核磁共振成像实验报告.pdf
-WORD 格式-可编辑-专业资料-完整版学习资料分享-中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级：姓名 同组者：教师：核磁共振实验 【实验目的】1、理解核磁共振的基本原理；2、理解磁体的中心频率和拉莫尔频率的关系，并掌握拉莫尔频率的测量方法；3、掌握梯度回波序列成像原理及其成像过程；4、掌握弛豫时间的计算方法，并反演 T1 和 T2 谱。【实验原理】一核磁共振现象 原子核具有磁矩，氢原子核在绕着自身轴旋转的同时，又沿主磁场方向 B0作圆周运动,将质子磁矩的这种运动称之为进动，如图 1 所示。图 1 质子磁矩的进动 在主磁场中，宏观磁矩像单个质子磁矩那样作旋进运动，磁矩进动的频率符合拉莫尔（Larmor）方程：.0/2fB 二、施加射频脉冲后(氢)质子状态 当生物组织被置于一个大的静磁场中后，其生物组织内的氢质子顺主磁场方向的处于低能态而逆主磁场方向者为高能态。在低能态与高能态之间根据静磁场场强大小与当时的温度，势必要达到动态平衡，称为“热平衡”状态。这种热平衡状态中的氢质子，被施以频率与质子群的旋进频率一致的射频脉冲时，将破坏原来的热平衡状态。施加的射频脉冲越强，持续时间越长，在射频脉冲停止时，M 离开其平衡状态 B0越远。-WORD 格式-可编辑-专业资料-完整版学习资料分享-如用以为轴方向的直角座标系表示，则宏观磁化矢量平行于平面，而纵向磁化矢量，横向磁化矢量 Mxy 最大，如图 2 所示。这时质子群几乎以同样的相位旋进。施加 180脉冲后，与平行，但方向相反，横向磁化矢量为零，如图 3 所示。图 2 90脉冲后横向磁化矢量达到最大 图 3 180脉冲后的横向磁化分量为 0 三、射频脉冲停止后（氢）质子状态 脉冲停止后，宏观磁化矢量又自发地回复到平衡状态，这个过程称之为“核磁弛豫”。当 90脉冲停止后，仍围绕轴旋转，末端螺旋上升逐渐靠向，如图 4 所示。图 4 90 度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化 1.纵向弛豫时间（T1）90脉冲停止后，纵向磁化矢量要逐渐恢复到平衡状态，测量时间距射频脉冲终止的时间越长，所测得磁化矢量信号幅度就越大。弛豫过程表现为一种指数曲线，T1值规定为 Mz达到最终平衡状态63%的时间，如图 5 所示。-WORD 格式-可编辑-专业资料-完整版学习资料分享-图 5 纵向弛豫时间 T1 T1进一步的物理意义的理解，只有从微观的角度分析。由于质子从射频波吸收能量，处于高能态的质子数目增加，T1弛豫是质子群通过释放已吸收的能量，以恢复原来高低能态平衡的过程，T1弛豫也称为自旋晶格弛豫。2.横向弛豫时间（T2）90脉冲的一个作用是激励质子群使之在同一方位，同步旋进（相位一致），这时横向磁化矢量xy值最大，但射频脉冲停止后，质子同步旋进很快变为异步，旋转方位也由同而异，相位由聚合一致变为丧失聚合而各异，磁化矢量相互抵消，xy很快由大变小,最后趋向于零，称之为去相位。横向磁化矢量衰减也表现为一种指数曲线，T2值规定为横向磁化矢量衰减到其原来值 37所用的时间，如图 6 所示。图 6 90 度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化 四、核磁共振成像 在弛豫过程中通过测定横向磁化矢量xy 可得知生物组织的磁共振信号。横向磁化矢量xy垂直并围绕 主磁场 B0以 Larmor 频率旋进，按法拉第定律，磁矢量xy的变化使环绕在人体周围的接收线圈产生感应电动势，这个可以放大的感应电流即 MR 信号。90脉冲后，由于受 T1、T2的影响，磁共振信号以指数曲线形式衰减，称为自由感应衰减（free induction decay，FID），如图 7。-WORD 格式-可编辑-专业资料-完整版学习资料分享-图 7 自由感应衰减信号 磁共振信号的测量只能在垂直于主磁场的 XY 平面进行。由于脉冲发射和接收生物组织原子核的共振信号不在同一时间，而射频脉冲和生物组织发生的共振信号的频率又是一致的，因此,可用一个线圈兼作发射和接收。由于xy 指向或背向接收线圈，MR 信号或正或负，横向磁化矢量转动，在接收线圈中出现周期性电流振荡，这些振荡为正弦波并逐渐阻尼（阻尼指信号幅度随时间减弱），幅度的变化可用信号演变来表示。由于质子和质子的相互作用（spin-spin），自由感应衰减的时间为 T2，质子和质子间的相互作用以及磁场不均匀性的影响，自由感应衰减的时间为 T2，T2显著短于 T2。在一个磁环境中，所有质子并非确切地有同样的共振频率。