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1、核磁共振成像技术实验核磁共振成像技术实验复旦大学06级物理系 王前（06300190022）2009.6.18核磁共振及其成像的基本原理核磁共振成像系统（NMI20台式核磁共振教学成像仪）原理性实验电子匀场的调节硬脉冲FID序列测量拉莫尔频率旋转坐标系下的FID信号及其特点硬脉冲回波序列确定硬脉冲射频反转恢复法测量T1硬脉冲CPMG序列测量T2成像技术实验自旋回波序列成像自旋回波权重像 Outline:核磁共振现象及其成像的基本原理核磁共振现象及其成像的基本原理MRI成像的先决条件是被成像样品中的原子核必须具有磁性，而这种磁性源于原子核本身的自旋运动。单个自旋核在磁场中的运动除了不断绕自身轴作
2、转动之外，还以磁场为轴作进动，进动的快慢（即频率）遵循拉莫尔公式：将所有单个自旋核的磁矩进行矢量求和，可以得到宏观磁化矢量M：在垂直于外磁场的方向施加与拉莫尔频率相等 的射频磁场B1，可使得宏观磁化矢量发生偏转，即核磁共振现象。偏转角度取决于射频场的大 小B1和脉冲宽度。自旋核子群收到射频激励后，宏观磁化矢量失去平衡，偏离Z方向，使得MZ减小，同时出现横向磁化分量MXY。射频停止后，核子群系统要从非平衡状态恢复到平衡状态，分别包括纵向磁化矢量和横向磁化矢量的恢复两个分过程，分别称为T1弛豫和T2弛豫。根据法拉第电磁感应定律，如果在正在发生弛豫的区域外环绕一封闭线圈，则线圈内将感生出微弱的电动势
3、，这就是核磁共振信号。旋转坐标系的引入，使宏观磁化矢量M的进动被当作背景得以消除，观察到的就只有射频作用和弛豫效应了。在旋转坐标系下，Bloch方程变为：旋转坐标系一般由混频电路来实现。当混频频率与拉莫尔频率相等时，将观察不到进动项，此时的FID信号仅为指数衰减曲线。核磁共振成像系统-NMI20台式核磁共振教学成像仪原理性实验原理性实验1.核磁共振主磁场均匀性的调整核磁共振主磁场均匀性的调整 在NMRI中，要进行空间编码（层选脉冲、相位编码和频率编码），就要在静磁场上叠加微弱的梯度磁场。静磁场的均匀性越差，偏差越大，图像质量越差。如果静磁场不均匀，在叠加梯度磁场后，层位信号将发生偏离，引起图像
4、失真和畸变。当FID信号的拖尾越长，即FID衰减包络线越缓，表示磁场均匀性越高。2.2.硬脉冲硬脉冲FIDFID序列测量拉莫尔频率序列测量拉莫尔频率实验室坐标系中的NMR信号在旋转坐标系中就消除了进动项。当旋转坐标系的旋转频率与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分就可被完全过滤掉，呈现出来的是一条呈指数规律递减的曲线。因此，在上述实验1的基础上，通过不断修改射频脉冲的中心频率，同时观察屏幕上的FID信号。当FID信号的振荡频率逐步减小到基本上不出现振荡时，说明此时的射频中心频率就是拉莫尔频率。下图就是达到共振状态时的形状及频谱：此时，射频场中心频率：即为该样品的拉莫尔
5、频率。3.硬脉冲回波序列确定硬脉冲射频硬脉冲回波序列确定硬脉冲射频在使系统处于核磁共振实验状态后，选择Demo下的硬脉冲FID序列，并调节P1的值使信号幅值最大。再选择Demo下的硬脉冲回波序列，通过调节O1、D1、SW，使回波完全出现在信号窗口，FID信号尽量少进入信号窗口，同时使回波中心处于采样时间的中心处。将90度脉冲宽度P1设置为第一步找到的数值，P22P1。调节后的最佳效果如下图所示：4.4.反转恢复法测反转恢复法测T T1 1在核磁共振常规脉冲序列当中，反转恢复（inversion recovery）是较为常见的一种序列。该序列首先施加一个180度射频脉冲，使纵向磁化矢量强度MZ反
