脉冲核磁共振成像实验仪原理及其应用

1 引言 医 学 影 像 设 备 MR发 展 迅 速 ，全 国 “三 甲 ”医 院 大 都 配 备 了
3.0T MR，极大地提高了治疗水平。MR设备集当今顶级技术于 一身，是物理学、信息科学、电子学以及医学交叉融合的结果。 由于发展较快，操作技师、诊断医师包括在校医学影像学学生 们也都极需要MR原理基础。 MR成像原理较为复杂，而脉冲核 磁共振成像实验仪充分利用古老的物理学， 建立理想模型的 经典方法，巧妙地采用了多媒体等现代化手段，把文字教材、 多媒体学习软件、模拟实验有机结合在一起，将深奥难懂的理 论 描 述 为 直 观 生 动 的 多 媒 体 展 示 ，使 我 们 在 短 时 间 内 了 解 MR 成像的基本原理。
中，观察自由衰减信号及其频谱，逐渐加大梯度场，
观察信号及频谱的变化，在无梯度场时，无法区分
任何空间信息，如图4所示。
较大梯度场下空间结构完全分开的同时信号
明显变小，噪声增加，如图5所示。
通过
采集
以上实验
信号
可直观地
理解梯度场在一维
成像中的作用。
（4） 了 解 瞬 间
梯度场， 对二维成
像（空间相位编码）
（1）了 解 脉 冲 宽 度 对 信 号 的 影 响 ， 对 90°脉 冲 、180°脉 冲 有 基本认识。
核磁共振的脉冲宽度是核磁共振的重要参数， 也是自旋 回波产生的机理和弛豫时间测量的重要前提。
从图2可以明显观察到，随着脉冲的增加信号幅度周期性
·医疗卫生装备·2010 年 08 月第 31 卷第 08 期 Chinese Medical Equipment Journal·Vol．31·No．08·August·2010
（1. The Affiliated Hospital of Jiangsu University, Zhenjiang 212001, Jiangsu Province, China; 2. Nanjing General Hospital, Nanjing Military Area Command, Nanjing 210002, China; 3. The Affiliated Hospital of Yangzhou University, Yangzhou 225001, Jiangsu Province, China; 4. Medicine School of Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China; 5. Shanghai Gaoyin Biotech Co., Ltd, Shanghai 200433, China）
仪 器 原 理 Instrument Theory
法，如图9所示。 T2测 量 如 图9， 第 一 脉 冲 为90°脉 冲 ， 第 二 脉 冲 为180°脉
冲。 当脉冲间隔较小时，自旋回波幅度与自由衰减信号幅度 相近，如图9（a）所示。 在脉冲间隔较大的情况下，T2较短的自 旋回波信号较小，如图9（b）所示，信号按exp（-t /T2）衰减；T2较 长 的 自 旋 回 波 信 号 较 大 ，如 图9（c）所 示 ，通 过 幅 度 和 脉 冲 间 隔 衰 减 关 系 可 以 得 到 弛 豫 时 间 T2。
Working Principle and Application of Pulse Magnetic Resonance Imaging System
GAN Quan1, CAO Guo-ping1, WANG Jun2, DU Xian-mao3, YIN Rei-gen1, WANG Dong-qing1, LIU Huan-huan4, CUI Heng-wu4, XIE Huan-tong5
有所认识， 了解瞬
频谱间梯度场的ຫໍສະໝຸດ 度大小、 瞬间梯度保持 时间对二维成像图
图4 自由衰减信号及频谱图
形的影响。
采集
观察瞬间梯度
场扫描过程的信号
信号
如图6所示。 显示核
磁共振成像灰度如
图7所示。 在这些信
号的对比下， 理解
瞬间梯度场产生二
维成像的原理。
频谱
（5） 三 维 核 磁
共振成像， 放入具 有三维空间结构的
图1 脉冲核磁共振实验装置图
脉冲2 μS
脉冲6 μS
脉冲12 μS
脉冲18 μS
脉冲24 μS
脉冲30 μS
脉冲36 μS
脉冲48 μS
脉冲52 μS
图2 脉冲宽度与信号的关系图
变化，尤其是信号的正负也呈周期变化，这样能直观地了解 90°脉 冲 和 180°脉 冲 的 形 成 和 作 用 。
（2）观察自旋回波信号，了解其在成像中的作用。 二维核 磁共振成像建立在自旋回波的基础上，所以必须了解自旋回 波 的 机 理 并 了 解 180°脉 冲 的 意 义 。
图5 信号衰减噪声增加图
标准样品进行三维数据的采集，观察多层结构，如图8所示。
采集
信号
（a）
（b） 频谱
（c） 图3 自旋回波原理图
图6 梯度扫描过程图 （6） 了 解 弛 豫 时 间 的 含 义 以 及 T1、T2弛 豫 时 间 测 量 的 方
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仪 器 原 理 Instrument Theory
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脉冲核磁共振成像实验仪原理及其应用
甘 泉，曹国平，王 骏，杜先懋，殷瑞根，王冬青，刘欢欢，崔恒武，谢寰彤
[摘要] 目的：阐述脉冲核磁共振成像实验仪原理及其应用。 方法： 通过对脉冲核磁共振实验仪结构及原理分析和讨 论，并结合实际应用来验证其作用。 结果：证明了脉冲核磁共振实验仪可以直观地了解核磁共振技术基本原理和实现 过程，同时还可以了解掌握各种脉冲序列原理及图像重建的数学处理方法，以及各种伪影产生机理和脉冲参数设置对 图像的影响，一维二维三维成像研究等。结论： 脉冲核磁共振成像实验仪为从事 MRI 相关人员提供了对 MR 成像原理 及基本技术一个最直观的认知途径。 [关键词] 脉冲核磁共振实验仪； T1T2 测量；3D 成像；SE 序列；伪影观察 [中国图书资料分类号] TH774 [文献标识码] C [文章编号] 1003-8868（2010）08-0111-04
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（a） （b）
图7 核磁共振成像灰度图 分 辨 率 ：128×128×128
（c） 图10 反转恢复法测量T1图
随 间 隔 增 加 而 变 大 ， 信 号 为 负 ； 当 脉 冲 间 隔 等 于 T1/ln2 时 ， 信 号 为0。 所以，找到信号为0的脉冲间隔就可以测量出T1。
零，这时可以清晰看到自旋回波正负与自由衰减信
号相反， 如图3（c）所示。
（3）采 用 定 标 样 品 （三 注 油 孔 ）对 一 维 成 像 （空
间频率编码）有所认识，观察梯度场各个参数对一
维成像的影响。
梯度场对频谱的影响是一维成像的基本原理，
观察梯度场投影处的一维影像是了解核磁共振成
像基本原理的重要步骤。 将注油三孔样品放入探头
从 图3（a）中 可 以 清 晰 看 到 ，180°脉 冲 后 信 号 断 裂 ， 信 号 正 负发生突变同时信号幅度逐渐增加，在等间隔时间信号的幅 度最大，这是自旋回波原理。
加大磁场梯度，信号衰减加快，自旋回波变窄但幅度最 大 位 置 不 变 ，如 图 3（b）所 示 。
当工作频率等于共振频率时，观察信号频率为
Abstract Objective To expound the working principle and application of the pulse magnetic resonance imaging system. Methods The function and clinical values of the MRI system were verified by combining the analysis and discussion of its structure and working principle. Results The pulse MRI system not only enabled users to understand its basic working principles and implementation process effectively，but also demonstrated the principles of different pulse sequences and the mathematical processing methods of image reconstruction as well. It's useful in investigating the effects of artifact production mechanism and setup of different pulse parameters, as well as the study of 1D/2D/3D imaging. Conclusion The pulse MRI system presents a visual way to understand the working principles of MRI for related medical personnel.[Chinese Medical Equipment Journal，2010，31（8）：111-114] Key words pulse MRI system; T1/T2 measurement; 3D imaging; SE sequence; artifact observation
