脈沖核磁共振

核磁共振及其成像實(shí)驗(yàn)一、引言核磁共振指受電磁波作用的原子核系統(tǒng)在外磁場(chǎng)中磁能級(jí)之間發(fā)生共振躍遷的現(xiàn)象，1939年首次被拉比在高真空中的氫分子束實(shí)驗(yàn)中觀察到，之后廣泛運(yùn)用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)旨在掌握核磁共振基本原理，并利用核磁共振研究硬脈沖及其回波，測(cè)量橫向弛豫時(shí)間，了解幾種成像參數(shù)對(duì)圖像的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理2.1核磁共振基本原理當(dāng)一個(gè)樣品被放在外磁場(chǎng)B中時(shí)，樣品就會(huì)被磁化，產(chǎn)生能級(jí)分裂現(xiàn)象，所產(chǎn)0生的能級(jí)間距為：AE=yBh (1)0若在該樣品系統(tǒng)上加上一個(gè)射頻磁場(chǎng)，當(dāng)射頻場(chǎng)能量等于能級(jí)間距時(shí)，樣品對(duì)外加射頻能量吸收達(dá)到最大，因此得到核磁共振產(chǎn)生的基本條件：hu=h①=yBh00(2)因此得到拉莫爾方程⑷=yb00(3)其中?就是產(chǎn)生核磁共振的拉莫爾頻率，Y為樣品物質(zhì)的磁旋比，B為外00加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。2.2自旋回波考慮一個(gè)90°-t-180°-t采樣的脈沖序列。把一個(gè)包含大量自旋數(shù)的樣品分為106個(gè)系綜，在每個(gè)區(qū)域，外磁場(chǎng)分布在一個(gè)很窄的范圍，每個(gè)系綜內(nèi)有一確定的凈磁化強(qiáng)度，它們都對(duì)總的磁化強(qiáng)度做出貢獻(xiàn)。第一個(gè)90°脈沖后，每一個(gè)這樣的磁化矢量均以稍稍不同的頻率作進(jìn)動(dòng)，彼此逐漸散相。經(jīng)過時(shí)間t后，施之一個(gè)雙倍寬度的180°脈沖，相位差全部反轉(zhuǎn)，再經(jīng)過適當(dāng)時(shí)間t后，所有系綜回到同相位狀態(tài)，總磁化強(qiáng)度達(dá)到最大值。在樣品線圈里，感應(yīng)出“自旋回波”信號(hào)，幅度一般小于FID信號(hào)。由于此回波序列測(cè)量t存在著采樣時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn),2故采用90°-t-180°-2t-180。-...序列。2.3弛豫過程橫向弛豫時(shí)間：起因于自旋-自旋之間的相互作用。橫向弛豫時(shí)間t表征由2于非平衡態(tài)進(jìn)動(dòng)相位相關(guān)產(chǎn)生的不為0的磁化強(qiáng)度橫向分量M恢復(fù)到平衡態(tài)時(shí)相位無(wú)關(guān)所需特征時(shí)間。即橫向弛豫時(shí)間t描述了垂直于磁場(chǎng)方向的核自旋磁矩2恢復(fù)到熱平衡態(tài)的快慢程度。三、實(shí)驗(yàn)裝置與過程3.1實(shí)驗(yàn)裝置NMI20Analyst臺(tái)式核磁共振成像儀、大豆油、芝麻3.2實(shí)驗(yàn)過程測(cè)量大豆油拉莫爾頻率對(duì)FID信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，找到射頻磁場(chǎng)的中心頻率，對(duì)圖像進(jìn)行峰值提取、設(shè)定中心頻率，重復(fù)以上步驟直至偏差為0。硬脈沖回波實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)P1、P2得到90°與180°脈沖，觀察硬脈沖回波的特性，形狀，以及各個(gè)參數(shù)對(duì)其的影響。3.2.3測(cè)量橫向弛豫時(shí)間t2采用硬脈沖CPMG序列，可以得到一個(gè)回波的波列。對(duì)每個(gè)回波的波峰值與時(shí)間進(jìn)行擬合即可測(cè)得橫向弛豫時(shí)間t。23.2.4芝麻、大豆油自旋回波成像選擇軟脈沖成像，準(zhǔn)確調(diào)整拉莫爾共振頻率以及軟脈沖的RFAmp1(%)和RFAmp2(%)的值，最后進(jìn)行各種成像參數(shù)調(diào)整，直至成像。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1測(cè)量大豆油的拉莫爾頻率通過傅里葉變換，測(cè)得=23.184806MHz；0圖1共振時(shí)信號(hào)曲線討論：(1)橫向弛豫時(shí)間t圖1共振時(shí)信號(hào)曲線2磁場(chǎng)方向的核自旋磁矩恢復(fù)到熱平衡態(tài)的快慢程度，因此磁場(chǎng)越均勻t越大，因2此當(dāng)FID信號(hào)拖尾最長(zhǎng)時(shí)，就表示磁場(chǎng)的狀態(tài)最均勻；(2)FID信號(hào)的振蕩反映了總磁矢量M在向上恢復(fù)時(shí)的進(jìn)動(dòng)；衰減則反映了橫向上的弛緩現(xiàn)象。當(dāng)共振時(shí)，進(jìn)動(dòng)消失，因此信號(hào)只產(chǎn)生衰減而不會(huì)產(chǎn)生震蕩，如右圖。4.2改變參數(shù)研究硬脈沖回波①改變P1、P2值使得信號(hào)最大調(diào)節(jié)P1,測(cè)得當(dāng)Pl=27.5±0.5ps時(shí)信號(hào)振幅最大，對(duì)應(yīng)90°脈沖；調(diào)節(jié)P2,測(cè)得當(dāng)P2=55.0±0.5ps時(shí)信號(hào)振幅最小，對(duì)應(yīng)180°脈沖；討論：Pl、P2即脈沖信號(hào)寬度，其大小代表著總磁化強(qiáng)度偏轉(zhuǎn)的角度，由于信號(hào)接收器位于X-Y水平面上，因此當(dāng)信號(hào)振幅最大時(shí)，對(duì)應(yīng)90°脈沖；當(dāng)信號(hào)振幅最小時(shí)，對(duì)應(yīng)180°脈沖。并且易知P2的大小等于兩倍的P1，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得數(shù)據(jù)與理論符合得較好。②改變D1值研究波形的變化實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著D1的增大，回波的振幅減小并且逐漸右移。討論：D1表示90°脈沖與180°脈沖之間的時(shí)間間隔。當(dāng)施加了一個(gè)90°脈沖之后，總磁矩M的方向從豎直向上變成了水平。之后磁矩繞垂直磁場(chǎng)做進(jìn)動(dòng)，水平分量繞z軸作旋轉(zhuǎn)，且其模長(zhǎng)不斷減小。此時(shí)施加一個(gè)180°的脈沖，使磁矩的相位差完全反轉(zhuǎn)，經(jīng)過一段時(shí)間后它們回到同相位的狀態(tài)，也即總的磁化強(qiáng)度達(dá)到最大值。接著磁矩又以不同速度繼續(xù)進(jìn)行弛豫過程，信號(hào)逐漸減小。故在圖中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)包絡(luò)線的峰值。當(dāng)D1越大，則90°與180°之間的間隔越大，也即經(jīng)過的弛豫時(shí)間越長(zhǎng)。施加了180°脈沖之后，D1越大則需要更多的時(shí)間才

