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1、陈文婷_近代物理实验_06300720378探究自旋回波序列核磁共振成像陈文婷 光信息科学与技术 06300720378【摘要】利用小型核磁共振成像仪，完成了测量驰豫时间T1、T2，用自旋回波脉冲序列成像等一系列实验，了解了各个参数对图像质量的影响，加深了对核磁共振成像法研究物质的的物理原理的认识。【关键词】核磁共振，核磁共振成像，驰豫时间，卷褶伪影。【引言】美国化学家P. C.Lauterbur 和英国物理学家P. Mansfield 分别提出在核磁共振中加梯度磁场进行空间编码以及回波平面等方法实现核磁共振成像的原理，获得了2003 年度的诺贝尔生理学/ 医学奖,成为与核磁共振的发展及应用有
2、关的第15 ,16 位诺贝尔奖获得者. 50 多年来,核磁共振已先后使16 位科学家获得了13 次诺贝尔奖. 随着1978 年英国研制出第一台核磁共振成像仪,核磁共振成像技术在医学诊断学和脑科学等领域开拓出一个新的研究方法。如今,全世界已有2. 2 万余台核磁共振成像仪器在工作,包括成像在内的核磁共振技术已经广泛地应用于物理、化学、生物、医学、地学、石油勘探等领域,形成了一门还在不断发展中的边缘交叉学科。因此，进行核磁共振成像实验是很有意义的。【原理】1 核磁共振单个自旋核在磁场中除了不断绕自身轴作转动之外，还以磁场为轴作进动。进动的频率遵循拉莫尔公式： 0=B0 。其中称为旋磁比( Gy2r
3、omagnetic Ratio) ,是决定于原子核本身性质的常量。0称为拉莫尔频率。让处于外磁场中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射，当辐射能量恰好等于自旋核两种不同取向能量差时，处于低能态的自旋核吸收电磁辐射能跃迁到高能态。这种现象称为核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance ,简称NMR)。当含氢样品被置于外磁场B0中时，样品会被磁化，产生能级分裂，分裂能级间距为：E=B0h/2。在该样品系统上垂直施加一个射频磁场B1，从量子力学观点来看，射频场的能量为hv，当该能量和分裂间距产生的能级间距相等，即hv=E时，样品对外加射频场能量吸收最大，产生的核磁共振信号也最强。因为
4、，核磁共振产生的基本条件：hv=h0/2=hf0=B0h/2,即质子进动的拉莫尔频率0=B0。F0是外加射频磁场的中心频率。当2f0=0时，质子系统与射频场系统之间产生能量交换，发生核磁共振。核磁弛豫过程(Relaxation Process) 是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. 弛豫过程的时间特性表征“自旋-晶格弛豫”( Spin-Lattice Relaxation ,也称为纵向弛豫) 的T1 和表征“自旋-自旋弛豫”( Spin-Spin Relaxation , 也称为横向弛豫) 的T2 与物质的种类、物质的结构和物质的环境有关,从而
5、可以测定物质的结构.2 核磁共振成像核磁共振成像就是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. 从独立的核磁共振信号到成像,关键是必须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. 针对不同的需求, 核磁共振成像空间编码的方式有很多种,相应的对样品施加的梯度磁场脉冲序列也各有不同 . 但其最基本的宗旨和原理都是一致的. 在本实验系统中, 我采用了软脉冲自旋回波序列（SE），z
