脉冲核磁共振

核磁共振及其成像实验

一、引言

核磁共振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，1939年首次被拉比在高真空中的氢分子束实验中观察到，之后广泛运用于医学成像领域。本实验旨在掌握核磁共振基本原理，并利用核磁共振研究硬脉冲及其回波，测量横向弛豫时间，了解几种成像参数对图像的影响。

二、实验原理

2.1核磁共振基本原理

当一个样品被放在外磁场0B 中时，样品就会被磁化，产生能级分裂现象，所产生的能级间距为：

0E B ћγ∆= (1) 若在该样品系统上加上一个射频磁场，当射频场能量等于能级间距时，样品对外加射频能量吸收达到最大，因此得到核磁共振产生的基本条件：

00h ћB ћυωγ==

(2) 因此得到拉莫尔方程

00B ωγ= (3)

其中0ω就是产生核磁共振的拉莫尔频率，γ为样品物质的磁旋比，0B 为外加磁场的磁场强度。

2.2自旋回波

考虑一个90°-τ-180°-τ采样的脉冲序列。把一个包含大量自旋数的样品分为610个系综，在每个区域，外磁场分布在一个很窄的范围，每个系综内有一确定的净磁化强度，它们都对总的磁化强度做出贡献。第一个90°脉冲后，每一个这样的磁化矢量均以稍稍不同的频率作进动，彼此逐渐散相。经过时间τ后，施之

一个双倍宽度的180°脉冲，相位差全部反转，再经过适当时间τ后，所有系综回到同相位状态，总磁化强度达到最大值。在样品线圈里，感应出“自旋回波”信

t存在着采样时间较长的缺点，号，幅度一般小于FID信号。由于此回波序列测量

2

故采用90°-τ-180°-2τ-180°-…序列。

2.3弛豫过程

t表征由横向弛豫时间：起因于自旋-自旋之间的相互作用。横向弛豫时间

2

于非平衡态进动相位相关产生的不为0的磁化强度横向分量M恢复到平衡态时

t描述了垂直于磁场方向的核自旋磁矩相位无关所需特征时间。即横向弛豫时间

2

恢复到热平衡态的快慢程度。

三、实验装置与过程

3.1实验装置

NMI20Analyst 台式核磁共振成像仪、大豆油、芝麻

3.2实验过程

3.2.1测量大豆油拉莫尔频率

对FID 信号进行傅立叶变换，找到射频磁场的中心频率，对图像进行峰值提取、设定中心频率，重复以上步骤直至偏差为0。

3.2.2硬脉冲回波实验

调节P1、P2得到90°与180°脉冲，观察硬脉冲回波的特性，形状，以及各个参数对其的影响。

t

3.2.3测量横向弛豫时间

2

采用硬脉冲CPMG序列，可以得到一个回波的波列。对每个回波的波峰值与

t。

时间进行拟合即可测得横向弛豫时间

2

3.2.4 芝麻、大豆油自旋回波成像

选择软脉冲成像，准确调整拉莫尔共振频率以及软脉冲的RFAmp1(%) 和RFAmp2(%)的值，最后进行各种成像参数调整，直至成像。

四、实验结果与分析

4.1测量大豆油的拉莫尔频率

通过傅里叶变换，测得0=23.184806MHz ；

讨论：（1）横向弛豫时间2t 描述了垂直于

磁场方向的核自旋磁矩恢复到热平衡态

的快慢程度，因此磁场越均匀2t 越大，因

此当FID 信号拖尾最长时，就表示磁场的

状态最均匀；（2）FID 信号的振荡反映了

总磁矢量M 在向上恢复时的进动；衰减则

反映了横向上的弛缓现象。当共振时，进

动消失，因此信号只产生衰减而不会产生

震荡，如右图。

4.2改变参数研究硬脉冲回波

① 改变P1、P2值使得信号最大

调节P1，测得当 P1=27.5±0.5μs 时信号振幅最大，对应90°脉冲； 调节P2，测得当 P2=55.0±0.5μs 时信号振幅最小，对应180°脉冲；

讨论：P1、P2即脉冲信号宽度，其大小代表着总磁化强度偏转的角度，由于信号接收器位于X-Y 水平面上，因此当信号振幅最大时，对应90°脉冲；当信号振幅最小时，对应180°脉冲。并且易知P2的大小等于两倍的P1，实验中测得数据与理论符合得较好。

② 改变D1值研究波形的变化

实验中发现随着D1的增大，回波的振幅减小并且逐渐右移。

讨论：D1表示90°脉冲与180°脉冲之间的时间间隔。当施加了一个90°脉冲之后，总磁矩M 的方向从竖直向上变成了水平。之后磁矩绕垂直磁场做进动，水平分量绕z 轴作旋转，且其模长不断减小。此时施加一个180°的脉冲，使磁矩的相位差完全反转，经过一段时间后它们回到同相位的状态，也即总的磁化强度达到最大值。接着磁矩又以不同速度继续进行弛豫过程，信号逐渐减小。故在图中会出现一个包络线的峰值。当D1越大，则90°与180°之间的间隔越大，也即经过的弛豫时间越长。施加了180°脉冲之后，D1

越大则需要更多的时间才图1共振时信号曲线

能使所有磁矩达到同相位，故回波图形随着D1的变大而向右移动。

回波的幅度通常小于原始的FID，原因由于是热弛豫及扰动核磁矩进动的局域场的随机波动的影响，使磁化强度的幅度稍有损失，而D1越大其衰减的时间就越多，导致其回波振幅变小。

4.3硬脉冲CPMG测量横向弛豫时间

2

t

采用硬脉冲CPMG序列(90°-τ-180°-2τ-180°-…)，间隔相同的时间多次施加180°，可以得到多个逐渐衰减的信号。对峰值与时间进行e指数拟合即可得到弛

豫时间

2

t。拟合结果如下：

综上，取平均值：

2

103.55

t ms

=

讨论：

2

t并不存在理论值，实验中也发现测量并不精准，因此我们尽量选择最可信的数据；实验中选取的峰数较多，且最后峰的大小都下降到了250以下，衰减曲线较完整，因此认为此数据的置信度较高。

4.4芝麻、大豆油自旋回波成像

RFAmp1(%)=12.0 RFAmp2(%)=21.0

拉莫尔频率

=23.185111MHz

ν

图2芝麻垂直切面成像图图3大豆油垂直切面成像图