核磁共振實(shí)驗(yàn)參數(shù)影響及弛豫時(shí)間的測(cè)量

1、PAGE PAGE 6核磁共振實(shí)驗(yàn)參數(shù)影響及弛豫時(shí)間的測(cè)量材料物理 湯逸敏 07300300054【摘要】核磁共振實(shí)驗(yàn)的基本原理，圖示，參數(shù)對(duì)信號(hào)的影響以及弛豫時(shí)間的測(cè)量?！娟P(guān)鍵詞】核磁共振 FID 自旋回波 T1 T2 一、引言：核磁共振成像技術(shù)以物理學(xué)為基礎(chǔ)，涉及多個(gè)學(xué)科。自從1945年Bloch和Purcell發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象，已有很多科學(xué)家在核磁共振成像技術(shù)及其應(yīng)用方面做出了杰出的貢獻(xiàn)。核磁共振技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，尤其是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。本文將著重介紹核磁共振成像技術(shù)的原理性實(shí)驗(yàn)，探討兩種信號(hào)的形成機(jī)理、影響因素以及對(duì)兩類(lèi)弛豫時(shí)間的測(cè)量。二、自由衰減信號(hào)FID：原理：當(dāng)M在90脈沖作用下倒

2、在XY平面內(nèi)，系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)。在M恢復(fù)到M0的過(guò)程中，在Y軸上安一個(gè)接受線(xiàn)圈，于是線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該信號(hào)即為FID信號(hào)。原理的圖示表示： （圖1） 圖像來(lái)源：岳慧，周輝，魏德祥，王鑫，開(kāi)設(shè)核磁共振實(shí)驗(yàn)的討論，東北師范大學(xué)。磁場(chǎng)的均勻性及其各參數(shù)設(shè)置對(duì)FID信號(hào)的影響： 磁場(chǎng)的均勻性：由于1/T2*=1/T2+B0/2, 則當(dāng)主磁場(chǎng)均勻性越高，B0越小，T2*越長(zhǎng)，弛豫越慢，信號(hào)衰減到0越慢。因此，磁場(chǎng)越均勻，可以知道，F(xiàn)ID信號(hào)拖尾越長(zhǎng)。參數(shù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原因分析TD現(xiàn)象：觀測(cè)到的信號(hào)周期變多。原因：由于t=TD/SW。因此，TD越大，則信號(hào)的采集時(shí)間越長(zhǎng)，則觀測(cè)到的信號(hào)周期越多。P

3、1現(xiàn)象：P1=35us-60us間，信號(hào)幅度增大；P1=60us-80us之間，信號(hào)幅度減小。P1=60us時(shí)，F(xiàn)ID信號(hào)的幅度最大。（注：實(shí)驗(yàn)中曾觀測(cè)過(guò)P1=10us-35us之間變化時(shí)信號(hào)幅度的變化，均比P1=60us小，雖然未記錄在實(shí)驗(yàn)本上，這是這個(gè)實(shí)驗(yàn)記錄的不足之處，但由于實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了多次對(duì)比，所以可以確定此P1的測(cè)量無(wú)錯(cuò)誤。）原因：由于 ，所以可以判斷得知，P1=60us時(shí)，恰好轉(zhuǎn)過(guò)90，使得y軸上的接收線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，因此信號(hào)幅度也最大。SW現(xiàn)象：觀測(cè)到的信號(hào)周期變少。原因：由于t=TD/SW。因此，SW越大，信號(hào)采集時(shí)間越短，則觀察到的信號(hào)周期越少。D3現(xiàn)象：采集信號(hào)時(shí)

4、間延后，信號(hào)幅度減小。原因：在D3時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)發(fā)生弛豫過(guò)程，因此，當(dāng)D3增加，系統(tǒng)的狀態(tài)更趨向平衡，因此信號(hào)幅度減少。RG現(xiàn)象：信號(hào)幅度增加，噪聲減小。原因：儀器的自動(dòng)增益調(diào)節(jié)功能。但是當(dāng)增益過(guò)大時(shí)，由于每個(gè)ADC都有一個(gè)轉(zhuǎn)換范圍，因此，超出轉(zhuǎn)換的最高幅值的部分會(huì)被截止掉。 權(quán)函數(shù)現(xiàn)象：當(dāng)e指數(shù)增加時(shí)，信號(hào)幅度減小。原因：因?yàn)闄?quán)函數(shù)相當(dāng)于FID信號(hào)乘以一個(gè)e指數(shù)函數(shù)，構(gòu)成匹配濾波，從而提高了靈敏度，改善分辨率。NS現(xiàn)象：NS增大時(shí)，信噪比提高。原因：NMR信號(hào)是相干的，其強(qiáng)度隨累加次數(shù)增加為NS倍，噪聲是隨機(jī)的，累加后值提高了NS 1/2，所以，累加使得信噪比提高NS1/2。但若NS太大，會(huì)造成

