脉冲核磁共振实验 （06光科 冯文赫 06300720358）
引言 核磁共振现象最早在1946年被发现 1978 年英国研制出第一台核磁共振成像仪 2002 年全世界共进行了超过六千万次的核磁共振成像检测 核磁共振成像技术已在医学和脑科学等领域开拓了新的研究方向.
核磁共振 原子核磁矩在外磁场B0作用下产生分裂获得附加能量Em=−μzB0=−γℏmB0,若m＝1/2或-1/2,则在外磁场作用下核能级分裂成两个能级, ΔE=γℏB0 如果此时在与B0垂直方向加上频率为ν的交变磁场B1,此交变磁场的能量量子为hν,当hν＝ΔE就会引起核能态在两个分裂能级间的跃迁,产生共振现象.此时共振频率 ν0＝γB0/2π
自由感应衰减 实验中能观测到大量原子核组成的宏观磁矩.总的宏观磁矩M0与B0方向一致,在x、y方向分量为0. 若某因素（如外加射频场B1使M偏离z轴,总磁矩M将绕z轴以拉莫尔频率ω0旋转并逐渐恢复到平衡态. 如果射频脉冲B1使M与Z轴成90°或180°,则称该脉冲为90°或180°脉冲.
自由感应衰减 在y轴上放置接收线圈,因为90°脉冲使M在y轴上最大,有一个频率与进动频率相同的感应信号产生,其振幅的包络线与总磁矩在x-y平面上的分量有关,是一个指数衰减信号,称为自由感应衰减信号（Free Inductive Decay,FID） 显然180°脉冲不会有FID信号.
核磁弛豫过程 ——吸收射频脉冲能量后的自旋核与周围物质相互作用并以相同频率的射频辐射形式退激发的过程. 从微观角度看弛豫时间的机理可以分为两种 一种是由于自旋磁矩与周围介质的相互作用使M逐渐恢复到M0,称为自旋-晶格弛豫,以弛豫时间T1来表示 另一种是自旋-自旋弛豫,它导致M的横向分量Mxy逐渐趋于0,以弛豫时间T2表示.
核磁共振成像基本原理 将核磁共振信号所反映的核密度以及弛豫时间T1和T2的空间分布显示成图像. 关键是对信号进行空间编码. 为了在信号中包含空间位置的信息,必须在均匀外磁场上叠加一个空间线性梯度场B(x,y,z),其方向与均匀静磁场B0的方向一致,大小数值是空间坐标的线性函数,这样就可以实现不同位置共振信号的空间编码. 经过空间编码后的信号,通过二维傅里叶变换得到图像.
实验系统 NMI20台式核磁共振成像仪的工作原理：在计算机（脉冲序列）的控制下射频信号在波形调制信号的调制下形成需要的形状,送至射频功放系统进行功率放大后,经过发射线圈发射后激发样品产生核磁共振. 在信号采集期间,射频线圈感应到FID信号送入计算机处理. 在二维核磁共振成像序列中,还需要从脉冲序列发生器中发出三路梯度控制信号,分别经梯度功放后经由梯度线圈产生三个维度上的梯度磁场,起到对核磁共振信号进行空间定位的作用,通过计算机处理得到样品的2D图像.
硬脉冲FID信号的观察与1H拉莫尔频率的测量 采用旋转坐标系以消除进动项 当旋转坐标系的旋转频率与质子进动的频率,也就是拉莫尔频率完全相同时,线圈采集到的FID信号中的拉莫尔频率成份就可以被完全过滤掉,呈现出一条指数规律衰减的曲线.在实验中可以通过不断修改射频脉冲的中心频率,直到FID基本不出现振荡时,射频中心频率就是拉莫尔频率
SF1+O1=(22000+370.243)=22370.243MHz 标准值42.58×0.53=22567.4MHz
反转恢复法测T1 在核磁共振常规脉冲序列中,反转恢复序列是较为常见的一种序列.该序列首先施加一个180°脉冲使Mz反转,此后该磁化强度以T1进行自由弛豫.经过时间τ1后Mz有所减小,此时沿水平方向施加90°脉冲信号,该序列中180°和90°脉冲之间的间隔时间定义为反转时间D1.经过N次实验描绘出Mz的恢复曲线： Mz=M0[1-2exp(-t/T1)] 不断改变D1,得到一系列D1及其对应的峰值.通过软件附带的T1拟合功能拟合得到T1=149.9ms
Mz（TR）=M0[1-exp(-TR/T1)] 饱和恢复脉冲序列与反转恢复脉冲序列非常相似,但两个脉冲都是90°脉冲,且都施加在x轴方向.第一个脉冲之后宏观磁化矢量倒向x-y平面上,纵向和横向弛豫同时开始,而横向弛豫比纵向弛豫快得多,所以饱和恢复序列只适合于测量纵向弛豫时间T1. 设两个脉冲的间隔时间TR,纵向磁化矢量可表示为 Mz（TR）=M0[1-exp(-TR/T1)] 通过改变间隔时间TR,获得对应的一系列幅值,拟合得到的T1=134.4ms
硬脉冲CPMG序列测T2 首先施加90°脉冲,τ时间之后施加180°脉冲,之后每隔2τ施加180°脉冲.在t=2τ、3τ、4τ……时得到幅度逐渐减小的回波信号： |My(t)|=M0exp(-2nτ/T2) 这是T2的指数衰减曲线,可以利用此规律测得样品的T2值.试验所用的植物油是调和油,所以应该使用双组分拟合,得到T2=145.11ms和35.70ms
自旋回波序列成像实验 在核磁共振成像中,获取足够用于重建图像的信号按照一定时序和周期施加的射频脉冲与梯度脉冲的组合叫做脉冲序列.最常用的是自旋回波脉冲序列 首先用90°脉冲激励样品物质 施加一个梯度脉冲Gs作用在样品上,以选择并激发某一个特定层面 接下来是一个180°脉冲,改变x-y平面内质子的进动方向,使失相的质子重新相位重聚,吸收180°脉冲射频能量的质子将在后面以自旋回波的形式放出能量,产生自旋回波信号. 选择一个层面后,在相位编码和频率编码的作用下进行数据采集,Gp是相位编码梯度,在每次重复时相位编码梯度递增或递减一步；Gr是读出梯度,即频率编码梯度,以实现对每个体素的最终定位,从而确定视野的大小.
K空间 数字化后的核磁共振原始数据的存储空间 并不是样品的图像,不代表成像对象的物理位置. 对于每个读出梯度过程,线圈接收到的信号采样后填充到一个傅立叶行；在下一个采集周期中,随着相位编码步的步进,填充下一个傅立叶行. K空间数据与实际的质子密度互为傅立叶变换对,因此对K空间数据进行傅立叶变换,就得到所需的图像数据.
图像
结语 核磁共振成像技术是现代医学中最重要的影像诊断手段之一,但其理论比较晦涩难懂,硬件结构复杂.NMI20台式核磁共振实验仪是专门针对上述情况开发的一款小型核磁共振成像仪,基本结构和数据处理与医用核磁共振仪基本相同,价格比后者低廉许多,软硬件功能十分强大. 通过这个选做实验,本人也确实感到有收获,特别是经过参数的反复调整,成像清晰,切实感受到了核磁共振成像的优点.
谢谢！