在一个窄频率带，自由感应衰减信号代表叠加到一起的正弦振荡，用数学方法（傅里叶变换）可把这一振幅随时间而变化的函数变成振幅按频率分布而变化的函数，后者即 MR 波谱，见图 8。图 8 傅立叶变换 振幅随时间而降低的正弦信号经傅里叶变换后用窄细的钟形波为代表。由于振幅演变的起始值取决于横向磁矩，而该磁矩又取决于特定组织体素（voxel）中受激励原子核的数目，因此波峰高度（信号强度）代表质子密度（），如质子群为纯水且主磁场又很均匀，则质子群共振频率只有个，钟形波为一直线。如由于质子群的自旋自旋作用及磁场不均匀性的影响，在频率域座标上就不是一直线，而表现为一钟形波，其宽度与 T2成反比，即钟形波越宽，T2越短，而钟形波最宽处为其共振频率。【实验装置】NMI20 台式磁共振成像仪；乙醇和水的混合溶液；【实验内容】1 测量乙醇和汽油混合溶液的横向弛豫时间 T2（1）配置乙醇和水的混合溶液，乙醇质量含量分别为 0%、20%、50%、80%、100%。（2）系统参数和脉冲参数的设置（3）CPMG 实验（4）弛豫信号反演-WORD 格式-可编辑-专业资料-完整版学习资料分享-（5）分析不同浓度乙醇和水混合液 T2 的区别。【数据记录及处理】1 测量乙醇和汽油混合溶液的横向弛豫时间T2 运行 NMI20 的分析软件，寻找中心频率和硬脉冲宽度，并设置其他参数后，调入 CPMG 序列界面进行采样并提取回波峰点，然后进行弛豫信号反演。表一 乙醇和水混合溶液的横向弛豫时间 T2 乙醇浓度 峰起始时间 峰顶时间 峰结束时间 峰面积 比例 0%2477.08 2718.59 2983.65 14735.06 1 14735.06 20%705.48 811.131 1072.27 411.572 0.031 20%1417.47 2056.51 2595.02 12952.15 0.969 13363.72 50%509.414 613.591 849.753 405.321 0.032 50%1123.32 1707.35 2257.02 12374.46 0.968 12779.78 80%367.838 422.924 533.67 91.321 0.007 80%1232.85 1707.35 2154.43 12191.62 0.773 12282.94 100%1629.75 1963.04 2364.49 11037.78 1 11037.78 比率-浓度关系图-WORD 格式-可编辑-专业资料-完整版学习资料分享-WORD 格式-可编辑-专业资料-完整版学习资料分享-【思考与讨论】1.什么是核磁共振，描述磁共振产生的基本原理；以及核磁共振成像的基本原理；答：具有磁距的原子核在高强度磁场作用下，可吸收适宜频率的电磁辐射，由低 能态跃迁到高能态的现象。如 1H、3H、13C、15N、19F、31P 等原子核，都具有非零自旋而有磁距，能显示此现象。由核磁共振提供的信息，可以分析各种有机和无机物的分子结构。核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动，而其产生的条件是：核有自旋；外磁场，能级分裂。核磁共振成像是随着计算机技术、电子电路技术、超导体技术的发展而迅速发展起来-WORD 格式-可编辑-专业资料-完整版学习资料分享-的一种生物磁学核自旋成像技术。它是利用磁场与射频脉冲使物体内进动的氢核（即H+）产生射频信号，经计算机处理而成像的。原子核在进动中，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外加交变磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉冲之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形式发射出来，称为共振发射。共振吸收和共振发射的过程叫做“核磁共振”。当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，使之共振，然后分析它释放的电磁波，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像，这就是核磁共振成像。2.分析磁场空间分布不均匀性对共振信号的影响？答：不均匀的磁场会在样品内形成局部磁场，它将加剧磁化强度横向分量进动，相位失配的过程，使共振信号产生附加的展宽。【实验总结】此实验实验原理非常复杂，但是由于是全电脑自动处理数据，所以总体感觉实验很轻松，实验结果也很明显，后期数据处理上也不难。但是在对实验原理和实验操作进一步了解后，明白了核磁共振的重要性及其在各领域的影响，体会到物理学的魅力。
