核磁共振成像實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、中國(guó)石油大學(xué) 近代物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 成 績(jī)： 班級(jí)： 姓名 同組者： 教師： 核磁共振實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?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(guò)程；4、掌握弛豫時(shí)間的計(jì)算方法，并反演 T1和T2譜?！緦?shí)驗(yàn)原理】一核磁共振現(xiàn)象 原子核具有磁矩，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B0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1所示。 圖1 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：.二、施加射頻脈沖后(氫)

2、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(lái)的熱平衡狀態(tài)。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)B0越遠(yuǎn)。  如用以為軸方向的直角座標(biāo)系表示，則宏觀磁化矢量平行于平面，而縱向磁化矢量，橫向磁化矢量Mxy最大，如圖2所示。這時(shí)質(zhì)子群幾乎以同樣的相位旋進(jìn)。施加180°脈沖后，與平行，

3、但方向相反，橫向磁化矢量為零，如圖3所示。圖2 90°脈沖后橫向磁化矢量達(dá)到最大圖3 180°脈沖后的橫向磁化分量為0 三、射頻脈沖停止后（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(guò)程稱之為“核磁弛豫”。當(dāng)90°脈沖停止后，仍圍繞軸旋轉(zhuǎn)，末端螺旋上升逐漸靠向，如圖4所示。圖4 90度脈沖停止后宏觀磁化矢量的變化    1. 縱向弛豫時(shí)間（T1）  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(guò)程

4、表現(xiàn)為一種指數(shù)曲線，T1值規(guī)定為Mz達(dá)到最終平衡狀態(tài)63%的時(shí)間，如圖5所示。 圖5 縱向弛豫時(shí)間T1  T1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，T1弛豫是質(zhì)子群通過(guò)釋放已吸收的能量，以恢復(fù)原來(lái)高低能態(tài)平衡的過(guò)程，T1弛豫也稱為自旋晶格弛豫。 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xy值最大，但射頻脈沖停止后，質(zhì)子同步旋進(jìn)很快變?yōu)楫惒剑D(zhuǎn)方位也由同而異，相位由聚合一致變?yōu)閱适Ь酆隙鳟悾呕噶肯嗷サ窒?，xy很快由

5、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(lái)值37所用的時(shí)間，如圖6所示。圖6 90度脈沖停止后宏觀磁化矢量的變化四、核磁共振成像在弛豫過(guò)程中通過(guò)測(cè)定橫向磁化矢量xy 可得知生物組織的磁共振信號(hào)。橫向磁化矢量xy垂直并圍繞 主磁場(chǎng)B0以Larmor頻率旋進(jìn)，按法拉第定律，磁矢量xy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T1、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&#

6、160;decay，F(xiàn)ID），如圖7。圖7 自由感應(yīng)衰減信號(hào)磁共振信號(hào)的測(cè)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(lái)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，T2顯著

7、短于T2。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8。 圖8 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（），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)

8、上就不是一直線，而表現(xiàn)為一鐘形波，其寬度與T2成反比，即鐘形波越寬，T2越短，而鐘形波最寬處為其共振頻率。【實(shí)驗(yàn)裝置】NMI20臺(tái)式磁共振成像儀；乙醇和水的混合溶液；【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1 測(cè)量乙醇和汽油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%、50%、80%、100%。（2）系統(tǒng)參數(shù)和脈沖參數(shù)的設(shè)置（3）CPMG實(shí)驗(yàn)（4）弛豫信號(hào)反演（5）分析不同濃度乙醇和水混合液T2的區(qū)別。【數(shù)據(jù)記錄及處理】1 測(cè)量乙醇和汽油混合溶液的橫向弛豫時(shí)間T2運(yùn)行NMI20的分析軟件，尋找中心頻率和硬脈沖寬度，并設(shè)置其他參數(shù)后，調(diào)入CPMG序列界面進(jìn)行采樣并提取回波峰點(diǎn)，然后

9、進(jìn)行弛豫信號(hào)反演。表一 乙醇和水混合溶液的橫向弛豫時(shí)間T2乙醇濃度峰起始時(shí)間峰頂時(shí)間峰結(jié)束時(shí)間峰面積比例0%2477.082718.592983.6514735.06114735.0620%705.48811.1311072.27411.5720.03120%1417.472056.512595.0212952.150.96913363.7250%509.414613.591849.753405.3210.03250%1123.321707.352257.0212374.460.96812779.7880%367.838422.924533.6791.3210.00780%1232.85170

10、7.352154.4312191.620.77312282.94100%1629.751963.042364.4911037.78111037.78比率-濃度關(guān)系圖【思考與討論】1.什么是核磁共振，描述磁共振產(chǎn)生的基本原理；以及核磁共振成像的基本原理； 答：具有磁距的原子核在高強(qiáng)度磁場(chǎng)作用下，可吸收適宜頻率的電磁輻射，由低 能態(tài)躍遷到高能態(tài)的現(xiàn)象。如1H、3H、13C、15N、19F、31P等原子核，都具有非零自旋而有磁距，能顯示此現(xiàn)象。由核磁共振提供的信息，可以分析各種有機(jī)和無(wú)機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)。核磁共振現(xiàn)象來(lái)源于原子核的自旋角動(dòng)量在外加磁場(chǎng)作用下的進(jìn)動(dòng)，而其產(chǎn)生的條件是：核有自旋；外磁場(chǎng)，能級(jí)

11、分裂。核磁共振成像是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子電路技術(shù)、超導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種生物磁學(xué)核自旋成像技術(shù)。它是利用磁場(chǎng)與射頻脈沖使物體內(nèi)進(jìn)動(dòng)的氫核（即H+）產(chǎn)生射頻信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理而成像的。原子核在進(jìn)動(dòng)中，吸收與原子核進(jìn)動(dòng)頻率相同的射頻脈沖，即外加交變磁場(chǎng)的頻率等于拉莫頻率，原子核就發(fā)生共振吸收，去掉射頻脈沖之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以電磁波的形式發(fā)射出來(lái)，稱為共振發(fā)射。共振吸收和共振發(fā)射的過(guò)程叫做“核磁共振”。當(dāng)把物體放置在磁場(chǎng)中，用適當(dāng)?shù)碾姶挪ㄕ丈渌?，使之共振，然后分析它釋放的電磁波，就可以得知?gòu)成這一物體的原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的精確立體圖像，這就是核磁共振成像。  2.分析磁場(chǎng)空間分布不均勻性對(duì)共振信號(hào)的影響？&#