6、转到主磁场的反方向，然后该磁化矢量强度以T1时间常数进行自由弛豫。经过一段时间后，MZ有所减小，此时沿水平方向上再施加一个90度射频脉冲，检测并记录此时产生的FID信号。将该序列中180度和90度两个射频脉冲之间的间隔时间定义为反转时间TI，TI是反转恢复序列的一个重要参数。在实验中，我们通过改变反转时间D1的 值，每次改变后都重复进行累加数据采 集和傅立叶变换，并记录对应的频谱峰 值，将两者进行拟合，得右上图所示结 果。在此情形下，反转时间T1139ms。5.5.硬脉冲硬脉冲CPMGCPMG序列测量序列测量T T2 2硬脉冲CPMG序列，主要由一个90度射频脉冲和多个180度射频脉冲，及各自
7、的回波信号组成，其最主要的一个参数就是回波个数C1的设置。左下图为C1为10的波形。确定了C1的值后，将累加次数设定为8次，单击ZG采集信号（实验过程中根据回波显示的情况可对TD、SW和D2进行调节使得显示窗口能够显示出所有回波信号）。对上述采集的信号完成后，利用软件自带的工具进行拟合，取C1不同值时的实验结果如下：6.6.自旋回波序列成像自旋回波序列成像 自旋回波脉冲序列首先用90度射频脉冲激励样品物质，在它的作用下，宏观磁化矢量迅速倒向XY平面上，因此，90度射频脉冲是SE序列的准备脉冲。之后再施加一个选层梯度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度脉冲，其主要作
8、用是改变XY平面内质子的进动方向，使失相的质子重新相位重聚，此时吸收180度脉冲射频能量后的质子，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。实验中，将装有2g芝麻样品的试管放入磁体柜上方样品槽内。调整好磁场均匀性，找到拉莫尔频率及90度和180度幅值RFAmp1、RFAmp2。单击工具栏上的new按钮，选择软脉冲自旋回波序列并进行累加采集。对计算机自动给出的K空间数据矩阵进行傅立叶变换、调整图像显示颜色后，得到如下两幅对芝麻样品的成像图：成像技术实验成像技术实验SLICE=0SLICE=17.7.自旋回波权重像自旋回波权重像由自旋回波序列成像原理可知，采集到的回波信号强度表达式为
9、：式中，N（H）为体积内自旋氢核的数目，A为增益，T1和T2都是样品的弛豫时间，在场强确定后，基本上固定不变。我们可以通过控制和改变重复时间TR和回波时间TE改变信号幅值，进而改变样品组织在图像上的灰度。因此，所谓参数加权图像，实际上就是通过选择合适的TR和TE，来实现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。实验中，将直径8mm的试管装约10ml高大豆油样品后放入直径10mm装有少量自来水的试管。同样，调整仪器使系统处于核磁共振实验状态，寻找到90度脉冲幅值RFAmp1和180度脉冲幅值RFAmp2。通过改变参数D0的值，采集信号并重建图像，观察图像改变情况，总结重复时间对图像权重的影响。以下两幅图分别为D0=1200和2500时得到的图像：D0=1200D0=2500结论：当参数D0的值逐步增加时，水的部分逐渐变亮，大豆油的灰度（相对纯水）变暗，增加了水的权重。核磁共振及其成像的基本原理原理性实验电子匀场的调节硬脉冲FID序列测量拉莫尔频率硬脉冲回波序列确定硬脉冲射频反转恢复法测量T1硬脉冲CPMG序列测量T2成像技术实验自旋回波序列成像自旋回波权重像 Summary: