核磁共振成像

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1、核磁共振成像胡鹏 06300190045核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中磁能级之间发生共振 跃迁的现象。根据此现象就可以通过将人体组织等所发出的微弱核磁共振信号重 建成一幅二维断面图像，这就是核磁共振成像的基本方法。实验原理：现在分析一下原子在外磁场作用下的具体表现。在原子核内的核子有相对 运动也有自旋运动。原子核的自旋可粗略的理解为原子核绕自身的轴向转动，它 具有方向性的角动量矢量。对于核自旋量子数I不为零的磁性核，在z方向的磁 场B z作用下角动量J和磁矩将绕Bz方向进动，进 动频率即拉模尔频率 =y B0。此时若在垂直于外场的方向施加一频率与拉莫尔频率相同的射频电磁场B1，

2、则宏观磁化量M在B 1作用下将以B1为轴章动。在脉冲傅里叶变化核磁共振 实验中，施加的射频脉冲使得磁化矢量偏离Z方向一个角度0，且。=丫Bf。当0 = 90 0时，该射频脉冲称为90。射频脉冲，0 = 1800时则为180 0射频脉冲。自旋核子群系统受到射频激励后，宏观磁化矢量失去平衡才生横向磁化分 量M,射频停止后核子群系统要从非平衡状态恢复到平衡状态，包括纵向磁 化矢量的恢复和横向磁化矢量的恢复两个过程，分别称为T弛豫和T弛豫。弛 121豫遵循指数规律：M,(t) = Mz(0)(1-e-m1，所以实验中我们可以通过测量Mz(t) 与t的关系来测得T1。孔弛豫也遵循指数规律：Mxy(t)

3、= M(0)eg，实验中可 以通过测量Mxy (t)与t的关系来测得。对于任何一种医学成像手段，都必须采用某种手段确定图像上每个像素的 位置信息和像素的灰度信息。在本实验中三维空间定位是利用三个相互垂直的可 控的线性磁场来实现的。实验内容：这个实验中，我主要做了硬脉冲、软脉冲fid系列和硬脉冲自旋回波的参数 调节和现象观察，测量拉莫尔频率、确定90 0的射频脉冲的，测量T1、T2，以及初步的三维成像。一、硬脉冲fid系列:硬脉冲fid的系列形式如右图所示。为了找到其中心频率。1，可先以20KHz为间隔调O1找到偏共振状态的频 率，其他参数按默认值填入。然后逐步分别调节Gx、GG乙，通过观察谱线

4、的Interval来确定匀场效果最好时他 们所对应的值。如下图就是调好参数后得到的偏共振状态图。匀场调好后使用软件中寻找中心频率O1的方法，反复调节，直到得到接 近共振状态和共振状态时的图像，如下图所示。记录共振状态时的中心频率Par-&metBfValueF1 (us)3D.03 DO O(ms)500TD1 024SW(KHz)1 DO.ODFW(KHr)30.0SF1 (MHz)2201 (KHz)RG2NS8 S1 D频率为 22(MHz)+383.636(KHz).（接近共振状态）ReirwrrioterVedu=P1 us)30.QD3(us)300DeT500TD：3W(KHz)

5、1 on uDFWtmz)30.0SF1 (MH 矽22on (KHzJ1：； :! ；iRGzNS6DS10共振状态O1，即可得到样品的拉莫尔频率。我们可以看出该样品（芝麻油）的拉莫尔在偏共振状态下调节P1的值至信号强度最大，此时P1的值即对应900射频脉冲的T值，如图（1）。从图中可看出90 0射频脉冲对应的T值为32 H，。再把图像调至偏共振状态，在该状态下调节参数SW （采样频率），使SW （KHz）=12、25、50、100、200，其图像如图（2）到（6）。从这5幅图可 明显看出SW越大，谱宽越小，这是因为谱宽（采样点数）=TD/SW。一个合 理的SW值有利于更加全面清楚的观察谱线

6、。从图（2）到（6）可看出取SW（KHz）=100最合适。现在改变参数d（3 s）， 令其分别取100、300、500、700、1000，得到的图像如图（7）到（11）。 通过比较可明显看出D3越大，信号强度越弱，反之亦然。从硬脉冲fid的系列形式中可知D（ 900射频脉冲结束后到信号开始采集之间的时间间隔）越 3长，恢复的磁矩越多，所以信号也就越弱。合理的选取D3的值也是很重要的，D3过小，信号过大有可能导致信号失真，如图（7）； D3过大，信号太 小又使得噪声的干扰比较明显，如图（11），所以合理的选择D3既能减小噪 声的干扰又能确保信号不失真，在本实验中选择D 3s） = 300。SW

7、(KHz) =12 图(2)oobn-ODH-n&H-nbDn-DDDn-pu-UH-H-o W皿指驾专弋罗2.1T3H4K-+a.vE-lSW (KHz) =25 图(3)SW（KHz） =50 图（4）SW （KHz） =100 图（5）SW （KHz） =200 图（6）D （日s） = 100 图（7）3DnHD.u-34D3（应）=300 图（8）D （日s） = 700 图（10）3D3（应）=50。图（9）D3（ s） = 1000 图（11）硬脉冲回波系列:NMRI中射频磁场系统发出的电磁波并非单一频率， 而是拉莫尔频率为中心，具有一定带宽。根据带宽的不 同将射频电磁波分为硬脉

8、冲和软脉冲两个类型。硬脉冲回波系列的系列形式如右图所示。其中参数P2是1800脉冲的施加时间，近似为P1的2倍。如在同一台机器上操作的，P1的 值可用上步硬脉冲fid中P1的值，其他参数的调节基本同前。调节图像至偏共振 状态，其参数和图像如下图。，提，飞r:罗，Rereimetei顽国P2(u=)sq 1 (Li a)EODD100O0(m=j10DDTD1 0213W(KH=100.0FVMJKHi)30.QmFI (MH =)2ZOI(KHe)365 .ODORG2NSBOS10在偏共振状态下改变参数D1的值，使D13 s） = 1000、3000、5000、8000、10000。 其图像

9、分别对应图（12）至图（16）。从图中可以看出D1的大小对应着峰值出现 的位置，这是因为在D3不变时，180 0射频脉冲结束后信号峰值出现的时间约等 于D1，所以出现了以下情况：D1过小，峰值过早的出现，图像的左半部分丢失，如图（12）； D过大时，如果采样时间又不够长，会直接导致无法测到峰值，从 1这5幅图的趋势也可看出来。取D（|i s） = 6000，改变参数TD （采样点数）的值，使TD=64、128、256、512、1024。其图像分别对应与图（12）至图（16）。TD对图像的影响与SW相 反，也即TD越大谱宽越宽，图像越密集。这是因为谱宽=TD/SW。合理的搭配 TD和SW的值可以

10、更好的调节图像的大小。图(12) D (|!s) = 10001图(14)D(ps) = 5000图(15)D (四s) = 80001图（17）TD=64图（16）D1（ps） = 10000图（18）TD=128图（19）TD=256图（20） TD=512图（21）TD=1024三、软脉冲fid系列:软脉冲的频带窄，频带边缘陡直，所以能更好的实现选择 性激励。软脉冲fid系列与硬脉冲fid系列形式上一样，只是采 用的的射频脉冲不一样。软脉冲fid系列采用的是宽而弱的sinc 波形时间域射频脉冲。其各参数的调节及其对波形的影响也基 本和硬脉冲类似，其具体的系列形式如右图。下面是偏共振状态下

11、的软脉冲图像及其相关的参数，从图 中可看出软脉冲波形没有硬脉冲光滑，这时因为软脉冲采用的 是宽而弱的射频脉冲，所以受噪音的影响比较大。另外软脉冲中的参数RFAmp1 （%）作用类似于硬脉冲fid中的P1类似，可以通过调节RFAmp1的值来使得信 号的幅度达到最大。PorameterValueRFAjnpl)rar?! 3(u=wo D(meJ1000TD10lOOUDFW(KHz)50.0SFl(MHi)22904 141RG2NSB SIQ（接近共振状态）改变其参数D3的值，使D33S） = 100、200、250、400，其图像如图（22）至图（25）。从前面的分析可知D3的大小影响信号的

12、强度，但由于软脉冲的信号强 度本来就很弱，而且的D3值改变不大所以无法看到明显现象，但仔细比较四幅 图可看出D3的值还影响着图像的初始相位，了解了D3的物理意义这一点也就很 容易理解了。33四、反转恢复法测T :1的具体含义在前面已经解释过了，反转恢复系列的基 本结构如右图。按照前面的步骤调好参数后，通过调节参数 C1的值可以调节所需的系列脉冲的重复次数，但调高C1的值时，同时要通过调节TD和SW来调节谱宽，以便得到一个完整的图形。取C1=8采样得到图（24）。记录各个峰值的数值，然后用软件中自带的程序 即可测得T的值，具体如下图所示。1五、硬脉冲CPMG系列测量t2:测量T2的基本原来开始已

13、经说明了，不再重 复。该系列的基本模式如右图。参数调节基本同前。 参数调好后，取C1=8得到的一个图形如图（24）。 实际测量时C1=200 （图形忘记保存），然后用软件 自带的拟合工具对孔进行拟合，即可测得T2的值。（参考图）图（24）5 ffLF _A_DOGKAmpr?-：-jGyAmp(:s)nn nGz Ampr?-s jpn nSli ce P口 s (m m)ii iiDSi iiSLICEaSP1 D： D4 D I. K.11 口WRFAmp1(%)23.0RFAmp2(%)38.0六、自旋回波系列成像:自旋回波的基本系列如右图所示，从图中可以看出 成像技术中用的是软脉冲，因

14、为软脉冲的选择激励性好。在做该实验之前应先调节软脉冲回波系列的参数及 磁场均匀性。在把各参数调好及匀场调至最佳后，再进 行该实验。成像实验中的参数具体如图（只截取了与前面不同的 几个参数），其中SLICE表示成像的截面，SLICE=0表示所 扫的截面是纵截面，SLICE=1表示所扫的是横截面。且在 软脉冲回波系列中RFAmp2不是RFAmp1的两倍关系。如图（25）表示纵截面的成像，（26）表示横截面的成像。图（25）图（26）在扫图的过程中发现不能为了省时间而将 D。的值取得太小，因为D0的值过小将使得前后 两个回波系列之间相互干扰，以至无法得到图 像。如图（26）那样图像太扁了可以通过减小 SW的值来将图像拉开，TD=512已调至最大， 但是减小SW又将使得采集点数减少而导致图 像不是很清晰，如右图。