5、數(shù)據(jù)溢出。三、自旋回波信號(hào)：1、原理：施加90脈沖，M倒在 軸上；由于磁場(chǎng)的不均勻，使得在XY平面上的磁矩分量發(fā)生相散；時(shí)刻后，施加180脈沖，則所有磁矩以X為軸反轉(zhuǎn)180，又時(shí)刻后，磁矩集中起來(lái)產(chǎn)生自旋回波信號(hào)。2、原理的圖示表示： （圖2） 圖像來(lái)源：彭培芝， 臧充之，用核磁共振成像儀測(cè)T1和T2，北京大學(xué)物理學(xué)院。3、各參數(shù)對(duì)自旋回波信號(hào)的影響：參數(shù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原因分析D1現(xiàn)象：D1從3000us增加到8000us的過(guò)程中，信號(hào)出現(xiàn)得越來(lái)越晚，向窗口右側(cè)移動(dòng)。原因：由于回波信號(hào)出現(xiàn)在180脈沖結(jié)束后的D1時(shí)刻，因此，D1增加，則回波出現(xiàn)得更晚。 D3現(xiàn)象：D3從1000us-3000us的

6、增大過(guò)程中，回波信號(hào)逐漸向屏幕左側(cè)移動(dòng)。原因：因?yàn)镈1不變，則回波信號(hào)出現(xiàn)的位置相同；但是，D3提高了，系統(tǒng)恢復(fù)到的平衡狀態(tài)程度更高，所以觀察到的信號(hào)幅度減小，視覺(jué)上看起來(lái)是回波信號(hào)向屏幕的左側(cè)移動(dòng)了。 C1,SW,TD現(xiàn)象：C1TD/SW，則顯示C1個(gè)回波。C1TD/SW，則顯示TD/SW個(gè)回波。原因：由于TD/SW是信號(hào)的采集時(shí)間，如果采集時(shí)間足夠長(zhǎng)以顯示C1個(gè)回波的話(huà)，則顯示C1個(gè)回波；反之，若采集時(shí)間不夠，則只能顯示TD/SW個(gè)回波。 四、縱向弛豫時(shí)間T1：1、兩種方法的原理及圖示：（1）反轉(zhuǎn)恢復(fù)法： （2）飽和恢復(fù)法：施加180- 90的脈沖序列。 施加90- 90的脈沖序列。初始條

7、件：Mz=-M0, Mxy=0. 初始條件：Mz=0，Mxy0. （圖3）圖像來(lái)源：岳慧，周輝，魏德祥，王鑫，開(kāi)設(shè)核磁共振實(shí)驗(yàn)的討論，東北師范大學(xué)。2、T1擬合結(jié)果的比較： T1=176.3ms T1=93.9ms 3、兩種方法產(chǎn)生差異的原因：（1）施加在樣品上的脈沖序列的不同導(dǎo)致初始條件不同。因而擬合所得曲線(xiàn)方程不同。 反轉(zhuǎn)恢復(fù)法： 飽和恢復(fù)法（2）由于反轉(zhuǎn)恢復(fù)法采用了21組數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，而飽和恢復(fù)法只采用了13組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。擬合點(diǎn)數(shù)太少，導(dǎo)致擬合線(xiàn)的誤差。（3）由于軟件限制，頻譜峰值的讀數(shù)只能估計(jì)。（峰高的讀數(shù)差一般為102的數(shù)量級(jí)）。她五、硬脈沖CPMG序列測(cè)T2：1、原理：硬脈沖

8、CPMG序列是在自旋回波脈序列的基礎(chǔ)上，多次施加180脈沖序列。在，3，5，7時(shí)施加180的脈沖下磁矩繼續(xù)重復(fù)(b)(c)這類(lèi)以X為軸的180反轉(zhuǎn)，從而在2，4，6，8時(shí)產(chǎn)生多個(gè)自旋回波信號(hào)。 2、原理的圖示表示： 闕立志，倪曉武，基于LabView的脈沖核磁共振實(shí)驗(yàn)，南京理工大學(xué)。 （圖4） |My(t)| = M0 exp（-2n/T2） 3、T2擬合的結(jié)果：回波鏈長(zhǎng)度單組分?jǐn)M合T2/ms雙組分?jǐn)M合T2/msT2(1)T2(2)C1=20094.29224.7655.26C1=50097.20208.8453.23C1=100094.73201.9949.94C1=200097.28219.1655.44總結(jié)：1、核磁共振的條件：外加的射頻磁場(chǎng)的頻率=拉莫頻率時(shí)，即 2、FID信號(hào)以及自旋回波信號(hào)與表格內(nèi)參數(shù)有著直接的關(guān)系，需充分理解參數(shù)的含義、功能方能設(shè)定合適的參數(shù)以得到好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3、弛豫屬性是自然界的固有屬性。通過(guò)測(cè)算物質(zhì)的弛豫時(shí)間T1、T2可以更好得了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其特性。掌握反轉(zhuǎn)恢復(fù)法和飽和恢復(fù)法測(cè)T1以及CPMG序列測(cè)T2的方法。致謝：謹(jǐn)此感謝俞熹老師的指導(dǎo)以及搭檔武帥同學(xué)的幫助。 參考資料：1、汪紅志，張學(xué)龍，武杰，核磁共振成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程，科學(xué)出版社，08年1月。2