6、方向的梯度场用来实现样品成像横断面的选择(称为选片) , x方向的梯度场用来实现在x方向上对信号的频率编码, y方向的梯度场用来实现在y方向上对信号的相位编码. 经过空间编码后的信号,通过二维傅里叶变换后就得到核磁共振信号的二维分布函数, 从而得到了样品的二维核磁共振图像.核磁共振成像中，脉冲序列是获取足够用以重建图像的信号按照一定的时序和周期施加的射频脉冲与梯度脉冲的组合。软脉冲自旋回波序列执行过程如下：首先用90射频脉冲激励样品物质，在它作用下，宏观磁化矢量迅速倒向XY平面，因此，90射频脉冲是SE序列的准备脉冲。之后再施加一个选层梯度脉冲Gs作用在样品上，以选择并激发一个特定层面，接下来
7、是一个180脉冲，主要作用是改变XY平面内质子 进动方向，使失相的质子重新相位重聚，此时吸收180脉冲射频能量的后的质子，将在后面以自旋回波的形式放出能量，从而产生自旋回波信号。选择一个层面，接下来就是在相位编码和频率编码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者递减一步。Gr是读出梯度，即；频率编码梯度，以实现对每个像素的最终定位，从而确定视野（FOV, field of view）的大小，即频率编码方向上的取样点数决定了Y方向上的大小，相位编码方向上的步数决定了X方向上的大小。因为，在成像过程中，相位编码梯度和频率编码梯度的选择对最终的自旋回波成像效果有重要
8、的影响。总体来说，SE序列的执行过程可分为激发、编码、相位重聚和信号采集四个阶段。【实验过程】先通过测量驰豫时间T2、T1，加深对驰豫过程的理解。再通过自旋回波序列进行核磁共振成像实验。0 设定中心频率和90脉冲时间。每次重新测量前都需要重新设置所加射频场的中心频率，因为一段时间后，中心频率会发生移动。手动确定确定90和180脉冲时间应通过确定180脉冲时间来确定，90脉冲时间取180一半即可，因为180脉冲傅里叶变换后对应模谱极小值，且该处模谱的斜率大，变化比90处明显，误差较小。自动确定的方法虽然快速简单，但是我觉得不如手动方法精确。1 自旋回波法测自旋-自旋驰豫时间T2使用硬脉冲CPMG
9、序列进行测量。得到的回波峰的指数衰减曲线就是T2衰减曲线，则用计算机内软件对回波信号的幅值（即回波链包络线）用公式M=M0exp(-2n/T2)其中是相散时间进行拟合，即可得T2。参数调节应注意：试验中我采用了自动拟合，由于回波链长度越大越好，所以需要调节SW和TD，使TD/SW，即测量时间尽量大。注意样品可能有多种组分，软件带有单组份和多组分拟合两种拟合功能，我在测调和大豆油T2时用双组份拟合效果误差比单组份好，而测葵花籽油T2时用单组份拟合误差小。2 反转回复法测自旋-晶格驰豫时间T1使用反转回复序列进行测量。通过不断改变反转回复序列中的t1值，并记录每次FID信号幅值，就能通过软件描绘出
10、Mz的回复曲线，然后软件会自动用公式Mz= M0（1-2exp（-t/T1）拟合，可计算出样品的T1值。参数调节应注意：反转时间D1较小时，Mz为负值，输入拟合时应加上一个负号。为了拟合的更准确，通过观察后，在曲线斜率大处可多取一些点。注：也可以通过其他序列测量T1、T2， 并与以上测量结果比较，例如可以通过饱和回复脉冲序列测T1。3 软脉冲自旋回波序列成像(1)实验中主要需调整GxAmp（%），GyAmp（%），GzAmp（%）三个参数以得到最清晰的图像，则需要先理解这三个参数的物理含义。注：%代表以最大幅值的%设定。A、 梯度场的作用。选层梯度Gs（设由Gz来完成）来选择一个层面，层厚Z=
11、f/(Gz)，与射频带宽成正相关，与Gz反相关，即Gz越大，选定的层厚越薄。对于选定的二维层面，频率编码梯度Gf（设由Gx来完成）和相位编码梯度Gp（设由Gy来完成）在X、Y方向产生频率差值Wx=GxX，Wy=GyY，通过对信号进行频率范围的获取再与空间位置实现一一对应。B、 样品在图像中大小在FOV中占的比例。对固定大小样品来说FOV越大，样品在图像中越小。X方向：（FOV）x=Wx/（Gx）,则样品在图样中宽度和采集谱宽SW成反相关，与频率编码梯度Gx成正相关。同理Y方向：因等效采样时间间隔t=2D1/NE。（FOV）y=Wx/（Gy）=NE/(2D1*Gy),则样品在图样中高度与相位编码
12、步NE成正相关，与相位编码梯度Gy成反相关。C、 样品空间分辨率P。P=FOV大小/像素数值。Px=SWx/(Gx*TD)，Py=SWy/(Gy*NE)。D、 图像的线性度。只要(FOV)x=(FOV)y,即可保证样品图像与样品形状一直，否则图像会出现线性失真。但实际系统中由于梯度线圈难以完全一致，即使Gx与Gy相等，仍难以符合理想情况。E、 卷褶伪影：超出选定部分样品产生的信号频率高于采样谱宽，但却同样被线圈采集到，采样后的信号需要进行变换，根据信号离散化后导致频率域的周期延拓性质，以及Nyquist采集定律，可知这部分信号将被折叠到设定的采样谱宽内。混叠的频率满足下式：。 f为实际频率，f
13、s为Nyquist取样频率，fa为卷褶以后的频率。消除方法：增大。增大（FOV）x：1 提高采样带宽SW； 2 减小编码梯度Gx。增大(FOV)y：1 增加相位编码步NE；2 减小相位编码梯度Gy；3 减小相位编码时间D1。F、 截断伪影：实际采样时是对无限长的回波信号进行时间域的截取，相当于在原来的回波信号乘上了一个矩形窗函数，由于振铃效应，原回波信号加矩形窗后的傅里叶变化是回波信号的频谱叠加一个振铃频谱，在图像上体现出涟漪状的黑白条纹，称为振铃伪影，也称截断伪影。消除方法：增大采样时间（T=TD/SW），则可增加采样点数或者减小采样带宽。同理，相位编码方向上也要增大相位编码时间。 (2)自
14、旋回波权重像。采集到的自旋回波信号强度：Sse(Te,Tr)=AN(H)(1-exp(-Tr/t1)exp（-Te/T2）,其中，N（H）是体积内自旋氢核的数目，A为增益，T1和T2都是样品的驰豫时间，场强确定后，基本上固定不变。则可以通过控制和改变重复之间Tr和回波时间Te来改变信号幅值，实现某个参数对样品组织最终信号的影响权重，以突出或者强调该参数，进而改变样品组织在图像上的灰度，即所谓参数加权图像。本实验中有质子密度加权像，T1加权像，T2权像三种。【结果与讨论】1、 二维芝麻质子密度图分别是矢状面和横断面。能够看出芝麻的颗粒，但是不是很清楚。若要进一步得出更清晰的图像还需要仔细调节Gx
15、,Gy,Gz等参数。 2、纯水中大豆a、Y方向出现了卷褶伪影，需要增大(FOV)y。b、二维核磁共振图像的灰度差异, 不仅反映样品中氢核的密度分布, 同时也能反映样品弛豫时间T1 及T2 的空间分布。我们知道由于纯液体质子难以失去自身能量。如水中的水分子运动的快，处于高能级状态质子不能把它们的能量迅速传给周围晶格，只能慢慢回到低能级水平。，则液体有比固体长的T1。而固体物质的自旋-自旋驰豫衰减的快于液态物质，即液体的T2长于固体。综上，液体的驰豫时间比固体长。在我得到的图中，大豆的颜色比水的颜色暗，又知道大豆的驰豫时间比水的驰豫时间短，探测到的能量与颜色的亮暗成正相关，则说明我设置的回波时间比
16、较长，线圈主要探测到了液体驰豫过程中释放的能量。c、两粒豆瓣中间有一道很暗的痕迹，应该是和豆瓣不同的物质，但当时没有把豆瓣掰开来看，我猜测是胚芽或者空气。【结论】通过测量驰豫时间T1、T2，和利用软脉冲自旋回波序列进行核磁共振成像，更深入的知道了驰豫时间和物质结构的关系，以及核磁共振成像在医学上应用的物理解释。【致谢】感谢俞熹老师，乐永康老师，杨红英老师等各位老师的指导！感谢搭档尤捷同学的合作！【参考文献】1.汪红志张学龙武杰 核磁共振成像技术实验教程科学出版社2 王逗. 核磁共振原理及其应用现代物理知识2005 年05 期3.史全水. 核磁共振技术及其应用J. 洛阳师范学院学报, 2006,(02).6