能使所有磁矩達(dá)到同相位，故回波圖形隨著D1的變大而向右移動(dòng)。回波的幅度通常小于原始的FID,原因由于是熱弛豫及擾動(dòng)核磁矩進(jìn)動(dòng)的局域場(chǎng)的隨機(jī)波動(dòng)的影響，使磁化強(qiáng)度的幅度稍有損失，而D1越大其衰減的時(shí)間就越多,導(dǎo)致其回波振幅變小。4.3硬脈沖CPMG測(cè)量橫向弛豫時(shí)間t2采用硬脈沖CPMG序列(90°-t-180°-2t-180。-...),間隔相同的時(shí)間多次施加

180°，可以得到多個(gè)逐漸衰減的信號(hào)。對(duì)峰值與時(shí)間進(jìn)行e指數(shù)擬合即可得到弛豫時(shí)間t。擬合結(jié)果如下：2峰數(shù)t/ms250103.7410098.31200108.59綜上，取平均值：t=103.55ms2討論：t并不存在理論值，實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)測(cè)量并不精準(zhǔn)，因此我們盡量選擇最可2信的數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)中選取的峰數(shù)較多，且最后峰的大小都下降到了250以下，衰減曲線較完整，因此認(rèn)為此數(shù)據(jù)的置信度較高。4.4芝麻、大豆油自旋回波成像圖2芝麻垂直切面成像圖圖圖2芝麻垂直切面成像圖圖3大豆油垂直切面成像圖RFAmp1(%)=12.0 RFAmp2(%)=21.0拉莫爾頻率v=23.185111MHz0討論：軟脈沖和硬脈沖采用的射頻脈沖不同。硬脈沖回波采用的是窄而強(qiáng)的方波時(shí)間域射頻脈沖，沒有選擇性，一般在波譜分析中常用；而軟脈沖采用的寬而弱的SINC波形時(shí)間域射頻脈沖，其頻帶較窄，具有很好的選擇性激勵(lì)特性，一般在成像中常用。因此，對(duì)軟脈沖而言，要使得總磁矢量M改變就需要改變其脈沖信號(hào)的幅度而非時(shí)間（即施加在