编程，为研究快速谱成像方案提供了一个重要的平台，也成为 物 理 专 业 、医 学 影 像 专 业 、生 物 工 程 专 业 教 学 和 科 研 、 了 解 MR 成像原理及基本技术的一个最有效的方法。 2 原理
脉 冲 核 磁 共 振 成 像 实 验 仪 [1]由 磁 铁 、探 头 、开 关 放 大 器 、 相位检波器、振荡器、控制采集器、计算机梯度电流驱动器组 成。 探头内包括梯度线圈和射频线圈，修正磁铁本身因加工 误差而带来的梯度场，起到了匀场作用。 同时，梯度线圈起到 空间相位编码和频率编码作用。 样品放入射频线圈内的作用 是旋转磁场和观察自由旋进信号的发射线圈和接收线圈。 用 开关放大器在观察自由旋进信号时将射频线圈与相位检波 器放大器相连，再由振荡器和射频脉冲发生器提供相位检波 器和射频脉冲的射频基准，利用相位检波器将采集困难的高 频信号转变成容易采集的低频信号，得到成像所必需的相位 精度。 控制采集系统将计算机发送的脉冲序列代码转换成实 际的脉冲序列， 并将信号转变成数字代码传递给计算机，如 图1所示。 3 实验目的和实验内容
32改进了蓄电池的使用方法提高了手术灯的存储效益目前野战手术灯所使用的蓄电池都是第二种类型年长期存放亦必须每隔在仓储卫生装备维护保养工作中考虑到蓄电池的老化因素存放年蓄电池性能大大下降所以每隔次蓄电池造成蓄电池在还没有发挥作用就没用了浪费大而且不环保给仓库保管员增加了工作量每隔h待冷却没问题后再装箱工作量很大野战手术灯的工作电源主要是市电和发电机供电蓄电池只是起到应急供电的作用还有就是稳定重心的作用针对这一问题建议野战手术灯蓄电池组的金属外壳做成上盖式开口方便装入蓄电池和注入电解液在出厂时蓄电池不加电解液蓄电池内部充入氮气防氧化或其他更有利于保存的气体排出空气盖上密封帽插上帽挡板帽挡板可做成插槽式不用胶封死这样蓄电池内部物质在几乎没有空气氧化和腐蚀的条件下可保存支装使用时方便注入便于密封而且要标定保质期一般保质期限为年贴上电解液使用说明书说明书要简明易懂如果这样配备野战手术灯蓄电池配发给使用单位后使用单位就可以根据自己的实际情况选择起用蓄电池的时间对于仓储来说不仅延长了野战手术手术灯仓储的时间减轻了仓库保管员的工作量节约了电力资源还节约维护经费减少浪费和污染通过对结构充电电路和配置方法的改进确实能提高野战手术灯的性能提高装备的品质降低在卫勤训练和卫勤保障中的故障真正发挥出新型卫生装备在性能上的优势确保各项任务的出色完成参考文献杜海舰伍瑞昌
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Instrument Theory 仪 器 原 理
磁铁 S
梯度线圈
样品 N
开关放大器 相位检波器
振荡器
乘法器 积分器
射频基准输出
射频脉冲输出 脉冲控制输入
梯度电流 驱动电路 X梯度控制输出 Y梯度控制输出 Z梯度控制输出
DA0 AD输入 脉冲控制
DA1
DA2 控制采集器 RS232
计算机
通过分析成像参数、序列参数、选层厚度对图像对比度的 影响，深刻理解对比度形成实质和各参数间的互相影响，实验 仪不但能实现成像的基本原理， 同时还能随意进行脉冲序列
基 金 项 目 ：江 苏 省 教 育 厅 指 导 性 课 题 （04KJD320046） 作者简介：甘泉（1957-），男，江 苏 南 京 人 ，主 任 技 师 ， 主要从事医学影像技术及医学影像设备方面的研究 工 作 ，E-mail：ganquan5706@。 作者单位：212001 江苏镇江 江苏大学附属医院影 像科（甘 泉、曹国平、殷瑞根、王冬青）；210002 南京 南 京 军 区 南 京 总 医 院 （ 王 骏 ）；225001 江 苏 扬 州 扬州大学附属医院（杜先懋）；212013 江苏镇江 江苏 大 学 医 学 院 （刘 欢 欢 、崔 恒 武 ）；200433 上 海 上 海 复旦企业高银科技（谢寰彤）