能取離散的數(shù)值。在微觀世界中物理量只能取離散數(shù)值的現(xiàn)象很普遍。本實(shí)驗(yàn)涉及到的原子核自旋角動(dòng)量也不能連續(xù)變化，只能取離散值，其中稱為自旋量子數(shù)，只能取0,1,2，3，整數(shù)值或1/2，3/2，5/2，半整數(shù)值。公式中的=h/2，而h為普朗克常數(shù)。對(duì)不同的核素，I分別有不同的確定數(shù)值。本實(shí)驗(yàn)涉及的質(zhì)子和氟核19F的自旋量子數(shù)I都等于1/2。類似地，原子核的自旋角動(dòng)量在空間某一方向，例如z方向的分量也不能連續(xù)變化，只能取離散的數(shù)值p=m，其中量子數(shù)m只能取I，I1，-I+1，-I共（2I+1）個(gè)數(shù)值。自旋角動(dòng)量不為零的原子核具有與之相聯(lián)系的核自旋磁矩，簡稱核磁矩，其大小為

7、 （1-1）其中e為質(zhì)子的電荷，M為質(zhì)子的質(zhì)量，g是一個(gè)由原子核結(jié)構(gòu)決定的因子。對(duì)不同種類的原子核，g的數(shù)值不同，稱為原子核的g因子。值得注意的是g可能是正數(shù)，也可能是負(fù)數(shù)。因此，核磁矩的方向可能與核自旋角動(dòng)量方向相同，也可能相反。 由于核自旋角動(dòng)量在任意給定的z方向只能?。?I+1）個(gè)離散的數(shù)值，因此核磁矩在z方向也只能?。?I+1）個(gè)離散的數(shù)值； （1-2）原子核的磁矩通常用作為單位，稱為核磁子。采用作為核磁矩的單位以后，可記為。與角動(dòng)量本身的大小為相對(duì)應(yīng)，核磁矩本身的大小為g。除了用g因子表征核的磁性質(zhì)外，通常引入另一個(gè)可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)量的物理量，定義為原子核的磁矩與自旋角動(dòng)量之比： （1-

8、3）可寫成，相應(yīng)地有。 當(dāng)不存在外磁場(chǎng)時(shí)，每一個(gè)原子核的能量都相同，所有原子核處在同一能級(jí)。但是，當(dāng)施加一個(gè)外磁場(chǎng)B后，情況發(fā)生變化。為了方便起見，通常把B的方向規(guī)定為z方向，由于 （1-4）因此量子數(shù)m取值不同，核磁矩的能量也就不同，從而原來簡并的同一能級(jí)分裂為（2I+1）個(gè)子能級(jí)。由于在外磁場(chǎng)中各個(gè)子能級(jí)的能量與量子數(shù)m有關(guān)，因此量子數(shù)m又稱為磁量子數(shù)。這些不同子能級(jí)的能量雖然不同，但相鄰能級(jí)之間的能量間隔卻是一樣的。而且，對(duì)于質(zhì)子而言，I=1/2，因此，m只能取m=1/2和m=1/2兩個(gè)數(shù)值，施加磁場(chǎng)前后的能級(jí)分別如圖1-1中的（a）和（b）所示。 m=-1/2，E-1/2= m=+1/

9、2，E+1/2=（a） （b） 當(dāng)施加外磁場(chǎng)B后，原子核在不同能級(jí)上的分布服從玻爾茲曼分布，顯然處在下能級(jí)的粒子數(shù)要比上能級(jí)的多，其差數(shù)由大小、系統(tǒng)的溫度和系統(tǒng)的總粒子數(shù)決定。這時(shí)，若在與B垂直的方向上再施加一個(gè)高頻電磁場(chǎng)，通常為射頻場(chǎng)，當(dāng)射頻場(chǎng)的頻率滿足時(shí)會(huì)引起原子核在上下能級(jí)之間躍遷，但由于一開始處在下能級(jí)的核比在上能級(jí)的要多，因此凈效果是往上躍遷的比往下躍遷的多，從而使系統(tǒng)的總能量增加，這相當(dāng)于系統(tǒng)從射頻場(chǎng)中吸收了能量。時(shí)，引起的上述躍遷稱為共振躍遷，簡稱為共振。顯然共振時(shí)要求，從而要求射頻場(chǎng)的頻率滿足共振條件： （1-5）如果用角頻率表示，共振條件可寫成 （1-6）如果頻率的單位用HZ

10、，磁場(chǎng)的單位用T（特斯拉），對(duì)裸露的質(zhì)子而言，經(jīng)過大量測(cè)量得到42.577469MHZ/T，但是對(duì)于原子或分子中處于不同基團(tuán)的質(zhì)子，由于不同質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境不同，受到周圍電子屏蔽的情況不同，的數(shù)值將略有差別，這種差別稱為化學(xué)位移。對(duì)于溫度為25球形容器中水樣品的質(zhì)子，MHZ/T，本實(shí)驗(yàn)可采用這個(gè)數(shù)值作為很好的近似值。通過測(cè)量質(zhì)子在磁場(chǎng)B中的共振頻率可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的校準(zhǔn)，即 （1-7） 反之，若B已經(jīng)校準(zhǔn)，通過測(cè)量未知原子核的共振頻率便可求出原子核的值（通常用值表征）或g因子： （1-8）g= （1-9）其中7.6225914MHZ/T。通過上述討論，要發(fā)生共振必須滿足。為了觀察到共振現(xiàn)象通常有

11、兩種方法：一種是固定B，連續(xù)改變射頻場(chǎng)的頻率，這種方法稱為掃頻方法；另一種方法，也就是本實(shí)驗(yàn)采用的方法，即固定射頻場(chǎng)的頻率，連續(xù)改變磁場(chǎng)的大小，這種方法稱為掃場(chǎng)方法。如果磁場(chǎng)的變化不是太快，而是緩慢通過與頻率對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)時(shí)，用一定的方法可以檢測(cè)到系統(tǒng)對(duì)射頻場(chǎng)吸收信號(hào)，如圖（a）所示，稱為吸收曲線，這種曲線具有洛倫茲型曲線的特征。但是，如果掃場(chǎng)變化太快，得到的將是如圖（b）所示的帶有尾波的衰減振蕩曲線。然而，掃場(chǎng)變化的快慢是相對(duì)具體樣品而言的。本實(shí)驗(yàn)采用的掃場(chǎng)為頻率50HZ、幅度在10-510-3的交變磁場(chǎng)，對(duì)于液態(tài)的水樣品而言卻是變化太快的磁場(chǎng)，其吸收信號(hào)將如圖（b）所示，而且磁場(chǎng)越均勻，尾波中

12、振蕩的次數(shù)越多。 （a） （b） 【實(shí)驗(yàn)步驟】1、校準(zhǔn)永久磁鐵中心的磁場(chǎng)B0把樣品為水（摻有硫酸銅）的探頭插入到磁鐵中心，并使測(cè)試儀前端的探測(cè)桿與磁場(chǎng)在同一水平方向上，左右移動(dòng)測(cè)試儀使它大致處于磁場(chǎng)的中間位置。將測(cè)試儀前面板上的“頻率輸出”和“NMR輸出”分別與頻率計(jì)和示波器連接。把示波器的掃描速度旋鈕放在1ms/格位置，縱向放大旋鈕放在0.5V/格或1V/格位置?！癤軸偏轉(zhuǎn)輸出”與示波器上加到示波器的X軸（外接）連接，打開頻率計(jì)、示波器和核磁共振儀電源的工作電源開關(guān)以及掃場(chǎng)電源開關(guān)，這時(shí)頻率計(jì)應(yīng)有讀數(shù)。連接好 “掃場(chǎng)電源輸出”與磁場(chǎng)底座上的“掃場(chǎng)電源輸入”打開電源開關(guān)并把輸出調(diào)節(jié)在較大數(shù)值，

13、緩慢調(diào)節(jié)測(cè)試儀頻率旋鈕，改變振蕩頻率（由小到大或由大到?。┩瑫r(shí)監(jiān)視示波器，搜索共振信號(hào)。什么情況下才會(huì)出現(xiàn)共振信號(hào)？共振信號(hào)又是什么樣呢？如今磁場(chǎng)是永久磁鐵的磁場(chǎng)B0和一個(gè)50HZ的交變磁場(chǎng)疊加的結(jié)果，總磁場(chǎng)為 （1-10）其中是交變磁場(chǎng)的幅度,是市電的角頻率.總磁場(chǎng)在的范圍內(nèi)按圖1-4的正弦曲線隨時(shí)間變化。由(1-6)式可知，只有落在這個(gè)范圍內(nèi)才能發(fā)生共振。為了容易找到共振信號(hào)，要加大(即把掃場(chǎng)的輸出調(diào)圖1-4到較大數(shù)值)，使可能發(fā)生共振的磁場(chǎng)變化范圍增大；另一方面要調(diào)節(jié)射頻場(chǎng)的頻率，使落在這個(gè)范圍。一旦落在這個(gè)范圍，在磁場(chǎng)變化的某些時(shí)刻總磁場(chǎng)，在這些時(shí)刻就能觀察到共振信號(hào)，如圖1-4所示，

14、共振發(fā)生在的水平虛線與代表總磁場(chǎng)變化的正弦曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。如前所述，水的共振信號(hào)將如圖（b）所示，而且磁場(chǎng)越均勻尾波中的振蕩次數(shù)越多，因此一旦觀察到共振信號(hào)后，應(yīng)進(jìn)一步仔細(xì)調(diào)節(jié)測(cè)試儀在的左右位置，使尾波中振蕩的次數(shù)最多，亦即使探頭處在磁鐵中磁場(chǎng)最均勻的位置。由圖1-4可知，只要落在范圍內(nèi)就能觀察到共振信號(hào)，但這時(shí)未必正好等于，從圖上可以看出：當(dāng)時(shí)，各個(gè)共振信號(hào)發(fā)生的時(shí)間間隔并不相等，共振信號(hào)在示波器上的排列不均勻。只有當(dāng)時(shí)，它們才均勻排列，這時(shí)共振發(fā)生在交變磁場(chǎng)過零時(shí)刻，而且從示波器的時(shí)間標(biāo)尺可測(cè)出它們的時(shí)間間隔為10ms。當(dāng)然，當(dāng)或時(shí)，在示波器上也能觀察到均勻排列的共振信號(hào)，但它們的時(shí)間

15、間隔不是10ms，而是20ms。因此，只有當(dāng)共振信號(hào)均勻排列而且間隔為10ms時(shí)才有，這時(shí)頻率計(jì)的讀數(shù)才是與對(duì)應(yīng)的質(zhì)子的共振頻率。2.調(diào)試步驟1、將掃場(chǎng)電源的掃場(chǎng)輸出兩個(gè)輸出端，接磁鐵底座上的掃場(chǎng)線圈掃場(chǎng)電源輸入。2、將邊限振蕩器的NMR輸出用Q9線接示波器CH1通道或CH2通道。頻率輸出用Q9線接頻率計(jì)的A通道（頻率計(jì)的通道選擇：A通道，即1HZ100MHZ；Fuction選擇：FA；GATE TIME選擇1S）。3、掃場(chǎng)電源的掃場(chǎng)調(diào)節(jié)旋鈕順時(shí)針調(diào)至接近最大（旋至最大后，再往回旋半圈；因?yàn)樽畲髸r(shí)電位器電阻為零，輸出短路可能對(duì)儀器有一定損傷），這樣可以加大捕捉信號(hào)的范圍。4、將硫酸銅樣品放入探頭中并將其置于磁鐵中。調(diào)節(jié)邊限振蕩器的頻率節(jié)電位器，將頻率調(diào)節(jié)至磁鐵標(biāo)志的1H共振頻率附近，在此附近捕捉信號(hào)；調(diào)節(jié)旋鈕時(shí)要慢，因?yàn)楣舱穹秶浅Ｐ?，很容易跳過。注：因?yàn)榇盆F的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨溫度的變化而變化（成反比關(guān)系），所以應(yīng)在標(biāo)志頻率附近±1MHZ的范圍進(jìn)行信號(hào)的捕捉！ 5、調(diào)出共振信號(hào)后，適當(dāng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)掃場(chǎng)幅度，以降低掃描磁場(chǎng)的幅度，調(diào)節(jié)核磁共振儀上的頻率旋鈕，使示波器上的NMR信號(hào)的間距等寬（約10mS）。同時(shí)通過移動(dòng)核磁共振儀來調(diào)節(jié)探頭在磁鐵中的空間位置來得到最強(qiáng)、尾波最多，馳豫時(shí)間最長的共振信號(hào)?！緮?shù)據(jù)記錄與處理】1. 找出H樣本的共振頻率。2. 繪制H樣本共振時(shí)的吸收曲線